JP2009242130A - エピタキシャル成長用基板およびその製造方法ならびにiii族窒化物半導体素子 - Google Patents
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【解決手段】本発明のエピタキシャル成長用基板2は、凹凸形状の主表面3aを有する単結晶基板3と、単結晶基板3上に、エピタキシャル成長により形成された、凹凸形状の第1表面4aを有する第1のIII族窒化物結晶からなる下地層4と、下地層4上に、エピタキシャル成長により形成された、第2のIII族窒化物結晶からなる中間層5とを少なくとも有することを特徴とする。
【選択図】図1
Description
(1)凹凸形状の主表面を有する単結晶基板と、該単結晶基板上に、エピタキシャル成長により形成された、凹凸形状の第1表面を有する第1のIII族窒化物結晶からなる下地層と、該下地層上に、エピタキシャル成長により形成された、第2のIII族窒化物結晶からなる中間層とを少なくとも有することを特徴とするエピタキシャル成長用基板。
上記(1)の構成を採用することによって、エピタキシャル成長用基板自体の転位密度を結晶全域で低くすること(第1の効果)が可能であるため、本発明のエピタキシャル成長用基板を用いて発光デバイス構造を作製すると、エピタキシャル成長用基板自体の転位密度が結晶全域で低いため、内部量子効率の向上とリーク電流の低減が図れるとともに、単結晶基板と下地層の表面凹凸の形成により、界面における全反射条件の緩和(第2の効果)による高い光取り出し効率を実現することが可能となる。
図1は、本発明のエピタキシャル成長用基板を用いて製造した発光ダイオード(LED)構造を示したものである。
第1のIII族窒化物結晶としては、例えば、AlN、GaN、InN、BN及びそれらの混晶等が挙げられ、さらに、必要に応じて、Si、Ge、Be、Mg、Zn、As、P、Bあるいは遷移金属などの成分を含有させてもよい。ただし、基板3の材料の選択と同様、発光波長において、バンド構造、不純物に起因する吸収が存在しない材料であることが好ましい。
100nm〜100μmの範囲とすることが好ましい。
図4(a)〜(i)は、本発明の代表的な製造方法を構成する主要工程を示したものである。
(実施例1)溝付サファイア基板/凹凸表面下地層上AlGaNLED構造
実施例1は、基板としてc面サファイア基板3を用いる。この基板3の主表面3aにフッ素系ガスを使用した反応性イオンエッチング法で、幅2μm、深さ500nmのストライプ形状の溝(凹部7)を、配設ピッチ2μmで形成する。原料ガスにトリメチルアルミニウム(TMA)、アンモニア(NH3)。キャリアガスに水素を用いて、下地層4としてAlN膜をMOCVD法により成長させた。成長温度を1200℃とし、成長圧力を15torrとした。流量比NH3/TMAは450とした。成長させたAlN膜4の膜厚は1μmであった。下地層4は基板の溝を反映させた凹凸形状の第1表面4aを有するように成膜された。次に、AlN膜5をエピ成長させた基板上に、n-AlGaN層(厚さ:1μm、Siドープ量:5×1018)、AlGaN多重量子井戸層(MQW)およびp-AlGaN(厚さ20nm、Mgドープ量:5×1019/cm3)からなるAlGaN系LED構造6をMOCVD法により順次形成した。エリプソメータを用いて屈折率を測定した結果、サファイア(n=1.76)、AlN(n=2.15)、AlGaN(n=2.21)であった。
実施例2は、実施例1の下地層4の凹凸形状の第1表面4a上に、低温(1050℃)でAlN膜を成長させることで、さらに微細な凹凸表面12を形成したこと以外は実施例1と同様の方法でLED構造を作製した。エリプソメータを用いて屈折率を測定した結果、サファイア(n=1.76)、AlN(n=2.15)、AlGaN(n=2.21)であった。低温成長により形成された微細凹凸のファセットの法線方向の角度は60°、ピッチの間隔は0.08μmであった。AlGaN発光層の転位密度は結晶全域で5×107 /cm2であった。実施例2で作製した基板を用いて作製したLED構造の内部量子効率は40%、光取り出し効率は75%であった。
実施例3は、溝付サファイア基板3上に、凹凸形状の第1表面4aを有する下地層4としてのAlN膜に1650℃で600分間の熱処理を施したこと以外は、実施例1と同様の方法でLED構造を作製した。エリプソメータを用いて屈折率を測定した結果、サファイア(n=1.76)、AlN(n=2.15)、AlGaN(n=2.21)であった。AlGaN発光層の転位密度は結晶全域で9×106/cm2であった。比較例3で作製したテンプレートを用いて作製したLED構造の内部量子効率は60[%]、光取り出し効率は70[%]を得た。
比較例1は、溝付サファイア上に、表面が平坦なAlN膜を下地層として形成したこと以外は実施例1と同様の方法でLED構造を作製した。エリプソメータを用いて屈折率を測定した結果、サファイア(n=1.76)、AlN(n=2.15)、AlGaN(n=2.21)であった。AlGaN発光層の転位密度は凹部上方で5×108/cm2、凸部上方で2×109/cm2であった。特許文献の転位密度と比較するために、電子間力顕微鏡(AFM)を用いたAlGaN表面観察によって求めたエッチピット密度から転位密度を計算した結果、AlGaN表面全域で1×106/cm2程度であった。比較例1で作製したエピタキシャル成長用基板を用いて作製したLED構造の内部量子効率は20%、光取り出し効率は60%であった。
比較例2は、溝を形成しない平坦なサファイア基板上に、表面に凹凸形状を有するAlN膜から構成される下地層をエピタキシャル成長させることで作製したエピタキシャル成長用基板を用いてLED構造を作製した。エリプソメータを用いて屈折率を測定した結果、サファイア(n=1.76)、AlN(n=2.15)、AlGaN(n=2.21)であった。AlN膜の凹凸はマスクを介したエッチングにより形成した。AlGaN発光層の転位密度は凹部上方で5×108/cm2、凸部上方で2×109/cm2であった。比較例2で作製したテンプレートを用いて作製したLED構造の内部量子効率は20%、光取り出し効率は25%を得た。
比較例3は、図7に示すように、溝を形成しない平坦なサファイア基板上に、AlN膜を平坦表面を有する下地層をエピタキシャル成長させることで作製したエピタキシャル成長用基板を用いてLED構造を作製した。エリプソメータを用いて屈折率を測定した結果、サファイア(n=1.76)、AlN(n=2.15)、AlGaN(n=2.21)であった。AlGaN発光層の転位密度は結晶全域で5×109/cm2であった。比較例3で作製したテンプレートを用いて作製したLED構造の内部量子効率は8%、光取り出し効率は20%を得た。
2 エピタキシャル成長用基板
3 単結晶基板
4 下地層
5 中間層
6 デバイス層
6a nクラッド層
6b 活性層
6c pクラッド層
7 単結晶基板の主表面の凹部
8 単結晶基板の主表面の凸部
9 下地層の第1表面の凹部
10 下地層の第1表面の凸部
11 マスク
12 微細凹凸表面
13 p電極
14 n電極
Claims (6)
- 凹凸形状の主表面を有する単結晶基板と、
該単結晶基板上に、エピタキシャル成長により形成された、凹凸形状の第1表面を有する第1のIII族窒化物結晶からなる下地層と、
該下地層上に、エピタキシャル成長により形成された、第2のIII族窒化物結晶からなる中間層と
を少なくとも有することを特徴とするエピタキシャル成長用基板。 - 前記単結晶基板、前記下地層および前記中間層を構成する材料の屈折率を、それぞれn1、n2、n3としたとき、これら材料の屈折率はn1<n2<n3の関係を満足する請求項1記載のエピタキシャル成長用基板。
- 前記下地層の第1表面は、前記凹凸形状に加えてさらに微細な凹凸形状を重畳して形成してなる請求項1または2に記載のエピタキシャル成長用基板。
- 前記下地層がその成長温度を超える温度で加熱処理されることにより得られる、請求項1、2又は3記載のエピタキシャル成長用基板。
- 単結晶基板の主表面に凹凸形状を形成する工程と、
単結晶基板上に、エピタキシャル成長により、第1のIII族窒化物結晶からなる下地層を、その上面である第1表面が凹凸形状になるように形成する工程と、
下地層上に、エピタキシャル成長により、第2のIII族窒化物結晶からなる中間層を形成する工程と
を少なくとも有することを特徴とするエピタキシャル成長用基板の製造方法。 - 請求項1〜4のいずれかに記載のエピタキシャル成長用基板を用いたIII族窒化物半導体素子。
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