JP2015528783A - 半導体プロセスのためのガラス―セラミック基板 - Google Patents

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Abstract

実施形態はIII-Ｖ族半導体層、例えばＬＥＤ照明素子に用いることができるＧａＮ層、をもつガラス—セラミック基板に向けられる。ガラス—セラミック材料は、アノーサイト—ルチル（ＣａＡｌ２Ｓｉ２Ｏ８＋ＴｉＯ２）系の、またはコージェライト—エンスタタイト（Ｍｇ２Ａｌ４Ｓｉ５Ｏ１８＋ＭｇＳｉＯ３）系の材料である。

Description

関連出願の説明
本出願は、２０１２年６月２９日に出願された米国仮特許出願第６１/６６６３８５号の米国特許法第１１９条の下の優先権の恩典を主張する。
実施形態は、ガラス―セラミック基板を対象とし、さらに詳しくは、窒化ガリウム（ＧａＮ）薄膜成長に有用なガラス―セラミック基板を対象とする。
発光ダイオード（ＬＥＤ）は２０年以上にわたって市販されており、エネルギー効率、安全性、小型及び長寿命を含む、望ましい属性を有する。窒化ガリウムはＬＥＤ製造のための主要な材料である。
現在、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）及びシリコンがＬＥＤ基板に用いられる代表的な材料である。いずれも良好な化学的／熱的耐久性を有する。しかし、サファイアは、入手できる量が限られ、利用できる大きさは直径１００ｍｍより小さい。一方、シリコンでは直径３００ｍｍまでの大きさが利用できる。さらに、いずれの材料もそれぞれの熱膨張係数（ＣＴＥ）がＧａＮのＣＴＥとかなり異なっている。この不一致の結果、成長中に基板に弓反りが生じ、及び／またはＧａＮ結晶品質に高レベルの欠陥が生じる。
ＧａＮとの良好なＣＴＥ一致を示し、同時に良好な（１１００℃までの）熱安定性、化学的耐久性及び表面研磨特性も有する、代替基板が有益であろう。
実施形態は層転写及びエピタキシーに適するガラス―セラミック基板を説明する。基板は、ガラス状態で作製され、所望の形状に成形され、次いで結晶化のためにセラミック化処理される。結晶化後、基板は所望の表面粗さまで研磨され、及び／または平坦化層が被着される。基板は次いで、例えば、結晶ＧａＮシード層の転写に対する受取板として用いられ得る。シード層は、化学的気相成長法のような、高温における厚い層のエピタキシャル成長のためのテンプレートを提供する。以降のデバイスへの処理後、基板は必要に応じて研削及び研磨により除去してデバイスだけにすることができる。
最近、コーニング(Corning)社はＧａＮに非常に近いＣＴＥを示す２つのガラス―セラミック組成系を開発した。さらに、これらの材料は、１１００℃まで熱的に安定であり、研磨後の表面粗さが小さいという、所望の特性を有する。これらの材料はＬＥＤ作製プロセス後に研削及び研磨によって除去できる。したがって、これらの材料はＧａＮ製造能力における大きな変革を意味し得る。
実施形態は以下の利点の１つ以上を有し得る。現在、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）及びシリコンがＬＥＤ基板のための最も有力な材料である。いずれも良好な化学的／熱的耐久性を有する。しかし、サファイアは、入手できる量が限られ、利用できる大きさは直径１００ｍｍより小さい。一方、シリコンでは直径３００ｍｍまでの大きさが利用できる。さらに、いずれの材料もそれぞれの熱膨張係数（ＣＴＥ）がＧａＮのＣＴＥとかなり異なっている。この不一致の結果、成長中に基板に弓反りが生じ、及び／またはＧａＮ結晶品質に高レベルの欠陥が生じる。
本発明に説明されるガラス―セラミック組成系はＧａＮのＣＴＥに一致するように調製された。したがって、これらのガラス―セラミックには、膜の欠陥及び反りに対してシリコン及びサファイアに優る利点がある。これらのガラス―セラミックは高温でセラミック化されるから、１１００℃の使用温度には耐えられないであろうガラスのような他の材料より熱的に安定である。これらのガラス―セラミックの小さい粒径により、層転写及びエピタキシーに必要なレベルまでの表面の研磨が可能になる。材料はガラス状態で作成されるから、技術はより大きなウエハ寸法及び規模に拡張可能である。
さらなる特徴及び利点は以下の詳細な説明に述べられ、ある程度は、当業者にはその説明から容易に明らかであろうし、あるいは、以下の詳細な説明及び特許請求の範囲を、また添付図面も、含む本明細書に説明されるように実施形態を実施することによって認められるであろう。
上記の全般的説明及び以下の詳細な説明のいずれもが例示に過ぎず、特許請求の範囲の本質及び特質を理解するための概要または枠組みの提供が目的とされていることは当然である。添付図面はさらに深い理解を提供するために含められ、本明細書に組み入れられて、本明細書の一部をなす。図面は１つ以上の実施形態を示し、記述とともに様々な実施形態の原理及び動作の説明に役立つ。
図１はＧａＮ成長のための現行最高技術水準の基板の平均熱膨張を示すグラフである。 図２は、ＧａＮと比較した、アノーサイト―ルチル系の一例のガラス―セラミックの平均熱膨張を示すグラフである。 図３は、ＧａＮと比較した、アノーサイト―ルチル系の第２の例のガラス―セラミックの平均熱膨張を示すグラフである。 図４は、ＧａＮと比較した、コージェライト―エンスタタイト系の一例のガラス―セラミックの平均熱膨張を示すグラフである。 図５は実施例２の、その最終結晶状態における、Ｘ線回折（ＸＲＤ）データを示すグラフである。 図６Ａは約１μｍ以下の結晶粒径を示す走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）表面画像である。 図６Ｂは約１μｍ以下の結晶粒径を示す原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）表面画像である。
それらの例が添付図面に示される、ガラス―セラミック及びＬＥＤ品におけるそれらの使用の様々な実施形態をここで詳細に参照する。可能であれば必ず、同じ参照数字が図面全体にわたって同じかまたは同様の要素を指して用いられる。
一実施形態は、
ガラス―セラミック基板、及び
基板の表面上に配されたIII-Ｖ族半導体を含む層、
を有し、
基板は、アノーサイト―ルチル（ＣａＡｌ２Ｓｉ２Ｏ８＋ＴｉＯ２）材料またはコージェライト―エンスタタイト（ＳｉＯ２-Ａｌ２Ｏ３-ＭｇＯ-ＴｉＯ２）材料を含む、
物品である。III-Ｖ族半導体は、Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎまたはこれらの組合せ及びＮ，Ｐ，Ａｓまたはこれらの組合せを含むことができる。III-Ｖ族半導体は、ＧａＮ，ＧａＰ，ＡｌＧａＡｓ，ＩｎＧａＡｓ，ＩｎＧａＮ，ＡｌＧａＰまたはこれらの組合せとすることができる。一実施形態において、III-Ｖ族半導体はＧａＮである。
別の実施形態は、
ガラス―セラミック基板、及び
基板の表面上に配されたＧａＮを含む層、
を有し、
基板はアノーサイト―ルチル（ＣａＡｌ２Ｓｉ２Ｏ８＋ＴｉＯ２）材料またはコージェライト―エンスタタイト（ＳｉＯ２-Ａｌ２Ｏ３-ＭｇＯ-ＴｉＯ２）材料を含む、
物品である。
基板はその体積の８０％以上、例えば９０％以上、にわたって結晶相であり得る。結晶相は基板体積全体にわたって分散され得る。基板はその体積の２０％以下、例えば１０％以下、にわたってガラス相であり得る。ガラス相は基板体積全体にわたって分散され得る。基板は、例えば、８０％以上が結晶相及び２０％以下がガラス相であり得る。
一実施形態において、ＧａＮ及び基板のＣＴＥはそれぞれの±５×１０―７の範囲内にある。基板及び層のＣＴＥはいずれも６０×１０―７＋５である。
表面は１００ｎｍ以下、例えば５０ｎｍ以下、の平均粗さを有することができる。基板は５μｍ以下、例えば、４μｍ以下、３μｍ以下、２μｍ以下、１μｍ以下、０.５μｍ以下、の平均粒径を有することができる。
一実施形態において、基板は無アルカリである。基板は、無Ａｕ，無Ｐｄ，無Ａｇまたは無Ｐｔとすることができ、例えば、無Ａｕ，無Ｐｄ，無Ａｇ及び無Ｐｔとすることができる。基板は無Ａｓとすることができる。一実施形態において、５００ｐｐｍ未満の、Ｎｉ，Ｎａ，Ｃｕ，Ｆｅ，Ｃｒ，Ｃａ，Ｔｉ，Ｋ，ＭｇまたはＺｎのそれぞれが、例えば、以降の高温デバイスプロセス中または湿性化学溶液内浸漬中に、基板から外方拡散する。
一実施形態において、基板は重量％で、
ａ． １５〜２０％のＣａＯ；
ｂ． ３０〜３５％のＡｌ２Ｏ３；
ｃ． ３５〜４０％のＳｉＯ２；及び
ｄ． １２〜１６％のＴｉＯ２；
を含む。
特許請求項１に記載の物品において、基板は重量％で、
ｅ． ４０〜５５％のＳｉＯ２；
ｆ． １０〜１５％のＡｌ２Ｏ３；
ｇ． ２０〜３０％のＭｇＯ；
ｈ． １〜５％のＣａＯ；及び
ｉ． ５〜１５％のＴｉＯ２；
を含む。
一実施形態において、基板は重量％で、
ｊ． ４５〜５０％のＳｉＯ２；
ｋ． １０〜１５％のＡｌ２Ｏ３；
ｌ． ２０〜３０％のＭｇＯ；
ｍ． １〜５％のＣａＯ；及び
ｎ． ５〜１５％のＴｉＯ２；
を含む。
一実施形態において、基板は５ｍｍ以下、例えば４ｍｍ以下、例えば３ｍｍ以下、例えば２ｍｍ以下、例えば１ｍｍ以下、例えば０.５ｍｍ以下、の厚さを有することができる。基板は０.５ｍｍから４ｍｍの範囲にある厚さを有することができる。
ガラス―セラミック基板はアノーサイト―ルチル（ＣａＡｌ２Ｓｉ２Ｏ８＋ＴｉＯ２）系から選ぶことができる。表１に２つの実施例に対する組成が酸化物の重量％で与えられている。２つの組成の内、実施例２の組成は化学量論的である。混合酸化物を１６５０℃で１６時間融解し、次いで、型に流し込んで、７５０℃でアニールした。核形成のため、型を９００℃で８時間アニールし、次いで、１２５０℃で４時間、結晶化させた。
Figure 2015528783
別の実施形態において、ガラス―セラミックはコージェライト―エンスタタイト（ＳｉＯ２-Ａｌ２Ｏ３-ＭｇＯ-ＴｉＯ２）系から選ばれる。実施例３の組成が表２に重量％で与えられる。混合酸化物を１６５０℃で１６時間融解し、次いで、型に流し込んで、７５０℃でアニールした。核形成のため、型を８５０℃で２時間アニール、次いで、１３５０〜１４２５℃で結晶化させた。
Figure 2015528783
結晶化後、３つの組成の型の全てをウエハの形にして、研磨した。
図５は実施例２の、その最終の結晶化された状態における、Ｘ線回折（ＸＲＤ）データを示すグラフである。データは、アノーサイト及びルチルの、２つの結晶相を示し、また（ＣＴＥ不整合誘起応力の補償に有益である）いくらかの残留ガラスの存在も示す。
図６Ａ及び６Ｂはそれぞれ、約１μｍ以下の結晶粒径を示している、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）表面画像及び原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）表面画像である。この粒径はＧａＮ成長プロセス要件―表面は完全に平滑でなければならない―による表面仕上げに有利である。
基板上のＧａＮ層または独立ＧａＮ層は、例えば６インチ×６インチ（１５２.４ｍｍ×１５２.４ｍｍ）またはさらに一層大きいウエハサイズのプロセスのような、作製プロセスにおいてＬＥＤ光源を作製するために用いることができる。ＧａＮ層上に複数のＬＥＤを作製し、作成後に分割して、単一ＬＥＤにすることができる。
当業者には、特許請求される主題の精神及び範囲を逸脱することなく、本明細書に説明された実施形態に様々な改変及び変形がなされ得ることが明らかであろう。したがって、本明細書に説明された様々な実施形態の改変及び変形が添付される特許請求項及びそれらの等価形態の範囲内に入れば、本明細書はそのような改変及び変形を包含するとされる。

Claims (10)

  1. ガラス―セラミック基板及び、前記基板の表面上に配された、III-Ｖ族半導体を含む層を有する物品において、前記基板がアノーサイト―ルチル（ＣａＡｌ２Ｓｉ２Ｏ８＋ＴｉＯ２）材料またはコージェライト―エンスタタイト（ＳｉＯ２-Ａｌ２Ｏ３-ＭｇＯ-ＴｉＯ２）材料を含むことを特徴とする物品。
  2. 前記III-Ｖ族半導体が、ＧａＮ，ＧａＰ，ＡｌＧａＡｓ，ＩｎＧａＡｓ，ＩｎＧａＮ，ＡｌＧａＰ，またはこれらの組合せであることを特徴とする請求項１に記載の物品。
  3. 前記基板が前記基板の体積の８０％以上にわたって結晶相であることを特徴とする請求項１または２に記載の物品。
  4. 前記基板が前記基板の体積の２０％以下にわたってガラス相であることを特徴とする請求項１または２に記載の物品。
  5. 前記層及び前記基板のＣＴＥが互いの±５×１０―７/℃以内にあることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の物品。
  6. 前記基板及び前記層のそれぞれのＣＴＥが５５×１０―７/℃と６５×１０―７/℃の間にあることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の物品。
  7. 前記表面が１００ｎｍ以下の平均粗さを有することを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の物品。
  8. 前記基板が５μｍ以下の平均粒径を有することを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の物品。
  9. 前記基板が重量％で、
    １５〜２０％のＣａＯ；
    ３０〜３５％のＡｌ２Ｏ３；
    ３５〜４０％のＳｉＯ２；及び
    １２〜１６％のＴｉＯ２；
    を含むことを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の物品。
  10. 前記基板が重量％で、
    ４０〜５５％のＳｉＯ２；
    １０〜１５％のＡｌ２Ｏ３；
    ２０〜３０％のＭｇＯ；
    １〜５％のＣａＯ；及び
    ５〜１５％のＴｉＯ２；
    を含むことを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の物品。
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