JP2006245128A - 半導体基板の製造方法および窒化物系半導体素子 - Google Patents

Abstract

【課題】４Ｈ型または６Ｈ型ＳｉＣ基板上に、高品質の厚膜ＳｉＣ結晶層と窒化物半導体層とを同時に形成することが困難であり、また高効率と高演色性を併せ持つ白色発光ダイオードを実現することができなかった。
【解決手段】 １度から６度の範囲の傾斜角の４Ｈ型または６Ｈ型ｃ面ＳｉＣ基板上に、ステップフロー成長の傾向が大きい近接昇華法を用いてＳｉＣ結晶層のエピタキシャル成長を行う工程と、さらにその上に複数の窒化物半導体層を成長する工程とを含む半導体基板の製造方法を用いる。また、上記半導体基板を用いて、高効率で演色性の高い白色発光ダイオードの構造を提供する。
【選択図】図４

Description

本発明は、半導体基板の製造方法および窒化物系半導体素子に関するものである。

化合物半導体ｐＮ接合による発光素子として、発光ダイオードが広く実用化され、主に光伝送、表示や特殊照明用途に用いられている。近年、窒化物半導体と蛍光体を用いた窒化物系半導体素子も実用化され、今後は一般照明用途への展開が大いに期待されている。しかし、特に窒化物系半導体素子においてはエネルギー変換効率が既存の蛍光灯と比較して不十分のため、これら一般照明用途に対しては大幅な効率改善が必要である。さらに、高い演色性、低コストかつ大光束の発光ダイオード実現のためには多くの課題が残されている。現在市販されている窒化物系半導体素子として図５に示すような構成が用いられている。

青色ＬＥＤチップ５０１がリードフレーム５０２に実装され、例えばYａG:ｃeにより構成される黄色蛍光体層５０３と被せた後に、エポキシ樹脂などからなるモールドレンズ５０４で覆われている。青色ＬＥＤチップ５０１からは青色光が放出されるが、黄色蛍光体層５０３を通り抜ける際にその一部が吸収され黄色光に変換される。青色と黄色は互いに補色の関係にあり、両者が交じり合うと白色光となる。この基本構成をさらに発展させ、赤色蛍光体を含有させることで演色性を改善する、あるいはチップの大型化により高光束化などが図られている。しかし、現在のところ、赤色蛍光体の効率は低く、演色性を高めると効率が低下し、これらの性能の両立は不可能となっている。

一方、図６に示すような全く別の構成による窒化物系半導体素子も提案されている（例えば、特許文献１、参照。）。６Ｈ型ＳｉＣ基板６０１上に、硼素および窒素を添加した第１の不純物添加ＳｉＣ層６０２、アルミニウムおよび窒素を添加した第２の不純物添加ＳｉＣ層６０３が形成され、さらにその基板上に窒化物半導体によるダブルへテロ構造６０４が積層されている。本素子では近紫外発光ダイオードを構成する窒化物半導体によるダブルへテロ構造６０４において、３６０〜４０８ｎｍの近紫外光が放出され、これらの光は全て第１の不純物添加ＳｉＣ層６０２および第２の不純物添加ＳｉＣ層６０３にて吸収された後、可視光に変換される。

第１の不純物添加ＳｉＣ層７０２からは緑色から赤色、第２の不純物添加ＳｉＣ層６０３からは青色から緑色の光が生じ、両者を合わせて優れた演色性の白色光が得られるというものである。ＬＥＤチップ単独で白色光の生成が可能であり、後工程による蛍光体の付加は不要となる。しかも全ての光に対して量子効率は高い。さらにＳｉＣ基板が放熱特性に優れた材料でもあり、大型チップによる大出力動作にも適している。
特願２００４−８７１１０

しかしながら、上記窒化物系半導体素子を作製することは容易ではない。図６の窒化物系半導体素子では、ＳｉＣ基板上に不純物を添加したＳｉＣ層と複数の窒化物半導体層からなるダブルへテロ構造の２種類の異なる半導体材料をエピタキシャル成長させる必要があるが、両者ともに高品質の結晶を成長することが困難だからである。

ＳｉＣ基板上に結晶欠陥が少なく品質の高いＳｉＣ層をエピタキシャル成長させるためには、基板の面方位をｃ面から８度程度傾けたものを用いる必要があることが知られている。ｃ面から大きく傾斜した基板上においては図７に示すように、ＳｉＣ傾斜基板７０１上に高い密度の原子ステップ７０２が現れる。テラス部７０３は化学的に安定なＳｉＣ結晶のｃ面であり、基板方位がｃ面から８度傾斜しているために傾斜方向に垂直に原子ステップが現れるわけである。成長原料から供給されたＳｉ原子７０４およびｃ原子７０５はテラス部７０３を少し拡散した後に原子ステップにたどり着き、ここで結晶化する。このようにしてＳｉＣ傾斜基板上では原子ステップ７０２が横方向に進行しながら結晶成長が進む。

このような成長の仕方をステップフロー成長と呼び、元々ＳｉＣ傾斜基板中に含まれている結晶欠陥を横方向の成長によりＳｉＣ単結晶層７０６上方向に伝えにくいために高品質結晶の成長が可能となっている。これに対して傾斜角が浅い場合を図８に示す。原子ステップ７０２の間隔が広くなり、成長原料から供給されたＳｉ原子７０４およびｃ原子７０５はテラス部７０３を少し拡散した後に原子ステップ７０２にたどり着く前に結晶化する。このためステップフロー成長できなくなり、ＳｉＣ単結晶層７０６の結晶品質が極めて悪化する。したがって結晶の高品質化が可能なステップフローと呼ばれる成長機構を促進するために、ある程度の密度の原子ステップを供給する必要があるためである。

また、傾ける方向はａ面方向、ｍ面方向どちらでも効果があるが、前者の方がよりよいといわれている。一方、ＳｉＣ基板上の窒化物半導体の成長に関しては、基板の面方位がｃ面から大きく傾くと結晶品質が大きく劣化する。すなわち、ｃ面から８度傾いたＳｉＣ基板上には高品質の窒化物半導体結晶を作製することは極めて困難となる。したがって、ＳｉＣ、窒化物半導体の両者の高品質化を両立させることが困難であり、図６のような窒化物系半導体素子の高性能化ができないという課題があった。

なお、ＣＶＤ法を用いると傾斜角の小さい基板においてもＳｉ原子７０４やｃ原子７０５の拡散長を大きくすることが可能で、結果として高品質結晶が得られることが知られている。しかし、ＣＶＤ法はＳｉＣ単結晶の成長速度が２ミクロン／Ｈと非常遅く、図６に示したような窒化物系半導体素子の厚膜の不純物添加層を成長するには適さない方法である。

本発明は、以上のような問題点にかんがみてなされたもので、４Ｈ型また、は６Ｈ型ＳｉＣ基板上に、高品質の厚膜ＳｉＣ結晶層と窒化物半導体層とを同時に形成することを可能とするとともに、高性能な窒化物系半導体素子を実現する。

本発明では、ｃ面から１度以上６度以下の範囲で傾斜した４Ｈ型もしくは６Ｈ型ＳｉＣ単結晶基板上に近接昇華法を用いてＳｉＣ単結晶層を結晶成長させる半導体基板の製造方法を提供する。また、上記半導体基板を用いて、高効率で演色性の高い窒化物系半導体素子の構造を提供する。

本発明により、ＳｉＣ単結晶基板上に高品質の厚膜ＳｉＣ層および窒化物半導体層を同時に成長することが可能となる。また、ｃ面から１度以上６度以内の範囲で傾斜したＳｉＣ基板上に高性能の窒化物系半導体素子を作製することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。
（実施の形態１）
図１に第１の実施の形態に係る半導体基板の製造方法を示す。ｃ面から２度ａ面方向に傾いた表面を持つＳｉＣ傾斜基板１０１上に近接昇華法により、ＳｉＣ単結晶層１０２をエピタキシャル成長させ、さらにその上に例えば有機金属化合物気相成長法により複数の窒化物半導体層１０３を成長させる方法を用いる。近接昇華法は、高い成長速度と高品質結晶が得られるステップフロー成長とを両立できる方法で、実施の形態２に述べる窒化物系半導体素子の作製に極めて適した方法である。図２に近接昇華法の基本装置構成と、温度分布を示す。電気炉１０４内に例えばグラファイト製坩堝１０５を設置し、その中にＳｉＣ原料１０６とそれに対向し、例えば３ｍｍ程度の間隔をおいたところにＳｉＣ傾斜基板１０７を配置する。ヒーター１０８に対して、適当な位置にグラファイト製坩堝１０５を設置しておくと、ＳｉＣ原料１０６とＳｉＣ傾斜基板１０７との間に僅かな温度差が生じる。

ただし両者の間隔がわずかなので、温度勾配としては２０℃／ｃｍ以上と大きくなる。ここでヒーター１０８に対して通電し、グラファイト製坩堝１０５の温度を２０００℃付近に上昇させるとＳｉＣ原料１０６から昇華が始まり、ＳｉＣ傾斜基板１０７上にＳｉＣ単結晶層１０９が堆積を始める。温度勾配は昇華した結晶原料の供給速度を決定するパラメータであり、近接昇華法では５０ミクロン／Ｈ以上の高速成長が容易に実現できる。一方、ＳｉＣ傾斜基板１０７上では、ｃ面からの傾斜角が２度と浅いために原子ステップが非常に広い間隔で存在している。しかし、基板上を拡散するＳｉ原子やｃ原子の拡散できる距離（拡散長）は、ＳｉＣ傾斜基板の温度が高いほど長くできる。

本近接昇華法では先に述べたようにＳｉＣ原料１０６とＳｉＣ傾斜基板１０７との温度差はわずかであり、ＳｉＣ傾斜基板１０７の温度は比較的高いため、Ｓｉ原子とｃ原子の拡散長が長くなる。すなわち、浅い傾斜角度であってもステップフロー成長が可能である。したがって、高品質のＳｉＣ単結晶層が成長可能となる。図３に、ｃ面からａ面方向への傾斜角を変化させたときのＳｉＣ単結晶層１０８の(０００４)面におけるＸ線回折半値幅を示す。ＳｉＣ単結晶層１０８を成長する前のＳｉＣ基板のＸ線回折半値幅の値は約１５０秒であったが、傾斜角が１度から６度の範囲では明らかにＳｉＣ単結晶層１０８の方が狭い半値幅を示していることがわかる。

本発明の近接昇華法では、原料と基板との間隔を少なくとも５ｍｍ以下に近接させることが必要である。また、成長に用いるＳｉＣ単結晶基板は、その結晶構造が４Ｈ型また、は６Ｈ型で、ｃ面に対して１度から６度の範囲で傾斜させた基板を用いる。また、傾斜させる方向はａ面方向に限るものではなく、特に限定しない。さらに成長させるＳｉＣ単結晶層には任意の不純物を添加しても同様の効果が得られる。

（実施の形態２）
図４に第２の実施の形態に係る窒化物系半導体素子の構造を示す。ｃ面から２度ａ面方向に傾いた表面を持つＳｉＣ傾斜基板２０１上に、硼素および窒素を添加した第１の不純物添加ＳｉＣ層２０２、アルミニウムおよび窒素を添加した第２の不純物添加ＳｉＣ層２０３を積層している。さらにその基板上に例えば有機金属化合物気相成長法によってＡｌＧａＮバッファ層２０４、Ｎ−ＧａＮ第１コンタクト層２０５、Ｎ−ＡｌＧａＮ第１クラッド層２０６、ＧａＩｎＮ／ＧａＮ多重量子井戸活性層２０７、ｐ−ＡｌＧａＮ電子ブロック層２０８、ｐ−ＡｌＧａＮ第２クラッド層２０９、ｐ−ＧａＮ第２コンタクト層２１０が連続的に積層されている。

また、ｐ−ＧａＮ第２コンタクト層表面にはＮi／Ａｕからなるｐ電極２１１、Ｎ−ＧａＮ第１コンタクト層２０５が露出するまでエッチングされた表面にｎ電極２１２が形成されている。本窒化物系半導体素子では、ｐ電極２１１とｎ電極２１２の間に電圧を印加すると、発光ダイオード素子に電流が注入され、ＧａＩｎＮ／ＧａＮ多重量子井戸活性層２０７において例えば波長３８５ｎｍの近紫外光が放出される。放出された光は第２の不純物添加ＳｉＣ層２０３、第１の不純物添加ＳｉＣ層２０２へと進入し、ほぼ全てが吸収されるとともに各々の不純物準位による蛍光を生じる。第２の不純物添加ＳｉＣ層２０３においてはでアルミニウムと窒素が例えば１０１８ｃｍ^-3程度の濃度で添加されており、励起されると緑色から赤色にかけての広いスペクトルを持つ蛍光を放出する。

一方、第１の不純物添加ＳｉＣ層２０２ではホウ素と窒素が例えば１０１８ｃｍ^-3程度の濃度で添加されており、励起されると４６０ｎｍ付近をピークとする青色から緑色にかけての蛍光を放出する。したがってこの２層の不純物添加層による蛍光を適度に混合することによって、演色性にすぐれた白色を得ることが可能である。なお、近紫外の励起光を全て２つの不純物添加層２０２および２０３で吸収させるためには両者の合計膜厚で、２００ミクロン程度必要である。２００ミクロンの合計膜厚を、作製したい色合いに応じて不純物添加層２０２および２０３で膜厚配分すればよい。

本構造では、ｃ面から２度ａ面方向に傾いた表面を持つＳｉＣ傾斜基板２０１上で、第１の実施の形態で述べた近接昇華法により成長した第１の不純物添加ＳｉＣ層２０２および第２の不純物添加ＳｉＣ層２０３を形成しているので、極めて結晶品質がよく、内部量子効率は９０%を超えるものが作製可能である。また、ｃ面から２度ａ面方向に傾いた表面を持つＳｉＣ傾斜基板２０１は、近紫外発光ダイオードを構成する窒化物半導体のエピタキシャル成長に対しても適している。低欠陥密度で、結晶性に優れた窒化物半導体層が成長可能で、近紫外発光ダイオードの内部量子効率は６０%以上の高いものが得られる。

なお、本実施の形態では、ｃ面から２度ａ面方向に傾いた表面を持つＳｉＣ傾斜基板２０１を用いているが、傾斜角の範囲は１度から６度までに関しては、同様の効果が得られる。また、ｃ面からａ面方向に傾斜させたＳｉＣ傾斜基板について示したが、傾斜させる方向は特に限定しない。さらに、窒化物半導体により構成させる発光ダイオードのピーク波長は、蛍光層および発光ダイオードの量子効率の点で、３６５ｎｍから４００ｎｍまでが使用可能である。

第１の実施の形態に係る半導体基板の製造方法を示す図である。 第１の実施の形態に係る近接昇華法の基本装置構成と、温度分布を示す図である。 第１の実施の形態に係るｃ面からａ面方向への傾斜角を変化させたときのＳｉＣ単結晶層１０８の(０００４)面におけるＸ線回折半値幅を示す図である。 第２の実施の形態に係る窒化物系半導体素子の構造を示す図である。 現在市販されている窒化物系半導体素子の構成を示す図である。 新しく提案されている窒化物系半導体素子の素子構造を示す図である。 ｃ面から傾斜したＳｉＣ基板上の原子ステップと原料原子の表面拡散を示す図である。 ｃ面から傾斜したＳｉＣ基板上の原子ステップと原料原子の表面拡散を示す図である。

符号の説明

１０１…ＳｉＣ傾斜基板
１０２…ＳｉＣ単結晶層
１０３…複数の窒化物半導体層
１０４…電気炉
１０５…グラファイト製坩堝
１０６…ＳｉＣ原料
１０７…ＳｉＣ傾斜基板
１０８…ヒーター
１０９…ＳｉＣ単結晶層
２０１…ＳｉＣ傾斜基板
２０２…第１の不純物添加ＳｉＣ層
２０３…第２の不純物添加ＳｉＣ層
２０４…ＡｌＧａＮバッファ層
２０５…Ｎ−ＧａＮ第１コンタクト層
２０６…Ｎ−ＡｌＧａＮ第１クラッド層
２０７…ＧａＩｎＮ／ＧａＮ多重量子井戸活性層
２０８…ｐ−ＡｌＧａＮ電子ブロック層
２０９…ｐ−ＡｌＧａＮ第２クラッド層
２１０…ｐ−ＧａＮ第２コンタクト層
２１１…ｐ電極
２１２…ｎ電極
５０１…青色ＬＥＤチップ
５０２…リードフレーム
５０３…黄色蛍光体層
５０４…モールドレンズ
６０１…６Ｈ型ＳｉＣ基板
６０２…第１の不純物添加ＳｉＣ層
６０３…第２の不純物添加ＳｉＣ層
６０４…窒化物半導体によるダブルへテロ構造
６０５…ｐ電極
６０６…ｎ電極
７０１…ＳｉＣ傾斜基板
７０２…原子ステップ
７０３…テラス部
７０４…Ｓｉ原子
７０５…ｃ原子
７０６…ＳｉＣ単結晶層

Claims (5)

1. ｃ面から１度以上６度以下の範囲で傾斜した４Ｈ型もしくは６Ｈ型ＳｉＣ単結晶基板上に近接昇華法を用いてＳｉＣ単結晶層を結晶成長させることを特徴とする半導体基板の製造方法。
2. 上記ＳｉＣ単結晶基板と上記ＳｉＣ単結晶層の原料との間隔を５ｍｍ以下にして、同ＳｉＣ単結晶基板上に同ＳｉＣ単結晶層を結晶成長させることを特徴とする請求項１に記載の半導体基板の製造方法。
3. ｃ面から１度以上６度以下の範囲で傾斜した４Ｈ型若しくは６Ｈ型ＳｉＣ単結晶基板上に、近接昇華法を用いてＳｉＣ単結晶層を成長させ、その上に窒化物半導体層を成長させることを特徴とする半導体基板の製造方法。
4. ｃ面から１度以上６度以下の範囲で傾斜した６Ｈ型ＳｉＣ単結晶基板上に形成され、少なくともホウ素とアルミニウムと窒素を不純物として含む６Ｈ型ＳｉＣ単結晶層と、
   窒化物半導体からなる複数の結晶層とを具備することを特徴とする窒化物系半導体素子。
5. 上記窒化物半導体から発光される光の発光ピーク波長が３６５ｎｍ以上かつ４００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項４に記載の窒化物系半導体素子。