JP2017228695A - Iii 族窒化物半導体発光素子の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 基板110を準備する工程では、主面111にc面からなる底面111bと、底面111bに対して突出する複数の凸部111aと、を有するとともに、主面111に占める底面111bの面積の比が8%以上32%以下の基板110を準備する。AlNバッファ層B1を形成する工程では、MOCVD法を用いて14nm以上34nm以下の膜厚のAlNバッファ層B1を形成する。半導体層Ep1を形成する工程では、AlNバッファ層B1の上にn型半導体層と発光層160とp型半導体層とをこの順序で形成する。
【選択図】図1
Description
1.半導体発光素子
図1は、本実施形態の発光素子100の概略構成を示す図である。発光素子100は、フェイスアップ型の半導体発光素子である。発光素子100は、III 族窒化物半導体から成る複数の半導体層を有する。
図2は、本実施形態の基板110の形状を示す正面図である。図3は、本実施形態の基板110の形状を示す平面図である。基板110は、主面111を有する。主面111は、半導体層Ep1を成長させる側の面である。基板110の主面111は、複数の凸部111aと、底面111bと、を有する。複数の凸部111aは、ハニカム状で周期的に配置されている。複数の凸部111aの形状は、円錐形状である。そのため、基板110の平坦面は、底面111bである。底面111bは、サファイア基板のc面である。複数の凸部111aは、基板110の底面111bに対して突出している。
本実施形態のAlNバッファ層B1の成膜方法は、有機金属気相成長法(MOCVD法)である。AlNバッファ層B1の膜厚は、基板110の主面111に占める底面111bの面積の比に応じて変えるとよい。MOCVD法を用いる場合には、基板110の主面111に占める底面111bの面積の比が8%以上32%以下である場合には、AlNバッファ層B1の膜厚は14nm以上34nm以下であるとよい。また、基板110の主面111に占める底面111bの面積の比が8%以上26%以下である場合には、AlNバッファ層B1の膜厚は16nm以上34nm以下であるとよい。
4−1.n型ファセット層
n型ファセット層120は、AlNバッファ層B1の底面および底面側の斜面を覆うが、AlNバッファ層B1の頂部付近を覆っていない。n型ファセット層120は、基板の主面に垂直な縦型方向に成長した半導体層である。n型ファセット層120の表面には、ファセット面が露出している。n型ファセット面120の頂部の平坦面はc面である。他のファセット面は、例えば、(10−11)面または(11−22)面である。n型ファセット層120のSi濃度は、1×1018cm-3以上3×1019cm-3以下である。n型ファセット層120の膜厚は、100nm以上3000nm以下である。ここで、n型ファセット層120の膜厚とは、n型ファセット層120の底面からn型ファセット層120の頂部の平坦面までの間の距離である。n型ファセット層120の膜厚は、基板110の複数の凸部111aの高さよりも大きい。n型ファセット層120の成膜方法は、MOCVD法である。また、後述するように、n型ファセット層120の成長温度は、n型コンタクト層130の成長温度よりも低い。
n型コンタクト層130は、n型ファセット層120の平坦面から基板の主面に平行な横方向に成長した半導体層である。n型コンタクト層130は、露出しているAlNバッファ層B1の頂部を埋め込んでいる。n型コンタクト層130の成膜方法は、MOCVD法である。
ここで、本実施形態に係る発光素子100の製造方法について説明する。この製造方法は、基板110を準備する工程と、基板110の上にAlNバッファ層B1を形成する工程と、AlNバッファ層B1の上にIII 族窒化物半導体層を形成する工程と、を有する。III 族窒化物半導体層を形成する工程では、AlNバッファ層B1の上にn型半導体層と発光層160とp型半導体層とをこの順序で形成する。
まず、基板110を準備する。その際に、基板に複数の凸部111aを形成する工程を実施して基板110を製造してもよい。その場合には、基板の上にフォトレジストでマスクパターンを形成し、塩素系ガスでドライエッチングする。これにより、複数の凸部111aを有する基板110が製造される。または、複数の凸部111aを形成済みの基板110を購入してもよい。前述したように、基板110の主面111に占める底面111bの面積の比は、8%以上32%以下である。
次に、基板110の主面111の上にAlNバッファ層B1を形成する。その際に、有機金属化学気相成長法(MOCVD法)により、AlNバッファ層B1を形成する。ここで用いるキャリアガスは、水素(H2 )もしくは窒素(N2 )もしくは水素と窒素との混合気体(H2 +N2 )である。窒素源として、アンモニアガス(NH3 )を用いる。Al源として、トリメチルアルミニウム(Al(CH3 )3 )を用いる。
次に、AlNバッファ層B1の上にn型ファセット層120を形成する。この際に、n型ファセット層120は、AlNバッファ層B1の底面から成長するが、AlNバッファ層B1の斜面からはほとんど成長しない。AlNバッファ層B1の膜厚が、好適であるためである。つまり、基板110のc面の上のAlNバッファ層B1は、半導体層を成長させやすい状態になっている。一方、基板110の複数の凸部111aの上のAlNバッファ層B1は、半導体層を成長させやすい状態になっていない。
そして、n型ファセット層120の上にn型コンタクト層130を形成する。n型コンタクト層130を成長させる際には、n型ファセット層120の頂部の平坦面から横方向に成長させる。そのため、n型コンタクト層130は、基板110の複数の凸部111aの上のAlNバッファ層B1を埋め込む。このときの基板温度は、1080℃以上1300℃以下である。このように、n型コンタクト層130の形成温度は、n型ファセット層120の形成温度よりも高い。また、n型コンタクト層130に1×1018cm-3以上3×1019cm-3以下でSiをドープする。3×1019cm-3を超えてSiをドープすると、ピットが発生し、全放射束Poが低下するおそれがある。
次に、n型コンタクト層130の上にn側静電耐圧層140を形成する。このときの基板温度は、750℃以上950℃以下の範囲内である。
次に、n側静電耐圧層140の上にn側超格子層150を形成する。ここで、n型GaN層を含む単位積層体を繰り返し積層する。
次に、n側超格子層150の上に発光層160を形成する。そのために、井戸層と障壁層とを繰り返し積層する。井戸層を成長させる際の基板温度を730℃以上850℃以下の範囲内とする。
次に、発光層160の上にp型クラッド層170を形成する。例えば、p型InGaN層と、p型AlGaN層と、を繰り返し積層する。
次に、p型クラッド層170の上にp型コンタクト層180を形成する。基板温度を、900℃以上1050℃以下の範囲内とする。
次に、p型コンタクト層180の上に透明電極190を形成する。
次に、図4に示すように、レーザーもしくはエッチングにより、p型コンタクト層180の側から半導体層の一部を抉ってn型コンタクト層130を露出させる。そして、その露出箇所に、n電極N1を形成する。そして、透明電極190の上にp電極P1を形成する。p電極P1の形成工程とn電極N1の形成工程は、いずれを先に行ってもよい。
また、上記の工程の他、熱処理工程、絶縁膜形成工程、その他の工程を実施してもよい。以上により、図1に示す発光素子100が製造される。
本実施形態では、底面111bの面積比の小さい基板110であっても、AlNバッファ層B1の成膜方法および膜厚を調整することにより、AlNバッファ層B1より上層の半導体層を好適に成長させることができる。
7−1.基板の複数の凸部の形状
本実施形態の基板110では、複数の凸部111aの形状は円錐形状である。図5に示すように、複数の凸部111aの形状を六角錐形状にしてもよい。または、複数の凸部111aの形状を多角錐形状にしてもよい。または、円錐台形状もしくは多角錐台形状にしてもよい。
本実施形態の基板110では、複数の凸部111aはハニカム状に配置されている。複数の凸部111aは、その他の配列で配置されていてもよい。例えば、複数の凸部111aが三角錐形状である場合には、ハニカム状でない場合であっても、底面111bの面積比が小さい場合がある。
n型ファセット層120は、Siをドープされたn型半導体層である。しかし、n型ファセット層120の代わりに、アンドープのファセット層を適用してもよい。ただし、Siをドープすることにより、ファセット層の抵抗率は低下する。そのため、n型ファセット層120を用いることが好ましい。
本実施形態の発光素子100は、フェイスアップ型の発光素子である。しかし、フリップチップ型の発光素子にも、本技術を適用することができる。
以上詳細に説明したように、本実施形態の発光素子100の製造方法においては、底面111bの面積比の狭い基板110を用いる。この場合において、AlNバッファ層B1をMOCVD法で形成する際に、膜厚を14nm以上34nm以下とする。MOCVD法により成膜したAlNバッファ層B1の膜厚がこの範囲内の場合に、n型ファセット層120は好適に成長する。つまり、複数の凸部111a側のAlNバッファ層B1からは、半導体層の成長は抑制される。底面111b側のAlNバッファ層B1からは、結晶性に優れた半導体層が成長する。そして、n型ファセット層120の頂部からn型コンタクト層130を横方向に成長させる。これにより、貫通転位密度が小さく結晶性に優れたn型コンタクト層130を形成することができる。また、それより上層の半導体層の結晶性もよい。
第2の実施形態について説明する。第2の実施形態は、第1の実施形態とAlNバッファ層B1の成膜方法および膜厚が異なっている。したがって、その相違点について説明する。
本実施形態のAlNバッファ層B1の成膜方法は、スパッタリング法である。スパッタリング法を用いる場合には、基板110の主面111に占める底面111bの面積の比が8%以上32%以下である場合には、AlNバッファ層B1の膜厚は37nm以上57nm以下であるとよい。また、基板110の主面111に占める底面111bの面積の比が8%以上26%以下である場合には、AlNバッファ層B1の膜厚は40nm以上57nm以下であるとよい。
第1の実施形態と異なるAlNバッファ層形成工程について説明する。
まず、基板110の主面111の上にAlNバッファ層B1を形成する。その際に、スパッタリングによりAlNバッファ層B1を形成する。このように、AlNバッファ層B1を37nm以上57nm以下の膜厚で成膜する。このときの基板温度は、350℃以上1000℃以下である。
本実施形態では、底面111bの面積比の小さい基板110であっても、AlNバッファ層B1の成膜方法および膜厚を調整することにより、AlNバッファ層B1より上層の半導体層を好適に成長させることができる。
本実験において、次のサファイア基板を用いた。複数の凸部は、ハニカム状に配置された円錐形状である。サファイア基板はc面に対して0.3°オフした基板である。また、図3に示すように、隣り合う凸部を結ぶ線のうちの一つがm軸と平行である。また、主面に占める底面の面積の比が9%、25%、31%、35%のサファイア基板を用いた。
図6は、主面に占める底面の面積の比に対するAlNバッファ層の膜厚を示すグラフである。図6は、X線回折の結果、好適なAlNバッファ層の膜厚を示している。つまり、主面に占める底面の面積比が30%程度より小さくなると、AlNバッファ層の膜厚を厚くする方が、半導体層の結晶性が向上することを示している。つまり、ピットが少なく、高い平坦性を備える半導体層が形成されている。
なお、主面に占める底面の面積比が小さいほど、主面に占める複数の凸部の面積比が大きい。凸部の箇所では、光が半導体層と基板との界面で反射せずに基板を透過する。そのため、主面に占める複数の凸部の面積比が大きいほど、光取り出し効率は高い。
110…基板
111…主面
111a…凸部
111b…底面
B1…AlNバッファ層
120…n型ファセット層
130…n型コンタクト層
140…n側静電耐圧層
150…n側超格子層
160…発光層
170…p型クラッド層
180…p型コンタクト層
190…透明電極
Ep1…半導体層
N1…n電極
P1…p電極
Claims (4)
- サファイア基板を準備する工程と、
前記サファイア基板の上にAlNバッファ層を形成する工程と、
前記AlNバッファ層の上にIII 族窒化物半導体層を形成する工程と、
を有し、
前記サファイア基板を準備する工程では、
主面にc面からなる底面と、前記底面に対して突出する複数の凸部と、を有するとともに、前記主面に占める前記底面の面積の比が8%以上32%以下のサファイア基板を準備し、
前記AlNバッファ層を形成する工程では、
MOCVD法を用いて14nm以上34nm以下の膜厚の前記AlNバッファ層を形成し、
前記III 族窒化物半導体層を形成する工程では、
前記AlNバッファ層の上にn型半導体層と発光層とp型半導体層とをこの順序で形成すること
を特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法。 - サファイア基板を準備する工程と、
前記サファイア基板の上にAlNバッファ層を形成する工程と、
前記AlNバッファ層の上にIII 族窒化物半導体層を形成する工程と、
を有し、
前記サファイア基板を準備する工程では、
主面にc面からなる底面と、前記底面に対して突出する複数の凸部と、を有するとともに、前記主面に占める前記底面の面積の比が8%以上32%以下のサファイア基板を準備し、
前記AlNバッファ層を形成する工程では、
スパッタリング法を用いて37nm以上57nm以下の膜厚の前記AlNバッファ層を形成し、
前記III 族窒化物半導体層を形成する工程では、
前記AlNバッファ層の上にn型半導体層と発光層とp型半導体層とをこの順序で形成すること
を特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法。 - 請求項1または請求項2に記載のIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法において、
前記n型半導体層を形成する工程では、
前記底面の上の前記AlNバッファ層からn型ファセット層を形成し、
前記n型ファセット層の上にn型コンタクト層を形成し、
前記n型ファセット層を形成する温度は、
前記n型コンタクト層を形成する温度より低いこと
を特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法。 - 請求項3に記載のIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法において、
前記n型ファセット層を形成する工程では、
前記AlNバッファ層における前記底面の側からのIII 族窒化物半導体層の成長速度が、
前記AlNバッファ層における前記複数の凸部の側からのIII 族窒化物半導体層の成長速度より速いこと
を特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法。
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