JP2005129876A - 化合物半導体材料の積層方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＳｉＣ結晶、サファイア結晶は化合物半導体多層構造を形成する上で高価であり、Ｓｉを基板として使用することが望まれる。Ｓｉ基板をＬＥＤ、ＬＤへ応用するにはＳｉ層、バッファ層による光の吸収損失が発生する問題がある。
【解決手段】化合物半導体多層構造をバッファ層を介して陽極酸化多孔質Ｓｉ上にエピタキシャル成長し、金属を介して形成した半導体多層構造を異種基板に接合し構造多孔質Ｓｉ層の形成に使用したＳｉ基板を多孔質Ｓｉ層を境に分離することによって異種基板上の半導体多層構造を形成する。さらに表面にあるバッファー層部分を研磨除去することによって外部発光効率に優れたＬＥＤ構造を構築することが可能となる。
【選択図】 図３

Description

発明の詳細な説明

産業上の利用分野

本発明は化合物半導体の一種であるＧａＡｓ、ＧａＰ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＰ、ＩｎＮ、およびこれらの共晶からなる多層構造を異種基板上に張りあわせて構築される電子デバイスに関する。

ＧａＮ系高速デバイスの特徴

ワイドバンドギャップ半導体の一種であるＧａＮは、従来から使われているＳｉ、ＧａＡｓ系半導体より絶縁破壊電界が高く、さらに１／３の比誘電率、３倍の電子飽和速度、小さい熱抵抗等の優れた特徴を有している。このため従来のＳｉ系デバイスよりも高速動作が可能であり、さらに高耐圧かつ高温動作可能な高出力デバイスを実現できる。ＦＥＴを構成した場合のＯＮ抵抗は従来のＳｉ系デバイスよりも大幅に小さくなるために、パワースイッチング回路へ応用した際のスイッチングロスを従来に比べて大幅に減らすことが可能である。ＧａＮ系パワーデバイスを用いることによってパワースイッチング回路を有する電子機器の放熱対策が不要になり、従来素子を用いた方式に比べて機器の大幅な低コスト化、省エネルギー化が可能となる。

ＧａＮ系発光デバイスの特徴

ＧａＮ系半導体はバンドギャップが広く直接遷移形半導体であるために可視域から紫外域に至る波長の光を発する発光デバイス材料として使われる。ＧａＮはバンドギャップが３．２ｅＶであり、青色、紫外発光デバイス用半導体材料として使用されている。さらにＡｌＮ、ＩｎＮとの共晶とすることによって発光波長を連続的に制御することが可能である。

Ｓｉ上へ形成するＧａＮ系デバイスの特徴

ＧａＮ系デバイスの基板材料としてはサファイアが一般的であり、ＳｉＣも有望とされている。しかしどちらも高価で大面積ウェハーを得ることが困難であり量産性の障害となる。一方、Ｓｉは安価で大面積のウェハーを得る技術が完成しており、Ｓｉを基板として利用することができれば量産性、低コスト化にとって非常に有利となる。さらにＳｉウェハー上に形成した各種回路・デバイスと発光デバイスを組み合わせることによって新たな付加価値を生み出すことができる。たとえば発光素子をＳｉ基板上へマトリクス状に分散配置し、それら発光素子の制御回路を同一基板上へ作りこんだディスプレイなどが実現可能である。サファイアの様な高価な基板では間隔をあけて発光素子を配置する前述のようなディスプレイへの応用はコスト的に困難である。さらにＯＥＩＣ、光インターコネクションなどの通信関連等への応用が開ける。自動車用照明、屋内用照明等に対してはドライブ回路と一体化することによって省スペース、低コスト化を実現できる。

従来技術の問題点

前述のように、ＧａＮ系デバイスの基板としては従来サファイアが用いられてきたが、高価であるためにデバイス価格を下げることの足かせとなっている。
発光デバイスへの応用においてＳｉを基板として用いればコスト的な問題が解決するが、Ｓｉは発光層からの光を吸収するために応用上問題になる場合がある。さらに紫外発光ＬＥＤのような短波長発光素子では、成長時に用いるＧａＮ，ＢＰ等のバッファ層も光を吸収して発光効率が低下する。特に、ＬＥＤを照明、ディスプレイへ応用する場合はＬＥＤの発光効率が重要である。デバイスの発光効率を改善するためには内部発光効率と外部発光効率の両者を高くする必要がある。内部発光効率は接合部周囲の半導体層の構造、性質によって決められる。一方、外部発光効率を改善するためにはいかに１方向から取り出す光の効率を上げるかがポイントである。発光層から出る光はＬＥＤの上下方向へ進む。下側へ進む光はＳｉを基板に用いた場合Ｓｉに吸収されて無駄になる。サファイアを基板に用いた場合発光層を挟み込む層の屈折率を変えることによって上側へ反射させてロスを抑える方法、あるいは基板裏面に反射構造を導入するか、発光層下部または上部に誘電体ミラーを形成することによって１方向から取り出す光の量を増やす方法が考案されているが高コストである。さらに、高出力用ＬＥＤではデバイスの放熱対策が必要となる。サファイア基板の場合発光層側を金属ベースに接着することによって熱伝導性を向上させた例がある。この場合基板が透明であるので光は基板側から取り出されるがＳｉを基板とするデバイスに適用することができない。ＧａＮ、ＢＰをバッファ層として用いたＡｌＧａＮのような紫外発光デバイスではバッファ層による吸収ロスが発生する。 パワーデバイスへの応用においては基板による光吸収のような問題はないが、大電力用としてはＳｉを介さず金属ベースに直接デバイスを形成することにより更なる放熱特性の改善が図れる。

従来の問題点の解決策

Ｓｉ結晶とＧａＮ結晶の間には約１４％の格子不整合性があるために直接Ｓｉ上へエピタキシャル成長した成長層は多くの結晶欠陥を含みデバイスとして応用することは困難である。この問題を解決するためにＧａＮとＳｉの間にＢＰ、ＡｌＮ／ＧａＮ多層構造などのバッファ層を挿入することによって欠陥の少ないＧａＮエピタキシャル成長を得ることができる。この発明者らはＳｉ基板上に形成したＧａＮ系ＬＥＤの外部発光効率を向上させる方法について鋭意研究を重ねてきた。この過程でＳｉの陽極酸化により形成した多孔質Ｓｉ上へ上記と同様の方法によりＧａＮエピタキシャル成長層を形成することができることが判明した。多孔質Ｓｉは構造的にもろい性質を持つためにその上に薄膜を形成した後に多孔質Ｓｉ層を境にしてＳｉ基板からエピタキシャル成長した薄膜を分離することができる。あるいはあらかじめＳｉ基板から分離した多孔質薄膜上にエピタキシャル成長させることも可能である。ＧａＮエピタキシャル多層薄膜を金属等を介して異種基板上へ接合した後剥離分離することにより裏面反射率の高いＬＥＤデバイス構造を構築することができる。
あるいは剥離分離した後に異種基板上へ接合することも可能である。さらに表面に現れているバッファ層を研磨除去することによって、光吸収ロスがなくしかも裏面反射率の高い高効率ＬＥＤ構造を実現することができる。

解決策の実施例

低抵抗Ｐ形Ｓｉ（（１００）、０．０１Ω・ｃｍ）を弗化水素酸（ＨＦ：Ｃ_２Ｈ_５ＯＨ：Ｈ_２Ｏ＝２：６：２）中で陽極酸化して厚さ約１０μｍの多孔質Ｓｉ層を形成した。陽極酸化の条件はエピタキシャル成長とその後の基板からの分離を可能にするために２段階に分けている。表面にエピタキシャル成長に適した低ポロジティ層を約０．１μｍ形成し、次に基板との剥離が容易になるように電流密度を増加させて厚い高ポロジティ層を形成した。ＢＰ層の形成にはＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いた。原料にはＰＣｌ_３、ＢＣｌ_３を用い、キャリアガスとして高純度水素を用いた。キャリアガスの流量は１５０ｓｃｃｍである。ＢＰ成長前に多孔質Ｓｉ層を形成した結晶Ｓｉ基板を高純度水素ガス雰囲気中で１０５０℃、３０分の加熱処理をする。しかる後同温度でＰＣｌ_３（０．５ｓｃｃｍ／ｍｉｎ）、ＢＣｌ_３（０．３ｓｓｃ／ｍｉｎ）を導入してＢＰ結晶層を０．１μｍ形成する。さらに連続してＧａ原料となるＴＭＧ（トリメチルガリウム）、Ｎ原料となるＮＨ_３にガスを切り替え、ＧａＮバッファー層を３μｍエピタキシャル成長した。
引き続きＭｇドープＡｌＧａＮ層、ＳｉドープＡｌＧａＮ層を連続形成する。しかる後Ａｌ／Ｔｉの蒸着を行う。蒸着装置から取り出されたＡｌ表面には大気中で瞬時に酸化皮膜が形成される。Ｓｉ基板との接合を行うために、Ａｌ表面を真空プラズマ装置内でＡｒプラズマプラズマ処理し、同時に基板となるＳｉウェハー表面もＡｒプラズマ処理し、真空中又は不活性ガス中で常温または加熱処理を加えて接合する。ここで接合用の金属としてＡｌを用いたのは光学反射率特性が優れておりＳｉと容易にオーミックコンタクトを取ることができるためである。しかる後に基板をＫＯＨの様なアルカリ溶液中に浸すことによりＳｉ基板とエピタキシャル成長層を多孔質Ｓｉ層を境に分離する。あるいはウォータージェットにより機械的に分離することも可能である。なお、多孔質Ｓｉ層の形成に使用したＳｉ基板は研磨により多数回繰り返し使用することが可能である。この分離を行った後ＳｉドープＡｌＧａＮ層側へＳｉウェハーとの電気的コンタクト特性を向上するためにシンタリングを行う。しかる後に表面に残るＢＰバッファー層、ＧａＮバッファー層を研磨除去し、Ｔｉ／Ａｌ／Ｐｔ電極を形成する。
「実施例ＩＩ」
その他の光反射用金属としては大電流に容量のあるＡｌ−Ｃｕ合金（例えばＡｌ７０％、Ｃｕ３０％）用いて上記接合に使用可能である。その他の金属の組み合わせとしてはＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｚｎおよびこれら金属とＩｎ、Ｓｎ、Ｐｂのような低融点金属との共晶などが同様に利用可能である。
「実施例ＩＩＩ」
剥離分離したＡｌＧａＮ層は実施例Ｉに述べられたＳｉの他、金属上へ直接接合することが可能である。

多孔質Ｓｉ上へ形成した多層構造を示した断面図 異種基板（Ｓｉ）上へＡｌを介して接合し、多孔質Ｓｉを形成するために使用したＳｉ基板を分離することによって形成された多層構造を示す断面図 本発明の１実施例によって形成されたＬＥＤの断面図

符号の説明

１ Ｓｉ基板
２ 多孔質Ｓｉ層
３ ＢＰ層
４ ＧａＮ層
５ ＡｌＧａＮ（Ｐ）層
６ ＡｌＧａＮ（Ｎ）層
７ Ａｌ／Ｔｉ層
８ Ｓｉ基板
９ Ｔｉ／Ａｌ／Ｐｔ電極

Claims (6)

1. ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＰ、ＩｎＮおよびこれらの共晶からなる多層構造をＢＰ、ＧａＩｎＮ、ＡｌＮおよびこれらの組み合わせによる多層構造から選ばれるバッファ層を介して陽極酸化多孔質Ｓｉ上にエピタキシャル成長した構造。
2. 請求項１の構造を持つ薄膜表面は異種基板上に金属を介して接合され、多孔質Ｓｉ層の形成に使用したＳｉ基板が多孔質Ｓｉ層を境に分離されることによって形成された半導体多層構造。
3. 請求項１、請求項２記載の多層構造を有することを特徴とする半導体デバイスの構造。
4. 多孔質Ｓｉ上に目的とする結晶を成長後、成長面に接着用金属をコートしたＳｉ基板を接着させ その後多孔質Ｓｉを剥離し目的とする結晶を接着用金属を介したＳｉ基板上に形成することを特徴とする方法。
5. Ｓｉ基板上に金属を介して接着した後、目的の結晶の表面部分つまり多孔質Ｓｉ上に最初に成長した一部を除去することを特徴とした半導体デバイス。
6. 接着用金属として光学的反射率の高いＡｌ、Ｐｔ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｃｕ、Ａｕ及びそれらの合金を用いた請求項３，４、５の素子。

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