JP2007134463A

JP2007134463A - 窒化物半導体成長基板及びその製造方法

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Publication number: JP2007134463A
Application number: JP2005325264A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Aoki; 和夫青木; Seishi Shimamura; 清史島村; Villora Encarnacion Antonia Garcia; ビジョラエンカルナシオンアントニアガルシア
Original assignee: Koha Co Ltd
Current assignee: Koha Co Ltd
Priority date: 2005-11-09
Filing date: 2005-11-09
Publication date: 2007-05-31
Anticipated expiration: 2025-11-09
Also published as: JP4960621B2

Abstract

【課題】ガリウム酸化物基板を用い、このガリウム酸化物基板上に窒化物半導体を成長させるのに好ましいバッファ層として、（０００１）の面方位以外の面方位に形成した窒化物半導体成長基板及びその製造方法を提供する。
【解決手段】ガリウム酸化物基板と、ガリウム酸化物基板上に６００℃以下の成長温度条件で、水素キャリアにより所定の面方位に形成された窒化物半導体のバッファ層とを有する窒化物半導体成長基板とする。これにより、バッファ層の上に成長させた窒化物半導体は分極が小さく、あるいは、分極なしに形成できるので、発光効率の高い発光素子を形成するのに適した窒化物半導体成長基板及びその製造方法が可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、窒化物半導体をバッファ層に有する窒化物半導体成長基板及びその製造方法に関し、特に、窒化ガリウムのバッファ層の面方位を特定の方向に制御したガリウム酸化物基板及びその製造方法に関する。

従来の発光素子として、窒化物半導体発光素子として、サファイア基板やＳｉＣ基板上に、少なくともｎ型Ｉｎ_aＡｌ_bＧａ_1-a-bＮ（０≦ａ、０≦ｂ、ａ＋ｂ≦１）よりなるｎ型クラッド層と、単一量子井戸若しくは多重量子井戸構造を有するＩｎ_XＡｌ_bＧａ_1-XＮ（０≦Ｘ＜１）よりなる活性層と、ｐ型Ａｌ_YＧａ_1-YＮ層（０≦Ｙ＜１、Ｘ≠Ｙ＝０）よりなるｐ型クラッド層と、ｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層との積層構造を有するＬＥＤ等の発光素子が開発されている(例えば、特許文献１参照)。

しかし、ウルツ鉱構造のIII族窒化物半導体は分極物質であり、歪量子井戸には圧電分極による大きな内部電場が誘起されて電子と正孔の波動関数が空間的に分離され、発光確率を減少させる。すなわち、圧電分極により井戸の両端に固定電荷が誘起されて電場が発生し、電子と正孔が空間的に分離される量子井戸における量子閉じ込めシュタルク効果により、発光素子が光りにくくなり、発光効率が低下するという問題がある。

これは、サファイア基板やＳｉＣ基板上に形成する窒化物半導体の低温バッファ層は面方位が（０００１）面となり、これらにより構成される窒化物半導体成長基板を用いて発光素子を形成することに起因する。

一方、窒化物半導体を成長させる基板としてガリウム酸化物基板、及び、これを用いた発光素子が提案されている。ガリウム酸化物基板であるβ−Ｇａ_２Ｏ_３基板上にＭＯＣＶＤ装置によりＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮバッファ層（ただし０≦ｘ≦１）を設け、このバッファ層の上に窒化物半導体を成長させて形成した発光素子が提案されている(例えば、特許文献２参照)。
特開２０００−９１６３５号公報特開２００４−５６０９８号公報

しかし、サファイア基板やＳｉＣ基板上に窒化物半導体をエピタキシャル成長させてＬＥＤ等の発光素子を形成させる場合には、基板の面方位又はバッファ層の面方位の影響により、ウルツ鉱構造の（０００１）面の面方位に窒化物半導体がエピタキシャル成長し、他の面方位に成長させることは困難であり、分極により発光素子が光りにくくなり、発光効率が低下する。

一方、基板としてガリウム酸化物基板を用いて窒化物半導体を成長させる場合も上記同様の問題があるものの、ガリウム酸化物基板へのバッファ層の形成条件によっては、上記課題を解決できる可能性がある。

従って、本発明の目的は、ガリウム酸化物基板を用い、このガリウム酸化物基板上に窒化物半導体を成長させるのに好ましいバッファ層として、（０００１）の面方位以外の面方位に形成した窒化物半導体成長基板及びその製造方法を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するために、ガリウム酸化物基板と、前記ガリウム酸化物基板上に６００℃以下の成長温度条件で、水素キャリアにより所定の面方位に形成された窒化物半導体のバッファ層と、を有する窒化物半導体成長基板を提供する。

また、本発明は、ガリウム酸化物基板と、前記ガリウム酸化物基板上に６００℃以上の成長温度条件で、ヘリウムキャリアにより所定の面方位に形成された窒化物半導体のバッファ層と、を有する窒化物半導体成長基板を提供する。

また、前記ガリウム酸化物基板は、β―Ｇａ_２Ｏ_３基板であってもよく、前記窒化物半導体のバッファ層は、ＧａＮバッファ層であってもよく、前記所定の面方位は、（１−１００）面であってもよく、また、前記所定の面方位は、（１−１０１）面であってもよい。

また、本発明は、上記目的を達成するために、ガリウム酸化物基板を準備する工程と、前記ガリウム酸化物基板上に、６００℃以下の成長温度条件の下で、水素キャリアにより所定の面方位の窒化物半導体層をバッファ層として形成する工程とを有する窒化物半導体成長基板の製造方法を提供する。

また、本発明は、上記目的を達成するために、ガリウム酸化物基板を準備する工程と、前記ガリウム酸化物基板上に、６００℃以上の成長温度条件の下で、ヘリウムキャリアにより所定の面方位の窒化物半導体層をバッファ層として形成する工程とを有する窒化物半導体成長基板の製造方法を提供する。

本発明によれば、ガリウム酸化物基板上に窒化物半導体を成長させるのに好ましい、（０００１）の面方位以外の面方位に成長したバッファ層が得られるので、バッファ層の上に成長させた窒化物半導体は分極が小さく、あるいは、分極なしに形成できるので、発光効率の高い発光素子を形成するのに適した窒化物半導体成長基板及びその製造方法が可能となる。

（第１の実施の形態）
（第１の実施の形態の構成）
図１は、第１の実施の形態に係る窒化物半導体成長基板の構造を示す図である。窒化物半導体成長基板１は、ガリウム酸化物基板であるＧａ_２Ｏ_３系半導体基板２と、このＧａ_２Ｏ_３系半導体基板２の上に水素キャリアにより所定の面方位に形成された窒化物半導体であるＧａＮ系化合物半導体のバッファ層３とから構成される。

ここで、ガリウム酸化物には、Ｇａ_２Ｏ_３、（Ｉｎ_xＧａ_1-x）₂Ｏ₃、（Ａｌ_xＧａ_1-x）₂Ｏ₃、（Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-y）₂Ｏ₃等からなるものが含まれ、これらに対し原子置換あるいは原子欠陥によってｎ型導電性あるいはｐ型導電性を示すものも含まれる。ただし、０≦Ｘ＜１、０≦Ｙ＜１とする。また、窒化物半導体には、ＧａＮ、ＡｌＮ、Ｉｎ_zＧａ_1-zＮ、Ａｌ_zＧａ_1-zＮ、又は、Ｉｎ_zＡｌ_pＧａ_1-z-pＮ等からなるものが含まれ、これらに対し原子置換あるいは原子欠陥によってｎ型導電性あるいはｐ型導電性を示すものも含まれる。ただし、０≦Ｚ＜１、０≦Ｐ＜１とする。

（窒化物半導体のバッファ層の形成方法）
結晶成長は、化合物半導体の結晶成長に最も実績のあるＭＯＶＰＥ（ＭｅｔａｌＯｒｇａｎｉｃＶａｐｏｒＰｈａｓｅＥｐｉｔａｘｙ）法を用いて行なう。結晶成長原料は、Ｇａ原料としてはトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を、窒素原料としてはアンモニアをそれぞれ使用する。例えば、成長圧力は、１００ｔｏｒｒ、アンモニア流量は、１２００ｓｃｃｍ（＝ｓｔａｎｄａｒｄｃｃ／ｍｉｎ）である。成長炉に入れる前の基板の洗浄前処理は、硝酸処理、純水置換洗浄、流水洗浄、超音波洗浄等により行う。

ＴＭＧをＧａ_２Ｏ_３系半導体基板２に供給するため、水素Ｈ_２ガスをキャリアガスとして使用する。

また、Ｇａ_２Ｏ_３系半導体基板２は、バッファ層３を積層する面が（１００）面である劈開面または研磨面であるものを使用した。Ｇａ_２Ｏ_３系半導体基板２の面方位としては、上記の面方位の他に、（０１０）面、（００１）面、（８０１）面等が使用できる。

また、Ｇａ_２Ｏ_３系半導体基板２にバッファ層３を形成する前に、Ｇａ_２Ｏ_３系半導体基板２の表面に窒化処理あるいは成長前熱処理を施してもよい。

ここで、表１は、Ｎｏ．１〜５のサンプルについて、水素キャリアを使用してバッファ層形成時の成長温度条件を変化させた場合に、Ｇａ_２Ｏ_３系半導体基板２上に形成されるＧａＮのバッファ層３の面方位を示すものである。すなわち、Ｇａ_２Ｏ_３系半導体基板２の厚さ、ＴＭＧ流量（ｓｃｃｍ）、バッファ層３の成長時間ｔｇ（ｓｅｃ）、成長温度Ｔｇ（℃）を変化させて、Ｇａ_２Ｏ_３系半導体基板２上に形成された低温バッファ層３を光学顕微鏡写真及びＳＥＭ写真等を基にして、面方位を特定した結果を示すものである。

表１において、成長温度Ｔｇの変化により、Ｇａ_２Ｏ_３系半導体基板２上に成長したバッファ層３の面方位が変化する。表面モフォロジーとＸ線の解析から５５０℃〜６００℃では（１−１００）面、６５０℃でｃ面：（０００１）（＝Ｇａ面）、７００℃ではＧａ面と（０００−１）窒素面が混在した成長、７５０℃では（０００−１）窒素面が成長している。

これによれば、水素キャリアを使用して、Ｇａ_２Ｏ_３系半導体基板２上にＧａＮのバッファ層３を形成する場合、バッファ層の成長温度Ｔｇを制御することによりバッファ層の面方位を所定の面方位にすることが可能である。具体的には、６５０℃でｃ面、すなわち、（０００１）面が得られるので、バッファ層の成長温度Ｔｇを６５０℃より低く、好ましくは、６００℃以下の成長条件とすることで、所定の面方位が得られる。所定の面方位として、具体的には、（１−１００）面が挙げられる。これに限らず、ｃ面以外の面方位を有するものであればよく、（１１−２０）、（１−１０２）面等であってもよい。

（第１の実施の形態の効果）
図２は、ウルツ鉱構造ＧａＮの結晶構造を示すものである。ナイトライド系半導体は、主に六方晶ウルツ鉱構造が安定となる。白丸がＧａ原子、黒丸が窒素原子を表している。従来の窒化物半導体のバッファ層は、面方位がｃ面：（０００１）となって成長しているので、このバッファ層の上に窒化物半導体のエピタキシャル層をさらに成長させると、バッファ層の面方位に倣い成長するので、成長したエピタキシャル層もｃ面：（０００１）となる。（０００１）面方位を持つエピタキシャル層は、Ｇａ原子及び窒素原子が分極構造になり、この面方位を持つ窒化物半導体成長基板により発光素子を形成しても、光りにくく、また、発光効率が低下する。

これに対し、図３（ａ）は、第１の実施の形態により得られる窒化物半導体のバッファ層の面方位を表す図であり、ｍ面：（１−１００）面が得られる。従って、本発明の実施の形態によれば、上記のように所定のバッファ層面方位が得られ、このバッファ層を有する窒化物半導体成長基板により発光素子を形成すれば、分極が小さくなり、発光効率の大きな発光素子を得ることが可能となる。

（第２の実施の形態）
第１の実施の形態に係る窒化物半導体成長基板と同様に、窒化物半導体成長基板１は、ガリウム酸化物基板であるＧａ_２Ｏ_３系半導体基板２と、このＧａ_２Ｏ_３系半導体基板２の上にヘリウムキャリアにより所定の面方位に形成された窒化物半導体であるＧａＮ系化合物半導体のバッファ層３とから構成される。

ここで、ガリウム酸化物には、Ｇａ_２Ｏ_３、（Ｉｎ_xＧａ_1-x）₂Ｏ₃、（Ａｌ_xＧａ_1-x）₂Ｏ₃、（Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-y）₂Ｏ₃等からなるものが含まれ、これらに対し原子置換あるいは原子欠陥によってｎ型導電性あるいはｐ型導電性を示すものも含まれる。ただし、０≦Ｘ＜１、０≦Ｙ＜１とする。また、窒化物半導体には、ＧａＮ、Ｉｎ_zＧａ_1-zＮ、Ａｌ_zＧａ_1-zＮ、又は、Ｉｎ_zＡｌ_pＧａ_1-z-pＮ等からなるものが含まれ、これらに対し原子置換あるいは原子欠陥によってｎ型導電性あるいはｐ型導電性を示すものも含まれる。ただし、０≦Ｚ＜１、０≦Ｐ＜１とする。

（窒化物半導体のバッファ層の形成方法）
結晶成長は、化合物半導体の結晶成長に最も実績のあるＭＯＶＰＥ法を用いて行なう。結晶成長原料は、Ｇａ原料としてはトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を、窒素原料としてはアンモニアをそれぞれ使用する。例えば、成長圧力は、１００ｔｏｒｒ、アンモニア流量は、１２００ｓｃｃｍである。成長炉に入れる前の基板の洗浄前処理は、硝酸処理、純水置換洗浄、流水洗浄、超音波洗浄等により行う。

ＴＭＧをＧａ_２Ｏ_３系半導体基板２に供給するため、ヘリウムガスをキャリアガスとして使用する。

ここで、表２は、Ｎｏ．６〜９のサンプルについて、ヘリウムキャリアを使用して、バッファ層形成時の成長温度条件を変化させた場合に、Ｇａ_２Ｏ_３系半導体基板２上に形成されるＧａＮのバッファ層３の面方位を示すものである。すなわち、Ｇａ_２Ｏ_３系半導体基板２の厚さ、ＴＭＧ流量（ｓｃｃｍ）、バッファ層３の成長時間ｔｇ（ｓｅｃ）、成長温度Ｔｇ（℃）を変化させて、Ｇａ_２Ｏ_３系半導体基板２上に形成された低温バッファ層３を光学顕微鏡写真及びＳＥＭ写真等を基にして、面方位を特定した結果を示すものである。

表２において、成長温度Ｔｇの変化により、Ｇａ_２Ｏ_３系半導体基板２上に成長したバッファ層３の面方位が変化する。表面モフォロジーとＸ線の解析から５３０℃〜５８０℃ではｃ面：（０００１）面、すなわち、Ｇａ面、６３０℃〜６８０℃で（１−１０１）面が成長している。

これによれば、ヘリウムキャリアを使用して、Ｇａ_２Ｏ_３系半導体基板２上にＧａＮのバッファ層３を形成する場合、バッファ層の成長温度Ｔｇを制御することによりバッファ層の面方位を所定の面方位にすることが可能である。具体的には、５８０℃でｃ面、すなわち、（０００１）面が得られるので、バッファ層の成長温度Ｔｇを５８０℃より高く、好ましくは、６００℃以上の成長温度とすることで、所定の面方位が得られる。所定の面方位として、具体的には、（１−１０１）面が挙げられる。これに限らず、ｃ面以外の面方位を有するものであればよく、（１１−２０）、（１−１０２）面等であってもよい。

（第２の実施の形態の効果）
図３（ｂ）は、第２の実施の形態により得られる窒化物半導体のバッファ層の面方位を表す図であり、（１−１０１）面が得られる。従って、本発明の実施の形態によれば、上記のように所定のバッファ層面方位が得られ、このバッファ層を有する窒化物半導体成長基板により発光素子を形成すれば、分極が小さくなり、発光効率の大きな発光素子を得ることが可能となる。

第１の実施の形態に係る窒化物半導体成長基板の構造を示す図である。ウルツ鉱構造ＧａＮの結晶構造を示すものである。図３（ａ）は、第１の実施の形態により得られる窒化物半導体のバッファ層の面方位を表す図である。また、図３（ｂ）は、第２の実施の形態により得られる窒化物半導体のバッファ層の面方位を表す図である。

符号の説明

１窒化物半導体成長基板
２Ｇａ_２Ｏ_３系半導体基板
３バッファ層

Claims

ガリウム酸化物基板と、
前記ガリウム酸化物基板上に６００℃以下の成長温度条件で、水素キャリアにより所定の面方位に形成された窒化物半導体のバッファ層と、を有する窒化物半導体成長基板。
ガリウム酸化物基板と、
前記ガリウム酸化物基板上に６００℃以上の成長温度条件で、ヘリウムキャリアにより所定の面方位に形成された窒化物半導体のバッファ層と、を有する窒化物半導体成長基板。
前記ガリウム酸化物基板は、β―Ｇａ_２Ｏ_３基板であることを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化物半導体成長基板。
前記窒化物半導体のバッファ層は、ＧａＮバッファ層であることを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化物半導体成長基板。
前記所定の面方位は、（１−１００）面である請求項１に記載の窒化物半導体成長基板。
前記所定の面方位は、（１−１０１）面である請求項２に記載の窒化物半導体成長基板。
ガリウム酸化物基板を準備する工程と、
前記ガリウム酸化物基板上に、６００℃以下の成長温度条件の下で、水素キャリアにより所定の面方位の窒化物半導体層をバッファ層として形成する工程とを有する窒化物半導体成長基板の製造方法。
ガリウム酸化物基板を準備する工程と、
前記ガリウム酸化物基板上に、６００℃以上の成長温度条件の下で、ヘリウムキャリアにより所定の面方位の窒化物半導体層をバッファ層として形成する工程とを有する窒化物半導体成長基板の製造方法。
前記ガリウム酸化物基板は、β―Ｇａ_２Ｏ_３基板であることを特徴とする請求項７又は８に記載の窒化物半導体成長基板の製造方法。
前記窒化物半導体のバッファ層は、ＧａＮバッファ層であることを特徴とする請求項７又は８に記載の窒化物半導体成長基板の製造方法。
前記所定の面方位は、（１−１００）面である請求項７に記載の窒化物半導体成長基板の製造方法。
前記所定の面方位は、（１−１０１）面である請求項８に記載の窒化物半導体成長基板の製造方法。