CN101952984B - 半导体基板、半导体元件、发光元件以及电子元件 - Google Patents

半导体基板、半导体元件、发光元件以及电子元件 Download PDF

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Abstract

一种半导体基板、半导体元件、发光元件以及电子元件，价格低、寿命长、发光效率高且能够弯曲。由于包括具有耐热性和对于外力的可挠性的石墨基板以及设于该石墨基板上且由13族元素氮化物构成的第一半导体层，因此，在石墨基板上形成第一半导体层时，能够使用脉冲溅射沉积法等方法，所以能够廉价地制造。另外，由于13族元素氮化物是无机物，因此寿命长，能够得到高发光效率。而且，由于石墨基板具有对于外力的可挠性，因此能够弯曲。

Description

半导体基板、半导体元件、发光元件以及电子元件
技术领域
本发明涉及一种半导体基板、半导体元件、发光元件以及电子元件。
背景技术
目前，利用13族元素氮化物即AlN、GaN、InN及其混晶相的PN结的氮化物系LED被广泛地实用化。已知：由于氮化物类LED为无机物且材料的键能高，所以寿命长、内部发光效率(内部量子效率)高达90％。这些氮化物类LED大多在蓝宝石、碳化硅等高价单晶基板上使用量产性低的有机金属化学气相沉积法(MOCVD法)而量产。由此，作为面光源使用，价格高，一直专门作为点光源来使用。
另一方面，作为面光源，已知有机EL元件(例如，参考专利文献1)。由于有机EL元件能够使用价格低的塑料基板、玻璃基板作为起始材料，因此能够降低元件的价格，能够用作面光源。并且，也希望用作能够弯曲的发光元件或用于照明。
专利文献1：日本特开2008-21480号公报。
但是，由于构成有机EL的发光层为有机物，因此，存在耐热性差、寿命短的问题。并且，发光效率也比氮化物类LED低。
发明内容
鉴于以上情况，本发明的目的在于，提供一种价格低、寿命长、发光效率高且能够弯曲的半导体基板、半导体元件、发光元件以及电子元件。
为了达成上述目的，本发明的半导体基板的特征在于，具有：具有耐热性和对于外力的可挠性的石墨基板和设于所述石墨基板上且由13族元素氮化物构成的第一半导体层。
根据本发明，由于包括具有耐热性和对于外力的可挠性的石墨基板和设于所述石墨基板上且由13族元素氮化物构成的第一半导体层，因此，在石墨基板上形成第一半导体层时，能够使用脉冲溅射沉积法(パルススパツタ堆積法)等方法，能够廉价地制造。另外，由于13族元素氮化物是无机物，因此寿命长、能够得到高发光效率。而且，由于石墨基板具有对于外力的可挠性，因此能够弯曲。由此，能够得到价格低、寿命长、发光效率高且能够弯曲的半导体基板。
所述半导体基板的特征在于，所述石墨基板含有烧结的聚合物(ポリマ一)。
根据本发明，由于石墨基板含有烧结的聚合物，因此耐热性高，能够因外力而容易弯曲。由于能够在高温下进行处理，因此，能够进行脉冲溅射沉积法、有机金属化学气相沉积法、分子束外延生长法等高温下的处理。
所述半导体基板的特征在于，所述石墨基板的厚度在100μm以下。
根据本发明，由于石墨基板的厚度在100μm以下，因此对于外力具有极其优良的可挠性。
所述半导体基板的特征在于，进一步具有设于所述石墨基板与所述第一半导体层之间且至少含有HfN(氮化铪)及ZrN(氮化锆)中的任一个的第二半导体层。
已知：HfN及ZrN具有高的光反射率。根据本发明，由于在石墨基板与第一半导体层之间进一步具有至少含有HfN及ZrN中的任一个的第二半导体层，因此能够通过该第二半导体层反射光。由此，在将第一半导体层作为发光层使用时，能够提高来自该发光层的光的利用率。
所述半导体基板的特征在于，进一步具有设于所述石墨基板与所述第一半导体层之间且含有AlN(氮化铝)的第三半导体层。
根据本发明，由于在石墨基板与第一半导体层之间进一步具有含有AlN的第三半导体层，因此能够使第一半导体层的晶粒大小(グレインサイズ)增大。由此，能够提高第一半导体层的电学特性，特别是，在将第一半导体层作为发光层使用时，也能够提高第一半导体层的光学特性。
本发明的半导体元件的特征在于，具有所述半导体基板。
根据本发明，能够得到具有价格低、寿命长、发光效率高且能够弯曲的半导体基板的半导体元件，该半导体元件能够利用于比现在更广泛的领域。
本发明的发光元件的特征在于，具有所述半导体元件。
根据本发明，能够廉价地得到柔软且可面发光的寿命长的元件。
本发明的电子元件的特征在于，具有所述半导体元件。
根据本发明，能够廉价地得到柔软且电学特性好的元件。
根据本发明，能够得到价格低、寿命长、发光效率高且能够弯曲的半导体基板、半导体元件、发光元件以及电子元件。
附图说明
图1是表示本发明实施方式的半导体基板结构的图。
图2是表示ZrN的光反射率的曲线图。
图3是表示ZrN的光反射率与反射波长的对应关系的图。
图4是表示本实施方式的溅射装置结构的图。
图5是本发明第一实施例的散热片的XRD测定曲线图。
图6(a)及(b)是本发明第一实施例的散热片表面的SEM像。
图7是本发明第二实施例的石墨层及AlN层的XRD测定曲线图。
图8是本发明第二实施例的AlN层的EBSD测定图。
图9是本发明第二实施例的AlN层的EBSD极点图。
图10是本发明第二实施例的石墨层及GaN层的XRD测定曲线图。
图11是本发明第二实施例的GaN层表面的SEM像。
图12是本发明第二实施例的GaN层的EBSD测定图。
图13(a)及(b)是本发明第二实施例的GaN层的EBSD极点图。
图14是表示本发明第二实施例的GaN层在室温下的PL测定结果的曲线图。
图15是表示现有的GaN层在室温下的PL测定结果的曲线图。
图16是本发明第三实施例的HfN层表面的SEM像。
图17是本发明第三实施例的石墨层及HfN层的XRD测定曲线图。
图18是本发明第三实施例的GaN层表面的SEM像。
图19是本发明第三实施例的GaN层的EBSD极点图。
附图标记说明
1 半导体基板；2 散热片；3 缓冲层；4 半导体薄膜；10 溅射装置；11 腔；12 基板电极；13 靶电极；13a 靶；14 直流电源；15 控制部；16 氮供给源；17 加热装置。
具体实施方式
图1是表示本实施方式的半导体基板1的结构的图。
如图1所示，半导体基板1构成为在散热片2上设有缓冲层3，在该缓冲层3上层叠有半导体层4。该半导体基板1搭载于发光元件、电子元件等。
散热层2例如由将聚恶二唑(ポリオキサジアゾ一ル)等聚合物在约3000℃左右烧结而制成的石墨膜构成。该石墨膜在膜面内方向上具有约1700W/(m·K)左右的导热率，该导热率是Cu的4倍左右。另外，由于耐热性高，因此在高温下也能够进行处理。进一步，在膜面内方向上具有5×10-5S/cm左右的高导电率。
由于该石墨膜薄至具有25～100μm左右的厚度，因此具有对于外力的可挠性。因此能够弯曲。石墨层2能够实现50cm2以上的大面积化。
缓冲层3是例如由氮化锆(ZrN(111))构成的层，介于散热片2与半导体层4之间。图2是表示氮化锆的光反射率的曲线图。曲线图的横轴表示波长，曲线图的纵轴表示光反射率。图3是表示氮化锆的光反射率与该光的波长的对应关系的表格。
如图2及图3所示，在氮化锆中蓝色光的波长范围即470nm的光反射率为65.6％。由此，在由氮化锆构成的缓冲层3中，当照射蓝色光时，能够反射大致65％以上的光。
半导体层4是例如由13族元素氮化物半导体构成的半导体层。作为13族元素氮化物，例如列举GaN(氮化镓)、AlN(氮化铝)、InN(氮化铟)等，由通式InXGaYN1-X-Y来表示(0≤X≤1，0≤Y≤1，0≤X+Y≤1)来表示。
图4是表示所述半导体层4及缓冲层3的制造装置即溅射装置的结构的图。
如图4所示，溅射装置10是以腔11、基板电极12、靶电极13、直流电源14、电源控制部15、氮供给源16、加热装置17为主体而构成的。
腔11被设置为能够对外界密闭。腔11内的压力能够利用未图示的真空泵等进行减压。
基板电极12配置于腔11内，能够保持所述散热片2。
靶电极13在腔11内与基板电极12面对而设置，能够保持靶13a。靶13a例如由Zr(锆)或其合金构成。
直流电源14分别与基板电极12及靶电极13电连接，是向基板电极12与靶电极13之间施加直流电压的电源。
控制部15连接于直流电源14，进行关于直流电源14动作时机的控制。利用控制部15能够向基板电极12与靶电极13之间施加脉冲电压。
氮供给源16例如通过供给管等连接于腔11内，向腔11内供给氮气。虽然未图示，但除了氮供给源16之外，还设有向腔11内供给氩气的氩气供给源。
加热装置17例如固定于基板电极12，能够调节基板电源12上的散热片2周围的温度。
下面，对使用所述溅射装置10来制造本实施方式的半导体基板1的工序进行说明。在本实施方式中，列举说明向基板与靶之间施加脉冲直流电压的PSD法(脉冲溅射沉积法)。特别是在本实施方式中，由于在可大面积化的散热片2上形成半导体薄膜，因此进行PSD法的意义重大。
首先，向腔11内供给氩气，从氮供给源16向腔11内供给氮气。在利用氩气及氮气使腔11内达到规定的压力后，将散热片2保持于基板电极12，将靶13a设置在靶电极13上。
在将散热片2及靶13a配置之后，通过加热装置17调节散热片2周围的温度。在调节散热片2周围的温度之后，向基板电极12与靶电极13之间施加直流脉冲电压。
在施加脉冲电压期间，利用氩气产生等离子，并冲撞靶13a。构成靶13a的Zr原子获得该冲撞能量而被释放至腔11内。该具有高能量的Zr原子被供给至散热片2上。在散热片2的表面，腔11内的氮成为氮自由基(窒素ラジカル)。
具有高能量的Zr原子被大量供给至散热片2上，散热片2的表面处于富含金属的状态。在富含金属的状态下，散热片2上的Zr原子迁移至稳定的晶格位置。迁移至稳定的晶格位置的Zr原子与腔11内的活化的氮自由基发生反应生成金属氮化物(ZrN)晶体。在向基板电源12与靶电极13之间每次施加直流脉冲电压时，都会沉积晶体结构稳定的ZrN。
其后，在所形成的缓冲层3上，通过同样的方法形成半导体层4。这样，就完成了图1所示的半导体基板1。
根据本实施方式，在由能够在高温下进行处理的石墨膜构成的散热片2上形成半导体层4时，由于能够使用脉冲溅射沉积法等方法，因此能够廉价地制造。另外，由于13族元素氮化物是无机物，因此寿命长，能够得到高发光效率。另外，由于散热片2具有对于外力的可挠性，因此能够弯曲。由此，能够得到价格低、寿命长、发光效率高且能够弯曲的半导体基板。
本发明的技术范围并非限定于所述实施方式，在不脱离本发明意图的范围内能够加以适当变更。
例如，在所述实施方式中，散热片2作为本发明的“具有耐热性和对于外力的可挠性的石墨基板”的一例，由将聚恶二唑等聚合物在约3000℃左右烧结而制成的石墨膜构成，但是，并非限定于此。例如，只要是基板的一面为石墨结构，并且在除石墨外的基板上层叠石墨层而构成的具有耐热性和对于外力的可挠性的基板即可。另外，只要是耐热温度能够在600℃以上，优选在1200℃以上，更优选在2000℃以上，并且向基板的两端施加外力时弯曲角度能够在120°以下，优选在90°以下，更优选在60°以下的石墨基板即可。另外，本发明的“具有耐热性和对于外力的可挠性的石墨基板”特别优选为，具有通过将聚合物热分解而石墨化的方法制成的接近单晶的结构，并且具有高导热性和对于外力的可挠性等特点而作为导热片来使用的石墨膜。
另外，在所述实施方式中，使用脉冲溅射法形成缓冲层3及半导体层4，但并非限定于此，例如，也可采用包含PLD法(脉冲激光溅射沉积法)、PED法(脉冲电子束沉积法)在内的PXD法(脉冲激励沉积法)、有机金属生长法、分子束外延生长法等其他薄膜形成方法。
另外，在所述实施方式中，作为一例，在散热片2上形成由ZrN(111)构成的缓冲层3，但并非限定于此，例如也可以形成由HfN(111)构成的缓冲层3。另外，也可以不形成缓冲层3而在散热片2上直接生长半导体层4，还可以层叠半导体层4(例如GaN层/AlN层/石墨等)。
第一实施例
下面，对本发明的第一实施例进行说明。在本实施例中，对所述实施方式中使用的散热片2，进行了XRD测定以及电子显微镜(SEM)的观察。
图5是表示对所述实施方式中说明的散热片2进行XRD测定的结果的曲线图。
如图5所示，构成散热片2的石墨对(002)及(004)显示出强烈的取向，可以说是优质单晶。
图6(a)及图6(b)是所述实施方式中说明的散热片2表面的电子显微镜照片。图6(b)是将图6(a)的晶粒中的一个放大拍摄的照片。
如图6(a)所示，石墨的晶粒大小在10μm以上，可知其结晶度高。如图6(b)所示，表面未见凹凸，可知其平坦。
从图5及图6的结果来看，由于使用聚合物烧结石墨作为散热片2的材料，因此，作为半导体薄膜的晶体生长的基底基板具有优良的特性。
第二实施例
在本实施例中，通过所述实施方式的方法(脉冲溅射法)在散热片2上形成AlN层，进一步在该AlN层上形成GaN层。在AlN生长时，温度加热到1000～1200℃左右，加热时间为30～60min左右。在GaN生长时，温度加热到650～750℃左右，加热时间为60～120min左右。
对于如此制作出的半导体基板(GaN/AlN/石墨)，利用反射高能电子衍射(RHEED)、X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、电子背散射衍射(EBSD)、光致发光(PL)的评价法来进行评价。
图7是表示石墨层及AlN层的XRD测定结果的曲线图。
如图7所示，石墨层沿(002)方向生长，AlN层沿(0002)方向生长，可见AlN层显示出c轴取向性。
图8是AlN层的EBSD测定图。
如图8所示，在AlN层上形成有很多晶粒大小在1μm以上的晶体。
图9是AlN层一部分的{10-12}EBSD极点图。
如图9所示，在正六边形的顶点上可见明确的图案。从中可知AlN层的良好的结晶度。
图10是表示石墨层及GaN层的XRD测定结果的曲线图。
如图10所示，GaN层与AlN层同样，沿(0002)方向生长，可见其显示出c轴取向性。
图11是GaN层表面的SEM像。
如图11所示，GaN层的表面未见特别大的凹凸，可知其形成比较平坦的表面。
图12是GaN层的EBSD测定图。
如图12所示，在GaN层上形成有很多晶粒大小在1μm以上的晶体。
图13是GaN层的EBSD极点图。图13(a)是GaN层一部分的{10-12}EBSD极点图。图13(b)是GaN层其他部分的{10-12}EBSD极点图。
如图13(a)及图13(b)所示，在正六边形的顶点上可见明确的图案。从中可知，各个晶粒都有高结晶度。
图14是表示GaN层在室温下的PL测定结果的曲线图。图15是表示现有的用MOCVD来制作的GaN层在室温下的PL测定结果的曲线图。在两图中，纵轴为PL强度，横轴为发光能量。
如图14所示，通过本实施例得到的GaN层在发光能量为3.4eV附近可以确认很强的峰值。经测定，该峰值的半幅值为63meV。如图15所示，现有的GaN基板在发光能量为3.4eV附近可以确认很强的峰值。经测定，该峰值的半幅值为66meV。将图14与图15的结果进行比较便知，通过本实施例得到的GaN层的发光特性与现有的GaN基板的发光特性相比相等或在其以上。
第三实施例
在本实施例中，通过所述实施方式的方法(脉冲溅射法)在散热片2上形成HfN层，进一步在该HfN层上形成GaN层。在HfN生长时，温度加热到1000～1200℃左右，加热时间为30～60min左右。在GaN生长时，温度加热到650～750℃左右，加热时间为60～120min左右。
对于如此制作出的半导体基板(GaN/HfN/石墨)，利用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、电子背散射衍射(EBSD)的评价法来进行评价。
图16是HfN层表面的SEM像。
如图16所示，HfN层的表面未见特别大的凹凸，可知其形成比较平坦的表面。
图17是表示石墨层及HfN层的XRD测定结果的曲线图。
如图17所示，石墨层沿(002)方向生长，HfN层沿(111)方向生长。从该结果可知，HfN层的结晶度良好，在石墨基片上能够生长具有高(111)取向性的HfN薄膜。
图18是GaN层表面的SEM像。
如图18所示，GaN层的表面未见特别大的凹凸，可知其形成比较平坦的表面。
图19是GaN层的其他部分的{10-12}EBSD极点图。
如图19所示，在正六边形的顶点上可见明确的图案。从中可知，各个晶粒都有高结晶度。
并且可知，通过使用HfN层，在石墨基片上能够生长优质的GaN薄膜。
本申请基于2008年2月21日在日本申请的特愿2008-039672号要求优先权，这里引用其内容。

Claims (6)

1.一种半导体基板，其特征在于，具有：
石墨基板，其具有耐热性和对于外力的可挠性；和
第一半导体层，其设于所述石墨基板上且由13族元素氮化物构成，
所述石墨基板含有烧结的聚合物，
所述石墨基板的厚度在100μm以下。
2.根据权利要求1所述的半导体基板，其特征在于，进一步具有设于所述石墨基板与所述第一半导体层之间且至少含有HfN和ZrN中任一个的第二半导体层。
3.根据权利要求1或2所述的半导体基板，其特征在于，进一步具有设于所述石墨基板与所述第一半导体层之间且含有AlN的第三半导体层。
4.一种半导体元件，其特征在于，具有权利要求1至3中任一项所述的半导体基板。
5.一种发光元件，其特征在于，具有权利要求4所述的半导体元件。
6.一种电子元件，其特征在于，具有权利要求4所述的半导体元件。
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