JP2004083359A

JP2004083359A - エピタキシャル基板及び半導体積層構造

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Publication number: JP2004083359A
Application number: JP2002249059A
Authority: JP
Inventors: Tomohiko Shibata; 柴田　智彦; Masahiro Sakai; 坂井　正宏; Mitsuhiro Tanaka; 田中　光浩; Osamu Oda; 小田　　修
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2002-08-28
Filing date: 2002-08-28
Publication date: 2004-03-18
Anticipated expiration: 2022-08-28
Also published as: JP4794799B2

Abstract

【課題】低転位で結晶性に優れた窒化物膜、特にはＡｌ含有窒化物膜を形成することのできる、新規なエピタキシャル基板及びこれを用いた半導体積層構造を提供する。
【解決手段】厚さが６００μｍ以上の基材上に、転位密度が１×１０^１１／ｃｍ^２以下であり、（００２）面におけるＸ線ロッキングカーブ半値幅が２００秒以下であり、少なくともＡｌを含むＩＩＩ族窒化物層を形成してエピタキシャル基板を作製する。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、エピタキシャル基板及び半導体積層構造にに関し、詳しくは、フォトニックデバイス及び電子デバイスなどの半導体素子、並びにフィールドエミッタなどの素子を構成する基板として好適に用いることのできるエピタキシャル基板、及び半導体積層構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】ＩＩＩ族窒化物膜は、フォトニックデバイス及び電子デバイスなどの半導体素子を構成する半導体膜として用いられており、近年においては、携帯電話などに用いられる高速ＩＣチップなどを構成する半導体膜としても注目を浴びている。また、特にＡｌを含むＩＩＩ族窒化物膜は、フィールドエミッタへの応用材料として注目されている。
【０００３】このようなＩＩＩ族窒化物膜を形成する基板として、サファイア単結晶などからなる所定の基材上にエピタキシャル成長により形成した下地層を具える、いわゆるエピタキシャル基板がある。前記下地層は、特にＡｌを含有したＩＩＩ族窒化物膜のエピタキシャル成長を容易にすべく、Ａｌを含有したＩＩＩ族窒化物から構成することが好ましい。さらに、Ａｌ含有窒化物は大きなバンドギャップを有するため、このようなバンドギャップの大きな材料からなる下地層をＩＩＩ族窒化物膜と基材との間に挿入することにより、半導体素子などの効率を向上させることもできる。
【０００４】そして、上記エピタキシャル基板を反応管内に設けられたサセプタ上に設置した後、前記サセプタ内外の加熱機構によって所定の温度に加熱する。次いで、ＩＩＩ族金属供給原料及び窒素供給原料、並びに必要に応じて他の元素の供給原料をキャリアガスとともに前記反応管内に導入するとともに、前記エピタキシャル基板上に供給し、ＭＯＣＶＤ法にしたがってＩＩＩ族窒化物膜を形成する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述したエピタキシャル基板においては、基材と下地層との格子定数差に起因してミスフィット転位が発生してしまい、このミスフィット転位が貫通転位として前記下地層中を貫通し、その表面、すなわちエピタキシャル基板の表面に到達してしまう。このため、前記下地層上、すなわち前記エピタキシャル基板上に形成されるＩＩＩ族窒化物膜にも、前記ミスフィット転位に起因した多量の転位が生成されてしまう。
【０００６】同様の現象は、基材上にＡｌ含有ＩＩＩ族窒化物からなる下地層を形成する場合のみならず、Ｇａ含有及びその他のＩＩＩ族窒化物からなる下地層を形成する場合においても観察された。この結果、これらのＩＩＩ族窒化物膜から、例えば半導体発光素子などを構成した場合においては、その発光効率が劣化していまい、所望の特性を有する半導体発光素子を得ることができないでいた。
【０００７】本発明は、低転位で結晶性に優れた窒化物膜、特にはＡｌ含有窒化物膜を形成することのできる、新規なエピタキシャル基板及びこれを用いた半導体積層構造を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成すべく、本発明は、
厚さが６００μｍ以上の基材と、この基材上において形成された、転位密度が１×１０^１１／ｃｍ^２以下であり、（００２）面におけるＸ線ロッキングカーブ半値幅が２００秒以下であり、少なくともＡｌを含むＩＩＩ族窒化物層とを具えることを特徴とする、エピタキシャル基板に関する。
【０００９】また、本発明は、厚さが６００μｍ以上の基材と、この基材上において形成された、転位密度が１×１０^１１／ｃｍ^２以下であり、（００２）面におけるＸ線ロッキングカーブ半値幅が２００秒以下であり、少なくともＡｌを含むＩＩＩ族窒化物下地層と、このＩＩＩ族窒化物下地層上に形成された、ＩＩＩ族窒化物層群とを具えることを特徴とする、半導体積層構造に関する。
【００１０】本発明者らは、サファイア単結晶などからなる基材上に、低転位密度かつ高結晶性の、Ａｌ含有ＩＩＩ族窒化物膜を形成すべく、長年研究を行なっている。従来においては、エピタキシャル基板を構成する下地層は、基材と前記エピタキシャル基板上に形成すべきＩＩＩ族窒化物膜などのＩＩＩ族窒化物層群との格子定数差を補完してミスフィット転位の発生を抑制すべき、低結晶性かつ多量の転位を含有する低結晶品質のＩＩＩ族窒化物から構成するのが常識であると考えられていた。この結果、目的とするＩＩＩ族窒化物層群の、前記ミスフィット転位に起因した転位密度を低減することはできるものの、前記下地層の低結晶品質に起因して、前記ＩＩＩ族窒化物層群中の転位密度を十分に低減することができないとともに、結晶性も劣化してしまっていた。
【００１１】これに対して、本発明者らは、前記下地層をＡｌを比較的多量に含むＩＩＩ族窒化物から構成した場合は、前記下地層の結晶性を向上させ、転位密度を低減させて結晶品質を向上させた場合においても、前記基材と前記ＩＩＩ族窒化物層群との格子定数差が補完され、ミスフィット転位の発生が抑制されることを見出した。そして、前記下地層の高結晶品質に起因して、前記ＩＩＩ族窒化物層群の結晶品質をも向上させることができ、転位密度のさらなる低減を実現できるとともに、結晶性の向上をも実現できることを見出したものである。
【００１２】一方、上述した高結晶品質のＡｌ含有ＩＩＩ族窒化物下地層を用いた場合においても、使用する基材の種類によっては前記下地層上、すなわちエピタキシャル基板上に形成するＩＩＩ族窒化物膜などのＩＩＩ族窒化物層群の結晶品質を十分に向上させることができない場合があった。そこで、本発明者らはさらなる鋭意検討を実施したところ、前記エピタキシャル基板を構成する前記基材の厚さが、前記ＩＩＩ族窒化物層群の結晶品質に影響を及ぼしていることを見出し、前記基材の厚さを所定の値以上に設定することによって、前記ＩＩＩ族窒化物層群の結晶品質を向上できることを見出したものである。
【００１３】エピタキシャル基板を構成する基材の厚さがＩＩＩ族窒化物層群の結晶品質に影響を及ぼす原因は明確ではないが、前記基材の厚さに依存した応力変化に起因するものと推察される。
【００１４】したがって、本発明によれば、エピタキシャル基板を構成する基材の種類によらず、前記エピタキシャル基板上に形成するＩＩＩ族窒化物層群の結晶品質を向上させることができる。そして、このようなＩＩＩ族窒化物層群を含む半導体素子及びデバイスの特性を向上させることができる。
【００１５】なお、本発明の半導体積層構造における「ＩＩＩ族窒化物層群」は、作製すべき半導体素子の種類などに応じて、単層のＩＩＩ族窒化物層から構成することもできるし、複数のＩＩＩ族窒化物層が積層されてなる多層膜構造として構成することもできる。さらには、複数のＩＩＩ族窒化物層が交互に周期的に積層されてなる周期的多層膜構造として構成することもできる。
【００１６】
【発明の実施の形態】以下、本発明を、発明の実施の形態に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明のエピタキシャル基板を用いて形成した半導体発光素子の一例を示す構成図である。図１に示す半導体発光素子３０は、基材１と、この基材１上に順次に形成された、下地層２と、ｎ型導電層３と、発光層４と、ｐ型クラッド層５と、ｐ型導電層６とを具えている。そして、ｎ型導電層３の一部はは露出しており、この露出したｎ型導電層３上には、例えばＡｌ／Ｔｉからなるｎ型電極８が形成され、ｐ型導電層６上には例えばＡｕ／Ｎｉからなるｐ型電極９が形成されて、いわゆるＰＩＮ型の半導体発光素子を構成している。なお、ｐ型クラッド層５は必要に応じて省略することもできる。
【００１７】図１において、基材１及び下地層２がエピタキシャル基板１０を構成し、ｎ型導電層３からｐ型導電層６までがＩＩＩ族窒化物層群２０を構成する。
【００１８】基材１の厚さは本発明に従って６００μｍ以上の厚さであることが必要であり、さらには８００μｍ、特には１０００μｍであることが好ましい。これによって、エピタキシャル基板１０を構成する基材１の種類に依存することなく、ＩＩＩ族窒化物層群２０の結晶品質を向上させることができる。
【００１９】なお、基材１の厚さの上限は特には限定されないが、現状では３０００μｍ程度である。基材１の厚さを前記値を超えて大きくした場合においても、本発明の効果を得ることができない。さらに、このような厚さの基材１の入手が困難になるとともに費用がかさむため、エピタキシャル基板１０、しいては半導体発光素子３０全体の製造コストが増大してしまう。
【００２０】基材１は、サファイア単結晶、ＺｎＯ単結晶、ＬｉＡｌＯ_２単結晶、ＬｉＧａＯ_２単結晶、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４単結晶、ＭｇＯ単結晶などの酸化物単結晶、Ｓｉ単結晶、ＳｉＣ単結晶などのＩＶ族あるいはＩＶ−ＩＶ族単結晶、ＧａＡｓ単結晶、ＡｌＮ単結晶、ＧａＮ単結晶、及びＡｌＧａＮ単結晶などのＩＩＩ−Ｖ族単結晶、Ｚｒ_２Ｂなどのホウ化物単結晶などの、公知の基板材料から構成することができる。特にサファイア単結晶から基材１を構成した場合において、本発明の効果をより効果的に発揮することができるようになる。
【００２１】下地層２中の転位密度は１×１０^１１／ｃｍ^２以下であることが必要であり、さらには５×１０^１１／ｃｍ^２以下、特には１×１０^１０／ｃｍ^２以下であることが好ましい。また、下地層２の（００２）面におけるＸ線ロッキングカーブ半値幅は２００秒以下であることが必要であり、さらには１５０秒以下、特には１００秒以下であることが好ましい。上述したように、下地層２が高い結晶品質を有することによって、下地層２上、すなわちエピタキシャル基板１０上に形成するｎ型導電層３からｐ型導電層６までの結晶品質を向上させることができる。そして、例えば、半導体発光素子３０の発光効率などのデバイス特性を向上させることができる。さらに、副次的な効果として、基板の反りを低減することができ、デバイス歩留まりの向上も期待することができる。
【００２２】また、上述したように、下地層２はＡｌ含有ＩＩＩ族窒化物から構成することが必要である。また、前記窒化物中におけるＡｌ含有量は全ＩＩＩ族元素に対して５０原子％以上であることが好ましく、さらには下地層２をＡｌＮ（全ＩＩＩ族元素に対して１００原子％）から構成することが好ましい。これによって、基材１の格子定数差を補完しながら、下地層２の結晶品質を向上させることができ、この結果、ｎ型導電層３〜ｐ型送電層６までのＩＩＩ族窒化物層群２０の結晶品質を向上させることができる。
【００２３】また、下地層２の表面粗さＲａは２Å以下であることが好ましい。本測定は、ＡＦＭを用いて５μｍ角の範囲で測定する。
【００２４】なお、下地層２の膜厚は大きい方が好ましく、具体的には０．１μｍ以上、さらには０．５μｍ以上の厚さに形成することが好ましい。下地層１３の厚さの上限値は特に限定されるものではなく、クラックの発生や用途などを考慮して適宜選択し、設定する。
【００２５】下地層２は、上記要件を満足する限り公知の成膜手段を用いて形成することができる。しかしながら、ＭＯＣＶＤ法を用い、その成膜温度を１１００℃以上に設定することによって簡易に得ることができる。なお、本特許の成膜温度は、基材１の設定温度を意味する。なお、下地層２の表面の粗れなどを抑制する観点より、前記成膜温度は１２５０℃以下であることが好ましい。
【００２６】下地層２は、Ａｌの他に、Ｇａ及びＩｎなどのＩＩＩ族元素、Ｂ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｂｅ及びＭｇなどの添加元素を含むこともできる。さらに、意識的に添加した元素に限らず、成膜条件などに依存して必然的に取り込まれる微量元素、並びに原料、反応管材質に含まれる微量不純物を含むこともできる。
【００２７】ｎ型導電層３からｐ型導電層６についても、Ａｌ、Ｇａ及びＩｎなどのＩＩＩ族元素を含む窒化物から構成することができる。なお、各層の組成は、各層の機能や特性、並びに作製すべき半導体発光素子３０の特性などに応じて適宜設計することができる。さらに、前記同様、Ｂ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｂｅ及びＭｇなどの添加元素、並びに意識的に添加した元素に限らず、成膜条件などに依存して必然的に取り込まれる微量元素、原料、反応管材質に含まれる微量不純物を含むこともできる。
【００２８】
【実施例】以下、実施例により本発明を具体的に説明する。
（実施例１）
本実施例においては、図１に示すような半導体発光素子を作製した。４インチ径の厚さ１０００μｍのサファイア基板をＨ_２ＳＯ_４＋Ｈ_２Ｏ_２で前処理した後、ＭＯＣＶＤ装置の中に設置した。キャリアガスとして、Ｈ_２を流速１ｍ／ｓｅｃで流しながら、基板を１２００℃まで昇温した後、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）とＮＨ_３を平均流速１ｍ／ｓｅｃで流して、前記サファイア基板上に下地層としてのＡｌＮ層を厚さ１μｍまで成長させ、エピタキシャル基板を作製した。前記ＡｌＮ層の（００２）面におけるＸ線回折ロッキングカーブの半値幅は９０秒であり、転位密度は２×１０^１０／ｃｍ^２であり、結晶品質に優れることが判明した。また、表面粗さＲａは２Åであった。
【００２９】次いで、基板温度を１０８０℃とし、ｎ型導電層としてのＳｉをドープｎ−ＧａＮ層を厚さ１μｍ成長させた。次いで、このｎ−ＧａＮ層上に、発光層としてのｉ−Ｇａ_０．９Ｉｎ_０．１Ｎ層を厚さ２００Åに成長させた。次いで、ｉ−Ｇａ_０．９Ｉｎ_０．１Ｎ層からなる発光層上に、ｐ型クラッド層としてのＭｇドープｐ−Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎ層及びｐ型導電層としてのＭｇドープｐ−ＧａＮ層を、それぞれ厚さ１００Å及び０．３μｍ成長させた。
【００３０】成長終了後、ｎ型導電層を構成するｎ−ＧａＮ層が露出するまで除去し、この露出した部分の表面上にＡｌ／Ｔｉからなるｎ−電極を形成した。また、ｐ型導電層としてのｐ−ＧａＮ層上にＡｕ／Ｎｉからなるｐ−電極を形成した。
【００３１】なお、ｎ型導電層であるｎ−ＧａＮ層からｐ型導電層であるｐ−ＧａＮ層までの各層中の転位密度は１×１０^８／ｃｍ^２以下であった。また、（００２）面におけるＸ線ロッキングカーブ半値幅は１００秒以下であった。
【００３２】
（比較例１）
上記実施例において、下地層を高結晶品質のＡｌＮに代えて、６００℃の低温で形成したＧａＮから構成した以外は同様にしてエピタキシャル基板を作製し、半導体発光素子を作製した。ｎ型導電層であるｎ−ＧａＮ層からｐ型導電層であるｐ−ＧａＮ層までの各層中の転位密度は１×１０^９／ｃｍ^２以下であり、（００２）面におけるＸ線ロッキングカーブ半値幅は３００秒以下であった。
【００３３】
（比較例２）
上記実施例において、基材を上記１０００μｍの厚さのサファイア単結晶に代えて、４３０μｍの厚さのサファイア単結晶から構成した以外は同様にしてエピタキシャル基板を作製し、半導体発光素子を作製した。ｎ型導電層であるｎ−ＧａＮ層からｐ型導電層であるｐ−ＧａＮ層までの各層中の転位密度は５×１０^８／ｃｍ^２以下であり、（００２）面におけるＸ線ロッキングカーブ半値幅は１００秒以下であった。
【００３４】以上、実施例１と比較例１及び２との対比から明らかなように、本発明に従って、サファイア単結晶基材の厚さを６００μｍ以上とし、下地層を転位密度が高結晶品質のＡｌＮ層から構成したことによって、エピタキシャル基板上に形成された、ＩＩＩ族窒化物層群の結晶品質が向上することが分かる。したがって、発光効率などのデバイス特性を向上させることができる。
【００３５】以上、具体例を挙げながら、本発明を発明の実施の形態に基づいて詳細に説明したが、本発明は上記発明の実施に形態に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない範囲であらゆる変更や変形が可能である。例えば、エピタキシャル基板とＩＩＩ族窒化物層群との間にバッファ層やひずみ超格子などの多層積層膜を挿入し、前記ＩＩＩ族窒化物層群の結晶品質をさらに向上させることもできる。さらに、同様の目的でエピタキシャル基板を構成する基材の表面を窒化処理することもできる。
【００３６】また、エピタキシャル基板を構成する基材を凹面状のサファイア単結晶などから構成することによって、ＩＩＩ族窒化物層群を積層してなる半導体積層構造の反りを低減することもできる。
【００３７】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、低転位で結晶性に優れた窒化物膜、特にはＡｌ含有窒化物膜を形成することのできる、新規なエピタキシャル基板及びこれを用いた半導体積層構造を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のエピタキシャル基板を含む半導体発光素子の一例を示す構成図である。
【符号の説明】
１　基材、２　下地層、３　ｎ型導電層、４　発光層、５　ｐ型クラッド層、６　ｐ型導電層、８　ｎ型電極、９　ｐ型電極、１０　エピタキシャル基板、２０　ＩＩＩ族窒化物層群、３０　半導体発光素子

Claims

厚さが６００μｍ以上の基材と、この基材上において形成された、転位密度が１×１０^１１／ｃｍ^２以下であり、（００２）面におけるＸ線ロッキングカーブ半値幅が２００秒以下であり、少なくともＡｌを含むＩＩＩ族窒化物層とを具えることを特徴とする、エピタキシャル基板。
前記ＩＩＩ族窒化物層中のＡｌ含有量が、全ＩＩＩ族元素に対して５０原子％以上であることを特徴とする、請求項１に記載のエピタキシャル基板。
前記ＩＩＩ族窒化物層はＡｌＮからなることを特徴とする、請求項２に記載のエピタキシャル基板。
前記基材はサファイア単結晶からなることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一に記載のエピタキシャル基板。
厚さが６００μｍ以上の基材と、この基材上において形成された、転位密度が１×１０^１１／ｃｍ^２以下であり、（００２）面におけるＸ線ロッキングカーブ半値幅が２００秒以下であり、少なくともＡｌを含むＩＩＩ族窒化物下地層と、このＩＩＩ族窒化物下地層上に形成された、ＩＩＩ族窒化物層群とを具えることを特徴とする、半導体積層構造。
前記ＩＩＩ族窒化物下地層中のＡｌ含有量が、全ＩＩＩ族元素に対して５０原子％以上であることを特徴とする、請求項５に記載の半導体積層構造。
前記ＩＩＩ族窒化物層はＡｌＮからなることを特徴とする、請求項６に記載の半導体積層構造。
前記基材はサファイア単結晶からなることを特徴とする、請求項５〜７のいずれか一に記載の半導体積層構造。
前記ＩＩＩ族窒化物層群の転位密度が１×１０^９／ｃｍ^２以下であり、（００２）面におけるＸ線ロッキングカーブ半値幅が２００秒以下であることを特徴とする、請求項５〜８のいずれか一に記載の半導体積層構造。