JP2012216866A - 結晶軸配向性とファセット(結晶面)を制御した微結晶構造窒化物半導体光・電子素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】それぞれ異なる結晶面(ファセット)を有する結晶粒から成る多結晶もしくは微結晶窒化物半導体(以後単に多結晶窒化物半導体)を基体としており、各結晶粒のファセットがランダムになることを利用した、もしくはその構造を制御することを特徴とした半導体電子素子とする。
【選択図】図1
Description
図1は、本実施形態に係る窒化物多結晶半導体の表面電子顕微鏡像(SEM:40×30mm2イメージ)である。同時に後方電子回折像(EBSP)により得た各結晶粒の結晶方位解析結果も示す。SEMとEBSPの結果を比較することにより、本実施形態に係る多結晶半導体が様々な結晶方位を持つ多結晶体であり、各結晶粒内では結晶方位が揃っており、結晶粒一つ一つの結晶品質は比較的高いと考えられる。この多結晶は比較的大きい結晶粒(この場合の平均結晶粒面積の標準偏差は40mm2)を持ち、GaN結晶における少数キャリアの拡散長(数十nm)よりもこの結晶粒面積が十分に大きいので結晶粒界の影響が小さく、それぞれランダムに配向した結晶粒から高効率発光が得られる可能性が高い。現在まで報告されている多結晶半導体研究のほとんどは、いかに単結晶半導体の結晶性に近づけるかという考えで研究が進められていたが、本発明では多結晶・微結晶構造のランダムな結晶配向性を積極的に利用するところに特徴がある。
Nisizuka et. al., Appl. Phys. Lett., 85, 3122(2004)”ではInGaN混晶を活性層に用いた量子井戸構造において、そのIn組成やInGaN井戸層厚が下地層の結晶方位によって大きくことなり、360-450nm付近から異なる発光波長の光が検出されている。これらの発光は(0001)、(11-22)、(11-20)面からの発光であり、結晶方位ごとにInの組成やInGaN混晶の組成が異なるためだと考えられる。つまり様々な結晶方位を作りだし、InGaN混晶を成長すればIn組成もランダムに制御できる可能性がある。 これらの手法を利用すれば、現在の紫外LEDに蛍光体を用いて作製される白色LEDとは根本的に異なる手法で、まったく新しい白色LEDの実現が可能となる。
基板には多結晶AlN基板を用いた。成長には有機金属気相(MOCVD)成長法を用いてGaN多結晶低温緩和層を成長後、GaN多結晶層を2〜7μm成長させた。
成長工程は、まず多結晶AlN基板をMOCVD装置内で30分間1100℃で熱処理した後、550℃の低温でGaN緩和層を形成し、その後基板温度を1080℃に昇温し、多結晶GaN層を成長した。
GaN低温緩和層の有無によりGaN多結晶層の表面被覆率が変化する。図3に多結晶GaNの低温緩和層の有無による表面モフォロジーの変化を示した。ここで、成長圧力は200Torr一定とした。表面の電子顕微鏡像を比較すればわかるように、GaN低温緩和層を用いた場合、表面の被覆率が向上していることがわかる。つまり、GaN低温緩和層が多結晶GaN層の被覆率の増加において効果的であることがわかる。低温緩和層を用いて成長した多結晶GaNの被覆率は81%であるが、用いない場合は66%まで下がっている。
低温緩和層の効果が確認できたので、すべての成長工程に上記のGaN低温緩和層を挿入し、今度は成長圧力を変えて多結晶GaN層を成長した。成長温度は1080℃一定とし、成長圧力を30、76、200、300Torrと変化させて1時間成長を行った。図4に表面および断面の電子顕微鏡像を示す。成長圧力が低下するに従い、表面の多結晶GaNの被覆率が100%に近づくことがわかる。
また断面電子顕微鏡像から、多結晶GaNの各結晶粒は、基板である多結晶AlNの結晶粒に沿って成長していることがわかり、各結晶粒の特性自体は単結晶そのものと同等であると考えられる。
また成長圧力を低くすると、表面の平坦性が向上していることがわかる。このことから成長圧力を適宜選ぶことにより、表面被覆率と表面平坦性を制御可能であることがわかる。
図5に成長圧力を変化させて成長した多結晶GaNサンプルのX線回折測定結果を示す。比較のためGaNを成長していない多結晶AlN基板の結果も示す。多結晶構造の形成を示す複数の結晶方位からの回折ピークが観測されている。多結晶GaNサンプルでは明らかに多結晶AlNからとは異なるピークが観測されており、GaN多結晶が成長していることが確認できる。これらの回折ピークも成長圧力により変化し、成長圧力が30Torrと低い場合、(0002)面の回折ピークが強くなっており多結晶膜の配向性が向上していることがわかる。
つまり、低成長圧力30Torrにおいて表面被覆率、平坦性、配向性が改善されている。
図6に成長圧力を変化させて成長した多結晶GaNサンプルの室温フォトルミネッセンススペクトルを示す。ここでは比較のため市販されている単結晶バルクGaN基板のフォトルミネッセンス測定結果も同時に示す。多結晶GaNからの発光強度は成長圧力が高いほど高く、30Torrと低い圧力ではバルクGaNに比べ発光ピーク強度が約1/10まで減少した。しかし、300Torrで成長したサンプルでも、発光強度はバルクGaNサンプルと同等であったが、GaNの禁制帯幅(360nm)以外の低エネルギー側の発光が支配的であった。
次に多結晶GaNの成長温度依存性を調べた。成長圧力は比較的良好な光学特性を示した300Torrを採用し、多結晶GaNの成長温度を550、700、800、900、1080℃と変化させた。図7に多結晶GaNの表面電子顕微鏡像を示す。成長温度1080℃では被覆されていない領域も見られるが、成長圧力の制御と同様に成長温度を下げることによっても被覆率が向上し、900℃以下ではほぼ100%の被覆率を達成することができた。また表面の粗さ(RMS値で表示)は成長温度が低くなるほど小さくなり、550℃でもっとも低い0.09mmという値が得られた。以上の結果は成長温度を適宜選択することにより、被覆率や表面平坦性を制御することが可能であることを示している。
図8に成長温度を変化させた多結晶GaNサンプルの室温フォトルミネッセンススペクトルを示す。比較のため単結晶バルクGaNサンプルの結果も同時に示す。成長温度を900℃としたサンプルは、単結晶バルクGaNとほぼ同等の発光強度と半値幅を示すことがわかった。つまり、成長圧力や成長温度を最適化することにより、大きな結晶粒をもつ多結晶構造の被覆率や平坦性、そして光学特性の改善が可能であることがわかった。具体的には、優れた光学特性を持つ多結晶GaN構造の実現には(1)低温GaN緩和層の導入(2)高成長圧力(〜300Torr)(3)最適な成長温度(〜900℃)の選定が重要であることがわかった。
このような多結晶GaNサンプルにおける優れた光学特性は、GaNにおける少数キャリアの拡散長(数十nm)よりも十分大きい面積を持つランダム配向結晶粒を積極的に用いた結果である。つまり、安価で大面積化が容易な多結晶構造においても、各多結晶・微結晶粒のランダム制御により高効率発光が得られ、光デバイス応用が十分可能であることが実験的に示唆された。
(多結晶InGaN混晶の成長)
次に多結晶・微結晶粒のランダム制御による効果を調べるために、上述した多結晶GaN上に多結晶InGaN混晶を成長し、各結晶粒に成長したInGaN混晶の組成やその光学特性について調べた。
Claims (10)
- 結晶面が異なる複数の結晶粒からなる微結晶窒化物半導体電子素子。
- 前記結晶面は、ランダムになっている請求項1記載の微結晶窒化物半導体電子素子。
- 前記複数の結晶粒のうち90%以上が1mm2以上の結晶面の面積を有する請求項1記載の微結晶窒化物半導体電子素子。
- 前記複数の結晶粒の面積が、GaN単結晶における少数キャリアの拡散長(数十nm,面積にすると0.03mm2程度)よりも十分大きいため、微結晶構造であるがその結晶粒の大きさにより単結晶と同等の高効率発光が得られることを特徴とする請求項1記載の微結晶窒化物半導体電子素子。
- 前記結晶粒は、その構造内にInGaN混晶微結晶を含むことを特徴とする請求項1記載の微結晶窒化物半導体電子素子。
- 各微結晶がランダムな結晶面を持つことを利用して、異なった結晶面上での異なる組成のInGaN混晶微結晶を形成させた請求項1記載の微結晶窒化物半導体電子素子。
- 各微結晶がランダムな結晶面を持つことを利用して、異なった結晶面上での異なる膜厚を有するInGaN混晶微結晶を形成させた請求項1記載の微結晶窒化物半導体電子素子。
- InGaN混晶微結晶粒の組成、膜厚の不均一性を利用した白色を含む発光波長制御が可能な請求項6又は7記載の微結晶窒化物半導体電子素子。
- X線回折測定の2θ/θスキャンを行った場合に、2つ以上の異なる結晶面方位からの回折が観測される請求項1記載の微結晶窒化物半導体電子素子。
- 走査型電子顕微鏡又は後方散乱電子回折像により結晶表面に2つ以上の異なる結晶面を持つ結晶粒・微結晶の存在が確認できる請求項1記載の微結晶窒化物半導体電子素子。
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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Cited By (4)
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WO2018038105A1 (ja) * | 2016-08-26 | 2018-03-01 | スタンレー電気株式会社 | Iii族窒化物半導体発光素子 |
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