JP2019151542A - Semiconductor substrate, gallium nitride single crystal, and method of producing gallium nitride single crystal - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体基板、窒化ガリウム単結晶及び窒化ガリウム単結晶の製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor substrate, a gallium nitride single crystal, and a method for manufacturing a gallium nitride single crystal.
近年、青色発光ダイオード、半導体レーザ、及び高耐圧・高周波電源IC(Integrated Circuit)等を形成する半導体材料として、窒化ガリウム(GaN)が注目されている。 In recent years, gallium nitride (GaN) has attracted attention as a semiconductor material for forming blue light emitting diodes, semiconductor lasers, and high voltage / high frequency power supply ICs (Integrated Circuits).
窒化ガリウムをサファイア基板等の上に単結晶薄膜として成膜させる場合、一般的には、ハイドライド気相エピタキシャル成長法、及び有機金属気相成長法などの気相成長法が用いられる。ハイドライド気相エピタキシャル成長法では、具体的には、アンモニアガス及び塩化ガリウム蒸気を基板上にて反応させることが行われている。 When gallium nitride is formed as a single crystal thin film on a sapphire substrate or the like, generally, vapor phase growth methods such as hydride vapor phase epitaxy and metal organic vapor phase epitaxy are used. In the hydride vapor phase epitaxial growth method, specifically, ammonia gas and gallium chloride vapor are reacted on a substrate.
このような気相成長法では、サファイア等の異種材料で形成された基板上に窒化ガリウム結晶を成長させる。このため、基板と窒化ガリウムとの熱膨張係数の差、又は格子不整合を緩和するために、下記の特許文献1及び2に開示されるように、バッファ層を設ける技術が知られている。 In such a vapor phase growth method, a gallium nitride crystal is grown on a substrate formed of a different material such as sapphire. For this reason, in order to alleviate the difference in thermal expansion coefficient between the substrate and gallium nitride or the lattice mismatch, a technique of providing a buffer layer as disclosed in Patent Documents 1 and 2 below is known.
しかしながら、下記の特許文献1及び2に開示される技術を採用した場合でも、気相成長によって合成された窒化ガリウム結晶には、結晶欠陥が多数存在するため、デバイスに組み込んだ際に目的の特性を得ることが難しかった。また、気相成長法では、窒素源として高い反応性を有するアンモニアガスを用いるため、有害ガスの除去設備が必要となり、かつ製造工程及び製造装置が複雑化しやすく、製造コストが高くなってしまう。 However, even when the techniques disclosed in Patent Documents 1 and 2 below are employed, gallium nitride crystals synthesized by vapor phase growth have a number of crystal defects, and therefore have the desired characteristics when incorporated in a device. It was difficult to get. Further, in the vapor phase growth method, ammonia gas having high reactivity is used as a nitrogen source, so that a harmful gas removal facility is required, the manufacturing process and the manufacturing apparatus are easily complicated, and the manufacturing cost is increased.
ここで、結晶欠陥が発生しにくい窒化ガリウム結晶の製造方法としては、下記の特許文献3に開示されるように、液相成長を用いて窒化ガリウム結晶を製造する方法が検討されている。このような方法では、液相からの結晶析出によって窒化ガリウム結晶を階段状に層状成長させることができるため、格子不整合が発生しにくく、窒化ガリウム結晶における結晶欠陥の発生を抑制することができると言われている。 Here, as a method for producing a gallium nitride crystal in which crystal defects are unlikely to occur, a method for producing a gallium nitride crystal using liquid phase growth has been studied as disclosed in Patent Document 3 below. In such a method, since the gallium nitride crystal can be grown in a step-like manner by crystal precipitation from the liquid phase, lattice mismatching is unlikely to occur and generation of crystal defects in the gallium nitride crystal can be suppressed. It is said.
しかし、特許文献3に開示される技術を採用した場合でも、結晶欠陥が十分に低減された窒化ガリウム結晶を形成することは依然として困難であった。 However, even when the technique disclosed in Patent Document 3 is adopted, it is still difficult to form a gallium nitride crystal in which crystal defects are sufficiently reduced.
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、結晶欠陥がより低減された窒化ガリウム結晶を備える半導体基板、窒化ガリウム単結晶、及び窒化ガリウム単結晶の製造方法を提供することにある。 Accordingly, the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a semiconductor substrate, a gallium nitride single crystal, and a gallium nitride single crystal having a gallium nitride crystal with reduced crystal defects. The object is to provide a method for producing crystals.
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、サファイア基板と、結晶方向がランダムな窒化ガリウムで構成され、前記サファイア基板の上に設けられた中間層と、窒化ガリウム単結晶で構成され、前記中間層の上に少なくとも1層以上設けられた半導体層と、を備える、半導体基板が提供される。 In order to solve the above problems, according to an aspect of the present invention, a sapphire substrate, an intermediate layer made of gallium nitride having a random crystal direction, and provided on the sapphire substrate, and a gallium nitride single crystal are provided. And a semiconductor substrate provided with at least one semiconductor layer provided on the intermediate layer.
前記中間層及び前記半導体層を構成する窒化ガリウムのチルト幅は、0.05°以上0.4°以下であってもよい。 The tilt width of gallium nitride constituting the intermediate layer and the semiconductor layer may be 0.05 ° or more and 0.4 ° or less.
前記中間層及び前記半導体層を構成する窒化ガリウムのツイスト幅は、0.1°以上0.7°以下であってもよい。 The twist width of gallium nitride constituting the intermediate layer and the semiconductor layer may be not less than 0.1 ° and not more than 0.7 °.
前記サファイア基板の前記中間層が設けられる面の面方位は、c面又はa面であってもよい。 The surface orientation of the surface on which the intermediate layer of the sapphire substrate is provided may be c-plane or a-plane.
前記中間層及び前記半導体層を構成する窒化ガリウムは、鉄原子を含み、前記窒化ガリウムの厚さ方向における前記鉄原子の濃度分布は、1.0×1016Atoms/cm3以上1.0×1022Atoms/cm3以下の範囲に含まれてもよい。 The gallium nitride constituting the intermediate layer and the semiconductor layer contains iron atoms, and the concentration distribution of the iron atoms in the thickness direction of the gallium nitride is 1.0 × 10 16 atoms / cm 3 or more and 1.0 × It may be included in a range of 10 22 atoms / cm 3 or less.
前記窒化ガリウムの厚さ方向における前記鉄原子の濃度分布は、前記窒化ガリウムの表面領域、及び前記サファイア基板との界面領域でより高く、前記表面領域及び前記界面領域の間の中間領域でより低い形状の分布を有してもよい。 The concentration distribution of the iron atoms in the thickness direction of the gallium nitride is higher in the surface region of the gallium nitride and the interface region with the sapphire substrate, and lower in the intermediate region between the surface region and the interface region. It may have a shape distribution.
前記界面領域での前記鉄原子の濃度の最高値は、前記中間領域での前記鉄原子の濃度の最低値の10倍以上であってもよい。 The maximum value of the iron atom concentration in the interface region may be 10 times or more the minimum value of the iron atom concentration in the intermediate region.
前記表面領域での前記鉄原子の濃度の最高値は、前記中間領域での前記鉄原子の濃度の最低値の10倍以上であってもよい。 The maximum value of the iron atom concentration in the surface region may be 10 times or more the minimum value of the iron atom concentration in the intermediate region.
前記窒化ガリウムの厚さ方向において、任意の2点の前記中間領域の前記鉄原子の濃度差は、前記任意の2点のいずれか一方の前記鉄原子の濃度の50%以下であってもよい。 In the thickness direction of the gallium nitride, the difference in concentration of the iron atoms in the intermediate region at any two points may be 50% or less of the concentration of the iron atom in any one of the two points. .
前記窒化ガリウムの面内方向において、任意の2点の前記中間領域の前記鉄原子の濃度差は、前記任意の2点のいずれか一方の前記鉄原子の濃度の50%以下であってもよい。 In the in-plane direction of the gallium nitride, the difference in concentration of the iron atoms in the intermediate region at any two points may be 50% or less of the concentration of the iron atom at any one of the two points. .
前記界面領域は、前記サファイア基板との界面から前記窒化ガリウムの厚さ方向に2μm以内の領域であり、前記表面領域は、前記窒化ガリウムの表面から前記窒化ガリウムの厚さ方向に1μm以内の領域であってもよい。 The interface region is a region within 2 μm in the thickness direction of the gallium nitride from the interface with the sapphire substrate, and the surface region is a region within 1 μm in the thickness direction of the gallium nitride from the surface of the gallium nitride. It may be.
また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、結晶方向がランダムな窒化ガリウムで構成された中間層を介してサファイア基板の上に少なくとも1層以上設けられ、単結晶にて構成される、窒化ガリウム単結晶が提供される。 In order to solve the above-described problem, according to another aspect of the present invention, at least one or more layers are provided on a sapphire substrate via an intermediate layer composed of gallium nitride having a random crystal direction. A gallium nitride single crystal is provided.
前記中間層を構成する前記窒化ガリウム、及び前記窒化ガリウム単結晶のチルト幅は、0.05°以上0.4°以下であってもよい。 The tilt width of the gallium nitride constituting the intermediate layer and the gallium nitride single crystal may be 0.05 ° or more and 0.4 ° or less.
前記中間層を構成する前記窒化ガリウム、及び前記窒化ガリウム単結晶のツイスト幅は、0.1°以上0.7°以下であってもよい。 The twist width of the gallium nitride constituting the intermediate layer and the gallium nitride single crystal may be not less than 0.1 ° and not more than 0.7 °.
前記サファイア基板の前記中間層が設けられた側の面方位は、c面又はa面であってもよい。 The surface orientation of the sapphire substrate on which the intermediate layer is provided may be a c-plane or a-plane.
また、上記課題を解決するために、上記の半導体基板が備える窒化ガリウム単結晶、又は上記の窒化ガリウム単結晶の製造方法であって、金属ガリウム及び窒化鉄を、窒素雰囲気下で少なくとも前記窒化鉄と前記金属ガリウムとが反応する反応温度まで加熱するステップと、前記金属ガリウム及び前記窒化鉄を前記反応温度まで加熱した後、前記金属ガリウム及び前記窒化鉄を前記反応温度の範囲内の温度に20時間以上保持するステップと、を含み、加熱された前記金属ガリウム及び前記窒化鉄の中には、前記サファイア基板が設けられ、前記窒化鉄は、一窒化四鉄、一窒化三鉄又は一窒化二鉄のいずれか1つ以上を含み、前記反応温度は、700℃超1000℃以下である、窒化ガリウム単結晶の製造方法が提供される。 In order to solve the above problems, a gallium nitride single crystal provided in the semiconductor substrate or a method for manufacturing the gallium nitride single crystal, wherein the metal gallium and the iron nitride are at least in the nitrogen atmosphere at least the iron nitride. Heating the metal gallium and the iron nitride to the reaction temperature, and then heating the metal gallium and the iron nitride to a temperature within the range of the reaction temperature. Holding the sapphire substrate in the heated metal gallium and the iron nitride, wherein the iron nitride is composed of tetrairon mononitride, triiron mononitride or dinitride mononitride. There is provided a method for producing a gallium nitride single crystal, comprising any one or more of iron, wherein the reaction temperature is higher than 700 ° C. and lower than 1000 ° C.
上記構成により、異種材料であるサファイア基板と半導体層との間の格子不整合による結晶欠陥の発生を中間層によって抑制することが可能である。 With the above structure, it is possible to suppress the generation of crystal defects due to lattice mismatch between the sapphire substrate, which is a different material, and the semiconductor layer by the intermediate layer.
以上説明したように本発明によれば、結晶欠陥がより低減された窒化ガリウム結晶を提供することが可能である。 As described above, according to the present invention, it is possible to provide a gallium nitride crystal with further reduced crystal defects.
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。 Exemplary embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. In addition, in this specification and drawing, about the component which has the substantially same function structure, duplication description is abbreviate | omitted by attaching | subjecting the same code | symbol.
なお、以下の説明にて参照する各図面では、説明の便宜上、一部の構成部材の大きさを誇張して表現している場合がある。したがって、各図面において図示される構成部材同士の相対的な大きさは、必ずしも実際の構成部材同士の大小関係を正確に表現するものではない。また、以下の説明では、積層方向を上下方向と表現し、サファイア基板が存在する方向を下方向と表現する。 In the drawings referred to in the following description, the size of some constituent members may be exaggerated for convenience of description. Therefore, the relative sizes of the constituent members illustrated in the drawings do not necessarily accurately represent the magnitude relationship between the actual constituent members. In the following description, the stacking direction is expressed as the up-down direction, and the direction in which the sapphire substrate exists is expressed as the down direction.
<1.半導体基板>
まず、図1を参照して、本発明の一実施形態に係る半導体基板の構成について説明する。図1は、本実施形態に係る半導体基板を厚み方向に切断した断面構成を説明する模式図である。
<1. Semiconductor substrate>
First, a configuration of a semiconductor substrate according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a cross-sectional configuration of the semiconductor substrate according to the present embodiment cut in the thickness direction.
図1に示すように、半導体基板1は、サファイア基板20と、中間層11と、半導体層10と、を備える。このうち、中間層11及び半導体層10は、窒化ガリウムにて構成される。 As shown in FIG. 1, the semiconductor substrate 1 includes a sapphire substrate 20, an intermediate layer 11, and a semiconductor layer 10. Among these, the intermediate layer 11 and the semiconductor layer 10 are made of gallium nitride.
サファイア基板20は、例えば、単結晶サファイアにて構成された板状の支持体である。単結晶サファイアは、α−アルミナ(α−Al2O3)からなるコランダム構造の結晶体であり、優れた機械的特性及び熱的特性、化学的安定性、並びに光透過性を有する。そのため、サファイア基板20は、例えば、青色発光ダイオード及び半導体レーザ等を製造するための基板として好適に用いることができる。サファイア基板20の厚みは、例えば、0.4mm程度であってもよい。 The sapphire substrate 20 is a plate-like support made of single crystal sapphire, for example. Single crystal sapphire is a crystalline body having a corundum structure made of α-alumina (α-Al 2 O 3 ), and has excellent mechanical and thermal properties, chemical stability, and light transmittance. Therefore, the sapphire substrate 20 can be suitably used as a substrate for manufacturing, for example, a blue light emitting diode and a semiconductor laser. The thickness of the sapphire substrate 20 may be about 0.4 mm, for example.
なお、サファイア基板20は、中間層11が設けられる面の面方位がc面又はa面となることが好ましい。本実施形態に係る半導体基板1では、サファイア基板20のc面又はa面に中間層11及び半導体層10を積層することによって、窒化ガリウム結晶をよりエピタキシャルに成長させることができる。 In addition, as for the sapphire substrate 20, it is preferable that the surface orientation of the surface in which the intermediate | middle layer 11 is provided becomes c surface or a surface. In the semiconductor substrate 1 according to the present embodiment, the gallium nitride crystal can be grown more epitaxially by stacking the intermediate layer 11 and the semiconductor layer 10 on the c-plane or a-plane of the sapphire substrate 20.
中間層11は、サファイア基板20の上に設けられ、結晶方位がランダムな窒化ガリウムにて構成される。中間層11は、サファイア基板20及び半導体層10の格子定数を調整することによって、半導体層10を構成する窒化ガリウム単結晶がより結晶欠陥が少なく、エピタキシャルに成長することを支援する。中間層11の厚みは、例えば、100nm以下であってもよい。 The intermediate layer 11 is provided on the sapphire substrate 20 and is made of gallium nitride having a random crystal orientation. The intermediate layer 11 adjusts the lattice constants of the sapphire substrate 20 and the semiconductor layer 10 to assist the epitaxial growth of the gallium nitride single crystal constituting the semiconductor layer 10 with fewer crystal defects. The thickness of the intermediate layer 11 may be 100 nm or less, for example.
半導体層10は、中間層11の上に設けられ、窒化ガリウム単結晶にて構成される。換言すると、半導体層10は、窒化ガリウムによる単結晶膜として中間層11の上に設けられる。例えば、半導体層10を構成する窒化ガリウム単結晶は、サファイア基板20の上にエピタキシャル成長して設けられる。半導体層10の厚みは、例えば、数μm程度であってもよい。 The semiconductor layer 10 is provided on the intermediate layer 11 and is composed of a gallium nitride single crystal. In other words, the semiconductor layer 10 is provided on the intermediate layer 11 as a single crystal film made of gallium nitride. For example, the gallium nitride single crystal constituting the semiconductor layer 10 is provided by epitaxial growth on the sapphire substrate 20. The thickness of the semiconductor layer 10 may be about several μm, for example.
なお、半導体層10は、中間層11の上に複数層設けられていてもよい。すなわち、半導体層10は、中間層11の上に2層以上積層されていてもよい。半導体層10の積層数の上限は、特に設けないが、半導体層10の積層数が過剰となった場合、半導体基板1が半導体層10の積層方向に反る可能性がある。そのため、半導体層10の積層数の上限は、例えば、10層としてもよい。 The semiconductor layer 10 may be provided in a plurality of layers on the intermediate layer 11. That is, two or more semiconductor layers 10 may be stacked on the intermediate layer 11. The upper limit of the number of stacked semiconductor layers 10 is not particularly provided, but when the number of stacked semiconductor layers 10 becomes excessive, the semiconductor substrate 1 may be warped in the stacking direction of the semiconductor layers 10. Therefore, the upper limit of the number of stacked semiconductor layers 10 may be, for example, 10 layers.
<2.窒化ガリウム結晶の特性>
以下では、本実施形態に係る半導体基板1に設けられる中間層11及び半導体層10(すなわち、窒化ガリウム結晶)が備える第1の特性及び第2の特性について説明する。
<2. Characteristics of Gallium Nitride Crystal>
Below, the 1st characteristic and 2nd characteristic with which the intermediate | middle layer 11 and the semiconductor layer 10 (namely, gallium nitride crystal) which are provided in the semiconductor substrate 1 which concern on this embodiment are demonstrated.
(第1の特性)
まず、図2A及び図2Bを参照して、窒化ガリウム結晶が備える第1の特性についてより詳細に説明する。
(First characteristic)
First, with reference to FIG. 2A and FIG. 2B, the 1st characteristic with which a gallium nitride crystal is provided is demonstrated in detail.
本実施形態によれば、サファイア基板20の上に、結晶欠陥がより低減された窒化ガリウム単結晶にて構成される半導体層10を形成することができる。このような単結晶膜の結晶性の解析には、例えば、薄膜X線回折を用いることができる。なお、薄膜X線回折の測定は、例えば、リガク社製の全自動水平型多目的X線解析装置「SmartLab 3XG」にて行うことができる。 According to the present embodiment, the semiconductor layer 10 composed of a gallium nitride single crystal with further reduced crystal defects can be formed on the sapphire substrate 20. For example, thin film X-ray diffraction can be used to analyze the crystallinity of such a single crystal film. The thin film X-ray diffraction can be measured by, for example, a fully automatic horizontal multipurpose X-ray analyzer “SmartLab 3XG” manufactured by Rigaku Corporation.
具体的には、結晶の積層方向の結晶性(すなわち、結晶の積層方向の結晶方位の揃い具合)を示す指標は、一般的にチルトと称され、図2Aに示すようなX線回折にて測定することができる。図2Aは、X線回折におけるチルト測定を模式的に説明する説明図である。 Specifically, an index indicating the crystallinity in the crystal stacking direction (that is, the degree of alignment of the crystal orientation in the crystal stacking direction) is generally referred to as tilt and is obtained by X-ray diffraction as shown in FIG. 2A. Can be measured. FIG. 2A is an explanatory diagram schematically illustrating tilt measurement in X-ray diffraction.
図2Aに示すように、X線回折のチルト測定では、試料の表面に垂直な面内でX線の入射及び回折の検出が行われるアウトオブプレーンの配置で測定が行われる。このような測定は、試料の表面に対するX線の入射角及び出射角は等しくなるため対称反射測定とも称される。X線回折のチルト測定では、試料の表面に対して平行な格子面を測定する。具体的には、図2Aに示すように、平行ビーム法の光学系を用いて、検出器を回折角(2θ)に固定し、試料をω軸周りに揺動させる手法にて回折強度を測定する。X線回折のチルト測定では、このときの回折強度の変動から、試料である結晶の積層方向における配向軸の方位分布を評価することができる。 As shown in FIG. 2A, in X-ray diffraction tilt measurement, measurement is performed in an out-of-plane arrangement in which X-ray incidence and diffraction are detected in a plane perpendicular to the surface of the sample. Such measurement is also referred to as symmetrical reflection measurement because the incident angle and the outgoing angle of X-rays with respect to the surface of the sample are equal. In tilt measurement of X-ray diffraction, a lattice plane parallel to the surface of the sample is measured. Specifically, as shown in FIG. 2A, using a parallel beam optical system, the detector is fixed at the diffraction angle (2θ), and the diffraction intensity is measured by swinging the sample around the ω axis. To do. In tilt measurement of X-ray diffraction, the orientation distribution of the orientation axis in the stacking direction of the crystal as a sample can be evaluated from the change in diffraction intensity at this time.
なお、試料に対するこのときのX線の侵入深さは、数十μm程度である。したがって、X線回折のチルト測定におけるピーク強度の値は、例えば、X線照射領域に存在する中間層11及び半導体層10(すなわち、窒化ガリウム結晶)の体積(平均厚さ)に依存すると推察される。 Note that the penetration depth of the X-ray into the sample at this time is about several tens of μm. Therefore, the value of the peak intensity in the tilt measurement of X-ray diffraction is presumed to depend on, for example, the volume (average thickness) of the intermediate layer 11 and the semiconductor layer 10 (that is, gallium nitride crystal) existing in the X-ray irradiation region. The
また、結晶の面内方向の結晶性(すなわち、結晶の面内方向の結晶方位の揃い具合)を示す指標は、一般的にツイストと称され、図2Bに示すようなX線回折にて測定することができる。図2Bは、X線回折におけるツイスト測定を模式的に説明する説明図である。 An index indicating the crystallinity in the in-plane direction of the crystal (that is, the degree of alignment of the crystal orientation in the in-plane direction of the crystal) is generally referred to as twist and measured by X-ray diffraction as shown in FIG. 2B. can do. FIG. 2B is an explanatory diagram schematically illustrating twist measurement in X-ray diffraction.
図2Bに示すように、X線回折のツイスト測定では、平行ビーム法の光学系を使用し、試料の表面の面内でX線の入射及び回折の検出が行われるインプレーンの配置で測定が行われる。X線回折のツイスト測定では、試料の表面すれすれにX線を入射させ、試料の表面に直交する格子面からの回折を測定する。具体的には、図2Bに示すように、測定対象である試料の格子面間隔からブラッグの式を用いて算出される2θχの値に検出器を固定し、試料を面内回転角φ軸周りに揺動させる手法にて回折強度を測定する。X線回折のツイスト測定では、このときの回折強度の変動から、試料である結晶の面内方向における配向軸の方位分布を評価することができる。 As shown in FIG. 2B, in the X-ray diffraction twist measurement, a parallel beam optical system is used, and measurement is performed with an in-plane arrangement in which X-ray incidence and diffraction are detected within the surface of the sample. Done. In the twist measurement of X-ray diffraction, X-rays are incident on the surface of the sample, and the diffraction from the lattice plane orthogonal to the surface of the sample is measured. Specifically, as shown in FIG. 2B, the detector is fixed to the value of 2θχ calculated using the Bragg equation from the lattice spacing of the sample to be measured, and the sample is rotated around the in-plane rotation angle φ axis. The diffraction intensity is measured by a method of swinging the lens. In the twist measurement of X-ray diffraction, the orientation distribution of the orientation axis in the in-plane direction of the crystal as a sample can be evaluated from the fluctuation of the diffraction intensity at this time.
また、ツイスト測定では、入射角度、入射スリット幅及び長手制限スリット幅などの測定光学系の条件を統一し、X線の照射領域を合わせることで、ピーク強度の値を相対比較することができる。このような場合、ピーク強度の値は、例えば、X線照射領域に存在する中間層11及び半導体層10(すなわち、窒化ガリウム結晶)の体積(平均厚さ)に依存すると推察される。 In the twist measurement, it is possible to relatively compare the peak intensity values by unifying the conditions of the measurement optical system such as the incident angle, the incident slit width, and the length limiting slit width, and matching the X-ray irradiation areas. In such a case, it is presumed that the value of the peak intensity depends on the volume (average thickness) of the intermediate layer 11 and the semiconductor layer 10 (that is, gallium nitride crystal) existing in the X-ray irradiation region, for example.
窒化ガリウムで構成された中間層11及び半導体層10は、異種材料で構成されたサファイア基板20の上にヘテロエピタキシャル成長にて形成されている。しかしながら、窒化ガリウムは、サファイアとは結晶構造が全く異なり、約16%程度の格子不整合(ミスマッチとも称される)が存在するため、界面付近で結晶構造が乱れやすい。そのため、サファイア基板20の上に設けられた中間層11及び半導体層10の結晶性又は結晶欠陥の程度を評価することは重要である。 The intermediate layer 11 and the semiconductor layer 10 made of gallium nitride are formed by heteroepitaxial growth on a sapphire substrate 20 made of a different material. However, gallium nitride has a completely different crystal structure from sapphire and has a lattice mismatch (also referred to as mismatch) of about 16%, so that the crystal structure tends to be disturbed near the interface. Therefore, it is important to evaluate the crystallinity or the degree of crystal defects of the intermediate layer 11 and the semiconductor layer 10 provided on the sapphire substrate 20.
また、窒化ガリウム単結晶では、積層方向及び面内方向で成長異方性が大きく異なる。したがって、窒化ガリウム単結晶で構成された半導体層10の結晶性の評価は、結晶の積層方向及び面内方向を切り分けて精密な解析を行うことが重要である。 Further, in the gallium nitride single crystal, the growth anisotropy is greatly different in the stacking direction and the in-plane direction. Therefore, it is important to evaluate the crystallinity of the semiconductor layer 10 composed of a gallium nitride single crystal by carrying out precise analysis by separating the crystal stacking direction and the in-plane direction.
上述したX線回折にて測定された、中間層11及び半導体層10を構成する窒化ガリウム結晶のチルトのピークの半値全幅(チルト幅とも称する)は、0.05°以上0.4°以下であり得る。また、中間層11及び半導体層10を構成する窒化ガリウム結晶のツイストのピークの半値全幅(ツイスト幅とも称する)は、0.1°以上0.7°以下であり得る。本実施形態に係る半導体基板1が備える中間層11及び半導体層10は、結晶性が高いことから、上述したチルト幅及びツイスト幅が小さくなり得る。 The full width at half maximum (also referred to as tilt width) of the tilt peak of the gallium nitride crystals constituting the intermediate layer 11 and the semiconductor layer 10 measured by the X-ray diffraction described above is 0.05 ° or more and 0.4 ° or less. possible. Further, the full width at half maximum (also referred to as twist width) of the twist peak of the gallium nitride crystal constituting the intermediate layer 11 and the semiconductor layer 10 may be 0.1 ° or more and 0.7 ° or less. Since the intermediate layer 11 and the semiconductor layer 10 included in the semiconductor substrate 1 according to this embodiment have high crystallinity, the above-described tilt width and twist width can be reduced.
また、本実施形態によれば、サファイア基板20の上に、窒化ガリウム単結晶にて構成され、結晶性の面内分布がより良好な半導体層10を形成することができる。なお、半導体層10の結晶性の面内分布については、X線回折を用いて、以下のように測定することができる。 Further, according to the present embodiment, the semiconductor layer 10 made of gallium nitride single crystal and having a better in-plane distribution of crystallinity can be formed on the sapphire substrate 20. The in-plane distribution of crystallinity of the semiconductor layer 10 can be measured as follows using X-ray diffraction.
具体的には、図2Aに示したように、半導体層10の結晶性の面内分布は、試料の表面に垂直な面内でX線の入射及び回折の検出が行われるアウトオブプレーンの配置で測定が行われる。このような測定は、試料の表面に対するX線の入射角及び出射角は等しくなるため対称反射測定とも称される。ただし、半導体層10の面内分布の測定では、上記のチルト測定と異なり、微小部集光光学系を使用し、回折角(2θ)及び試料軸(θ)を連動させて測定を行う。このような測定をサファイア基板20の複数点で行い、平均値及び標準偏差を算出し、各測定点における窒化ガリウムの(0002)面のピーク強度の標準偏差/平均値の値を算出することで、半導体層10の結晶性の面内ばらつきを評価することができる。 Specifically, as shown in FIG. 2A, the in-plane distribution of crystallinity of the semiconductor layer 10 is an out-of-plane arrangement in which X-ray incidence and diffraction are detected in a plane perpendicular to the surface of the sample. Measurement is performed at. Such measurement is also referred to as symmetrical reflection measurement because the incident angle and the outgoing angle of X-rays with respect to the surface of the sample are equal. However, in the measurement of the in-plane distribution of the semiconductor layer 10, unlike the tilt measurement described above, the minute portion condensing optical system is used, and the measurement is performed in conjunction with the diffraction angle (2θ) and the sample axis (θ). By performing such measurement at a plurality of points on the sapphire substrate 20, calculating the average value and standard deviation, and calculating the standard deviation / average value of the peak intensity of the (0002) plane of gallium nitride at each measurement point. In-plane variation in crystallinity of the semiconductor layer 10 can be evaluated.
後述する実施例で示すように、本実施形態に係る半導体基板1が備える中間層11及び半導体層10では、上記指標が低いことから、結晶性の面内分布が良好であることが理解できる。 As shown in the examples described later, in the intermediate layer 11 and the semiconductor layer 10 included in the semiconductor substrate 1 according to this embodiment, it can be understood that the in-plane distribution of crystallinity is good because the index is low.
また、本実施形態によれば、サファイア基板20の上に、窒化ガリウム単結晶にて構成され、貫通転位が少ない半導体層10を形成することができる。なお、半導体層10の貫通転位密度については、エッチピット法を用いて、以下のように測定することができる。 Further, according to the present embodiment, the semiconductor layer 10 made of gallium nitride single crystal and having few threading dislocations can be formed on the sapphire substrate 20. In addition, about the threading dislocation density of the semiconductor layer 10, it can measure as follows using the etch pit method.
具体的には、半導体基板1を加熱した塩基性溶液等に浸漬した後、希釈された酸性溶液で洗浄し、原子間力顕微鏡(Atomic Force Microscope:AFM)にて、半導体層10の表面を観察する。半導体層10の貫通転位は、熱アルカリによって浸食された穴部となるため、観察視野当たりの該穴部の個数を計測することで、半導体層10の単位面積当たりの貫通転位密度を算出することができる。 Specifically, after immersing the semiconductor substrate 1 in a heated basic solution or the like, the semiconductor substrate 1 is cleaned with a diluted acidic solution, and the surface of the semiconductor layer 10 is observed with an atomic force microscope (AFM). To do. Since threading dislocations in the semiconductor layer 10 become holes eroded by hot alkali, the threading dislocation density per unit area of the semiconductor layer 10 is calculated by measuring the number of holes per observation field. Can do.
後述する実施例で示すように、本実施形態に係る半導体基板1が備える半導体層10では、貫通転位密度が極めて低く、一般的な気相成長による窒化ガリウム結晶と同等以上の品質となることを理解することができる。したがって、本実施形態に係る半導体基板1が備える半導体層10は、貫通転位が少なく、結晶欠陥が極めて少ないことを理解することができる。 As shown in the examples described later, in the semiconductor layer 10 provided in the semiconductor substrate 1 according to the present embodiment, the threading dislocation density is extremely low, and the quality is equal to or higher than that of a general gallium nitride crystal by vapor phase growth. I can understand. Therefore, it can be understood that the semiconductor layer 10 included in the semiconductor substrate 1 according to the present embodiment has few threading dislocations and extremely few crystal defects.
本実施形態によれば、サファイア基板20の上に、窒化ガリウム単結晶にて構成され、結晶方位のばらつきが少ない半導体層10を形成することができる。なお、半導体層10の結晶方位の面内分布については、走査型電子顕微鏡(Scanning Electron Microscope:SEM)の結晶方位解析機能を用いて、以下のように測定することができる。 According to this embodiment, the semiconductor layer 10 made of a gallium nitride single crystal and having little variation in crystal orientation can be formed on the sapphire substrate 20. The in-plane distribution of the crystal orientation of the semiconductor layer 10 can be measured as follows using the crystal orientation analysis function of a scanning electron microscope (SEM).
具体的には、SEMの結晶方位解析機能とは、電子線後方散乱回折(Electron Back Scattered Diffraction pattern:EBSD)によって、試料のミクロな結晶組織を観察する機能である。例えば、SEM中で試料を大きく傾斜させて電子線を照射した場合、試料が結晶性であれば、試料内で電子線回折が生じる。この電子線回折に対して、菊池パターンと呼ばれる回折図形パターンを用いて方位の指数付けを行うことで、結晶方位を求めることができる。さらに、試料に対して電子線を走査して菊池パターンをマッピングすることで、試料表面の結晶方位マップ又は結晶粒の情報を得ることができる。 Specifically, the crystal orientation analysis function of the SEM is a function of observing a microscopic crystal structure of the sample by electron back scattered diffraction pattern (EBSD). For example, when an electron beam is irradiated while tilting the sample greatly in the SEM, if the sample is crystalline, electron beam diffraction occurs in the sample. The crystal orientation can be obtained by indexing the orientation using a diffraction pattern called a Kikuchi pattern for this electron beam diffraction. Furthermore, by scanning the sample with an electron beam and mapping the Kikuchi pattern, it is possible to obtain a crystal orientation map or crystal grain information on the sample surface.
後述する実施例で示すように、本実施形態に係る半導体基板1が備える半導体層10では、半導体層10のほぼ全面が<0001>のc軸方向に配向している。したがって、本実施形態に係る半導体基板1が備える半導体層10は、結晶方位も一様にc軸方向に配向しており、良好な面内分布を有することを理解することができる。 As shown in the examples described later, in the semiconductor layer 10 included in the semiconductor substrate 1 according to this embodiment, almost the entire surface of the semiconductor layer 10 is oriented in the c-axis direction of <0001>. Therefore, it can be understood that the semiconductor layer 10 included in the semiconductor substrate 1 according to the present embodiment has a uniform crystal orientation and a good in-plane distribution.
(第2の特性)
次に、窒化ガリウム結晶が備える第2の特性についてより詳細に説明する。
(Second characteristic)
Next, the second characteristic of the gallium nitride crystal will be described in more detail.
本実施形態によれば、鉄原子がドープされ、かつ結晶欠陥が少ない窒化ガリウム結晶にて構成される中間層11及び半導体層10をサファイア基板20の上に形成することができる。 According to this embodiment, the intermediate layer 11 and the semiconductor layer 10 that are made of gallium nitride crystal doped with iron atoms and having few crystal defects can be formed on the sapphire substrate 20.
窒化ガリウム結晶は、例えば、発光ダイオード、高周波電源用トランジスタ、又は高耐圧電源用トランジスタなどの次世代の機能性電子部品への適用が期待されている。このような電子部品への適用を考えた場合、窒化ガリウム結晶は、半絶縁性を有することが重要となる。そこで、窒化ガリウム結晶に鉄原子をドーピングすることで、半絶縁性を付与する技術が検討されている。 Gallium nitride crystals are expected to be applied to next-generation functional electronic components such as light-emitting diodes, high-frequency power supply transistors, or high-voltage power supply transistors. When considering application to such an electronic component, it is important that the gallium nitride crystal has a semi-insulating property. Thus, a technique for imparting semi-insulating properties by doping iron atoms into a gallium nitride crystal has been studied.
例えば、熱拡散によって、窒化ガリウム結晶に鉄原子をドーピングする技術が検討されている。しかしながら、この方法は、バッチ処理であるため、スループットが低く、生産性が低い。また、この方法は、窒化ガリウム結晶にドーピングした鉄原子の量を定量的にモニタリングすることが困難であるため、窒化ガリウム結晶に均一に鉄原子をドーピングすることが困難である。さらに、この方法は、熱拡散された鉄原子によって、窒化ガリウム結晶に結晶欠陥を生じさせてしまうという課題があった。 For example, a technique for doping a gallium nitride crystal with iron atoms by thermal diffusion has been studied. However, since this method is batch processing, throughput is low and productivity is low. Further, in this method, since it is difficult to quantitatively monitor the amount of iron atoms doped in the gallium nitride crystal, it is difficult to uniformly dope iron atoms into the gallium nitride crystal. Furthermore, this method has a problem that a crystal defect is caused in the gallium nitride crystal by the thermally diffused iron atoms.
また、イオン打ち込みによって、窒化ガリウム結晶に鉄原子をドーピングする技術が検討されている。しかしながら、この方法は、イオンの打ち込みの深さ及び濃度が結晶方位に影響されてしまうため、窒化ガリウム結晶に鉄原子を均一にドーピングすることが困難である。また、この方法は、イオンの打ち込みによって、窒化ガリウム結晶に結晶欠陥を生じさせてしまうという課題があった。 A technique for doping iron atoms into a gallium nitride crystal by ion implantation has been studied. However, in this method, since the ion implantation depth and concentration are affected by the crystal orientation, it is difficult to uniformly dope the gallium nitride crystal with iron atoms. In addition, this method has a problem of causing crystal defects in the gallium nitride crystal by ion implantation.
本実施形態に係る半導体基板1では、鉄原子を含む窒化鉄と金属ガリウムとを溶融した融液を用いて、中間層11及び半導体層10を構成する窒化ガリウム結晶を液相成長によって形成している。したがって、本実施形態によれば、結晶成長の過程で自然と結晶中に鉄原子が取り込まれた窒化ガリウム結晶を均一に形成することができる。 In the semiconductor substrate 1 according to the present embodiment, a gallium nitride crystal constituting the intermediate layer 11 and the semiconductor layer 10 is formed by liquid phase growth using a melt obtained by melting iron nitride containing iron atoms and metal gallium. Yes. Therefore, according to the present embodiment, it is possible to uniformly form a gallium nitride crystal in which iron atoms are naturally taken into the crystal in the course of crystal growth.
具体的には、中間層11及び半導体層10を構成する窒化ガリウム結晶は、1.0×1016Atoms/cm3以上1.0×1022Atoms/cm3以下の濃度で鉄原子を含んでもよい。 Specifically, the gallium nitride crystals constituting the intermediate layer 11 and the semiconductor layer 10 may contain iron atoms at a concentration of 1.0 × 10 16 atoms / cm 3 or more and 1.0 × 10 22 atoms / cm 3 or less. Good.
ただし、半導体基板1に形成される窒化ガリウム結晶は、用途によって求められる絶縁性が異なる。そのため、半導体基板1に形成される窒化ガリウム結晶は、用途に応じて適切な濃度の鉄原子を含んでいてもよい。例えば、低抵抗用途の半導体基板1の窒化ガリウム結晶は、1.0×1016Atoms/cm3以上1.0×1019Atoms/cm3以下の濃度の鉄原子を含んでいてもよい。また、高抵抗用途の半導体基板1の窒化ガリウム結晶は、1.0×1017Atoms/cm3以上1.0×1022Atoms/cm3以下の濃度の鉄原子を含んでいてもよい。 However, the gallium nitride crystal formed on the semiconductor substrate 1 has different insulation properties depending on the application. Therefore, the gallium nitride crystal formed on the semiconductor substrate 1 may contain an iron atom having an appropriate concentration depending on the application. For example, the gallium nitride crystal of the semiconductor substrate 1 for low resistance use may contain iron atoms having a concentration of 1.0 × 10 16 atoms / cm 3 or more and 1.0 × 10 19 atoms / cm 3 or less. In addition, the gallium nitride crystal of the semiconductor substrate 1 for high resistance use may contain iron atoms having a concentration of 1.0 × 10 17 atoms / cm 3 or more and 1.0 × 10 22 atoms / cm 3 or less.
より具体的には、中間層11及び半導体層10を構成する窒化ガリウム結晶の鉄原子の濃度分布は、1.0×1016Atoms/cm3以上1.0×1022Atoms/cm3以下の範囲に含まれ、窒化ガリウム結晶の厚さ方向にバスタブ形状を有してもよい。 More specifically, the concentration distribution of iron atoms in the gallium nitride crystals constituting the intermediate layer 11 and the semiconductor layer 10 is 1.0 × 10 16 atoms / cm 3 or more and 1.0 × 10 22 atoms / cm 3 or less. It may be included in the range and may have a bathtub shape in the thickness direction of the gallium nitride crystal.
バスタブ形状とは、中央部が平坦であり、かつ両端部が持ち上がった形状である。すなわち、窒化ガリウム結晶の鉄原子の濃度は、窒化ガリウム結晶の厚さ方向において、窒化ガリウム結晶の表面領域、及びサファイア基板20との界面領域で鉄原子の濃度が高くなり、表面領域及び界面領域の間の中間領域で鉄原子の濃度が低くなる分布を有してもよい。 The bathtub shape is a shape in which the central portion is flat and both end portions are lifted. That is, the concentration of iron atoms in the gallium nitride crystal increases in the thickness direction of the gallium nitride crystal in the surface region of the gallium nitride crystal and in the interface region with the sapphire substrate 20. It may have a distribution in which the concentration of iron atoms is low in the intermediate region between.
窒化ガリウム結晶の厚さ方向において、鉄原子の濃度分布がこのような形状を取る理由としては、以下の理由が考えられる。 The reason why the concentration distribution of iron atoms takes such a shape in the thickness direction of the gallium nitride crystal can be considered as follows.
サファイア基板20との界面領域の窒化ガリウム結晶は、窒化ガリウム結晶の成長の初期段階である。したがって、サファイア基板20との界面領域の窒化ガリウム結晶は、サファイア基板20と窒化ガリウムとの結晶格子の不整合を解消するために、より多くの鉄原子を結晶中に取り込むと考えられる。また、表面領域の窒化ガリウム結晶は、サファイア基板20の上の窒化ガリウム結晶の成長の起点となる。したがって、表面領域の窒化ガリウム結晶は、窒化ガリウム結晶の生成に伴って、窒化ガリウム結晶生成の触媒である鉄原子をより多く結晶中に取り込むと考えられる。一方、界面領域及び表面領域の間の中間領域の窒化ガリウム結晶は、一定の速度で結晶成長するため、略一定の濃度で鉄原子を結晶中に取り込むと考えられる。 The gallium nitride crystal in the interface region with the sapphire substrate 20 is an initial stage of growth of the gallium nitride crystal. Therefore, it is considered that the gallium nitride crystal in the interface region with the sapphire substrate 20 incorporates more iron atoms into the crystal in order to eliminate the crystal lattice mismatch between the sapphire substrate 20 and gallium nitride. Further, the gallium nitride crystal in the surface region is a starting point for the growth of the gallium nitride crystal on the sapphire substrate 20. Therefore, it is considered that the gallium nitride crystal in the surface region takes in more iron atoms as a catalyst for gallium nitride crystal formation into the crystal as the gallium nitride crystal is generated. On the other hand, since the gallium nitride crystal in the intermediate region between the interface region and the surface region grows at a constant rate, it is considered that iron atoms are taken into the crystal at a substantially constant concentration.
例えば、窒化ガリウム結晶の厚さ方向において、鉄原子の濃度分布は、サファイア基板20との界面領域の鉄原子の濃度の最高値が、中間領域での鉄原子の濃度の最低値の10倍以上となるような分布であってもよい。また、鉄原子の濃度分布は、窒化ガリウム結晶の表面領域での鉄原子の濃度の最高値が、中間領域での鉄原子の濃度の最低値の10倍以上となるような分布であってもよい。 For example, in the thickness direction of the gallium nitride crystal, the concentration distribution of iron atoms is such that the maximum value of the concentration of iron atoms in the interface region with the sapphire substrate 20 is 10 times or more the minimum value of the concentration of iron atoms in the intermediate region. The distribution may be as follows. Further, the concentration distribution of iron atoms may be such that the maximum value of the iron atom concentration in the surface region of the gallium nitride crystal is 10 times or more the minimum value of the iron atom concentration in the intermediate region. Good.
窒化鉄と金属ガリウムとを溶融した融液から液相成長にて窒化ガリウム結晶を成長させることで、半導体基板1の上に形成された窒化ガリウム結晶は、含有される鉄原子の濃度分布を上述した分布とすることができる。これによれば、半導体基板1の上に形成された窒化ガリウム結晶は、結晶欠陥を生成することなく、鉄原子を含有することができる。 By growing a gallium nitride crystal from a melt obtained by melting iron nitride and metal gallium by liquid phase growth, the gallium nitride crystal formed on the semiconductor substrate 1 has a concentration distribution of iron atoms contained therein. Distribution. According to this, the gallium nitride crystal formed on the semiconductor substrate 1 can contain iron atoms without generating crystal defects.
窒化ガリウム結晶における鉄原子の濃度は、例えば、液相成長時の融液に添加する窒化鉄の量にて制御することができる。具体的には、液相成長時の融液に添加する窒化鉄の量を増加させることで、窒化ガリウム結晶における鉄原子の濃度を全体的に増加させることができる。逆に、液相成長時の融液に添加する窒化鉄の量を減少させることで、窒化ガリウム結晶における鉄原子の濃度を全体的に減少させることができる。また、窒化ガリウム結晶における鉄原子の濃度は、液相成長時の窒化ガリウム結晶の成長速度を制御することで制御することができる。これは、窒化ガリウム結晶の成長速度を制御することで、窒化ガリウム結晶への鉄原子の取り込み速度、及び窒化ガリウム結晶からの不純物の排出速度を制御することができるためである。 The concentration of iron atoms in the gallium nitride crystal can be controlled, for example, by the amount of iron nitride added to the melt during liquid phase growth. Specifically, the concentration of iron atoms in the gallium nitride crystal can be increased overall by increasing the amount of iron nitride added to the melt during liquid phase growth. Conversely, by reducing the amount of iron nitride added to the melt during liquid phase growth, the concentration of iron atoms in the gallium nitride crystal can be reduced overall. The concentration of iron atoms in the gallium nitride crystal can be controlled by controlling the growth rate of the gallium nitride crystal during liquid phase growth. This is because by controlling the growth rate of the gallium nitride crystal, it is possible to control the rate of incorporation of iron atoms into the gallium nitride crystal and the discharge rate of impurities from the gallium nitride crystal.
ここで、中間領域の窒化ガリウム結晶の鉄原子の濃度分布は、鉄原子が略一定で結晶中に取り込まれるため、高い均一性を有することになる。例えば、窒化ガリウム結晶の厚さ方向において、任意の2点の中間領域の鉄原子の濃度差は、任意の2点のいずれか一方の鉄原子の濃度の50%以下となり得る。すなわち、窒化ガリウム結晶の厚さ方向において、中間領域の窒化ガリウム結晶の鉄原子の濃度ばらつきは、界面領域又は表面領域の鉄原子の濃度の上昇と比較して極めて小さく、均一となる。 Here, the concentration distribution of the iron atoms in the gallium nitride crystal in the intermediate region has high uniformity because the iron atoms are substantially constant and taken into the crystal. For example, in the thickness direction of the gallium nitride crystal, the concentration difference of iron atoms in any two intermediate regions can be 50% or less of the concentration of any one of the two iron atoms. That is, in the thickness direction of the gallium nitride crystal, the variation in the concentration of iron atoms in the gallium nitride crystal in the intermediate region is extremely small and uniform compared to the increase in the concentration of iron atoms in the interface region or the surface region.
また、本実施形態に係る半導体基板1では、窒化ガリウム結晶の面内方向においても、窒化ガリウム結晶の鉄原子の濃度分布は、高い均一性を有することになる。例えば、窒化ガリウム結晶の面内方向において、任意の2点の中間領域の鉄原子の濃度差は、任意の2点のいずれか一方の鉄原子の濃度の50%以下となり得る。すなわち、窒化ガリウム結晶の面内方向において、中間領域の窒化ガリウム結晶の鉄原子の濃度ばらつきは、窒化ガリウム結晶の厚さ方向と同様に、界面領域又は表面領域の鉄原子の濃度の上昇と比較して極めて小さく、均一となる。 In the semiconductor substrate 1 according to the present embodiment, the concentration distribution of iron atoms in the gallium nitride crystal has high uniformity even in the in-plane direction of the gallium nitride crystal. For example, in the in-plane direction of the gallium nitride crystal, the difference in iron atom concentration between any two intermediate regions can be 50% or less of the concentration of any one of the two iron atoms. That is, in the in-plane direction of the gallium nitride crystal, the variation in the concentration of iron atoms in the gallium nitride crystal in the intermediate region is compared with the increase in the concentration of iron atoms in the interface region or surface region, as in the thickness direction of the gallium nitride crystal. Very small and uniform.
したがって、本実施形態によれば、鉄原子をドープした窒化ガリウム結晶にて構成される中間層11及び半導体層10を、結晶欠陥を生じさせずに形成することができる。また、本実施形態によれば、窒化ガリウム結晶の表面領域、及びサファイア基板20との界面領域の間の中間領域の窒化ガリウム結晶に略均一な濃度で鉄原子をドープすることができる。 Therefore, according to the present embodiment, the intermediate layer 11 and the semiconductor layer 10 composed of gallium nitride crystals doped with iron atoms can be formed without causing crystal defects. In addition, according to the present embodiment, the gallium nitride crystal in the intermediate region between the surface region of the gallium nitride crystal and the interface region with the sapphire substrate 20 can be doped with a substantially uniform concentration.
なお、窒化ガリウム結晶における界面領域とは、窒化ガリウム結晶の厚さ方向で窒化ガリウム結晶とサファイア基板20との界面における鉄原子濃度分布の上昇が収まり、略一定になるまでの領域を表す。窒化ガリウム結晶における界面領域は、例えば、サファイア基板20との界面から窒化ガリウム結晶の厚さ方向に2μm以内の領域であってもよい。また、窒化ガリウム結晶における表面領域とは、窒化ガリウム結晶の厚さ方向で窒化ガリウム結晶の表面における鉄原子濃度分布の上昇が収まり、略一定になるまでの領域を表す。窒化ガリウム結晶における表面領域は、例えば、窒化ガリウム結晶の表面から窒化ガリウム結晶の厚さ方向に1μm以内の領域であってもよい。 Note that the interface region in the gallium nitride crystal refers to a region until the increase in the iron atom concentration distribution at the interface between the gallium nitride crystal and the sapphire substrate 20 is reduced in the thickness direction of the gallium nitride crystal and becomes substantially constant. The interface region in the gallium nitride crystal may be, for example, a region within 2 μm from the interface with the sapphire substrate 20 in the thickness direction of the gallium nitride crystal. In addition, the surface region in the gallium nitride crystal refers to a region until the increase in the iron atom concentration distribution on the surface of the gallium nitride crystal is reduced in the thickness direction of the gallium nitride crystal and becomes substantially constant. The surface region in the gallium nitride crystal may be, for example, a region within 1 μm from the surface of the gallium nitride crystal in the thickness direction of the gallium nitride crystal.
<3.窒化ガリウム結晶の製造方法>
続いて、本発明の一実施形態に係る半導体基板が備える窒化ガリウム単結晶の製造方法について説明する。
<3. Method for producing gallium nitride crystal>
Then, the manufacturing method of the gallium nitride single crystal with which the semiconductor substrate which concerns on one Embodiment of this invention is provided is demonstrated.
本実施形態に係る窒化ガリウム単結晶の製造方法は、金属ガリウムと窒化鉄とを加熱溶融し、窒化鉄の窒化作用を用いることで、サファイア基板20の上に中間層11を介して、窒化ガリウムの単結晶膜(半導体層10)を製造する方法である。上記の方法によれば、従来の液相成長と比較して、低圧(例えば、常圧)環境下にて、窒化ガリウム単結晶をサファイア基板の上に液相エピタキシャル成長させることができる。 The method for producing a gallium nitride single crystal according to the present embodiment heats and melts metal gallium and iron nitride, and uses the nitriding action of iron nitride to form gallium nitride on the sapphire substrate 20 via the intermediate layer 11. This is a method for producing a single crystal film (semiconductor layer 10). According to the above method, a gallium nitride single crystal can be grown on a sapphire substrate by liquid phase epitaxial growth under a low pressure (for example, normal pressure) environment as compared with conventional liquid phase growth.
(反応材料)
まず、本実施形態に係る窒化ガリウム単結晶の製造方法にて用いられる反応材料について説明する。反応材料としては、金属ガリウム及び窒化鉄が用いられる。
(Reaction material)
First, reaction materials used in the method for producing a gallium nitride single crystal according to the present embodiment will be described. Metal gallium and iron nitride are used as the reaction material.
金属ガリウムは、高純度のものを使用することが好ましく、例えば、市販の純度99.99%以上のものを使用することができる。 It is preferable to use a metal gallium having a high purity. For example, a metal gallium having a purity of 99.99% or more can be used.
窒化鉄は、具体的には一窒化四鉄(Fe4N)、一窒化三鉄(Fe3N)、一窒化二鉄(Fe2N)又はこれらの2種以上の混合物を使用することができる。窒化鉄は、高純度のものを使用することが好ましく、例えば、市販の純度99.9%以上のものを使用することができる。 Specifically, iron nitride may be tetrairon mononitride (Fe 4 N), triiron mononitride (Fe 3 N), diiron mononitride (Fe 2 N), or a mixture of two or more of these. it can. It is preferable to use high-purity iron nitride. For example, commercially available iron nitride having a purity of 99.9% or more can be used.
窒化鉄中の鉄原子は、金属ガリウムと混合されて加熱されることにより、触媒として機能し、窒化鉄中の窒素原子又は融液中の窒素分子から活性窒素を発生させる。発生した活性窒素は、金属ガリウムと反応することで、窒化ガリウム結晶を生成する。 Iron atoms in iron nitride are mixed with metal gallium and heated to function as a catalyst, and generate active nitrogen from nitrogen atoms in iron nitride or nitrogen molecules in the melt. The generated active nitrogen reacts with metal gallium to generate a gallium nitride crystal.
具体的には、窒化鉄として一窒化四鉄が使用される場合、窒化鉄及び金属ガリウムは、一窒化四鉄の窒化作用によって反応し、窒化ガリウムを生成する(反応式1)。 Specifically, when tetrairon mononitride is used as the iron nitride, iron nitride and metal gallium react by the nitriding action of tetrairon mononitride to generate gallium nitride (Reaction Formula 1).
Fe4N+13Ga→GaN+4FeGa3 ・・・反応式1 Fe 4 N + 13Ga → GaN + 4FeGa 3 ... Reaction formula 1
また、窒素雰囲気中から融液中に溶解した窒化鉄及び金属ガリウムは、鉄原子が触媒として機能することで反応し、窒化ガリウムを生成する(反応式2)。 Further, iron nitride and metal gallium dissolved in the melt from a nitrogen atmosphere react with each other when iron atoms function as a catalyst to generate gallium nitride (Reaction Formula 2).
2Ga+N2+Fe→2GaN+Fe ・・・反応式2 2Ga + N 2 + Fe → 2GaN + Fe (2)
なお、反応材料における窒化鉄の割合は、金属ガリウム及び窒化鉄の合計モル数に対して、2モル%以下であることが好ましい。窒化鉄の割合が2モル%を超える場合、窒化鉄中の鉄原子と、金属ガリウムとの合金形成量が増大し、反応材料を溶融した融液の粘度が増加することで、窒化ガリウム結晶の成長速度が低下するため好ましくない。 In addition, it is preferable that the ratio of the iron nitride in a reaction material is 2 mol% or less with respect to the total number of moles of metal gallium and iron nitride. When the ratio of iron nitride exceeds 2 mol%, the amount of alloy formation between iron atoms in iron nitride and metal gallium increases, and the viscosity of the melt obtained by melting the reaction material increases, so that the gallium nitride crystal This is not preferable because the growth rate decreases.
(反応装置)
続いて、図3を参照して、本実施形態に係る窒化ガリウム単結晶の製造方法にて用いられる反応装置について説明する。図3は、窒化ガリウム単結晶の製造に用いる反応装置の構成を説明する模式図である。
(Reactor)
Next, with reference to FIG. 3, a reaction apparatus used in the method for producing a gallium nitride single crystal according to the present embodiment will be described. FIG. 3 is a schematic diagram illustrating the configuration of a reaction apparatus used for manufacturing a gallium nitride single crystal.
図3に示すように、反応装置100は、電気炉113と、電気炉113の側面に設けられたヒーター114と、ガス導入口131と、ガス排出口132と、引き上げ軸122と、引き上げ軸122及び電気炉113の間の気密性を確保するシール材123と、を備える。また、電気炉113の内部には、反応材料の原料融液110が投入された反応容器111を載置する架台112が設けられ、引き上げ軸122の一端には、窒化ガリウム結晶を成長させる基板140を保持する保持具120が設けられる。すなわち、反応装置100は、反応材料を溶融した原料融液110に浸漬された基板140上に窒化ガリウムの結晶膜をエピタキシャル成長させる装置である。 As shown in FIG. 3, the reactor 100 includes an electric furnace 113, a heater 114 provided on a side surface of the electric furnace 113, a gas inlet 131, a gas outlet 132, a lifting shaft 122, and a lifting shaft 122. And a sealing material 123 that ensures airtightness between the electric furnaces 113. Further, inside the electric furnace 113, a pedestal 112 for placing the reaction vessel 111 charged with the raw material melt 110 of the reaction material is provided, and a substrate 140 on which a gallium nitride crystal is grown is formed at one end of the pulling shaft 122. A holding tool 120 is provided for holding the. That is, the reaction apparatus 100 is an apparatus for epitaxially growing a gallium nitride crystal film on a substrate 140 immersed in a raw material melt 110 obtained by melting a reaction material.
電気炉113は、密閉された構造を有し、内部に反応容器111を収容する。例えば、電気炉113は、内径(直径)が約200mmであり、高さが約800mmである筒状構造であってもよい。また、ヒーター114は、電気炉113の長手方向の側面に配置され、電気炉113内部を加熱する。 The electric furnace 113 has a sealed structure, and accommodates the reaction vessel 111 therein. For example, the electric furnace 113 may have a cylindrical structure having an inner diameter (diameter) of about 200 mm and a height of about 800 mm. The heater 114 is disposed on a side surface in the longitudinal direction of the electric furnace 113 and heats the inside of the electric furnace 113.
ガス導入口131は、電気炉113の下方に設けられ、電気炉113の内部に雰囲気ガス(例えば、窒素(N2)ガス)を導入する。また、ガス排出口132は、電気炉113の上方に設けられ、電気炉113の内部の雰囲気ガスを排出する。ガス導入口131及びガス排出口132により、電気炉113の内部の圧力は、ほぼ常圧(すなわち、大気圧)に保たれる。 The gas inlet 131 is provided below the electric furnace 113 and introduces atmospheric gas (for example, nitrogen (N 2 ) gas) into the electric furnace 113. The gas discharge port 132 is provided above the electric furnace 113 and discharges the atmospheric gas inside the electric furnace 113. Due to the gas inlet 131 and the gas outlet 132, the pressure inside the electric furnace 113 is maintained at substantially normal pressure (that is, atmospheric pressure).
架台112は、反応容器111を支持する部材である。具体的には、架台112は、反応容器111がヒーター114によって均等に加熱されるように反応容器111を支持する。例えば、架台112の高さは、反応容器111がヒーター114の中央部に位置するような高さであってもよい。 The gantry 112 is a member that supports the reaction vessel 111. Specifically, the gantry 112 supports the reaction vessel 111 so that the reaction vessel 111 is evenly heated by the heater 114. For example, the height of the gantry 112 may be such a height that the reaction vessel 111 is positioned at the center of the heater 114.
反応容器111は、反応材料が溶融した原料融液110を保持する容器である。反応容器111は、例えば、外径(直径)が約100mmであり、高さが約90mmであり、厚みが約5mmである円筒形状の容器であってもよい。反応容器111は、例えば、カーボンで構成されるが、1000℃付近の高温で金属ガリウムと反応しない材質であれば、酸化アルミニウムなどの他の材料で構成されてもよい。 The reaction vessel 111 is a vessel for holding the raw material melt 110 in which the reaction material is melted. The reaction vessel 111 may be, for example, a cylindrical vessel having an outer diameter (diameter) of about 100 mm, a height of about 90 mm, and a thickness of about 5 mm. The reaction vessel 111 is made of, for example, carbon, but may be made of other materials such as aluminum oxide as long as it does not react with metal gallium at a high temperature around 1000 ° C.
原料融液110は、反応材料が溶融した液体である。具体的には、原料融液110は、反応材料である金属ガリウム及び窒化鉄をヒーター114によって加熱溶融した液体である。なお、反応材料である金属ガリウム及び窒化鉄の混合割合は、上述したように、金属ガリウム及び窒化鉄の総モル数に対して、窒化鉄のモル数が2%以下であることが好ましい。 The raw material melt 110 is a liquid in which a reaction material is melted. Specifically, the raw material melt 110 is a liquid obtained by heating and melting metal gallium and iron nitride, which are reaction materials, with a heater 114. In addition, as for the mixing ratio of the metal gallium and iron nitride which are reaction materials, it is preferable that the number of moles of iron nitride is 2% or less with respect to the total number of moles of metal gallium and iron nitride as mentioned above.
基板140は、表面に窒化ガリウムの結晶膜を積層可能な基板である。基板140は、具体的には、サファイア基板であってもよい。また、基板140は、いかなる形状であってもよいが、例えば、略平板形状、略円板形状等であってもよい。 The substrate 140 is a substrate on which a gallium nitride crystal film can be stacked. Specifically, the substrate 140 may be a sapphire substrate. The substrate 140 may have any shape, but may be, for example, a substantially flat plate shape, a substantially disk shape, or the like.
シール材123は、引き上げ軸122と電気炉113との間に設けられ、電気炉113内の気密性を確保する。シール材123によって電気炉113の外部の大気が電気炉113内に流入することが防止されるため、電気炉113内は、ガス導入口131から導入されるガス雰囲気(例えば、窒素(N2)雰囲気)となる。 The sealing material 123 is provided between the pulling shaft 122 and the electric furnace 113 to ensure airtightness in the electric furnace 113. Since the outside of the electric furnace 113 is prevented from flowing into the electric furnace 113 by the sealing material 123, the inside of the electric furnace 113 has a gas atmosphere (for example, nitrogen (N 2 )) introduced from the gas inlet 131. Atmosphere).
引き上げ軸122は、基板140を原料融液110に浸漬し、また、基板140を原料融液110から引き上げる。具体的には、引き上げ軸122は、電気炉113の上面を貫通して設けられる。また、引き上げ軸122の電気炉113内の一端には、基板140を保持する保持具120が設けられる。したがって、引き上げ軸122を上下させることで、保持具120に保持された基板140を原料融液110に浸漬したり、引き上げたりすることができる。 The pulling shaft 122 immerses the substrate 140 in the raw material melt 110 and pulls up the substrate 140 from the raw material melt 110. Specifically, the lifting shaft 122 is provided through the upper surface of the electric furnace 113. A holding tool 120 that holds the substrate 140 is provided at one end of the pulling shaft 122 in the electric furnace 113. Therefore, the substrate 140 held by the holder 120 can be immersed in the raw material melt 110 or pulled up by moving the pulling shaft 122 up and down.
なお、引き上げ軸122は、軸を中心に回転可能に設けられてもよい。このような場合、引き上げ軸122を回転させることで、保持具120及び基板140を回転させ、原料融液110を撹拌することができる。これにより、原料融液110中の窒素濃度分布をより均一にすることができるため、基板140により均一な窒化ガリウムの単結晶膜を成長させることができる。 The pulling shaft 122 may be provided so as to be rotatable about the shaft. In such a case, by rotating the pulling shaft 122, the holder 120 and the substrate 140 can be rotated, and the raw material melt 110 can be stirred. Thereby, since the nitrogen concentration distribution in the raw material melt 110 can be made more uniform, a uniform gallium nitride single crystal film can be grown on the substrate 140.
保持具120は、複数の鉤を備え、基板140を水平に保持する。基板140を水平に保持することにより、基板140に対する原料融液110の深さ方向の窒素濃度分布の影響を小さくすることができる。保持具120は、反応容器111と同様に、カーボンで構成されてもよいが、1000℃付近の高温でも金属ガリウムと反応しない材質であれば、酸化アルミニウムなどの他の材料で構成されてもよい。 The holding tool 120 includes a plurality of scissors and holds the substrate 140 horizontally. By holding the substrate 140 horizontally, the influence of the nitrogen concentration distribution in the depth direction of the raw material melt 110 on the substrate 140 can be reduced. The holder 120 may be made of carbon, similar to the reaction vessel 111, but may be made of other materials such as aluminum oxide as long as it does not react with metallic gallium even at a high temperature around 1000 ° C. .
以上の構成により、反応装置100は、引き上げ軸122を上下させることによって基板140を原料融液110に浸漬させ、基板140上に窒化ガリウムの単結晶膜を成長させることができる。 With the above configuration, the reaction apparatus 100 can grow the gallium nitride single crystal film on the substrate 140 by immersing the substrate 140 in the raw material melt 110 by moving the pulling shaft 122 up and down.
ここで、図4を参照して、保持具120のより具体的な形状について説明する。図4は、図3で示した基板140の保持具120をより具体的に示す斜視図である。 Here, with reference to FIG. 4, the more specific shape of the holder 120 is demonstrated. FIG. 4 is a perspective view showing the holder 120 of the substrate 140 shown in FIG. 3 more specifically.
図4に示すように、保持具120は、2本の柱状部材である支柱部126、127の両端をそれぞれ梁部124、125で連結した構造を有する。また、支柱部126、127と、梁部124、125とによって形成された空間内には、少なくとも1つ以上の棚板128が設けられる。棚板128は、支柱部126、127に対して垂直に設けられることで、基板140を水平に保持する。 As shown in FIG. 4, the holder 120 has a structure in which both ends of support columns 126 and 127 that are two columnar members are connected by beam portions 124 and 125, respectively. In addition, at least one shelf board 128 is provided in the space formed by the column parts 126 and 127 and the beam parts 124 and 125. The shelf board 128 is provided perpendicular to the support columns 126 and 127 to hold the substrate 140 horizontally.
また、保持具120は、棚板128を複数備えていてもよい。このような場合、保持具120は、複数の基板140を同時に反応容器111中の原料融液110に浸漬し、複数の基板140に窒化ガリウムの結晶膜を合成することができる。なお、棚板128の各々の間隔は、例えば、10mm程度であればよい。 The holder 120 may include a plurality of shelf boards 128. In such a case, the holder 120 can synthesize the crystal films of gallium nitride on the plurality of substrates 140 by simultaneously immersing the plurality of substrates 140 in the raw material melt 110 in the reaction vessel 111. In addition, the space | interval of each shelf board 128 should just be about 10 mm, for example.
以上の構成によれば、反応装置100は、基板140と結晶方位が揃った(すなわち、エピタキシャル成長した)窒化ガリウムの結晶膜を基板140の上に積層させることができる。 According to the above configuration, the reactor 100 can stack the crystal film of gallium nitride having the same crystal orientation as the substrate 140 (that is, epitaxially grown) on the substrate 140.
(反応工程)
次に、本実施形態に係る窒化ガリウム単結晶の製造方法の流れについて説明する。
(Reaction process)
Next, the flow of the method for manufacturing a gallium nitride single crystal according to this embodiment will be described.
まず、金属ガリウム及び窒化鉄の粉末を混合して上述の反応容器111に充填し、該反応容器111を電気炉113内に載置する。 First, powders of metal gallium and iron nitride are mixed and filled in the reaction vessel 111 described above, and the reaction vessel 111 is placed in an electric furnace 113.
続いて、電気炉113内にガス導入口131から窒素ガスを導入し、電気炉113内を窒素雰囲気とした上で、ヒーター114によって反応容器111内の反応材料を加熱する。なお、ガス導入口131から電気炉113内に導入された窒素ガスは、ガス排出口132から排出されるため、電気炉113内は、ほぼ常圧に保たれる。 Subsequently, nitrogen gas is introduced into the electric furnace 113 from the gas inlet 131 to make the inside of the electric furnace 113 a nitrogen atmosphere, and the reaction material in the reaction vessel 111 is heated by the heater 114. In addition, since the nitrogen gas introduced into the electric furnace 113 from the gas inlet 131 is discharged from the gas outlet 132, the electric furnace 113 is maintained at a substantially normal pressure.
ここで、反応容器111内の反応材料は、金属ガリウム及び窒化鉄が反応する反応温度まで少なくとも加熱される。このような反応温度は、具体的には、700℃超1000℃以下である。 Here, the reaction material in the reaction vessel 111 is heated at least to a reaction temperature at which metal gallium and iron nitride react. Specifically, such reaction temperature is more than 700 ° C. and 1000 ° C. or less.
また、反応容器111内の反応材料は、基板140に窒化ガリウム単結晶を成長させている間は、前述の反応温度の範囲内の温度に20時間以上保持されることが好ましい。なお、温度を保持している間、反応材料の温度は、反応温度の範囲内(例えば、700℃超1000℃以下)に収まっていれば、一定である必要はなく、変動していてもよい。 The reaction material in the reaction vessel 111 is preferably maintained at a temperature within the above reaction temperature range for 20 hours or more while the gallium nitride single crystal is grown on the substrate 140. While the temperature is maintained, the temperature of the reaction material does not need to be constant and may vary as long as it is within the reaction temperature range (for example, more than 700 ° C. and 1000 ° C. or less). .
反応容器111内の反応材料が溶融し、原料融液110となった後、引き上げ軸122を操作することで、保持具120に保持された基板140を原料融液110中に浸漬する。これにより、原料融液110中に浸漬された基板140上に窒化ガリウムの均一な単結晶膜を成長させることができる。 After the reaction material in the reaction vessel 111 is melted to become the raw material melt 110, the substrate 140 held by the holder 120 is immersed in the raw material melt 110 by operating the pulling shaft 122. Thereby, a uniform single crystal film of gallium nitride can be grown on the substrate 140 immersed in the raw material melt 110.
ただし、上記の工程にて得られた反応生成物には、鉄及びガリウムの金属間化合物等の副生成物が含まれていることがある。そこで、窒化ガリウム結晶を析出させた基板140は、精製工程を経ることで副生成物が除去される。 However, the reaction product obtained in the above process may contain byproducts such as iron and gallium intermetallic compounds. Therefore, by-products are removed from the substrate 140 on which the gallium nitride crystal is deposited through a purification process.
精製工程は、例えば、王水等の酸を用いた酸洗浄を用いることができる。これにより、鉄とガリウムとの金属間化合物等を酸に溶解させ、窒化ガリウム単結晶を精製することができる。 In the purification step, for example, acid washing using an acid such as aqua regia can be used. Thereby, an intermetallic compound of iron and gallium or the like can be dissolved in an acid, and the gallium nitride single crystal can be purified.
以上の工程によれば、常圧等の低圧の窒素雰囲気下にて、液相成長により効率的に窒化ガリウム単結晶を製造することができる。 According to the above process, a gallium nitride single crystal can be efficiently produced by liquid phase growth under a low-pressure nitrogen atmosphere such as normal pressure.
以下では、実施例及び比較例を参照しながら、本実施形態に係る半導体基板、窒化ガリウム単結晶、及び窒化ガリウム単結晶の製造方法について具体的に説明する。なお、以下に示す実施例は、あくまでも一例であって、本実施形態に係る半導体基板、窒化ガリウム単結晶及び窒化ガリウム単結晶の製造方法が下記の例に限定されるものではない。 Hereinafter, the semiconductor substrate, the gallium nitride single crystal, and the method for manufacturing the gallium nitride single crystal according to the present embodiment will be specifically described with reference to examples and comparative examples. In addition, the Example shown below is an example to the last, and the manufacturing method of the semiconductor substrate which concerns on this embodiment, a gallium nitride single crystal, and a gallium nitride single crystal is not limited to the following example.
なお、以下の実施例及び比較例では、共通して、純度7Nの金属ガリウム(DOWAエレクトロニクス製)、及び純度99%以上の一窒化三鉄(高純度化学研究所製)を用いた。また、結晶成長基板として、直径が約2インチ、かつ厚みが0.4mm厚であり、窒化ガリウムの単結晶膜を積層させる面の面方位がそれぞれc面(0001)、a面(11−20)又はr面(1−102)であるサファイア基板(信光社製)をそれぞれ用いた。 In the following Examples and Comparative Examples, 7N pure metal gallium (manufactured by DOWA Electronics) and triiron mononitride (manufactured by High Purity Chemical Research Laboratory) having a purity of 99% or more were used. Further, the crystal growth substrate has a diameter of about 2 inches and a thickness of 0.4 mm, and the plane orientations of the planes on which the single crystal films of gallium nitride are laminated are c plane (0001) and a plane (11-20), respectively. ) Or r-plane (1-102) sapphire substrates (manufactured by Shinko) were used.
(実施例1)
まず、反応装置の内部に設置した反応容器に、金属ガリウム(Ga)及び一窒化三鉄(Fe3N)の各原料をGa:Fe3N=99.8mol%:0.2mol%の割合にて混合し、投入した。また、保持具の棚板には、半導体層を形成する面の面方位がc面(0001)のサファイア基板を載置した。
Example 1
First, each raw material of metallic gallium (Ga) and triiron mononitride (Fe 3 N) is added to a reaction vessel installed inside the reactor in a ratio of Ga: Fe 3 N = 99.8 mol%: 0.2 mol%. And mixed. Further, a sapphire substrate having a c-plane (0001) plane orientation of the surface on which the semiconductor layer is formed was placed on the shelf plate of the holder.
続いて、以下の温度プロファイルによって、反応装置の内部温度を制御することで、金属ガリウムと一窒化三鉄とを反応させ、窒化ガリウム単結晶を製造した。 Subsequently, by controlling the internal temperature of the reactor with the following temperature profile, metal gallium and triiron mononitride were reacted to produce a gallium nitride single crystal.
具体的には、まず、反応装置の内部温度を200℃までマニュアルで昇温した後、毎時100℃の割合で内部温度を700℃まで上昇させた。その後、反応装置の内部温度を20時間、700℃で保持した後、毎時100℃の割合で900℃まで上昇させ、900℃で40時間保持した。このとき、引き上げ軸を軸中心にして、保持具を毎分10回転の速度で回転させることで融液を攪拌した。その後、自然放熱によって反応容器の内部が室温に戻るまで自然冷却させた。取り出したサファイア基板を王水で洗浄することで、残存した金属ガリウム、又は鉄とガリウムとの金属間化合物などを除去した。 Specifically, first, the internal temperature of the reactor was manually increased to 200 ° C., and then the internal temperature was increased to 700 ° C. at a rate of 100 ° C. per hour. Thereafter, the internal temperature of the reactor was held at 700 ° C. for 20 hours, then increased to 900 ° C. at a rate of 100 ° C. per hour, and held at 900 ° C. for 40 hours. At this time, the melt was stirred by rotating the holder at a speed of 10 revolutions per minute with the pulling shaft as the center. Then, it cooled naturally until the inside of reaction container returned to room temperature by natural heat radiation. The extracted sapphire substrate was washed with aqua regia to remove residual metal gallium or an intermetallic compound of iron and gallium.
なお、実施例1に係る半導体基板の断面を透過型電子顕微鏡(Tunnel Electron Microscope:TEM)等で確認したところ、サファイア基板の上に窒化ガリウム結晶で構成される中間層及び半導体層が形成されていることが確認された。その結果を図5Aに示す。図5Aは、実施例1に係る半導体基板のサファイア基板と中間層及び半導体層との界面付近の断面を観察したTEM明視野像である。 When the cross section of the semiconductor substrate according to Example 1 was confirmed with a transmission electron microscope (TEM) or the like, an intermediate layer composed of gallium nitride crystals and a semiconductor layer were formed on the sapphire substrate. It was confirmed that The result is shown in FIG. 5A. 5A is a TEM bright-field image obtained by observing a cross section in the vicinity of the interface between the sapphire substrate, the intermediate layer, and the semiconductor layer of the semiconductor substrate according to Example 1. FIG.
図5Aでは、図に正対して右側のやや明るい領域がサファイア基板20であり、左側のやや暗い領域が窒化ガリウム結晶(中間層11及び半導体層10)である。図5Aに示すように、サファイア基板20と、窒化ガリウム結晶との界面には、格子の並びが乱れた中間層11がおよそ20nmの厚みで形成されていることが確認できる。 In FIG. 5A, the slightly bright area on the right side of the figure is the sapphire substrate 20, and the slightly dark area on the left side is the gallium nitride crystal (intermediate layer 11 and semiconductor layer 10). As shown in FIG. 5A, it can be confirmed that an intermediate layer 11 having a disordered lattice arrangement is formed at a thickness of about 20 nm at the interface between the sapphire substrate 20 and the gallium nitride crystal.
続いて、実施例1に係る中間層半導体層(窒化ガリウム結晶膜)を積層したサファイア基板について、上述のチルト測定及びツイスト測定を行った。その測定結果を図6A及び図6Bに示す。 Subsequently, the tilt measurement and the twist measurement described above were performed on the sapphire substrate on which the intermediate semiconductor layer (gallium nitride crystal film) according to Example 1 was stacked. The measurement results are shown in FIGS. 6A and 6B.
図6Aは、実施例1に係る半導体基板の中間層及び半導体層を構成する窒化ガリウム結晶のチルト測定の結果である。チルト測定(ωスキャン)は、結晶の積層方向の結晶方位の変化又はばらつきを測定するものであり、ピークの幅が狭いほど結晶方位のばらつきが小さく、結晶性がよいことを示す。 FIG. 6A shows the result of tilt measurement of the gallium nitride crystal constituting the intermediate layer and the semiconductor layer of the semiconductor substrate according to Example 1. Tilt measurement (ω scan) measures changes or variations in crystal orientation in the crystal stacking direction, and the narrower the peak width, the smaller the crystal orientation variation and the better the crystallinity.
上述したリガク社製の全自動水平型多目的X線解析装置「SmartLab 3XG」を用いて、X線の入射及び回折検出が試料の表面に垂直な面で行われる配置にて、2θ=34.6°(窒化ガリウムの(0002)面の格子面間隔からブラッグの式を用いて算出される値)に検出器を配置してωスキャンによる測定を行った。なお、このときの試料に対するX線の侵入深さは、数十μm程度である。 Using the above-described fully automatic horizontal multi-purpose X-ray analyzer “SmartLab 3XG” manufactured by Rigaku Corporation, 2θ = 34.6 in an arrangement in which X-ray incidence and diffraction detection are performed in a plane perpendicular to the surface of the sample. The measurement was performed by ω-scanning by placing a detector at ° (value calculated using the Bragg equation from the lattice spacing of the (0002) plane of gallium nitride). At this time, the penetration depth of X-rays into the sample is about several tens of μm.
図6Aに示すように、ω=17.3度付近にピークが観測できた。また、該ピークの強度の半値全幅(チルト幅)は、0.13°であった。 As shown in FIG. 6A, a peak was observed in the vicinity of ω = 17.3 degrees. The full width at half maximum (tilt width) of the intensity of the peak was 0.13 °.
図6Bは、実施例1に係る半導体基板の中間層及び半導体層を構成する窒化ガリウム結晶のツイスト測定の結果である。ツイスト測定(φスキャン)は、結晶の面内方向の結晶方位の変化又はばらつきを測定するものであり、ピークの幅が狭いほど結晶方位のばらつきが小さく、結晶性がよいことを示す。 6B is a result of twist measurement of the gallium nitride crystal constituting the intermediate layer and the semiconductor layer of the semiconductor substrate according to Example 1. FIG. Twist measurement (φ scan) is a measurement of a change or variation in crystal orientation in the in-plane direction of the crystal. The narrower the peak width, the smaller the crystal orientation variation and the better the crystallinity.
上述したリガク社製の全自動水平型多目的X線解析装置「SmartLab 3XG」を用いて、X線の入射及び回折検出が試料の表面面内で行われる配置にて、試料表面に対してごく浅い角度でX線を入射した。なお、このときの試料に対するX線の侵入深さは、数μm程度である。ツイスト測定では、測定光学系の条件として、入射角度0.25°、入射スリット幅0.1mm、及び長手制限スリット幅5mmを用い、2θχ=57.91°(窒化ガリウム(11−20)面の格子面間隔からブラッグの式を用いて算出される値)に検出器を配置してφスキャンによる測定を行った。その結果、6回対称となる位置(面内回転で60°置き)に強度ピークが観測された。 Using the above-mentioned fully automatic horizontal multi-purpose X-ray analyzer “SmartLab 3XG” manufactured by Rigaku Corporation, X-ray incidence and diffraction detection are performed within the surface of the sample, so that the sample surface is very shallow. X-rays were incident at an angle. At this time, the penetration depth of X-rays into the sample is about several μm. In the twist measurement, an incident angle of 0.25 °, an incident slit width of 0.1 mm, and a length limiting slit width of 5 mm are used as conditions of the measurement optical system, and 2θχ = 57.91 ° (gallium nitride (11-20) plane) The value was calculated from the lattice spacing using the Bragg equation) and the measurement was performed by φ scan. As a result, an intensity peak was observed at a 6-fold symmetry position (in-plane rotation at intervals of 60 °).
インプレーン測定であるツイスト測定では、φ軸が相対値となるため、ピークの最高点の位置をφ=0°として図示した。図6Bに示すように、ピークの強度の半値全幅(ツイスト幅)は、0.42°であった。また、ツイスト測定における窒化ガリウム(11−20)面の強度値は、7×104cpsであった。 In the twist measurement which is an in-plane measurement, since the φ axis is a relative value, the peak maximum point position is shown as φ = 0 °. As shown in FIG. 6B, the full width at half maximum (twist width) of the peak intensity was 0.42 °. Moreover, the intensity value of the gallium nitride (11-20) plane in the twist measurement was 7 × 10 4 cps.
(実施例2)
温度プロファイルを以下の条件とした以外は、実施例1と同様の方法で、サファイア基板の上に窒化ガリウム単結晶を成長させた。
(Example 2)
A gallium nitride single crystal was grown on the sapphire substrate in the same manner as in Example 1 except that the temperature profile was as follows.
具体的には、まず、反応装置の内部温度を200℃までマニュアルで昇温した後、毎時100℃の割合で内部温度を780℃まで上昇させた。次に、反応装置の内部温度を40時間、780℃で保持した。その後、自然放熱によって反応容器の内部が室温に戻るまで自然冷却させた。 Specifically, first, the internal temperature of the reactor was manually increased to 200 ° C., and then the internal temperature was increased to 780 ° C. at a rate of 100 ° C. per hour. Next, the internal temperature of the reactor was held at 780 ° C. for 40 hours. Then, it cooled naturally until the inside of reaction container returned to room temperature by natural heat radiation.
なお、実施例2に係る半導体基板の断面をSEM又はTEM等で確認したところ、実施例1と同様に、サファイア基板の上に窒化ガリウム結晶で構成される中間層及び半導体層が積層されていることが確認された(図示せず)。 In addition, when the cross section of the semiconductor substrate which concerns on Example 2 was confirmed by SEM or TEM etc., the intermediate | middle layer and semiconductor layer which were comprised on the sapphire substrate were laminated | stacked on the sapphire substrate like Example 1. It was confirmed (not shown).
実施例2に係る中間層及び半導体層(窒化ガリウム結晶膜)を積層したサファイア基板について、実施例1と同様に、チルト測定及びツイスト測定を行った。その結果、チルト幅は、0.33°であり、ツイスト幅は0.66°であった。また、ツイスト測定における窒化ガリウム(11−20)面の強度値は、2×104cpsであった。 Tilt measurement and twist measurement were performed on the sapphire substrate on which the intermediate layer and the semiconductor layer (gallium nitride crystal film) according to Example 2 were stacked in the same manner as in Example 1. As a result, the tilt width was 0.33 ° and the twist width was 0.66 °. Further, the intensity value of the gallium nitride (11-20) plane in the twist measurement was 2 × 10 4 cps.
(実施例3)
半導体層を形成する面の面方位がa面(11−20)のサファイア基板を用いた以外は、実施例1と同様の方法で、サファイア基板の上に窒化ガリウム単結晶を成長させた。
(Example 3)
A gallium nitride single crystal was grown on the sapphire substrate in the same manner as in Example 1 except that a sapphire substrate having a plane (11-20) of the surface on which the semiconductor layer was formed was used.
X線解析によれば、実施例3に係る中間層及び半導体層(窒化ガリウム結晶膜)を形成したサファイア基板では、サファイア基板の表面と平行に(0001)面の窒化ガリウム単結晶が成長していることが確認できた。 According to the X-ray analysis, in the sapphire substrate on which the intermediate layer and the semiconductor layer (gallium nitride crystal film) according to Example 3 were formed, a (0001) plane gallium nitride single crystal was grown in parallel with the surface of the sapphire substrate. It was confirmed that
なお、実施例3に係る半導体基板の断面をSEM又はTEM等で確認したところ、実施例1と同様に、サファイア基板の上に窒化ガリウム結晶で構成される中間層及び半導体層が積層されていることが確認された(図示せず)。 When the cross section of the semiconductor substrate according to Example 3 was confirmed by SEM, TEM, or the like, as in Example 1, an intermediate layer and a semiconductor layer made of gallium nitride crystals were stacked on the sapphire substrate. It was confirmed (not shown).
実施例3に係る中間層及び半導体層(窒化ガリウム結晶膜)を形成したサファイア基板について、実施例1と同様に、チルト測定及びツイスト測定を行った。その結果、チルト幅は、0.15°であり、ツイスト幅は0.54°であった。また、ツイスト測定における窒化ガリウム(11−20)面の強度値は、5×104cpsであった。 Tilt measurement and twist measurement were performed on the sapphire substrate on which the intermediate layer and the semiconductor layer (gallium nitride crystal film) according to Example 3 were formed in the same manner as in Example 1. As a result, the tilt width was 0.15 °, and the twist width was 0.54 °. Further, the strength value of the gallium nitride (11-20) plane in the twist measurement was 5 × 10 4 cps.
(比較例1)
温度プロファイルを以下の条件とした以外は、実施例1と同様の方法で、サファイア基板の上に窒化ガリウム単結晶を成長させた。
(Comparative Example 1)
A gallium nitride single crystal was grown on the sapphire substrate in the same manner as in Example 1 except that the temperature profile was as follows.
具体的には、まず、反応装置の内部温度を200℃までマニュアルで昇温した後、毎時100℃の割合で内部温度を620℃まで上昇させた。次に、反応装置の内部温度を10時間、620℃で保持した後、毎時0.5℃の割合で680℃まで上昇させ、680℃で3時間保持した。その後、自然放熱によって反応容器の内部が室温に戻るまで自然冷却させた。 Specifically, first, the internal temperature of the reactor was manually increased to 200 ° C., and then the internal temperature was increased to 620 ° C. at a rate of 100 ° C. per hour. Next, after maintaining the internal temperature of the reactor at 620 ° C. for 10 hours, the temperature was raised to 680 ° C. at a rate of 0.5 ° C. per hour and held at 680 ° C. for 3 hours. Then, it cooled naturally until the inside of reaction container returned to room temperature by natural heat radiation.
なお、比較例1に係る半導体基板の断面をSEMで確認したところ、サファイア基板の上には、数μm〜数十μm程度の島状に離散的に窒化ガリウムの結晶粒が形成されていた(図示せず)。 In addition, when the cross section of the semiconductor substrate which concerns on the comparative example 1 was confirmed by SEM, the crystal grain of the gallium nitride was discretely formed on the sapphire substrate in the island form of about several micrometers-several dozen micrometer ( Not shown).
また、比較例1に係る半導体基板の断面をTEMで確認した結果を図5Bに示す。図5Bは、比較例1に係る半導体基板のサファイア基板と中間層及び半導体層との界面付近の断面を観察したTEM明視野像である。 Moreover, the result of having confirmed the cross section of the semiconductor substrate which concerns on the comparative example 1 with TEM is shown to FIG. 5B. FIG. 5B is a TEM bright-field image obtained by observing a cross section near the interface between the sapphire substrate, the intermediate layer, and the semiconductor layer of the semiconductor substrate according to Comparative Example 1.
図5Bでは、図に正対して右側のやや明るい領域がサファイア基板20であり、左側のやや暗い領域が窒化ガリウム結晶(半導体層10)である。図5Bに示すように、比較例1に係る半導体基板の断面では、窒化ガリウム結晶は、多結晶状で結晶粒の方位がランダムになっていた。中間層11は、明瞭には確認されない、又は極めて薄膜となっており、サファイア基板20上には半導体層10のみが形成されていることが確認された。 In FIG. 5B, the slightly brighter region on the right side of the figure is the sapphire substrate 20, and the slightly darker region on the left side is the gallium nitride crystal (semiconductor layer 10). As shown in FIG. 5B, in the cross section of the semiconductor substrate according to Comparative Example 1, the gallium nitride crystal was polycrystalline and the orientation of crystal grains was random. It was confirmed that the intermediate layer 11 was not clearly confirmed or extremely thin, and only the semiconductor layer 10 was formed on the sapphire substrate 20.
比較例1に係る半導体層(窒化ガリウム単結晶膜)を形成したサファイア基板について、実施例1と同様に、チルト測定及びツイスト測定を行った。その結果、チルト幅は、0.40°であり、ツイスト幅は1.18°であった。また、ツイスト測定における窒化ガリウム(11−20)面の強度値は、5×102cpsであった。 Tilt measurement and twist measurement were performed on the sapphire substrate on which the semiconductor layer (gallium nitride single crystal film) according to Comparative Example 1 was formed in the same manner as in Example 1. As a result, the tilt width was 0.40 ° and the twist width was 1.18 °. Moreover, the intensity value of the gallium nitride (11-20) plane in the twist measurement was 5 × 10 2 cps.
(比較例2)
温度プロファイルを以下の条件とした以外は、実施例1と同様の方法で、サファイア基板の上に窒化ガリウム単結晶を成長させた。
(Comparative Example 2)
A gallium nitride single crystal was grown on the sapphire substrate in the same manner as in Example 1 except that the temperature profile was as follows.
具体的には、まず、反応装置の内部温度を200℃までマニュアルで昇温した後、毎時100℃の割合で内部温度を700℃まで上昇させた。次に、反応装置の内部温度を40時間、700℃で保持した後、毎時100℃の割合で900℃まで上昇させ、900℃で3時間保持した。その後、自然放熱によって反応容器の内部が室温に戻るまで自然冷却させた。 Specifically, first, the internal temperature of the reactor was manually increased to 200 ° C., and then the internal temperature was increased to 700 ° C. at a rate of 100 ° C. per hour. Next, after maintaining the internal temperature of the reaction apparatus at 700 ° C. for 40 hours, the temperature was increased to 900 ° C. at a rate of 100 ° C. per hour and held at 900 ° C. for 3 hours. Then, it cooled naturally until the inside of reaction container returned to room temperature by natural heat radiation.
なお、比較例2に係る半導体基板の断面をSEM又はTEM等で確認したところ、比較例1と同様に、サファイア基板の上には、数μm〜数十μm程度の島状に、離散的に窒化ガリウム結晶粒が形成されていた。そのため、比較例2に係る半導体基板では、多結晶状で結晶粒の方位がランダムな窒化ガリウム結晶が形成されており、中間層が明瞭に確認されず、半導体層のみが形成されていることが確認された(図示せず)。 In addition, when the cross section of the semiconductor substrate which concerns on the comparative example 2 was confirmed by SEM or TEM etc., similarly to the comparative example 1, on the sapphire substrate, it is discretely made into the island shape of about several micrometers-several dozen micrometer. Gallium nitride crystal grains were formed. Therefore, in the semiconductor substrate according to Comparative Example 2, a polycrystalline gallium nitride crystal having a random crystal grain orientation is formed, the intermediate layer is not clearly confirmed, and only the semiconductor layer is formed. Confirmed (not shown).
比較例2に係る半導体層(窒化ガリウム結晶膜)を形成したサファイア基板について、実施例1と同様に、チルト測定及びツイスト測定を行った。その結果、チルト幅は、0.51°であり、ツイスト幅は0.59°であった。また、ツイスト測定における窒化ガリウム(11−20)面の強度値は、1×103cpsであった。 Tilt measurement and twist measurement were performed on the sapphire substrate on which the semiconductor layer (gallium nitride crystal film) according to Comparative Example 2 was formed in the same manner as in Example 1. As a result, the tilt width was 0.51 ° and the twist width was 0.59 °. Moreover, the intensity value of the gallium nitride (11-20) plane in twist measurement was 1 × 10 3 cps.
(比較例3)
半導体層を形成する面の面方位がr面(1−102)のサファイア基板を用いた以外は、実施例1と同様の方法で、サファイア基板の上に窒化ガリウム単結晶を成長させた。
(Comparative Example 3)
A gallium nitride single crystal was grown on the sapphire substrate in the same manner as in Example 1 except that a sapphire substrate having an r-plane (1-102) plane orientation for forming the semiconductor layer was used.
なお、比較例3に係る半導体基板の断面をSEM又はTEM等で確認したところ、比較例1と同様に、サファイア基板の上には、数μm〜数十μm程度の島状に、離散的に窒化ガリウム結晶粒が形成されていた。そのため、比較例3に係る半導体基板では、多結晶状で結晶粒の方位がランダムな窒化ガリウム結晶が形成されており、中間層が明瞭に確認されず、半導体層のみが形成されていることが確認された(図示せず)。 In addition, when the cross section of the semiconductor substrate which concerns on the comparative example 3 was confirmed by SEM or TEM etc., similarly to the comparative example 1, on the sapphire substrate, it is discretely made into the island shape of about several micrometers-dozens of micrometers. Gallium nitride crystal grains were formed. Therefore, in the semiconductor substrate according to Comparative Example 3, a polycrystalline gallium nitride crystal having a random crystal grain orientation is formed, the intermediate layer is not clearly confirmed, and only the semiconductor layer is formed. Confirmed (not shown).
X線解析によれば、比較例3に係る半導体層(窒化ガリウム結晶膜)を形成したサファイア基板では、X線回折強度が弱いものの、サファイア基板の表面と平行に(0001)面の窒化ガリウム単結晶が成長していることが確認できた。 According to the X-ray analysis, the sapphire substrate on which the semiconductor layer (gallium nitride crystal film) according to Comparative Example 3 is formed has a low X-ray diffraction intensity, but a single (0001) gallium nitride plane parallel to the surface of the sapphire substrate. It was confirmed that crystals were growing.
比較例3に係る半導体層(窒化ガリウム結晶膜)を形成したサファイア基板について、実施例1と同様に、チルト測定及びツイスト測定を行った。その結果、チルト幅は、0.69°であり、ツイスト幅は2°であった。また、ツイスト測定における窒化ガリウム(11−20)面の強度値は、3×102cpsであった。 Tilt measurement and twist measurement were performed on the sapphire substrate on which the semiconductor layer (gallium nitride crystal film) according to Comparative Example 3 was formed in the same manner as in Example 1. As a result, the tilt width was 0.69 ° and the twist width was 2 °. Moreover, the intensity value of the gallium nitride (11-20) plane in the twist measurement was 3 × 10 2 cps.
以上の実施例1〜3及び比較例1〜3で測定されたチルト幅及びツイスト幅の結果、ツイスト測定における窒化ガリウム(11−20)面の強度値をまとめて下記の表1及び図7に示す。図7は、チルト幅及びツイスト幅の相関関係を示す散布図である。 As a result of the tilt width and the twist width measured in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3, the intensity values of the gallium nitride (11-20) plane in the twist measurement are summarized in Table 1 and FIG. Show. FIG. 7 is a scatter diagram showing the correlation between the tilt width and the twist width.
チルト幅は、結晶の積層方向の結晶性(積層方向の結晶方位の揃い具合)を示す指標であり、値が小さいほど結晶性が良好である。チルト幅は、概ね0.4°以下であれば良好と判断される。また、ツイスト幅は、結晶の面内方向の結晶性(面内方向の結晶方位の揃い具合)を示す指標であり、値が小さいほど結晶性が良好である。ツイスト幅は、概ね0.7°以下であれば良好と判断される。 The tilt width is an index indicating the crystallinity in the stacking direction of crystals (the degree of alignment of crystal orientations in the stacking direction), and the smaller the value, the better the crystallinity. If the tilt width is approximately 0.4 ° or less, it is determined that the tilt width is good. The twist width is an index indicating the crystallinity in the in-plane direction of the crystal (the degree of alignment of crystal orientations in the in-plane direction). The smaller the value, the better the crystallinity. The twist width is determined to be good if it is approximately 0.7 ° or less.
表1の結果を参照すると、実施例1〜3は、いずれもチルト幅及びツイスト幅が小さいため、積層方向及び面内方向共に、配向性及び結晶性が良好な単結晶が形成されていることがわかる。 Referring to the results in Table 1, since Examples 1 to 3 each have a small tilt width and twist width, single crystals having good orientation and crystallinity are formed in both the stacking direction and the in-plane direction. I understand.
実施例1〜3及び比較例1〜3では、入射角度、入射スリット幅及び長手制限スリット幅などの測定光学系の条件を統一し、X線の照射領域を合わせているため、ピーク強度の値を相対比較することができる。したがって、ツイスト測定における窒化ガリウム(11−20)のピーク強度相対値が大きいほど、窒化ガリウム結晶膜の(11−20)面に配向している体積(平均厚さ)が大きいと推察される。 In Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3, since the conditions of the measurement optical system such as the incident angle, the incident slit width, and the length limiting slit width are unified and the X-ray irradiation region is matched, the value of the peak intensity Can be compared relative to each other. Therefore, it is presumed that the volume (average thickness) oriented in the (11-20) plane of the gallium nitride crystal film increases as the relative peak intensity value of gallium nitride (11-20) in the twist measurement increases.
これによれば、実施例1〜3は、チルト幅が0.13°〜0.33°、かつツイスト幅が0.42°〜0.66°の範囲となるため良好な結晶性を示すことがわかる。また、実施例1〜3は、ツイスト測定におけるピーク強度相対値が104cps以上であるため、十分な体積(厚み)の窒化ガリウムの結晶膜が形成できていることが推察される。 According to this, Examples 1-3 show favorable crystallinity since the tilt width is in the range of 0.13 ° to 0.33 ° and the twist width is in the range of 0.42 ° to 0.66 °. I understand. In Examples 1 to 3, since the relative peak intensity in twist measurement is 10 4 cps or more, it is presumed that a sufficient volume (thickness) gallium nitride crystal film can be formed.
一方、比較例1〜3では、チルト幅が0.40°〜0.69°、かつツイスト幅が0.59°〜2°の範囲となるため、チルト及びツイスト共に結晶方位のばらつきが大きいことがわかる。また、比較例1〜3は、ツイスト測定におけるピーク強度相対値が103cps以下であるため、十分な体積(厚み)の窒化ガリウムの結晶膜が形成できていないことが推察される。 On the other hand, in Comparative Examples 1 to 3, since the tilt width is in the range of 0.40 ° to 0.69 ° and the twist width is in the range of 0.59 ° to 2 °, the tilt and twist have large variations in crystal orientation. I understand. In Comparative Examples 1 to 3, the peak intensity relative value in twist measurement is 10 3 cps or less, so that it is presumed that a sufficient volume (thickness) gallium nitride crystal film cannot be formed.
また、実施例1、3及び比較例3を比較すると、窒化ガリウム結晶を形成するサファイア基板の面の面方位が異なることによって、同じ温度プロファイル条件を用いた場合でも、形成される窒化ガリウムの結晶膜に違いが生じることがわかる。 Further, when Examples 1 and 3 and Comparative Example 3 are compared, the surface orientation of the sapphire substrate on which the gallium nitride crystal is formed is different, so that even when the same temperature profile condition is used, the formed gallium nitride crystal It can be seen that there is a difference in the membrane.
具体的には、窒化ガリウム結晶を形成するサファイア基板の面の面方位がc面(0001)、a面(11−20)、及びr面(1−102)のいずれの場合にも、サファイア基板の表面と平行に(0001)面の窒化ガリウムが形成されていた。 Specifically, the sapphire substrate regardless of whether the plane orientation of the sapphire substrate forming the gallium nitride crystal is a c-plane (0001), a-plane (11-20), or r-plane (1-102). The (0001) plane gallium nitride was formed in parallel with the surface.
ただし、実施例1、3のように、サファイア基板の面方位がc面(0001)及びa面(11−20)の場合、チルト幅及びツイスト幅が共に小さく、かつツイスト測定におけるピーク強度相対値も大きくなることがわかる。これから、実施例1、3では、積層方向及び面内方向共に、配向性及び結晶性が良好な単結晶が形成されており、かつ十分な体積(厚み)の窒化ガリウムの単結晶膜が形成できていることが推察される。 However, as in Examples 1 and 3, when the plane orientation of the sapphire substrate is the c-plane (0001) and the a-plane (11-20), both the tilt width and the twist width are small, and the peak intensity relative value in the twist measurement It can be seen that also becomes larger. Thus, in Examples 1 and 3, single crystals having good orientation and crystallinity are formed in both the stacking direction and the in-plane direction, and a sufficient volume (thickness) gallium nitride single crystal film can be formed. It is inferred that
一方、比較例3のように、サファイア基板の面方位がr面(1−102)の場合、チルト幅及びツイスト幅が共に大きく、かつツイスト測定におけるピーク強度相対値が小さくなることがわかる。これにより、比較例3では、チルト及びツイスト共に結晶方位のばらつきが大きく、かつ十分な体積(厚み)の窒化ガリウムの結晶膜が形成できていないことが推察される。 On the other hand, as in Comparative Example 3, when the surface orientation of the sapphire substrate is the r-plane (1-102), it can be seen that both the tilt width and the twist width are large and the peak intensity relative value in the twist measurement is small. Thus, in Comparative Example 3, it is presumed that the crystal orientation of gallium nitride having a large volume (thickness) and a sufficient volume (thickness) variation cannot be formed in both tilt and twist.
(結晶性の面内分布の評価)
続いて、実施例1及び比較例2において、サファイア基板の上に形成された窒化ガリウムの単結晶膜(半導体層)の結晶性の面内分布を評価した。
(Evaluation of in-plane distribution of crystallinity)
Subsequently, in Example 1 and Comparative Example 2, the in-plane distribution of crystallinity of the gallium nitride single crystal film (semiconductor layer) formed on the sapphire substrate was evaluated.
具体的には、X線回折において、試料の表面に垂直な面内でX線の入射及び回折の検出が行われるアウトオブプレーンの配置で測定を行った。ただし、試料水平型多目的X線回折装置UltimaIV−MAJ(リガク製)を使用し、微小部集光光学系CBO−f光学素子、及び微小部試料台のアタッチメントを使用した。さらに、Cu管球を使用し、電圧40kV及び電流40mAの条件でX線を照射し、発散縦スリットは、2mmとした。なお、試料表面でのX線照射領域は、およそ長軸2.0×短軸1.5mmの楕円状の領域であった。 Specifically, in X-ray diffraction, measurement was performed in an out-of-plane arrangement in which X-ray incidence and diffraction are detected in a plane perpendicular to the surface of the sample. However, a sample horizontal multi-purpose X-ray diffractometer Ultima IV-MAJ (manufactured by Rigaku) was used, and a small portion condensing optical system CBO-f optical element and a small portion sample stage attachment were used. Further, a Cu tube was used, irradiated with X-rays under conditions of a voltage of 40 kV and a current of 40 mA, and the divergence longitudinal slit was 2 mm. The X-ray irradiation region on the sample surface was an elliptical region having a major axis of 2.0 × minor axis of 1.5 mm.
上記の装置条件で、試料の表面に垂直な面内でX線の入射及び回折の検出が行われるアウトオブプレーンの配置で測定を行った。このような測定は、試料の表面に対するX線の入射角及び出射角は等しくなるため対称反射測定とも称される。なお、上述したチルト測定との相違点は、微小部集光光学系を使用し、回折角(2θ)と試料軸(θ)を連動させる手法である点である。これにより、2θ/θ走査測定で、2θを30.0°〜44.0°の範囲で0.02°ステップで走査して、計数時間0.5秒で測定し、2θ=34.6°付近に出現する窒化ガリウム(0002)の回折ピークの強度を求めた。 Under the above-described apparatus conditions, measurement was performed in an out-of-plane arrangement in which X-ray incidence and diffraction are detected in a plane perpendicular to the surface of the sample. Such measurement is also referred to as symmetrical reflection measurement because the incident angle and the outgoing angle of X-rays with respect to the surface of the sample are equal. Note that the difference from the tilt measurement described above is that the diffraction angle (2θ) and the sample axis (θ) are interlocked with each other by using a minute portion condensing optical system. Accordingly, in 2θ / θ scanning measurement, 2θ is scanned in a 0.02 ° step within a range of 30.0 ° to 44.0 °, and measured with a counting time of 0.5 seconds. 2θ = 34.6 ° The intensity of the diffraction peak of gallium nitride (0002) appearing in the vicinity was determined.
以上の測定を、図8に示すような結晶面(0001)を主面とする2インチのサファイア基板において、複数点で行った。サファイア基板は、オリフラ面(OF面(11−20))に平行な方向にX線入射及び出射の方向が含まれるように配置した。 The above measurement was performed at a plurality of points on a 2-inch sapphire substrate having a crystal plane (0001) as a main surface as shown in FIG. The sapphire substrate was arranged so that the directions of X-ray incidence and emission were included in the direction parallel to the orientation flat surface (OF surface (11-20)).
図8に示す黒丸の位置のように測定点を設定し、10mm置きで縦横格子状に計13点で同様の測定を行った。さらに、各測定点で窒化ガリウムの(0002)面のピーク強度を求め、さらに13測定点での窒化ガリウムの(0002)面のピーク強度の平均値と、標準偏差とを求めた。実施例1及び比較例2に対する面内強度分布の測定結果として、上述した窒化ガリウムの(0002)面のピーク強度の平均値と、標準偏差/平均値の値(面内強度ばらつきを示す指標)とを下記の表2に示す。 Measurement points were set as indicated by the positions of the black circles shown in FIG. 8, and the same measurement was performed at a total of 13 points in a vertical and horizontal grid pattern every 10 mm. Furthermore, the peak intensity of the (0002) plane of gallium nitride was determined at each measurement point, and the average value and standard deviation of the peak intensity of the (0002) plane of gallium nitride at 13 measurement points were determined. As a measurement result of the in-plane intensity distribution with respect to Example 1 and Comparative Example 2, the average value of the peak intensity on the (0002) plane of gallium nitride and the standard deviation / average value (an index indicating in-plane intensity variation) Are shown in Table 2 below.
表2の結果を参照すると、実施例1は、窒化ガリウムの(0002)面のピーク強度の標準偏差/平均値の値が29%と低く、面内強度のばらつきが小さいことがわかる。一方、比較例2は、窒化ガリウムの(0002)面のピーク強度の標準偏差/平均値の値が73%と高く、面内強度のばらつきが大きいことがわかる。 Referring to the results in Table 2, it can be seen that in Example 1, the standard deviation / average value of the peak intensity of the (0002) plane of gallium nitride is as low as 29%, and the in-plane intensity variation is small. On the other hand, in Comparative Example 2, the standard deviation / average value of the peak intensity of the (0002) plane of gallium nitride is as high as 73%, and it can be seen that the in-plane intensity variation is large.
(貫通転位密度の評価)
次に、実施例1において、十分な厚みかつ十分な面積の平坦領域を有する窒化ガリウムの単結晶膜が得られたことから、エッチピット法を用いて、貫通転位密度を評価した。なお、比較例1〜3は、窒化ガリウムの単結晶膜が数μm〜数十μm程度の島状形態であり、十分な面積の平坦領域が確保できないため、貫通転位密度の評価を行うことができなかった。
(Evaluation of threading dislocation density)
Next, in Example 1, since a single crystal film of gallium nitride having a flat region having a sufficient thickness and a sufficient area was obtained, the threading dislocation density was evaluated using an etch pit method. In Comparative Examples 1 to 3, the single crystal film of gallium nitride has an island shape of about several μm to several tens of μm, and a flat region having a sufficient area cannot be secured. Therefore, the threading dislocation density can be evaluated. could not.
具体的には、まず、窒化ガリウムの単結晶膜を形成した後の実施例1に係る半導体基板から約10mm角四方の試料を切り出した。次に、86質量%の水酸化カリウム溶液、及び90質量%の水酸化ナトリウム溶液を1:1(mol比率)で混合したエッチング液を作製し、Zr製るつぼに投入して、Zr製るつぼごと箱型オーブンで500℃に加熱した。 Specifically, first, a sample of about 10 mm square was cut out from the semiconductor substrate according to Example 1 after the gallium nitride single crystal film was formed. Next, an etching solution in which 86% by mass of potassium hydroxide solution and 90% by mass of sodium hydroxide solution are mixed at 1: 1 (mol ratio) is prepared, put into a Zr crucible, and the Zr crucible together. Heated to 500 ° C. in a box oven.
続いて、φ0.2mmのインコネルワイヤーを巻き付けた試料を吊り下げて500℃に加熱したエッチング液に1分間浸漬した。その後、試料をエッチング液から取り出し、室温下で3分間静置した。次に、38質量%の塩酸を純水で1:1の質量比率で希釈した希塩酸に試料を1分間浸漬した後、純水で試料を1分間洗浄して乾燥させた。 Subsequently, a sample around which a φ0.2 mm Inconel wire was wound was suspended and immersed in an etching solution heated to 500 ° C. for 1 minute. Thereafter, the sample was taken out from the etching solution and allowed to stand at room temperature for 3 minutes. Next, after immersing the sample in diluted hydrochloric acid obtained by diluting 38% by mass of hydrochloric acid with pure water at a mass ratio of 1: 1, the sample was washed with pure water for 1 minute and dried.
乾燥後の試料の窒化ガリウム単結晶の表面をAFM(Digital Instruments製Nano ScopeIIIa)にて観察した。その結果を図9に示す。図9は、実施例1に係る試料の観察エリア5μm×5μmにおけるAFM像である。 The surface of the gallium nitride single crystal of the sample after drying was observed with AFM (Nano Scope IIIa manufactured by Digital Instruments). The result is shown in FIG. FIG. 9 is an AFM image in the observation area 5 μm × 5 μm of the sample according to Example 1.
図9に示すように、AFM像の黒い影の部分がエッチング液の熱アルカリによって浸食された穴部であり、貫通転位がある場所に対応する。観察視野中の上記穴部の個数を計測することによって、窒化ガリウムの単結晶膜の単位面積当たりの貫通転位の密度を算出することができる。実施例1に係る試料では、貫通転位密度は、3×108個/cm2と見積もることができた。このレベルの貫通転位密度は、一般的な気相成長にて形成された窒化ガリウムの単結晶膜と同等の品質レベルである。 As shown in FIG. 9, the black shadow portion of the AFM image is a hole portion eroded by the hot alkali of the etching solution, and corresponds to a place where threading dislocations exist. By measuring the number of holes in the observation field, the density of threading dislocations per unit area of the gallium nitride single crystal film can be calculated. In the sample according to Example 1, the threading dislocation density was estimated to be 3 × 10 8 pieces / cm 2 . This level of threading dislocation density is a quality level equivalent to that of a single crystal film of gallium nitride formed by general vapor phase growth.
(結晶方位の分布評価)
続いて、実施例1において、SEMの電子線後方散乱回折(EBSD)法を用いて、結晶方位の分布を評価した。なお、比較例1〜3は、窒化ガリウムの単結晶膜が数μm〜数十μm程度の島状形態であり、十分な面積の平坦領域が確保できないため、結晶方位の分布の評価を行うことができなかった。
(Evaluation of crystal orientation distribution)
Subsequently, in Example 1, the distribution of crystal orientation was evaluated using the electron beam backscatter diffraction (EBSD) method of SEM. In Comparative Examples 1 to 3, the single crystal film of gallium nitride has an island shape of about several μm to several tens of μm, and a flat region having a sufficient area cannot be secured. I could not.
具体的には、実施例1に係る試料をSEM(JEOL製JSM−7100F)で観察しながら、電子線後方散乱回折(EBSD)法で解析することで、試料表面の結晶方位の分布、及び結晶粒の情報を得た。 Specifically, by observing the sample according to Example 1 with an SEM (JEOL JSM-7100F) and analyzing it with an electron backscatter diffraction (EBSD) method, the crystal orientation distribution on the sample surface and the crystal Grain information was obtained.
図10に実施例1に係る試料のSEM像を示す。SEM観察時の加速電圧は15kVとし、試料の傾斜角は70°で行った。試料の表面は研磨せず、窒化ガリウム単結晶の形成後のそのままの表面状態で観察したため、試料表面には、凹凸又は窪みが観察された。 FIG. 10 shows an SEM image of the sample according to Example 1. The acceleration voltage during SEM observation was 15 kV, and the sample was tilted at an angle of 70 °. Since the surface of the sample was not polished and was observed as it was after the gallium nitride single crystal was formed, irregularities or depressions were observed on the sample surface.
図11に実施例1に係る試料のEBSD法による解析結果をZ軸方向から見た逆極点図(Inverse Pole Figure Map:IPFマップ)を示す。IPFマップでは、結晶方位の方向を色分けで表しており、図11では、ほぼ全面が同じ色(001:c軸)であり、結晶が同じ方位に配向していることがわかる。図11において一部より暗い箇所は、カラー画像上では黒色で表されており、結晶相が同定できなかった箇所である。この箇所は、他の方向から見たIPFマップでも同じように黒色となっていため、表面の凹凸の影響でデータが欠落したものと推測される。 FIG. 11 shows an inverse pole figure (inverse pole figure map: IPF map) of the analysis result of the sample according to Example 1 as viewed from the Z-axis direction. In the IPF map, the direction of crystal orientation is represented by color, and in FIG. 11, it can be seen that almost the entire surface is the same color (001: c-axis) and the crystals are oriented in the same orientation. In FIG. 11, the darker part than the part is represented in black on the color image, and is a part where the crystal phase could not be identified. Since this portion is also black in the IPF map viewed from other directions, it is presumed that data has been lost due to the effect of surface irregularities.
図11に示すIPFマップでは、実施例1に係る試料では、異なる結晶方位に配向した領域、又は結晶粒界等が観測されなかった。したがって、ミクロな観点からも実施例1に係る半導体基板が備える窒化ガリウムの単結晶膜(半導体層)は、c軸方向に一様に配向した結晶薄膜であることが確認された。 In the IPF map shown in FIG. 11, in the sample according to Example 1, regions oriented in different crystal orientations or crystal grain boundaries were not observed. Therefore, from a microscopic viewpoint, it was confirmed that the single crystal film (semiconductor layer) of gallium nitride included in the semiconductor substrate according to Example 1 was a crystal thin film uniformly oriented in the c-axis direction.
(鉄原子の濃度分布の評価)
次に、SIMS(Secondary Ion Mass Spectrometry)を用いて、実施例1にて得られた窒化ガリウム結晶の鉄原子の濃度分布を測定した。具体的には、SIMSを用いて、実施例1にて得られた窒化ガリウム結晶の厚さ方向の各原子の濃度分布を測定した。なお、鉄原子(Fe)については、窒化ガリウム結晶の面内方向で異なる3カ所でそれぞれ測定した。
(Evaluation of iron atom concentration distribution)
Next, the concentration distribution of iron atoms in the gallium nitride crystal obtained in Example 1 was measured using SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometry). Specifically, the concentration distribution of each atom in the thickness direction of the gallium nitride crystal obtained in Example 1 was measured using SIMS. The iron atoms (Fe) were measured at three different points in the in-plane direction of the gallium nitride crystal.
実施例1にて得られた窒化ガリウム結晶のSIMS測定結果を図12に示す。なお、図12の横軸は、窒化ガリウム結晶の表面からの深さを示す。図12に示すように、実施例1にて得られた窒化ガリウム結晶では、鉄原子の濃度分布は、1.0×1016Atoms/cm3以上1.0×1022Atoms/cm3以下の範囲に収まっていることがわかる。 The SIMS measurement result of the gallium nitride crystal obtained in Example 1 is shown in FIG. Note that the horizontal axis of FIG. 12 indicates the depth from the surface of the gallium nitride crystal. As shown in FIG. 12, in the gallium nitride crystal obtained in Example 1, the concentration distribution of iron atoms is 1.0 × 10 16 atoms / cm 3 or more and 1.0 × 10 22 atoms / cm 3 or less. You can see that it is within the range.
また、実施例1にて得られた窒化ガリウム結晶では、鉄原子の濃度分布は、サファイア基板との界面領域、及び窒化ガリウム結晶の表面領域の濃度の方が、界面領域及び表面領域の間の中間領域の濃度よりも高いバスタブ形状を有していることがわかる。具体的には、サファイア基板との界面領域の鉄原子の濃度の最高値は、中間領域での鉄原子の濃度の最低値の10倍以上となっており、窒化ガリウム結晶の表面領域での鉄原子の濃度の最高値は、中間領域での鉄原子の濃度の最低値の10倍以上となっていることがわかる。 In the gallium nitride crystal obtained in Example 1, the concentration distribution of iron atoms is such that the concentration of the interface region with the sapphire substrate and the concentration of the surface region of the gallium nitride crystal are between the interface region and the surface region. It can be seen that it has a bathtub shape higher than the density of the intermediate region. Specifically, the maximum value of the concentration of iron atoms in the interface region with the sapphire substrate is 10 times or more the minimum value of the concentration of iron atoms in the intermediate region, and iron in the surface region of the gallium nitride crystal. It can be seen that the maximum value of the concentration of atoms is 10 times or more the minimum value of the concentration of iron atoms in the intermediate region.
さらに、実施例1にて得られた窒化ガリウム結晶では、窒化ガリウム結晶の厚さ方向において、中間領域の鉄原子の濃度が略同じとなっていることがわかる。具体的には、窒化ガリウム結晶の厚さ方向において、任意の2点の中間領域の鉄原子の濃度差は、任意の2点のいずれか一方の鉄原子の濃度の50%以下となっていることがわかる。したがって、実施例1によれば、中間領域に均一に鉄原子がドープされた窒化ガリウム結晶が製造されていることがわかる。 Furthermore, in the gallium nitride crystal obtained in Example 1, it can be seen that the concentration of iron atoms in the intermediate region is substantially the same in the thickness direction of the gallium nitride crystal. Specifically, in the thickness direction of the gallium nitride crystal, the concentration difference of iron atoms in any two intermediate regions is 50% or less of the concentration of any one of the two iron atoms. I understand that. Therefore, according to Example 1, it turns out that the gallium nitride crystal by which the iron atom was uniformly doped by the intermediate region was manufactured.
また、実施例1にて得られた窒化ガリウム結晶では、窒化ガリウム結晶の面内方向に異なる3カ所で測定された鉄原子の濃度分布は、略同一となっている。具体的には、窒化ガリウム結晶の面内方向において、任意の2点の中間領域の鉄原子の濃度差は、任意の2点のいずれか一方の鉄原子の濃度の50%以下となっていることがわかる。したがって、実施例1によれば、面内方向に鉄原子の濃度が極めて均一な窒化ガリウム結晶が製造されていることがわかる。 In the gallium nitride crystal obtained in Example 1, the concentration distribution of iron atoms measured at three different points in the in-plane direction of the gallium nitride crystal is substantially the same. Specifically, in the in-plane direction of the gallium nitride crystal, the concentration difference of iron atoms in any two intermediate regions is 50% or less of the concentration of any one of the two iron atoms. I understand that. Therefore, according to Example 1, it can be seen that a gallium nitride crystal in which the concentration of iron atoms is extremely uniform in the in-plane direction is manufactured.
一方、気相成長によってサファイア基板上に形成した窒化ガリウム結晶(オステンド社製の市販品)のSIMS測定結果を図13に示す。なお、図13の横軸は、窒化ガリウム結晶の表面からの深さを示す。 On the other hand, FIG. 13 shows the SIMS measurement results of a gallium nitride crystal (commercially available from Ostend) formed on a sapphire substrate by vapor phase growth. Note that the horizontal axis of FIG. 13 indicates the depth from the surface of the gallium nitride crystal.
図13に示すように、気相成長によって形成した窒化ガリウム結晶では、鉄原子の濃度の測定値は、検出限界の5×1014Atoms/cm3近傍を示しており、実質的に鉄原子がドープされていないことがわかる。したがって、気相成長によって形成した窒化ガリウム結晶に鉄原子をドープする場合は、上述したように熱拡散法又はイオン打ち込み法を用いることになるため、鉄原子をドープした後の窒化ガリウム結晶に結晶欠陥を生じさせてしまうことがわかる。 As shown in FIG. 13, in the gallium nitride crystal formed by vapor phase growth, the measured value of the concentration of iron atoms shows the vicinity of 5 × 10 14 atoms / cm 3 , which is the detection limit. It turns out that it is not doped. Therefore, when doping iron atoms into a gallium nitride crystal formed by vapor phase growth, the thermal diffusion method or ion implantation method is used as described above, so the gallium nitride crystal after doping with iron atoms is crystallized. It turns out that it produces a defect.
以上にて説明したように、本実施形態によれば、液相法を用いてサファイア基板の上に形成した窒化ガリウムについて、より結晶性に優れ、十分な厚みを有し、結晶性の面内分布も良好な単結晶膜を得ることが可能である。 As described above, according to the present embodiment, the gallium nitride formed on the sapphire substrate by using the liquid phase method has better crystallinity, sufficient thickness, and in-plane crystallinity. A single crystal film with good distribution can be obtained.
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例又は修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。 The preferred embodiments of the present invention have been described in detail above with reference to the accompanying drawings, but the present invention is not limited to such examples. It is obvious that a person having ordinary knowledge in the technical field to which the present invention belongs can come up with various changes or modifications within the scope of the technical idea described in the claims. Of course, it is understood that these also belong to the technical scope of the present invention.
1 半導体基板
10 半導体層
11 中間層
20 サファイア基板
100 反応装置
110 原料融液
111 反応容器
112 架台
113 電気炉
114 ヒーター
120 保持具
122 引き上げ軸
123 シール材
124、125 梁部
126、127 支柱部
128 棚板
131 ガス導入口
132 ガス排出口
140 基板
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Semiconductor substrate 10 Semiconductor layer 11 Intermediate layer 20 Sapphire substrate 100 Reactor 110 Raw material melt 111 Reaction vessel 112 Mount 113 Electric furnace 114 Heater 120 Holder 122 Lifting shaft 123 Sealing material 124, 125 Beam part 126, 127 Post part 128 Shelf Plate 131 Gas inlet 132 Gas outlet 140 Substrate
Claims (16)
結晶方向がランダムな窒化ガリウムで構成され、前記サファイア基板の上に設けられた中間層と、
窒化ガリウム単結晶で構成され、前記中間層の上に少なくとも1層以上設けられた半導体層と、
を備える、半導体基板。 A sapphire substrate,
The crystal direction is composed of random gallium nitride, an intermediate layer provided on the sapphire substrate,
A semiconductor layer made of gallium nitride single crystal and provided on the intermediate layer at least one layer;
A semiconductor substrate comprising:
前記窒化ガリウムの厚さ方向における前記鉄原子の濃度分布は、1.0×1016Atoms/cm3以上1.0×1022Atoms/cm3以下の範囲に含まれる、請求項1〜4のいずれか一項に記載の半導体基板。 The gallium nitride constituting the intermediate layer and the semiconductor layer contains iron atoms,
The concentration distribution of the iron atoms in the thickness direction of the gallium nitride are included in the scope of 1.0 × 10 16 Atoms / cm 3 or more 1.0 × 10 22 Atoms / cm 3 or less, of claims 1 to 4 The semiconductor substrate as described in any one.
前記表面領域は、前記窒化ガリウムの表面から前記窒化ガリウムの厚さ方向に1μm以内の領域である、請求項6〜10のいずれか一項に記載の半導体基板。 The interface region is a region within 2 μm in the thickness direction of the gallium nitride from the interface with the sapphire substrate,
11. The semiconductor substrate according to claim 6, wherein the surface region is a region within 1 μm from a surface of the gallium nitride in a thickness direction of the gallium nitride.
金属ガリウム及び窒化鉄を、窒素雰囲気下で少なくとも前記窒化鉄と前記金属ガリウムとが反応する反応温度まで加熱するステップと、
前記金属ガリウム及び前記窒化鉄を前記反応温度まで加熱した後、前記金属ガリウム及び前記窒化鉄を前記反応温度の範囲内の温度に20時間以上保持するステップと、
を含み、
加熱された前記金属ガリウム及び前記窒化鉄の中には、前記サファイア基板が設けられ、
前記窒化鉄は、一窒化四鉄、一窒化三鉄又は一窒化二鉄のいずれか1つ以上を含み、
前記反応温度は、700℃超1000℃以下である、窒化ガリウム単結晶の製造方法。
It is a manufacturing method of the gallium nitride single crystal with which the semiconductor substrate as described in any one of Claims 1-11 is equipped, or the gallium nitride single crystal as described in any one of Claims 12-15,
Heating the metal gallium and iron nitride to a reaction temperature at which the iron nitride and the metal gallium react at least in a nitrogen atmosphere;
Holding the metal gallium and the iron nitride to the reaction temperature and then holding the metal gallium and the iron nitride at a temperature within the reaction temperature range for 20 hours or more;
Including
In the heated metal gallium and the iron nitride, the sapphire substrate is provided,
The iron nitride includes one or more of tetrairon mononitride, triiron mononitride, or diiron mononitride,
The method for producing a gallium nitride single crystal, wherein the reaction temperature is higher than 700 ° C. and lower than 1000 ° C.
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