JP2006339308A - 半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 発光ダイオードで、サファイア基板より安く、Ｚ板水晶基板よりも高温で強い基板が求められていた。
【解決手段】 本発明ではＸ板水晶基板を用いることにより、Ｚ板水晶基板より高温において強度の強い基板が得られる。これはＸ板水晶基板が結晶軸に対して熱膨張が少ないので、Ｚ板水晶基板に比べて歪みがおきにくく、割れる確率が低くなる。
【選択図】 図 １

Description

本発明は、化合物半導体デバイスなどに用いられる水晶基板に関する。

半導体発光素子として窒化ガリウム等を用いて青色発光ダイオードやレーザを製造する際の基板として、サファイア基板が使用されるのが一般的である。サファイア基板の上にＭＯＣＶＤにより窒化ガリウムを結晶成長されるが、格子不整合を小さくして欠陥を少なくするためにa面またはｃ面サファイア基板を用いている。これにより基板表面に多結晶または非晶質のＡｌＮバッファ層や低温成長ＧａＮバッファ層を形成している。
しかしサファイア基板は値段が高く、コスト高となる。またサファイア結晶には欠陥が多く、これを引き継ぐ結晶膜に欠陥を生じやすい欠点があった。そこでサファイア基板に代わって、水晶基板を用いた例もある。水晶基板を用いることにより安価な基板を用いてコストダウンを実現しようとしている。

しかし、ダイオードの製造工程では、摂氏千度を超える温度まで上昇するので、水晶板を用いた場合、低温型水晶は、一般的にα水晶と呼ばれるが、摂氏５７３度（キューリー点）でβ水晶に転移する。そしてβ水晶に転移した水晶板は、再び冷却され、α水晶に転移する。
水晶結晶には熱による可逆性があり、α水晶からβ水晶、β水晶からα水晶へと転移できる性質がある。しかしα水晶からβ水晶、またβ水晶からα水晶に戻るときに摂氏５７３度（キューリー点）でクラックが入り易く、水晶板が割れてしまう。
このように低温型水晶ではα水晶からβ水晶へ、そしてβ水晶からα水晶へ戻る際に、クラックを生じ易い。
そこで熱を加えてβ水晶になっても、温度を下げる際に熱ストレスに耐える水晶結晶板が求められている。

そこで、他の水晶基板を用いて半導体発光素子を作れないか、研究されていた。

特開平１１−７９８９７号公報 特開２０００−５８９１２号公報 特開２００２−１８５０４２号公報

なお出願人は前記した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を、本件出願時までに発見するに至らなかった。

本発明が解決しようとする課題は、発光ダイオードをより安価で安定にするため、水晶基板を用いられないか検討されていた。

特許文献１には、窒化ガリウム厚膜（ＧａＮ）の結晶成長方法で、基板にＺカット水晶板を用いた例が示されている。図４は、一般的な窒化ガリウムを用いた発光ダイオードの構造の断面図である。
水晶基板上にバッファ層、さらに窒化ガリウム結晶を積層し、さらにＩｎＧａＮを積層している。
特許文献２、特許文献３には、Ｚカット水晶板を用いた「半導体発光素子」が示されている。
上記従来技術の水晶結晶板は、いずれもＺカット水晶を使用しており、摂氏５７３度（キューリー点）を通過するときに熱歪みで水晶板が破壊されることは免れない。
そこでα水晶からβ水晶へ、またβ水晶からα水晶へ転移する際の熱歪みによるクラック、破損を生じない水晶結晶、水晶板が求められていた。

そこで本発明では、水晶基板としてZ板水晶基板を用いず、Ｘ板水晶基板を使用した。Ｚ板は従来の水晶基板に比べて高温時の温度勾配が大きい場合でも強度に優れていたが、さらにＸ板水晶基板を用いたことにより、もっと強度に優れた基板として使用できることがわかった。

本発明によって、水晶基板を高温に加熱した際に熱による基板破損が従来に比べ強度を強くすることが出来た。そのためこの水晶基板を用いた発光ダイオード等発光素子の歩留まりを向上させることが出来るようになった。

本発明を以下実施例を挙げながら説明する。

図１は、本発明の実施例を示す構造断面図である。
Ｘ板水晶板を基板として、バッファ層を形成し、その上にＭＯＣＶＤにより窒化ガリウムを結晶成長させる。さらにＡｌＧａＮ層、ＩｎＧａＮ層、ＡｌＧａｎ層、ＧａＮ層を形成して、それぞれのＧａＮ層に電極を形成して青色発光ダイオードを形成している。
基板には、サファイアではなくまた水晶基板として、Ｚ板ではなくＸ板水晶基板を用いている。

ここでなぜ基板として、サファイア基板、Ｚ板水晶基板に比べＸ板水晶基板がいいかを、検証する。
図２には、５７３℃付近における温度勾配の大小を表を用いて表している。
各温度勾配に対して、歪みの少なかったのがＸ板水晶板であり、Ｚ板がそれに続いている。
ＡＴカット水晶板、Ｒカット水晶板、Ｙカット水晶板では、温度勾配が大きいほど割れなどを生じて不向きである。
しかしＸ板水晶板では、各温度勾配に対応して割れが生じなかった。

Ｘ板水晶基板が割れにくい理由は、次の通りである。
ここに比較のため、２インチの水晶基板における例を示す。Ｚ板水晶の常温（２５℃）と５７３℃付近での熱膨張による歪み量が、Ｘ軸方向とＹ軸方向では、常温と５７２℃では約１．０５６ｍｍ、２５℃と５７３℃では、約１．１６９ｍｍ延びる。この５７２℃と５７３℃との歪み量の差は、約０．１１３ｍｍである。
Ｚ板水晶では、交差する軸方向ＸＹ軸ともにほぼ均一に延び縮みする。
一方Ｘ板水晶では、同様に板面上で交差するＸ軸とＺ軸のそれぞれの熱膨張による歪み量が、Ｙ軸方向には、常温と５７２℃では約１．０５６ｍｍ、２５℃と５７３℃では、約１．１６９ｍｍ延びる。この５７２℃と５７３℃との歪み量の差は、約０．１１３ｍｍである。
しかしＺ軸方向では、２５℃と５７２℃では約０．７２２４ｍｍ、常温と５７３℃では、約０．７７９５ｍｍ延びる。この５７２℃と５７３℃との歪み量の差は、約０．０５７１ｍｍで、Ｘ軸、Ｙ軸に比べて半分の歪み量であり、これが割れにくい理由であると考えられる。
すなわちＺ板水晶基板に比べ、Ｘ板水晶基板の方が、５７３℃以上に加熱した際の熱歪みが少ないので、その分水晶基板の割れが少ないと考えられる。

本発明により青色発光ダイオードの基板として、従来のＺ板水晶基板に比べ、熱歪みによる割れが少なく、またサファイア基板に比べ、価格も安価で、水晶の方がサファイアに比べて欠陥が少なく、これを引き継ぐ結晶膜に欠陥を生じにくい長所がある。

本発明は、青色発光ダイオードを形成するため基板にＸカット水晶基板を実施例に用いたが、他の発光ダイオードやレーザ発光素子にも応用することが出来る。

図1は、本発明の発光ダイオードの構造を示す断面図である。 図２は、他の水晶基板との温度勾配を変えたときの比較表である。 図３は、従来の発光ダイオードの構造を示す断面図である。

Claims (1)

1. 水晶基板に窒化ガリウムの薄膜を形成してなる半導体発光素子において、該水晶基板がＸカット水晶であることを特徴とする半導体発光素子。

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