JP2005213075A - GaN単結晶基板およびその製造方法ならびに発光デバイス - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 直径が20mm以上、かつ厚さが70μm〜450μmであるGaN単結晶基板であって、GaN単結晶基板の375nm〜500nmの波長を有する光の吸収係数αが7cm-1〜68cm-1であることを特徴とするGaN単結晶基板。ここで、GaN単結晶基板のキャリア濃度は、5×1017cm-3〜2×1019cm-3であることが好ましい。
【選択図】 図1
Description
(式(1)中、I0は入射光の強度、Iは観測光の強度、Hは基板の厚さを表わす。また、Inは自然対数を示す。)
本発明にかかるGaN単結晶基板のキャリア濃度は5×1017cm-3〜2×1019cm-3であることが好ましい。GaN単結晶基板のキャリア濃度が5×1017cm-3未満であると、GaN単結晶基板の電気抵抗が大きくなり、GaN単結晶基板の裏側に電極を設けるような構造の発光デバイスを構成することができない。一方、GaN単結晶基板のキャリア濃度が2×1019cm-3を超えると、禁制帯内のドナー準位以外の準位も増大するため光の吸収係数が大きくなる。
マスク層形成工程においては、図1(a)を参照して、GaAs基板1上に点状またはストライプ状の開口窓21を有するマスク層2を形成する。点状の開口窓とは円状または多角形状の孤立した点としての開口窓をいい、ストライプ状の開口窓とは帯状の開口窓をいう。ここで、GaN単結晶層を均一に成長させる観点から、点状またはストライプ状の開口部は等間隔に配列することが好ましい。GaN単結晶層を成長させるための基板として用いられるGaAsは立方晶系であり、一般的には(111)A面、(111)B面を結晶成長面として用いる。A面とはGa原子が露出している面を、B面とはAs原子が露出している面をいう。
次に、図1(b)および図1(c)を参照して、上記開口窓21にGaNバッファ層を2回以上成長させる。本発明においては、GaNバッファ層を2回以上形成させることが、GaN単結晶層の結晶性を向上させる観点から好ましい。GaNバッファ層を2回以上形成する場合、第1のGaNバッファ層、第2のGaNバッファ層および第nのGaNバッファ層(ここで、nは2以上の整数)を形成する方法には、特に制限はなく、HVPE(ハイドライド気相成長法;Hydride Vapor Phase Epitaxy)法、MOCVD(有機金属化学気相堆積法;Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法、MOC(有機金属塩化物気相成長;Metal Organic Chloride Method)法などの気相成長を用いることができる。ここで、GaNバッファ層とは、GaNのアモルファス層であり、上記気相成長方法において、400℃〜600℃の低温雰囲気で成長を行なうのが一般的である。また、GaNバッファ層全体の厚さを20nm〜100nm程度にすることにより、マスク層の開口窓部分のみにGaNバッファ層を形成することができる。
次に、図1(d)を参照して、上記GaNバッファ層3上にGaN単結晶層4をエピタキシャル成長させる。本発明においては、GaNバッファ層上にGaN単結晶をエピタキシャル成長させる方法として、HVPE法を用いることが好ましい。気相成長方法としては、上記のようにHVPE法以外にも、MOCVD法、MOC法などがあるが、MOCVD法およびMOC法においては原料としてTMGなどのGaの有機金属化合物を用いるため、GaN単結晶中にCが多く混入してGaN単結晶の光の吸収係数を大きくするが、HVPE法においてはGaの有機金属化合物を用いないため、GaN単結晶中へのCの混入を低減することができる。また、HVPE法は、MOCVD法およびMOC法に比べて結晶の成長速度が大きいため、GaN単結晶をより効率よく作製することができる。HVPE法において、雰囲気温度を800℃〜1050℃程度の高温にしてGaN単結晶をエピタキシャル成長させる。このとき、GaNバッファ層は結晶化する。
次に、図1(d)および図1(e)を参照して、GaAs基板1を除去する。GaAs基板1を除去する方法には、特に制限がないが、たとえば王水によってエッチングすることができる。また、マスク層2および結晶化が不十分なGaNバッファ層3は研磨などによって除去することができる。このようにして、GaN単結晶層4が得られる。なお、このようにして得られたGaN単結晶層は、O、C、SまたはSiなどのドーパントを添加しなくても、通常n型導電性を有するが、上記ドーパントを加えることにより、GaN単結晶層の電気抵抗をさらに低減することができる。さらに、上記GaN単結晶層を所定厚さに加工することによりGaN単結晶基板が得られる。
1.GaN単結晶基板の作製
(1)マスク層形成工程
図1(a)を参照して、直径50mmのGaAs基板1上に、大気圧下でのCVD法によりマスク層2として厚さ100nmのSi3N4層を形成した。次いで、フォトリソグラフィにより、図2においてPが4μm、Qが3.5μmである正三角形の頂点に開口窓21(開口窓は一辺が1μmの正方形)が配列した。
図1(b)を参照して、上記開口窓21上に、HVPE法により、原料ガスとしてHClガス(分圧60.8Pa)およびNH3ガス(分圧1.31×104Pa)を用いて、雰囲気温度475℃で、厚さ40nmの第1のGaNバッファ層3aを成長させた(第1のGaNバッファ層形成工程)。
次に、図1(d)を参照して、上記GaNバッファ層3上に、HVPE法により、原料ガスとしてHClガス(分圧1.25×103Pa)、NH3ガス(分圧1.31×104Pa)および0.1質量%のO2を含有するO2およびN2の混合ガス(分圧23.4Pa)を用いて、雰囲気温度1000℃で、厚さ450μmのGaN単結晶層4を形成した。
次に、図1(d)および図1(e)を参照して、GaAs基板1を王水でエッチングすることにより除去し、マスク層2および結晶化が不十分なGaNバッファ層3はMP法によって除去して、GaN単結晶層4を得た。さらに、このGaN単結晶層4をスライス刃または内周刃によりスライスした後、CMP法により表面粗さRaが3nmで厚さが200μmであるGaN単結晶基板を得た。得られたGaN単結晶基板のキャリア濃度は5×1017cm-3であり、波長375nmの光の吸収係数は34cm-1、波長500nmの光の吸収係数は7cm-1であった。ここで、GaN単結晶基板のキャリア濃度は van der Pauw 法により室温(23℃)にて測定し、光の吸収係数は分光光度計を用いて測定した。
発光デバイスとしては、以下のLEDを作製した。図6を参照して、まず、上記の直径が50mm、厚さが250μm、表面粗さRaが3nmのGaN単結晶基板60の一つの主面上に、MOCVD法により、厚さ1.5μmのn型GaN層61、厚さ3nmのIn0.2Ga0.8N層および厚さ15nmのGaN層を交互に5段重ねた多重量子井戸活性層62、厚さ30nmのp型Al0.15Ga0.85N層63、厚さ100nmのp型GaN層64を順次形成した。さらに、p型GaN層64上にp側電極65としてAu/Ni(p型GaN層側がAu層)層を形成した。次に、チップ分割を容易にするために、GaN単結晶基板60の他の主面をCMP法によりラッピングを行ない、GaN単結晶基板60の厚さを200μmとした。次に、GaN単結晶基板60の他の主面における各300μm×300μm区画の中央部上にn側電極66として直径80μmの大きさのTi/Al(GaN単結晶基板側がTi)層を形成した。さらに、上記n側電極が他の主面の中央部に位置するように、上記半導体層およびp側電極が形成されたGaN単結晶基板60を大きさ300μm×300μmのチップに分割してLEDを得た。得られたLEDの20mAにおける駆動電圧は3.3V、発光波長460nmにおける光出力は4.8mWであった。結果を表1にまとめた。
GaN単結晶形成工程の際に、原料ガスとしてHClガス(分圧1.25×103Pa)、NH3ガス(分圧1.31×104Pa)および0.1質量%のO2を含有するO2およびN2の混合ガス(分圧6.55×102Pa)を用いた他は実施例1と同様にして、GaN単結晶基板を作製した。得られたGaN単結晶基板のキャリア濃度は2×1019cm-3であり、波長375nmの光の吸収係数は68cm-1、波長500nmの光の吸収係数は10cm-1であった。また、実施例1と同様にしてLEDを作製した。得られたLEDの20mAにおける駆動電圧は3.2V、発効波長460nmにおける光出力は3.5mWであった。結果を表1にまとめた。
GaN単結晶形成工程の際に、原料ガスとしてHClガス(分圧1.25×103Pa)、NH3ガス(分圧1.31×104Pa)および0.1質量%のSiH4を含有するSiH4およびH2の混合ガス(分圧93.5Pa)を用いた他は実施例1と同様にして、GaN単結晶基板を作製した。得られたGaN単結晶基板のキャリア濃度は5×1017cm-3であり、波長375nmの光の吸収係数は35cm-1、波長500nmの光の吸収係数は8cm-1であった。また、実施例1と同様にしてLEDを作製した。得られたLEDの20mAにおける駆動電圧は3.3V、発光波長460nmにおける光出力は4.7mWであった。結果を表1にまとめた。
GaN単結晶形成工程の際に、原料ガスとしてHClガス(分圧1.25×103Pa)、NH3ガス(分圧1.31×104Pa)および1質量%のH2Sを含有するH2SおよびH2の混合ガス(分圧3.12×102Pa)を用いた他は実施例1と同様にして、GaN単結晶基板を作製した。得られたGaN単結晶基板のキャリア濃度は5×1017cm-3であり、波長375nmの光の吸収係数は39cm-1、波長500nmの光の吸収係数は10cm-1であった。また、実施例1と同様にしてLEDを作製した。得られたLEDの20mAにおける駆動電圧は3.4V、発光波長460nmにおける光出力は4.5mWであった。結果を表1にまとめた。
GaN単結晶形成工程の際に、原料ガスとしてHClガス(分圧1.25×103Pa)およびNH3ガス(分圧1.31×104Pa)のみを用いた他は実施例1と同様にして、GaN単結晶基板を作製した。得られたGaN単結晶基板のキャリア濃度は1×1017cm-3であり、波長375nmの光の吸収係数は26cm-1、波長500nmの光の吸収係数は4cm-1であった。また、実施例1と同様にしてLEDを作製した。得られたLEDの20mAにおける駆動電圧は5.4V、発効波長460nmにおける光出力は5.0mWであった。結果を表1にまとめた。
GaNバッファ層形成工程の際に、上記開口窓21上に、HVPE法により、原料ガスとしてHClガス(分圧60.8Pa)およびNH3ガス(分圧1.31×104Pa)を用いて、雰囲気温度500℃で、厚さ80nmのGaNバッファ層を1回で成長させ、2回目以降のGaNバッファ層を成長行なわなかった他は実施例2と同様にして、GaN単結晶基板を作製した。得られたGaN単結晶基板のキャリア濃度は2×1019cm-3であり、波長375nmの光の吸収係数は110cm-1、波長500nmの光の吸収係数は25cm-1であった。また、実施例1と同様にしてLEDを作製した。得られたLEDの20mAにおける駆動電圧は3.2V、発光波長460nmにおける光出力は2.2mWであった。結果を表1にまとめた。
サファイア基板(波長375nmおよび波長500nmの光の吸収係数が2cm-1)を用いて以下の発光デバイスを作製した。本発光デバイスは、図7参照して、大きさが400μm×300μm、厚さが200μm、表面粗さRaが3nmのサファイア基板70の一つの主面上に、MOCVD法により、厚さ1.5μmのn型GaN層61が形成され、このn型GaN層61の一部(300μm×300μm)上に、厚さ3nmのIn0.2Ga0.8N層および厚さ15nmのGaN層を交互に5段重ねた多重量子井戸活性層62、厚さ30nmのp型Al0.15Ga0.85N層63、厚さ100nmのp型GaN層64が順次形成されている。さらに、p型GaN層64上にp側電極65としてAu/Ni(p型GaN層側がAu層)層が形成されている。また、n型GaN層の残りの一部(100μm×300μm)に他の半導体層と接触しないようにn側電極として直径80μmの大きさのTi/Al(n型GaN層側がTi)層を形成した。得られたLEDの20mAにおける駆動電圧は3.7V、発光波長460nmにおける光出力は4.9mWであった。結果を表1にまとめた。
Claims (6)
- 直径が20mm以上、かつ厚さが70μm〜450μmであるGaN単結晶基板であって、
前記GaN単結晶基板の375nm〜500nmの波長領域にある光の吸収係数αが7cm-1〜68cm-1であることを特徴とするGaN単結晶基板。 - 前記GaN単結晶基板のキャリア濃度が5×1017cm-3〜2×1019cm-3であることを特徴とする請求項1に記載のGaN単結晶基板。
- 前記GaN単結晶基板が、ドーパントとして酸素、炭素、硫黄およびケイ素からなる群から選ばれる少なくとも1つの元素を含むことを特徴とする請求項1または請求項2に記載のGaN単結晶基板。
- 前記GaN単結晶基板の主面の表面粗さRaが10nm以下であることを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれかに記載のGaN単結晶基板。
- GaAs基板上に点状またはストライプ状の開口窓を有するマスク層を形成する工程と、前記開口窓上にGaNバッファ層を少なくとも2回成長させる工程と、前記GaNバッファ層上にHVPE法によりGaN単結晶層をエピタキシャル成長させる工程と、GaAs基板を除去する工程とを少なくとも含むGaN単結晶基板の製造方法。
- 請求項1〜請求項4のいずれかに記載のGaN単結晶基板上に、少なくとも1層のIII族窒化物半導体層が形成されている発光デバイス。
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