JP5491065B2 - ウエハ生産物を作製する方法、及び窒化ガリウム系半導体光素子を作製する方法 - Google Patents
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Description
実験例1(酸化ガリウム基板/エピタキシャル層の界面にボイドや遷移層などがない)
(100)面の酸化ガリウム基板を準備した。酸化ガリウム基板の主面には意図的にオフ角をつけていない。酸化ガリウム基板の(100)ジャスト面に対して、AlNバッファ層をMOVPEで成長した。このAlNの成長温度は摂氏600度であった。AlN層の厚みは10ナノメートルであった。4分かけて摂氏600度から摂氏1050度まで昇温した。この昇温する際、水素(H2)の流量は5リットル/分であり、アンモニア(NH3)の流量は5リットル/分であり、窒素(N2)の流量は10リットル/分であった。この後に、このAlN層上にGaNエピタキシャル層をMOVPE法で成長した。このGaN層の厚さ3マイクロメートであった。これらの工程によってエピタキシャル基板EW1が得られた。
(100)面の酸化ガリウム基板を準備した。酸化ガリウム基板の主面には意図的にオフ角をつけていない。酸化ガリウム基板の(100)ジャスト面に対して、AlNバッファ層をMOVPEで成長した。このAlNの成長温度は摂氏600度であった。AlN層の厚みは10ナノメートルであった。4分かけて摂氏600度から摂氏950度まで昇温した。この昇温する際、水素(H2)の流量は10リットル/分であり、アンモニア(NH3)の流量は5リットル/分であり、窒素(N2)の流量は5リットル/分であった。この後に、GaNエピタキシャル層の成長に先立って、水素及び窒素の混合雰囲気にAlNバッファ層を摂氏950度に1分間保持して、改質処理を行った。次いで、改質処理されたバッファ層上にGaNエピタキシャル層をMOVPE法で成長した。このGaN層の厚さ3マイクロメートであった。これらの工程によってエピタキシャル基板EW2が得られた。GaN層のXRCの半値全幅及び原子間力顕微鏡の表面粗さ等に関しては、サファイア基板上の参考例における品質と同等レベルだった。
(100)面の酸化ガリウム基板を準備した。酸化ガリウム基板の主面には意図的にオフ角をつけていない。酸化ガリウム基板の(100)ジャスト面に対して、AlNバッファ層をMOVPE法で成長した。このAlNの成長温度は摂氏600度であった。AlN層の厚みは10ナノメートルであった。4分かけて摂氏600度から摂氏1050度まで昇温した。この昇温する際、水素(H2)の流量は10リットル/分であり、アンモニア(NH3)の流量は5リットル/分であり、窒素(N2)の流量は5リットル/分であった。この後に、GaNエピタキシャル層の成長に先立って、水素及び窒素の混合雰囲気にAlNバッファ層を摂氏1050度に1分間保持して、改質処理を行った。次いで、改質処理されたバッファ層上にGaNエピタキシャル層をMOVPEで成長した。このGaN層の厚さ3マイクロメートであった。これらの工程によってエピタキシャル基板EW3が得られた。GaN層のXRCの半値全幅及び原子間力顕微鏡の表面粗さ等に関しては、サファイア基板上の参考例における品質と同等レベルだった。
(100)面の酸化ガリウム基板を準備した。酸化ガリウム基板の主面には意図的にオフ角をつけていない。酸化ガリウム基板の(100)ジャスト面に対して、GaNバッファ層をMOVPE法で成長した。このGaNの成長温度は摂氏500度であった。GaN層の厚みは25ナノメートルであった。4分かけて摂氏600度から摂氏1050度まで昇温した。この昇温する際、水素(H2)の流量は10リットル/分であり、アンモニア(NH3)の流量は5リットル/分であり、窒素(N2)の流量は5リットル/分であった。この後に、GaNエピタキシャル層の成長に先立って、水素及び窒素の混合雰囲気にGaNバッファ層を摂氏1050度に1分間保持して、熱処理を行った。次いで、熱処理されたバッファ層上にGaNエピタキシャル層をMOVPEで成長した。このGaN層の厚さ3マイクロメートであった。これらの工程によってエピタキシャル基板EW4が得られた。GaN層のXRCの半値全幅及び原子間力顕微鏡の表面粗さ等に関しては、サファイア基板上の参考例における品質と同等レベルだった。
実施例1において作製されたエピタキシャル基板EW0〜EW4を用いて発光ダイオード(LED)のためのエピタキシャル構造を形成した。図10は、実施例2におけるエピタキシャル構造を示す。発光ダイオード構造LEDは、改質層35、n型GaN層37、活性層39、及びp型GAn系層41を含む。発光ダイオードLEDでは、改質層35、n型GaN層37、活性層39、及びp型GaN系半導体層41は酸化ガリウム基板31の主面31a上に設けられており、p型GaN系半導体層41はp型AlGaNブロック層及びp型GaNコンタクト層を含む。発光ダイオード構造LEDは、エッチングにより形成された半導体メサ33を含む。半導体メサ33の上面33aにはp型GaNコンタクト層が露出されている。半導体メサ33は、露出されたn型GaN層37を含む。n型GaN層37は露出領域33bを含む。上面33aにはp側電極43aを形成した。露出領域33b上にn側電極43bを形成した。これらの工程により、エピタキシャル基板EW0〜EW4を用いてそれぞれ発光ダイオード構造LED0〜LED4が得られた。発光ダイオード構造LED0〜LED4の各々をプローバ上に配置した後に、発光ダイオード構造LED0〜LED4に20mAの電流を印加して、発光強度を測定した。発光ダイオード構造LED1〜LED4では、バッファ層の厚さに起因する電気抵抗の増加を低減するために、バッファ層の厚さは100ナノメートル以下、好ましくは30ナノメートル以下であることができる。
レーザ光を用いた基板剥離を調べる実験を行った。酸化ガリウム基板の裏面にエキシマレーザ光を照射して、エピタキシャル膜から酸化ガリウム基板を剥離させた。剥離の実験は、ウエハ生産物から10mm×10mmのサイズの実験片を切り出した。実験片にレーザを照射して剥離に要する時間を測定した。図15は、剥離に要する時間を相対値により示す図面である。図13を参照すると、剥離に要する時間が、相対値として0.36、0.38、0.17、0.08として示されている。このように、酸化ガリウム(Ga2O3)は、サファイア(Al2O3)に比べて化学結合の点で弱いので、相対値が0.36であり、レーザによる剥離が容易である。これに加え、酸化ガリウム基板/エピタキシャル膜の界面にボイドが形成されたとき、ボイドのサイズに応じて相対値が0.28、0.17となる。また、酸化ガリウム基板/エピタキシャル膜の界面に遷移層が形成されたとき、遷移層の粗密に応じて相対値が0.08となる。酸化ガリウム基板/エピタキシャル膜の界面にボイドや遷移層が作製されているので、レーザリフトオフによる剥離のために要する時間はさらに短縮される。
Claims (24)
- 窒化ガリウム系半導体光素子のためのウエハ生産物を作製する方法であって、
酸化ガリウム基板を準備する工程と、
前記酸化ガリウム基板の主面上に、III族窒化物からなる積層体を形成する工程と、
前記積層体を形成した後に、活性層を形成する工程と、
前記活性層上に窒化ガリウム系半導体層を成長する工程と
を備え、
前記積層体を形成する前記工程では、
前記酸化ガリウム基板を成長炉に配置した後に、前記酸化ガリウム基板の主面上にIII族窒化物バッファ層を第1の温度で成長する工程と、
前記III族窒化物バッファ層を成長した後に、前記第1の温度よりも高い第2の温度に前記第1の温度から基板温度を変更する工程と、
前記成長炉に水素及び窒素を供給しながら、前記第2の温度の基板温度で前記酸化ガリウム基板及び前記III族窒化物バッファ層を前記成長炉の雰囲気にさらす工程と、
前記酸化ガリウム基板及び前記III族窒化物バッファ層を前記成長炉の雰囲気にさらした後に、有機金属気相成長法で、前記窒化ガリウム系半導体光素子のためのIII族窒化物半導体層を堆積する工程と
を備え、
前記III族窒化物半導体層は第1導電型を有し、
前記窒化ガリウム系半導体層は第2導電型を有し、
前記III族窒化物バッファ層の厚さは、前記III族窒化物半導体層の厚さより薄い、ことを特徴とする方法。 - 前記第2の温度は摂氏950度以上である、ことを特徴とする請求項1に記載された方法。
- 前記酸化ガリウム基板及び前記III族窒化物バッファ層を前記成長炉の雰囲気にさらす際において、水素の流量は窒素の流量以上である、ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載された方法。
- 前記雰囲気にさらす工程における処理時間は10秒以上である、ことを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載された方法。
- 前記III族窒化物バッファ層の厚さは2ナノメートル以上である、ことを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれか一項に記載された方法。
- 前記III族窒化物バッファ層はGaN層、AlGaN層及びAlN層の少なくともいずれかを含む、ことを特徴とする請求項1〜請求項5のいずれか一項に記載された方法。
- 前記III族窒化物バッファ層はGaN層を含む、ことを特徴とする請求項1〜請求項6のいずれか一項に記載された方法。
- 前記III族窒化物半導体層は、GaN及びAlGaNからなる、ことを特徴とする請求項1〜請求項7のいずれか一項に記載された方法。
- 前記酸化ガリウム基板の前記主面は(100)面である、ことを特徴とする請求項1〜請求項8のいずれか一項に記載された方法。
- 前記積層体は、前記酸化ガリウム基板と前記積層体との界面に形成された複数のボイドを含む、ことを特徴とする請求項1〜請求項9のいずれか一項に記載された方法。
- 前記積層体は、前記酸化ガリウム基板と前記積層体との界面に形成された遷移層を含み、
前記遷移層は前記酸化ガリウム基板の前記主面を覆っている、ことを特徴とする請求項1〜請求項9のいずれか一項に記載された方法。 - 窒化ガリウム系半導体光素子を作製する方法であって、
酸化ガリウム基板を準備する工程と、
前記酸化ガリウム基板の主面上に、III族窒化物からなる積層体を形成する工程と、
前記積層体を形成した後に、活性層を形成する工程と、
前記活性層上に窒化ガリウム系半導体層を成長する工程と
を備え、
前記積層体を形成する前記工程では、
前記酸化ガリウム基板を成長炉に配置した後に、前記酸化ガリウム基板の主面上にIII族窒化物バッファ層を第1の温度で成長する工程と、
前記III族窒化物バッファ層を成長した後に、前記第1の温度よりも高い第2の温度に前記第1の温度から基板温度を変更する工程と、
前記成長炉に水素及び窒素を供給しながら、前記第2の温度の基板温度で前記酸化ガリウム基板及び前記III族窒化物バッファ層を前記成長炉の雰囲気にさらす工程と、
前記酸化ガリウム基板及び前記III族窒化物バッファ層を前記成長炉の雰囲気にさらした後に、有機金属気相成長法で、前記窒化ガリウム系半導体光素子のためのIII族窒化物半導体層を堆積する工程と
を備え、
前記III族窒化物半導体層は第1導電型を有し、
前記窒化ガリウム系半導体層は第2導電型を有し、
前記III族窒化物バッファ層の厚さは前記III族窒化物半導体層の厚さよりも薄い、ことを特徴とする方法。 - 前記第2の温度は摂氏950度以上である、ことを特徴とする請求項12に記載された方法。
- 前記酸化ガリウム基板及び前記III族窒化物バッファ層を前記成長炉の雰囲気にさらす際において、水素の流量は窒素の流量以上である、ことを特徴とする請求項12又は請求項13に記載された方法。
- 前記雰囲気にさらす工程における処理時間は10秒以上である、ことを特徴とする請求項12〜請求項14のいずれか一項に記載された方法。
- 前記III族窒化物バッファ層の厚さは2ナノメートル以上である、ことを特徴とする請求項12〜請求項15のいずれか一項に記載された方法。
- 前記酸化ガリウム基板の前記主面は(100)面である、ことを特徴とする請求項12〜請求項16のいずれか一項に記載された方法。
- 前記III族窒化物バッファ層はGaN層、AlGaN層及びAlN層の少なくともいずれかを含む、ことを特徴とする請求項12〜請求項17のいずれか一項に記載された方法。
- 前記III族窒化物半導体層はGaN及びAlGaNからなる、ことを特徴とする請求項12〜請求項18のいずれか一項に記載された方法。
- 前記積層体は、前記酸化ガリウム基板と前記積層体との界面に位置する改質層を含み、
前記改質層は、前記成長炉において前記酸化ガリウム基板及び前記III族窒化物バッファ層を水素及び窒素を雰囲気にさらすことによって生成され、
前記改質層は、前記酸化ガリウム基板と前記積層体との界面に形成された複数のボイドを含む、ことを特徴とする請求項12〜請求項19のいずれか一項に記載された方法。 - 前記積層体は、前記酸化ガリウム基板と前記積層体との界面に位置する改質層を含み、
前記改質層は、前記成長炉において前記酸化ガリウム基板及び前記III族窒化物バッファ層を水素及び窒素を雰囲気にさらすことによって生成され、
前記改質層は、前記酸化ガリウム基板の前記主面を覆う遷移層を有している、ことを特徴とする請求項12〜請求項19のいずれか一項に記載された方法。 - 前記酸化ガリウム基板、前記III族窒化物半導体層、前記活性層、及び前記窒化ガリウム系半導体層は、ウエハ生産物を構成し、
当該方法は、
前記III族窒化物半導体層に電位を提供する第1の電極を前記ウエハ生産物に形成する工程と、
前記窒化ガリウム系半導体層に電位を提供する第2の電極を前記ウエハ生産物に形成する工程と
を更に備える、ことを特徴とする請求項12〜請求項21のいずれか一項に記載された方法。 - 前記III族窒化物バッファ層の厚さは100ナノメートル以下である、ことを特徴とする請求項22に記載された方法。
- 前記活性層及び前記窒化ガリウム系半導体層をエッチングして、前記III族窒化物半導体層を露出させる工程と、
前記III族窒化物半導体層に電位を提供する第1の電極を前記ウエハ生産物に形成する工程と、
前記窒化ガリウム系半導体層に電位を提供する第2の電極を前記ウエハ生産物に形成する工程と
を更に備える、ことを特徴とする請求項12〜請求項21のいずれか一項に記載された方法。
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