JP2020061510A - 半導体成長用基板、半導体素子、半導体発光素子および半導体素子製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付すものとし、適宜重複した説明は省略する。図1は、本発明の第1実施形態における半導体成長用基板を示す模式断面図である。
はじめに、r面を主面とするサファイア基板1上に、スパッタ法を用いてAlNバッファ層2を形成する。AlNバッファ層2を形成するスパッタ法としては、Alをターゲット材としてN2およびArガスを用いる反応性スパッタ法を採用してもよいが、AlNをターゲット材としてArガスを用いることがより好ましい。ターゲット材となるAlNとしては単結晶基板であっても粉末焼体であってもよく、その状態や形態は限定されない。
次に、スパッタ工程で成膜したAlNバッファ層2のアニール処理を実施し、AlNバッファ層2の再結晶化を促進して、表面に半極性面のファセットを複数形成する。アニール処理としては、例えば高周波誘導加熱方式による熱処理装置を用いることができる。アニール条件としては、不活性ガス(例えば窒素やAr)雰囲気中において1300℃以上1700℃未満の基板温度を0.5〜3.0時間継続することが好ましい。より好ましくは1300℃以上1600℃以下である。アニール温度が1700℃以上であると、サファイア基板1が熱分解して劣化するため好ましくない。また、アニール温度が1300℃未満であると、AlNバッファ層2の再結晶化が不十分であり、AlNバッファ層2の表面に半極性面のファセットを形成しにくい。
次に、AlNバッファ層2の表面を洗浄した後に、キャリアガスとして水素、窒素を用い、V族原料としてアンモニア(NH3)を用い、III族原料としてTMG(TrimethylGallium)を用いて、MOCVD法でa面GaN層3を成長させる。このとき、成長シーケンスは2段階で構成し、昇温した後に成長温度を一定とし、リアクタ圧力とV/III比および成長時間を変更している。例えば、昇温直後の第1ステップではV/III比を4000〜5000程度とし、圧力を900〜1000hPaとして10〜20分程度維持する。第2ステップでは例えばV/III比を100〜200程度とし、圧力を100〜150hPaとして90〜120分維持する。a面GaN層3を成長した後に室温まで冷却して取り出すことで、図1に示した本実施形態の半導体成長用基板を得ることができる。
スパッタ工程で、RF出力450W、10rpm、Ar流量5.0sccm、N2流量5.0sccm、基板温度を300℃、到達真空度1.53×10-5Paの条件で、AlNバッファ層2を形成した。その後にアニール工程で、熱処理装置のカーボンサセプタ内に基板をセットし、減圧した後にN2封入して380torrにし、昇温レート20℃/minで1600℃まで昇温して一時間アニールした。次に半導体素子成長工程で、温度を1010℃まで昇温した後に成長温度を1010℃で一定とし、第1段階ではV/III比4400、圧力933hPa、成長時間を10分とし、第2段階ではV/III比100、圧力100hPa、成長時間を90分でa面GaN層3を成長させて半導体成長用基板を得た。AlNバッファ層2の膜厚が30nm、90nm、180nmのものをそれぞれ実施例1−3とした。
スパッタ工程の後にアニール工程を実施せず、半導体素子成長工程を実施した他は実施例1と同様の条件で半導体成長用基板を得た。AlNバッファ層2の膜厚が30nm、90nm、180nmのものをそれぞれ比較例1−3とした。
スパッタ工程での基板温度を500℃とし、到達真空度が4.47×10-4Paである他は比較例1と同様の条件で比較例4の半導体成長用基板を得た。
スパッタ工程を用いず、r面を主面とするサファイア基板1上に、MOCVD法を用いてAlNバッファ層2をエピタキシャル成長させた他は、比較例1−3と同様にして半導体成長用基板を得た。成長条件は、成長温度1340℃、V/III比6300、であった。AlNバッファ層2の膜厚が30nm、90nm、180nmのものをそれぞれ比較例5−7とした。
図2は、スパッタ条件の違いによるAlNバッファ層2中の不純物濃度と、a面GaN層3の結晶性を示す表である。AlNバッファ層2中の不純物濃度はSIMS(Secondary Ion Mass Spectrometry)により測定し、a面GaN層3の結晶性はSEM(Scanning Electron Microscope)像とX線回折により評価した。図中左側に比較例1の結果を示し、図中右側に比較例4の結果を示している。
図3は、AFM(Atomic Force Microscope)によるAlNバッファ層2の表面モフォロジ評価結果を示す表であり、(a)〜(c)は比較例1−3を示し、(d)〜(f)は実施例1−3を示し、(g)〜(i)は比較例5−7を示している。図中左右方向はAlNバッファ層2のm軸方向を示し、上下方向はc軸方向を示している。
図4は、AlNバッファ層2の<1−100>方向から観察した明視野断面TEM(Transmission Electron Microscope)像と、電子回折パターンを示す表であり、(a)〜(c)は実施例1−3を示し、(d)は比較例7を示している。図4中に挿入した電子回折パターンでは、(I)で示した位置では<1−100>AlNのみが確認され、(II)で示した位置では<1−100>AlNと<11−21>AlNが確認された。
図5は、a面GaN層3のXRC(X−ray Rocking Curve)測定の回折スペクトルを示すグラフであり、(A)はa面内のc軸方向での結果を示し、(B)はa面内のm軸方向での結果を示し、(C)は{10−11}面内での結果を示している。図5(A)〜(C)では、AlNバッファ層2の膜厚を30nmとした実施例1、比較例1、比較例5の測定結果を示している。
図6は、a面GaN層3の表面モフォロジを示す図であり、図6(a)は実施例2のSEM像であり、図6(b)は実施例1のAFM像である。図6(a)に示したように、実施例2ではa面GaN層3は多結晶化して平坦面が得られていない。実施例3および比較例2,3でも同様であった。一方で図6(b)に示したように、実施例1ではa面GaN層3は平坦な表面の単結晶が得られた。比較例1および比較例5−7も同様であった。
次に、本発明の第2実施形態について図7を用いて説明する。図7は第2実施形態の半導体装置であるLED10を示す模式断面図である。図7に示すようにLED10は、r面を主面とするサファイア基板11、AlNバッファ層12、結晶グレイン12a、a面GaN層13、n型半導体層14、発光層15、p型半導体層16、n側電極17、p側電極18を有している。
本発明の半導体装置であるLED10は、上述したようにピエゾ電界によるドループが少なく、且つa面内での異方性が小さく良好な結晶品質であることから高輝度化を実現できるので、車両用灯具などの灯具に用いることでチップ数の低減や高出力化を図ることが可能となる。
1,11…サファイア基板
2,12…AlNバッファ層
2a,12a…結晶グレイン
3,13…a面GaN層
14…n型半導体層
15…発光層
16…p型半導体層
17…n側電極
18…p側電極
スパッタ工程での基板温度を600℃とし、到達真空度が4.47×10-4Paである他は比較例1と同様の条件で比較例4の半導体成長用基板を得た。
図2は、スパッタ条件の違いによるAlNバッファ層2中の不純物濃度と、a面GaN層3の結晶性を示す表である。AlNバッファ層2中の不純物濃度はSIMS(Secondary Ion Mass Spectrometry)により測定し、a面GaN層3の結晶性はSEM(Scanning Electron Microscope)像とX線回折により評価した。図中左側に実施例1の結果を示し、図中右側に比較例4の結果を示している。
Claims (8)
- r面を主面とするサファイア基板と、
前記主面上に形成されたAlNバッファ層を備え、
前記AlNバッファ層の表面には、a面を傾けた半極性面のファセットが複数形成されていることを特徴とする半導体成長用基板。 - 請求項1に記載の半導体成長用基板であって、
前記半極性面は、{11−22}面または{11−2−2}面であることを特徴とする半導体成長用基板。 - 請求項1または2に記載の半導体成長用基板であって、
前記AlNバッファ層上にa面GaN層を備えることを特徴とする半導体成長用基板。 - 請求項1から3の何れか一つに記載の半導体成長用基板であって、
前記AlNバッファ層の表面には、前記ファセットを有する複数の結晶グレインが形成されており、
前記結晶グレインのm軸方向の長さLmは、c軸方向の長さLcよりも大きいことを特徴とする半導体成長用基板。 - 請求項4に記載の半導体成長用基板であって、
前記結晶グレインにおいて、Lc/Lmが0.05以上0.50以下の範囲であることを特徴とする半導体成長用基板。 - 請求項1から5の何れか一つに記載の半導体成長用基板を用い、
前記半導体成長用基板上に機能層を備えることを特徴とする半導体素子。 - 請求項1から5の何れか一つに記載の半導体成長用基板を用い、
前記半導体成長用基板上に活性層を備えることを特徴とする半導体発光素子。 - r面を主面とするサファイア基板上にスパッタ法を用いてAlNバッファ層を形成するスパッタ工程と、
前記AlNバッファ層をアニールして、前記AlNバッファ層の表面にa面を傾けた半極性面のファセットを複数形成するアニール工程と、
前記AlNバッファ層上にa面GaN層を成長する半導体層成長工程と備えることを特徴とする半導体素子製造方法。
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