JP2019087560A - 半導体素子及びその製造方法、発光デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】発光デバイスに用いたときに、広範囲に光を照射することを可能とする、半導体素子を提供する。【解決手段】等方性黒鉛２と、等方性黒鉛２上に設けられた結晶性窒化ガリウム層３と、を備える、半導体素子１。【選択図】図１

Description

本発明は、窒化ガリウム層を備える半導体素子、該半導体素子の製造方法、及び該半導体素子を用いた発光デバイスに関する。

従来、サファイア基板などの上に窒化ガリウム層を設けた半導体素子が知られている。しかしながら、サファイア基板は、非常に高価である。このため、サファイア基板の代わりに、高配向性グラファイト（ＨＯＰＧ）や、高分子材料を焼結して得られるグラファイトなどの、非常に配向性の高いグラファイトからなる基板の上に窒化ガリウム層を設けた半導体素子が提案されている。また、下記の特許文献１には、膨張黒鉛シートの上に結晶性窒化ガリウム層を設けた半導体素子が開示されている。

特許第５８９６７０１号公報

しかしながら、サファイア基板や膨張黒鉛シートの上に窒化ガリウム層を設けた半導体素子を発光デバイスに用いた場合、発光の角度分布が狭く、広範囲に光を照射することが困難であった。

本発明は、発光デバイスに用いたときに、広範囲に光を照射することを可能とする、半導体素子、該半導体素子の製造方法、及び該半導体素子を用いた発光デバイスを提供することを目的とする。

本発明の半導体素子は、等方性黒鉛と、前記等方性黒鉛上に設けられた結晶性窒化ガリウム層と、を備えることを特徴としている。

本発明の半導体素子では、前記結晶性窒化ガリウム層が、前記等方性黒鉛上に窒化ガリウムの結晶をエピタキシャル成長させてなることが好ましい。

本発明の半導体素子では、前記結晶性窒化ガリウム層が、前記等方性黒鉛のｃ面露出部の上に設けられていることが好ましい。

本発明の半導体素子では、前記結晶性窒化ガリウム層の（００２）面におけるＸ線ロッキングカーブ半値幅が、１５°以上、４５°以下であることが好ましい。

本発明の半導体素子の製造方法は、上記本発明に従って構成される半導体素子の製造方法であって、前記等方性黒鉛を準備する工程と、前記等方性黒鉛の上に、前記結晶性窒化ガリウム層を形成する工程と、を備えることを特徴としている。

本発明の半導体素子の製造方法では、有機金属気相成長法により、前記等方性黒鉛上に、前記結晶性窒化ガリウム層を形成することが好ましい。

本発明の発光デバイスは、本発明に従って構成される半導体素子と、前記半導体素子の前記結晶性窒化ガリウム層側の主面上に設けられた透明電極と、を備えることを特徴としている。

本発明によれば、発光デバイスに用いたときに、広範囲に光を照射することを可能とする、半導体素子を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る半導体素子を示す模式的断面図である。 本発明の一実施形態に係る半導体素子において、等方性黒鉛上に結晶性窒化ガリウム層が設けられている状態を説明するための模式図である。 本発明の一実施形態に係る発光デバイスを示す模式的断面図である。 実施例１及び実施例２の半導体素子の２θ−θ測定で得られたＸ線回折スペクトルである。 比較例１の半導体素子の２θ−θ測定で得られたＸ線回折スペクトルである。 比較例２の半導体素子の２θ−θ測定で得られたＸ線回折スペクトルである。 実施例１及び実施例２の半導体素子の２θ−ω測定で得られたＸ線回折スペクトルである。 比較例１の半導体素子の２θ−ω測定で得られたＸ線回折スペクトルである。 比較例２の半導体素子の２θ−ω測定で得られたＸ線回折スペクトルである。 実施例１で得られた半導体素子のフォトルミネッセンススペクトルを示す図である。 実施例２で得られた半導体素子のフォトルミネッセンススペクトルを示す図である。 比較例の半導体素子において、サファイア基板上に結晶性窒化ガリウム層が設けられている状態を説明するための模式図である。

以下、好ましい実施形態について説明する。但し、以下の実施形態は単なる例示であり、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。また、図面において、実質的に同一の機能を有する部材は同一の符号で参照する場合がある。

（半導体素子）
図１は、本発明の一実施形態に係る半導体素子を示す模式的断面図である。図１に示すように、半導体素子１は、等方性黒鉛２と、結晶性窒化ガリウム層３とを備える。等方性黒鉛２の主面２ａ上に、結晶性窒化ガリウム層３が設けられている。なお、半導体素子１としては、例えば、ＬＥＤなどの光電変換素子が挙げられる。

本実施形態において、等方性黒鉛２は矩形の基板である。もっとも、等方性黒鉛２の形状は特に限定されない。等方性黒鉛２は、例えば、冷間静水圧プレス法（ＣＩＰ：Ｃｏｌｄ Ｉｓｏｓｔａｔｉｃ Ｐｒｅｓｓｉｎｇ）で成形することにより製造することができる。等方性黒鉛２は、その物性が等方性（成形体の方向による特性の違いが非常に少ない）である黒鉛である。熱伝導性、電気伝導性を有し、耐熱性、耐薬品性にも優れている。

等方性黒鉛２の厚みは、０．１ｍｍ〜５ｍｍであることが好ましく、０．２ｍｍ〜１ｍｍであることがより好ましい。等方性黒鉛２のかさ密度は、１．６ｇ／ｃｍ^３〜２．０ｇ／ｃｍ^３であることが好ましく、１．７ｇ／ｃｍ^３〜１．８ｇ／ｃｍ^３であることがより好ましい。

等方性黒鉛２の主面２ａ上には、結晶性窒化ガリウム層３が設けられている。結晶性窒化ガリウム層３は、窒化ガリウムの単結晶及び多結晶のうち、少なくとも一方により構成されている。結晶性窒化ガリウム層３は、窒化ガリウム（ＧａＮ）の結晶がエピタキシャル成長したものであってもよい。結晶性窒化ガリウム層３の厚みは、１０ｎｍ〜１０００ｎｍであることが好ましく、１００ｎｍ〜５００ｎｍであることがより好ましい。

なお、本実施形態においては、等方性黒鉛２の主面２ａの少なくとも一部の上に、結晶性窒化ガリウム層３が設けられていればよい。等方性黒鉛２の主面２ａの面積のうち、結晶性窒化ガリウム層３が設けられた部分の面積の割合（（結晶性窒化ガリウム層３が設けられた部分の面積）／（等方性黒鉛２の主面２ａの面積）×１００）は、５％〜９５％であることが好ましく、１０％〜９０％であることがより好ましい。

本実施形態においては、上記のように、等方性黒鉛２の主面２ａ上に結晶性窒化ガリウム層３が設けられている。そのため、発光デバイスに用いたときに、広範囲に光を照射することができる。この点については、図２及び図１２を参照して、以下のように説明することができる。

図２は、本発明の一実施形態に係る半導体素子において、等方性黒鉛上に結晶性窒化ガリウム層が設けられている状態を説明するための模式図である。また、図１２は、比較例の半導体素子において、サファイア基板上に結晶性窒化ガリウム層が設けられている状態を説明するための模式図である。

図１２に示すように、比較例の半導体素子１０１では、サファイア基板１０２上に結晶性窒化ガリウム層１０３が設けられている。サファイア基板１０２は、ｃ軸の配向度（ｃ軸配向度）が高い基板である。従って、このｃ軸配向度の高いサファイア基板１０２上に窒化ガリウムの結晶を成長させることにより、ｃ軸配向度の高い結晶性窒化ガリウム層１０３が形成されることとなる。このように、ｃ軸配向度の高い結晶性窒化ガリウム層１０３を有する半導体素子１０１を発光デバイスに用いた場合、サファイア基板１０２に垂直な方向に偏って光が照射されやすい。そのため、比較例の半導体素子１０１を発光デバイスに用いた場合、広い角度範囲に光を照射することが難しい。

これに対して、本実施形態では、等方性黒鉛２上に、結晶性窒化ガリウム層３が設けられている。図２に示すように、等方性黒鉛２は、ｃ軸配向度が低く、ランダムに配向した構造を有する。このｃ軸配向度が低い等方性黒鉛２上に窒化ガリウムの結晶を成長させると、形成された結晶性窒化ガリウム層３のｃ軸配向度も低くなり、さまざまな結晶方位を示すこととなる。このように、結晶性窒化ガリウム層３のｃ軸配向度が低く、結晶性窒化ガリウム層３がランダムに配向した構造を有する半導体素子１を発光デバイスに用いた場合、さまざまな方向に光が照射されることとなる。そのため、本実施形態の半導体素子１を発光デバイスに用いた場合、広い角度範囲に光が照射されることとなる。

なお、本発明においては、図２に示すように、等方性黒鉛２におけるｃ面露出部２ａ１の上に窒化ガリウムの結晶が成長することにより、結晶性窒化ガリウム層３が形成されていることが好ましい。

上記のように、本実施形態の半導体素子１では、等方性黒鉛２上に形成された結晶性窒化ガリウム層３のｃ軸配向度が低く、結晶性窒化ガリウム層３がランダムに配向した構造を有する。そのため、結晶性窒化ガリウム層３の（００２）面におけるＸ線ロッキングカーブ半値幅が、サファイア基板１０２上に形成された従来の結晶性窒化ガリウム層１０３と比べて大きい。

なお、Ｘ線ロッキングカーブ半値幅の測定に際しては、結晶性窒化ガリウム層３にＸ線を照射し、（００２）面における２θ−ω測定を行なう。そして、得られたＸ線回折スペクトルについて、ガウス関数によるフィッティングを行うことにより、Ｘ線ロッキングカーブ半値幅を得ることができる。

Ｘ線としては、ＣｕＫα線（波長１．５４１Å）を用いることができる。Ｘ線回折装置としては、例えば、試料水平型多目的Ｘ線回折装置Ｕｌｔｉｍａ ＩＶ（リガク社製）を用いることができる。

本発明においては、結晶性窒化ガリウム層３の（００２）面におけるＸ線ロッキングカーブ半値幅が、好ましくは１５°以上、より好ましくは２０°以上、好ましくは４５°以下、より好ましくは３０°以下である。

Ｘ線ロッキングカーブ半値幅が上記下限以上である場合、発光デバイスに用いたときに、より一層広い角度範囲に光を照射することができる。他方、Ｘ線ロッキングカーブ半値幅が上記上限以下である場合、発光デバイスに用いたときに、発光強度をより一層高めることができる。

（半導体素子の製造方法）
次に、半導体素子１の製造方法の一例について説明する。

半導体素子１の製造方法では、まず、等方性黒鉛２を準備する。この際、等方性黒鉛２の主面２ａを研磨して用いてもよい。この場合、電極作製などのプロセスの歩留まりを高くすることができる。

次に、等方性黒鉛２の主面２ａ上に、結晶性窒化ガリウム層３を形成する。具体的には、等方性黒鉛２の主面２ａ上に、有機金属気相成長法などにより、窒化ガリウムの結晶をエピタキシャル成長させて、結晶性窒化ガリウム層３を形成することができる。なお、本発明においては、等方性黒鉛２の主面２ａ上に、バッファー層を成膜し、その上に結晶性窒化ガリウム層３を形成してもよい。この場合、より一層高品質な窒化ガリウムの結晶を得ることができる。

半導体素子１の製造方法では、ｃ軸配向度が低い等方性黒鉛２上に、窒化ガリウムの結晶を成長させる。そのため、この等方性黒鉛２上に成長してなる結晶性窒化ガリウム層３のｃ軸配向度も低くなり、さまざまな結晶方位を示すこととなる。よって、得られた半導体素子１は、発光デバイスに用いたときに、さまざまな方向に光を照射することができ、広い角度範囲に光を照射することができる。

（発光デバイス）
図３は、本発明の一実施形態に係る発光デバイスを示す模式的断面図である。

図３に示すように、発光デバイス１１は、上述の半導体素子１と、透明電極１２とを備える。透明電極１２は、半導体素子１の結晶性窒化ガリウム層３側の主面１ａ上に設けられている。透明電極１２としては、例えば、ＩＴＯ膜などを用いることができる。

発光デバイス１１においては、結晶性窒化ガリウム層３が、ｎ型窒化ガリウム結晶部分３ａと、ｐ型窒化ガリウム結晶部分３ｂとを備える。ｎ型窒化ガリウム結晶部分３ａは、等方性黒鉛２側に設けられている。なお、等方性黒鉛２は、ｎ電極を兼ねている。一方、ｐ型窒化ガリウム結晶部分３ｂは、透明電極１２側に設けられている。なお、透明電極１２は、ｐ電極である。

発光デバイス１１は、上述の半導体素子１を備えているので、図３に矢印で示すように広い角度範囲に光を照射することができる。また、発光デバイス１１を構成する等方性黒鉛２は、高い熱伝導性を有するので、結晶性窒化ガリウム層３の発光に伴う発熱を効率よく放熱することができる。そのため、半導体素子１の冷却効率を高めることができる。また、半導体素子１に大電流を流しても、発熱を放熱することができ、高輝度化を図ることができる。

また、半導体素子１の温度上昇を抑制できるので、温度変化による発光波長の変化も小さくすることができる。さらに、発光デバイス１１では、等方性黒鉛２がｎ電極を兼ねているので、部品点数を削減することができ、小型化を図ることもできる。なお、等方性黒鉛２は高い電気伝導性を有するので、従来のサファイア基板を用いた場合のように結晶性窒化ガリウム層３の一部をエッチングして電極接点を作製するなど追加の工程を必要とすることなく、等方性黒鉛２の裏面に電極を形成することができる。そのため、素子の構造を単純化したりコストを安くしたりすることができ、発光面積を大きくすることもできる。

以下、本発明について、具体的な実施例に基づいて、さらに詳細に説明する。本発明は、以下の実施例に何ら限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において適宜変更して実施することが可能である。

（実施例１）
分子線エピタキシー（ＭＢＥ）装置（エイコー社製、品番「ＥＷ−１０」）を用いて、等方性黒鉛基板（東洋炭素社製、製品名「ＩＧ−１１０Ｕ」）上に、窒化ガリウム（ＧａＮ）を成膜し、半導体素子を得た。なお、成膜の際には、窒素をＲＦプラズマで活性化して供給した。また、成膜条件としては、等方性黒鉛基板温度：８５０℃、Ｇａ金属原料温度：９４０℃、窒素流量：１．０ｓｃｃｍ、ＲＦプラズマ出力：３００Ｗ、成膜時間：２時間とした。

（実施例２）
等方性黒鉛基板として、東洋炭素社製、製品名「ＨＰＧ−５３０Ｕ」を用いたこと以外は、実施例１と同様にして半導体素子を得た。

（比較例１）
分子線エピタキシー（ＭＢＥ）装置（エイコー社製、品番「ＥＷ−１０」）を用いて、膨張黒鉛基板（東洋炭素社製、製品名「ＰＦ−１１」）上に、窒化ガリウム（ＧａＮ）を成膜し、半導体素子を得た。なお、成膜の際には、窒素をＲＦプラズマで活性化して供給した。また、成膜条件としては、膨張黒鉛基板温度：９００℃、Ｇａ金属原料温度：９４０℃、窒素流量：１．０ｓｃｃｍ、ＲＦプラズマ出力：３００Ｗ、成膜時間：２時間とした。

（比較例２）
分子線エピタキシー（ＭＢＥ）装置（エイコー社製、品番「ＥＷ−１０」）を用いて、サファイア基板（エレクトロニクス エンド マテリアルズ コーポレーション社製、製品名「Ｓａｐｐｈｉｒｅ Ｗａｆｅｒ（ｃ−ｐｌａｎｅ）１２．５×１２．５×０．５ｍｍ」）上に、窒化ガリウム（ＧａＮ）を成膜し、半導体素子を得た。なお、成膜の際には、窒素をＲＦプラズマで活性化して供給した。また、成膜条件としては、サファイア基板温度：９００℃、Ｇａ金属原料温度：９６０℃、窒素流量：０．５ｓｃｃｍ、ＲＦプラズマ出力：３００Ｗ、成膜時間：１時間とした。

（評価）
Ｘ線回折測定；
実施例１，２及び比較例１，２で得られた半導体素子に、窒化ガリウム層側からＸ線を照射し、２θ−θスキャンによりＸ線回折測定を行った。なお、Ｘ線回折装置としては、試料水平型多目的Ｘ線回折装置Ｕｌｔｉｍａ ＩＶ（リガク社製）を用いた。また、Ｘ線としては、ＣｕＫα線（波長１．５４１Å）を用いた。実施例１，２の結果を図４に、比較例１の結果を図５に、比較例２の結果を図６に示す。

図４より、等方性黒鉛基板を用いた実施例１では、グラファイト由来の多種類の結晶面からの回折が観測されていることから、等方性黒鉛基板がランダムに配向していることがわかる。また、２θ＝３６．５°付近には、ＧａＮの（００２）面の回折ピークが観測された。この回折ピークの強度が弱いのは、等方性黒鉛基板の表面に偶然平行に配向した黒鉛粒子の（００２）面からエピタキシャル成長したＧａＮの（００２）面のみが観測されているためと考えられる。

図５より、膨張黒鉛基板を用いた比較例１では、図４の等方性黒鉛基板に比べて、グラファイト由来の回折ピークの数が少なく、（００２）面及び（００４）面の回折が大きいことから、グラファイトのｃ軸が配向する傾向が確認された。膨張黒鉛基板がｃ軸配向の傾向を有するのは、ロール圧延して１軸方向に力を加えて製造するプロセスに由来するものと考えられる。また、２θ＝３６．５°付近には、ＧａＮの（００２）面の回折ピークが観測された。

また、図６より、サファイア基板を用いた比較例２では、ＧａＮの（００２）面の非常に強い回折ピークが観測されたことから、サファイア基板に対してＧａＮがｃ軸配向成長していることがわかる。なお、サファイア基板は、高度にｃ軸配向しており、サファイア基板のｃ面に対してＧａＮが、ｃ軸配向エピタキシャル成長していることがわかる。なお、図４〜図６より、基板のｃ軸配向度は、等方性黒鉛基板＜膨張黒鉛基板＜サファイア基板であった。

また、実施例１，２及び比較例１，２で得られた半導体素子に、窒化ガリウム層側からＸ線を照射し、窒化ガリウム層の（００２）面における２θ−ωスキャンをすることにより、ロッキングカーブＸ線回折測定を行った。実施例１，２の結果を図７に、比較例１の結果を図８に、比較例２の結果を図９に示す。

図７〜図９より、実施例１，２の等方性黒鉛基板上に成長したＧａＮの（００２）面のロッキングカーブは、膨張黒鉛基板上やサファイア基板上に成長したＧａＮの（００２）面のロッキングカーブよりもブロードであり、ｃ軸配向度が低いことがわかる。また、得られたロッキングカーブについて、ガウス関数によるフィッティングを行うことにより、Ｘ線ロッキングカーブ半値幅を得た。ＧａＮ（００２）面のＸ線ロッキングカーブ半値幅は、実施例１，２では２５°、比較例１では１５°であり、比較例２では１．８°であった。すなわち、ＧａＮ結晶のｃ軸配向度は、等方性黒鉛＜膨張黒鉛＜サファイアであった。このことから、等方性黒鉛基板上では、ｃ軸配向度が最も低く、すなわちｃ軸をさまざまな方向に向けたＧａＮ結晶が成長していることがわかる。

このように、ｃ軸配向度が小さい等方性黒鉛を基板に用いることで、Ｘ線ロッキングカーブ半値幅が大きい、すなわちｃ軸配向度が小さく、様々な結晶方位を示すＧａＮ結晶膜が得られた。一方、等方性黒鉛基板よりもｃ軸配向度が大きい膨張黒鉛基板及びサファイア基板を用いると、Ｘ線ロッキングカーブ半値幅が小さい（ｃ軸配向度が大きい）ＧａＮ結晶膜が得られた。

フォトルミネッセンス測定；
実施例１，２で等方性黒鉛基板上に成長させたＧａＮ結晶からのフォトルミネッセンス測定を行った。フォトルミネッセンス測定に際しては、３２５ｎｍ励起フォトルミネッセンス測定装置ＭＵＶＰＬ−３２５−ＫＣ−１（睦コーポレーション社製）を用いた。励起光としては、Ｈｅ−Ｃｄレーザー（波長：３２５ｎｍ）を用いた。実施例１の結果を図１０に、実施例２の結果を図１１に示す。

図１０及び図１１より、ＧａＮのバンドギャップのエネルギーに相当する３．４ｅＶの発光が観測されていることが確認できる。このことから、等方性黒鉛基板の（００２）面からエピタキシャル成長したランダム配向性ＧａＮ結晶は、発光素子として用い得ることがわかる。なお、実施例１，２では、比較例１，２と比べて、広い角度範囲に光が照射されることが確認できた。

１…半導体素子
２…等方性黒鉛
１ａ，２ａ…主面
２ａ１…ｃ面露出部
３…結晶性窒化ガリウム層
３ａ…ｎ型窒化ガリウム結晶部分
３ｂ…ｐ型窒化ガリウム結晶部分
１１…発光デバイス
１２…透明電極

Claims (7)

1. 等方性黒鉛と、
   前記等方性黒鉛上に設けられた結晶性窒化ガリウム層と、
   を備える、半導体素子。
2. 前記結晶性窒化ガリウム層が、前記等方性黒鉛上に窒化ガリウムの結晶をエピタキシャル成長させてなる、請求項１に記載の半導体素子。
3. 前記結晶性窒化ガリウム層が、前記等方性黒鉛のｃ面露出部の上に設けられている、請求項１又は２に記載の半導体素子。
4. 前記結晶性窒化ガリウム層の（００２）面におけるＸ線ロッキングカーブ半値幅が、１５°以上、４５°以下である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体素子。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体素子の製造方法であって、
   前記等方性黒鉛を準備する工程と、
   前記等方性黒鉛の上に、前記結晶性窒化ガリウム層を形成する工程と、
   を備える、半導体素子の製造方法。
6. 有機金属気相成長法により、前記等方性黒鉛上に、前記結晶性窒化ガリウム層を形成する、請求項５に記載の半導体素子の製造方法。
7. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体素子と、
   前記半導体素子の前記結晶性窒化ガリウム層側の主面上に設けられた透明電極と、
   を備える、発光デバイス。

Images