JP2008133180A - 金属層上に成長した化合物半導体基板、その製造方法、及びそれを用いた化合物半導体素子 - Google Patents
金属層上に成長した化合物半導体基板、その製造方法、及びそれを用いた化合物半導体素子 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】金属層上に化合物半導体層が成長した半導体基板を簡便かつ安価で製造することができる方法、並びにそれによって製造された化合物半導体基板及び素子を提供する。
【解決手段】化合物半導体基板の製造方法は、（ａ）複数の球形ボールを用意するステップと、（ｂ）基板上に複数の球形ボールをコーティングするステップと、（ｃ）球形ボールがコーティングされた基板上に球形ボールの直径より小さい厚さの金属層を蒸着するステップと、（ｄ）金属層が蒸着された基板から複数の球形ボールを除去するステップと、（ｅ）複数の球形ボールが除去されて露出した基板の表面から化合物半導体層を成長させるステップと、（ｆ）化合物半導体層を側面方向に成長させて金属層上で互いに繋げるステップと、（ｇ）化合物半導体層を目標とする厚さまで成長させるステップとを含む。
【選択図】なし
【解決手段】化合物半導体基板の製造方法は、（ａ）複数の球形ボールを用意するステップと、（ｂ）基板上に複数の球形ボールをコーティングするステップと、（ｃ）球形ボールがコーティングされた基板上に球形ボールの直径より小さい厚さの金属層を蒸着するステップと、（ｄ）金属層が蒸着された基板から複数の球形ボールを除去するステップと、（ｅ）複数の球形ボールが除去されて露出した基板の表面から化合物半導体層を成長させるステップと、（ｆ）化合物半導体層を側面方向に成長させて金属層上で互いに繋げるステップと、（ｇ）化合物半導体層を目標とする厚さまで成長させるステップとを含む。
【選択図】なし
Description
本発明は、発光素子などの製造に使われる化合物半導体基板、及びその製造方法に関し、より詳しくは、金属層上に化合物半導体層が成長した半導体基板を容易かつ安価で製造することができる方法、並びにそれによって製造された化合物半導体基板及び素子に関する。
典型的な化合物半導体としての窒化ガリウム（ＧａＮ）は青色発光素子や高温電子素子などの応用に好適な物質として知られている。近年、このような青色発光素子などの需要が急増するにつれて、ＧａＮ基板に対する需要が増加している。しかし、高品質のＧａＮ基板は非常に製造し難く、その製造コストや時間がかかり過ぎる。例えば、高品質ＧａＮ基板の製造に広く使われるＥＬＯ（Ｅｐｉｔａｘｉａｌ Ｌａｔｅｒａｌ Ｏｖｅｒｇｒｏｗｔｈ）法の場合、基板とＧａＮ結晶間に存在する格子定数差や熱膨張係数差によるストレスの発生をストライプ形態のＳｉＯ２マスクを使って減少させる。すなわち、ＥＬＯ法は、基板上にＧａＮ薄膜を成長させた後、ＧａＮ薄膜が成長した基板を反応器から取り出し蒸着装備に装入してＧａＮ薄膜上にＳｉＯ２薄膜を形成させ、ＳｉＯ２薄膜が蒸着された基板を蒸着装備から取り出しフォトリソグラフィー法でＳｉＯ２マスクパターンを形成し、これを再び反応器に装入してＧａＮ薄膜を形成する方法である（より詳しくは、韓国特許第４５５２７７号公報参照）。しかし、このようなＥＬＯ法は前述したような複雑な工程を経ることになり、工程に長時間がかかるだけでなく、再現性と歩留にも問題がある。
一方、前述したような化合物半導体を使って製造された発光素子の発光効率の向上や消費電力の節減も重要な課題である。すなわち、発光素子の活性層から発生した光は発光素子の表面側に放出されるが、基板側にも放出されて基板によって吸収されるなど発光効率が落ちるようになる。これを解決するため、表面が微細加工された基板（ｐａｔｔｅｒｎｅｄ ｓｕｂｓｔａｒａｔｅ）を使用し、活性層から発生して基板側に放出される光を乱反射させて基板による透過や吸収を減らすことで、発光素子の表面側への発光効率を増加させようとする試みがある。しかし、基板を微細加工するためには、複雑な工程及び時間を必要とするという短所がある。
また、米国特許第６，２３９，００５号では、サファイア基板の表面にエピタキシャル白金層を形成した後、その上にＧａＮ層を有機金属気相エピタキシャル成長法で成長させる技術を提案している。すなわち、該白金層を反射鏡を兼ねた下部電極として使うことで、発光効率の向上及び電極抵抗の低減を図っている。しかし、本来金属層上にＧａＮ層を成長させることは非常に難しいため、上記米国特許では、絶縁性基材の単結晶構造の特定結晶で表層を形成し、この表層上に白金層を特定の結晶軸方向にエピタキシャル成長させ、さらにその上にＧａＮ層をエピタキシャル成長させる、非常に高費用の工程を提案している。
このように、結晶欠陷の少ない高品質の化合物半導体基板を製造するためには、フォトリソグラフィー工程のように高費用で複雑な工程を必要とし、また発光効率を向上させて消費電力を低減させるためにも、高費用の工程を必要とすることが現状である。さらに、高い費用がかかるにもかかわらず、再現性と歩留が低いことも解決しなければならない課題である。
したがって、本発明が達成しようとする技術的課題は、前述した従来技術の問題点を克服して簡便かつ安価な方法で高品質、高効率の化合物半導体基板、及びその製造方法を提供することである。
上記技術的課題を達成するために本発明では、複雑で高費用のかかるフォトリソグラフィー工程やエピタキシャル成長した金属層上に化合物半導体層をエピタキシャル成長させる技術を使わず、球形ボールを用いる。
すなわち、本発明による化合物半導体基板の製造方法は、（ａ）複数の球形ボールを用意するステップと、（ｂ）基板上に複数の球形ボールをコーティングするステップと、（ｃ）球形ボールがコーティングされた基板上に球形ボールの直径より小さい厚さの金属層を蒸着するステップと、（ｄ）金属層が蒸着された基板から複数の球形ボールを除去するステップと、（ｅ）複数の球形ボールが除去されて露出した基板の表面から化合物半導体層を成長させるステップと、（ｆ）化合物半導体層を側面方向に成長させて金属層上で互いに繋げるステップと、（ｇ）化合物半導体層を目標とする厚さまで成長させるステップとを含む。
ここで、前記球形ボールは酸化シリコン（ＳｉＯ２）ボール、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）ボール、酸化チタン（ＴｉＯ２）ボール、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）ボール、Ｙ２Ｏ３‐ＺｒＯ２ボール、酸化銅（ＣｕＯ、Ｃｕ２Ｏ）ボール、酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）ボール、ＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）ボール、Ｎｂ２Ｏ５ボール、ＦｅＳＯ４ボール、Ｆｅ３Ｏ４ボール、Ｆｅ２Ｏ３ボール、Ｎａ２ＳＯ４ボール、ＧｅＯ２ボール、またはＣｄＳボールからなることができ、大きさや製造の容易性の観点から酸化シリコンボールが望ましい。
また、前記球形ボールは、ディップコーティング（ｄｉｐ ｃｏａｔｉｎｇ）やスピンコーティング（ｓｐｉｎ ｃｏａｔｉｎｇ）のような簡単な方法で基板上にコーティングすることができ、超音波洗浄や化学的エッチングを通じて簡単に除去することができる。
また、前記金属層は、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｃｒ、ＡｌまたはＣｕからなることができ、通常のスパッタリング（ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）やエバポレーション（ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ）方式で蒸着することができる。
このように、本発明の製造方法は難しい制御を必要とせず、簡便かつ安価な工程からなる。
このような方法によって製造される本発明による化合物半導体基板は、基板と、基板の表面を露出させる複数の円形開口部が形成された基板上に積層された金属層と、複数の円形開口部によって露出した基板表面から成長して開口部を埋めて金属層を覆う化合物半導体層とを含む。
また、本発明によれば、前記化合物半導体基板を用いて化合物半導体素子を製造することができるが、該化合物半導体素子は、前記化合物半導体層が第１導電型の化合物半導体層、第１導電型の化合物半導体層上に形成された活性層、及び活性層上に形成された第２導電型の化合物半導体層を含み、前記金属層を第１電極として使用し、前記第２導電型の化合物半導体層上に形成された第２電極を含む構造を有する。
このように本発明の化合物半導体素子は、金属層を反射膜兼電極として使うことができ、発光効率の向上及び消費電力の節減が果たされる。
本発明による化合物半導体基板及びその製造方法によれば、球形ボールを用いて通常の蒸着方法によって蒸着された金属層に基板を露出させる開口部を形成し、該開口部から化合物半導体層を成長させる。よって、従来のフォトリソグラフィー工程を用いるＥＬＯ法やエピタキシャル金属層を成長させてその上に化合物半導体層を成長させる方法に比べ、高品質の化合物半導体基板を簡便かつ安価で、さらに高い再現性と生産性で製造することができる。
また、本発明によれば、金属層が化合物半導体素子の一方電極になるため、電気抵抗を低下させ消費電力の節減が可能であり、金属層が反射膜として機能するため、発光素子の発光効率を高めることができる。
以下、添付された図面を参照して本発明に係る望ましい実施例を詳細に説明する。しかし、以下の実施例は当技術分野で通常の知識を有する者が本発明を十分に理解できるように提供されるものであって多様な形態に変形されることができ、本発明の範囲が後述される実施例に限定されることはない。なお、以下の説明において、ある層が他の層の上に存在すると記載されたとき、これは他の層の直上に存在することも、その間に第３の層を介在することもできる。
図１ないし図６は、本発明の望ましい実施例に係る化合物半導体基板、及びそれを用いた化合物半導体素子を製造する過程を示した概略図である。図１の（ａ）及び図２ないし図６は断面図であり、図１の（ｂ）は平面図である（図２以下は平面図を省略した）。なお、図面において、各層の厚さや大きさは説明の便宜及び明確性のために誇張した。図面上の同一符号は同一要素を意味する。
図１を参照すれば、まず球形ボール１２を用意して基板１０上にコーティングする。球形ボールは酸化シリコン（ＳｉＯ２）ボール、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）ボール、酸化チタン（ＴｉＯ２）ボール、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）ボール、Ｙ２Ｏ３‐ＺｒＯ２ボール、酸化銅（ＣｕＯ、Ｃｕ２Ｏ）ボール、酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）ボール、ＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）ボール、Ｎｂ２Ｏ５ボール、ＦｅＳＯ４ボール、Ｆｅ３Ｏ４ボール、Ｆｅ２Ｏ３ボール、Ｎａ２ＳＯ４ボール、ＧｅＯ２ボールまたはＣｄＳボールなど多様な材料から製造したり、また、購入して用意することができる。また、球形ボールの大きさ（直径）は、最終完成品である化合物半導体素子の種類と大きさに応じて数ナノメートル（ｎｍ）〜数十マイクロメートル（μｍ）まで多様に選択することができる。近年発光素子として使われるＧａＮ基板でＧａＮ層の厚さが通常数μｍであることを勘案すると、例えば１０ｎｍ〜２μｍの大きさを有する球形ボールが望ましい。また、基板１０上にコーティングして後で除去する工程の便宜性を考慮すると、酸化シリコン（ＳｉＯ２）ボールが好適である。
酸化シリコン（ＳｉＯ２）ボールを例に挙げてその製造方法を説明する。まず球形ボール１２を製造するためにＴＥＯＳ（ｔｅｔｒａｅｔｈｙｌ ｏｒｔｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ）を無水エタノールに溶かして第１溶液を調製する。また、アンモニアが溶解されたエタノールと脱イオン化した水とエタノールを混ぜて第２溶液を調製する。アンモニアは球形ボールを製造するための触媒剤として作用する。次いで、第１溶液と第２溶液を混ぜた後、所定温度で所定時間撹拌すると球形の酸化シリコンボールが製造される。このようにして得られた球形ボールが含まれた溶液から遠心分離を通じて球形ボールを分離した後、エタノールで洗浄し、エタノール溶液に再分散させてスラリー（ｓｌｕｒｒｙ）と類似の形態の球形ボールが分散した溶液を得る。球形ボールは製造条件、すなわち反応時間、温度、反応物質の量によって、多様な大きさに製造することができる。一方、本出願人は、本願出願に引用されている２００５年３月９日付で韓国に出願され（出願番号：１０−２００５−００１９６０５）２００６年９月１９日付で公開された（公開番号：１０−２００６−００９８９７７）特許出願において、球形ボールがコーティングされた基板に化合物半導体層を成長させる方法を提案している。酸化シリコンボールのより詳細な製造方法は該出願に開示されている。
このようにして得られた球形ボール１２が分散した溶液を、滴下（ｄｒｏｐ）、浸漬（ｄｉｐｐｉｎｇ）、スピンコーティング（ｓｐｉｎ ｃｏａｔｉｎｇ）のような方法で基板１０上にコーティングする。このとき、コーティング時間と回数を適切に制御すれば、基板上の球形ボール１２の密度を多様に調節することができる。図１に示されたように、球形ボール１２は密集し過ぎず基板が適当に露出する程度にコーティングされることが望ましい。球形ボール１２の間で露出した基板１０の表面に金属層（図２以下で２０）が形成されるが、該金属層２０は化合物半導体素子の電極として機能する際に電気抵抗が小さいように互いに繋がることが望ましい。また、金属層２０は後述する活性層（図６で６０）から発生して基板１０側に放出される光を反射させて素子の表面側（図６で上側）に放出される光量を増加させるために、ある程度の面積を確保する必要がある。一方、球形ボール１２があまり疎らにコーティングされると、該球形ボール１２が除去されて形成される開口部（図３の３０）から成長する化合物半導体層（図５以下の５０）の成長に長時間がかかるようになる。よって、球形ボールのコーティング密度は発光素子の発光効率と化合物半導体層の成長速度を考慮して適切に調節する。
基板１０としてはサファイア（Ａｌ２Ｏ３）、ＧａＡｓ、スピネル、ＩｎＰ、ＳｉＣまたはＳｉなどの物質からなる基板を使用できるが、それぞれの材料は次のような長短所があるので、応用範囲や求められる品質に合わせて適切に選択する。すなわち、サファイア基板は高温安定性は高いが、基板の大きさが小さく大面積製造が困難である。また、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）基板は結晶構造が窒化ガリウム（ＧａＮ）と同一であり高温安定性が高く、かつ格子定数及び熱膨張係数も窒化ガリウム（ＧａＮ）と類似であるが、価格が高いという短所がある。シリコン基板は窒化ガリウム（ＧａＮ）との格子定数差が１７％程度であって熱膨張係数も３５％程度の差があるが、１２インチ以上の大面積に製造が可能であるため製造コストを節減させることができ、これを用いた素子の応用範囲を画期的に広げることができる。
図２を参照する。球形ボール１２がコーティングされた基板１０上に金属層２０を蒸着する。金属層２０は工程条件の複雑なエピタキシャル成長方式で形成する必要はないため、量産性を考慮してスパッタリングやエバポレーション方式で蒸着すれば済む。該金属層２０は活性層６０から出た光が基板１０に吸収されて消失することを防いで発光素子の表面側に反射させる反射膜として機能し、また発光素子の一方電極として機能するようになるため、反射率が高く電気抵抗の小さいものが望ましく、例えばＰｔ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｃｕなどを使うことができる。また、金属層２０の厚さは光が透過せずに反射する程度の厚さ以上であれば良く、次のステップで球形ボール１２を除去できるように球形ボール１２の直径よりは小さい厚さであればよい。
次いで、球形ボール１２を除去して略円形である複数の開口部３０を形成するが、その前に金属層２０に対する熱処理を施すことができる。すなわち、球形ボール１２を除去する前に、アンモニアや窒素雰囲気で金属層２０をなす金属の融点以下の温度で熱処理を施す。該熱処理によって金属層がリフロー（ｒｅｆｌｏｗ）されて表面が平坦になり、光の反射率をさらに高めることができる。また、該熱処理によって金属層２０の酸化を防止することができ、特に窒化物系の化合物半導体層５０の成長の際に中問層の役割を可能にさせる。
球形ボール１２の間に金属層２０を蒸着した後、または金属層２０に対する熱処理の後、球形ボール１２を除去する。基板１０上にコーティングされた球形ボール１２は、基板との接着力がそれほど大きくないので比較的簡単に、例えば超音波洗浄のような方法で除去することができる。金属層２０が相対的に厚く蒸着されたりして球形ボール１２が超音波洗浄のような方法で簡単に除去されないときには、化学的エッチングを通じて除去すればよい。例えば、球形ボールが酸化シリコンからなった場合は、基板全体をフッ酸溶液に浸漬してウェットエッチングによって球形ボール１２を除去することができる。すると、図３に示されたように、球形ボールがあった箇所は略円形の開口部３０となって基板１０が露出し、基板上には複数の開口部３０が形成された金属層２０が残るようになる。
次いで、図４を参照する。球形ボール１２が除去されて金属層２０に複数の開口部３０が形成された基板１０をＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）装置に装入してバッファ層４２を成長させる。ＭＯＣＶＤ法を用いてバッファ層を形成する方法を説明すれば、個別的なラインを通じて反応前駆体を所定の流速で反応器内に注入し、反応器を適切な圧力、温度に維持しながら前記反応前駆体を化学反応させて目標とする厚さのバッファ層４２を形成する。
バッファ層４２は、基板１０と後続工程で形成される化合物半導体層４４、５０との結晶学的な差を減らし、これによって結晶欠陷密度を最小化するために形成する。よって、バッファ層４２は後続工程で形成される化合物半導体層との結晶特性が類似し化学的に安定した物質を使用することが望ましい。すなわち、以後形成される化合物半導体層と結晶構造が同一または類似であったり、格子定数が同一または類似であったり、熱膨張係数が同一または類似である物質で形成することが望ましい。望ましくは、以後形成される化合物半導体層と結晶構造が同一であって格子定数差が少なくとも２０％以内である物質で形成する。
具体的に、バッファ層４２は、化合物半導体層４４、５０が後述するように窒化物系化合物半導体からなる場合、ＧａＮ膜、ＡｌＮ膜、ＡｌＧａＮ膜、またはこれらの組合せ膜などで形成することができる。この場合、反応前駆体はトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、トリエチルガリウム（ＴＥＧａ）、またはＧａＣｌ３などを使うことができ、窒化物ソースガスはアンモニア（ＮＨ３）、窒素またはターシャリーブチルアミン（Ｔｅｒｔｉａｒｙｂｕｔｙｌａｍｉｎｅ（Ｎ（Ｃ４Ｈ９）Ｈ２））を使うことができる。ＧａＮ低温バッファ層の場合、４００〜８００℃の温度範囲で１０〜４０ｎｍの厚さに成長させる。ＡｌＮまたはＡｌＧａＮバッファ層の場合、４００〜１２００℃の温度範囲で１０〜２００ｎｍの厚さに成長させる。バッファ層４２は使用する基板、成長装備（ＭＯＣＶＤ装置）、成長条件などに合わせて選択的に使うことができる。
このようにバッファ層４２を成長させると、バッファ層４２は金属層２０の表面よりは開口部３０によって露出した基板１０上でさらに速く成長し、図４に示されたように、開口部３０内部の基板１０上に選択的に形成される。
なお、本実施例において、バッファ層４２は金属層２０を蒸着して球形ボール１２を除去してから開口部３０に成長させたが、バッファ層の形成順序は変えることができる。すなわち、球形ボール１２を基板１０上にコーティングする前に基板１０の全面にバッファ層を形成し、その上に球形ボール１２をコーティングすることもできる。また、本実施例でバッファ層４２は単層でなるものとして示され説明されたが、相異なる物質で多層に構成することもできる。
次いで、バッファ層４２が形成された基板上に化合物半導体層４４を成長させる。化合物半導体層４４としては、紫外線、可視光線または赤外線領域の光を放出するIII−Ｖ族化合物半導体、またはＩＩ−ＩＶ族化合物半導体層を使うことができる。化合物半導体層４４として窒化物系化合物半導体を使う場合、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ及びこれらの組合せ（例えばＧａ１−ｘＡｌ１−ｙＩｎ１−ｚＮ、０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１）などを例に挙げることができる。窒化ガリウム（ＧａＮ）は直接遷移型広帯域半導体（ｗｉｄｅ ｂａｎｄｇａｐ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）であって、バンドギャップエネルギーが３．４ｅＶであり、青色発光素子または高温電子素子の応用に好適な物質として知られている。化合物半導体層４４の蒸着時、インジウム（Ｉｎ）またはアルミニウム（Ａｌ）を個別、同時または順次に注入しながら薄膜蒸着工程を行って、ＩｎＮ、ＡｌＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＡｌＮなどの薄膜を成長させることで、素子のバンドギャップを１．９ないし６．２ｅＶに調節することができる。ＧａＮ薄膜は３．４ｅＶのバンドギャップを有し、ＡｌＮ薄膜は６．２ｅＶのバンドギャップを有し、ＩｎＮ薄膜は０．７ｅＶのバンドギャップを有すると知られている。ＡｌＮは６．２ｅＶのバンドギャップを有するので紫外線領域の光を放出し、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）はＡｌＮより小さいバンドギャップを有するが紫外線領域の光を放出し、ＧａＮはＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）より小さい３．４ｅＶのバンドギャップを有し、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）はＧａＮより小さいバンドギャップを有して可視光線領域の光を放出し、ＩｎＮはＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）より小さい０．７ｅＶのバンドギャップを有し、赤外線領域の光を放出する。
化合物半導体層４４を成長させる望ましい方法としては、有機金属化学蒸着法（ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシー法（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ；ＭＢＥ）またはＨＶＰＥ法（Ｈｙｄｒｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）などを例に挙げることができる。
有機金属化学蒸着法を用いて化合物半導体層４４を形成する方法を説明すれ。まず基板を反応器内に装入し、反応前駆体をキャリアガスを用いて反応器内にそれぞれ注入する。次いで、所定範囲の温度及び所定範囲の圧力で前記反応前駆体を化学反応させて化合物半導体層４４を成長させる。化合物半導体層が窒化物系列の薄膜である場合、反応前駆体としてはトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、トリエチルガリウム（ＴＥＧａ）またはＧａＣｌ３を使うことができ、窒化物ソースガスはアンモニア（ＮＨ３）、窒素またはターシャリーブチルアミン（Ｔｅｒｔｉａｒｙｂｕｔｙｌａｍｉｎｅ（Ｎ（Ｃ４Ｈ９）Ｈ２））を使うことができる。反応器の温度は９００〜１１５０℃が適切であり、圧力は１０−５〜２０００ｍｍＨｇが適切である。
ＭＯＣＶＤ法によって窒化ガリウム（ＧａＮ）薄膜を形成する過程を反応式で表わすと、以下のようである。
［反応式１］
Ｇａ（ＣＨ３）３＋ＮＨ３→Ｇａ（ＣＨ３）３・ＮＨ３
トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）とアンモニウム（ＮＨ３）が流入されてＧａ（ＣＨ３）３・ＮＨ３が生成される。
［反応式１］
Ｇａ（ＣＨ３）３＋ＮＨ３→Ｇａ（ＣＨ３）３・ＮＨ３
トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）とアンモニウム（ＮＨ３）が流入されてＧａ（ＣＨ３）３・ＮＨ３が生成される。
Ｇａ（ＣＨ３）３・ＮＨ３が基板上で熱分解しながらＧａＮ薄膜が形成されるが、次のような反応によってＧａＮ膜が形成される。
［反応式２］
Ｇａ（ＣＨ３）３・ＮＨ３→ＧａＮ＋ｎＣＨ４＋１／２（３−ｎ）Ｈ２
［反応式２］
Ｇａ（ＣＨ３）３・ＮＨ３→ＧａＮ＋ｎＣＨ４＋１／２（３−ｎ）Ｈ２
化合物半導体層４４はバッファ層４２上でクラスター状または島状に成長して基板（バッファ層）に吸着されるが、化合物半導体層４４もバッファ層４２と同様に、金属層２０の表面よりはバッファ層４２の上部でより速く成長して開口部３０を埋めて金属層２０の上まで成長する。金属層２０の上まで成長した化合物半導体層４４は、開口部３０間の間隔が狭い場合、隣接する開口部から成長した化合物半導体層４４と互いに繋がって連続的な薄膜形態をなす。このように開口部から成長した化合物半導体層４４を側面方向に成長させ続け互いに繋がれた化合物半導体層を形成し、所望の厚さに達するまでさらに成長させると、図５に示されたように、開口部３０を埋めて金属層２０上で繋がれた形態の化合物半導体層５０が得られる。このとき、化合物半導体層５０の厚さは品質の要求水準または仕様に合わせて適切に調節可能である。
前記化合物半導体層５０は、本実施例の化合物半導体基板を用いて製造しようとする化合物半導体デバイスに合わせて多様に構成することができる。例えば、化合物半導体層５０は、同一物質からなる単層でも、異なる物質からなる多層に形成することもできる。また、化合物半導体層の蒸着時、目的とする用途に合わせてＳｉ、Ｇｅ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｏ、Ｓｅ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｎｉ及びＦｅからなる群より選択された１種以上の多様な異種物質を注入しながら蒸着工程を行うことで、異種物質が添加された形態の化合物半導体層を製造することもできる。このような異種物質は化合物半導体層の電気的、光学的または磁気的性質を変化させるために、ユーザの要求に応じて選択的に追加することができる。異種物質はｉｎ−ｓｉｔｕドーピング、ｅｘ−ｓｉｔｕドーピング、またはイオン注入（ｉｍｐｌａｎｔａｔｉｏｎ）などを通じて添加することができる。ｉｎ−ｓｉｔｕドーピングは半導体層を成長させるとき、追加しようとする異種物質を添加する方法であり、ｅｘ−ｓｉｔｕドーピングは化合物半導体層を成長させた後、熱処理やプラズマ処理で異種物質を化合物半導体層に注入する方法である。イオン注入は、追加しようとする異種物質を加速させて化合物半導体層と衝突させ、半導体層内に異種物質を注入する方法である。
また、本実施例によって化合物半導体層を形成した後、これを基にして、すなわち前記化合物半導体層を基板として使って、ＨＶＰＥ法で厚い化合物半導体層を蒸着することもできる。ＨＶＰＥ法は気相成長方式の一種であり、基板上にガスを流すことでガスの反応によって結晶が成長する方式である。このようにＨＶＰＥ法によって厚い化合物半導体層が形成されると、基板として使った化合物半導体層を切り出したり化合物半導体層を除いた領域を研磨（ｐｏｌｉｓｈｉｎｇまたはｇｒｉｎｄｉｎｇ）して除去し、基板上に成長した均一かつ高品質の化合物半導体層のみを選択して使うことも勿論可能である。
ＨＶＰＥ法を用いて化合物半導体層上に化合物半導体層、例えばＧａＮ厚膜を形成する方法を説明すると、反応器内にＧａ金属を収納した容器を配置しておき、該容器の周りに設けたヒーターで加熱してＧａ融液を得る。このようにして得たＧａ融液とＨＣｌとを反応させてＧａＣｌガスを得る。
これを反応式で表わすと、次のようである。
［反応式３］
Ｇａ（ｌ）＋ＨＣｌ（ｇ）→ＧａＣｌ（ｇ）＋１／２Ｈ２（ｇ）
［反応式３］
Ｇａ（ｌ）＋ＨＣｌ（ｇ）→ＧａＣｌ（ｇ）＋１／２Ｈ２（ｇ）
ＧａＣｌガスとアンモニア（ＮＨ３）を反応させるとＧａＮ層が形成されるが、次のような反応によってＧａＮ層が形成されるようになる。
［反応式４］
ＧａＣｌ（ｇ）＋ＮＨ３→ＧａＮ＋ＨＣｌ（ｇ）＋Ｈ２
［反応式４］
ＧａＣｌ（ｇ）＋ＮＨ３→ＧａＮ＋ＨＣｌ（ｇ）＋Ｈ２
このとき、反応しない気体は次のような反応によって排気される。
［反応式５］
ＨＣｌ（ｇ）＋ＮＨ３→ＮＨ４Ｃｌ（ｇ）
ＨＶＰＥ法は、１００μｍ／ｈｒ程度の速い成長率で厚膜の成長が可能であるため、高い生産性が得られる。
［反応式５］
ＨＣｌ（ｇ）＋ＮＨ３→ＮＨ４Ｃｌ（ｇ）
ＨＶＰＥ法は、１００μｍ／ｈｒ程度の速い成長率で厚膜の成長が可能であるため、高い生産性が得られる。
本実施例においては、前述したように得られた化合物半導体基板を用いて発光素子を製造する例を挙げる。すなわち、図５のように、第１化合物半導体層５０が形成された基板上に、図６に示されたように、活性層６０及び第２化合物半導体層６２を形成する。ここで、第１化合物半導体層５０は第１導電型（例えばｎ型）の化合物半導体層であって例えばＧａＮ層からなり、第２化合物半導体層６２は第２導電型（例えばｐ型）の化合物半導体層であって例えばＧａＮからなる。また、活性層６０は、例えばＩｎＧａＮ層であり、量子井戸構造または多重量子井戸構造であり得る。
次いで、第２化合物半導体層６２、活性層６０、及び第１化合物半導体層５０をパターニングして金属層２０の一部を露出させ、その上に電極（電極パッド）になる導電物質を蒸着してパターニングして第１電極６４及び第２電極６６を形成する。前記電極（電極パッド）をなす導電物質は、例えばＮｉまたはＡｕのように発光素子の電極として広く使われる金属またはその合金であり得る。
このようにして得られた発光素子において、金属層２０は前述したように平面的に互いに繋がれた形態であるため、第１電極（電極パッド）６４と電気的に繋がれて第１導電型の化合物半導体層５０側の電極として機能するようになり、従来に比べて電極の電気抵抗が著しく減少し消費電力の節減に寄与する。また、前記金属層２０は活性層６０から放出されて基板１０側に出る光を発光素子の表面側（第２化合物半導体層６２側）に反射し、基板１０によって吸収消滅する光量を低減させることで素子の発光効率を飛躍的に向上させる。
以上、本発明の望ましい実施例を挙げて本発明を詳細に説明したが、本発明は、前述された実施例に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で当分野で通常の知識を有する者によって様々な変形が可能である。
１０ 基板
１２ 球形ボール
２０ 金属層
３０ 開口部
４２ バッファ層
４４、５０、６２ 化合物半導体層
６０ 活性層
６４、６６ 電極（電極パッド）
１２ 球形ボール
２０ 金属層
３０ 開口部
４２ バッファ層
４４、５０、６２ 化合物半導体層
６０ 活性層
６４、６６ 電極（電極パッド）
Claims (21)
- 基板と、
前記基板の表面を露出させる複数の円形開口部が形成された前記基板上に積層された金属層と、
前記複数の円形開口部によって露出した基板表面から成長して、前記開口部を埋めて前記金属層を覆う化合物半導体層と、を含む化合物半導体基板。 - 前記金属層はＰｔ、Ｔｉ、Ｃｒ、ＡｌまたはＣｕからなることを特徴とする請求項１に記載の化合物半導体基板。
- 前記基板と前記化合物半導体層との結晶学的差を緩和させて前記化合物半導体層の結晶欠陥密度を最小化するために、前記基板と前記化合物半導体層間に形成されたバッファ層をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の化合物半導体基板。
- 前記バッファ層はＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、またはこれらの組合せ膜からなることを特徴とする請求項３に記載の化合物半導体基板。
- 前記金属層の厚さが前記開口部の直径より小さいことを特徴とする請求項１に記載の化合物半導体基板。
- 前記開口部の直径が１０ｎｍ〜２μｍであることを特徴とする請求項１に記載の化合物半導体基板。
- 前記化合物半導体層はＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、またはこれらの組合せ（Ｇａ１−ｘＡｌ１−ｙＩｎ１−ｚＮ、０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１）からなる膜であることを特徴とする請求項１に記載の化合物半導体基板。
- 前記化合物半導体層はＳｉ、Ｇｅ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｏ、Ｓｅ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｎｉ及びＦｅからなる群より選択された１種以上の異種物質をさらに含むことを特徴とする請求項７に記載の化合物半導体基板。
- 前記基板はサファイア（Ａｌ２Ｏ３）、ＧａＡｓ、スピネル、ＩｎＰ、ＳｉＣ、またはＳｉからなることを特徴とする請求項１に記載の化合物半導体基板。
- 請求項１ないし請求項９のうちのいずれか１項に記載された化合物半導体基板を用いて製造された化合物半導体素子であって、
前記化合物半導体層は、第１導電型の化合物半導体層、前記第１導電型の化合物半導体層上に形成された活性層、及び前記活性層上に形成された第２導電型の化合物半導体層を含み、
前記金属層を第１電極として使用し、
前記第２導電型の化合物半導体層上に形成された第２電極を含む化合物半導体素子。 - （ａ）複数の球形ボールを用意するステップと、
（ｂ）基板上に前記複数の球形ボールをコーティングするステップと、
（ｃ）前記球形ボールがコーティングされた基板上に前記球形ボールの直径より小さい厚さの金属層を蒸着するステップと、
（ｄ）前記金属層が蒸着された基板から前記複数の球形ボールを除去するステップと、
（ｅ）前記複数の球形ボールが除去されて露出した基板の表面から化合物半導体層を成長させるステップと、
（ｆ）前記化合物半導体層を側面方向に成長させて前記金属層上で互いに繋げるステップと、
（ｇ）前記化合物半導体層を目標とする厚さまで成長させるステップと、を含む化合物半導体基板の製造方法。 - 前記球形ボールの直径は１０ｎｍ〜２μｍであることを特徴とする請求項１１に記載の化合物半導体基板の製造方法。
- 前記球形ボールは酸化シリコン（ＳｉＯ２）ボール、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）ボール、酸化チタン（ＴｉＯ２）ボール、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）ボール、Ｙ２Ｏ３‐ＺｒＯ２ボール、酸化銅（ＣｕＯ、Ｃｕ２Ｏ）ボール、酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）ボール、ＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）ボール、Ｎｂ２Ｏ５ボール、ＦｅＳＯ４ボール、Ｆｅ３Ｏ４ボール、Ｆｅ２Ｏ３ボール、Ｎａ２ＳＯ４ボール、ＧｅＯ２ボール、またはＣｄＳボールからなることを特徴とする請求項１１に記載の化合物半導体基板の製造方法。
- 前記金属層はＰｔ、Ｔｉ、Ｃｒ、ＡｌまたはＣｕからなることを特徴とする請求項１１に記載の化合物半導体基板の製造方法。
- 前記金属層はスパッタリング（ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）またはエバポレーション（ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ）方式で蒸着されることを特徴とする請求項１１に記載の化合物半導体基板の製造方法。
- 前記（ｂ）ステップの以前、または前記（ｄ）ステップと（ｅ）ステップ間に、前記基板と前記化合物半導体層との結晶学的差を緩和させて前記化合物半導体層の結晶欠陥密度を最小化するために、前記基板と前記化合物半導体層間にバッファ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１１に記載の化合物半導体基板の製造方法。
- 前記バッファ層は１０〜２００ｎｍの厚さで形成し、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、またはこれらの組合せ膜からなることを特徴とする請求項１６に記載の化合物半導体基板の製造方法。
- 前記（ｃ）ステップの以後に、前記金属層に対してアンモニアまたは窒素雰囲気で前記金属層をなす金属の融点以下の温度で熱処理するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１１に記載の化合物半導体基板の製造方法。
- 前記化合物半導体層はＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮまたはこれらの組合せ膜からなることを特徴とする請求項１１に記載の化合物半導体基板の製造方法。
- 前記化合物半導体層はＳｉ、Ｇｅ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｏ、Ｓｅ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｎｉ及びＦｅからなる群より選択された１種以上の異種物質をさらに含むことを特徴とする請求項１９に記載の化合物半導体基板の製造方法。
- 前記基板はサファイア（Ａｌ２Ｏ３）、ＧａＡｓ、スピネル、ＩｎＰ、ＳｉＣまたはＳｉからなることを特徴とする請求項１１に記載の化合物半導体基板の製造方法。
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