JP2005317909A - シリコン基板上における窒化物単結晶の成長方法、これを利用した窒化物半導体発光素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】シリコン基板上に高品質窒化物単結晶を成長させること。
【解決手段】上面に（１１１）面を有するシリコン基板３１を用意し、シリコン基板３１の上面にＳｉ_xＧｅ_1-x層（０＜ｘ≦１）から成るバッファ層３４を形成し、バッファ層３４上に窒化物単結晶３５を形成する。また、これを利用して製造した窒化物半導体発光素子及びその製造方法を提供する。シリコン基板３１上にＳｉとＧｅを含んだバッファ層を利用して高品質窒化物単結晶を成長させることにより、高価なサファイア基板またはＳｉＣ基板を代替してシリコン基板を含んだ窒化物半導体発光素子を製造することができる。
【選択図】 図１−１

Description

本発明は窒化物単結晶の成長方法に関するもので、より詳しくはシリコン基板上に高品質窒化物単結晶を成長させる方法とこれを利用した窒化物半導体発光素子とその製造方法に関するものである。

窒化物半導体発光素子は、青色または緑色などの短波長光の生成が可能であることから、フルカラー表示を実現させることのできる高出力光素子として知られており、当該関連技術分野において大いに脚光を浴びている。一般に窒化物半導体発光素子は、組成式Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_(1-x-y)Ｎ（ここで、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１である）で表される窒化物単結晶から製造される。

この窒化物半導体発光素子を製造するためには、高品質の窒化物単結晶を成長させる技術が必須となる。しかし、窒化物単結晶の格子定数及び熱膨張係数に適した普遍的な窒化物単結晶成長用基板が存在しないとの問題がある。

主に、窒化物単結晶はサファイア（Ａｌ₂Ｏ₃）基板またはＳｉＣ基板などの異種基板上に、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法、ＨＶＰＥ（Hydride Vapor Phase Epitaxy）法などの気相成長法、または、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法により成長させている。

しかし、単結晶サファイア基板やＳｉＣ基板は高価であるばかりか、その大きさも２インチまたは３インチであるという大きな制限があるので、量産に適さないという問題がある。

したがって、当技術分野においては、発光素子以外の半導体産業において基板として最も広く使用されるＳｉ基板を使用することが要される。しかし、Ｓｉ基板とＧａＮ単結晶との間の格子定数差と熱膨張係数差に起因して、ＧａＮ層には実用化できないほどにクラックが発生しやすい。これを緩和する案としてＳｉ基板上にバッファ層を用いることが考えられるが、これもやはり適切な解決案として提示されてはいない。図３−１は、従来のＡｌＮバッファ層を用いて成長されたＧａＮ単結晶を示す図であり、図３−２は、ＡｌＮバッファ層とＡｌＧａＮ中間層とを組み合わせた従来のバッファ構造を用いて成長されたＧａＮ単結晶を示す図である。

図３−１は、従来のＡｌＮバッファ層１２をＳｉ基板１１の（１１１）面に形成した後、２μｍのＧａＮ単結晶１５を成長させた状態を示している。図４−１は図３−１において成長させたＧａＮ単結晶１５の表面を光学顕微鏡で撮影した写真である。図４−１に示されるように、多数のクラック発生を確認することができる。このようなクラックは、格子定数と熱膨張係数との差が殆ど緩和されないことを起因としたものであり、素子の性能及び寿命を低下させるばかりでなく、実用化をほぼ不可能にさせる。

図３−２は、Ｓｉ基板１１の（１１１）面上にＡｌＮバッファ層１２を形成した後、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ中間層１３を、Ａｌ成分比ｘを約０．８７ないし０．０７ほどに変化させて全体の厚さが３００ｎｍとなるように形成し、その上に２μｍのＧａＮ単結晶１５を成長させた状態を示している。図４−２は、図３−２において成長させたＧａＮ単結晶１５の表面を光学顕微鏡で撮影した写真である。図４−２に示されるように、図４−１に比して、ややクラック数は減少したものの未だ多くのクラックが発生していることが確認される。よって、図３−２において提案されたバッファ構造もやはり高品質単結晶を成長させる条件にはならない。

したがって、当技術分野ではＳｉ基板上にクラックが発生しない高品質窒化物単結晶層の成長方法と、これを利用して製造される窒化物半導体発光素子が要されてきた。

本発明は上述した従来の技術における問題を解決するためのもので、その目的はシリコン（Ｓｉ）基板上に高品質窒化物単結晶を成長させられるようＳｉとＧｅを含むバッファ層を利用した窒化物単結晶の成長方法を提供することにある。

さらに、本発明の他の目的はシリコン基板上に成長させた窒化物単結晶層を含む窒化物発光素子及びその製造方法を提供することにある。

上述した技術的課題を解決するために、本発明は、上面に（１１１）面を有するシリコン基板を設けるステップと、該シリコン基板の上面にＳｉ_xＧｅ_1-x（０＜ｘ≦１）物質から成るバッファ層を形成するステップと、該バッファ層上に窒化物単結晶を形成するステップとを含む窒化物単結晶の成長方法を提供する。

前記バッファ層は、Ｓｉ層とＳｉＧｅ層とからなる複層であってもよい。

好ましくは、前記窒化物単結晶を形成するステップの前に、前記バッファ層上にＡｌ_yＩｎ_zＧａ_(1-y-z)Ｎ（０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１，０≦ｙ＋ｚ≦１）物質から成る中間層を形成するステップをさらに含むことができる。

さらに、前記バッファ層のＳｉ成分比ｘは約０．１〜約０．２であることが好ましく、前記バッファ層のＳｉ成分比ｘは約０．１４であることがより好ましい。

前記シリコン基板と前記窒化物単結晶との間の格子定数差と熱膨張係数差を効果的に緩和するために、前記バッファ層のＳｉ成分比ｘは前記シリコン基板に接する部分から最上部まで徐々に減少させることが好ましい。より好ましくは、前記バッファ層のＳｉ成分比ｘを１から０．１まで徐々に減少させ、最も好ましくは１から０．１４まで徐々に減少させる。

また、本発明に用いるバッファ層は緩衝機能が充分に得られるよう、少なくとも２０ｎｍの厚さを有することが好ましい。

さらに、本発明は、前記窒化物単結晶の成長方法を利用して製造することができる窒化物半導体発光素子を提供する。該窒化物半導体発光素子は、上面に（１１１）面を有するシリコン基板と、該シリコン基板上に形成されたＳｉ_xＧｅ_1-x（０＜ｘ≦１）物質から成るバッファ層と、該バッファ層上に形成された第１導電型窒化物半導体層と、該第１導電型窒化物半導体層上に形成された活性層と、該活性層上に形成された第２導電型窒化物半導体層とを含んで成る。

さらに、本発明は、前記窒化物単結晶の成長方法を利用した窒化物半導体発光素子の製造方法を提供する。該方法は、上面に（１１１）面を有するシリコン基板を設けるステップと、該シリコン基板の上面にＳｉ_xＧｅ_1-x（０＜ｘ≦１）物質から成るバッファ層を形成するステップと、該バッファ層上に第１導電型窒化物半導体層を形成するステップと、該第１導電型窒化物半導体層上に活性層を形成するステップと、該活性層上に第２導電型窒化物半導体層を形成するステップとを含む。

本発明において、シリコン基板上に窒化物単結晶を成長させるために用いられるバッファ層はＳｉ_xＧｅ_1-x層（０＜ｘ≦１）を含んで成る。Ｓｉ_xＧｅ_1-x層はＳｉとＧｅが互いに完全に溶け合う全率固溶体であるので、Ｓｉ成分比またはＧｅ成分比を０から１まで連続的に変化させられるとの利点がある。

また、従来のＡｌＮバッファ層の場合、ＧａＮ−ＡｌＮは２４．８％の熱膨張係数差があり、ＡｌＮ−Ｓｉも４０．７％の熱膨張係数差があるので、熱膨張係数の差によるクラックの発生が深刻な問題となるが、Ｓｉ_0.14Ｇｅ_0.86バッファ層はＧａＮの熱膨張係数とほぼ同一なので、熱膨張係数の差による問題を効果的に解決することができる。

上述したように、本発明によると、シリコン（Ｓｉ）基板上にＳｉとＧｅを含むバッファ層を利用して高品質窒化物単結晶を成長させる方法を提供する。本発明において提案したバッファ層は、ＧａＮ単結晶と熱膨張係数がほぼ同一であり、成長厚さを充分に保障できるばかりでなく、他領域から発生する引張応力を相殺するために故意に圧縮応力を発生させられる物質であり、Ｓｉ基板上に高品質の窒化物単結晶を成長させることができる。

したがって、窒化物半導体発光素子の製造において、窒化物単結晶成長用基板として、高価なサファイア基板またはＳｉＣ基板を代替してシリコン基板を用いることができる。

以下、添付の図を参照しながら本発明をより詳しく説明する。図１−１及び図１−２は本発明において用いられるＳｉＧｅバッファ層を利用して成長されたＧａＮ単結晶構造を示す図である。

図１−１に示すように、本実施形態では、シリコン基板３１上にバッファ層としてＳｉ_xＧｅ_1-x（０＜ｘ≦１）層３４を提供する。ここで、上記シリコン基板３１の上面は（１１１）結晶面を有する。Ｓｉ_xＧｅ_1-x層３４上にはＭＯＣＶＤ工程などの周知の窒化物単結晶成長工程を利用してＧａＮ単結晶３５が成長される。本発明に用いられるＳｉ_xＧｅ_1-x層３４はＳｉ成分比ｘが約０．１〜約０．２である層を含むことが好ましく、Ｓｉ成分比ｘが約０．１４の層を含むよう形成することがより好ましい。 Ｓｉ成分比ｘが０．１４の場合にはＧａＮと熱膨張係数差がほぼ０なので、熱膨張係数差による応力発生を大きく低減させることができる。

Ｓｉ_xＧｅ_1-x層３４は単一のＳｉＧｅ層であってもよいし、Ｓｉ層とＳｉＧｅ層との複層から成ることもできる。好ましくは、Ｓｉ_xＧｅ_1-x層３４は、ＳｉとＧｅとが全率固溶体であることからＳｉ成分比を徐々に制御できるので、シリコン基板３１に接する部分から上部（ＧａＮ単結晶３５が形成される部分）までＳｉ成分比ｘが減少するよう形成する。Ｓｉ成分比の増加範囲はシリコン基板３１と接する部分から上部まで約１〜約０．１で、より好ましくは約１〜約０．１４である。

また、Ｓｉ_xＧｅ_1-x層３４は、従来のＡｌＮバッファ層と異なり、異種物質同士の緩和効果が充分に得られる厚さに成長させることができる。例えば、従来のＡｌＮバッファ層の場合、１μｍ以上成長させることが困難で充分な緩和領域を保障し難かったが、Ｓｉ_xＧｅ_1-x層３４は数十ｎｍ範囲まで成長させることができる。充分な緩和領域を確保するために、Ｓｉ_xＧｅ_1-x層３４は少なくとも２０ｎｍに成長させることが好ましい。

また、本発明は図１−２に示す実施形態で具現することができる。図１−２では、図１−１とほぼ同様にシリコン基板３１の（１１１）結晶面の上面にＳｉ_xＧｅ_1-x（０＜ｘ≦１）層３４を形成した後、そのＳｉＧｅ層３４上にＡｌ_yＩｎ_zＧａ_(1-y-z)Ｎ（０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１，０≦ｙ＋ｚ≦１）から成る中間層３３が形成されている。ＡｌＩｎＧａＮ中間層３３は、図３−２において示したＡｌＧａＮ層１３と類似するバッファ層の役目を果たす。本実施形態によると、ＳｉＧｅ層３４により熱膨張係数に起因する応力の発生を除去した状態でＡｌＩｎＧａＮ中間層３３を利用することにより、より良質のＧａＮ単結晶３５の成長を図ることができる。

図２は本発明にかかる窒化物半導体発光素子を示す側断面図である。図２を参照すると、本発明にかかる窒化物半導体発光素子４０は、シリコン基板４１上に形成されたＳｉ_xＧｅ_1-x（０＜ｘ≦１）バッファ層４４を含む。バッファ層４４上には第１導電型半導体層４５、活性層４６、第２導電型半導体層４７が順に形成される。第２導電型窒化物半導体層４７と活性層４６の一部と第１導電型窒化物半導体層４５の一部とが除去されて露出した第１導電型窒化物半導体層４５の上面にはｎ側電極４９ａが形成され、第２導電型窒化物半導体層４７上には、接触抵抗を改善するための透明電極４８とｐ側電極４９ｂが順に形成される。

第１導電型窒化物半導体層４５は、Ｓｉ_xＧｅ_1-xバッファ層４４上に形成された第１導電型ＧａＮ層とその上に形成された第１導電型ＡｌＧａＮ層とから成ることができ、第２導電型窒化物半導体層４７は、活性層４６上に形成された第２導電型ＡｌＧａＮ層とその上に形成された第２導電型ＡｌＧａＮ層とから成ることができる。また、活性層４６は、多重量子井戸構造を有するＧａＮ／ＩｎＧａＮ活性層であることができる。

本実施形態に用いられるＳｉ_xＧｅ_1-xバッファ層４４は、Ｓｉ成分比ｘが約０．１〜約０．２の層を含むことが好ましく、Ｓｉ成分比ｘが約０．１４を有する層４４を含むよう形成することがより好ましい。Ｓｉ成分比ｘが０．１４の場合にはＧａＮと熱膨張係数差がほぼ０なので、熱膨張係数差による応力発生を画期的に低減させることができる。

さらに、これに限らず、通常発生する引張応力に限られないので、Ｓｉ成分比ｘを０．１４以下に減少させても他層同士の境界領域に発生する引張応力を相補するよう圧縮応力を故意に発生させるよう設計することもできる。

好ましくは、Ｓｉ_xＧｅ_1-xバッファ層４４は、ＳｉとＧｅとが全率固溶体であることからＳｉ成分比を徐々に制御できるので、シリコン基板４１に接する部分から第１導電型窒化物半導体層４５と接する部分までＳｉ成分比ｘが減少するよう形成する。Ｓｉ成分比の増加範囲はシリコン基板４１と接する部分から上部まで約１〜約０．１に、より好ましくは約１〜約０．１４である。Ｓｉ_xＧｅ_1-xバッファ層４４は、数十ｎｍ範囲まで成長させることができるので、充分な緩和領域が確保されるよう、少なくとも２０ｎｍに成長させることができる。

さらに、窒化物半導体発光素子の製造工程において、Ｓｉ_xＧｅ_1-xバッファ層はエッチングが容易なので、必要に応じてＳｉ基板をリフトオフさせるのに有利であるとの利点も期待できる。

さらに、図２に示した構造はＳｉＧｅバッファ層のみを用いた構造で示しているが、図１−２に示した実施形態とほぼ同様にシリコン基板４１の（１１１）結晶面である上面にＳｉ_xＧｅ_1-x（０＜ｘ≦１）層４４を形成した後、そのＳｉＧｅ層４４上にＡｌ_yＩｎ_zＧａ_(1-y-z)Ｎ（０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１，０≦ｙ＋ｚ≦１）から成る中間層をさらに形成してもよい。

本発明は、上述した実施形態及び添付した図に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲に記載された本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内において、当技術分野において通常の知識を有する者が多様な形態の置換、変形及び変更が可能であることは明らかである。

シリコン基板上に成長させた、本発明にかかる窒化物単結晶構造の一実施形態を示す図である。 シリコン基板上に成長させた、本発明にかかる窒化物単結晶構造の他の実施形態を示す図である。 本発明の一実施形態による窒化物半導体発光素子を示す側断面図である。 シリコン基板上に成長させた、従来の窒化物単結晶構造の一例を示す図である。 シリコン基板上に成長させた、従来の窒化物単結晶構造の他の例を示す図である。 図３−１に示した窒化物単結晶の表面を光学顕微鏡で撮影した写真である。 図３−２に示した窒化物単結晶の表面を光学顕微鏡で撮影した写真である。

符号の説明

１１，３１，４１ Ｓｉ基板
１２ ＡｌＮバッファ層
１３ ＡｌＧａＮ中間層
１５，３５ ＧａＮ単結晶
３３ ＡｌＩｎＧａＮ中間層
３４ ＳｉＧｅ層
４０ 窒化物半導体発光素子
４４ ＳｉＧｅバッファ層
４５ 第１導電型窒化物半導体層
４６ 活性層
４７ 第２導電型窒化物半導体層
４８ 透明電極
４９ａ ｎ側電極
４９ｂ ｐ側電極

Claims (24)

1. 結晶方向が（１１１）の上面を有するシリコン基板を用意するステップと、
   前記シリコン基板の上面にＳｉ_xＧｅ_1-x（０＜ｘ≦１）から成るバッファ層を形成するステップと、
   前記バッファ層上に窒化物単結晶を形成するステップと、
   を含む窒化物単結晶の成長方法。
2. 前記バッファ層は、Ｓｉ層とＳｉＧｅ層とから成る複層であることを特徴とする請求項１に記載の窒化物単結晶の成長方法。
3. 前記窒化物単結晶を形成するステップの前に、前記バッファ層上にＡｌ_yＩｎ_zＧａ_(1-y-z)Ｎ（０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１，０≦ｙ＋ｚ≦１）から成る中間層を形成するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１または２に記載の窒化物単結晶の成長方法。
4. 前記バッファ層のＳｉ成分比ｘは約０．１〜約０．２であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の窒化物単結晶の成長方法。
5. 前記バッファ層のＳｉ成分比ｘは前記シリコン基板に接する部分から最上部まで徐々に減少することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の窒化物単結晶の成長方法。
6. 前記バッファ層のＳｉ成分比ｘは前記シリコン基板に接する部分では１で、該部分から徐々に減少して最上部では０．１であることを特徴とする請求項５に記載の窒化物単結晶の成長方法。
7. 前記バッファ層のＳｉ成分比ｘは前記シリコン基板に接する部分では１で、該部分から徐々に減少して最上部では０．１４であることを特徴とする請求項５に記載の窒化物単結晶の成長方法。
8. 前記バッファ層は少なくとも２０ｎｍの厚さを有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の窒化物単結晶の成長方法。
9. 結晶方向が（１１１）の上面を有するシリコン基板と、
   前記シリコン基板上に形成されたＳｉ_xＧｅ_1-x（０＜ｘ≦１）から成るバッファ層と、
   前記バッファ層上に形成された第１導電型窒化物半導体層と、
   前記第１導電型窒化物半導体層上に形成された活性層と、
   前記活性層上に形成された第２導電型窒化物半導体層と、
   を備えることを特徴とする窒化物半導体発光素子。
10. 前記バッファ層は、Ｓｉ層とＳｉＧｅ層とから成る複層であることを特徴とする請求項９に記載の窒化物半導体発光素子。
11. 前記バッファ層上にＡｌ_yＩｎ_zＧａ_(1-y-z)Ｎ（０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１，０≦ｙ＋ｚ≦１）から成る中間層をさらに備えることを特徴とする請求項９または１０に記載の窒化物半導体発光素子。
12. 前記バッファ層のＳｉ成分比ｘは約０．１〜約０．２であることを特徴とする請求項９〜１１のいずれか一つに記載の窒化物半導体発光素子。
13. 前記バッファ層のＳｉ成分比ｘは前記シリコン基板に接する部分から最上部まで徐々に減少することを特徴とする請求項９〜１１のいずれか一つに記載の窒化物半導体発光素子。
14. 前記バッファ層のＳｉ成分比ｘは前記シリコン基板に接する部分では１で、該部分から徐々に減少して最上部では０．１であることを特徴とする請求項１３に記載の窒化物半導体発光素子。
15. 前記バッファ層のＳｉ成分比ｘは前記シリコン基板に接する部分では１で、該部分から徐々に減少して最上部では０．１４であることを特徴とする請求項１３に記載の窒化物半導体発光素子。
16. 前記バッファ層は少なくとも２０ｎｍの厚さを有することを特徴とする請求項９〜１５のいずれか一つに記載の窒化物半導体発光素子。
17. 結晶方向が（１１１）の上面を有するシリコン基板を用意するステップと、
    前記シリコン基板の上面にＳｉ_xＧｅ_1-x（０＜ｘ≦１）から成るバッファ層を形成するステップと、
    前記バッファ層上に第１導電型窒化物半導体層を形成するステップと、
    前記第１導電型窒化物半導体層上に活性層を形成するステップと、
    前記活性層上に第２導電型窒化物半導体層を形成するステップと、
    を含むことを特徴とする窒化物半導体発光素子の製造方法。
18. 前記バッファ層は、Ｓｉ層とＳｉＧｅ層とから成る複層であることを特徴とする請求項１７に記載の窒化物単結晶の成長方法。
19. 前記第１導電型窒化物半導体層を形成するステップの前に、前記バッファ層上にＡｌ_yＩｎ_zＧａ_(1-y-z)Ｎ（０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１，０≦ｙ＋ｚ≦１）から成る中間層を形成するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１７または１８に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
20. 前記バッファ層のＳｉ成分比ｘは約０．１〜約０．２であることを特徴とする請求項１７〜１９のいずれか一つに記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
21. 前記バッファ層のＳｉ成分比ｘは前記シリコン基板に接する部分から最上部まで徐々に減少することを特徴とする請求項１７〜２０のいずれか一つに記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
22. 前記バッファ層のＳｉ成分比ｘは前記シリコン基板に接する部分では１で、その部分から徐々に減少して最上部では０．１であることを特徴とする請求項２１に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
23. 前記バッファ層のＳｉ成分比ｘは前記シリコン基板に接する部分では１で、徐々に減少して最上部では０．１４であることを特徴とする請求項２１に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
24. 前記バッファ層は少なくとも２０ｎｍの厚さを有することを特徴とする請求項１７〜２３のいずれか一つに記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。

Images