JP4289203B2 - GaN系半導体 - Google Patents
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Description
これは、SiO2からなるマスクパターンの上にはGaNが成長しないので、マスクパターンで被覆されていない第1のGaN層の表面から成長した第2のGaN層は当該マスクパターンの上において横方向へ成長し、その結果第2のGaN層では垂直方向の貫通転位が抑制されるためと考えられる。
なお、マスクパターンを用いたときのGaNの横方向成長については、第2回窒化物半導体国際会議(The Second InternationalConference on Nitride Semiconductors)の予稿集pp.52〜53 Jaime A. Freitas et al.”Optical and Structural Propertiesof Lateral Epitaxial Overgrown GaN Layers”を参照されたい。
金属からなる基板と、
前記基板が部分的に露出するように形成されたパターン層と、
露出した前記基板状に、前記パターン層を覆うように形成されたGaN系半導体層と、からなることを特徴とするGaN系半導体。
または、導電性半導体基板と金属からなるバッファ層との積層体と、
前記バッファ層が部分的に露出するように形成されたパターン層と、
露出した前記バッファ層上に、前記パターン層を覆うように形成されたGaN系半導体層と、からなることを特徴とするGaN系半導体。
従って、このようなGaN系半導体で例えば発光素子の構造を形成すれば、その発光効率の向上及び素子の長寿命化を図ることができる。
発光素子では、周知のように、GaN系半導体からなる発光層が異なる導電型のGaN系半導体層(クラッド層)で挟まれる構成であり、超格子構造(量子井戸構造)やダブルヘテロ構造等が採用されている。
FET構造の電子デバイスをGaN系半導体で形成することもできる。
パターン層の間から露出される基板は下記の要件(1)〜(5)のうちの少なくとも2つを満足するものとする。
(1) GaN系半導体と基板との密着性が良好なこと
(2) GaN系半導体の熱膨張係数と基板の熱膨張係数とが近いこと
(3) 基板の弾性率が低いこと
(4) 基板の結晶構造がGaN系半導体と同じであること
(5) |基板の格子定数−GaN系半導体の格子定数|/GaN系半導体の格子定数 ≦ 0.05である(即ち、基板の格子定数とGaN系半導体層の格子定数との差が±5%以内である)こと、
勿論、好ましくは上記の要件のうちの少なくとも3つ、更に好ましくは上記要件のうち少なくとも4つ、そして、最も好ましくは、5つの要件の全てを満足する。
従って、基板の基体部分を任意の材料で形成して基板の表面部分を上記の要件を満足する材料で形成することもできる。
表面部分の厚さは基体部分の材料の影響がGaN系半導体層に及ばないように適宜設計される。
更には、アースをとればチャージアップの問題も容易に解決される。
従って、基板の材料は1000℃を超える融点を持つ必要がある。
従って、従来例の透明なサファイア基板を用いた発光素子や受光素子で必要とされていた別個の反射層の形成が不要となる。また、GaAsのように光を吸収する材料で基板を形成した場合における当該基板の除去作業が不要になる。
Hf: (2)線膨張係数が10 X 10-6/K以下であり、(3)弾性率が15 X 1010N/m2以下である。
Nb: (2)線膨張係数が10 X 10-6/K以下であり、(3)弾性率が15 X 1010N/m2以下である。
Re: (2)線膨張係数が10 X 10-6/K以下であり、(4)結晶構造が六方晶である。
Ta: (1)窒化物生成エネルギーが負であり、(2)線膨張係数が10 X 10-6/K以下である。
Ti: (1)窒化物生成エネルギーが負であり、(2)線膨張係数が10 X 10-6/K以下であり、(3)弾性率が15 X 1010N/m2以下であり、(4)結晶構造が六方晶である。
V : (1)窒化物生成エネルギーが負であり、(2)線膨張係数が10 X 10-6/K以下であり、(3)弾性率が15 X 1010N/m2以下である。
Zr: (1)窒化物生成エネルギーが負であり、(2)線膨張係数が10 X 10-6/K以下であり、(3)弾性率が15 X 1010N/m2以下であり、(4)結晶構造が六方晶であり、(5)GaNとの格子定数の差が2%以内である。
Y : (3)弾性率が15 X 1010N/m2以下であり、(4)結晶構造が六方晶である。
なかでも、3つ以上の要件を満足するものはV、Ti及びZrであり、4つ以上の要件を満足するものはTi及びZrであり、5つの要件を満足するものはZrである。
更に更に好ましくは、Ti及びZrから選ばれる1種又は2種以上の金属で基板表面を形成する。
最も好ましくは、Zrで基板表面を形成する。
導電性半導体基板の上に金属からなるバッファ層を積層し、このバッファ層がパターン層の間から露出する場合について説明する。
基板とバッファ層との組合せの一の態様を以下に説明する。この態様の組合せによれば、図5に示すように、バッファ層22がGaN系半導体層24と基板21との熱膨張係数の差により生じた応力を緩和するので、GaN系半導体層24内の引っ張り応力が小さくなる。従って、そこにクラックが発生することはほとんどなくなり、格子歪みも緩和される。よって、GaN系半導体層24はその本来の機能を設計どおりに発揮できることとなる。
図中の符号23はパターン層である。
基板は導電性とすることが好ましい。導電性の材料としてSi、GaAs、GaP、ZnO及びZnSe等を挙げることができる。
(ア) 該バッファ層の材料の熱膨張係数が半導体層の材料と基板の材料の各熱膨張係数のううちの大きい方の3倍以下である。
(イ) 該バッファ層の材料の弾性率が20 X 1010N/m2以下である。
即ち、バッファ層の材料の熱膨張係数をある程度GaNやシリコンに近づけるものとし、かつ弾性率を比較的小さくすることにより柔らかいものとしてこのバッファ層で素子の内部応力を緩和する。
なお、バッファ層の材料の弾性率は15 X 1010N/m2以下とすることが更に好ましい。
また、具体的には、(エ) 該バッファ層の材料の熱膨張係数を10 X 10-6/K以下とする。
また、同様の見地から、バッファ層は下記要件
|バッファ層の格子定数−GaNの格子定数|/GaNの格子定数≦ 0.05
を満足することが好ましい。
バッファ層が下記要件
|バッファ層の格子定数−GaNの格子定数|/GaNの格子定数≦ 0.02
を満足することが更に好ましい。
これにより、基板に電極を接続し、基板側よりGaN系半導体層に通電することが可能になる。従って、GaN系半導体層で素子を構成するとき必要とされた当該半導体層に対する複雑なエッチングが不要になる。図6の例で言えば、nクラッド層がバッファ層及び基板を介して外部に電気的に接続可能となる。一方、サファイア基板の場合は、これが絶縁性であったため発光層及びpクラッド層をエッチングしてnクラッド層を露出し、これを外部と電気的に接続させる必要があった。
基板及びバッファ層を介して半導体層へ通電可能となったので、外部電源に対するボンディングも容易になる。また、半導体層の上下で電極形成が可能となるので素子を小型化することができる。
更には、アースをとればチャージアップの問題も容易に解決される。
従って、バッファ層の材料は1000℃を超える融点を持つ必要がある。
従って、従来例の透明なサファイア基板を用いた発光素子や受光素子で必要とされていた別個の反射層の形成が不要となる。また、GaAsのように光を吸収する材料で基板を形成した場合における当該基板の除去作業が不要になる。
Cr:(1)融点が1000℃以上であり、(2)線膨張係数が10 X 10-6/K以下であり、(3)窒化物生成エネルギーが負であり、(4)GaNとの格子定数の差が2%以下であり、(5)シリサイドを形成できる。
Hf:(1)融点が1000℃以上であり、(2)線膨張係数が10 X 10-6/K以下であり、(3)弾性率が15 X 1010N/m2以下であり、(4)GaNとの格子定数の差が2%以下であり、(5)シリサイドを形成できる。
Nb:(1)融点が1000℃以上であり、(2)線膨張係数が10 X 10-6/K以下であり、(3)弾性率が15 X 1010N/m2以下であり、(4)GaNとの格子定数の差が2%以下であり、(5)シリサイドを形成できる。
Ta:(1)融点が1000℃以上であり、(2)線膨張係数が10 X 10-6/K以下であり、(3)窒化物生成エネルギーが負であり、(4)GaNとの格子定数の差が2%以下であり、(5)シリサイドを形成できる。
V :(1)融点が1000℃以上であり、(2)線膨張係数が10 X 10-6/K以下であり、(3)弾性率が15 X 1010N/m2以下であり、(4)窒化物生成エネルギーが負であり、(5)GaNとの格子定数の差が2%以下であり、(6)シリサイドを形成できる。
Ti:(1)融点が1000℃以上であり、(2)線膨張係数が10 X 10-6/K以下であり、(3)弾性率が15 X 1010N/m2以下であり、(4)窒化物生成エネルギーが負であり、(5)GaNとの格子定数の差が2%以下であり、(6)シリサイドを形成できる。(7)結晶構造がhcpである。
Zr:(1)融点が1000℃以上であり、(2)線膨張係数が10 X 10-6/K以下であり、(3)弾性率が15 X 1010N/m2以下であり、(4)窒化物生成エネルギーが負であり、(5)GaNとの格子定数の差が2%以下であり、(6)シリサイドを形成できる。(7)結晶構造がhcpである。
更に好ましくは、Ti、V、Zrから選ばれる1種又は2種以上の金属でバッファ層を形成する。
最も好ましくは、Zrでバッファ層を形成する。
次ぎに、パターン層について説明する。
パターン層の材質はGaN系半導体層がその上で横方向に成長(ラテラル成長)するものであれば特に限定されない。これにより、垂直方向の貫通転位が抑制されるからである。従って、パターン層はその上にGaN系半導体層を成長させないものとする。実施例ではパターン層をSiO2で形成した。SiO2の上にはGaNが成長しないことが知られている。なお、AlGaNはSiO2の上に成長する。つまり、パターン層の形成材料は選択するGaN系半導体層に応じて適宜選択される。
したがって、その形成方法も適宜選択される。例えば、プラズマCVD、熱CVD、光CVD等のCVD(Chemical Vapour Deposition)、スパッタ、蒸着等の(Physical Vapour Deposition)等の方法で膜を形成した後、フォトリソ技術により所望の形状に形成する。
パターン形状として、ストライプ状、格子状、島状等の任意の形状が利用できる。
この実施例は発光ダイオード10であり、その構成を図1に示す。各半導体層のスペックは次の通りである。
層 : 組成:ドーパント (膜厚)
pクラッド層6 : p−GaN:Mg (0.3μm)
発光層 5 : 超格子構造
量子井戸層 : Ga0.85In0.15N (3.5nm)
バリア層 : GaN (3.5nm)
量子井戸層とバリア層の繰り返し数:1〜10
nクラッド層4 : n−GaN:Si (4μm)
パターン層3 : SiO2 (0.1〜0.5μm)
基板2 : Zr (300μm)
素子構造は超格子構造のものに限定されず、シングルへテロ型、ダブルへテロ型及びホモ接合型のものなどを用いることができる。
発光層5とpクラッド層6との間にマグネシウム等のアクセプタをドープしたバンドギャップの広いAlXGaYIn1ーXーYN(0≦X≦1、0≦Y≦1、X+Y≦1)層を介在させることができる。これは発光層5中に注入された電子がpクラッド層6に拡散するのを防止するためである。
pクラッド層6を発光層5側の低ホール濃度p層と電極7側の高ホール濃度p+層とからなる2層構造とすることができる。
基板はそのままのn電極として利用できる。
以下、第2の実施例を図6を参照して説明をする。実施例の素子は発光ダイオード20であり、各層のスペックは次の通りである。
層 : 組成:ドーパント (膜厚)
pクラッド層26 : p−GaN:Mg (0.3μm)
発光層 25 : 超格子構造
量子井戸層 : Ga0.85In0.15N (3.5nm)
バリア層 : GaN (3.5nm)
量子井戸層とバリア層の繰り返し数:1〜10
nクラッド層24 : n−GaN:Si (4μm)
パターン層23 : SiO2 (0.1〜0.5μm)
バッファ層22 : Zr (50nm)
基板21 : Si (300μm)
透光性電極27は金を含む薄膜であり、pクラッド層26の上面の実質的な全面を覆って積層される。p電極29も金を含む材料で構成されており、蒸着により透光性電極27の上に形成される。
n電極28は、蒸着により基板21へ取り付けられる。
(1) GaN系半導体層を含む素子であって、前記GaN系半導体層が成長可能な基板又は基板及びバッファ層(GaN系半導体からなるものを除く)との積層体からなる第1の層と、
該第1の層の表面に形成されるパターン層であって、該パターン層はその上で前記GaN系半導体層の横方向成長を許容するパターン層と、
を備えてなる、ことを特徴とするGaN系半導体層を含む素子。
(2) 前記パターン層はその上に前記GaN系半導体層が成長することを阻害する材料を含んでなる、ことを特徴とする(1)に記載の素子。
(3) 前記パターン層はSiO2からなり、前記GaN系半導体層はGaNからなることを特徴とする(1)に記載の素子。
(4) 前記パターン層はストライプ状に形成されていることを特徴とする(1)〜(3)のいずれかに記載の素子。
(1) 窒化物生成自由エネルギーが負である材料を含む、
(2) 線膨張係数が10 X 10-6/K以下である材料を含む、
(3) 弾性率が15 X 1010N/m2以下である材料を含む、
(4) 結晶構造が六方晶である材料を含む、
(5) その格子定数と前記GaN系の半導体層の格子定数との差が±5%以下である材料を含む、ことを特徴とする(1)〜(4)のいずれかに記載の素子。
(11) 前記第1の層が前記基板からなるとき、該基板において前記GaN系半導体層の成膜時に生成される層に接する面が下記要件(1)〜(5)のうちの少なくとも2つを満足する、
(1) 窒化物生成自由エネルギーが負である材料を含む、
(2) 線膨張係数が10 X 10-6/K以下である材料を含む、
(3) 弾性率が15 X 1010N/m2以下である材料を含む、
(4) 結晶構造が六方晶である材料を含む、
(5) その格子定数と前記GaN系の半導体層の格子定数との差が±5%以下である材料を含む、ことを特徴とする(1)〜(4)のいずれかに記載の素子。
(12) 前記基板の融点は1000℃以上であることを特徴とする(10)又は(11)に記載の素子。
(13) 前記基板の融点は前記GaN系半導体層を形成するときの温度よりも高いことを特徴とする(10)又は(11)に記載の素子。
(14) 前記基板の材料の熱膨張係数と前記GaN系半導体層の材料の熱膨張係数とが実質的に等しい、ことを特徴とする(10)〜(13)のいずれかに記載の素子。
(15) 前記基板は(10)〜(14)で規定される条件を満足する材料からなる前記面と、該面の材料よりも純度の低い同一又は同種の材料からなる基体とを備えてなることを特徴とする(10)〜(14)のいずれかに記載の素子。
(16) 前記基板は全体的に導電性であることを特徴とする(10)〜(15)のいずれかに記載の半導体素子。
(21) 前記第1の層が前記基板からなるとき、該基板において前記GaN系半導体層に接する面がV、Ti及びZrから選ばれる1種又は2種以上の材料からなる、ことを特徴とする(1)〜(4)のいずれかに記載の素子。
(22) 前記第1の層が前記基板からなるとき、該基板において前記GaN系半導体層に接する面がTi及び/又はZrからなる、ことを特徴とする(1)〜(4)のいずれかに記載の素子。
(23) 前記第1の層が前記基板からなるとき、該基板において前記GaN系半導体層に接する面がZrからなる、ことを特徴とする(1)〜(4)のいずれかに記載の素子。
(24) 前記基板は(20)〜(23)で規定される条件を満足する材料からなる前記面と、該面の材料よりも純度の低い同一又は同種の材料からなる基体とを備えてなることを特徴とする(20)〜(23)のいずれかに記載の素子。
(25) 前記第1の層が前記基板からなるとき、該基板において前記GaN系半導体層の製膜時に生成される層に接する面がZr、Ti、V、Cr、Nb、Re、Ta、Yから選ばれる1種又は2種以上の材料からなる、ことを特徴とする(1)〜(4)のいずれかに記載の素子。
(26) 前記第1の層が前記基板からなるとき、該基板において前記GaN系半導体層の製膜時に生成される層に接する面がV、Ti及びZrから選ばれる1種又は2種以上の材料からなる、ことを特徴とする(1)〜(4)のいずれかに記載の素子。
(27) 前記第1の層が前記基板からなるとき、該基板において前記GaN系半導体層の製膜時に生成される層に接する面がTi及び/又はZrからなる、ことを特徴とする(1)〜(4)のいずれかに記載の素子。
(28) 前記第1の層が前記基板からなるとき、該基板において前記GaN系半導体層の製膜時に生成される層に接する面がZrからなる、ことを特徴とする(1)〜(4)のいずれかに記載の素子。
(29) 前記基板は(25)〜(28)で規定される条件を満足する材料からなる前記面と、該面の材料よりも純度の低い同一又は同種の材料からなる基体とを備えてなることを特徴とする(25)〜(28)のいずれかに記載の素子。
(30) 前記半導体素子は発光素子、受光素子若しくは電子デバイスであることを特徴とする(10)〜(29)のいずれかに記載の素子。
(41) 前記バッファ層材料の弾性率が15 X 1010N/m2以下である、ことを特徴とする(40)に記載の素子。
(42) 前記バッファ層は下記の要件を満足する、(ウ) 該バッファ層材料の熱膨張係数が前記半導体層と前記基板の各熱膨張係数の間にある、(イ) 該バッファ層材料の弾性率が20 X 1010N/m2以下である、ことを特徴とする(1)〜(4)のいずれかに記載の素子。
(43) 前記バッファ層材料の熱膨張係数が前記半導体材料と前記基板材料の各熱膨張係数のほぼ中央にあることを特徴とする(42)に記載の素子。
(44) 前記バッファ層材料の弾性率が15 X 1010N/m2以下である、ことを特徴とする(42)又は(43)に記載の素子。
(45) 前記バッファ層は下記の要件を満足する、(エ) 該バッファ層材料の熱膨張係数が10 X 10-6/K以下である、(イ) 該バッファ層材料の弾性率が20 X 1010N/m2以下である、ことを特徴とする(1)〜(4)のいずれかに記載の素子。
(46) 前記バッファ層材料の弾性率が15 X 1010N/m2以下である、ことを特徴とする(45)に記載の素子。
(47) 前記バッファ層は窒化物生成自由エネルギーが負の値である材料を含んでいることを特徴とする(40)〜(46)のいずれかに記載の素子。
(48) 前記バッファ層が下記要件
|バッファ層の格子定数−GaNの格子定数|/GaNの格子定数
≦ 0.05
を満足することを特徴とする(40)〜(47)のいずれかに記載の素子。
(49) 前記バッファ層が下記要件
|バッファ層の格子定数−GaNの格子定数|/GaNの格子定数
≦ 0.02
を満足することを特徴とする(48)に記載の素子。
(50) 前記バッファ層の結晶構造が六方晶であることを特徴とする(40)〜(49)のいずれかに記載の素子。
(51) 前記基板材料及び前記バッファ層材料が導電性であることを特徴とする(40)〜(50)のいずれかに記載の素子。
(52) 前記基板の材料がシリコンであることを特徴とする(51)に記載の素子。
(53) 前記バッファ層は前記シリコンと反応する材料を含んでいることを特徴とする(52)に記載の素子。
(54) 前記バッファ層は、Cr、Hf、Nb、Ta、Ti、V、Zrから選ばれる1種又は2種以上の金属を含んでなる、ことを特徴とする(1)〜(4)のいずれかに記載の素子。
(55) 前記バッファ層はTi、V、Zrから選ばれる1種又は2種以上の金属を含んでなる、ことを特徴とする(1)〜(4)のいずれかに記載の素子。
(56) 前記バッファ層は、Zrを含んでなることを特徴とする(1)〜(4)のいずれかに記載の素子。
(57) 前記基板の材料がシリコンであることを特徴とする(54)〜(56)のいずれかに記載の素子。
(61) 前記素子は発光素子、受光素子若しくは電子デバイスであること、を特徴する(1)〜(4)及び(40)〜(57)いずれかに記載の素子。
(70) GaN系半導体層が成長可能な基板又は基板及びバッファ層(GaN系半導体からなるものを除く)との積層体からなる第1の層の上に該GaN系半導体層の横方向成長を許容するパターン層を形成し、前記第1の層においてパターン層で被覆されていない面から前記GaN系半導体層を選択的に成長させる、ことを特徴とする素子におけるGaN系半導体層の形成方法。
該第1の層の表面に形成されるパターン層であって、該パターン層はその上で前記GaN系半導体層の横方向成長を許容するパターン層と
前記第1の層の上に形成されたGaN系半導体層であって、前記パターン層を被覆してその上面は実質的に平坦であるGaN系半導体層と、
を備えてなる、ことを特徴とする積層体。
(102) 前記パターン層はその上に前記GaN系半導体層が成長することを阻害する材料を含んでなる、ことを特徴とする(101)に記載の積層体。
(103) 前記パターン層はSiO2からなり、前記GaN系半導体層はGaNからなることを特徴とする(101)に記載の積層体。
(104) 前記パターン層はストライプ状に形成されていることを特徴とする(101)〜(103)のいずれかに記載の積層体。
(1) 窒化物生成自由エネルギーが負である材料を含む、
(2) 線膨張係数が10 X 10-6/K以下である材料を含む、
(3) 弾性率が15 X 1010N/m2以下である材料を含む、
(4) 結晶構造が六方晶である材料を含む、
(5) その格子定数と前記GaN系の半導体層の格子定数との差が±5%以下である材料を含む、
ことを特徴とする(101)〜(104)のいずれかに記載の積層体。
(112) 前記基板の融点は1000℃以上であることを特徴とする(110)又は(111)に記載の積層体。
(113) 前記基板の融点は前記GaN系半導体層を形成するときの温度よりも高いことを特徴とする(110)又は(111)に記載の積層体。
(114) 前記基板の材料の熱膨張係数と前記GaN系半導体層の材料の熱膨張係数とが実質的に等しい、ことを特徴とする(110)〜(113)のいずれかに記載の積層体。
(115) 前記基板は(110)〜(114)で規定される条件を満足する材料からなる前記面と、該面の材料よりも純度の低い同一又は同種の材料からなる基体とを備えてなることを特徴とする(110)〜(114)のいずれかに記載の積層体。
(116) 前記基板は全体的に導電性であることを特徴とする(110)〜(115)のいずれかに記載の積層体。
(121) 前記第1の層が前記基板からなるとき、該基板において前記GaN系半導体層に接する面がV、Ti及びZrから選ばれる1種又は2種以上の材料からなる、ことを特徴とする(101)〜(104)のいずれかに記載の積層体。
(122) 前記第1の層が前記基板からなるとき、該基板において前記GaN系半導体層に接する面がTi及び/又はZrからなる、ことを特徴とする(101)〜(104)のいずれかに記載の積層体。
(123) 前記第1の層が前記基板からなるとき、該基板において前記GaN系半導体層に接する面がZrからなる、ことを特徴とする(101)〜(104)のいずれかに記載の積層体。
(124) 前記基板は(120)〜(123)で規定される条件を満足する材料からなる前記面と、該面の材料よりも純度の低い同一又は同種の材料からなる基体とを備えてなることを特徴とする(120)〜(123)のいずれかに記載の積層体。
(125) 前記第1の層が前記基板からなるとき、該基板において前記GaN系半導体層の製膜時に生成される層に接する面がZr、Ti、V、Cr、Nb、Re、Ta、Yから選ばれる1種又は2種以上の材料からなる、ことを特徴とする(101)〜(104)のいずれかに記載の積層体。
(126) 前記第1の層が前記基板からなるとき、該基板において前記GaN系半導体層の製膜時に生成される層に接する面がV、Ti及びZrから選ばれる1種又は2種以上の材料からなる、ことを特徴とする(101)〜(104)のいずれかに記載の積層体。
(127) 前記第1の層が前記基板からなるとき、該基板において前記GaN系半導体層の製膜時に生成される層に接する面がTi及び/又はZrからなる、ことを特徴とする(101)〜(104)のいずれかに記載の積層体。
(128) 前記第1の層が前記基板からなるとき、該基板において前記GaN系半導体層の製膜時に生成される層に接する面がZrからなる、ことを特徴とする(101)〜(104)のいずれかに記載の積層体。
(129) 前記基板は(125)〜(128)で規定される条件を満足する材料からなる前記面と、該面の材料よりも純度の低い同一又は同種の材料からなる基体とを備えてなることを特徴とする(125)〜(128)のいずれかに記載の積層体。
(130) 前記積層体は発光素子、受光素子若しくは電子デバイス用のものであることを特徴とする(110)〜(129)のいずれかに記載の積層体。
(ア) 該バッファ層材料の熱膨張係数が前記半導体材料と前記基板材料の各熱膨張係数のうちの大きい方の3倍以下である、
(イ) 該バッファ層材料の弾性率が20 X 1010N/m2以下である、
ことを特徴とする(101)〜(104)のいずれかに記載の積層体。
(141) 前記バッファ層材料の弾性率が15 X 1010N/m2以下である、ことを特徴とする(140)に記載の積層体。
(142) 前記バッファ層は下記の要件を満足する、
(ウ) 該バッファ層材料の熱膨張係数が前記半導体層と前記基板の各熱膨張係数の間にある、
(イ) 該バッファ層材料の弾性率が20 X 1010N/m2以下である、ことを特徴とする(101)〜(104)のいずれかに記載の積層体。
(143) 前記バッファ層材料の熱膨張係数が前記半導体材料と前記基板材料の各熱膨張係数のほぼ中央にあることを特徴とする(142)に記載の積層体。
(144) 前記バッファ層材料の弾性率が15 X 1010N/m2以下である、ことを特徴とする(142)又は(143)に記載の積層体。
(145) 前記バッファ層は下記の要件を満足する、(エ) 該バッファ層材料の熱膨張係数が10 X 10-6/K以下である、(イ) 該バッファ層材料の弾性率が20 X 1010N/m2以下である、ことを特徴とする(101)〜(104)のいずれかに記載の積層体。
(146) 前記バッファ層材料の弾性率が15 X 1010N/m2以下である、ことを特徴とする(145)に記載の積層体。
(147) 前記バッファ層は窒化物生成自由エネルギーが負の値である材料を含んでいる、ことを特徴とする(140)〜(146)のいずれかに記載の積層体。
(148) 前記バッファ層が下記要件
|バッファ層の格子定数−GaNの格子定数|/GaNの格子定数
≦ 0.05
を満足することを特徴とする(140)〜(147)のいずれかに記載の積層体。
(149) 前記バッファ層が下記要件
|バッファ層の格子定数−GaNの格子定数|/GaNの格子定数
≦ 0.02
を満足することを特徴とする(148)に記載の積層体。
(150) 前記バッファ層の結晶構造が六方晶であることを特徴とする(140)〜(149)のいずれかに記載の積層体。
(151) 前記基板材料及び前記バッファ層材料が導電性であることを特徴とする(140)〜(150)のいずれかに記載の積層体。
(152) 前記基板の材料がシリコンであることを特徴とする(151)に記載の積層体。
(153) 前記バッファ層は前記シリコンと反応する材料を含んでいることを特徴とする(152)に記載の積層体。
(154) 前記バッファ層は、Cr、Hf、Nb、Ta、Ti、V、Zrから選ばれる1種又は2種以上の金属を含んでなる、ことを特徴とする(101)〜(104)のいずれかに記載の積層体。
(155) 前記バッファ層はTi、V、Zrから選ばれる1種又は2種以上の金属を含んでなる、ことを特徴とする(101)〜(104)のいずれかに記載の積層体。
(156) 前記バッファ層は、Zrを含んでなることを特徴とする(101)〜(104)のいずれかに記載の積層体。
(157) 前記基板の材料がシリコンであることを特徴とする(154)〜(156)のいずれかに記載の積層体。
(161) 前記積層体は発光素子、受光素子若しくは電子デバイスに用いられるものであること、を特徴する(101)〜(104)及び(140)〜(157)いずれかに記載の積層体。
該第1の層の表面に形成されるパターン層であって、該パターン層はその上で前記GaN系半導体層の横方向成長を許容するパターン層と
を備えてなる、ことを特徴とするGaN系半導体層に用いられる積層体。
(202) 前記パターン層はその上に前記GaN系半導体層が成長することを阻害する材料を含んでなる、ことを特徴とする(201)に記載の積層体。
(203) 前記パターン層はSiO2からなり、前記GaN系半導体層はGaNからなることを特徴とする(201)に記載の積層体。
(204) 前記パターン層はストライプ状に形成されていることを特徴とする(201)〜(203)のいずれかに記載の積層体。
(1) 窒化物生成自由エネルギーが負である材料を含む、
(2) 線膨張係数が10 X 10-6/K以下である材料を含む、
(3) 弾性率が15 X 1010N/m2以下である材料を含む、
(4) 結晶構造が六方晶である材料を含む、
(5) その格子定数と前記GaN系の半導体層の格子定数との差が±5%以下である材料を含む、ことを特徴とする(201)〜(204)のいずれかに記載の積層体。
(212) 前記基板の融点は1000℃以上であることを特徴とする(210)又は(211)に記載の積層体。
(213) 前記基板の融点は前記GaN系半導体層を形成するときの温度よりも高いことを特徴とする(210)又は(211)に記載の積層体。
(214) 前記基板の材料の熱膨張係数と前記GaN系半導体層の材料の熱膨張係数とが実質的に等しい、ことを特徴とする(210)〜(213)のいずれかに記載の積層体。
(215) 前記基板は(210)〜(214)で規定される条件を満足する材料からなる前記面と、該面の材料よりも純度の低い同一又は同種の材料からなる基体とを備えてなることを特徴とする(210)〜(214)のいずれかに記載の積層体。
(216) 前記基板は全体的に導電性であることを特徴とする(210)〜(215)のいずれかに記載の積層体。
(221) 前記第1の層が前記基板からなるとき、該基板において前記GaN系半導体層に接する面がV、Ti及びZrから選ばれる1種又は2種以上の材料からなる、ことを特徴とする(201)〜(204)のいずれかに記載の積層体。(222) 前記第1の層が前記基板からなるとき、該基板において前記GaN系半導体層に接する面がTi及び/又はZrからなる、ことを特徴とする(201)〜(204)のいずれかに記載の積層体。
(223) 前記第1の層が前記基板からなるとき、該基板において前記GaN系半導体層に接する面がZrからなる、ことを特徴とする(201)〜(204)のいずれかに記載の積層体。
(224) 前記基板は(220)〜(223)で規定される条件を満足する材料からなる前記面と、該面の材料よりも純度の低い同一又は同種の材料からなる基体とを備えてなることを特徴とする(220)〜(223)のいずれかに記載の積層体。
(225) 前記第1の層が前記基板からなるとき、該基板において前記GaN系半導体層の製膜時に生成される層に接する面がZr、Ti、V、Cr、Nb、Re、Ta、Yから選ばれる1種又は2種以上の材料からなる、ことを特徴とする(201)〜(204)のいずれかに記載の積層体。
(226) 前記第1の層が前記基板からなるとき、該基板において前記GaN系半導体層の製膜時に生成される層に接する面がV、Ti及びZrから選ばれる1種又は2種以上の材料からなる、ことを特徴とする(201)〜(204)のいずれかに記載の積層体。
(227) 前記第1の層が前記基板からなるとき、該基板において前記GaN系半導体層の製膜時に生成される層に接する面がTi及び/又はZrからなる、ことを特徴とする(201)〜(204)のいずれかに記載の積層体。
(228) 前記第1の層が前記基板からなるとき、該基板において前記GaN系半導体層の製膜時に生成される層に接する面がZrからなる、ことを特徴とする(201)〜(204)のいずれかに記載の積層体。
(229) 前記基板は(225)〜(228)で規定される条件を満足する材料からなる前記面と、該面の材料よりも純度の低い同一又は同種の材料からなる基体とを備えてなることを特徴とする(225)〜(228)のいずれかに記載の積層体。
(230) 前記積層体は発光素子、受光素子若しくは電子デバイス用のものであることを特徴とする(110)〜(229)のいずれかに記載の積層体。
(ア) 該バッファ層材料の熱膨張係数が前記半導体材料と前記基板材料の各熱膨張係数のうちの大きい方の3倍以下である、
(イ) 該バッファ層材料の弾性率が20 X 1010N/m2以下である、ことを特徴とする(201)〜(204)のいずれかに記載の積層体。
(241) 前記バッファ層材料の弾性率が15 X 1010N/m2以下である、ことを特徴とする(240)に記載の積層体。
(242) 前記バッファ層は下記の要件を満足する、
(ウ) 該バッファ層材料の熱膨張係数が前記半導体層と前記基板の各熱膨張係数の間にある、
(イ) 該バッファ層材料の弾性率が20 X 1010N/m2以下である、ことを特徴とする(201)〜(204)のいずれかに記載の積層体。
(243) 前記バッファ層材料の熱膨張係数が前記半導体材料と前記基板材料の各熱膨張係数のほぼ中央にあることを特徴とする(242)に記載の積層体。
(244) 前記バッファ層材料の弾性率が15 X 1010N/m2以下である、ことを特徴とする(242)又は(243)に記載の積層体。
(245) 前記バッファ層は下記の要件を満足する、
(エ) 該バッファ層材料の熱膨張係数が10 X 10-6/K以下である、
(イ) 該バッファ層材料の弾性率が20 X 1010N/m2以下である、ことを特徴とする(201)〜(204)のいずれかに記載の積層体。
(246) 前記バッファ層材料の弾性率が15 X 1010N/m2以下である、ことを特徴とする(245)に記載の積層体。
(247) 前記バッファ層は窒化物生成自由エネルギーが負の値である材料を含んでいる、ことを特徴とする(240)〜(246)のいずれかに記載の積層体。
(248) 前記バッファ層が下記要件
|バッファ層の格子定数−GaNの格子定数|/GaNの格子定数
≦ 0.05
を満足することを特徴とする(240)〜(247)のいずれかに記載の積層体。
(249) 前記バッファ層が下記要件
|バッファ層の格子定数−GaNの格子定数|/GaNの格子定数
≦ 0.02
を満足することを特徴とする(248)に記載の積層体。
(250) 前記バッファ層の結晶構造が六方晶であることを特徴とする(240)〜(249)のいずれかに記載の積層体。
(251) 前記基板材料及び前記バッファ層材料が導電性であることを特徴とする(240)〜(250)のいずれかに記載の積層体。
(252) 前記基板の材料がシリコンであることを特徴とする(251)に記載の積層体。
(253) 前記バッファ層は前記シリコンと反応する材料を含んでいることを特徴とする(252)に記載の積層体。
(254) 前記バッファ層は、Cr、Hf、Nb、Ta、Ti、V、Zrから選ばれる1種又は2種以上の金属を含んでなる、ことを特徴とする(201)〜(204)のいずれかに記載の積層体。
(255) 前記バッファ層はTi、V、Zrから選ばれる1種又は2種以上の金属を含んでなる、ことを特徴とする(201)〜(204)のいずれかに記載の積層体。
(256) 前記バッファ層は、Zrを含んでなることを特徴とする(201)〜(204)のいずれかに記載の積層体。
(257) 前記基板の材料がシリコンであることを特徴とする(254)〜(256)のいずれかに記載の積層体。
(261) 前記積層体は発光素子、受光素子若しくは電子デバイスに用いられるものであること、を特徴する(201)〜(204)及び(240)〜(257)いずれかに記載の積層体。
2、21 基板
3、23 パターン層
22 バッファ層
4、14、24 GaN系半導体層
4、6、14、16、24、26 GaN系半導体層(クラッド層)
5、15、25 GaN系半導体層(発光層)
Claims (3)
- 導電性半導体基板とクロム(Cr)、ハフニウム(Hf)、ニオブ(Ni)、タンタル(Ta)、バナジウム(V)、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)から選択される少なくとも一種の金属からなるバッファ層との積層体上に、
前記バッファ層が部分的に露出するように横方向成長を許容するパターン層を形成し、
露出した前記バッファ層上に、前記パターン層を覆うようにGaN層を選択的に成長させる、ことを特徴とするGaN系半導体の製造方法。 - 前記パターン層はその上に直接GaN系半導体層が成長することを阻害する材料からなることを特徴とする請求項1に記載のGaN系半導体の製造方法。
- 前記パターン層はSiO 2 からなり、前記GaN層系半導体はGaNからなること、を特徴とする請求項1又は請求項2に記載のGaN系半導体の製造方法。
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