JP2008211040A

JP2008211040A - 単結晶サファイア基板とその製造方法及びそれらを用いた半導体発光素子

Info

Publication number: JP2008211040A
Application number: JP2007047343A
Authority: JP
Inventors: Takashi Uto; 隆司宇都
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2007-02-27
Filing date: 2007-02-27
Publication date: 2008-09-11

Abstract

【課題】サファイア基板上に成膜する窒化物半導体層の結晶性を向上させる。
【解決手段】エピタキシャル成長用の単結晶サファイア基板であって、主面の算術平均表面粗さＲａが０.０００２〜０.００１μｍであり、上記主面の最大高さＲｍａｘが０．１μｍ以下であること。
【選択図】図３

Description

本発明は、単結晶サファイア基板とその製造方法及びそれらを用いた半導体発光素子に関に関するものである。

窒化物３〜５族化合物半導体はＬＥＤ(ＬｉｇｈｔＥｍｉｔｔｉｎｇＤｉｏｄｅ)等の発光デバイスや耐熱性や耐環境性に優れた特徴を活かした電子デバイス用途として実用化されている。この３〜５族窒化物半導体は単結晶サファイア基板上に成長させることが多く、サファイア基板は一般的に鏡面研磨されたものが用いられる。

単結晶サファイア基板の表面は、成膜後の窒化物３〜５族化合物半導体層を安定させる意味から、形状、表面状態、結晶性等に安定した品質を求められる。

基板表面の状態としては従来、半導体層をエピタキシャル成長させる際のキズ、ピットの発生の問題から極力平滑な鏡面状態が求められていた。またサファイア基板を鏡面化する方法としては、まず比較的軟質の金属系定盤上に単結晶あるいは多結晶の粒径０．１〜１０μｍのダイヤ砥粒を散布し一定圧力下にて回転させながら加工を実施した後、粒径２μｍ以下のコロイダル状のシリカ粒子を用いて、軟質の発砲ウレタンもしくはスゥエード状のＰＡＤを用いて一定圧力下にて回転させながら加工を実施する研磨方式がとられ、このような方法で仕上げられたサファイア基板の表面は５μｍ四方の領域におけるＡＦＭ（ａｔｏｍｉｃｆｏｒｃｅｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）による測定で、算術平均表面粗さＲａが０．０００１μｍ以下となる。

なお、このときのＡＦＭの測定条件は、測定モードがタッピングモードで測定針移動速度５μｍ/sec、スキャンレート１．５Hzである。

このようにして得られたサファイア基板の表面上に、発光層を含む窒化物半導体層を形成する方法としては、低温ＣＶＤのエピタキシャル成長にてＡｌ_ＸＧａ_ＹＮ（Ｘ＋Ｙ＝１，Ｘ≧０,Ｙ≧０）のバッファ層を形成し、その上にＧａＮ膜を成膜した後、特にＡｌを必須成分として含有するＡｌ_ＸＧａ_ＹＩｎｚＮ膜を成長させる方法が一般的である。

しかしながら、このようにして得られたＡｌ_ｘＧａ_ＹＩｎｚＮ膜にはサファイア基板との格子不整合による転移が発生し、転移密度は１０^９ｃｍ^２にも達するものである。

このように転移密度が高いと、これが光の吸収センターを構成するので、デバイス特性が劣化することになり、特にレーザーダイオードなどの高効率を要求される光デバイスにおいては輝度の低下として重大な問題となる。

したがって、結晶成長用基板と成膜結晶との格子定数差に起因する転位を極力少なくする研究が種々に行われ、成膜用基板表面上にストライプ状の溝を有する基板が窒化ガリウム系半導体化合物のエピタキシャル成長に有利であるとの報告されている（特許文献１、特許文献２参照）。また、サファイア基板の表面に凹凸または窪みを形成し、その上に窒化ガリウム系化合物をエピタキシャル成長させ、ＬＥＤ素子を作製することにより、ＬＥＤの発光層での発光した光の取り出し効率、いわゆる外部量子効率を高めることにより発光効率を高めることができることが報告されている（特許文献３参照）。

そして、サファイア基板上にこのような微細な凹凸または窪みを形成する方法としては、従来一般には光学的なリソグラフィー技術が用いられてきた。
特開２００１−２１０５９８号公報特開２００１−２７４０９３号公報特開２００１−２８０６１１号公報

結晶成長用基板としてのサファイア基板と、成膜結晶との格子定数差に起因する転位を極力少なくすることを目的としたサファイア基板表面への凹凸形成加工については、工数増、加工時間の増大、設備コスト、不純物の持ち込みの問題があるため、研磨加工の実施と同時に表面に微細な凹凸を形成する方法を考えた。

しかしながら、従来のコロイダルシリカと軟質の研磨布を用いたサファイア基板の研磨を実施した場合、加工量を極力少なくしようとすれば、前加工で発生している加工キズの除去が行われず成膜結晶表面にキズが残留する問題があり、加工量を一定以上確保しようとすれば、表面粗さが小さくなりすぎるという問題があった。

よって、微細な凹凸を形成しつつ、窒化物半導体層をエピタキシャル成長させうるサファイア基板を得ることが困難であった。

上記に鑑みて本発明の単結晶サファイア基板は、主面の算術平均表面粗さＲａが０.０００２〜０.００１μｍであり、上記主面の最大高さＲｍａｘが０．１μｍ以下であることを特徴とする。

さらに上記単結晶サファイア基板の主面上にＡｌ_ｘＧａ_ＹＮ（Ｘ＋Ｙ＝１,Ｘ≧０,Ｙ≧０）のバッファ層と、窒化物半導体層とを順次積層したことを特徴とする。

そして上記単結晶サファイア基板の製造方法であって、上記単結晶サファイア基板の主面を研磨後に熱処理する工程を有することを特徴とする。

そして上記単結晶サファイア基板の研磨手段として、砥石の表面に固定したアルミナ砥粒を用いることを特徴とする。

または上記単結晶サファイア基板の研磨手段として、分散媒中に分散したアルミナ砥粒を用いることを特徴とする。

さらに上記アルミナ砥粒の粒径が０．０５〜１０μｍであることを特徴とする。

さらに上記分散媒が水溶性であり、上記アルミナ砥粒の濃度が５〜３０重量％であることを特徴とする。

さらに上記熱処理工程において、１３００℃〜１８００℃の温度範囲の酸化雰囲気で３時間以上熱処理することを特徴とする。

本発明によれば、短い研磨時間で微細な凹凸を安定して形成でき、窒化物半導体層をエピタキシャル成長させうるサファイア基板を得ることができる。これにより、発光輝度の高い半導体発光素子を得ることができる。

次に本発明の実施の形態について図面を参照し詳述する。

図１に本発明によるサファイア基板の研磨方法を示す。

本発明はエピタキシャル成長用の単結晶サファイア基板であって、主面の算術平均表面粗さＲａが０.０００２〜０.００１μｍであり、上記主面の最大高さＲｍａｘが０．１μｍ以下であることが重要である。

主面の算術平均表面粗さＲａが０．０００２μｍより小さい場合、従来のコロイダルシリカと軟質の研磨布を用いたサファイア基板の研磨を実施した場合と同等の状態であり、窒化物半導体層の結晶性改善の効果を得ることができない。算術平均表面粗さＲａが０.００１μｍより大きい場合や、最大高さＲｍａｘが０．１μｍより大きい場合では、エピタキシャル成長が不均一になってしまうという不具合がある。

そして上記単結晶サファイア基板の製造方法としては、上記単結晶サファイア基板の主面を研磨後に熱処理する工程を有することが重要であり、研磨手段として、砥石の表面に固定したアルミナ砥粒を用いるか、または分散媒中に分散したアルミナ砥粒を用いることが望ましい。

たとえば図１に示されるように、サファイア基板１１をセラミックス定盤１２に１枚〜複数枚貼り付け、固定化されたアルミナ砥粒定盤１３もしくは、金属系定盤１３あるいは硬質の研磨布１３上に遊離砥粒状態のアルミナ砥粒１４を散布し、一定の回転数及び圧力下においてサファイア基板１１の研磨を実施する。

さらに上記アルミナ砥粒の粒径が０．０５〜１０μｍであることが望ましく、０．０５μｍ以上であれば研磨加工を進行しやすく、１０μｍ以下であれば基板表面に深さ０．１μｍ以上の大きなキズが発生しない。また、主面の算術平均表面粗さＲａを０.０００２〜０.００１μｍ、上記主面の最大高さＲｍａｘを０．１μｍ以下とすることができる。

さらに上記分散媒が水溶性であり、上記アルミナ砥粒の濃度が５〜３０重量％であることが望ましく、アルミナ砥粒濃度が５重量％以上であれば研磨を促進させやすく、アルミナ砥粒濃度が３０重量％以下であればスラリーの粘度を低くすることで、溶媒中での分散を容易にして砥粒の凝集を抑えることができるため、サファイア基板の表面に大きなキズを発生することが少なくなる。また、研磨定盤及びその他の設備接液部分での固着現象も少なくなる。

図２は本発明による研磨の方法で得られたサファイア基板の表面状態を表す図である。基板表面をＡＦＭにて５μｍ四方のエリアで観察した。表面状態としては、コロイダルシリカで研磨したサファイア表面と異なり微細な凹凸が基板全面にわたり見られる表面状態となっている。

さらに上記熱処理工程において、１３００℃〜１８００℃の温度範囲の酸化雰囲気で３時間以上熱処理することが望ましく、図３は本発明による研磨の方法で得られたサファイア基板を温度１３００℃〜１８００℃にて熱処理した表面状態を表す図である。サファイア基板表面をＡＦＭにて５μｍ四方のエリアで観察した。図２で見られた表面の微細なキズが除去されている状態が観察される。この熱処理においては１３００℃〜１８００℃の温度域で熱処理することが望ましく、１３００℃以上であれば、微細なキズの除去等の熱処理の効果が十分に得られ、１８００℃以下であれば、サファイア基板の表面凹凸が大きくなることを抑えることができる。表面粗さとしてもＲａ０．００１μｍ以上となるため本発明のサファイア基板表面に適さない。また、同時に上記熱処理時間は３時間以上であることが望ましく、サファイア基板表面のムラなく、微細なキズを除去することができる。通常、深さ０．１μｍより小さなキズであれば、その後の熱処理によって緩和することができる。

さらに上記単結晶サファイア基板の主面上にＡｌ_ｘＧａ_ＹＮ（Ｘ＋Ｙ＝１,Ｘ≧０,Ｙ≧０）のバッファ層と、窒化物半導体層とを順次積層することが望ましく、図４に今回得られたサファイア基板４１をＭＯＶＰＥ装置に装着し、サーマルクリーニングを実施した後に表面上に低温ＣＶＤのエピタキシャル成長にてＡｌ_ＸＧａ_ＹＮ（Ｘ＋Ｙ＝１，Ｘ≧０，Ｙ≧０）のバッファ層４２を形成し、その後昇温を実施し、アンドープのＧａＮ層４３を成長させ、その後Ａｌを必須成分として含有するＡｌ_ＸＧａ_ＹＩｎｚＮ膜４４を成長させた図を示している。

このようにして得られたサファイア基板１１上に成長させた窒化物半導体層は、通常の平滑なＲａ０．０００１未満のサファイア基板上に成長させた窒化物半導体層よりも良好な結晶性を有しており、Ｘ線回折に於けるピークの半値幅で１０〜２０％程度の低減が可能であるため、本発明のサファイア基板上に成長させた窒化物半導体層を用いてＬＥＤ等の発光素子を作製すれば、輝度の向上の効果が見られる。本サファイア基板上に成長させた窒化物半導体層を用いてＬＥＤ等の発光素子を作製すると輝度が向上するのは、本発明によって得られたサファイア基板１１を用いて、窒化物半導体層を成膜することによって、本サファイア基板上に形成された微細な凹凸が窒化物半導体層の選択的な成長を促し、窒化物半導体層の結晶性を向上せしめた効果によるものと考えられる。

本実施例では表面粗さＲａ０．０００２μｍ〜０．００１μｍ、Ｒｍａｘ０．１μｍ以下を有するサファイア基板の製造方法および窒化物半導体層の製造方法を説明する。

まずサファイアインゴットより、サファイア基板をワイヤーソーにて切断し、（０００１）面、径２インチ、基板厚み０．６００ｍｍのサファイア基板を得た。

次にサファイア基板を両面ラッピング装置を用いて基板厚み０．５００ｍｍまで、ラッピング加工を実施した。

その後、サファイア基板をＣｕ定盤上でダイヤ砥粒を用いて粗研磨を実施し、ＡＦＭにて５μｍ四方のエリアでの表面粗さＲａ０．００５μｍ、Ｒｍａｘ０．０５８μｍの基板を選択した。

次に仕上げ研磨として、平均粒径０．３μｍの水溶性分散剤に２０重量％の濃度のアルミナ砥粒を用いて、ウレタン製の１０×１０ｍｍ、深さ０．５ｍｍの溝を有するＰＡＤ上にて回転数６０ｒｐｍ、加工圧力５００ｇ／ｃｍ^２にて３時間サファイア基板の研磨加工を行った。

研磨加工後のサファイア基板の表面粗さは、ＡＦＭでの測定にて５μｍ四方のエリアでの表面粗さＲａ０．０００３７２μｍ、Ｒｍａｘ０．００３７６６μｍであった（実施例２）。

同様に、仕上げ研磨として、平均粒径０．７μｍのアルミナ砥粒を固定化させた１ｍｍピッチ、幅０．７ｍｍ、深さ５ｍｍのスパイラル状の溝を有する砥石にて回転数６０ｒｐｍ、加工圧力５００ｇ／ｃｍ^２にて３時間サファイア基板の研磨加工をおこなった。

研磨加工後のサファイア基板の表面粗さは、ＡＦＭでの測定にて５μｍ四方のエリアでの表面粗さＲａ０．０００３３７μｍ、Ｒｍａｘ０．００３８９６μｍであった（実施例１）。

次に、実施例１，２のサファイア基板を酸化雰囲気中にて１５００℃、５時間で熱処理を実施した。熱処理を実施することにより、いずれのサファイア基板も研磨加工直後に見られた基板表面のキズが除去され、ＡＦＭでの測定にて５μｍ四方のエリアでそれぞれＲａ０．０００４５４μｍと０．０００３０５μｍ、Ｒｍａｘ０．００４１０７μｍと０．００３１１３μｍのサファイア基板を得ることが出来た。

本発明の実施例１，２のサファイア基板と、比較例として従来の研磨加工方式であるコロイダルシリカにて軟質ＰＡＤ上で研磨したサファイア基板とを、ＭＯＶＰＥ装置を用い、同一バッチ内で温度４９０℃にて低温バッファ層としてＧａＮ膜を成膜し、その後温度を１０７０℃まで昇温させ３μｍの膜厚のＧａＮ層を積層させた。ＧａＮ層成長中のガス流量の条件は、水素ガス４ｓｌｍ、窒素ガス１２ｓｌｍ、アンモニアガス４ｓｌｍで、ＴＭＧの流量は８８μｍｏｌ／ｍｉｎである。成長時間は６０分として、成長終了後基板ヒーターの電源をオフにして自然冷却させた。

このような方法で得られたＧａＮ層を成膜させた実施例１，２と比較例のサファイア基板におけるＧａＮ層の結晶性を、Ｘ線回折装置を用い半値幅の測定を実施して評価したところ、実施例１，２の半値幅は２５０．３ｓｅｃ、比較例の半値幅は２９７．８ｓｅｃとなり、１５％以上の結晶性の改善効果が得られた。

なお、本発明の臨界的意義を示すデータとして表１及び表２を示す。表１は主面の算術平均表面粗さＲａが０.０００２〜０.００１μｍであり、上記主面の最大高さＲｍａｘが０．１μｍ以下であることの臨界的意義を示すものであり、表２は製造条件の臨界的意義を示すものである。

表１ではエピ成長速度が従来比より速ければ○、同等であれば△、結晶性の評価としては発光輝度そのものを使用して従来比より高ければ○、同等であれば△とした。

表１では試料番号１が標準条件であり、Ｒａ、Ｒｍａｘの条件をそれぞれ個別に変化させて、エピ成長速度、発光輝度をそれぞれ評価した。比較例である試料番号２，５，６ではエピ成長速度、発光輝度の少なくとも一方を満足しないことがわかる。

表２では主面の算術平均表面粗さＲａが０.０００２〜０.００１μｍであれば○、上記主面の最大高さＲｍａｘが０．１μｍ以下であれば○、Ｒａ、Ｒｍａｘが外れていれば△とした。研磨速度についても従来比より高ければ○、同等であれば△とした
表２では試料番号８が標準条件であり、アルミナ砥粒の粒径、アルミナ砥粒の濃度、温度範囲、処理時間の条件をそれぞれ個別に変化させて、Ｒａ、Ｒｍａｘ、研磨時間をそれぞれ評価した。試料番号１２，１６，１７，２０，２１では、Ｒａ、Ｒｍａｘが外れる場合があったため△としている。研磨時間については試料番号９ではアルミナ砥粒の粒径が小さいため，試料番号１３ではアルミナ砥粒の濃度が低いため、研磨時間が長くかかった。

本発明のサファイア基板の研磨方法を示す断面図である。本発明の研磨方法によって得られたサファイア基板の表面状態を表すイメージ図である。本発明の熱処理方法によって得られたサファイア基板の表面状態を表すイメージ図である。本発明のサファイア基板上に窒化物半導体層を成膜した状態を示す模式図である。

符号の説明

１１サファイア基板
１２セラミックス定盤
１３アルミナ砥粒定盤／金属系定盤／硬質の研磨布
１４アルミナ砥粒
４１サファイア基板
４２低温バッファ層
４３アンドープＧａＮ層
４４ＡｌｘＧａｙＩｎＺｎ層

Claims

エピタキシャル成長用の単結晶サファイア基板であって、主面の算術平均表面粗さＲａが０.０００２〜０.００１μｍであり、上記主面の最大高さＲｍａｘが０．１μｍ以下であることを特徴とする単結晶サファイア基板。
請求項１に記載の単結晶サファイア基板の主面上にＡｌ_ｘＧａ_ＹＮ（Ｘ＋Ｙ＝１,Ｘ≧０,Ｙ≧０）のバッファ層と、窒化物半導体層とを順次積層したことを特徴とする半導体発光素子。
請求項１に記載の単結晶サファイア基板の製造方法であって、上記単結晶サファイア基板の主面を研磨後に熱処理する工程を有することを特徴とする単結晶サファイア基板の製造方法。
上記単結晶サファイア基板の研磨手段として、砥石の表面に固定したアルミナ砥粒を用いることを特徴とする請求項３に記載の単結晶サファイア基板の製造方法。
上記単結晶サファイア基板の研磨手段として、分散媒中に分散したアルミナ砥粒を用いることを特徴とする請求項３に記載の単結晶サファイア基板の製造方法。
上記アルミナ砥粒の粒径が０．０５〜１０μｍであることを特徴とする請求項４または５に記載の単結晶サファイア基板の製造方法。
上記分散媒が水溶性であり、上記アルミナ砥粒の濃度が５〜３０重量％であることを特徴とする請求項５に記載の単結晶サファイア基板の製造方法。
上記熱処理工程において、１３００℃〜１８００℃の温度範囲の酸化雰囲気で３時間以上熱処理することを特徴とする請求項３〜７のいずれかに記載の単結晶サファイア基板の製造方法。