JP5864000B2 - 半導体発光素子、窒化物半導体層成長用基板及び窒化物半導体ウェーハ - Google Patents
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Description
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
図1は、第1の実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示する模式的断面図である。 図2(a)及び図2(b)は、第1の実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示する模式的平面図である。
図3は、第1の実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示する模式的断面図である。 まず、図3により、本実施形態に係る半導体発光素子の構成の概要について説明する。
発光層30及び多層膜体40の例に関しては後述する。
図4は、第1の実施形態に係る半導体発光素子の一部の構成を例示する模式的断面図である。
図4に表したように、発光層30は、複数の障壁層31と、複数の障壁層31どうしの間に設けられた井戸層32と、を含む。
図1は、図2(a)のA1−A2線断面、及び、図2(b)のA3−A4線断面に相当する断面図である。図2(a)のA1−A2線断面は、図2(b)のA3−A4線断面と一致する。図2(a)は、基板50の基板主面50aに設けられる基板構造体Saを例示している。図2(b)は、第1半導体層10の第1主面60aに設けられる構造体Sbを例示している。
ra/(2・ha)≦0.7 (1)
ra/Ra<1 (2)
の関係を満たす。
rb/(2・hb)≦0.7 (3)
rb/Rb<1 (4)
の関係を満たす。
この実験で用いた基板50においては、図1及び図2(a)に例示したように、基板50の基板主面50aに、複数の基板構造体Saとして、複数の基板凸部51pが設けられる。
第1試料の基板50においては、ra=2.3μm、Ra=1.5μm、ha=1.0μm、Ta=5μmである。第2試料の基板50においては、ra=1.0μm、Ra=2.3μm、ha=1.0μm、Ta=5μmである。これらの基板50のそれぞれの上に、アンドープのGaN層を形成した。この層は、第1半導体層10の一部である下地層60に対応する。
図6は、第1試料の結晶層の状態を例示する電子顕微鏡写真像である。
図5(a)〜図5(c)は、走査型電子顕微鏡(SEM:Scanning Electron Microscope)像である。このSEM像は、基板50の基板主面50aに対してほぼ垂直な方向から撮影した像である。図5(a)は、第1試料の基板50において、GaN層の形成時間が20分のときに対応する。すなわち、図5(a)は、GaN層の厚さの平均が約1.0μmに相当する。図5(b)は、第1試料の基板50において、GaN層の形成時間が30分のときに対応する。すなわち、図5(b)は、GaN層の厚さの平均が、約1.5μmに相当する。図5(c)及び図6は、上記の第2試料の基板50において、GaN層の形成時間が20分のときに対応する。すなわち、図5(c)及び図6は、GaN層の厚さの平均が約1.0μmに相当する。
図6は、図5(c)に示した試料を、基板主面50aに対して斜め方向から撮影したSEM像である。
図7(a)〜図7(d)は、第1試料及び第2試料の結晶層の状態を例示する模式的断面図である。
図7(a)〜図7(c)は、それぞれ、図5(a)〜図5(c)の状態に対応する。図7(d)は、図7(c)の状態の後(GaN層の形成時間が例えば30分)の状態に対応する。
図8は、第1試料の結晶層の状態を例示する断面電子顕微鏡写真像である。
同図は、第1試料spl−1の基板50の上に成長したGaN層(下地層60に対応する)の断面透過型電子顕微鏡(TEM:Transmission Electron Microscope)像である。
この図には、上記で説明した第1試料spl−1及び第2試料spl−2も示されている。
図9に示したように、この実験では、第3試料spl−3〜第7試料spl−7の基板凹凸51を有する基板50がさらに作製された。それぞれの試料の基板凸部幅ra(すなわち凹部幅rb)、基板凹部幅Ra(すなわち、凸部幅Rb)、基板凸部高さha(すなわち凹部深さhb)、及び、間隔Ta(すなわち間隔Tb)は、同図に示す通りである。これらの基板50のそれぞれの上に、バッファ層55(GaN層)を形成し、その上に下地層60となるアンドープのGaN層を形成した。これらの層の形成条件は、第1試料spl−1及び第2試料spl−2に関して説明したものと同じである。
図9には、基板凸部51pの上から成長する結晶層Pgの有無と、斜面異常成長層Sgの有無と、の評価結果が示されている。
ra/(2・ha)≦0.7 (1)
ra/Ra<1 (2)
の関係が満たされるように、基板凸部高さha、基板凸部幅ra及び基板凹部幅Raが設定される。
rb/(2・hb)≦0.7 (3)
rb/Rb<1 (4)
の関係が満たされるように、凹部深さhb、凹部幅rb及び凸部幅Rbが設定される。
(ra/Ra)は、より望ましくは、0.25以上、0.6以下である。
rb/(2・hb)は、より望ましくは、0.4以上、0.7以下である。
(rb/Rb)は、より望ましくは、0.25以上、0.6以下である。
以下、本実施形態の実施例に係る半導体発光素子について説明する。図1、図2(a)、図2(b)、図3及び図4に表したように、実施例の半導体発光素子111は、半導体発光素子110に関して説明した構成を有する。半導体発光素子111は、第2試料spl−2の基板50の上に形成される。
図10の縦軸は、ピット密度Cpであり、図11(a)の縦軸は、らせん転位密度Csであり、図11(b)の縦軸は、刃状転位密度Ceである。ピット密度Cpは、SEM像から求めた。らせん転位密度Cs及び刃状転位密度Ceは、TEM像から求めた。
図13(a)及び図13(b)は、第1の実施形態に係る別の半導体発光素子の構成を例示する模式的平面図である。
図12は、図13(a)のA1−A2線断面、及び、図13(b)のA3−A4線断面に相当する断面図である。図13(a)のA1−A2線断面は、図13(b)のA3−A4線断面と一致する。図13(a)は、基板50の基板主面50aに設けられる基板構造体Saを例示している。図13(b)は、第1半導体層10の第1主面60aに設けられる構造体Sbを例示している。
すなわち、これらの図は、第1半導体層10(例えば下地層60)の凹凸61(凹部61d及び凸部61p)、及び、基板凹凸51(基板凸部51p及び基板凹部51d)の平面形状及び平面配置(Z軸に沿ってみたときの形状及び配置)を例示している。
本実施形態は、窒化物半導体層を成長させるための窒化物半導体層成長用基板に係る。この窒化物半導体層成長用基板は、第1の実施形態において説明した基板50を含む。すなわち、この窒化物半導体層成長用基板(基板50)は、窒化物半導体層(例えば半導体構造体10s)を成長させる基板主面50aを有する。窒化物半導体層成長用基板は、基板主面50aに設けられた複数の基板構造体Saを有する。
本実施形態は、窒化物半導体ウェーハに係る。
図16(a)及び図16(b)は、第3の実施形態に係る窒化物半導体ウェーハの構成を例示する模式的断面図である。
図16(a)及び図16(b)に表したように、本実施形態に係る窒化物半導体ウェーハ210及び211は、基板50と、基板50の上に設けられた窒化物半導体層(例えば、下地層60を含む層)と、を備える。
また、窒化物半導体層(例えば半導体構造体10s)は、基板50の上に設けられ、第1導電形の層を含む第1半導体層10と、第1半導体層10の上に設けられた発光層30と、発光層30の上に設けられ、第1導電形とは異なる第2導電形の層を含む第2半導体層20と、を含む。第1半導体層10は、窒化物半導体からなる。
また、各具体例のいずれか2つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
Claims (21)
- 第1導電形の層を含む第1半導体層と、
前記第1導電形とは異なる第2導電形の層を含む第2半導体層と、
前記第1半導体層と、前記第2半導体層と、の間に設けられた発光層と、
を備え、
前記第1半導体層は、前記第1半導体層の前記発光層とは反対の側の第1主面に設けられた複数の構造体を有し、
前記複数の構造体のそれぞれは、前記第1主面上に設けられた凹部であり、前記複数の構造体どうしの間に凸部が設けられる、または、
前記複数の構造体のそれぞれは、前記第1主面上に設けられた凸部であり、前記複数の構造体どうしの間に凹部が設けられ、
前記複数の構造体のうちのいずれかである第1の構造体の、前記第1主面に対して垂直な第1軸に沿ってみたときの形状の重心と、前記複数の構造体のうちで前記第1の構造体に最も近い第2の構造体の、前記第1軸に沿ってみたときの形状の重心と、は、第2軸上に並び、
前記凹部の深さをhbとし、
前記凹部の底部の前記第2軸に沿った幅をrbとしたときに、
前記hb及び前記rbは、rb/(2・hb)≦0.7を満たし、
前記第1主面の単位面積あたりの前記底部の面積の合計の、前記単位面積あたりの前記凸部の合計の面積に対する比は、0.11以下である半導体発光素子。 - 前記凸部の前記第2軸に沿った幅をRbとし、
前記第1の構造体の前記重心と、前記第2の構造体の前記重心と、の間の前記第2軸に沿った距離をTbとしたときに、hb/(Tb−Rb−rb)は、0.6以下である請求項1記載の半導体発光素子。 - 前記凸部の前記第2軸に沿った幅をRbとしたときに、
前記hbは、0.5μm以上3.0μm以下であり、
前記rbは、0.5μm以上4.0μm以下であり、
前記Rbは、0.5μm以上4.0μm以下である請求項1記載の半導体発光素子。 - 前記第1主面に接する基板であって、前記複数の構造体に沿う複数の基板構造体を有する基板をさらに備えた請求項1〜3のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
- 前記基板は、サファイア、炭化珪素(SiC)、シリコン(Si)基板及びガリウム砒素(GaAs)の少なくともいずれかを含む請求項1〜4のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
- 前記第1半導体層、前記第2半導体層及び前記発光層は、窒化物半導体を含む請求項1〜5のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
- 前記底部は、前記第1主面に対して平行な部分を有する請求項1〜6のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
- 前記発光層から放出される光のピーク波長は、400nm以上650nm以下である請求項1〜7のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
- 前記凹部の平面形状は、円形、三角形、四角形、六角形及び帯状から選択される少なくとも一種である請求項1〜8のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
- 窒化物半導体層を成長させる基板主面を有し、前記基板主面に設けられた複数の基板構造体を有する窒化物半導体層成長用基板であって、
前記複数の基板構造体のそれぞれは、前記基板主面上に設けられた基板凸部であり、前記複数の基板構造体どうしの間に基板凹部が設けられる、または、
前記複数の基板構造体のそれぞれは、前記基板主面上に設けられた基板凹部であり、前記複数の基板構造体どうしの間に基板凸部が設けられ、
前記複数の基板構造体のうちのいずれかである第1の基板構造体の、前記基板主面に対して垂直な第1軸に沿ってみたときの形状の重心と、前記複数の基板構造体のうちで前記第1の基板構造体に最も近い第2の基板構造体の、前記第1軸に沿ってみたときの形状の重心と、は、第2軸上に並び、
前記基板凸部の高さをhaとし、
前記基板凸部の基板頂部の前記第2軸に沿った幅をraとしたときに、
前記ha及び前記raは、ra/(2・ha)≦0.7を満たし、
前記基板主面の単位面積あたりの前記基板頂部の面積の合計の、前記単位面積あたりの前記基板凹部の合計の面積に対する比は、0.11以下であることを特徴とする窒化物半導体層成長用基板。 - 前記基板凹部の前記第2軸に沿った幅をRaとし、
前記第1の基板構造体の前記重心と、前記第2の基板構造体の前記重心と、の間の前記第2軸に沿った距離をTaとしたときに、ha/(Ta−Ra−ra)は、0.6以下であることを特徴とする請求項10記載の窒化物半導体層成長用基板。 - 前記基板凹部の前記第2軸に沿った幅をRaとしたときに、
前記haは、0.5μm以上3.0μm以下であり、
前記raは、0.5μm以上4.0μm以下であり、
前記Raは、0.5μm以上4.0μm以下である請求項10記載の窒化物半導体層成長用基板。 - 前記窒化物半導体層成長用基板は、サファイア、炭化珪素(SiC)、シリコン(Si)基板及びガリウム砒素(GaAs)の少なくともいずれかを含む請求項10〜12のいずれか1つに記載の窒化物半導体層成長用基板。
- 前記基板頂部は、前記基板主面に対して平行な部分を有する請求項10〜13のいずれか1つに記載の窒化物半導体層成長用基板。
- 前記基板頂部の平面形状は、円形、三角形、四角形、六角形及び帯状から選択される少なくとも一種である請求項10〜14のいずれか1つに記載の窒化物半導体層成長用基板。
- 基板と、
前記基板の上に設けられた窒化物半導体層と、
を備え、
前記基板は、前記窒化物半導体層の側の基板主面に設けられ、前記窒化物導体層に接する複数の基板構造体を有し、
前記複数の基板構造体のそれぞれは、前記基板主面上に設けられた基板凸部であり、前記複数の基板構造体どうしの間に基板凹部が設けられる、または、
前記複数の基板構造体のそれぞれは、前記基板主面上に設けられた基板凹部であり、前記複数の基板構造体どうしの間に基板凸部が設けられ、
前記複数の基板構造体のうちのいずれかである第1の基板構造体の、前記基板主面に対して垂直な第1軸に沿ってみたときの形状の重心と、前記複数の基板構造体のうちで前記第1の基板構造体に最も近い第2の基板構造体の、前記第1軸に沿ってみたときの形状の重心と、は、第2軸上に並び、
前記基板凸部の高さをhaとし、
前記基板凸部の基板頂部の前記第2軸に沿った幅をraとしたときに、
前記ha及び前記raは、ra/(2・ha)≦0.7を満たし、
前記基板主面の単位面積あたりの前記基板頂部の面積の合計の、前記単位面積あたりの前記基板凹部の合計の面積に対する比は、0.11以下であることを特徴とする窒化物半導体ウェーハ。 - 前記基板凹部の前記第2軸に沿った幅をRaとし、
前記第1の基板構造体の前記重心と、前記第2の基板構造体の前記重心と、の間の前記第2軸に沿った距離をTaとしたときに、ha/(Ta−Ra−ra)は、0.6以下であることを特徴とする請求項16記載の窒化物半導体ウェーハ。 - 前記基板凹部の前記第2軸に沿った幅をRaとしたときに、
前記haは、0.5μm以上3.0μm以下であり、
前記raは、0.5μm以上4.0μm以下であり、
前記Raは、0.5μm以上4.0μm以下である請求項16記載の窒化物半導体ウェーハ。 - 前記基板は、サファイア、炭化珪素(SiC)、シリコン(Si)基板及びガリウム砒素(GaAs)の少なくともいずれかを含む請求項16〜18のいずれか1つに記載の窒化物半導体ウェーハ。
- 前記基板頂部は、前記基板主面に対して平行な部分を有する請求項16〜19のいずれか1つに記載の窒化物半導体ウェーハ。
- 前記基板頂部の平面形状は、円形、三角形、四角形、六角形及び帯状から選択される少なくとも一種である請求項16〜20のいずれか1つに記載の窒化物半導体ウェーハ。
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