JP2008211250A - 半導体基材及びその作製方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 1は基板であり、2は該基板1上に気相成長された半導体結晶をそれぞれ示している。基板1の結晶成長面には凸部11及び凹部12が形成されており、前記凸部11の上方部から専ら結晶成長が行われるよう構成されている。前記凸部11は、その幅aが0<a<1μmの範囲のサブミクロンオーダーとされ、且つ、上記基板表面に対して該凸部の占有する面積の割合が50%以下とされる。
【選択図】 図1
Description
さらに、Alを含む半導体材料、例えばAlGaNをSiO2マスク層付き基板上に成長させた場合、マスク層上にも結晶成長し、選択成長自体が効果的に行えないという問題もあった。
さらに空洞部の利用による反射率向上や、残留歪の現象などの効果もあり特性向上、低コスト化の面から非常に価値のある発明である。
図1(a)乃至(c)は本発明に係る半導体基材の結晶成長状態を説明するための断面図である。図において、1は基板であり、2は該基板1上に気相成長された半導体結晶をそれぞれ示している。基板1の結晶成長面には凸部11及び凹部12が形成されており、前記凸部11の上方部から専ら結晶成長が行われるよう構成されている。
本発明にあっては、この凸部11の幅aが、0<a<1μmとされる。このように、サブミクロンオーダーに凸部11の幅aを抑制するのは、前述の通り、基板の凹凸面を覆うに要する結晶の厚さを薄肉化するため、並びに、凸部の基板表面に占める面積割合と相俟って、転位欠陥を減少させることにある。この観点より、凸部11の幅aを1μm以上とした場合は、薄肉化の目的が十分達成できないことから好ましくない。従って、幅aは可及的に細い方が望ましいが、凹凸加工の作業性を考慮すると細すぎる幅は逆に好ましくなく、0.1<a<0.7μm程度の範囲で選定することが望ましい。なお、本発明でいう「凸部の幅」とは一般的には凸部頂面の幅を指すが、凸部の頂面幅と立ち上がり基底部の幅が相違する場合等においては、基底部の幅を指す場合も有る。また、溝深さ(凸部高さh)は本発明の効果が出る範囲内で適宜選べば良い。
図1(a)に示したものは、凸部の幅が0.5μm、基板表面に占める面積割合が50%程度で、凸部高さhも同程度とした場合を表している。この場合原料ガスは凹部12及びその近傍にまで到達し得るため凹部12での成長も生じる。また、凸部11の上方部からも結晶成長が生じ、図1(b)に示すように、凸部11の上方部と凹部12表面に、それぞれ結晶単位20、21が生成される状態となる。このような状況下、結晶成長が続くと凸部11の上方部を起点とし横方向に成長した膜がつながって、やがて図1(c)のように基板1の凹凸面を覆うことになる。この場合、凹部12上部には低転位領域が形成され、作製した膜の高品質化が図れている。なおこの時の凹部が覆われ平坦になるまでに要する厚みは0.5μmであった。
具体的には、上述したような溝幅Bに対し溝深さ(凸部高さ)hが深い場合、溝幅Bに対し溝深さ(凸部高さ)hが浅い場合、さらに溝幅Bに対し溝深さ(凸部高さ)hが非常に浅い場合、もしくは凸部11の幅Aに対し溝幅Bが非常に広い場合など種々の組み合わせを行う事ができる。特に溝幅Bに対し溝深さ(凸部高さ)hが深い場合、気相成長時に原料ガスが実質的に底部まで拡散できないため原料が効率良く凸部11上部の成長に寄与する点で好ましい。また凸部11の幅Aに対し溝幅Bが広い場合、横方向成長の領域が多くなり低転位領域が広く形成される点で好ましい。
これら凸部の態様の中でも、ストライプ型の凸条を設ける態様のものは、その作製工程を簡略化できると共に、規則的なパターンが作製容易である点で好ましい。ストライプの長手方向は任意であってよいが、基板上に成長させる材料をGaNとし、GaN系材料の<1−100>方向にした場合{1−101}面などの斜めファセットが形成され難いため横方向成長(ラテラル成長)が早くなる。この結果凹凸面を覆うのが速くなる点で特に好ましい。
c面サファイア基板上にフォトレジストのパターニング(幅:0.3μm、周期:4μm、ストライプ方位:ストライプ延伸方向がサファイア基板の<11−20>方向)を行い、RIE(Reactive Ion Etching)装置で3μmの深さまで断面方形型にエッチングした。フォトレジストを除去後、MOVPE装置に基板を装着した。その後、水素雰囲気下で1100℃まで昇温し、サーマルエッチングを行った。その後温度を500℃まで下げ、3族原料としてトリメチルガリウム(以下TMG)を、N原料としてアンモニアを流し、GaN低温バッファー層を成長した。つづいて温度を1000℃に昇温し原料としてTMG・アンモニアを、ドーパントとしてシランを流しn型GaN層を成長した。その時の成長時間は、通常の凹凸の施していない場合のGaN成長における4μmに相当する時間とした。
この膜の上にInGaN(InN混晶比=0.2、100nm厚)を続けて成長して現れるピット(転位に対応している)をカウントして転位密度の評価を行ったところ2×106cm-3と転位密度が通常報告例に比べ低減していた。
実施例1で得られた膜に連続してn型AlGaNクラッド層、InGaN発光層、p型AlGaNクラッド層、p型GaNコンタクト層を順に形成し、発光波長370nmの紫外LEDウエハーを作製した。
その後、電極形成、素子分離を行い、LED素子とした。ウェハ全体で採取されたLEDチップの出力の平均値と逆電流特性を評価した。比較対象としては、通常のサファイア基板を使って上記構造を作製した紫外LEDチップである。これらの評価結果を表1に示す。
実施例1で作製したGaN結晶を第一結晶とし、その上に第二結晶を成長させた。まずGaN第一結晶にフォトレジストのパターニング(幅:2μm、周期:4μm、ストライプ方位:GaN基板の<1−100>)を行い、RIE装置で2μmの深さまで断面方形型にエッチングした。この時のパターニングは基板凸部の上に第一結晶の凹部がくるような配置とした。この時のアスペクト比は1であった。フォトレジストを除去後、MOVPE装置に基板を装着した。その後、窒素、水素、アンモニア混合雰囲気下で1000℃まで昇温した。その後、原料としてTMG・アンモニアを、ドーパントとしてシランを流しn型GaN層を成長した。その時の成長時間は、通常の凹凸の施していない場合のGaN成長における4μmに相当する時間とした。
11 凸部
12 凹部
13 空洞部
2 半導体層
Claims (2)
- サファイア、SiC、Si、スピネル、ZnOまたはNGOから選ばれるいずれかひとつの材料からなる基板と、該基板上に気相成長したAlxGa1-x-yInyN(0≦x≦1,0≦y≦1)結晶層とを有し、該結晶層上に該結晶層側からn型クラッド層、発光層、p型クラッド層をこの順に含む複数のGaN系半導体層を形成してなる半導体発光素子において、
前記基板の結晶成長面が格子状の凸部を有する凹凸面とされ、前記結晶層が該凸部の上方部からラテラル成長した部分を含むことを特徴とする発光素子。 - サファイア、SiC、Si、スピネル、ZnOまたはNGOから選ばれるいずれかひとつの材料からなる基板と、該基板上に気相成長したAlxGa1-x-yInyN(0≦x≦1,0≦y≦1)結晶層とを有し、該結晶層上に該結晶層側からn型クラッド層、発光層、p型クラッド層をこの順に含む複数のGaN系半導体層を形成してなる半導体発光素子において、
前記基板の結晶成長面が島状の点在型の凸部を有する凹凸面とされ、前記結晶層が該凸部の上方部からラテラル成長した部分を含むとともに空洞部を残すことなく前記凹凸面を埋め込んでいることを特徴とする発光素子。
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