JP2005183997A - 発光素子用窒化物半導体テンプレートおよびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】最小化された電位欠陥を有する、ＬＥＤ用の良質の窒化物半導体テンプレート、およびそれを迅速かつ効率よく製造する方法の提供。
【解決手段】片方に凹凸面を有する基材と、基材の凹凸面上に形成された窒化物半導体層とを含み、基材−窒化物半導体層界面が１〜１０００ｎｍサイズの微小空洞を有する、窒化物半導体テンプレート、および（ａ）基材の片面に凹凸を形成する段階、および（ｂ）基材の凹凸面上に、窒化物半導体層をハイドライド気相成長法によって成長させる段階を含む、窒化物半導体テンプレートの製造方法。
【選択図】 図３
【解決手段】片方に凹凸面を有する基材と、基材の凹凸面上に形成された窒化物半導体層とを含み、基材−窒化物半導体層界面が１〜１０００ｎｍサイズの微小空洞を有する、窒化物半導体テンプレート、および（ａ）基材の片面に凹凸を形成する段階、および（ｂ）基材の凹凸面上に、窒化物半導体層をハイドライド気相成長法によって成長させる段階を含む、窒化物半導体テンプレートの製造方法。
【選択図】 図３
Description
本発明は、発光素子用の改善された窒化物半導体テンプレートおよびその製造方法に関する。
発光素子（light emitting diode; LED）は、図１に示すように、基材と窒化物半導体層（例：ＧａＮ結晶層）からなるテンプレート１１、ｎ型およびｐ型窒化物半導体層（各々１２および１４、例：ｎ−ＧａＮおよびｐ−ＧａＮ層）、活性層１３、並びにｐ型およびｎ型電極層（各々１５および１６）を含む一般的な構造を有する。窒化物半導体層は、液相成長法（liquid phase epitaxy; LPE）、気相成長法（vapor phase epitaxy; VPE）、有機金属化学気相蒸着法（metal organic chemical vapor deposition; MOCVD）、分子ビーム成長法（molecular beam epitaxy; MBE）およびハイドライド気相成長法（hydride vapor phase epitaxy; HVPE）などの通常の方法によって成長させ得る。
素子内部で消滅する側方向光の放出能を改善するために、基材の表面を凹凸処理した後、凹凸処理された基材１１ａ上に窒化物半導体層１１ｂをＭＯＣＶＤによって成長させてＬＥＤ用窒化物半導体テンプレート１１を製造する技術が最近報告されている（図２参照）。
しかし、ＭＯＣＶＤによる窒化物半導体層の成長速度はわずかに数μｍ／ｈｒ程度と低いため、窒化物半導体結晶は凹凸処理された基材上で初期にファセット（facet）形態に成長するようになるが、このようなファセット形態の成長は形成された窒化物半導体層が基材に隙間なく密着するので、異種接合部位で格子常数および熱膨張係数の差異による好ましくない電位欠陥および応力が発生するという問題をもたらす。
したがって、本発明の目的は、最小化された電位欠陥を有する、ＬＥＤ用の良質の窒化物半導体テンプレートを提供することである。
本発明の他の目的は、前記特性を有する窒化物半導体テンプレートを迅速かつ効率よく製造する方法を提供することである。
本発明の一実施態様によって、本発明では、片方に凹凸面を有する基材と、基材の凹凸面上に形成された窒化物半導体層とを含み、基材−窒化物半導体層界面に１〜１０００ｎｍサイズの微小空洞（nano-voids）を有する、窒化物半導体テンプレートが提供される。
また、本発明では、
（ａ）基材の片面に凹凸を形成する段階、および
（ｂ）基材の凹凸面上に、窒化物半導体層をハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）によって成長させる段階
を含む、窒化物半導体テンプレートの製造方法が提供される。
（ａ）基材の片面に凹凸を形成する段階、および
（ｂ）基材の凹凸面上に、窒化物半導体層をハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）によって成長させる段階
を含む、窒化物半導体テンプレートの製造方法が提供される。
本発明の方法によれば、最小化された電位欠陥および平坦な表面を有する良質の窒化物半導体テンプレートを迅速かつ効率よく製造でき、これは発光素子の製造に有用である。
以下、本発明をさらに詳細に説明する。
本発明は、ＨＶＰＥによって窒化物半導体層を基材上に数十〜数百μｍ／ｈｒの速い成長速度で成長させることによって、基材の凹凸面と窒化物半導体層との間の界面に形成された微小空洞を有する窒化物半導体テンプレートを製造することを技術構成上の特徴とする。
本発明に用いられる基材としては、サファイア（Ａｌ2Ｏ3）、ＺｎＯ、Ｓｉ、ＳｉＣおよびＧａＮのような通常の物質が挙げられる。このような基材上に成長される窒化物半導体化合物は３族元素の窒化物であり、その代表的な例としては、Ｇａ、ＡｌおよびＩｎの窒化物が挙げられる。
＜段階（ａ）＞
基材の片面は、フォトレジストを用いる通常の方法によって、たとえば、基材の片面上にフォトレジストをコーティングし、通常のフォトリソグラフィーを用いてフォトレジストコーティング層をパタニーングし、マスクコーティング層を有する基材を１００〜１２０℃の温度でハードベークした後、反応性イオンエッチングし、基材上に残っているマスクコーティング層を除去することによって凹凸処理される。
基材の片面は、フォトレジストを用いる通常の方法によって、たとえば、基材の片面上にフォトレジストをコーティングし、通常のフォトリソグラフィーを用いてフォトレジストコーティング層をパタニーングし、マスクコーティング層を有する基材を１００〜１２０℃の温度でハードベークした後、反応性イオンエッチングし、基材上に残っているマスクコーティング層を除去することによって凹凸処理される。
基材上にコーティングされるフォトレジストの厚さは、後続のエッチング工程において目的とするエッチング深さを変化させることによって調節し得る。目的とするエッチング深さが１．２μｍの場合、フォトレジストコーティング層の厚さは約２μｍである。
前記反応性イオンエッチング工程は、Ｃｌ2、ＢＣｌ3、ＨＣｌ、ＣＣｌ4、ＳｉＣｌ4およびその混合物のようなエッチングガスを用いて１〜４０ｍＴｏｒｒの圧力で行い得る。
基材上に形成された凹凸面の突出部は０よりも大きい側部曲げ率を有することが好ましい。
＜段階（ｂ）＞
３族元素の塩化物気体と気相アンモニアを９５０〜１１００℃の温度に保たれる基材の凹凸面と接触させることによって窒化物半導体層を形成させるが、この際、ハイドライド気相成長法（hydride vapor phase epitaxy: HVPE）を用いて２０〜１５０μｍ／ｈｒ、好ましくは４０〜１５０μｍ／ｈｒの成長速度で、段階（ａ）で得られた基材上に窒化物半導体層を成長させ得る。３族元素の塩化物気体は一つ以上の３族元素を容器に載せ、これに気相塩化水素を導入することによってＨＶＰＥ反応器内で生成させ得る。反応チャンバは常圧下で６００〜８５０℃の温度に保たれ得る。
３族元素の塩化物気体と気相アンモニアを９５０〜１１００℃の温度に保たれる基材の凹凸面と接触させることによって窒化物半導体層を形成させるが、この際、ハイドライド気相成長法（hydride vapor phase epitaxy: HVPE）を用いて２０〜１５０μｍ／ｈｒ、好ましくは４０〜１５０μｍ／ｈｒの成長速度で、段階（ａ）で得られた基材上に窒化物半導体層を成長させ得る。３族元素の塩化物気体は一つ以上の３族元素を容器に載せ、これに気相塩化水素を導入することによってＨＶＰＥ反応器内で生成させ得る。反応チャンバは常圧下で６００〜８５０℃の温度に保たれ得る。
必要に応じて、段階（ａ）で得られた基材の凹凸面はアンモニア（ＮＨ3）と塩化水素（ＨＣｌ）との混合ガスを９００〜１１００℃で接触させることによって窒化処理され得る。窒化処理をより効果的に行う目的で、前記窒化段階前または後に、基材の凹凸面を気相アンモニアでさらに処理し得る。基材面のこのような窒化処理はＨＶＰＥ反応器で行われ得る。アンモニア（ＮＨ3）−塩化水素（ＨＣｌ）ガス混合物を用いる窒化処理方法は本願に参考として組み込まれた米国特許第６，５２８，３９４号に開示されている。
ＨＶＰＥによって達成可能な窒化物層の速い成長は、過成長した窒化物半導体結晶が凹面を覆い凸面上で合体するまで、窒化物半導体層が凹凸面の突出部側面から水平および垂直方向に同じ速度で成長することになる。このような成長モードはＭＯＣＶＤを使用する場合に観察されるファセット成長とは全く異なる。
さらに重要なことは、凹凸処理された基材面上に窒化物層をＨＶＰＥ法を用いて成長させることにより、基材とその上に成長した窒化物半導体層との間の界面に１〜１０００ｎｍ、好ましくは１〜５００ｎｍサイズの微小空洞の形成をもたらし、凸凹面を覆って合体成長した窒化物半導体層の表面には欠陥がほとんどなくなることである。したがって、過成長した窒化物半導体層は平坦なＬＥＤの製造に用いられる窒化物半導体テンプレートを形成し得る。
このように、本発明は、凹凸処理された基材と窒化物半導体層との間の界面に存在する微小空洞によって電位欠陥と応力が最小化された良質の窒化物半導体テンプレートを提供し、このようなテンプレートは発光効率を向上させる。
以下、本発明を下記実施例および比較例によってさらに詳細に説明する。ただし、これらは本発明を例示するためのものであり、本発明の範囲を制限しない。
＜窒化ガリウム半導体テンプレートの製造＞
［実施例１］
サファイア基板の表面上にフォトレジストを２μｍの厚さに塗布した後、フォトレジストコーティング層をフォトリソグラフィーし、露出された領域を除去した。マスクコーティング層を有する基材を１１０℃でハードベークした後、Ｃｌ2／ＢＣｌ3エッチングガスを用いて３ｍＴｏｒｒの圧力下で８００Ｗの電力で１．２μｍの深さにエッチングした。次いで、マスクコーティング層を除去し、側面曲げ率が約１である台形の突出部を有する凹凸処理された基材を製造した。
［実施例１］
サファイア基板の表面上にフォトレジストを２μｍの厚さに塗布した後、フォトレジストコーティング層をフォトリソグラフィーし、露出された領域を除去した。マスクコーティング層を有する基材を１１０℃でハードベークした後、Ｃｌ2／ＢＣｌ3エッチングガスを用いて３ｍＴｏｒｒの圧力下で８００Ｗの電力で１．２μｍの深さにエッチングした。次いで、マスクコーティング層を除去し、側面曲げ率が約１である台形の突出部を有する凹凸処理された基材を製造した。
凹凸面を有する基材をＨＶＰＥ反応器に取り付けた後、９５０℃の温度で気相アンモニア、アンモニアと塩化水素の混合ガスおよび気相アンモニアで順次処理した。
このように得られた窒化処理された基材に対して、１０３０℃で気相塩化ガリウムおよび気相アンモニアを接触させることによって、基材上にＧａＮ結晶を４０μｍ／ｈｒの速度で成長させた。ガリウムと塩化水素を反応させて生成する塩化ガリウムガスを一つの投入口を通じて３００ｍｌ／分の流速で導入し、気相アンモニアを他の投入口を通じて９００ｍｌ／分の流速で導入した。反応チャンバは常圧下で７００℃に保たれた。ＧａＮ結晶の成長を９分間行って厚さ６μｍのＧａＮ半導体テンプレートを製造した。
［比較例１］
ＧａＮ結晶を３μｍ／ｈｒの遅い速度で２時間成長させたことを除いては、実施例１と同様な工程を行って、厚さ６μｍのＧａＮ半導体テンプレートを製造した。
ＧａＮ結晶を３μｍ／ｈｒの遅い速度で２時間成長させたことを除いては、実施例１と同様な工程を行って、厚さ６μｍのＧａＮ半導体テンプレートを製造した。
前記実施例１および比較例１で製造されたテンプレートのＳＥＭ写真を図３および４に各々示す。図３および図４から分かるように、比較例１の場合は形成されたＧａＮ層がサファイア基材に空洞がなく、隙間なしに密着している反面、実施例１ではサファイア基板とＧａＮ半導体層との間の界面に１００ｎｍサイズの微小空洞が均一に分布している。
＜発光素子の製造＞
［実施例２］
実施例１で製造されたテンプレート１１上にｎ−ＧａＮ層１２（２〜３μｍ）を形成し、前記ｎ−ＧａＮ層１２の一部に活性層１３（０．１〜０．３μｍ）、ｐ−ＧａＮ層１４（０．３〜０．５μｍ）およびｐ型電極層１５（３００Å）を順次ＭＯＣＶＤによって各々４μｍ／ｈｒの成長速度で形成させた。次いで、ｎ−ＧａＮ層１２の残部にｎ型電極層１６（３００Å）をＭＯＣＶＤによって同じ速度で形成させて、図１に示すような構造を有する発光素子（ＬＥＤ）を製造した。
［実施例２］
実施例１で製造されたテンプレート１１上にｎ−ＧａＮ層１２（２〜３μｍ）を形成し、前記ｎ−ＧａＮ層１２の一部に活性層１３（０．１〜０．３μｍ）、ｐ−ＧａＮ層１４（０．３〜０．５μｍ）およびｐ型電極層１５（３００Å）を順次ＭＯＣＶＤによって各々４μｍ／ｈｒの成長速度で形成させた。次いで、ｎ−ＧａＮ層１２の残部にｎ型電極層１６（３００Å）をＭＯＣＶＤによって同じ速度で形成させて、図１に示すような構造を有する発光素子（ＬＥＤ）を製造した。
［比較例２］
比較例１で製造されたテンプレートを用いて前記実施例２と同様な方法で図１に示す構造と類似する構造を有するＬＥＤを製造した。
比較例１で製造されたテンプレートを用いて前記実施例２と同様な方法で図１に示す構造と類似する構造を有するＬＥＤを製造した。
前記実施例２および比較例２で製造されたＬＥＤの光出力を下記表１に示す。
前記表１から分かるように、実施例２に従って製造されたＬＥＤは比較例２で製造されたＬＥＤよりも約２５％程度高い光出力（ＰＤ電流値）を示す。
１１…テンプレート、１１ａ…基材、１１ｂ…窒化物半導体層、１２…ｎ型窒化物半導体層、１３…活性層、１４…ｐ型窒化物半導体層、１５…ｐ型電極層、１６…ｎ型電極層。
Claims (11)
- 片方に凹凸面を有する基材と、基材の凹凸面上に形成された窒化物半導体層とを含み、基材−窒化物半導体層界面に１〜１０００ｎｍサイズの微小空洞を有する、窒化物半導体テンプレート。
- 前記基材が、サファイア（Ａｌ2Ｏ3）、ＺｎＯ、Ｓｉ、ＳｉＣおよびＧａＮからなる群から選ばれる物質からなることを特徴とする、請求項１記載の窒化物半導体テンプレート。
- 前記窒化物半導体層が、Ｇａ、ＡｌまたはＩｎの窒化物からなることを特徴とする、請求項１記載の窒化物半導体テンプレート。
- （ａ）基材の片面に凹凸を形成する段階、および
（ｂ）基材の凹凸面上に、窒化物半導体層をハイドライド気相成長法によって成長させる段階
を含む、窒化物半導体テンプレートの製造方法。 - 前記段階（ａ）において、基材上にフォトレジストをコーティングし、コーティングされたフォトレジスト層をパタニーングし、マスクコーティング層を有する基材をハードベークおよび反応性イオンエッチングすることによって基材面に凹凸を形成することを特徴とする請求項４記載の方法。
- 前記段階（ｂ）に先立って、アンモニア（ＮＨ3）と塩化水素（ＨＣｌ）との混合ガスで前記基材の凹凸面を窒化処理することを特徴とする請求項４記載の方法。
- 前記窒化処理が、ＮＨ3とＨＣｌとの混合ガスを９００〜１１００℃に加熱された基材の凹凸面と接触させることによって行われることを特徴とする請求項４記載の方法。
- 前記段階（ｂ）において、窒化物半導体層を２０〜１５０μｍ／ｈｒの速度で基材面上に成長させることを特徴とする請求項４記載の方法。
- 前記段階（ｂ）において、窒化物半導体層を９５０〜１１００℃の温度で基材面上に成長させることを特徴とする請求項４記載の方法。
- 前記段階（ｂ）において、窒化物半導体層を過成長させて連続相窒化物半導体基板を形成することを特徴とする請求項４記載の方法。
- 請求項１記載のテンプレート、ｎ型およびｐ型窒化物半導体層、活性層、並びにｐ型およびｎ型電極層を含む、発光素子。
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