JP3712789B2 - ３族窒化物半導体基板及び素子の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は３族窒化物半導体を用いた半導体素子の製造方法に関する。特に、３族窒化物半導体基板とその基板上に形成された半導体発光素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、青色や短波長領域の発光素子の材料としてAlGaInN 系の化合物半導体を用いたものが知られている。その化合物半導体は直接遷移型であることから発光効率が高いこと、光の３原色の１つである青色及び緑色を発光色とすること等から注目されている。
【０００３】
最近、AlGaInN 系半導体においても、Mgをドープして電子線を照射したり、熱処理によりｐ型化できることが明らかになった。この結果、従来のｎ層と半絶縁層（ｉ層）とを接合させたMIS 型構造に換えて、図９に示すようなダブルヘテロ構造あるいは単一量子井戸構造の発光ダイオード５０が知られている。即ち、サファイア基板１の上に、順次、AlN のバッファ層２、GaN のｎ⁺ 層３、GaN のｎ層４、In_0.08Ga_0.92N の活性層５、Al_0.08Ga_0.92N のｐ層６、GaN のコンタクト層７、電極層８、９を形成したものである。
【０００４】
このような従来の発光ダイオード５０はサファイア基板１上に有機金属化合物気相成長法あるいは分子線成長法等により、AlGaInN 系半導体をエピタキシャル成長することにより形成される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、常に、サファイア基板を付けた状態で使用される上記の発光ダイオードは、電極の取付け構造に制約がある。即ち、サファイアが絶縁体であるため、ｐ層とｎ層をサンドウィッチ構造に両側から挟み込むように電極を採り付けることができない。従って、両電極は、最上層の側にする必要があり、下層に位置するｎ層に対する電極を形成するためには、上にある半導体層に穴を形成する工程が余分に必要になる。又、この電極構造では、電流は下層の面に平行に注入されるため抵抗が大きくなる。従って、この部分での電圧降下が大きくなると共にジュール熱の発熱量が大きくなるという問題点がある。
【０００６】
更に、上記発光ダイオードは、サファイア基板上に異種物質のAlGaInN 系半導体を積層させるために、AlGaInN 系半導体とサファイア基板の格子定数や熱膨張係数が異なることから種々の問題が発生する。第１に、サファイア基板上に形成されたAlGaInN 系半導体には、格子不整合による結晶欠陥が多数存在する。その結果、発光層における発光効率を低下させたり、素子の劣化を速めて信頼性を低下させていた。第２に、AlGaInN 系半導体とサファイア基板とでは、熱膨張係数が異なる。この結果、素子作製時には、高温でのエピタキシャル成長後の降温過程において素子内部に熱応力が発生する。この熱応力は、AlGaInN 系半導体内に結晶欠陥やクラックを誘発し、素子の電気特性を悪化させたり歩留りを大きく減じる原因となり、好ましくない。
【０００７】
従って、理想的には、AlGaInN 系半導体の基板としては、２つの電極が発光層を挟むように形成できるように、導電性を有し、しかも、格子定数や熱膨張係数がAlGaInN 系半導体とほぼ一致している材料、即ち、AlGaInN 系半導体が望ましい。
【０００８】
しかし実際には、基板として利用できる程大きなAlGaInN 系半導体のバルク単結晶の作製は、構成元素の窒素の平衡蒸気圧が極めて高いため、困難である。このことを解決するための方法として、特開平７−２０２２６５号公報に記載のものが知られている。即ち、その方法は、サファイア基板上に酸化亜鉛（ZnO)からなるバッファ層を形成し、その層の上にAlGaInN 層を成長させ、その後に、ZnO のみをエッチングする溶液を用いて湿式エッチングすることによりZnO を化学的に除去することで、AlGaInN 層をサファイア基板から剥離して、AlGaInN 基板を得る方法である。
【０００９】
しかしながら、この方法ではバッファ層は湿式エッチングにより化学的に除去できるが格子不整合の大きいZnO 等の材料に限られる。一方、サファイア基板上に結晶欠陥などの少ない高品質のAlGaInN 結晶を得るには、バッファ層の材料には、例えば、AlN やGaN が最適である。しかし、AlN やGaN は、化学的に除去が困難なため、バッファ層を除去してAlGaInN 単結晶基板を得るという方法におけるバッファ層には用いることができない。
【００１０】
よって本発明は、結晶性の高い高品質の３族窒化物半導体の基板やその半導体を用いた高特性の素子を容易に得ることを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、半導体または絶縁体からなる基板の両面に、それぞれ少なくとも１層の３族窒化物半導体(Al_xGa_YIn_1-X-YN; 0≦X ≦1, 0≦Y ≦1, 0≦X+Y ≦1)を有する半導体層を形成する第１の工程と、基板および基板の一方の側に形成した半導体層を機械的に除去して、３族窒化物半導体(Al_xGa_YIn_1-X-YN; 0≦X ≦1, 0≦Y ≦1, 0≦X+Y ≦1)からなる半導体基板を得る第２の工程とを有し、第１の工程を、基板の裏面における３族窒化物半導体層の形成と、基板の表面における３族窒化物半導体層の形成とを交互に繰り返すことで厚さを得ることを特徴とする。
【００１２】
又、請求項２の発明は、上記の第１の工程と第２の工程を経て得られた３族窒化物半導体(Al_xGa_YIn_1-X-YN; 0≦X ≦1, 0≦Y ≦1, 0≦X+Y ≦1)からなる半導体基板上に少なくとも１層の３族窒化物半導体(Al_xGa_YIn_1-X-YN; 0≦X ≦1, 0≦Y ≦1, 0≦X+Y ≦1)からなる素子層を形成する第３の工程を有し、第１の工程を、基板の裏面における３族窒化物半導体層の形成と、基板の表面における３族窒化物半導体層の形成とを交互に繰り返すことで厚さを得ることを特徴とする３族窒化物半導体素子の製造方法である。
【００１３】
又、請求項３の発明は、半導体基板の裏面に第１の電極を形成し、素子層の最上層に第２の電極を形成して、素子層を活性層を含むダブルヘテロ接合としたことを特徴とする。
又、請求項４、５の発明は、半導体基板の厚さを５０〜５００μｍとしたことを特徴とする。
【００１４】
【発明の作用及び効果】
上記の基板製造方法によればバッファ層として化学的なエッチングが困難なAlN やGaN な等の材料を用いた場合においても、AlGaInN 系半導体基板を容易に作製でき、結晶欠陥などの少ない高品質のAlGaInN 系半導体基板を得ることができる。さらにその上にAlGaInN 系半導体からなる素子層を形成することで、基板と素子層との格子定数や熱膨張係数がほぼ一致することになり、素子層における結晶欠陥密度を著しく減少させることができ、高特性の素子を実現することができる。又、基板の裏面における３族窒化物半導体層の形成と、基板の表面における３族窒化物半導体の形成とを交互に繰り返して３族窒化物半導体層の厚さを得ることにより、そりの小さい３族窒化物半導体基板を得ることができる。
【００１５】
素子として発光素子を形成した場合には、発光効率を大きく向上させることができると共に素子の劣化も防止することができる。又、半導体基板の裏面に第１の電極、素子層の最上層に第２の電極を形成して、素子層を活性層を含むヘテロ接合に構成できるので、電流を基板に垂直な方向に流すことができる。よって、抵抗を小さくでき電圧降下が小さくなるとともにジュール熱の発熱量が小さくなる。したがって、上記の半導体基板上に素子層を形成し、基板の裏面と最上の素子層に電極を形成した発光素子では、駆動電圧の低減が可能で発光効率も高く、素子の劣化が小さく素子寿命の極めて長い素子を実現することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。なお本発明は下記実施例に限定されるものではない。
本発明の製造方法を用いて、図１に示す構造の発光ダイオード１０を製造した。
図１において、発光ダイオード１０は膜厚約100 μｍ、電子濃度1 ×10¹⁸/cm³のGaN 基板２００を有しており、そのGaN 基板２００の上には、順に、膜厚約2.5 μｍ、電子濃度2 ×10¹⁸/cm³のシリコン(Si)ドープGaN から成る高キャリア濃度ｎ⁺ 層３、膜厚約0.5 μｍ、電子濃度 5×10¹⁷/cm³のシリコン(Si)ドープの (Al_x1Ga_1-X1)_y1In_1-y1Nから成るｎ層４、膜厚約0.05μｍ、(Al_x2Ga_1-x2)_y2In_1-y2N から成る活性層５，膜厚約1.0 μｍ、ホール濃度5 ×10¹⁷/cm³のマグネシウム（Mg) ドープの(Al_x3Ga_1-x3)_y3In_1-y3N から成るｐ層６、膜厚約0.2 μｍ、ホール濃度7 ×10¹⁷/cm³のマグネシウム（Mg) ドープのGaN から成るコンタクト層７が形成されている。更にコンタクト層７に接続する金属電極８と、GaN 基板２００に接続する金属電極９とが形成されている。
【００１７】
次に、この構造の半導体素子の製造方法について説明する。
上記発光ダイオード１０は、有機金属気相成長法（以下ＭＯＶＰＥと示す）による気相成長により製造された。
用いられたガスは、アンモニア(NH₃) 、キャリアガス（H₂）、トリメチルガリウム(Ga(CH₃)₃)（以下「TMG 」と記す) 、トリメチルアルミニウム(Al(CH₃)₃)（以下「TMA 」と記す) 、トリメチルインジウム(In(CH₃)₃)（以下「TMI 」と記す) 、シラン(SiH₄)とジエチル亜鉛(Zn(C₂H₅)₂( 以下「DEZ 」と記す) とシクロペンタジエニルマグネシウム(Mg(C₅H₅)₂)(以下「CP₂Mg 」と記す）である。
【００１８】
まず、有機洗浄及び熱処理により洗浄したａ面を主面とする単結晶のサファイア基板１をM0VPE 装置の反応室に載置されたサセプタに、裏面を上にして装着する。次に、常圧でH₂を流速2 liter/分で約30分間反応室に流しながら温度1100℃でサファイア基板１を気相エッチングした。
【００１９】
次に、温度を 400℃まで低下させて、H₂を20 liter／分、NH₃ を10 liter／分、TMA を 1.8×10^-5モル／分で約90秒間供給して、図２に示すように、AlN の裏面バッファ層３０が約0.05μｍの厚さに形成された。次に、サファイア基板１の温度を1150℃に保持し、H₂を20 liter／分、NH₃ を10 liter／分、TMG を 1.7×10^-4モル／分、H₂ガスにより0.86ppm に希釈されたシランを10×10^-8モル／分で約7 分間導入し、図２に示すように、電子濃度1 ×10¹⁸/cm³、膜厚約４μｍの裏面GaN 層３１を形成した。次に裏面GaN 層３１の上にプラズマＣＶＤ法によりSiO₂層４０を0.15μｍの厚さに形成し、最終的に、図２に示すような構造を得た。
【００２０】
次に、上記試料を再度M0VPE 装置の反応室に載置されたサセプタに、今度は表面を上にして装着する。続いて、常圧でH₂を流速2 liter/分で反応室に流しながら温度1100℃でサファイア基板１を気相エッチングした。
次に、温度を400 °C まで低下させて、H₂を20 liter／分、NH₃ を10 liter／分、TMA を 1.8×10^-5モル／分で約90秒間供給して、図３に示すように、AlN バッファ層２０が約0.05μｍの厚さに形成された。次に、サファイア基板１の温度を1150℃に保持し、H₂を20 liter／分、NH₃ を10 liter／分、TMG を 1.7×10^-4モル／分、H₂ガスにより0.86ppm に希釈されたシランを10×10^-8モル／分で約7 分導入し、膜厚約4 μｍ、電子濃度1 ×10¹⁸/cm³のGaN 層２１を形成し、図３に示すような構造を得た。
【００２１】
次にSiO₂層４０をエッチングにより除去した後、GaN 層２１の上にプラズマＣＶＤ法によりSiO₂層４１を0.15μｍの厚さに形成した。上記試料を再度M0VPE 装置の反応室に装着し温度1500℃で、H₂を20 liter／分、NH₃ を10 liter／分、TMG を1.7 ×10^-5モル／分、H₂ガスにより0.86ppm に希釈されたシランを10×10^-8モル／分で約35分間導入し、裏面GaN 層３１の上に、電子濃度1 ×10¹⁸/cm³、膜厚約20μｍの裏面GaN 層３２を形成し、図４に示すような構造を得た。
【００２２】
更に、SiO₂層４１をエッチングにより除去した後、裏面GaN 層３２の上にプラズマＣＶＤ法によりSiO₂層４２を0.15μｍの厚さに形成した。上記試料を再度M0VPE 装置の反応室に載置されたサセプタに装着し、温度1150℃で、H₂を20 liter／分、NH₃ を10 liter／分、TMG を1.7 ×10^-4モル／分、H₂ガスにより0.86ppm に希釈されたシランを10×10^-8モル／分で約35分間導入し、GaN 層２１の上に、電子濃度1 ×10¹⁸/cm³、膜厚約20μｍのGaN 層２２を形成し、図５に示すような構造を得た。
【００２３】
このように順次、GaN 層および裏面GaN 層の結晶成長サイクルを５回繰り返していくことによって、図６に示すように、サファイア基板の裏面には裏面AlN バッファ層３０を介して電子濃度1 ×10¹⁸/cm³、膜厚約100 μｍの裏面GaN 層３００、サファイア基板の表面にはAlN バッファ層２０を介して電子濃度1 ×10¹⁸/cm³、膜厚約100 μｍのGaN 層２００が形成された。
【００２４】
次に、上記試料をダイアモンド砥粒を用いた機械研磨、それに続いてアルカリ性のコロイダルシリカ砥粒を用いたメカノケミカルポリッシングにより、裏面GaN 層３００、裏面AlN バッファ層３０、サファイア基板１、AlN バッファ層２０を除去し、図７に示すように電子濃度1 ×10¹⁸/cm³、膜厚約100 μｍのGaN 基板２００が形成された。
【００２５】
上記GaN 基板２００をM0VPE 装置の反応室に載置されたサセプタに装着し、温度1150℃で、H₂を20 liter／分、NH₃ を10 liter／分、TMG を 1.7×10^-4モル／分、H₂ガスにより0.86ppm に希釈されたシランを20×10^-8モル／分で40分導入し、膜厚約2.5 μｍ、電子濃度2 ×10¹⁸/cm³のシリコン(Si)ドープGaN 層から成る高キャリア濃度ｎ⁺ 層３を形成した。
【００２６】
上記の高キャリア濃度ｎ⁺ 層３を形成した後、続いて温度を1150℃に保持し、N₂又はH₂を10 liter／分、NH₃ を10 liter／分、TMG を1.12×10^-4モル／分、H₂ガスにより0.86ppm に希釈されたシランを1 ×10^-8モル／分で7 分導入し、膜厚約0.5 μｍ、電子濃度5 ×10¹⁷/cm³のシリコンドープ(Si)ドープGaN 層から成るｎ層４を形成した。
【００２７】
続いて、温度を 850℃に保持し、N₂又はH₂を20 liter／分、NH₃ を10 liter／分、TMG を1.53×10^-4モル／分、TMI を0.02×10^-4モル／分で、H₂で0.86ppm に希釈されたシランを10×10^-8モル/ 分、DEZ を2 ×10^-4モル／分で、 7分間導入し、膜厚約0.05μｍのIn_0.08Ga_0.92N から成る活性層５を形成した。
【００２８】
続いて、温度を1100℃に保持し、N₂又はH₂を20 liter／分、NH₃ を10 liter／分、TMG を1.12×10^-4モル／分、TMA を0.47×10^-4モル／分、及び、CP₂Mg を2 ×10^-4モル／分で60分間導入し、膜厚約1.0 μｍのマグネシウム(Mg)ドープのAl_0.08Ga_0.92N から成るｐ層６を形成した。ｐ層６のマグネシウム濃度は1 ×10²⁰/cm³である。この状態では、ｐ層６は、まだ、抵抗率10⁸ Ωcm以上の絶縁体である。次に、温度を1100℃に保持し、N₂又はH₂を20 liter／分、NH₃ を10 liter／分、TMG を1.12×10^-4モル／分、及び、CP₂Mg を2 ×10^-4モル／分で 4分間導入し、膜厚約0.2 μｍのマグネシウム(Mg)ドープのGaN から成るコンタクト層７を形成した。コンタクト層７のマグネシウム濃度は2 ×10²⁰/cm³である。この状態では、コンタクト層７は、まだ、抵抗率10⁸ Ωcm以上の絶縁体である。
【００２９】
次に、反射電子線回折装置を用いて、コンタクト層７及びｐ層６に一様に電子線を照射した。電子線の照射条件は、加速電圧約10KV、資料電流１μＡ、ビームの移動速度0.2mm/sec 、ビーム径60μｍφ、真空度5.0 ×10^-5Torrである。この電子線の照射により、コンタクト層７及びｐ層６は、それぞれ、ホール濃度 7×10¹⁷/cm³, 5 ×10¹⁷/cm³、抵抗率 2Ωcm, 0.8 Ωcmのｐ伝導型半導体となった。このようにして、図８に示すような多層構造のウエハが得られた。
【００３０】
続いて、コンタクト層７およびGaN 基板２００に対して、それぞれ、電極８，９を形成した。その後、上記のごとく処理されたウエハは、各素子毎に切断され、図１に示す構造の発光ダイオードを得た。この発光ダイオードは駆動電流20ｍＡで発光ピーク波長430 ｎｍ、駆動電圧3.0 Ｖ、発光強度2000mCd で、図９の示す従来の発光ダイオードの場合の駆動電圧3.0 Ｖ、発光強度1500mCd と比較して、大幅な駆動電圧の低減と発光効率の向上を実現した。
【００３１】
尚、活性層５にはAlGaInN 等の単一量子井戸構造あるいは多重量子井戸構造を用いても良い。
更に、サファイア基板１の代わりに炭化珪素(SiC) や酸化亜鉛(ZnO) 、スピネル(MgAl₂O₄) も用いることができる。
また、作製するGaN 基板２００の厚さは５０〜５００μｍの厚さが好ましい。５００μｍより厚すぎると各素子の切断しにくく、又、５０μｍより薄すぎると機械的強度が小さく取扱が困難なため好ましくない。
上記実施例は発光ダイオードについて説明したが、レーザダイオード、光電気変換素子、ＦＥＴやその他の半導体素子であっても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の具体的な実施例に係る発光ダイオードの構成を示した構成図。
【図２】同実施例の発光ダイオードの製造工程を示した断面図。
【図３】同実施例の発光ダイオードの製造工程を示した断面図。
【図４】同実施例の発光ダイオードの製造工程を示した断面図。
【図５】同実施例の発光ダイオードの製造工程を示した断面図。
【図６】同実施例の発光ダイオードの製造工程を示した断面図。
【図７】同実施例の発光ダイオードの製造工程を示した断面図。
【図８】同実施例の発光ダイオードの製造工程を示した断面図。
【図９】従来の発光ダイオードの構成を示した構成図。
【符号の説明】
１…サファイア基板
２００…ＧａＮ基板
３…高キャリア濃度ｎ⁺ 層
４…ｎ層
５…活性層
６…ｐ層
７…コンタクト層
８，９…金属電極
１０…発光ダイオード
２０…AlN バッファ層
２１，２２…GaN 層
３０…裏面AlN バッファ層
３１，３２…裏面GaN 層
４０，４１，４２…SiO₂層
２００…GaN 基板

Claims (5)

1. 半導体または絶縁体からなる基板の両面に、それぞれ少なくとも１層の３族窒化物半導体(Al_xGa_YIn_1-X-YN; 0≦X ≦1, 0≦Y ≦1, 0≦X+Y ≦1)を有する半導体層を形成する第１の工程と、
   基板および基板の一方の側に形成した半導体層を機械的に除去して、３族窒化物半導体(Al_xGa_YIn_1-X-YN; 0≦X ≦1, 0≦Y ≦1, 0≦X+Y ≦1)からなる半導体基板を得る第２の工程とを有し、
   第１の工程は、前記基板の裏面における前記３族窒化物半導体層の形成と、前記基板の表面における前記３族窒化物半導体層の形成とを交互に繰り返すことで厚さを得ることを特徴とする３族窒化物半導体基板の製造方法。
2. 半導体または絶縁体からなる基板の両面に、それぞれ少なくとも１層の３族窒化物半導体(Al_xGa_YIn_1-X-YN; 0≦X ≦1, 0≦Y ≦1, 0≦X+Y ≦1)を有する半導体層を形成する第１の工程と、
   基板および基板の一方の側に形成した半導体層を機械的に除去して、３族窒化物半導体(Al_xGa_YIn_1-X-YN; 0≦X ≦1, 0≦Y ≦1, 0≦X+Y ≦1)からなる半導体基板を得る第２の工程と、
   得られた前記半導体基板上に少なくとも１層の３族窒化物半導体(Al_xGa_YIn_1-X-YN;0≦X ≦1, 0≦Y ≦1, 0≦X+Y ≦1)からなる素子層を形成する第３の工程を有し、
   第１の工程は、前記基板の裏面における前記３族窒化物半導体層の形成と、前記基板の表面における前記３族窒化物半導体層の形成とを交互に繰り返すことで厚さを得ることを特徴とする３族窒化物半導体素子の製造方法。
3. 前記半導体基板の裏面に第１の電極を形成し、前記素子層の最上層に第２の電極を形成して、前記素子層を活性層を含むダブルヘテロ接合としたことを特徴とする請求項２に記載の３族窒化物半導体素子の製造方法。
4. 前記半導体基板の厚さが５０〜５００μｍであることを特徴とする請求項１に記載の３族窒化物半導体基板の製造方法。
5. 前記半導体基板の厚さが５０〜５００μｍであることを特徴とする請求項２に記載の３族窒化物半導体素子の製造方法。

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