JP2008243872A - 半導体基板、半導体素子、発光素子及び電子素子 - Google Patents

Abstract

【課題】比較的高い光の取り出し効率を維持しつつ、電気的特性の高い半導体基板、半導体素子、発光素子及び電子素子を提供すること。
【解決手段】シリコン基板上にＺｒＮからなるバッファ層を設けた場合に、当該ＺｒＮの結晶性が極めて高くなる。また、ＺｒＮからなるバッファ層を設けた場合に、光反射率が６５％を超える。そこで、Ｓｉ（１１１）からなる基板２と、当該基板２上に設けられたバッファ層３と、バッファ層３上に設けられた半導体層４とを具備し、このバッファ層３がＺｒＮからなることとしたので、比較的高い光の取り出し効率を維持しつつ、電気的特性の高い半導体基板１を得ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体基板、半導体素子、発光素子及び電子素子に関する。

シリコン基板上に金属窒化物半導体の薄膜が設けられた半導体基板が知られている。このような半導体基板は発光素子や電子素子に搭載されている。この半導体基板を構成する窒化物半導体は、有機金属及びアンモニアを原料とするＭＯＣＶＤ法や、超高真空中で原料を蒸着するＭＢＥ法、定電圧スパッタリング法などによって形成することができる。

例えば発光素子に搭載される場合、シリコン基板上に窒化物半導体を直接形成した半導体基板においては、当該窒化物半導体側から光を照射したときにほぼ５０％の光（青色光）が吸収されてしまうため、光の取り出し効率が低くなってしまう。

これに対して、シリコン基板と窒化物半導体との間にバッファ層としてＨｆＮ（ハーフニウムナイトライド）を配置した半導体基板が提案されている。シリコン基板と窒化物半導体との間にハーフニウムナイトライドをバッファ層として設けることにより、６０％を超える青色光が反射されることになる。このように、バッファ層を設けることによって光の取り出し効率が向上する。
Xu et al, Appl. Phys. Lett., 86, 182104 (2005)

しかしながら、シリコン基板上にハーフニウムナイトライドを形成する場合、ハーフニウムナイトライドの結晶性が悪くなってしまい、半導体基板の電気的特性が低下してしまうという問題がある。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、比較的高い光の取り出し効率を維持しつつ、電気的特性の高い半導体基板、半導体素子、発光素子及び電子素子を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明に係る半導体基板は、シリコン基板と、前記シリコン基板上に設けられたバッファ層と、前記バッファ層上に設けられた半導体層とを具備し、前記バッファ層がＺｒＮからなることを特徴とする。

本発明者らは、シリコン基板上にＺｒＮからなるバッファ層を設けた場合に、ＨｆＮからなるバッファ層を設けた場合に比べて、当該バッファ層の結晶性（ＺｒＮの結晶性）が極めて高くなることを見出した。また、ＺｒＮからなるバッファ層を設けた場合に、光反射率が６５％を超えることを見出した。
そこで、本発明では、シリコン基板と、シリコン基板上に設けられたバッファ層と、バッファ層上に設けられた半導体層とを具備し、このバッファ層がＺｒＮからなることとしたので、比較的高い光の取り出し効率を維持しつつ、電気的特性の高い半導体基板を得ることができる。

上記の半導体基板は、前記半導体層が１３族金属の窒化物半導体からなることを特徴とする。

近年、金属窒化物半導体として、１３族金属の窒化物半導体を用いた半導体基板が注目されている。本発明によれば、半導体層が１３族金属の窒化物半導体からなる場合において、比較的高い光の取り出し効率を維持しつつ、電気的特性の高い半導体基板を得ることができる。

上記の半導体基板は、前記半導体層がＧａＮからなることを特徴とする。
１３族金属窒化物の中でも、ＧａＮを用いた半導体基板が特に注目されている。本発明によれば、半導体層がＧａＮからなる場合において、比較的高い光の取り出し効率を維持しつつ、電気的特性の高い半導体基板を得ることができる。

本発明に係る半導体素子は、上記の半導体基板を具備することを特徴とする。
本発明によれば、比較的高い光の取り出し効率を維持しつつ、電気的特性の高い半導体基板を具備することとしたので、光学的及び電気的特性の高い半導体素子を得ることができる。

本発明に係る発光素子は、上記の半導体素子を具備することを特徴とする。
本発明によれば、光の取り出し効率が高く及び電気的特性の高い半導体素子を具備することとしたので、発光特性が高く、様々な用途に利用可能な発光素子を得ることができる。

本発明に係る電子素子は、上記の半導体素子を具備することを特徴とする。
本発明によれば、電気的特性の高い半導体素子を具備することとしたので、高性能で様々な用途に利用可能な電子素子を得ることができる。

本発明によれば、シリコン基板と、シリコン基板上に設けられたバッファ層と、バッファ層上に設けられた半導体層とを具備し、このバッファ層がＺｒＮからなることとしたので、比較的高い光の取り出し効率を維持しつつ、電気的特性の高い半導体基板を得ることができる。

本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
図１は、本実施形態に係る半導体基板１の構成を示す図である。
同図に示すように、半導体基板１は、シリコン（Ｓｉ（１１１））からなる基板２上にバッファ層３が設けられ、当該バッファ層３上に半導体層４が積層された構成になっている。半導体基板１は、発光素子や電子素子などに搭載される。

バッファ層３は、ジルコニウムナイトライド（ＺｒＮ（１１１））からなる層であり、基板２と半導体層４との間に介在する。図２は、ジルコニウムナイトライドの光反射率を示すグラフである。グラフの横軸は波長、グラフの縦軸は光反射率を示している。図３は、ジルコニウムナイトライドの光反射率と当該光の波長との対応関係を示す表である。

図２及び図３に示すように、ジルコニウムナイトライドにおいて青色光の波長範囲である４７０ｎｍでの光反射率は６５．６％になっている。これをもとにすると、ジルコニウムナイトライドからなるバッファ層３においては、青色光を照射したときにはほぼ６５％以上の光を反射することが可能であるといえる。

半導体層４は、例えば１３族窒化物半導体からなる半導体層である。１３族窒化物としては、例えばＧａＮ（ガリウムナイトライド）、ＡｌＮ（アルミニウムナイトライド）、ＩｎＮ（インジウムナイトライド）などが挙げられ、一般式Ｉｎ_ＸＧａ_ＹＡｌ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｘ＋Ｙ≦１）で表される。

図４は、上記のバッファ層３の製造装置であるスパッタ装置の構成を示す図である。
同図に示すように、スパッタ装置１０は、チャンバ１１と、基板電極１２と、ターゲット電極１３と、直流電源１４と、電源制御部１５と、窒素供給源１６と、加熱装置１７を主体として構成されている。

チャンバ１１は、外部に対して密閉可能に設けられている。チャンバ１１内は図示しない真空ポンプなどによって減圧できるようになっている。
基板電極１２は、チャンバ１１内に配置されており、上記の基板２を保持可能になっている。

ターゲット電極１３は、チャンバ１１内に基板電極１２に対向して設けられており、ターゲット１３ａを保持可能になっている。ターゲット１３ａは、Ｚｒ（ジルコニウム）又はその合金からなる。

直流電源１４は、基板電極１２及びターゲット電極１３にそれぞれ電気的に接続されており、基板電極１２とターゲット電極１３との間に直流電圧を印加する電圧源である。
制御部１５は、直流電源１４に接続されており、直流電源１４の動作のタイミングに関する制御を行う。制御部１５により、基板電極１２とターゲット電極１３との間にパルス電圧を印加することが可能になっている。

窒素供給源１６は、例えば供給管などによってチャンバ１１内に接続されており、チャンバ１１内に窒素ガスを供給する。図示しないが、窒素供給源１６の他、チャンバ内にアルゴンガスを供給するアルゴンガス供給源も設けられている。
加熱装置１７は、例えば基板電極１２に固定されており、基板電極１２上の基板２の周囲温度を調節できるようになっている。

次に、上記のスパッタ装置１０を用いて本実施形態に係る半導体基板１を製造する工程を説明する。本実施形態では、基板−ターゲット間にパルス直流電圧を印加するパルススパッタ法を例に挙げて説明する。

まず、チャンバ１１内にアルゴンガスを供給し、窒素供給源１６から窒素ガスをチャンバ１１内に供給する。アルゴンガス及び窒素ガスによってチャンバ１１内が所定の圧力になった後、バッファ層３を形成した基板２を基板電極１２に保持し、ターゲット１３ａをターゲット電極１３上に設置する。

基板２及びターゲット１３ａを配置した後、加熱装置１７によって、基板２の周囲温度を調節する。基板２の周囲温度を調節したら、基板電極１２とターゲット電極１３との間に直流パルス電圧を印加する。

パルス電圧が印加されている間、アルゴンガスによるプラズマが発生し、ターゲット１３ａに衝突する。この衝突エネルギーを受けて、ターゲット１３ａを構成するＺｒ原子がチャンバ１１内に放出される。この高エネルギーを有するＺｒ原子は、バッファ層３上に供給される。バッファ層３の表面では、チャンバ内の窒素が窒素ラジカルになっている。

バッファ層３上には高エネルギーを有するＺｒ原子が大量に供給され、バッファ層３の表面は金属リッチの状態になる。金属リッチの状態では、バッファ層３上のＺｒ原子は安定な格子位置にマイグレーションする。安定な格子位置にマイグレーションしたＺｒ原子は、チャンバ１１内で活性化した窒素ラジカルと反応して金属窒化物（ＺｒＮ）の結晶となる。基板電極１２とターゲット電極１３との間にパルス電圧が印加される毎に、結晶構造の安定したＺｒＮが堆積されることになる。

次に、形成されたバッファ層３上に、ＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＨＶＰＥ法又はＤＣスパッタリング法などの薄膜形成手法によって半導体層４を形成する。このようにして、図１に示す半導体基板１が完成する。

本発明者らは、シリコン基板上にＺｒＮからなるバッファ層を設けた場合に、当該ＺｒＮの結晶性が極めて高くなることを見出した。また、ＺｒＮからなるバッファ層を設けた場合に、光反射率が６５％を超えることを見出した。

そこで、本実施形態では、Ｓｉ（１１１）からなる基板２と、当該基板２上に設けられたバッファ層３と、バッファ層３上に設けられた半導体層４とを具備し、このバッファ層３がＺｒＮからなることとしたので、比較的高い光の取り出し効率を維持しつつ、電気的特性の高い半導体基板１を得ることができる。

本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更を加えることができる。
例えば、上記実施形態では、バッファ層３をパルススパッタ法によって形成しているが、これに限られることはなく、例えばバッファ層３をＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＨＶＰＥ法又はＤＣスパッタリング法などの他の薄膜形成方法によって形成しても構わない。

また、上記実施形態では、半導体層４をＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＨＶＰＥ法又はＤＣスパッタリング法によって形成しているが、これに限られることは無く、例えば半導体層４を上記のパルススパッタ法、蒸着法などの他の薄膜形成方法によって形成しても構わない。

次に、本発明に係る実施例１を説明する。
本実施例では、上記実施形態の手法（パルススパッタ法）によってシリコン（Ｓｉ（１１１））基板上にＺｒＮ層（バッファ層）を形成した。ＺｒＮ成長時の基板温度を１２００℃、アルゴンガス流量を３ｓｃｃｍ、窒素ガス流量を２ｓｃｃｍ、直流パルス電源の繰り返し周波数を５０ｋＨｚ、デューティー比を２０％とした。

図５は、上記の条件下で形成されたＺｒＮ層のＥＢＳＤ極点図である。
同図に示すように、明瞭な３回回転対象性が確認できる。このことから、結晶方位の揃った良質なＺｒＮが成長しているといえる。また、ＥＢＳＤ半値幅を測定したら、０．５３°であった。このことからも、結晶性の高いＺｒＮ層が形成されたことがわかる。

次に、本発明に係る実施例２を説明する。
本実施例では、上記実施形態の手法（パルススパッタ法）によってサファイア（０００１）基板上にＺｒＮ（１１１）層（バッファ層）を形成した。ただし、アルゴンガス流量を３ｓｃｃｍ、窒素ガス流量を１ｓｃｃｍ、投入電力を１００Ｗ、直流パルス電源の繰り返し周波数を５０ｋＨｚとした。また、デューティー比を５０％とした。

形成されたＺｒＮ薄膜のＥＢＳＤ半値幅を測定したら０．１２°〜０．１５°と極めて低い値を示した。サファイア基板上にＨｆＮ層を同条件で形成した場合、この半値幅はほぼ０．５°となった。したがって、ＨｆＮ層に比べて結晶性が格段に高くなっていることがいえる。
なお、上記実施形態の手法（パルススパッタ法）によって、アルゴンガス流量を３ｓｃｃｍ、窒素ガス流量を１ｓｃｃｍ、投入電力を１００Ｗ、直流パルス電源の繰り返し周波数を５０ｋＨｚとした。また、デューティー比を５０％として、ＭｇＯ（１１１）基板上にＺｒＮ（１１１）層を形成した場合においても、本実施例２と同様に当該ＺｒＮ層はＨｆＮ層に比べて結晶性が格段に高くなっていることがいえる。

次に、本発明に係る実施例３を説明する。
本実施例では、上記の実施例１の条件下においてパルススパッタ法によって形成されたバッファ層（ＺｒＮ）上に、ＧａＮ層を形成した。

図６は、形成されたＧａＮ薄膜の１１−２０ＲＨＥＥＤ図である。図７は、当該ＧａＮ薄膜の１０−１０ＲＨＥＥＤ図である。

図６及び図７に示すように、明確なストリークパターンが認められる。このことから、ＧａＮの界面の急峻性が高く、結晶性が良好であることがわかる。

図８は、形成されたＧａＮ薄膜のＥＢＳＤ極点図である。
図８に示すように、図中央に明確なパターンが認められる。このことからも、ＧａＮの結晶性が良好であることがわかる。

本発明の実施形態に係る半導体基板の構成を示す図。 ジルコニウムナイトライドの光反射率を示すグラフ。 ジルコニウムナイトライドの光反射率と反射波長の対応関係とを示す図。 本実施形態に係るスパッタ装置の構成を示す図。 本発明の実施例１に係るバッファ層のＥＢＳＤ極点図。 本発明の実施例３に係る半導体層の１１−２０ＲＨＥＥＤ図。 本実施例に係る半導体層の１０−１０ＲＨＥＥＤ図。 本実施例に係る半導体層のＥＢＳＤ極点図。

符号の説明

１…半導体基板 ２…基板 ３…バッファ層 ４…半導体薄膜 １０…スパッタ装置 １１…チャンバ １２…基板電極 １３…ターゲット電極 １３ａ…ターゲット １４…直流電源 １５…制御部 １６…窒素供給源 １７…加熱装置

Claims (8)

1. シリコン基板と、
   前記シリコン基板上に設けられたバッファ層と、
   前記バッファ層上に設けられた１３族窒化物半導体層と
   を具備し、
   前記バッファ層がＺｒＮからなる
   ことを特徴とする半導体基板。
2. 前記半導体層が１３族金属の窒化物半導体からなる
   ことを特徴とする請求項１に記載の半導体基板。
3. 前記半導体層がＧａＮからなる
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体基板。
4. 請求項１乃至請求項３のうちいずれか一項に記載の半導体基板を具備することを特徴とする半導体素子。
5. 請求項４に記載の半導体素子を具備することを特徴とする発光素子。
6. 前記半導体素子を構成する前記半導体薄膜上に、ＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＨＶＰＥ法又はスパッタリング法によって成長された金属窒化物を有する
   ことを特徴とする請求項５に記載の発光素子。
7. 請求項４に記載の半導体素子を具備することを特徴とする電子素子。
8. 前記半導体素子を構成する前記半導体薄膜上に、ＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＨＶＰＥ法又はスパッタリング法によって成長された金属窒化物を有する
   ことを特徴とする請求項７に記載の電子素子。

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