JP2013149979A - 複合基材及びその製造方法並びに発光素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】原子層堆積プロセス又はプラズマ支援型原子層堆積プロセスにより緩衝層を作製し、最適化プロセス条件を提供する複合基材の製造方法を提供することを課題とする。
【解決手段】本発明に係る複合基材の製造方法は、基材１０を用意する工程と、第３族元素含有前駆体及び窒素含有前駆体を前記基材に交互に供給し、原子層堆積プロセス又はプラズマ支援型原子層堆積プロセスにより基材１０の上に窒化物緩衝層１１を形成する工程と、３００℃〜１６００℃の温度範囲で窒化物緩衝層１１にアニールを行う工程と、を含む。
【選択図】図１
【解決手段】本発明に係る複合基材の製造方法は、基材１０を用意する工程と、第３族元素含有前駆体及び窒素含有前駆体を前記基材に交互に供給し、原子層堆積プロセス又はプラズマ支援型原子層堆積プロセスにより基材１０の上に窒化物緩衝層１１を形成する工程と、３００℃〜１６００℃の温度範囲で窒化物緩衝層１１にアニールを行う工程と、を含む。
【選択図】図１
Description
本発明は、複合基材及びその製造方法並びに発光素子に関し、特に緩衝層を有する複合基材及びその製造方法並びに発光素子に関するものである。
台湾では、光電素子に関する技術分野は益々注目されている。半導体及び発光ダイオードのシェアは世界でもトップクラスに入れるよう励んでいる。例えば、ガリウムナイトライド（ＧａＮ）系化合物半導体材料は、短波長発光ダイオードの半導体材料として適用できるため、台湾では積極的に開発されつつある。ガリウムナイトライド系化合物半導体は、主に単結晶サファイアを基板として使用し、有機金属化学気相成長法（Metal Organic Chemical Vapor Deposition；ＭＯＣＶＤ）又は分子線エピタキシ法（Molecular Beam Epitaxy；ＭＢＥ）などの方法により、その基板に多層構造が形成される。
具体的には、サファイア基板上には、まず緩衝層を形成して、次にｎ型ＧａＮ層、ＩｎＧａＮ発光層、ｐ型ＧａＮ層のエピタキシー構造を順にエピタキシー成長させることによって、発光ダイオードが作製される。また、エピタキシー構造と基板との間の緩衝層は、エピタキシー構造の品質を改善できるため、半導体発光素子の発光効率を向上させることができる。
従来技術においては、緩衝層は有機金属化学気相成長法によって作製されることが多かった。例えば、有機金属と窒素源により基材に窒化物半導体が反応生成される。
しかしながら、有機金属化学気相成長法は高温プロセスであるため、そのプロセスでのエネルギー消耗及び設備の消耗が非常に大きい。また、実際のプロセスにおいて、有機金属化学気相成長法はガリウムナイトライド材質からなる緩衝層を成長させ難く、ガリウムナイトライド材質からなる緩衝層の品質を確保し難いため、半導体発光素子の品質と特性に悪影響を与えかねない。
しかしながら、有機金属化学気相成長法は高温プロセスであるため、そのプロセスでのエネルギー消耗及び設備の消耗が非常に大きい。また、実際のプロセスにおいて、有機金属化学気相成長法はガリウムナイトライド材質からなる緩衝層を成長させ難く、ガリウムナイトライド材質からなる緩衝層の品質を確保し難いため、半導体発光素子の品質と特性に悪影響を与えかねない。
本発明の目的は、原子層堆積（Atomic Layer Deposition；ＡＬＤ）プロセス又はプラズマ支援型原子層堆積（Plasma-enhanced Atomic Layer Deposition；ＰＥＡＬＤ）プロセスにより緩衝層を作製し、最適化プロセス条件を提供する複合基材の製造方法を提供する。本発明に係る複合基材の製造方法によれば、良い品質のガリウムナイトライドからなる緩衝層を作製することができ、その複合基材を利用して良い特性の半導体発光素子を製造することができる。
本発明に係る複合基材の製造方法は、基材を用意する工程と、第３族元素含有前駆体及び窒素含有前駆体を前記基材に交互に供給し、原子層堆積プロセス又はプラズマ支援型原子層堆積プロセスにより前記基材の上に窒化物緩衝層を形成する工程と、３００℃〜１６００℃の温度範囲で前記窒化物緩衝層にアニールを行う工程と、を含む。
本発明に係る複合基材は、基材と、前記基材の表面に堆積された窒化物緩衝層と、を含み、前記窒化物緩衝層は、原子層堆積プロセス又はプラズマ支援型原子堆積プロセスにより形成された後、アニール工程でアニール処理されたものである。
本発明に係る発光素子は、基材と原子層堆積プロセス又はプラズマ支援型原子層堆積プロセスにより前記基材の表面に堆積されてアニール工程でアニール処理された窒化物緩衝層とを含む複合基材と、前記複合基材の前記窒化物緩衝層の上に形成されたエピタキシー構造と、を含む。
本発明によれば、原子層堆積プロセス又はプラズマ支援型原子層堆積プロセスにより低温環境で窒化物を堆積して緩衝層とすると共に、原子層堆積プロセスにおける自己限定的な成膜方式及びレイヤー・バイ・レイヤー（layer-by-layer；ＬＢＬ）成長方式により高品質、高安定性、高均一性などの特性を有する窒化物薄膜を堆積し、基材と窒化物緩衝層からなる複合基材を使用して半導体発光素子を作製することにより、半導体発光素子の特性を向上させることができる。
以下、本明細書及び図面に開示された本発明の実施形態は、本発明の技術内容をより分かりやすく説明し、本発明の理解を助けるために実施例を挙げたに過ぎないものであり、本発明の範囲を限定するものではない。ここに開示された実施形態以外にも、本発明の技術的思想に基づく他の変形例も実施可能であることは、本発明の属する技術分野における当業者に自明なことである。
本発明は、複合基材及びその製造方法並びに複合基材を利用して作製した光電素子を提供する。本発明に係る複合基材は、半導体素子、例えば発光ダイオード、レーザーダイオード、光検出器などの半導体素子のエピタキシー用に供される。本発明に係る複合基材の製造方法においては、低温プロセスで基材に緩衝層を形成する。形成した緩衝層は、多層の原子層構造であり、高配列密度と高均一性などのメリットを有する。
図１を参照しながら、本発明に係る複合基材の製造方法を説明する。本発明に係る複合基材の製造方法は、少なくとも下記の工程を含む。
工程１：基材１０を用意する。
基材１０の材料は、サファイア、珪素（Ｓｉ）、シリコンカーバイト（ＳｉＣ）、ガリウムナイトライド（ＧａＮ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、ＳｃＡｌＭｇＯ4、ＳｒＣｕ2Ｏ2、ＬｉＧａＯ2、ＬｉＡｌＯ2、イットリア安定化ジルコニア（Ｙｔｔｒｉａ-ＳｔａｂｉｌｉｚｅｄＺｉｒｃｏｎｉａ；ＹＳＺ）、ガラス又は他のエピタキシー用に供する基材などの材料である。
基材１０の材料は、サファイア、珪素（Ｓｉ）、シリコンカーバイト（ＳｉＣ）、ガリウムナイトライド（ＧａＮ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、ＳｃＡｌＭｇＯ4、ＳｒＣｕ2Ｏ2、ＬｉＧａＯ2、ＬｉＡｌＯ2、イットリア安定化ジルコニア（Ｙｔｔｒｉａ-ＳｔａｂｉｌｉｚｅｄＺｉｒｃｏｎｉａ；ＹＳＺ）、ガラス又は他のエピタキシー用に供する基材などの材料である。
工程２：第３族元素含有前駆体及び窒素（Ｎ）含有前駆体を基材１０に交互に供給し、原子層堆積（ＡＬＤ）プロセス又はプラズマ支援型原子層堆積（ＰＥＡＬＤ）プロセスにより、基材１０の上に窒化物緩衝層１１を形成する。
工程２において、主に原子層堆積プロセス又はプラズマ支援型原子層堆積プロセスにより、基材１０の表面１０１の上に窒化物緩衝層１１を形成する。原子層堆積プロセスは、熱的原子層堆積（Thermal Mode ＡＬＤ）プロセスとも称し、主に熱的エネルギーにより前駆体を活性させて化学反応を行う。一方、プラズマ支援型原子層堆積プロセスは、プラズマアシスト原子層堆積（Plasma-assisted ＡＬＤ）プロセスとも称し、主に化学反応のエネルギーとしてプラズマを導入する。いずれにしても、本発明は、主に原子層堆積プロセス又はプラズマ支援型原子堆積プロセスにおける低温反応条件でエネルギー消耗を減らし、設備の安定性を確保すると共に、原子層堆積プロセス又はプラズマ支援型原子層堆積プロセスにおける自己限定的な成膜方式及びレイヤー・バイ・レイヤー（ＬＢＬ）成長方式の特性により、原子層堆積プロセス又はプラズマ支援型原子層堆積プロセスにおいて原子層の堆積サイクル（ＡＬＤサイクル）毎に単原子層のみを成長させる。これにより、大面積プロセスにおいて、無孔（ボイドのない）構造且つ高均一性・高品質の薄膜を形成できるだけではなく、プロセス自体も高再現性と高安定性を有する。
工程２において、主に原子層堆積プロセス又はプラズマ支援型原子層堆積プロセスにより、基材１０の表面１０１の上に窒化物緩衝層１１を形成する。原子層堆積プロセスは、熱的原子層堆積（Thermal Mode ＡＬＤ）プロセスとも称し、主に熱的エネルギーにより前駆体を活性させて化学反応を行う。一方、プラズマ支援型原子層堆積プロセスは、プラズマアシスト原子層堆積（Plasma-assisted ＡＬＤ）プロセスとも称し、主に化学反応のエネルギーとしてプラズマを導入する。いずれにしても、本発明は、主に原子層堆積プロセス又はプラズマ支援型原子堆積プロセスにおける低温反応条件でエネルギー消耗を減らし、設備の安定性を確保すると共に、原子層堆積プロセス又はプラズマ支援型原子層堆積プロセスにおける自己限定的な成膜方式及びレイヤー・バイ・レイヤー（ＬＢＬ）成長方式の特性により、原子層堆積プロセス又はプラズマ支援型原子層堆積プロセスにおいて原子層の堆積サイクル（ＡＬＤサイクル）毎に単原子層のみを成長させる。これにより、大面積プロセスにおいて、無孔（ボイドのない）構造且つ高均一性・高品質の薄膜を形成できるだけではなく、プロセス自体も高再現性と高安定性を有する。
一般的に、原子層堆積プロセス又はプラズマ支援型原子層堆積プロセスにおいて、２種類の前駆体を交互に導入し、更に２種類の前駆体を交互に導入する間に、不活性ガスの導入及びポンプでの吸気を行うことにより、未反応の前駆体と副産物をチャンバから除去する。また、一般的に、導入する第１の前駆体は、高活性を有するため、基材１０の表面１０１に化学吸着されると共に、第２の前駆体と反応を行うことができる。
本発明における窒化物緩衝層１１を例として説明する場合、原子層堆積プロセス又はプラズマ支援型原子層堆積プロセスでの１回の原子層の堆積サイクル（ＡＬＤサイクル）における反応工程は下記の工程を含む。
本発明における窒化物緩衝層１１を例として説明する場合、原子層堆積プロセス又はプラズマ支援型原子層堆積プロセスでの１回の原子層の堆積サイクル（ＡＬＤサイクル）における反応工程は下記の工程を含む。
工程１：例えばアンモニア（ＮＨ3）などの窒素含有前駆体（以下、先駆体とも言う）を反応チャンバに導入し、窒素含有前駆体が基材１０の表面１０１に吸着されることにより、基材１０の表面１０１に単層のＮＨ基が形成される。また、エアレーション時間は例えば０．１秒であってもよい。また、窒素含有前駆体の吸着反応は自己限定的な特性を有するため、基材１０の表面１０１に窒素含有前駆体が過度に吸着されることなく、余計な窒素含有前駆体はポンプで排気されて反応チャンバから除去することができる。
工程２：キャリアガスを導入することによって、基材１０の表面１０１に吸着されていない余計な窒素含有前駆体を除去する。キャリアガスは、例えば高純度のアルゴンガス又は窒素ガスであってもよい。工程２において、パージ時間は、例えば２秒〜１０秒であってもよく、不活性ガスの導入及びポンプでの排気を続けることによって、未反応の窒素含有前駆体及び窒素含有前駆体と基材１０の反応により形成された副産物をチャンバから除去する。
工程３：例えばトリエチルガリウム（Ｇａ(Ｃ2Ｈ5)3）分子などの第３族元素含有前駆体を反応チャンバに導入し、これにより、第３族元素含有前駆体が基材１０の単層ＮＨ基に吸着されて化学反応を行う。エアレーション時間は、例えば０．１秒であってもよい。また、副産物は有機分子である。これにより、単原子層の窒化物緩衝層１１（すなわち、ガリウムナイトライド層）を生成し、その単原子層の表面上には、次回の原子層の堆積サイクル及び窒素含有前駆体と反応するための新たな表面が形成される。
工程４：工程２のように、不活性ガスの導入及びポンプでの排気を続けることによって、未反応の第３族元素含有前駆体及び生成した化学的副産物をチャンバから除去する。
このように、第３族元素含有前駆体と窒素含有前駆体を交互に基材１０に供給することによって、窒化物緩衝層１１の原子層の堆積サイクルの回数を制御できるため、窒化物緩衝層１１の厚さを精度よく制御でき、更にレイヤー・バイ・レイヤー成長方式により高品質、高安定性、高均一性などの特性を有する薄膜を形成することができる。
上述したように、本発明の第１の態様において、窒化物緩衝層１１は、例えばガリウムナイトライド（ＧａＮ）層であり、第３族元素含有前駆体は、例えばトリメチルガリウム（Ｇａ(ＣＨ3)3）、トリエチルガリウム（Ｇａ(Ｃ2Ｈ5)3）、三臭化ガリウム（ＧａＢｒ３）、三塩化ガリウム（ＧａＣｌ3）、トリイソプロピルガリウム又はトリス（ジメチルアミド）ガリウムなどであり、窒素含有先駆体（即ち、窒素含有前駆体）は、例えばアンモニアガス（ＮＨ3）、アンモニアプラズマ又は窒素ガス・水素ガス（Ｎ2＋Ｈ2）プラズマなどである。
本発明の第２の態様において、窒化物緩衝層１１は、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層であり、第３族元素含有前駆体は、例えばアルミニウムｓｅｃ−ブトキシド、三臭化アルミニウム、三塩化アルミニウム、ジエチルアルミニウムエトキシド、トリス（エチルメチルアミド）アルミニウム、トリエチルアルミニウム、トリイソブチルアルミニウム（、トリメチルアルミニウム、トリス（ジメチルアミド）アルミニウム、トリス（ジメチルアミノ）アルミニウム、トリス（エチルメチルアミド）アルミニウムなどであり、窒素含有先駆体は、例えばアンモニアガス（ＮＨ3）、アンモニアプラズマ又は窒素ガス・水素ガス（Ｎ2＋Ｈ2）プラズマなどである。
本発明の第３の態様において、窒化物緩衝層１１は窒化インジウム（ＩｎＮ）層であり、第３族元素含有前駆体は、例えばトリメチルインジウム（Ｉｎ(ＣＨ3)3）、インジウム(III)アセチルアセトナート、塩化インジウム（I）、酢酸インジウム（III）水和物、塩化インジウム（II）又は酢酸インジウム（III）などであり、窒素含有先駆体は、例えばアンモニアガス（ＮＨ3）、アンモニアプラズマ又は窒素ガス・水素ガス（Ｎ2＋Ｈ2）プラズマなどである。
工程３：３００℃〜１６００℃の温度範囲で窒化物緩衝層１１にアニール工程を行う。好ましくは、４００℃〜１２００℃の温度範囲で窒化物緩衝層１１にアニール工程を行うことによって、窒化物緩衝層１１の結晶特性が向上する。
以下、ガリウムナイトライド（ＧａＮ）からなる窒化物緩衝層１１について実験を行って得られたデータを説明する。実験の条件として主に、プラズマ支援型原子層堆積プロセスを採用し、基材１０は（１００）Ｓｉ基材、（１１１）Ｓｉ基材又はサファイア基材から選択するものであり、第３族元素含有前駆体はトリエチルガリウム（Ｇａ(Ｃ2Ｈ5)3；ＴＥＧａ）、窒素含有先駆体はアンモニアガス（ＮＨ3）であり、そして、水素を導入することによって化学反応の進行を促進させた。具体的なプロセス条件は、下記の表１のとおりである。
図３を参照しながら説明する。２００℃の温度において（１００）Ｓｉ基材の上には窒化物緩衝層を成長させた。ＴＥＧａのエアレーション時間が０．０１秒〜０．０２５秒で変化する場合、単一の原子層の堆積サイクル（ＡＬＤサイクル）の成長速度は、エアレーション時間約０．１秒の際に飽和に達し、飽和の場合の成長速度は約０．０２５ｎｍ／ｃｙｃｌｅであるため、自己限定的な成膜という特性を呈している。
図４を参照しながら説明する。２００℃の温度において（１００）Ｓｉ基材の上に窒化物緩衝層を成長させた。水素ガスの流量が約０ｓｃｃｍ〜１０ｓｃｃｍで変化する場合、単一の原子層の堆積サイクルの成長速度は約０．０２３９ｎｍ／ｃｙｌｃｅ〜０．０２５２ｎｍ／ｃｙｌｃｅであった。水素ガスの流量が５ｓｃｃｍである場合、最大成長速度である０．０２５ｎｍ／ｃｙｃｌｅに達した。その理由は、適量の水素を供給することがアンモニアの解離を促し、ＧａＮ緩衝層を反応形成することに役立ったためである。一方、水素ガスの流量が１０ｓｃｃｍに増加すると、過度の水素ガスの流量によってＧａＮ緩衝層の成長速度が抑制された。
図５を参照しながら説明する。２００℃の温度において（１００）Ｓｉ基材の上には窒化物緩衝層を成長させた。アンモニアガスの流量が１５ｓｃｃｍ〜４５ｓｃｃｍで変化する場合、単一の原子層の堆積サイクルの成長速度は流量が約２５ｓｃｃｍの際に飽和に達し、飽和の場合の成長速度は約０．０２０ｎｍ／ｃｙｃｌｅ〜０．０２５ｎｍ／ｃｙｃｌｅであった。その理由は、アンモニアガスの流量が２５ｓｃｃｍである場合、既にＧａＮ緩衝層を形成するために十分なＮとＧａが供給されているため、たとえこれ以上のアンモニアガスを供給しても、ＧａＮ緩衝層の成長速度を向上できず、自己限定的な成膜という特性を呈しているためである。
図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃは、異なる材質の基材１０が異なる基材温度にある場合の単一の原子層の堆積サイクルの成長速度をそれぞれ示すものである。
図６Ａは、基材温度が２００℃〜５００℃で変化する場合の（１００）Ｓｉ基材の上のＧａＮ緩衝層の成長速度を示すものである。図６Ａに示すように、基材温度が高くなるほど、ＧａＮ緩衝層の成長速度が増加している。（１００）Ｓｉ基材が５００℃にまで加熱されると、成長速度は最大値である約０．０５ｎｍ／ｃｙｃｌｅに達した。
図６Ｂは、基材温度が２００℃〜５００℃で変更する場合の（１１１）Ｓｉ基材の上のＧａＮ緩衝層の成長速度を示すものである。図６Ｂに示す結果は、図６Ａに示す結果とほぼ同じである。図６Ｂに示すように、（１１１）Ｓｉ基材が５００℃にまで加熱されると、成長速度は最大値である約０．０５２ｎｍ／ｃｙｃｌｅに達した。
また、図６Ｃに示すように、サファイア基材が５００℃にまで加熱されると、成長速度は最大値である約０．０５２ｎｍ／ｃｙｃｌｅに達した。
このように、異なる材質の基材１０であっても、基材温度が２００℃〜５００℃で変化する場合、基材温度が高いほど、成長速度が大きくなる。その理由は、基材温度が高いほど、より大きな反応エネルギーを提供できるため、アンモニアガスの反応性が良くなり、これにより、ＧａＮ緩衝層の成長速度を増加させることができるからである。
図６Ａは、基材温度が２００℃〜５００℃で変化する場合の（１００）Ｓｉ基材の上のＧａＮ緩衝層の成長速度を示すものである。図６Ａに示すように、基材温度が高くなるほど、ＧａＮ緩衝層の成長速度が増加している。（１００）Ｓｉ基材が５００℃にまで加熱されると、成長速度は最大値である約０．０５ｎｍ／ｃｙｃｌｅに達した。
図６Ｂは、基材温度が２００℃〜５００℃で変更する場合の（１１１）Ｓｉ基材の上のＧａＮ緩衝層の成長速度を示すものである。図６Ｂに示す結果は、図６Ａに示す結果とほぼ同じである。図６Ｂに示すように、（１１１）Ｓｉ基材が５００℃にまで加熱されると、成長速度は最大値である約０．０５２ｎｍ／ｃｙｃｌｅに達した。
また、図６Ｃに示すように、サファイア基材が５００℃にまで加熱されると、成長速度は最大値である約０．０５２ｎｍ／ｃｙｃｌｅに達した。
このように、異なる材質の基材１０であっても、基材温度が２００℃〜５００℃で変化する場合、基材温度が高いほど、成長速度が大きくなる。その理由は、基材温度が高いほど、より大きな反応エネルギーを提供できるため、アンモニアガスの反応性が良くなり、これにより、ＧａＮ緩衝層の成長速度を増加させることができるからである。
図７Ａ、図７Ｂ、図７Ｃは、異なる基材１０が異なる基材温度にある場合の成長したＧａＮ緩衝層の結晶特性をそれぞれ示すものである。
図７Ａは、基板の温度を２００℃〜５００℃で変化させた場合の（１００）Ｓｉ基板の上に成長させたＧａＮ緩衝層に対する小角入射Ｘ線回折（ＧＩＸＤ）に関する図を示すものである。図７Ａに示すように、基材温度が２００℃である場合、堆積したＧａＮ緩衝層１１は非晶質層構造を呈する。基材温度が３００℃以上にまで加熱されると、ＧａＮ緩衝層１１は（０００２）、（１０１）及び
などの方向を有する多結晶構造を呈する。
図７Ｂ及び図７Ｃは、基材温度を２００℃〜５００℃で変化させた場合の（１００）Ｓｉ基材及びサファイア基材の上に成長されるＧａＮ緩衝層に対する小角入射Ｘ線回折（ＧＩＸＤ）図をそれぞれ示すものである。図７Ｂ及び図７Ｃの結果は、図７Ａとほぼ同じである。
このように、異なる材質の基材１０であっても、基材温度を２００℃〜５００℃で変化させた場合、３００℃以上の基材温度では、プラズマ支援型原子層堆積プロセスにおいて多結晶構造の窒化物緩衝層１１を堆積形成させることができた。
図７Ａは、基板の温度を２００℃〜５００℃で変化させた場合の（１００）Ｓｉ基板の上に成長させたＧａＮ緩衝層に対する小角入射Ｘ線回折（ＧＩＸＤ）に関する図を示すものである。図７Ａに示すように、基材温度が２００℃である場合、堆積したＧａＮ緩衝層１１は非晶質層構造を呈する。基材温度が３００℃以上にまで加熱されると、ＧａＮ緩衝層１１は（０００２）、（１０１）及び
図７Ｂ及び図７Ｃは、基材温度を２００℃〜５００℃で変化させた場合の（１００）Ｓｉ基材及びサファイア基材の上に成長されるＧａＮ緩衝層に対する小角入射Ｘ線回折（ＧＩＸＤ）図をそれぞれ示すものである。図７Ｂ及び図７Ｃの結果は、図７Ａとほぼ同じである。
このように、異なる材質の基材１０であっても、基材温度を２００℃〜５００℃で変化させた場合、３００℃以上の基材温度では、プラズマ支援型原子層堆積プロセスにおいて多結晶構造の窒化物緩衝層１１を堆積形成させることができた。
図８Ａ、図８Ｂは、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ）により窒化物緩衝層１１の結合エネルギーを分析したものであり、これにより、薄膜を構成する主要な元素及びその原子とイオンの電子配置並びに元素の定量的評価などを判定した。図８Ａは、ガリウム（Ｇａ）の３ｄ軌道の結合エネルギーを示すものである。図８Ｂは、窒素（Ｎ）のｌｓ軌道の結合エネルギーを示すものである。図８Ａ及び図８Ｂから分かるように、成長した窒化物緩衝層１１は、ガリウムナイトライド（ＧａＮ）からなるものである。
このように、本発明において、上述の工程により作製された図１に示すような複合基材は、基材１０と窒化物緩衝層１１からなるものであり、窒化物緩衝層１１は原子層堆積プロセス又はプラズマ支援型原子層堆積プロセスにより基材１０の上に堆積された後、アニール工程でアニールを行うことにより、その結晶品質が向上するため、高品質、高安定性及び高均一性を有する窒化物緩衝層１１を形成することができる。
図２を参照しながら、本発明に係る複合基材を使用して作製された発光素子について説明する。図２に示すように、発光素子は、基材１０と窒化物緩衝層１１からなる複合基材と、エピタキシー法で複合基材の上に作製されたエピタキシー構造１２と、を含む。エピタキシー構造１２は、複合基材の上に形成される第１型の半導体層１２１と、第１型の半導体層１２１の上に形成される発光層１２２と、発光層１２２の上に形成される第２型の半導体層１２３と、を少なくとも含む。
図２に示すように、発光素子は、第１型の半導体層１２１と第２型の半導体層１２３にそれぞれ電気的に接続される第１の電極１３と第２の電極１４を更に含む。具体的には、第１型の半導体層１２１と第２型の半導体層１２３は、互いに異なる極性のIII-Ｖ族系の半導体材料で構成されてもよく、例えばガリウムナイトライド系の半導体材料で構成されてもよい。発光層１２２は、電気エネルギーを受けて光電効果で転換することにより発光できる材料で構成されてもよく、例えばガリウムナイトライド（ＧａＮ）、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）などであってもよい。第１の電極１３と第２の電極１４は、例えばニッケル、金、銀、銅、アルミニウム、プラチナ（Ｐｔ）、チタン、モリブデン（Ｍｏ）などであってもよい。好ましくは、第１型半導体層１２１と第２型の半導体層１２３は、それぞれＭＯＣＶＤ法により作製されたｎ型のガリウムナイトライドとｐ型のガリウムナイトライドで構成されるものである。発光層１２２は、窒化インジウムガリウムで構成されるものである。第１の電極１３と第２の電極１４は金で構成されるものである。
図２に示すように、発光素子は、第１型の半導体層１２１と第２型の半導体層１２３にそれぞれ電気的に接続される第１の電極１３と第２の電極１４を更に含む。具体的には、第１型の半導体層１２１と第２型の半導体層１２３は、互いに異なる極性のIII-Ｖ族系の半導体材料で構成されてもよく、例えばガリウムナイトライド系の半導体材料で構成されてもよい。発光層１２２は、電気エネルギーを受けて光電効果で転換することにより発光できる材料で構成されてもよく、例えばガリウムナイトライド（ＧａＮ）、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）などであってもよい。第１の電極１３と第２の電極１４は、例えばニッケル、金、銀、銅、アルミニウム、プラチナ（Ｐｔ）、チタン、モリブデン（Ｍｏ）などであってもよい。好ましくは、第１型半導体層１２１と第２型の半導体層１２３は、それぞれＭＯＣＶＤ法により作製されたｎ型のガリウムナイトライドとｐ型のガリウムナイトライドで構成されるものである。発光層１２２は、窒化インジウムガリウムで構成されるものである。第１の電極１３と第２の電極１４は金で構成されるものである。
上述した実施例は、本発明の好ましい実施態様に過ぎず、本発明の実施の範囲を限定するものではなく、本発明の明細書及び図面内容に基づいてなされた均等な変更および付加は、いずれも本発明の特許請求の範囲内に含まれるものとする。
１０ 基材
１０１ 表面
１１ 窒化物緩衝層
１２ エピタキシー構造
１２１ 第１型の半導体層
１２２ 発光層
１２３ 第２型の半導体層
１３ 第１の電極
１４ 第２の電極
１０１ 表面
１１ 窒化物緩衝層
１２ エピタキシー構造
１２１ 第１型の半導体層
１２２ 発光層
１２３ 第２型の半導体層
１３ 第１の電極
１４ 第２の電極
Claims (21)
- 基材を用意する工程と、
第３族元素含有前駆体及び窒素含有前駆体を前記基材に交互に供給し、原子層堆積プロセス又はプラズマ支援型原子層堆積プロセスにより前記基材の上に窒化物緩衝層を形成する工程と、
を含むことを特徴とする複合基材の製造方法。 - 前記基材は、サファイア基材、Ｓｉ基材、シリコンカーバイト基材、ガリウムナイトライド基材、酸化亜鉛基材、ガリウムヒ素基材、ＳｃＡｌＭｇＯ4基材、ＳｒＣｕ2Ｏ2基材、ＬｉＧａＯ2基材、ＬｉＡｌＯ2基材、ＹＳＺ基材又はガラス基材であり、
前記窒化物緩衝層を形成する工程において、前記基材を２００℃〜５００℃に加熱することを特徴とする請求項１に記載の複合基材の製造方法。 - 前記第３族元素含有前駆体と前記窒素含有前駆体を前記基材の上に交互に供給する工程において、
前記第３族元素含有前駆体は、アルミニウムｓｅｃ−ブトキシド、三臭化アルミニウム、三塩化アルミニウム、ジエチルアルミニウムエトキシド、トリス（エチルメチルアミド）アルミニウム、トリエチルアルミニウム、トリイソブチルアルミニウム、トリメチルアルミニウム、トリス（ジメチルアミド）アルミニウム、トリス（ジメチルアミノ）アルミニウム又はトリス（エチルメチルアミド）アルミニウムであり、
前記窒素含有前駆体は、アンモニアガス（ＮＨ3）、アンモニアプラズマ又は窒素ガス・水素ガス（Ｎ2＋Ｈ2）プラズマであることを特徴とする請求項１に記載の複合基材の製造方法。 - 前記第３族元素含有前駆体と前記窒素含有前駆体を前記基材の上に交互に供給する工程において、
前記第３族元素含有前駆体は、トリメチルガリウム、トリエチルガリウム、三臭化ガリウム、三塩化ガリウム、トリイソプロピルガリウム又はトリス（ジメチルアミド）ガリウムであり、
前記窒素含有前駆体は、アンモニアガス（ＮＨ3）、アンモニアプラズマ又は窒素ガス・水素ガス（Ｎ2＋Ｈ2）プラズマであることを特徴とする請求項１に記載の複合基材の製造方法。 - 前記第３族元素含有前駆体と前記窒素含有前駆体を前記基材の上に交互に供給する工程において、
前記第３族元素含有前駆体は、トリメチルインジウム、インジウム（III）アセチルアセトナート、塩化インジウム（I）、酢酸インジウム（III）水和物、塩化インジウム（II）又は酢酸インジウム（III）であり、
前記窒素含有前駆体は、アンモニアガス（ＮＨ3）、アンモニアプラズマ又は窒素ガス・水素ガス（Ｎ2＋Ｈ2）プラズマであることを特徴とする請求項１に記載の複合基材の製造方法。 - ３００℃〜１６００℃の温度で前記窒化物緩衝層にアニールを行うアニール工程を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の複合基材の製造方法。
- ４００℃〜１２００℃の温度で前記窒化物緩衝層にアニールを行うアニール工程を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の複合基材の製造方法。
- 前記第３族元素含有前駆体と前記窒素含有前駆体を前記基材の上に交互に供給する工程において、アンモニアガスの導入流量が１５ｓｃｃｍ〜４５ｓｃｃｍであることを特徴とする請求項３〜５のいずれか１項に記載の複合基材の製造方法。
- 前記第３族元素含有前駆体と前記窒素含有前駆体を前記基材の上に交互に供給する工程において、水素ガスを更に導入し、前記水素ガスの導入流量は０ｓｃｃｍよりも大きく、１０ｓｃｃｍよりも小さいことを特徴とする請求項８に記載の複合基材の製造方法。
- 前記第３族元素含有前駆体と前記窒素含有前駆体を前記基材の上に交互に供給する工程において、前記第３族素子含有前駆体のエアレーション時間が０．０３秒〜０．２５秒であることを特徴とする請求項８に記載の複合基材の製造方法。
- 基材と、
前記基材の表面に堆積された窒化物緩衝層と、
を含み、
前記窒化物緩衝層は、原子層堆積プロセス又はプラズマ支援型原子堆積プロセスにより形成されることを特徴とする複合基材。 - 前記窒化物緩衝層は、窒化アルミニウム層であり、第３族元素含有前駆体と窒素含有前駆体を前記基材の上に交互に供給して堆積されてなるものであり、
前記第３族元素含有前駆体は、アルミニウムｓｅｃ−ブトキシド、三臭化アルミニウム、三塩化アルミニウム、ジエチルアルミニウムエトキシド、トリス（エチルメチルアミド）アルミニウム、トリエチルアルミニウム、トリイソブチルアルミニウム、トリメチルアルミニウム、トリス（ジメチルアミド）アルミニウム、トリス（ジメチルアミノ）アルミニウム又はトリス（エチルメチルアミド）アルミニウムであり、
前記窒素含有前駆体は、アンモニアガス（ＮＨ3）、アンモニアプラズマ又は窒素ガス・水素ガス（Ｎ2＋Ｈ2）プラズマであることを特徴とする請求項１１に記載の複合基材。 - 前記窒化物緩衝層は、ガリウムナイトライド層であり、第３族元素含有前駆体と窒素含有前駆体を前記基材の上に交互に供給して堆積されてなるものであり、
前記第３族元素含有前駆体は、トリメチルガリウム、トリエチルガリウム、三臭化ガリウム、三塩化ガリウム、トリイソプロピルガリウム又はトリス（ジメチルアミド）ガリウムであり、
前記窒素含有前駆体は、アンモニア（ＮＨ3）、アンモニアプラズマ又は窒素ガス・水素ガス（Ｎ2＋Ｈ2）プラズマであることを特徴とする請求項１１に記載の複合基材。 - 前記窒化物緩衝層は、窒化インジウム層であり、第３族元素含有前駆体と窒素含有前駆体を前記基材の上に交互に供給して堆積されてなるものであり、
前記第３族元素含有前駆体は、トリメチルインジウム、インジウム（III）アセチルアセトナート、塩化インジウム（I）、酢酸インジウム（III）水和物、塩化インジウム（II）又は酢酸インジウム（III）であり、
前記窒素含有前駆体は、アンモニアガス（ＮＨ3）、アンモニアプラズマ又は窒素ガス・水素ガス（Ｎ2＋Ｈ2）プラズマであることを特徴とする請求項１１に記載の複合基材。 - 前記基材は、サファイア基材、Ｓｉ基材、シリコンカーバイト基材、ガリウムナイトライド基材、酸化亜鉛基材、ガリウムヒ素基材、ＳｃＡｌＭｇＯ4基材、ＳｒＣｕ2Ｏ2基材、ＬｉＧａＯ2基材、ＬｉＡｌＯ2基材、ＹＳＺ基材又はガラス基材であることを特徴とする請求項１２〜１４のいずれか１項に記載の複合基材。
- 基材と原子層堆積プロセス又はプラズマ支援型原子層堆積プロセスにより前記基材の表面の上に堆積された窒化物緩衝層とを含む複合基材と、
前記複合基材の前記窒化物緩衝層の上に形成されたエピタキシー構造と、
を含むことを特徴とする発光素子。 - 前記窒化物緩衝層は、窒化アルミニウム層であり、第３族元素含有前駆体と窒素含有前駆体を前記基材の上に交互に供給して堆積されてなるものであり、
前記第３族元素含有前駆体は、アルミニウムｓｅｃ−ブトキシド、三臭化アルミニウム、三塩化アルミニウム、ジエチルアルミニウムエトキシド、トリス（エチルメチルアミド）アルミニウム、トリエチルアルミニウム、トリイソブチルアルミニウム、トリメチルアルミニウム、トリス（ジメチルアミド）アルミニウム、トリス（ジメチルアミノ）アルミニウム又はトリス（エチルメチルアミド）アルミニウムであり、
前記窒素含有前駆体は、アンモニアガス（ＮＨ3）、アンモニアプラズマ又は窒素ガス・水素ガス（Ｎ2＋Ｈ2）プラズマであることを特徴とする請求項１６に記載の発光素子。 - 前記窒化物緩衝層は、ガリウムナイトライド層であり、第３族元素含有前駆体と窒素含有前駆体を前記基材の上に交互に供給して堆積されてなるものであり、
前記第３族元素含有前駆体は、トリメチルガリウム、トリエチルガリウム、三臭化ガリウム、三塩化ガリウム、トリイソプロピルガリウム又はトリス（ジメチルアミド）ガリウムであり、
前記窒素含有前駆体は、アンモニアガス（ＮＨ3）、アンモニアプラズマ又は窒素ガス・水素ガス（Ｎ2＋Ｈ2）プラズマであることを特徴とする請求項１６に記載の発光素子。 - 前記窒化物緩衝層は、窒化インジウム層であり、第３族元素含有前駆体と窒素含有前駆体を前記基材の上に交互に供給して堆積されてなるものであり、
前記第３族元素含有前駆体は、トリメチルインジウム、インジウム（III）アセチルアセトナート、塩化インジウム（I）、酢酸インジウム（III）水和物、塩化インジウム（II）又は酢酸インジウム（III）であり、
前記窒素含有前駆体は、アンモニア（ＮＨ3）、アンモニアプラズマ又は窒素ガス・水素ガス（Ｎ2＋Ｈ2）プラズマであることを特徴とする請求項１６に記載の発光素子。 - 前記基材は、サファイア基材、Ｓｉ基材、シリコンカーバイト基材、ガリウムナイトライド基材、酸化亜鉛基材、ガリウムヒ素基材、ＳｃＡｌＭｇＯ4基材、ＳｒＣｕ2Ｏ2基材、ＬｉＧａＯ2基材、ＬｉＡｌＯ2基材、ＹＳＺ基材又はガラス基材であることを特徴とする請求項１７〜１９のいずれか１項に記載の発光素子。
- 前記エピタキシー構造は、
前記窒化物緩衝層の上に形成される第１型の半導体層と、
前記第１型の半導体層の上に形成される発光層と、
前記発光層の上に形成される第２型の半導体層と、
を少なくとも含むことを特徴とする請求項２０に記載の発光素子。
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