JP2000133841A - 半導体装置および半導体発光デバイスの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 単結晶ＬＥＤ材料にて構成されるＬＥＤは単
結晶基板を必要とするため大面積化が難しい。 【解決手段】 多結晶すなわち実質的に単結晶でないか
アモルファスである基板２２上に多結晶III族窒化物層
２８を成膜し、半導体層状構造２０を構成する。基板２
２は石英やシリカガラス、またIII族窒化物層２８はＧ
ａＮやそれとＡｌＮ、ＩｎＮとの合金を用いて構成する
ことができる。基板２２とIII族窒化物層２８との間に
は、湿層２４、バッファ層２６を設けることができる。
これにより、多結晶である基板２２に対するガリウムの
膠着係数が低いことを補償することができ、III族窒化
物層２８が基板２２に良好に被着される。湿層２４は例
えばＡｌＮまたはＧａＮ等の適切なIII族窒化物のサブ
単層であり、その上に形成されるIII族窒化物半導体の
晶子の核形成の作用を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体発光デバイ
スに関し、特に、多結晶ＧａＮを含む半導体発光デバイ
スに関する。

【０００２】

【従来の技術】III族窒化物は、周期表のIII族に含まれ
る元素、つまりＡｌ，Ｇａ，Ｉｎを含む。これらの物質
を基板上に被着させ、オプトエレクトロニックデバイス
の層状構造を形成する。このデバイスは、広範囲の波長
で可視光を発光できる。ＧａＮや、ＩｎＮ，ＡｌＮとの
ＧａＮ合金を可視光発光デバイスに用いて、高発光効率
を達成できる。これらの物質の結晶ヘテロ構造物は、通
常、気相成長法によって単結晶基板上にエピタキシャル
状に被着される。例えば、既存の赤色発光素子と、青色
および緑色発光のＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ発光ダイオー
ド（ＬＥＤ）とを組み合わせて、屋外用フルカラーディ
スプレイを作成できる。

【０００３】三原色（赤色、緑色、青色）全てを発光で
きるＬＥＤが生産されている。これらのデバイスは、大
面積ディスプレイ用に使用できる潜在的な有用性があ
る。２色以上の色を混合することで、そのようなディス
プレイにおいて中間色を作り出すことが潜在的に可能で
ある。

【０００４】単結晶III族窒化物ＬＥＤは高発光効率を
有するが欠陥密度が高い。また、これらの材料は、〜１
０¹⁰ｃｍ^-2の転位密度を有することがあり得る。こうし
た広範な欠点は明らかに、これらの材料で作られたデバ
イス内でのキャリアの流れや再結合に影響していない。
転位や積層欠陥等の広範な（つまり、一次元および二次
元の）格子欠陥は通常、半導体物質のオプトエレクトロ
ニック特性を帯びるという周知の悪影響を考えると、こ
の非敏感性は注目に値する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】単結晶ＬＥＤ材料を用
いて構成された周知のＬＥＤをフルカラーディスプレイ
に使用するという潜在的な可能性は、これらの物質を単
結晶基板上に被着しなくてはならないが故に制限され
る。サファイアおよびシリコンカーバイト等の周知の単
結晶基板は、制限された面積を有する場合のみ形成され
てきた。したがって、そのような単結晶基板上に単結晶
物質を被着させて形成することができるディスプレイの
大きさも、非常に制限された。さらに、III族窒化物半
導体構成物を被着するための単結晶基板を形成するのに
適した材料の種類は限られている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、多結晶III族
窒化物半導体材料を提供する。本発明は更に、発光ダイ
オード（ＬＥＤ）と、多結晶III族窒化物層を有するそ
の他の発光デバイスとを提供する。

【０００７】多結晶III族窒化物材料は、ＧａＮ及び、
ＡｌＮ、ＩｎＮ等の他のIII族窒化物とのＧａＮ合金を
含む。これらの材料を可視発光デバイスに用いて、効率
的発光を行うことができる。

【０００８】本発明に係る半導体構成の一例は、多結晶
すなわち実質的に単結晶でないかアモルファス（非晶
質）である基板と、その基板上に形成された少なくとも
一層の多結晶III族窒化物層とを含む。

【０００９】この多結晶III族窒化物層は、この基板上
に直接形成できる。この多結晶III族窒化物層を形成す
るために、初めに非晶質III族窒化物材料をこの基板上
に被着し、次に、この非晶質層を固相結晶化する。この
非晶質III族窒化物層は、低温成膜法によって基板上に
形成される。

【００１０】あるいは、多結晶III族窒化物層を形成す
る前に一層以上の下地層を形成し、その上に多結晶III
族窒化物層を被着することもできる。この場合、上述の
ように最初に非晶質材料を被着するのではなく、III族
窒化物層を直接、多結晶層として被着する。最初に湿(w
etting)（核形成）層を基板に被着すると、その後基板
上に形成される層の被着を促進できる。次に、湿層また
はバッファ層等の下地層上に多結晶III族窒化物層を形
成できる。

【００１１】本発明に係る発光デバイスは、多結晶すな
わち実質的に単結晶でないかアモルファスである基板
と、この基板上に形成されたＰ型およびＮ型の多結晶II
I族窒化物層とを有する。

【００１２】本発明に係る発光デバイスは、適切な多結
晶III族窒化物の活性層を更に有する。この活性層は、
Ｐ型およびＮ型多結晶III族窒化物層の間に被着するこ
とができ、電気キャリアの再結合を向上する。

【００１３】キャリア閉込め(carrier confinement)を
向上するために、発光デバイスは、活性層上に形成され
た一層以上の閉込層を有する。閉込層は、III族窒化物
を含むことができる。

【００１４】上述のように、最初に多結晶のＰ型および
Ｎ型のIII族窒化物層と、活性層とを非晶質層として形
成し、次に、これらを固相結晶化することで多結晶物質
を形成できる。非晶質層を低温被着すれば、ＩｎＧａＮ
活性層内のインジウム含有量を増大できる。これによ
り、この活性層は、より長い波長で可視光を発光でき
る。

【００１５】あるいは、III族窒化物層を高温で成膜さ
れた多結晶層として基板上に形成することもできる。実
施の形態では、最初に湿層を基板上に形成し、より高い
温度でのガリウム窒化物の基板に対する膠着性を向上で
きる。

【００１６】このＬＥＤを大面積カラーディスプレイに
用いることができる。このディスプレイはモノクロディ
スプレイであっても、多色ディスプレイであっても良
い。このディスプレイは、基板と、その基板上に形成さ
れたピクセルアレイとを有する。この基板は、多結晶す
なわち実質的に単結晶でないかアモルファスであり、単
結晶基板と比べて、比較的大面積に形成することができ
る。この基板上に被着された多結晶III族窒化物層は、
構造的柔軟性を向上できる。各ピクセルそれぞれが、こ
の基板上に形成された本発明に係る発光デバイスを構成
する。この発光デバイスは、紫色光または近紫外光、あ
るいは選択された色の可視光を発光できる。

【００１７】本発明に係る多色ディスプレイにおいて、
各ピクセルは選択された色を発光できる。このピクセル
は、赤色、緑色、または青色の蛍光体を有する。この蛍
光体は、発光デバイス上方または基板の反対側の表面上
に形成できる。このディスプレイは、ｎ電極（アドレス
電極）と、個別にアドレス指定が可能な複数のｐ電極
（制御電極）とを有し、これらの電極は発光デバイス上
方に形成される。各蛍光体は発光デバイスから発光され
た光を吸収して状態遷移し、選択された波長で再発光す
る。これにより、このピクセルは三原色の異なる色を発
光でき、大面積フルカラーディスプレイが提供できる。

【００１８】本発明は、さらに、上記の半導体構成物、
発光デバイス、およびディスプレイの形成方法を提供す
る。

【００１９】

【発明の実施の形態】図１は、本発明に係る半導体構造
１０の一例を示す。この半導体構造は、基板１２と、こ
の基板１２上に形成されたIII族窒化物層１４とを含
む。本発明の一態様によれば、基板１２は、多結晶すな
わち実質的に単結晶でないかアモルファスである。例え
ば、基板１２は、石英またはシリカガラス等を含むこと
ができる。これらの材料は、単結晶層状構造をエピタキ
シャル的に被着させるための基板として用いられるサフ
ァイヤやシリコンカーバイド等の周知の単結晶基板材料
よりも、大きな面積の基板を提供できる。

【００２０】III族窒化物層１４は多結晶であり、Ｇａ
Ｎおよび、ＧａＮとＡｌＮやＩｎＮとの三元または四元
合金を含むこともできる。例えば、III族窒化物はＩｎ_x
Ｇａ_1-xＮであってもよい。このような合金によれば、
ｘの値、つまりＩｎの含有量に応じて発光の波長を変化
させることができ、それにより全可視スペクトラムをカ
バーすることができる。

【００２１】III族窒化物層１４は基板１２上にアモル
ファス層として被着され得る。次に、このアモルファス
層を適切なエネルギー源によって処理して結晶化し、多
結晶のIII族窒化物層１４を形成する。この多結晶層
は、結晶質ＧａＮや、その合金等の結晶III族窒化構成
物によって得られる発光効率に匹敵する発光効率を達成
できる。

【００２２】アモルファスのIII族窒化物層１４は適切
な被着処理によって基板１２上に形成され得る。例え
ば、アモルファスIII族窒化物層は、ＭＯＣＶＤ（有機
金属化学堆積）によって基板上に被着できる。ＭＯＣＶ
Ｄは通常、エピタキシャル単結晶層を成長させるために
使用される。他の周知の被着方法、またはIII族窒化物
層を比較的広い基板面積に被着できる、今後開発される
被着方法を用いることもできる。

【００２３】アモルファスIII族窒化物層は、比較的低
い基板温度において高被着率で形成することもできる。
例えば、ＭＯＣＶＤを用いて、約５００〜６００℃の基
板温度で石英基板上にアモルファスＧａＮを成長させる
ことができる。

【００２４】アモルファスＧａＮ（または、以下で述べ
る多結晶ＧａＮ）を形成するための適切な材料ガスソー
スは、３基のメチルを有するガリウム（Ｇａ（Ｃ
Ｈ₃）₃）およびアンモニア（ＮＨ₃）を含む。三元合金
は、適切な材料ガスソースを添加して形成できる。例え
ば、ＩｎＧａＮは、３基のメチルを有するインジウムを
添加することにより成長させることができる。

【００２５】低成長温度によってアモルファスIII族窒
化物層を形成すれば、三元合金層に含有される、いくつ
かの元素の量を増大できる。例えば、ＧａＮはＩｎＮと
共に合金になり、ＩｎＧａＮ三元合金のバンドギャップ
を広げて赤色にする。これにより、全可視スペクトラム
を効果的にカバーできる。しかし、単結晶物質において
は、十分に高いインジウム含有率を有するＩｎＧａＮを
従来の被着技術で形成することは困難である。これは混
和性の問題に因る。つまり、これらの層において、Ｉｎ
が豊富な領域と、Ｇａが豊富な領域とが分離してしまう
のである。ＩｎＧａＮを低温被着すると、インジウム含
有量を増大できる。これによって、可視スペクトラムの
増補領域(extended region)をカバーする合金を生成す
る。さらに、低温被着によって、ＩｎＮの高蒸気圧に関
連する問題を軽減する。

【００２６】基板上に形成されたアモルファスIII族窒
化物層は、レーザ結晶化によって固相結晶化される。例
えば、アモルファスＧａＮは、エキシマレーザ等の適切
なレーザを用いて結晶化できる。レーザフルエンスおよ
びレーザビームをアモルファス層に適用する回数を変更
して、アモルファスIII族窒化物を十分に結晶化でき
る。

【００２７】図２は、本発明に係る半導体層状構造２０
の他の例を示す。この層状構造２０では、基板上にIII
族窒化物層が多結晶層として形成される。この時、最初
にアモルファス層を形成することはしない。これらの多
結晶層は、上記のアモルファス層を形成する際に使用す
る温度より高い基板温度で形成できる。

【００２８】分子ビームエピタキシーによってシリカガ
ラス基板上に多結晶ＧａＮが被着されることが実証され
ている。

【００２９】図２に示すように、多結晶III族窒化物に
よって基板をより良くカバーするために、一層以上の中
間層（図２において層２４，２６）を基板２２とIII族
窒化物層２８との間に形成することが好ましい。これら
中間層には湿層２４が含まれていてもよい。この湿層２
４は、表面および界面でのエネルギー準位機構の作用に
より被着性（wetting）を増すものである。例えば、石
英およびその他の適切な多結晶つまり実質的に非晶質ま
たはアモルファスである基板に対するガリウムの膠着係
数が低いことを補償するために、予めＡｌＮまたはＧａ
Ｎ等の適切なIII族窒化物の薄膜をこれらの基板上に被
着できる。この薄膜は、せいぜい原子一個分の厚みを有
し、基板の一部のみをカバーするように被着できる。つ
まり、この薄膜はサブ単層である。あるいは、この湿層
２４によって基板表面２２のほぼ全面をカバーすること
もできる。このようにカバーした湿層２４は、核形成膜
として作用し、基板を、その上に形成されるIII族窒化
物層によって均一にカバーできるようにする。

【００３０】薄膜２４に加えて、一層以上のバッファ層
２６を湿層２４上に被着することもできる。このバッフ
ァ層２６は、ＡｌＮ，ＧａＮ，ＩｎＧａＮ，ＡｌＧａＮ
等のIII族窒化物によって形成される。例えば、アモル
ファスＧａＮの薄いバッファ層２６を湿層２４上に被着
できる。アモルファスバッファ層は低温で被着できる。
その後、多結晶ＧａＮの被着に先だって行われる加熱ス
テップ中にて、このアモルファス物質の固相結晶化が行
われる。例えば、アモルファス物質は、デポジットチャ
ンバ内の温度を約１０５０℃に上昇させることで結晶化
できる。ＮＨ₃−Ｈ₂雰囲気等の適切な環境下で、再結晶
化を行うことができる。このバッファ層は通常、約１０
０〜５００Å以上の厚みを有する。

【００３１】本発明に係る半導体構造物の実施の形態の
中には、バッファ層２６を形成しない形態もある。バッ
ファ層は通常、半導体構造物に被着して、基板と、この
基板上にその後形成される層との間の格子整合を向上さ
せる。しかし本発明では、基板と被着層との間の格子整
合は、単結晶基板と薄膜とを有する半導体構成物におけ
る程には重要な考慮事項ではない。このバッファ層によ
って、被着層による基板のカバレッジを向上できる。し
たがって、これらのバッファ層を、この目的あるいは他
の周知の目的のために使用できる。

【００３２】図１および図２に示す半導体層状構造１
０，２０を多様な発光デバイスに用いることができる。
以下で詳述するように、この半導体層状構成物を発光ダ
イオードやカラーディスプレイ等に用いることができ
る。当業者も、こうした他の適用が可能であることが分
かるであろう。

【００３３】図３は、本発明に係る発光ダイオード（Ｌ
ＥＤ）３０の一例を示す。ＬＥＤ３０は基板３２を有す
る。この基板３２は、多結晶すなわち実質的に単結晶で
ないかアモルファスである。この基板３２上に薄い湿層
３４を成長させる。この湿層３４は、上述のように、Ａ
ｌＮ等の適切なIII族窒化物を含むことができる。この
湿層３４上にバッファ層３６を形成する。このバッファ
層３６は、上述のように、ＧａＮやＡｌＮ等の任意の適
切なIII族窒化物質を含むことができる。バッファ層３
６をアモルファス層として形成した後、より高い温度で
固相結晶化して多結晶層を形成できる。

【００３４】湿層３４およびバッファ層３６を基板上に
形成した後、少なくとも一層のｎ型（またはｐ型）III
族窒化物層３８をバッファ層３６上に成長させる。例え
ば、III族窒化物層３８は、ｎ型III族窒化物層３８を被
着する間に適切なドーパントを添加して形成されたｎ型
ＧａＮであってもよい。ＧａＮに添加する適切なｎ型ド
ーパントは、Ｓｉ等を含む。

【００３５】ｎ型III族窒化物層３８上方で活性層４０
を成長させる。この活性層４０によって電子−正孔再結
合効率を高める。活性層４０は、所望の波長で可視光を
生成するように設計されたＩｎＧａＮ等の合金を含む。
例えば、この合金は所望の波長で青色光を生成するよう
に設計されたＩｎ_0.3Ｇａ_0.7Ｎの組成を有しても良い。
ＩｎおよびＧａの比率を調節して活性層４０の組成を変
更し、活性層４０のバンドギャップを変更できる。これ
により、ＬＥＤ３０が発光する光の波長を変化させる。
活性層４０の厚みを十分に小さくすると、量子力学的閉
込効果を重視できる。このように薄い活性層４０は量子
井戸として周知である。通常、活性層４０は約１０−１
００Åの厚みを有する。

【００３６】ＩｎＧａＮ活性層４０のインジウム含有量
を増大するためには、活性層４０を０．５−１００μｍ
厚のＩｎＧａＮ層上に被着する。このアプローチによっ
て、高インジウム含有の活性領域におけるＩｎＧａＮ合
金分離を軽減でき、ＬＥＤ３０によるスペクトル発光の
単色性を向上する。

【００３７】ＺｎＧｅＮ₂活性層は、ＧａＮ等のIII族窒
化物層の間に形成することもできる。ＺｎＧｅＮ₂は、
約２．７ｅＶのバンドギャップを有する。一方、ＧａＮ
は約３．４ｅＶのバンドギャップを有する。

【００３８】キャリア閉込層（図示せず）を、活性層４
０の上方およびあるいはまたは下方に形成して、電気キ
ャリア閉込を向上することができる。このキャリア閉込
層は、ＡｌＧａＮの合金等のIII族−V窒化物を含むこと
ができる。

【００３９】ｐ型III族窒化物層４２を、活性層４０上
（または、キャリア閉込層が活性層４０上に形成された
ＬＥＤの実施の形態においては、そのキャリア閉込層
上）に形成する。ｐ型III族窒化物層が活性層４０下に
形成されたＬＥＤ３０の場合、ｎ型III族窒化物層は、
活性層４０（または、キャリア閉込層）の上に形成され
る。ｐ型III族窒化物層４２を形成するための適切なｐ
型ドーパントは、マグネシウム等を含む。

【００４０】本発明に係る発光ダイオードは、ｎ型III
族窒化物層３８を基板上に直接適用して形成してもよ
い。この時、ｎ型III族窒化物層３８と基板との間に湿
層３４およびあるいはまたはバッファ層３６は形成しな
い。この場合、ｎ型III族窒化物層３８は、活性層４０
およびｐ型III族窒化物層４２と同様、低温でアモルフ
ァス層として形成し、その後、ｎ型およびｐ型III族窒
化物層３８、４２および活性層４０に対してエネルギー
を作用させて固相結晶化させることもできる。例えば、
ｎ型およびｐ型III族窒化物層３８、４２および活性層
４０は、上述のようにレーザ結晶化できる。上述のよう
に、低温被着によって、活性層４０の、インジウム等の
合金となる元素の含有率を高めることができる。

【００４１】ＬＥＤ３０等の本発明に係る発光デバイス
を大面積ディスプレイに用いることができる。これは、
多結晶すなわち実質的に単結晶でないかアモルファスで
ある基板を、本発明に係る発光デバイスに用いることに
より実現できる。上述のように、こうした基板は単結晶
基板より大面積にすることができ、したがって、この発
光デバイスを有する大面積ディスプレイを製作できる。

【００４２】本発明に係る発光デバイスを、大面積モノ
クロディスプレイに用いることができる。モノクロディ
スプレイは、本発明に係る発光デバイスの構造と、これ
に含まれる特定の活性層とに応じて選択された色の光を
発光できる。

【００４３】本発明に係る発光デバイスは、広域多色お
よびフルカラーディスプレイにも使用できる。図４は、
本発明に係るフルカラーディスプレイ５０の一例を示
す。このディスプレイ５０は、石英またはシリカガラス
基板等の多結晶すなわち実質的に単結晶でないかアモル
ファスである基板５２を有することができる。基板５２
上に多結晶発光デバイス５４のアレイを形成する。本発
明に係る発光デバイス５４は、例えば、上述のＬＥＤ３
０であってもよく、当業者には周知である従来のフォト
リソグラフィによって形成することができる。この発光
デバイス５４は、選択された波長の光を発光できる。例
えば、発光デバイス５４は、紫色光または近紫外光を発
光できる。ディスプレイ５０は、各々選択された色を発
光できるピクセルを組み合わせる。図４から図６に示す
ように、多様な蛍光物質６０，６２，６４を発光デバイ
ス５４上に配置できる。これらの蛍光物質６０，６２，
６４は、発光デバイス５４から発光された波長の光エネ
ルギーを吸収し、選択された波長や色の光を発光し得る
ように選択される。例えば、ディスプレイ５０が全色発
光できるように、蛍光物質６０，６２，６４はそれぞれ
赤色、緑色、青色の光を発光するように励起される。

【００４４】各ピクセルは、発光デバイス５４に加え
て、個別にアドレス指定が可能な制御電極５６を有す
る。各電極５６は蛍光物質６０，６２，６４の一つに対
応づけられる。最終コンタクトは、コモン電極５８であ
ってもよい。

【００４５】図５は、本発明に係るディスプレイ７０の
他の例を示す。このディスプレイ７０は、基板７２と、
この基板上に形成された本発明に係る発光デバイス７４
のアレイとを有する。この実施の形態において、発光デ
バイス７４は、青色光を直接発光する。三原色全部を生
成するために、ディスプレイ７０は更に、青色光を吸収
し、赤色および緑色光をそれぞれ再発光する蛍光体８０
および８２を有する。したがって、ディスプレイ７０
は、赤色、緑色、青色の光を発光できる。図示したよう
に、各ピクセルは、個別にアドレス指定が可能な制御電
極７６を有する。このディスプレイ７０は更に、コモン
電極７８も有する。

【００４６】図６は、本発明に係るディスプレイ９０の
他の例を示す。このディスプレイ９０は、基板９２と、
この基板９２上に形成された発光デバイス９４のアレイ
とを有する。発光デバイス５４と同様、発光デバイス９
４は、紫色光と、近紫外光とを発光する。基板９２は透
明である。ディスプレイ９０は、ディスプレイ５０とは
対照的に、基板９２の底面１０６に形成された３個の蛍
光物質１００，１０２，１０４を有する。蛍光物質１０
０，１０２，１０４はそれぞれ、赤色、緑色、青色を発
光できる。各ピクセルは発光デバイス９４上に形成され
た個別にアドレス指定が可能な制御電極９６を更に有す
る。ディスプレイ９０はコモン電極９８も有する。

【００４７】本発明に係るカラーディスプレイは、モノ
クロディスプレイであってもよい。このようなディスプ
レイは、青色等の選択された色の光を発光する発光デバ
イスアレイを有することができる。あるいは、この発光
デバイスは、紫色光または近紫外光を発光でき、各発光
色（赤色、緑色または青色）は各発光デバイスに関連す
ることができる。

【００４８】このディスプレイは、二色の選択された色
を発光するように構成することができる。例えば、この
発光デバイスが、第一の色を発光し、蛍光体が第二の色
を発光することができる。

【００４９】図７は、本発明に係るアクティブマトリク
スカラーディスプレイにおける各ピクセルに対する回路
を概略的に示す。このピクセルは、本発明に係る発光デ
バイス１１０を有する。

【００５０】本発明に係る発光デバイスの形成方法の一
例では、石英基板上にアモルファスＧａＮ層をＭＯＣＶ
Ｄによって約５５０℃の温度で被着する。次に、エキシ
マレーザを用いて、このアモルファス層を固相結晶化す
る。結晶化においては、１４２ｍＪ／ｃｍ²のレーザフ
ルエンスを有するシングルパルスを用いる。

【００５１】図８および図９は、それぞれ、上記の方法
で形成されたアモルファスＧａＮと、レーザ結晶化され
た多結晶ＧａＮのＸ線回折スペクトラム（２Θ／Θスキ
ャン）を示す。図９では、多結晶ＧａＮ物質の２回のピ
ークが示されている。これらのピークは、ＧａＮ（００
２）、ＧａＮ（００４）として区別される。

【００５２】これらの実験結果より、エキシマレーザを
用いてアモルファスＧａＮを結晶化して、多結晶ＧａＮ
を形成できることが分かる。

【００５３】本発明に係る発光デバイスの形成方法の他
の例では、多結晶ＧａＮを１０５０℃の高温で成長させ
て、石英上に直接被着する。石英上での多結晶ＧａＮ膜
の成膜は、最初に石英基板上にＡｌＮ核形成膜を形成す
ることを含む一連の被着工程の後に行われる。ＡｌＮ核
形成層を形成することで、石英上のガリウム窒化物の膠
着係数が低いことを補償する。ＡｌＮ核形成層を薄いサ
ブ単層膜として基板の一部に適用した後に、この核形成
層上に薄いアモルファスＧａＮバッファ層を約５５０℃
で被着する。このアモルファスＧａＮバッファ層の厚み
は約３００Åである。このＧａＮバッファ層は、Ｎ
Ｈ₃：Ｈ₂雰囲気中で温度を約１０５０℃に上昇させるこ
とで固相結晶化する。その後、結晶化されたＧａＮバッ
ファ層上に多結晶ＧａＮを厚く被着して、層状の半導体
構造を形成する。

【００５４】多結晶ＧａＮ構造の構造特性は、レーザ結
晶化された物質の構造特性と非常に類似する。さらに、
この構造は、サファイア上で成長させたエピタキシャル
ＧａＮ膜に匹敵するフォトルミネセンスを示す。

【００５５】本発明に係る発光デバイスの形成方法の別
の実施の形態では、多結晶ＧａＮデバイス構造を、上述
の方法と同様の方法を用いて形成する。特に、ＡｌＮ核
形成層と、ＧａＮバッファ層とを最初に石英基板上で成
長させ、次にｐ型およびｎ型層をＧａＮバッファ層上に
形成することで、ＬＥＤ構造を形成する。特に、ＧａＮ
バッファ層上にＳｉドープｎ型ＧａＮ層を約１０５０℃
で成長させる。薄いＩｎ_0.3Ｇａ_0.7Ｎ（推定組成）シン
グル量子井戸活性層を、ｎ型ＧａＮ層上で成長させる。
ｎ型ＧａＮ層は約４μｍ厚であり、Ｉｎ_0.3Ｇａ_0.7Ｎは
約３０Å厚である。最後に、約０．２μｍ厚のＭｇドー
プｐ型ＧａＮ層をＩｎ_0.3Ｇａ_0.7Ｎ層上に形成する。

【００５６】図１０は、多結晶ＧａＮ ＬＥＤ構造にお
ける発光強度を波長の関数として示すグラフである。図
示したように、このＬＥＤは青色光を発光する。

【００５７】同時に、単結晶ＬＥＤの比較サンプルをｃ
配向サファイア基板上で成長させ、構造および性能特性
について、多結晶構造と比較する。

【００５８】これらの物質を用いて、Ｔｉ／Ａｕ ｐコ
ンタクト金属を蒸着し、当該金属膜を１ｍｍセンタにて
〜５００μｍドットにパターニングし、周囲の物質をア
ルゴンイオンミリングして、ＬＥＤを形成する。エッチ
ングの深さは約１μｍであり、これにより下に形成され
たｎ型物質を露出させる。この深さは、サファイア基板
上で成長させたエピタキシャルＬＥＤにおいて一般的な
深さである。ＬＥＤ動作では、金属プロープチップをｎ
型ＧａＮ層表面に接触させて、ｎ型コンタクトを形成す
る。

【００５９】単結晶サファイア基板上で成長させた単結
晶ＬＥＤ物質が通常、鏡のような表面を有することとは
異なり、石英基板上で成長させた多結晶物質の表面は非
常にザラザラしている。この不規則な表面のため、ｐｎ
接合部は、イオンミリングによって均一に削除されない
こともあった。さらに、この表面形態のために、ｐ型Ｇ
ａＮ／金属接触の性質が曖昧になった。これは、ｐ型Ｇ
ａＮが比較的薄く、各結晶を完全にカバーしないことが
あるためである。

【００６０】この表面を走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で見
ると、結晶は全般的に数ミクロン、つまりフィルム厚と
同じ程度の大きさであることが分かる。さらに、フラッ
トトップの六角形断面結晶が存在することは、ｃ配向成
長の傾向があることを示唆する。この好適な配向がある
ことは、図１１のＸ線回折スペクトラムに、ランダム配
向の多結晶列が有すると思われる強度に比べて強い（０
０２）反射が示されていることからも、同様に明らかで
ある。

【００６１】下記の表１は、回折強度の測定値を、完全
にランダムな多結晶（Joint Committee on Powder Diff
raction Standards（JCPDS）（1976））の対応の値と比
較したものである。それぞれの場合、回折強度Ｉは（１
０１）反射の強度Ｉ₍₁₀₁₎を用いて正規化される。この
理由は、Ｉ₍₁₀₁₎が晶子のランダムアセンブリ状態から
得られる最強の反射であると思われるからである。表１
から、（００２）反射が特に顕著であり、これは、石英
基板上で成長させたIII族窒化物膜が好適なｃ配向を有
することを示す。また、（００４）反射も比較的強い。
測定されたスペクトラム中に存在しない非対称反射もあ
る。

【００６２】

【表１】 多結晶の配向は完全にランダムではないが、この構造は
それでも非常に不規則的である。例えば、多くの自然成
長面は、ＩｎＧａＮ量子井戸（ＱＷ）が成長する間、露
出されている。成長率および合金組成は、層を成長させ
る際に基板となる平面による影響を受けるため、多結晶
に対する量子井戸パラメータは、単結晶ＬＥＤに対する
分布よりも広くなると考えることが自然である。このよ
うな量子井戸厚範囲および組成を呈する場合、ＬＥＤ発
光におけるスペクトル単色性は低くなるはずである。こ
れは、図１２から明らかである。図１２は、同じ成長進
行状態の単結晶ＬＥＤ（サファイア基板）を通って収集
された発光と、多結晶ＬＥＤ（石英基板）を通って収集
された発光との比較を示す。両スペクトラムとも〜４３
０ｎｍでピークに達する一方、多結晶ＬＥＤのスペクト
ラル幅は、単結晶ＬＥＤの二倍近くになる。

【００６３】多結晶デバイスについて検出された発光
は、単結晶ＬＥＤに比べて約１００倍弱かった。多結晶
ＬＥＤからのエレクトロルミネセンスは比較的弱いが、
いくつかの要因のために２種類のＬＥＤの発光効率を有
意義に比較することが阻害されている。つまり、コンタ
クト構成が最適化されていないこと、および、多結晶Ｌ
ＥＤにおいて電流パスが完全に規定されていないことに
よって、多結晶ＬＥＤが低効率となると思われる。例え
ば、単結晶ＬＥＤにおいて接合パスは、光がｐコンタク
トの下からのみ発光されるように充分に制限されてい
る。これに対して、多結晶からの発光パターンは、より
複雑であり、明るい発光スポットが二つのコンタクトの
間の領域に多く観察される。このような分布では、ファ
イバーカップルスペクトルメータによって発光を効率よ
く収集できないので、図１２に示すように、発光効率が
低く示されてしまう。

【００６４】しかし、多結晶物質で構成されたＬＥＤで
は、このように発光パターンが分散することはそれほど
珍しくない。多結晶膜中に存在する粒子境界の数が多い
ので、供給された電流が接合部を横切ってＩｎＧａＮ量
子井戸に供給されるためには、複雑なパスを横切って晶
子を通過せざるを得ない。この結果、顕微鏡で見ると、
この発光は２個のコンタクトの間およびその周辺部に多
くの小さく明るいスポットを有することになる。これ
は、ダイオード電流によって呈された侵出パス(percola
tion path)に相当する。さらに、このように単純な構成
では、金属コンタクトの機能も疑わしい。これは、ｎ型
コンタクトがＴｉ／Ａｕドットの一つになろうが、プロ
ーブ先端が腐食領域に直接接触しようが、ＬＥＤ動作が
観察されるためである。

【００６５】コンタクト間に発光スポットが見られるこ
と、および腐食表面に配置されたｎコンタクトと、成長
表面に配置されたｎコンタクトとの間に顕著な差異が見
られないことから、腐食ステップは、全晶子においてｐ
ｎ接合部を完全に貫通しているわけではないことが明白
である。

【００６６】より洗練されたエッチングを行って接合部
をより均一に除去したり、およびあるいはまたは物質を
更に型抜きして電流接合パスを規定する等、デバイス構
造をより最適化することで、これらの多結晶デバイスか
らのルミネセンス効率を向上できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る層状半導体構造の一例の断面を
示す模式図である。

【図２】 本発明に係る層状半導体構造の別の例の断面
を示す模式図である。

【図３】 本発明に係る発光デバイスの一例の断面を示
す模式図である。

【図４】 本発明に係る多色ディスプレイの一例の断面
構造を示す模式図である。

【図５】 本発明に係る多色ディスプレイの他の例の断
面構造を示す模式図である。

【図６】 本発明に係る多色ディスプレイの他の例の断
面構造を示す模式図である。

【図７】 図４，５，６に示すフルカラーディスプレイ
のアクティブマトリクスアレイにおける一個のピクセル
の回路の一例を示す概略図である。

【図８】 石英基板上に被着したアモルファスＧａＮの
Ｘ線回折スペクトラム（２Θ／Θスキャン）を示すグラ
フである。

【図９】 本発明に係る石英基板上に被着したレーザ結
晶化された、ＧａＮ（００２）および（００４）ピーク
を含むＧａＮのＸ線回折スペクトラムを示すグラフであ
る。

【図１０】 本発明に係る多結晶ＧａＮ構造を含む発光
デバイスの発光強度の波長依存性を示すグラフである。

【図１１】 本発明に係る石英基板上で成長させた多結
晶ＩｎＧａＮ発光デバイスのＸ線回折スペクトラムを示
すグラフである。

【図１２】 ｃ面サファイア基板上にエピタキシャル的
に成長させた単結晶ＬＥＤ用および、本発明に係る石英
基板上に被着させた多結晶発光デバイス用のＩｎＧａＮ
発光デバイスの発光スペクトラルを示すグラフである。

【符号の説明】

１０ 半導体構造、２０ 半導体層状構造、１２，２
２，３２，５２，７２，９２ 基板、１４，２８，３８
III族窒化物層、２４，３４ 湿層、２６，３６ バ
ッファ層、３０ ＬＥＤ、３８ ｎ型III族窒化物層、
４０ 活性層、４２ ｐ型III族窒化物層、５０ フル
カラーディスプレイ、５４ 多結晶発光デバイス、５
６，７６，９６ 制御電極、５８，７８，９８ コモン
電極、６０，６２，６４ 蛍光物質、７０、９０ ディ
スプレイ、７４，９４，１１０ 発光デバイス、８０，
８２ 蛍光体。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 デイビッド ピー ブアー アメリカ合衆国 カリフォルニア州 クパ ーティノ ベル エア コート 11092 (72)発明者 ピン メイ アメリカ合衆国 カリフォルニア州 パロ アルト ウッィキー ウェイ 4276 ＃ ディー

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 多結晶すなわち実質的に単結晶でないか
   アモルファスである基板と、 前記基板上に形成された少なくとも一層の多結晶III族
   窒化物層と、 前記基板と、前記少なくとも一層の多結晶III族窒化物
   層との間に形成されたIII族窒化物湿層と、 を有することを特徴とする半導体装置。
2. 【請求項２】 多結晶すなわち実質的に単結晶でないか
   アモルファスである基板を形成するステップと、 前記基板上に、少なくとも一層の多結晶III族窒化物層
   を形成するステップと、 を含むことを特徴とする半導体発光デバイスの製造方
   法。