JP6284290B2 - 窒化物半導体層の成長方法、及びそれにより形成される窒化物半導体基板 - Google Patents

窒化物半導体層の成長方法、及びそれにより形成される窒化物半導体基板 Download PDF

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Description

本発明は、窒化物半導体層の成長方法、及びそれにより形成される窒化物半導体基板に関する。
窒化物半導体を利用した電子産業は、グリーン産業の発展と成長に符合する分野として期待を集めている。特に窒化物半導体のうち一つであるＧａＮの場合、発光ダイオード（ＬＥＤ）を含む高出力の電子部品素子の核心素子である赤色、緑色及び青色発光ダイオードのうち、青色発光ダイオードの製造に広く使われている。これは、既存の青色領域の光を出す発光素子の半導体物質であるセレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）より、ＧａＮを利用した青色発光ダイオードが、ＧａＮの優れた物理、化学的特性のために、輝度、寿命及び内部量子効率に優れるためである。また、ＧａＮは、直接遷移型のバンドギャップ構造を有し、かつＩｎやＡｌの合金を通じて１．９ないし６．２ｅＶまでバンドギャップ調節が可能であるので、光素子としての利用価値が非常に大きい。また、降伏電圧が高く、高温でも安定しているため、既存の材料では具現できない高出力素子や高温電子素子など色々な分野に有用である。例えば、フルカラーディスプレイを利用した大型電光板や、信号灯、光記録媒体の光源、自動車エンジンの高出力トランジスタなどに適用される。ＧａＮ基板を使用した発光ダイオードの場合、欠陥が少なく、基板と素子層との屈折率が同一であり、熱伝導度もサファイアより約４倍大きいため、ＧａＮは、高出力ＬＥＤの製作に必須的である。
本発明の目的は、基板上での窒化物半導体層の成長時、格子定数差や熱膨張係数差により界面で誘発されるストレインによるクラックのない窒化物半導体層を成長させる窒化物半導体層の成長方法、及びそれにより形成される窒化物半導体基板を提供するところにある。
本発明の実施形態による窒化物半導体層の成長方法は、基板を準備するステップと、前記基板上に窒化物半導体ドットを形成するステップと、前記窒化物半導体ドット上に窒化物半導体層を成長させるステップと、を含む。
前記窒化物半導体ドットと窒化物半導体層との間にストレス緩衝層が形成されるステップをさらに含む。
前記窒化物半導体層は、ＨＶＰＥ法を使用して成長される。
前記基板上にＨＶＰＥによる前記窒化物半導体層の成長時、元の位置に前記窒化物半導体ドットを形成する。
前記窒化物半導体ドットは、一方向に整列される。前記窒化物半導体ドットのサイズによって、成長された前記窒化物半導体層の厚さを制限する。
前記窒化物半導体ドットのサイズは、ほとんどが０．４μｍ以上である。前記窒化物半導体ドットのサイズは、ほとんどが０．４ないし０．８μｍである。この場合、成長された前記窒化物半導体層の厚さは、１００μｍないし１０００μｍである。
前記窒化物半導体ドットのサイズは、ほとんどが０．４μｍ以内である。この場合、前記窒化物半導体層の厚さは、１０μｍ以下である。
前記窒化物半導体層及び前記窒化物半導体ドットは、ＧａＮを含む。
前記基板は、サファイア基板である。
前記窒化物半導体層は、レーザーリフトオフ法により前記基板から分離されて、窒化物半導体基板として使われる。
前記窒化物半導体基板は、ＧａＮ基板である。
本発明の実施形態による窒化物半導体基板は、前記した窒化物半導体層の成長方法により成長された前記窒化物半導体ドットと前記窒化物半導体層とを基板から分離して得られる。
この時、前記窒化物半導体層及び窒化物半導体ドットは、ＧａＮを含み、前記窒化物半導体基板は、ＧａＮ基板である。
前記窒化物半導体層は、成長の間に前記窒化物半導体ドットが互いに出合うストレス緩和厚さ以上の厚さを有する。
本発明の実施形態による窒化物半導体基板は、窒化物半導体ドットと、前記窒化物半導体ドット上に成長された窒化物半導体層と、を備える。
前記窒化物半導体ドットと前記窒化物半導体層との間に、成長の間にストレス緩衝層がさらに形成される。
本発明の実施形態による窒化物半導体基板は、窒化物半導体層、及び前記窒化物半導体層の一面に六角形の形態の半導体ドットが含まれる。
窒化物半導体ドットを核として窒化物半導体層を成長させるので、基板上での窒化物半導体層の成長時、格子定数差や熱膨張係数差により界面で誘発されるストレインによるクラックのない窒化物半導体層を成長させることができる。
本発明の実施形態による窒化物半導体層の成長方法によって、サファイア基板上にＧａＮを成長させる過程を説明するための図である。 サファイア基板から分離したＧａＮ層を示す図である。 サファイア基板上に成長されたＧａＮドットを概略的に示す図である。 サファイア基板に成長されたＧａＮドットを示すＳＥＭイメージである。 サファイア基板に成長されたＧａＮドットを示すＳＥＭイメージである。 サファイア基板上にＧａＮドットを核としてＧａＮ層を成長させる時、ＧａＮドットとＧａＮ層との間にストレス緩衝層が存在することを示す図である。 本発明の実施形態による窒化物半導体層の成長方法によって、ＧａＮドットバッファを使用して成長された直径３インチ、４インチの厚膜のＧａＮ／サファイアを概略的に示すイメージである。
窒化物半導体のうち窒化ガリウム（ＧａＮ）は、バンドギャップエネルギーが約３．３９ｅＶであり、直接遷移型であるワイドバンドギャップ半導体物質として、短波長領域の発光素子の製作に有用な物質である。
ＧａＮ単結晶は、融点で高い窒素蒸気圧のため、液相結晶成長は、約１５００℃以上の高温及び約２００００気圧の窒素雰囲気が必要であるので、大量生産が困難であるだけでなく、現在使用可能な結晶サイズも約１００mm2の薄板型であるので、それを素子の製作に使用しがたい。
これにより、ＧａＮ薄膜は、異種基板上にＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、ＨＶＰＥ（Ｈｙｄｒｉｄｅ ｏｒ Ｈａｌｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）などの気相成長法により成長している。
ＧａＮ薄膜製造用の異種基板としては、サファイアが最も多く使われているが、これは、サファイアがＧａＮのような六方晶系の構造であり、低価であり、高温で安定しているためである。
しかし、サファイアは、ＧａＮとの約１６％に達する格子定数差及び約３５％に達する熱膨張係数差のため、サファイア基板上に高い品質のＧａＮ薄膜を成長させがたい。かかる差により、界面でストレインが誘発される。このストレインが結晶内の格子欠陥を発生させ、ＧａＮ薄膜上に製造された素子の寿命を短縮させる。また、サファイア基板上に製造される発光ダイオードの場合、ＧａＮ結晶でストレスを誘導する欠陥、及びサファイア基板とＧａＮ薄膜との屈折率差のため、発光効率に限界が存在する。これを克服するために、ＧａＮ基板のようなＧａＮ薄膜と同一または類似した特性を有する基板が必要であり、かかる窒化物半導体基板（ＧａＮ基板）上に、ホモエピタキシにより素子を製造することが要求される。
本発明の実施形態による窒化物半導体層の成長方法によれば、例えば、ＨＶＰＥ法により基板と窒化物半導体層との格子定数及び熱膨張係数の差によるクラックが発生しないように、基板上に窒化物半導体層を成長させる。
窒化物半導体層を成長させるために、まず、基板を準備する。そして、該基板上に窒化物半導体ドットを形成する。この時、窒化物半導体ドットは、一方向に整列されるように形成される。前記窒化物半導体ドットは、基板と厚膜の窒化物半導体層との格子不整合及び／または熱膨張係数差によるクラックを減らすことができる。窒化物半導体層は、この窒化物半導体ドットを核として単結晶として成長される。
III−V族半導体物質の比率や成長温度などを調節して、垂直及び水平成長速度が調節される。窒化物半導体ドットが一方向に整列されるように形成されるので、窒化物半導体層は単結晶として成長される。この時、窒化物半導体層は、ストレス緩和厚さ以上の厚さを有するように成長させる。窒化物半導体層が単結晶として成長される間、前記窒化物半導体ドットが互いに出合う。窒化物半導体ドットと窒化物半導体層との間には、成長の間にストレス緩衝層が形成される。該ストレス緩衝層は、窒化物半導体層の成長と同じ温度で連続的に成長される。ストレス緩衝層において、窒化物半導体ドットと窒化物半導体層との界面に発生した電位は、互いに出合って一部がなくなる。該ストレス緩衝層は、例えば、約４０ないし５０μｍの厚さを有する。ストレス緩衝層４０の厚さは、窒化物半導体ドットが互いに出合うストレス緩和厚さに該当する。
レーザーリフトオフ法のような広く知られている技術のうち一つの方法により、基板から厚膜の窒化物半導体層を分離すれば、フリースタンディング窒化物半導体基板が得られる。この時、フリースタンディング窒化物半導体基板は、窒化物半導体層と、前記窒化物半導体層の一面に含まれた窒化物半導体ドットとを備える。また、窒化物半導体層と窒化物半導体ドットとの間にストレス緩衝層が存在する。フリースタンディング窒化物半導体基板において、窒化物半導体層の一面、すなわち、基板から分離された面またはその近辺には、窒化物半導体ドットが存在するが、この時、窒化物半導体ドットは、六角形状を有する。
かかる本発明の実施形態による窒化物半導体層の成長方法によれば、例えば、ＨＶＰＥによりサファイア基板上に厚膜のＧａＮを成長して、ＧａＮ基板を製造できる。
厚膜のＧａＮの成長のための異種基板としては、サファイア基板が使われる。これは、サファイアがＧａＮのような六方晶系構造であり、低価であり、高温で安定しているためである。しかし、サファイアは、前述したように、ＧａＮとの格子定数差及び熱膨張係数差により界面でストレインが誘発され、該ストレインが結晶内の格子欠陥を発生させ、クラックを発生させる。すなわち、サファイア基板上にＧａＮ層を形成する時、クラックが発生しうる。
本発明の実施形態による窒化物半導体層の成長方法によれば、ストレスを誘導するクラックの形成の可能性を除去するように、一方向に整列されたＧａＮドットを使用する。厚膜のＧａＮ層を得るために、該ＧａＮドットからＧａＮを垂直及び水平方向に成長させる。ＧａＮドットサイズによって、クラックのない厚膜のＧａＮ層の厚さが決定される。
図１は、本発明の実施形態による窒化物半導体層の成長方法によって、サファイア基板１０上にＧａＮを成長させる過程を説明するための図である。図２は、図１の構造において、サファイア基板１０から厚膜のＧａＮ層５０を分離して得られるフリースタンディングＧａＮ基板を概略的に示す。
図１を参照するに、窒化物半導体であるＧａＮを成長させるために、まず、サファイア基板１０を準備する。
サファイア基板１０上にＧａＮドット３０を形成する。ＧａＮドット３０は、サファイア基板１０と厚膜のＧａＮ層５０との格子不整合や熱膨張係数差によるストレスを誘導するクラックを減らすことができる。ＧａＮドット３０は、ＧａＮドット層として表現される。
ＧａＮドット３０は、例えば、次の過程を通じて形成される。
サファイア基板１０をＨＶＰＥ反応器に装着した後、高温でＨＣｌとＧａ金属とを反応させてＧａＣｌを得る。そして、ＧａＣｌをＮＨ３と反応させて、ＧａＮドット３０をサファイア基板１０上に成長させる。かかるＧａＮドット３０を形成するために、サファイア基板１０をＨＶＰＥ反応器に装着した状態で、サファイア基板１０をＨＣｌ＋ＮＨ３で処理して、サファイアの酸素を除去してＧａＮドットの核となるＡｌＮ核を先に形成する。かかる状態で、ＨＣｌとＧａ金属とを反応させてＧａＣｌを形成し、それをＮＨ３と反応させれば、ＡｌＮ核からＧａＮが成長されて、サファイア基板上にＧａＮドット３０が形成される。ＧａＮドット３０は、高温、例えば、約９００℃で成長できる。
図３を参照するに、このように成長されたＧａＮドット３０は、六方晶系の形態を有しているため、一方向、例えば、ｃ軸によく整列される。図４Ａ及び図４Ｂは、サファイア基板１０に成長されたＧａＮドット３０を示すＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）イメージである。ＳＥＭイメージから、ｃ軸によく整列されたＧａＮドットを形成できるということが分かる。
ＧａＮ層５０が核として作用するＧａＮドット３０上にＧａＮ層５０が成長され、垂直及び水平成長速度は、III−V族半導体物質の比率や成長温度などを調節して調節できる。ＧａＮドット３０は、六方晶系の形態を有して一方向に整列されるので、ＧａＮは、単結晶として成長される。
この時、ＧａＮ層５０の成長の間に、ＧａＮドット３０が互いに出合うストレス緩和厚さ以上の厚さを有するように成長させる。ＧａＮドット３０とＧａＮ層５０との間には、ＧａＮ層５０の成長の間にストレス緩衝層４０（図５参照）が形成される。図５は、サファイア基板上にＧａＮドット３０を核としてＧａＮ層５０を成長させる時、ＧａＮドット３０とＧａＮ層５０との間にストレス緩衝層４０が存在することを示す。
ストレス緩衝層４０は、ＧａＮ層５０の成長と同じ温度で連続的に成長されるものであって、ＧａＮドット３０上にＧａＮ層５０を成長させれば、ＧａＮが成長されつつ、ＧａＮドット３０の界面で電位が発生する。ＧａＮは、各ＧａＮドット３０から成長されて、電位が部分的に除去される地点で互いに連結されて、ストレス緩衝層４０が形成される。ストレス緩衝層４０は、前述したように、例えば、約４０ないし５０μｍの厚さを有する。ストレス緩衝層４０の厚さは、ＧａＮドット３０のサイズによって変わりうる。
ほとんどが０．４μｍ以上のサイズを有するＧａＮドットを核としてＧａＮを成長させる場合、核が互いに出合うストレス緩和厚さ（ｃｏａｌｅｓｃｅｎｃｅ）は、約４０ないし５０μｍとなる。ストレス緩衝層５０の厚さは、ストレス緩和厚さに該当する。
したがって、ＧａＮ層５０の厚さが少なくとも約６０ないし７０μｍである時、ＧａＮ層５０は、ほぼミラーのような状態となりつつ、ストレスにより誘導されるクラックが発生しない。
このように、ストレス緩和厚さ以上にＧａＮ層５０を成長させれば、結晶にクラックや欠陥のないＧａＮ層５０を所望の厚さの範囲に形成できる。
図２を参照するに、ＧａＮ層５０及びＧａＮドット３０からなるフリースタンディングＧａＮ基板は、レーザーリフトオフ法によりサファイア基板１０から所望の厚さを有するＧａＮ層５０を分離することで得られる。かかるストレスにより誘導されるクラック及び欠陥なしにＧａＮドット３０から形成されるフリースタンディングＧａＮ基板上に、超高効率の発光ダイオードを製作できる。フリースタンディングＧａＮ層は、サファイア基板１０と初期に界面をなし、分離過程でオープンされた面となる面を含む。ＧａＮドット３０は、フリースタンディングＧａＮ層の面上やその近辺に存在し、六角形態を有する。
レーザーリフトオフ法において、波長が約３６０ｎｍより短い波長のレーザービームが照射される。ＧａＮ層５０は、サファイア基板１０から分離されるように、レーザービームにより照射される。レーザーリフトオフのためのレーザー光源としては、波長が約１０６４ｎｍであるＮｄ：ＹＡＧレーザーの３次調和波（約３２１ｎｍ）を利用するか、または波長が約２４８ｎｍであるＫｒＦエキシマレーザーや、波長が約３３０ｎｍであるＸｅＣｌエキシマレーザーを利用できる。このように、約３６０ｎｍより短い波長のレーザービームをサファイア基板１０及びその基板１０上に形成されたＧａＮ層５０上に照射すれば、サファイア基板との界面に存在するＧａＮ層５０で吸収が起きて、その界面でＧａＮはＧａ＋１／２Ｎ２となり、これにより、サファイア基板１０からＧａＮ層５０が分離される。
図１及び図２では、ストレス緩衝層は、ＧａＮドット３０上にＧａＮを成長させて所望の厚さを有するＧａＮ層５０を形成する間に生じるものであり、そのストレス緩衝層の厚さは、所望の厚さにＧａＮ層５０を成長させるために、適用されるＧａＮドット３０のサイズによって変わり、別途の層として区分されないこともあるので、ストレス緩衝層の図示を省略した。
前記のように、本発明の実施形態による窒化物半導体層の成長方法において、窒化物半導体、例えば、ＧａＮは、ＨＶＰＥ法を使用して成長される。この時、例えば、サファイア基板１０上にＨＶＰＥによるＧａＮの成長時、元の位置にＧａＮドット３０が成長できる。
前述したように、ＧａＮドット３０を使用してサファイア基板１０上にＧａＮを成長させる方法は、格子定数及び熱膨張係数差によるクラックや欠陥のない結晶品質が向上した高品質の厚膜のＧａＮ層５０を成長できる。
図４Ａ及び図４Ｂは、ＧａＮの成長のためにサファイア基板上に形成されたＧａＮドットを示すＳＥＭイメージであるが、図４Ａにおいて、ＧａＮドットのほとんど、例えば、約９０％が０．４μｍ以内のサイズを有する。図４Ｂにおいて、ＧａＮドットのほとんど、例えば、約９０％が約０．４ないし０．８μｍのサイズを有する。
図４Ａのように相対的に小さいサイズのＧａＮドットは、相対的に低い成長温度、例えば、約９８０ないし９９０℃の成長温度で形成される。図４Ｂのように相対的に大きいサイズのＧａＮドットは、相対的に高い成長温度、例えば、約１０４０℃の成長温度で形成される。所望のサイズのＧａＮドットを形成するための温度は、色々な成長条件により変わりうる。これは、ＧａＮドットのサイズが多様な要素に依存するためである。
図４Ａのように、ＧａＮドットが約０．４μｍ以内のサイズを有する時、該ＧａＮドットを核として成長されたＧａＮ層は、約１０μｍまたはそれ以上の厚さでミラーのような状態となる。したがって、０．４μｍ以内のサイズを有するＧａＮドットを核として、約１０μｍの厚さを有する相対的に薄型のＧａＮ層を成長させることができる。
図４Ｂのように、ＧａＮドットが約０．４μｍ以上、例えば、約０．４μｍないし０．８μｍのサイズを有する時、この相対的に粗いサイズのＧａＮドットを核として成長されたＧａＮ層は、例えば、約１００μｍないし１０００μｍの相対的に大きい厚さまで成長される。かかる相対的に厚い厚膜のＧａＮ層は、高効率の発光ダイオードなどを製作できるフリースタンディングＧａＮ基板として使われる。
本発明の実施形態による窒化物半導体層の成長方法によれば、ＧａＮ層は、例えば、約３００μｍ以上の厚さ、より具体的な例として、約３００ないし４００μｍの厚さに成長させることができる。
このように、約０．４μｍ以上、例えば、０．４μｍないし０．８μｍのサイズを有する相対的に粗いサイズのＧａＮドットを核としてＧａＮを成長させれば、３００μｍ以上の厚さを有する厚いＧａＮ層を形成することが可能である。このように厚く成長されたＧａＮ層を基板から分離すれば、十分な厚さを有するフリースタンディングＧａＮ基板が得られ、そこにデバイスを製造するのに使われる。
必要に、ＧａＮ層を３００μｍ以内の相対的に薄い厚さに、ストレスにより誘導されたクラック及び／または欠陥の発生なしに成長させることも可能である。したがって、所望の厚さに、フリースタンディングＧａＮ基板だけでなく、高品質のＧａＮ層が本発明の実施形態による窒化物半導体層の成長方法によってＧａＮドットを使用して得られる。
ほとんどが０．４μｍ以上のサイズを有する相対的に粗いサイズのＧａＮドットを核としてＧａＮを成長させる場合、核が互いに出合うストレス緩和厚さは、約４０ないし５０μｍとなる。したがって、相対的に粗いサイズを有するＧａＮドットを核としてＧａＮを成長させる場合、ＧａＮ層の厚さが相対的に薄い約６０ないし７０μｍとなれば、ＧａＮ層は、クラックなしにミラーのような状態となる。
このように、ＧａＮドットサイズによって、ストレス緩和厚さ以上にＧａＮを成長させれば、クラックや欠陥のない高品質のＧａＮ層を形成できる。
図６は、本発明の実施形態による窒化物半導体層の成長方法によって、ＧａＮドットバッファを使用して成長された直径３インチ、４インチの厚膜のＧａＮ／サファイアを概略的に示すイメージである。
図６から明確に分かるように、本発明の実施形態による窒化物半導体層の成長方法によれば、クラックなしに窒化物半導体層、例えば、ＧａＮ層を成長させることができる。
以上では、本発明の実施形態による窒化物半導体層の成長方法によって、サファイア基板上にＧａＮを成長させる場合を説明したが、これは、具体的な例示を表しただけであり、本発明の実施形態がこれに限定されるものではなく、多様な変形及び他の実施形態が可能である。
本発明は、発光ダイオード関連の技術分野に適用可能である。
１０ サファイア基板
３０ ＧａＮドット
４０ ストレス緩衝層
５０ ＧａＮ層

Claims (4)

  1. サファイア基板を準備するステップと、
    前記サファイア基板上にＧａＮドットを一方向に整列されるように形成するステップと、
    前記ＧａＮドット上にＧａＮ層を、３００ないし４００μｍの厚さまで成長させるステップを含み、
    前記ＧａＮ層の前記ＧａＮドットの側に、前記ＧａＮ層が成長する間に、ストレス緩衝層が形成され、
    前記ストレス緩衝層の厚さは、４０ないし５０μｍであり、
    前記ＧａＮドットの９０％が、０．４ないし０．８μｍのサイズであり、
    前記ＧａＮドットは、六角形の形態を有するＧａＮ層の成長方法。
  2. 前記ＧａＮ層は、ＨＶＰＥ（Ｈａｌｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）法を使用して成長される請求項１に記載のＧａＮ層の成長方法。
  3. 前記ＧａＮ層は、レーザーリフトオフ法により前記サファイア基板から分離されて、ＧａＮ基板として使われる請求項１に記載のＧａＮ層の成長方法。
  4. 前記ＧａＮドットは、前記ＧａＮ層の面上に位置する請求項３に記載のＧａＮ層の成長方法。
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