JP6681406B2 - エピタキシャル成長用配向アルミナ基板 - Google Patents

エピタキシャル成長用配向アルミナ基板 Download PDF

Info

Publication number
JP6681406B2
JP6681406B2 JP2017543255A JP2017543255A JP6681406B2 JP 6681406 B2 JP6681406 B2 JP 6681406B2 JP 2017543255 A JP2017543255 A JP 2017543255A JP 2017543255 A JP2017543255 A JP 2017543255A JP 6681406 B2 JP6681406 B2 JP 6681406B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
substrate
layer
alumina
light emitting
plate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2017543255A
Other languages
English (en)
Other versions
JPWO2017057272A1 (ja
Inventor
守道 渡邊
守道 渡邊
佐藤 圭
圭 佐藤
潔 松島
潔 松島
七瀧 努
七瀧  努
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NGK Insulators Ltd
Original Assignee
NGK Insulators Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by NGK Insulators Ltd filed Critical NGK Insulators Ltd
Publication of JPWO2017057272A1 publication Critical patent/JPWO2017057272A1/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP6681406B2 publication Critical patent/JP6681406B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/10Inorganic compounds or compositions
    • C30B29/16Oxides
    • C30B29/20Aluminium oxides
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01FCOMPOUNDS OF THE METALS BERYLLIUM, MAGNESIUM, ALUMINIUM, CALCIUM, STRONTIUM, BARIUM, RADIUM, THORIUM, OR OF THE RARE-EARTH METALS
    • C01F7/00Compounds of aluminium
    • C01F7/02Aluminium oxide; Aluminium hydroxide; Aluminates
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/01Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics
    • C04B35/10Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on aluminium oxide
    • C04B35/111Fine ceramics
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/626Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B
    • C04B35/63Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B using additives specially adapted for forming the products, e.g.. binder binders
    • C04B35/632Organic additives
    • C04B35/634Polymers
    • C04B35/63404Polymers obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds
    • C04B35/6342Polyvinylacetals, e.g. polyvinylbutyral [PVB]
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/626Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B
    • C04B35/63Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B using additives specially adapted for forming the products, e.g.. binder binders
    • C04B35/638Removal thereof
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/64Burning or sintering processes
    • C04B35/645Pressure sintering
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B1/00Single-crystal growth directly from the solid state
    • C30B1/12Single-crystal growth directly from the solid state by pressure treatment during the growth
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B19/00Liquid-phase epitaxial-layer growth
    • C30B19/02Liquid-phase epitaxial-layer growth using molten solvents, e.g. flux
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B19/00Liquid-phase epitaxial-layer growth
    • C30B19/12Liquid-phase epitaxial-layer growth characterised by the substrate
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B25/00Single-crystal growth by chemical reaction of reactive gases, e.g. chemical vapour-deposition growth
    • C30B25/02Epitaxial-layer growth
    • C30B25/18Epitaxial-layer growth characterised by the substrate
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B25/00Single-crystal growth by chemical reaction of reactive gases, e.g. chemical vapour-deposition growth
    • C30B25/02Epitaxial-layer growth
    • C30B25/18Epitaxial-layer growth characterised by the substrate
    • C30B25/183Epitaxial-layer growth characterised by the substrate being provided with a buffer layer, e.g. a lattice matching layer
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B28/00Production of homogeneous polycrystalline material with defined structure
    • C30B28/02Production of homogeneous polycrystalline material with defined structure directly from the solid state
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/10Inorganic compounds or compositions
    • C30B29/40AIIIBV compounds wherein A is B, Al, Ga, In or Tl and B is N, P, As, Sb or Bi
    • C30B29/403AIII-nitrides
    • C30B29/406Gallium nitride
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104Forming layers
    • H01L21/02365Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02367Substrates
    • H01L21/02428Structure
    • H01L21/0243Surface structure
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/67Apparatus specially adapted for handling semiconductor or electric solid state devices during manufacture or treatment thereof; Apparatus specially adapted for handling wafers during manufacture or treatment of semiconductor or electric solid state devices or components ; Apparatus not specifically provided for elsewhere
    • H01L21/683Apparatus specially adapted for handling semiconductor or electric solid state devices during manufacture or treatment thereof; Apparatus specially adapted for handling wafers during manufacture or treatment of semiconductor or electric solid state devices or components ; Apparatus not specifically provided for elsewhere for supporting or gripping
    • H01L21/6835Apparatus specially adapted for handling semiconductor or electric solid state devices during manufacture or treatment thereof; Apparatus specially adapted for handling wafers during manufacture or treatment of semiconductor or electric solid state devices or components ; Apparatus not specifically provided for elsewhere for supporting or gripping using temporarily an auxiliary support
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/005Processes
    • H01L33/0062Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds
    • H01L33/0066Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds with a substrate not being a III-V compound
    • H01L33/007Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds with a substrate not being a III-V compound comprising nitride compounds
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/005Processes
    • H01L33/0093Wafer bonding; Removal of the growth substrate
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01PINDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2002/00Crystal-structural characteristics
    • C01P2002/50Solid solutions
    • C01P2002/52Solid solutions containing elements as dopants
    • C01P2002/54Solid solutions containing elements as dopants one element only
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/32Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/3205Alkaline earth oxides or oxide forming salts thereof, e.g. beryllium oxide
    • C04B2235/3206Magnesium oxides or oxide-forming salts thereof
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/50Constituents or additives of the starting mixture chosen for their shape or used because of their shape or their physical appearance
    • C04B2235/52Constituents or additives characterised by their shapes
    • C04B2235/5292Flakes, platelets or plates
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/60Aspects relating to the preparation, properties or mechanical treatment of green bodies or pre-forms
    • C04B2235/602Making the green bodies or pre-forms by moulding
    • C04B2235/6025Tape casting, e.g. with a doctor blade
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/65Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes
    • C04B2235/656Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes characterised by specific heating conditions during heat treatment
    • C04B2235/6567Treatment time
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/65Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes
    • C04B2235/658Atmosphere during thermal treatment
    • C04B2235/6586Processes characterised by the flow of gas
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/70Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
    • C04B2235/72Products characterised by the absence or the low content of specific components, e.g. alkali metal free alumina ceramics
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/70Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
    • C04B2235/72Products characterised by the absence or the low content of specific components, e.g. alkali metal free alumina ceramics
    • C04B2235/727Phosphorus or phosphorus compound content
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/70Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
    • C04B2235/72Products characterised by the absence or the low content of specific components, e.g. alkali metal free alumina ceramics
    • C04B2235/728Silicon content
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/70Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
    • C04B2235/74Physical characteristics
    • C04B2235/78Grain sizes and shapes, product microstructures, e.g. acicular grains, equiaxed grains, platelet-structures
    • C04B2235/786Micrometer sized grains, i.e. from 1 to 100 micron
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/70Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
    • C04B2235/74Physical characteristics
    • C04B2235/78Grain sizes and shapes, product microstructures, e.g. acicular grains, equiaxed grains, platelet-structures
    • C04B2235/787Oriented grains
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104Forming layers
    • H01L21/02365Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02367Substrates
    • H01L21/0237Materials
    • H01L21/0242Crystalline insulating materials
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104Forming layers
    • H01L21/02365Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02367Substrates
    • H01L21/02433Crystal orientation
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104Forming layers
    • H01L21/02365Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02518Deposited layers
    • H01L21/02521Materials
    • H01L21/02538Group 13/15 materials
    • H01L21/0254Nitrides
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104Forming layers
    • H01L21/02365Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02612Formation types
    • H01L21/02617Deposition types
    • H01L21/0262Reduction or decomposition of gaseous compounds, e.g. CVD
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2221/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof covered by H01L21/00
    • H01L2221/67Apparatus for handling semiconductor or electric solid state devices during manufacture or treatment thereof; Apparatus for handling wafers during manufacture or treatment of semiconductor or electric solid state devices or components; Apparatus not specifically provided for elsewhere
    • H01L2221/683Apparatus for handling semiconductor or electric solid state devices during manufacture or treatment thereof; Apparatus for handling wafers during manufacture or treatment of semiconductor or electric solid state devices or components; Apparatus not specifically provided for elsewhere for supporting or gripping
    • H01L2221/68304Apparatus for handling semiconductor or electric solid state devices during manufacture or treatment thereof; Apparatus for handling wafers during manufacture or treatment of semiconductor or electric solid state devices or components; Apparatus not specifically provided for elsewhere for supporting or gripping using temporarily an auxiliary support
    • H01L2221/68345Apparatus for handling semiconductor or electric solid state devices during manufacture or treatment thereof; Apparatus for handling wafers during manufacture or treatment of semiconductor or electric solid state devices or components; Apparatus not specifically provided for elsewhere for supporting or gripping using temporarily an auxiliary support used as a support during the manufacture of self supporting substrates
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2221/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof covered by H01L21/00
    • H01L2221/67Apparatus for handling semiconductor or electric solid state devices during manufacture or treatment thereof; Apparatus for handling wafers during manufacture or treatment of semiconductor or electric solid state devices or components; Apparatus not specifically provided for elsewhere
    • H01L2221/683Apparatus for handling semiconductor or electric solid state devices during manufacture or treatment thereof; Apparatus for handling wafers during manufacture or treatment of semiconductor or electric solid state devices or components; Apparatus not specifically provided for elsewhere for supporting or gripping
    • H01L2221/68304Apparatus for handling semiconductor or electric solid state devices during manufacture or treatment thereof; Apparatus for handling wafers during manufacture or treatment of semiconductor or electric solid state devices or components; Apparatus not specifically provided for elsewhere for supporting or gripping using temporarily an auxiliary support
    • H01L2221/6835Apparatus for handling semiconductor or electric solid state devices during manufacture or treatment thereof; Apparatus for handling wafers during manufacture or treatment of semiconductor or electric solid state devices or components; Apparatus not specifically provided for elsewhere for supporting or gripping using temporarily an auxiliary support used as a support during build up manufacturing of active devices
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/04Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a quantum effect structure or superlattice, e.g. tunnel junction
    • H01L33/06Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a quantum effect structure or superlattice, e.g. tunnel junction within the light emitting region, e.g. quantum confinement structure or tunnel barrier
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/12Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a stress relaxation structure, e.g. buffer layer
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/26Materials of the light emitting region
    • H01L33/30Materials of the light emitting region containing only elements of Group III and Group V of the Periodic Table
    • H01L33/32Materials of the light emitting region containing only elements of Group III and Group V of the Periodic Table containing nitrogen

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Geology (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
  • Chemical Vapour Deposition (AREA)
  • Led Devices (AREA)
  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)

Description

本発明は、エピタキシャル成長用配向アルミナ基板に関する。
発光ダイオード(LED)等の発光素子や半導体デバイス用のエピタキシャル成長用基板として、サファイア(α−アルミナ単結晶)基板が用いられたり、サファイア基板上にGaNなどの半導体層を結晶成長させた複合基板が用いられたりしている。こうしたエピタキシャル成長用基板上に、n型GaN層、InGaN層からなる量子井戸層とGaN層からなる障壁層とが交互積層された多重量子井戸層(MQW)、及びp型GaN層が順に積層形成された構造を有する発光素子用基板が量産化されている。
しかしながら、サファイア基板は一般的に面積が小さく高価なものである。そのため、本発明者らは、サファイア基板の代わりに配向アルミナ基板を用いることを提案している(特許文献1,2参照)。特許文献1では、配向アルミナ基板上にMOCVD法を用いてGaN種結晶層を形成し、その種結晶層上にフラックス法によりGaNバッファ層を形成し、その上に発光機能層(n型GaN層、多重量子井戸層及びp型GaN層をこの順に積層した層)を形成して発光素子用基板を作製している。このように配向アルミナ基板を構成要素に含むタイプの発光素子用基板を本明細書では素子用基板S1と称する。また、特許文献2では、配向アルミナ基板上にMOCVD法を用いてGaN種結晶層を形成し、その種結晶層上にフラックス法によりGeドープGaN層を形成し、その後配向アルミナ基板部を砥石による研削加工により除去してGeドープGaN自立基板を得ている。そして、この自立基板上に発光機能層を形成することにより発光素子用基板を作製している。このように配向アルミナ基板の代わりに半導体自立基板を含むタイプの発光素子用基板を本明細書では素子用基板S2と称する。
国際公開第2015/093335号のパンフレット 特許第5770905号公報
これらの素子用基板S1、S2を用いて作製した発光素子などの半導体デバイスは良好な特性を有する。しかしながら、特許文献1,2の配向アルミナ基板上に発光機能層や厚みのある半導体層(例えば厚み20μm以上)を形成する場合、得られる発光機能層や半導体層に穴(ピット)が生じる場合があった。そのような素子用基板の上にLEDなどのデバイスを作製すると電流リークなどの不良原因となる。ピットのない部分でデバイスを作製すれば問題は起きないが、デバイスサイズが大きくなるにつれてピットを完全によけるのが困難になり、歩留まりが十分高くならない要因となっていた。
本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、半導体デバイスの歩留まりを向上させることを主目的とする。
本発明者らは、発光素子などの半導体デバイスの歩留まりを向上させるべくピットの発生状況と配向アルミナ基板の特性との関係を鋭意検討したところ、半導体デバイスを製造する際に利用するエピタキシャル成長用基板の表面を構成する結晶粒子のチルト角を1°以上3°以下且つ平均焼結粒径を20μm以上とすることで、半導体デバイスを製造する際のピットの発生数を大幅に減少できることを見出し、本発明を完成するに至った。
本発明のエピタキシャル成長用配向アルミナ基板は、表面を構成する結晶粒子のチルト角が1以上3°以下であり、平均焼結粒径が20μm以上のものである。ここで、チルト角とは、X線ロッキングカーブ半値幅(XRC・FWHM)を指す。図1にアルミナ結晶のチルト角の模式的な説明図を示す。平均焼結粒径とは、配向アルミナ基板の板面にサーマルエッチングを行った後、走査電子顕微鏡にて撮影した画像を用いて測定した値である。
本発明のエピタキシャル成長用配向アルミナ基板を利用して上述した素子用基板S1,S2を作製し、更にそれらの素子用基板S1,S2を利用して半導体デバイスを作製すると、作製途中で発光機能層や半導体層などに発生するピットの数を大幅に減少でき、半導体デバイスの歩留まりを向上させることができる。その理由は定かではないが、配向アルミナ基板の表面を構成する粒径20μm以上の粒子が若干傾斜していることで発光機能層や半導体層が水平方向に成長しやすくなり、ピットが生じにくくなったためと推測している。なお、半導体デバイスとしては、発光素子のほか太陽電池やパワーデバイスなどが挙げられる。素子用基板S1、S2においてバッファ層や半導体層の形成方法は特に限定はなく、MBE(分子線エピタキシー法)、HVPE(ハライド気相成長法)、スパッタリング等の気相法、Naフラックス法、アモノサーマル法、水熱法、ゾルゲル法等の液相法、粉末の固相成長を利用した粉末法、及びこれらの組み合わせが好ましく例示される。
本発明は、以下のように、エピタキシャル成長方法として捉えることもできる。すなわち、「表面を構成する結晶粒子のチルト角が1°以上3°以下であり、平均焼結粒径が20μm以上である配向アルミナ基板の表面に、半導体結晶をエピタキシャル成長させることにより薄膜を形成する、エピタキシャル成長方法」として捉えることもできる。
アルミナ結晶のチルト角の模式的な説明図。 積層体1を焼成して配向アルミナ基板7を作製する工程の模式図。 発光素子用基板10から発光素子30を作製する工程の断面図。 発光素子用基板20から発光素子40を作製する工程の断面図。 ロッキングカーブ測定の説明図。
[エピタキシャル成長用配向アルミナ基板]
本発明の一実施形態のエピタキシャル成長用配向アルミナ基板は、多結晶アルミナ基板であって、表面を構成する結晶粒子のチルト角が1°以上3°以下であることが好ましく、平均焼結粒径が20μm以上であることが好ましい。
表面を構成する結晶粒子のチルト角が1°未満の場合や3°を超える場合は、半導体デバイスを作製する途中で発光機能層や半導体層などに発生するピットの数を十分抑制できないため好ましくない。その理由は不明だが、チルト角が1°未満、あるいは3°を超える場合、水平方向の成長が十分でなく、ピットが減りにくいためとも考えられる。チルト角は1.0°以上2.5°以下がより好ましく、1.1°以上2.5°以下が更に好ましく、1.1°以上2°以下が特に好ましい。
平均焼結粒径は20μm以上であれば特に問題はない。平均焼結粒径が20μm未満の場合、ピットの数が増加するため好ましくない。一方、平均焼結粒径が大きくなりすぎると強度が低下するため、ハンドリングの観点では平均焼結粒径300μm以下が好ましく、150μm以下がより好ましく、100μm以下が更に好ましい。平均焼結粒径の数値範囲の上限と下限はこれらの数値の中から適宜組み合わせてもよいが、歩留まりとハンドリングを両立させる観点では20〜300μmが好ましく、20〜150μmがより好ましく、20〜100μmが更に好ましい。
本実施形態のエピタキシャル成長用配向アルミナ基板は、ロットゲーリング法により求めたc面配向度が50%以上であることが好ましく、70%以上であることがより好ましく、90%以上であることが更に好ましく、95%以上であることが特に好ましく、100%であることが最も好ましい。
本実施形態のエピタキシャル成長用配向アルミナ基板の厚みは、自立する厚みであることが好ましいが、厚すぎると製造コストの観点では好ましくない。そのため、厚みは20μm以上が好ましく、100μm以上がより好ましく、100〜1000μmが更に好ましい。一方、この配向アルミナ基板に半導体結晶を成長させる際に配向アルミナ基板と半導体結晶との熱膨張差に起因した応力によって基板全体に反りが生じ、その後のプロセスに支障を来す場合がある。こうした反りを抑制する方法の一つとして、厚い配向アルミナ基板を用いてもよい。
本実施形態のエピタキシャル成長用配向アルミナ基板は、不純物を含有しているとバッファ層、半導体層の作製時に基板が侵食され、割れやすくなる場合がある。特にNa、Mg、Si、P、Ca、Fe、Ti、Znの含有量が多い場合に侵食が顕著であり、耐食性の観点ではNa、Mg、Si、P、Ca、Fe、Ti、Znの各含有量は1500ppm以下が好ましく、1000ppm以下がより好ましく、500ppm以下がより好ましく、150ppm以下がより好ましく、100ppm以下がより好ましく、50ppm以下がより好ましく、10ppm以下がより好ましく、特に下限はない。一方、配向アルミナ基板の配向度やチルト角、焼結粒径を制御するため、焼結助剤としてMgO、SiO2、CaOなどの酸化物やフッ化物を加える場合がある。MgOは焼結粒径の制御に加え、異常粒成長を抑制する効果が高い。特に高温で焼成する場合、MgOを加えることで異常粒を含まない配向アルミナ焼結体を歩留まりよく作製することができる。このため、異常粒成長抑制の観点ではMgは15ppm以上含むほうが好ましい(好ましくは30ppm以上、より好ましくは50ppm以上、更に好ましくは100ppm以上)。従って、耐食性と製造時の歩留まりを両立するMgの含有量としては15〜1500ppmが好ましく、15〜1000ppmがより好ましく、15〜500ppmが更に好ましく、30〜150ppmが特に好ましい。
[エピタキシャル成長用配向アルミナ基板の製法]
本実施形態のエピタキシャル成長用配向アルミナ基板の製法は特に限定がないが、好ましい製法としては、(a)微細アルミナ粉末層と、板状アルミナ粒子の板面が微細アルミナ粉末層の表面に沿うように配列された板状アルミナ粉末層とが、交互に積層された積層体を作製する工程と、(b)積層体を焼成する工程と、を含む製法が挙げられる。
工程(a)で用いる微細アルミナ粉末層は、微細アルミナ粒子の集合体の層である。微細アルミナ粉末は、平均粒径が板状アルミナ粉末よりも小さい粉末である。微細アルミナ粉末層は、微細アルミナ粉末そのものを成形した層であってもよいし微細アルミナ粉末に添加剤を加えたものを成形した層であってもよい。添加剤としては、例えば焼結助剤やグラファイト、バインダー、可塑剤、分散剤、分散媒などが挙げられる。成形方法は特に限定するものではないが、例えば、テープ成形、押出成形、鋳込み成形、射出成形、一軸プレス成形等が挙げられる。微細アルミナ粉末層の厚みは、5〜100μmであることが好ましく、10〜100μmであることがより好ましく、20〜60μmであることが更に好ましい。
工程(a)で用いる板状アルミナ粉末層は、板状アルミナ粒子の集合体の層である。板状アルミナ粉末は、高配向化、低チルト化の観点ではアスペクト比は大きい方が好ましく、3以上が好ましく、10以上がより好ましく、30以上が更に好ましい。アスペクト比は、平均粒径/平均厚さである。ここで、平均粒径は、粒子板面の長軸長の平均値、平均厚さは、粒子の短軸長の平均値である。これらの値は、走査型電子顕微鏡(SEM)で板状アルミナ粉末中の任意の粒子100個を観察して決定する。板状アルミナ粉末の平均粒径は、配向焼結体の高配向化、低チルト化の観点からは大きい方が好ましく、1.5μm以上が好ましく、5μm以上がより好ましく、10μm以上が更に好ましく、15μm以上が特に好ましい。但し、緻密化の観点からは小さい方が好ましく、30μm以下が好ましい。こうしたことから、高配向と緻密化を両立するには平均粒径が1.5μm〜30μmであることが好ましい。また、高配向化、低チルト化の観点では板状アルミナ粉末の平均厚さは微細アルミナ粉末より厚いほうが好ましい。板状アルミナ粉末層は、板状アルミナ粉末そのものの層であってもよいし板状アルミナ粉末に添加剤を加えたものの層であってもよい。添加剤としては、例えば焼結助剤やグラファイト、バインダー、可塑剤、分散剤、分散媒などが挙げられる。板状アルミナ粉末層は、板状アルミナ粉末を構成する板状アルミナ粒子の板面が微細アルミナ粉末層の表面に沿うように配列されている。板状アルミナ粉末は、単一粒子になっていることが好ましい。単一粒子になっていない場合には、配向度やチルト角を悪化させることがある。粒子を単一にするには、分級処理、解砕処理及び水簸処理の少なくとも1つの処理を採用すればよいが、すべての処理を採用するのが好ましい。分級処理や解砕処理は、凝集等がある際に採用するのが好ましい。分級処理としては、気流分級等が挙げられる。解砕処理としては、ポット解砕、湿式微粒化方式等が挙げられる。水簸処理は、微粒粉が混入している際に採用するのが好ましい。
工程(a)で作製される積層体は、微細アルミナ粉末層と板状アルミナ粉末層とが交互に積層されたものである。積層体を作製する際、微細アルミナ粉末の成形体の片面を板状アルミナ粉末層で全面的に又は部分的に被覆した片面加工体を作製し、該片面加工体を利用して積層体を作製してもよい。あるいは、微細アルミナ粉末の成形体の両面を板状アルミナ粉末層で全面的に又は部分的に被覆した両面加工体を作製し、該両面加工体と未加工の成形体とを利用して積層体を作製してもよい。
片面加工体又は両面加工体は、微細アルミナ粉末の成形体の片面又は両面に該成形体よりも厚みの薄い板状アルミナ粉末の成形体を積層することにより作製してもよい。この場合、板状アルミナ粉末の成形体は、板状アルミナ粒子の板面がその成形体の表面に沿うようにテープ成形や印刷などによってせん断力を与えて成形したものを用いてもよい。あるいは、片面加工体又は両面加工体は、微細アルミナ粉末の成形体の片面又は両面に板状アルミナ粉末の分散液を印刷、スプレーコート、スピンコート又はディップコートすることにより作製してもよい。スプレーコート、スピンコート、ディップコートでは、強制的にせん断力を与えずとも、板状アルミナ粒子の板面がその成形体の表面に沿うように配列する。成形体の表面に配列した板状アルミナ粒子は、数個の板状アルミナ粒子が重なっていてもよいが、他の板状アルミナ粒子と重なっていないことが好ましい。
片面加工体を利用する場合、微細アルミナ粉末層と板状アルミナ粉末層とが交互に積層されるように片面加工体を積み重ねていけばよい。両面加工体を利用する場合、両面加工体と未加工の微細アルミナ粉末の成形体とを交互に積層すればよい。なお、片面加工体と両面加工体の両方を利用して積層体を作製してもよいし、片面加工体と両面加工体と未加工の成形体とを利用して積層体を作製してもよい。
工程(b)では、積層体を焼成する。この場合、焼成方法は特に限定がないが、積層体を加圧焼成するのが好ましい。加圧焼成としては、例えばホットプレス焼成やHIP焼成などが挙げられる。なお、加圧焼成前に常圧予備焼成を行ってもよい。HIP焼成を行うときにはカプセル法を用いることもできる。ホットプレス焼成の場合の圧力は、50kgf/cm2以上が好ましく、200kgf/cm2以上がより好ましい。HIP焼成の場合の圧力は、1000kgf/cm2以上が好ましく、2000kgf/cm2以上がより好ましい。焼成雰囲気は特に限定はないが、大気、窒素、Ar等の不活性ガス、真空雰囲気下のいずれかが好ましく、窒素、Ar雰囲気下が特に好ましく、窒素雰囲気が最も好ましい。焼成温度(最高到達温度)は1700〜2050℃が好ましく、1800〜2000℃がより好ましく、1900〜2000℃が更に好ましい。図2は、積層体1を焼成して配向アルミナ基板7を作製する工程の模式図である。図2に示すように、積層体1は、微細アルミナ粒子3aの集合体の層である微細アルミナ粉末層3と、板状アルミナ粒子5aの板面が微細アルミナ粉末層3の表面に沿って配列された板状アルミナ粉末層5とが、交互に積層されたものである。積層体1を焼成すると、板状アルミナ粒子5aが種結晶(テンプレート)となり、微細アルミナ粒子3aがマトリックスとなって、テンプレートがマトリックスを取り込みながらホモエピタキシャル成長する。そのため、得られる焼結体は配向度が高く、かつ、適切なチルト角を有する配向アルミナ基板7となる。配向度とチルト角は、板状アルミナ粉末の粒径、アスペクト比、板状アルミナ粉末の厚みと微細アルミナ粉末との粒径の差、板状アルミナ粒子の凝集状態、板状アルミナ粉末層における板状アルミナ粒子の重なりの状態、焼成条件の他、板状アルミナ粉末が微細アルミナ粉末層の表面を覆う被覆率、微細アルミナ粉末層の厚みに依存する。これらの因子を適切に制御することで配向度が高く、チルト角が1°以上3°以下の配向アルミナ基板を得ることができる。この被覆率が1〜60%(好ましくは1〜20%、より好ましくは3〜20%)のときに配向度が高く、チルト角が小さくなる。また、微細アルミナ粉末層の厚みが5〜100μm(好ましくは10〜100μm、より好ましくは20〜60μm)のときに配向度が高く、チルト角は小さくなる。ここで、配向度は、X線回折プロファイルを用いてロットゲーリング法により求めたc面配向度を指す。
また、別の好ましい例としては、板状アルミナ粉末と微細アルミナ粉末を混合し、せん断力を用いた手法により板状アルミナ粉末を配向させて成形体を作製し、上記と同様の方法で焼成する製法が挙げられる。せん断力を用いた手法の好ましい例としては、テープ成形、押出し成形、ドクターブレード法、及びこれらの任意の組合せが挙げられる。せん断力を用いた配向手法は、上記例示したいずれの手法においても、混合粉末にバインダー、可塑剤、分散剤、分散媒等の添加物を適宜加えてスラリー化し、このスラリーをスリット状の細い吐出口を通過させることにより、基板上にシート状に吐出及び成形するのが好ましい。吐出口のスリット幅は10〜400μmとするのが好ましい。なお、分散媒の量はスラリー粘度が5000〜100000cPとなるような量にするのが好ましく、より好ましくは20000〜60000cPである。シート状に成形した配向成形体の厚さは5〜500μmであるのが好ましく、より好ましくは10〜200μmである。このシート状に成形した配向成形体を多数枚積み重ねて、所望の厚さを有する前駆積層体とし、この前駆積層体にプレス成形を施すのが好ましい。このプレス成形は前駆積層体を真空パック等で包装して、50〜95℃の温水中で10〜2000kgf/cm2の圧力で静水圧プレスにより好ましく行うことができる。また、シート状に成形した配向成形体、もしくは前駆積層体をロールプレス法(例えば加熱ロールプレスやカレンダーロールなど)による処理を施してもよい。また、押出し成形を用いる場合には、金型内の流路の設計により、金型内で細い吐出口を通過した後、シート状の成形体が金型内で一体化され、積層された状態で成形体が排出されるようにしてもよい。得られた成形体には公知の条件に従い脱脂を施すのが好ましい。
[素子用基板S1及びそれを用いた発光素子30]
素子用基板S1は、配向アルミナ基板を構成要素に含むタイプの発光素子用基板である。図3の上段は、素子用基板S1の一例である発光素子用基板10の断面図である。発光素子用基板10は、配向アルミナ基板12上に形成されたバッファ層16上に発光機能層14が形成されている。発光機能層14は、バッファ層16側からn型層14c、活性層14b及びp型層14aが積層された複合層である。発光機能層14を構成する各層は、半導体材料を主成分とする材料で構成されている。半導体材料としては、GaN系材料、ZnO系材料及びAlN系材料などが挙げられるが、このうちGaN系材料が好ましい。n型層14cは半導体材料にn型ドーパントがドープされ、p型層14aは半導体材料にp型ドーパントがドープされている。活性層14bは、量子井戸層と障壁層とが交互に積層された多重量子井戸層であり、半導体材料としてGaN材料を用いる場合、量子井戸層をInGaN層、障壁層をGaN層とすることができる。バッファ層16は、配向アルミナ基板12と発光機能層14の格子ミスマッチによる格子欠陥を低減し、結晶性を改善するための層である。バッファ層16は、発光機能層14の結晶構造と同じ又は類似した高い結晶性を有するものであることが好ましく、格子定数が同じ又は近いものを用いてもよい。バッファ層16は、配向アルミナ基板12の結晶方位に倣って成長した構造を有する。バッファ層16は、上述した半導体材料を主成分とする材料で構成されるのが好ましく、p型ないしn型に制御するためのドーパントを適宜含むものであってもよい。
発光素子用基板10は、例えば次のようにして製造することができる。すなわち、配向アルミナ基板12上にGaNなどの半導体の結晶をエピタキシャル成長させることにより半導体層(バッファ層16)を形成する。この場合、配向アルミナ基板12上に半導体の結晶をエピタキシャル成長させて半導体薄膜(種結晶層)を形成し、その半導体薄膜上に更に同じ半導体の結晶をエピタキシャル成長させて半導体薄膜よりも厚い膜を形成し、両方の膜を半導体層としてもよい。なお、エピタキシャル成長は、気相、液相、固相のいずれで行ってもよい。次に、バッファ層16上にn型層14c、活性層14b及びp型層14aを順次積層していくことにより発光機能層14を形成する。これにより、発光素子用基板10が得られる。
発光素子用基板10を利用した発光素子30は、次のようにして製造することができる。図3は発光素子30を作製する工程の断面図である。まず、発光素子用基板10の発光機能層14側においてn型層14cの一部を露出させる。続いて、n型層14cの露出した部分にカソード電極17を形成する。一方、p型層14aの上面に透光性アノード電極18を形成し、更にその上にアノード電極パッド19を形成する。最後に、電極形成後の発光素子用基板10を切断してチップ化し、リードフレームに実装して横型構造の発光素子30を得る。
なお、発光素子用基板10を利用して縦型構造の発光素子を作製することもできる。例えば、発光素子用基板10のp型層14aの上面にアノード電極を形成し、実装基板にアノード電極を接合し、配向アルミナ基板12をレーザリフトオフ法で除去し、露出したn型層14cの表面にカソード電極を形成することにより作製することができる。レーザリフトオフ法で配向アルミナ基板12を除去する際、バッファ層16も併せて除去してもよい。
[素子用基板S2及びそれを用いた発光素子40]
素子用基板S2は、素子用基板S1の配向アルミナ基板の代わりに半導体自立基板を構成要素に含むタイプの発光素子用基板である。図4の上段は、素子用基板S2の一例である発光素子用基板20の断面図である。発光素子用基板20は、半導体自立基板22上に発光機能層24が形成されている。発光機能層24は、n型層24c、活性層24b及びp型層24aが積層された複合層であるが、基本的には上述した発光機能層14と同じであるため、説明を省略する。図4の半導体自立基板22は、n型ドーパントがドープされた半導体材料であるが、ノンドープの半導体材料でもよい。n型ドーパントの導入により導電性を持たせた窒化ガリウムを基板とすることで、縦型構造の発光素子を実現することができる。
発光素子用基板20は、例えば次のようにして製造することができる。すなわち、配向アルミナ基板上にGaNなどの半導体の結晶をエピタキシャル成長させることにより半導体層を形成する。この場合、配向アルミナ基板上に半導体の結晶をエピタキシャル成長させて半導体薄膜(種結晶層)を形成し、その半導体薄膜上に更に同じ半導体の結晶をエピタキシャル成長させて半導体薄膜よりも厚い膜を形成し、両方の膜を半導体層としてもよい。なお、エピタキシャル成長は、気相、液相、固相のいずれで行ってもよい。次に、配向アルミナ基板を研削加工等の方法で除去して、半導体層の単体つまり半導体自立基板22を得る。この半導体自立基板22上にn型層24c、活性層24b及びp型層24aを順次積層していくことにより発光機能層24を形成する。これにより、発光素子用基板20が得られる。
発光素子用基板20を利用した発光素子40は、次のようにして製造することができる。図4は発光素子40を作製する工程の断面図である。まず、発光素子用基板20の半導体自立基板22側にカソード電極27を形成する。一方、p型層24aの上面に透光性アノード電極28を形成し、更にその上にアノード電極パッド29を形成する。最後に、電極形成後の発光素子用基板20を切断してチップ化し、リードフレームに実装して縦型構造の発光素子40を得る。
なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。
以下に説明する実験例A1〜A8はエピタキシャル配向アルミナ基板の作製例、実験例B1〜B8は素子用基板S1の作製例、実験例C1〜C8は素子用基板S2の作製例である。
[実験例A1]
(1)配向アルミナ基板の作製
(1a)積層体の作製
微細アルミナ粉末(大明化学工業株式会社製、グレードTM−DAR)100質量部に対し、酸化マグネシウム(500A、宇部マテリアルズ製)0.0125質量部(125質量ppm)と、バインダーとしてポリビニルブチラール(品番BM−2、積水化学工業製)7.8質量部と、可塑剤としてジ(2−エチルヘキシル)フタレート(黒金化成製)3.9質量部と、分散剤としてトリオレイン酸ソルビタン(レオドールSP−O30、花王製)2質量部と、分散媒として2−エチルヘキサノールとを加えて混合した。分散媒の量は、スラリー粘度が20000cPとなるように調整した。このようにして調製されたスラリーを、ドクターブレード法によってPETフィルムの上に乾燥後の厚みが40μmとなるようにシート状に成形し、微細アルミナ粉末層とした。
市販の板状アルミナ粉末(キンセイマテック製、グレードYFA10030)100質量部に対し、分散媒としてイソプロピルアルコール500質量部を加えた。得られた分散液(板状アルミナスラリー)を超音波分散機で5分間分散させた後、スプレーガン(タミヤ製スプレーワークーHG エアーブラシワイド)にて、噴霧圧0.2MPa、噴射距離20cm、にて前記微細アルミナ粉末層の片面に、噴霧し、片面加工体を得た。このとき、微細アルミナ粉末層の表面を板状アルミナ粉末が被覆する被覆率は1%であった。なお、片面加工体の被覆率は、以下のようにして算出した。すなわち、微細アルミナ粉末層表面を光学顕微鏡で観察し、この観察写真を画像処理にて、板状アルミナ粉末の部分とそれ以外に切り分け、観察写真における微細アルミナ粉末層表面の面積に対する板状アルミナ粉末の面積の割合を、被覆率とした。
得られた片面加工体を直径50mmの円形に切断した後、PETフィルムから剥がし、噴霧した加工面が重ならないように65層積層し、厚さ10mmのAl板の上に載置した後、パッケージに入れて内部を真空にすることで真空パックとした。この真空パックを85℃の温水中で100kgf/cm2の圧力にて静水圧プレスを行い、積層体を得た。
(1b)積層体の焼成
得られた積層体を脱脂炉中に配置し、600℃で10時間の条件で脱脂を行った。得られた脱脂体を黒鉛製の型を用い、ホットプレスにて窒素中、焼成温度(最高到達温度)1975℃で4時間、面圧200kgf/cm2の条件で焼成し、アルミナ焼結体を得た。なお、焼成温度から降温する際に1200℃までプレス圧を維持し、1200℃未満の温度域ではプレス圧をゼロに開放した。
(1c)配向アルミナ基板の作製
このようにして得た焼結体をセラミックスの定盤に固定し、砥石を用いて#2000まで研削して板面を平坦にした。次いで、ダイヤモンド砥粒を用いたラップ加工により、板面を平滑化し、直径50mm、厚さ0.5mmの配向アルミナ焼結体を配向アルミナ基板として得た。砥粒のサイズを3μmから0.5μmまで段階的に小さくしつつ、平坦性を高めた。加工後の平均粗さRaは4nmであった。
(2)配向アルミナ基板の特性
(2a)c面配向度
得られた配向アルミナ基板の配向度を確認するため、配向アルミナ基板の上面に対して平行になるように研磨加工した後、その研磨面に対してX線を照射しc面配向度を測定した。XRD装置(リガク製、RINT−TTR III)を用い、2θ=20〜70°の範囲でXRDプロファイルを測定した。具体的には、CuKα線を用いて電圧50kV、電流300mAという条件で測定した。c面配向度は、ロットゲーリング法によって算出した。具体的には、以下の式により算出した。式中、Pは配向アルミナ基板のXRDから得られた値であり、P0は標準α−アルミナ(JCPDSカードNo.46−1212)から算出された値である。実験例1の配向アルミナ基板のc面配向度は100%であった。
(2b)チルト角
チルト角は、結晶軸の傾き分布であり、アルミナの結晶方位がc軸からどの程度の頻度で傾いているかを評価するパラメータである。ここでは、チルト角をX線ロッキングカーブ(XRC)半値幅(FWHM)で表す。XRC・FWHMは、配向アルミナ基板の板面(c面配向度測定と同じ面)に対し、図5のようにX線源と検出器を連動させてスキャンし、得られたカーブの半値幅を測定した。このように2θ(検出器と入射X線とのなす角度)の値をその回折ピーク位置に固定し、ω(試料基板面と入射X線とのなす角度)のみ走査する測定方法をロッキングカーブ測定とよぶ。装置はリガク製、RINT−TTR IIIを用い、CuKα線を用いて電圧50kV、電流300mAという条件でωの走査範囲を3.8°〜38.8°とした。実験例1の配向アルミナ基板のXRC・FWHMは1.2°であった。
(2c)配向アルミナ基板の粒径評価
配向アルミナ基板の焼結体粒子について、板面の平均焼結粒径を以下の方法により測定した。得られた配向アルミナ基板を、1550℃で45分間サーマルエッチングを行った後、走査電子顕微鏡にて画像を撮影した。視野範囲は、得られる画像の対角線に直線を引いた場合に、いずれの直線も10個から30個の粒子と交わるような直線が引けるような視野範囲とした。得られた画像の対角線に引いた2本の直線において、直線が交わる全ての粒子に対し、個々の粒子の内側の線分の長さを平均したものに1.5を乗じた値を板面の平均焼結粒径とした。この結果、板面の平均焼結粒径は68μmであった。
(2d)配向アルミナ基板の不純物量
アルミナ焼結体を純度99.9質量%のアルミナ乳鉢で粉砕した後、下記方法により定量分析した。そして、アルミナ焼結体中のNa、Mg、Si、P、Ca、Fe、Ti、Znの質量割合(ppm)を求めた。実験例1のアルミナ焼結体のMg以外の不純物元素は、いずれも検出限界以下であり、Mgが62ppm検出された。
不純物定量方法: JISR1649に準拠した加圧硫酸分解法にて板状アルミナ粉末を溶解し、ICP(誘導結合プラズマ)発光分析装置(日立ハイテクサイエンス製 PS3520UV−DD)にて分析した。
表1に実験例A1の焼成方法、焼成温度及び配向アルミナ基板の特性をまとめた。
[実験例A2]
実験例A1において、微細アルミナ粉末としてAKP−20(平均粒径0.4μm、住友化学製)を用いた以外は、実験例A1と同様にして配向アルミナ基板を作製し、その特性を測定した。配向アルミナ基板の特性を表1に示す。
[実験例A3]
(1)配向アルミナ基板の作製
(1a)積層体の作製
微細アルミナ粉末(大明化学工業株式会社製、グレードTM−DAR)100質量部に対し、酸化マグネシウム(500A、宇部マテリアルズ製)0.0125質量部(125質量ppm)と、バインダーとしてポリビニルブチラール(品番BM−2、積水化学工業製)7.8質量部と、可塑剤としてジ(2−エチルヘキシル)フタレート(黒金化成製)3.9質量部と、分散剤としてトリオレイン酸ソルビタン(レオドールSP−O30、花王製)2質量部と、分散媒として2−エチルヘキサノールとを加えて混合した。分散媒の量は、スラリー粘度が20000cPとなるように調整した。このようにして調製されたスラリーを、ドクターブレード法によってPETフィルムの上に乾燥後の厚みが40μmとなるようにシート状に成形し、微細アルミナ粉末層とした。
市販の板状アルミナ粉末(キンセイマテック製、グレードYFA10030)100質量部に対し、バインダーとしてポリビニルブチラール(品番BM−2、積水化学工業製)50質量部と、可塑剤としてジ(2−エチルヘキシル)フタレート(黒金化成製)25質量部と、分散剤としてトリオレイン酸ソルビタン(レオドールSP−O30、花王製)2質量部と、分散媒としてキシレンと1−ブタノールの混合溶液(混合比率1:1)とを加えて混合した。分散媒の量は、スラリー粘度が5000cPとなるように調整した。このようにして調製されたスラリーを、リバースドクターブレード法によってPETフィルムの上に乾燥後の厚さが3μmとなるようにシート状に成形し、板状アルミナ粉末層とした。
微細アルミナ粉末層と板状アルミナ粉末層を各々直径50mmの円形に切断した後、PETフィルムから剥がし、微細アルミナ粉末層と板状アルミナ粉末層とを各50層、交互に積層し、厚さ10mmのAl板の上に載置した後、パッケージに入れて内部を真空にすることで真空パックとした。この真空パックを85℃の温水中で100kgf/cm2の圧力にて静水圧プレスを行い、積層体を得た。このとき、板状アルミナ粉末層が微細アルミナ粉末層の表面を被覆する被覆率は60%であった。
(1b)積層体の焼成
得られた積層体を脱脂炉中に配置し、600℃で10時間の条件で脱脂を行った。得られた脱脂体を黒鉛製の型を用い、ホットプレスにて窒素中、焼成温度(最高到達温度)1975℃で4時間、面圧200kgf/cm2の条件で焼成し、アルミナ焼結体を得た。なお、焼成温度から降温する際に1200℃までプレス圧を維持し、1200℃未満の温度域ではプレス圧をゼロに開放した。
(1c)配向アルミナ基板の作製
このようにして得た焼結体をセラミックスの定盤に固定し、砥石を用いて#2000まで研削して板面を平坦にした。次いで、ダイヤモンド砥粒を用いたラップ加工により、板面を平滑化し、直径50mm、厚さ0.5mmのアルミナ焼結体を配向アルミナ基板として得た。砥粒のサイズを3μmから0.5μmまで段階的に小さくしつつ、平坦性を高めた。加工後の平均粗さRaは4nmであった。
(2)配向アルミナ基板の特性
実験例A1と同様にして配向アルミナ基板の特性を測定した。配向アルミナ基板の特性を表1に示す。
[実験例A4]
原料として、板状アルミナ粉末(キンセイマテック株式会社製、グレード10030)、微細アルミナ粉末(大明化学工業株式会社製、グレードTM−DAR)、及び酸化マグネシウム粉末(宇部マテリアルズ株式会社、グレード500A)を用意し、板状アルミナ粉末0.5重量部、微細アルミナ粉末99.5重量部、酸化マグネシウム粉末0.0125重量部を混合してアルミナ原料を得た。次に、アルミナ原料100重量部に対し、バインダー(ポリビニルブチラール:品番BM−2、積水化学工業株式会社製)8重量部と、可塑剤(DOP:ジ(2−エチルヘキシル)フタレート、黒金化成株式会社製)4重量部と、分散剤(レオドールSP−O30、花王株式会社製)2重量部と、分散媒(キシレンと1−ブタノールを重量比1:1で混合したもの)を混合した。分散媒の量は、スラリー粘度が20000cPとなるように調整した。上記のようにして調製されたスラリーを、ドクターブレード法によって、PETフィルムの上に、乾燥後の厚さが20μmとなるように、シート状に成形した。得られたテープを直径50mmの円形に切断した後150枚積層し、厚さ10mmのAl板の上に載置した後、真空パックを行った。この真空パックを85℃の温水中で、100kgf/cm2の圧力にて静水圧プレスを行い、円盤状の成形体を得た。
得られた成形体を脱脂炉中に配置し、600℃で10時間の条件で脱脂を行った。得られた脱脂体を黒鉛製の型を用い、ホットプレスにて窒素中1975℃で4時間、面圧200kgf/cm2の条件で焼成した。得られた焼結体を実験例A1と同様にして加工して配向アルミナ基板を作製し、その特性を測定した。配向アルミナ基板の特性を表1に示す。
[実験例A5]
微細アルミナ粉末(大明化学工業株式会社製、グレードTM−DAR)99.8質量部、イットリア粉末(信越化学工業株式会社製、グレードUU)0.2質量部を混合し、混合粉末100gに対して溶媒として水50ccの割合で添加し、ボールミルにて40時間混合粉砕し、スラリー化した。得られたスラリーを内径50mmの石膏型に注ぎ、12Tの磁場中で3時間戴置し、鋳込み成形を行った。成形体は石膏から脱型し、室温での乾燥後、黒鉛製の型を用い、ホットプレスにて窒素中1400℃で4時間、面圧200kgf/cm2の条件で焼成した。得られた焼結体を実験例A1と同様にして加工して配向アルミナ基板を作製し、その特性を測定した。配向アルミナ基板の特性を表1に示す。
[実験例A6]
原料として、板状アルミナ粉末(キンセイマテック株式会社製、グレード00610)を用意した。板状アルミナ粒子100重量部に対し、バインダー(ポリビニルブチラール:品番BM−2、積水化学工業株式会社製)7重量部と、可塑剤(DOP:ジ(2−エチルヘキシル)フタレート、黒金化成株式会社製)3.5重量部と、分散剤(レオドールSP−O30、花王株式会社製)2重量部と、分散媒(2−エチルヘキサノール)を混合した。分散媒の量は、スラリー粘度が20000cPとなるように調整した。上記のようにして調製されたスラリーを、ドクターブレード法によって、PETフィルムの上に、乾燥後の厚さが20μmとなるように、シート状に成形した。得られたテープを直径50mmの円形に切断した後150枚積層し、厚さ10mmのAl板の上に載置した後、真空パックを行った。この真空パックを85℃の温水中で、100kgf/cm2の圧力にて静水圧プレスを行い、円盤状の成形体を得た。
得られた成形体を脱脂炉中に配置し、600℃で10時間の条件で脱脂を行った。得られた脱脂体を黒鉛製の型を用い、ホットプレスにて窒素中1600℃で4時間、面圧200kgf/cm2の条件で焼成した。得られた焼結体をグラファイト製セッター上に設置し、熱間等方圧加圧法(HIP)にてアルゴン中1700℃で2時間、ガス圧1500kgf/cm2の条件で再度焼成した。
得られた焼結体を実験例A1と同様にして加工して配向アルミナ基板を作製し、その特性を測定した。配向アルミナ基板の特性を表1に示す。
[実施例A7]
実験例A3において、焼成温度(最高到達温度)を1800℃とした以外は実験例A3と同様にして配向アルミナ基板を作製し、その特性を測定した。配向アルミナ基板の特性を表1に示す。
[実施例A8]
実験例A1において、板状アルミナ粉末として、市販の板状アルミナ粉末(キンセイマテック製、グレードYFA0030)を気流分級機(日清エンジニアリング製TC−15N)にて分級点を3μmに設定して分級し、ポット解砕機にて直径0.3mmの玉石で20時間解砕した後、水簸にて微粒粉末を除去したものを用いたこと以外は、実験例A1と同様の方法で配向アルミナ基板を作製し、その特性を評価した。配向アルミナ基板の特性を表1に示す。
[実験例B1]
(1)発光素子用基板(素子用基板S1)の作製
(1a)種結晶層の成膜
実験例A1で作製した配向アルミナ基板の上に、MOCVD法を用いて、種結晶層を形成した。具体的には、530℃にて低温GaN層を40nm堆積させた後に、1050℃にて厚さ3μmのGaN膜を積層させて種結晶基板を得た。
(1b)Naフラックス法によるGaNバッファ層の成膜
上記工程で作製した種結晶基板を、内径80mm、高さ45mmの円筒平底のアルミナ坩堝の底部分に設置し、次いで融液組成物をグローブボックス内で坩堝内に充填した。融液組成物の組成は以下のとおりである。
・金属Ga:60g
・金属Na:60g
このアルミナ坩堝を耐熱金属製の容器に入れて密閉した後、結晶育成炉の回転が可能な台上に設置した。窒素雰囲気中で870℃、4.0MPaまで昇温加圧後、10時間保持しつつ溶液を回転することで、撹拌しながら窒化ガリウム結晶をバッファ層として成長させた。結晶成長終了後、3時間かけて室温まで徐冷し、結晶育成炉から育成容器を取り出した。エタノールを用いて、坩堝内に残った融液組成物を除去し、窒化ガリウム結晶が成長した試料を回収した。得られた試料は、50mmの種結晶基板の全面上に窒化ガリウム結晶が成長しており、結晶の厚さは約0.1mmであった。クラックは確認されなかった。
こうして得られた配向アルミナ基板上の窒化ガリウム結晶を、基板ごとセラミックスの定盤に固定し、窒化ガリウム結晶の板面を#600及び#2000の砥石によって研削して板面を平坦にした。次いで、ダイヤモンド砥粒を用いたラップ加工により、窒化ガリウム結晶の板面を平滑化した。このとき、砥粒のサイズを3μmから0.1μmまで段階的に小さくしつつ、平坦性を高めた。窒化ガリウム結晶板面の加工後の平均粗さRaは0.2nmであった。こうして、配向アルミナ基板上に厚み約50μmの窒化ガリウム結晶層を形成した基板を得た。なお、本例では、後述する発光機能層の結晶性を高めるため、このような窒化ガリウムバッファ層を形成したが、目標特性や用途によってはバッファ層自体を省略してもよい。また、窒化ガリウムバッファ層中にゲルマニウム、シリコン、酸素等をドーピングして導電性を持たせた構造としてもよい。
(1c)MOCVD法による発光機能層の成膜
MOCVD法を用いて、基板上にn型層として1050℃でSi原子濃度が5×1018/cm3になるようにドーピングしたn−GaN層を3μm堆積した。次に活性層として750℃で多重量子井戸層を堆積した。具体的にはInGaNによる2.5nmの井戸層を5層、GaNによる10nmの障壁層を6層にて交互に積層した。次にp型層として950℃でMg原子濃度が1×1019/cm3になるようにドーピングしたp−GaNを200nm堆積した。その後、MOCVD装置から取り出し、p型層のMgイオンの活性化処理として、窒素雰囲気中で800℃の熱処理を10分間行い、発光素子用基板を得た。
[実験例B2〜B8]
実験例A2〜A8の配向アルミナ基板を用いて、実験例B1と同様の方法で発光素子用基板を作製した。A6の配向アルミナ基板を用いて発光素子用基板を作製する際に基板の一部にクラックが発生した。
[発光素子用基板のピット評価]
本発明者らは半導体層の形成に影響を与えるピット量は非接触表面形状測定機を用いて測定した二乗平均平方根粗さRms値と置き換えて評価できることを見出した。そのため、得られた発光素子用基板の表面を、非接触表面形状測定機(Zygo社製New View 7000)を用い、対物レンズ×5倍で二乗平均平方根粗さRmsを算出した。なお、ソフトウエアにはMetro Pro 9.0.10を使用しており、観察視野は1.4mm×1.05mmである。得られたRms値を表2に示す。Rmsは2.0nm以下が好ましく、小さいほどよい。一方、2.0nmを超える場合、素子用基板から作製可能な半導体デバイスの数が減少し、歩留まりが低下する。
[実験例C1]
(1)発光素子用基板(素子用基板S2)の作製
(1a)種結晶層の成膜
実験例A1で作製した配向アルミナ基板の上に、MOCVD法を用いて種結晶層を形成した。具体的には、バッファ層としてサセプタ温度530℃、水素雰囲気中にて低温GaN層を30nm堆積させた後に、窒素・水素雰囲気にてサセプタ温度1050℃まで昇温し厚さ3μmのGaN膜を積層させて種結晶基板を得た。
(1b)Naフラックス法によるGeドープGaN層の成膜
上記工程で作製した種結晶基板を、内径80mm、高さ45mmの円筒平底のアルミナ坩堝の底部分に設置し、次いで融液組成物をグローブボックス内で坩堝内に充填した。融液組成物の組成は以下のとおりである。
・金属Ga:60g
・金属Na:60g
・四塩化ゲルマニウム:1.85g
このアルミナ坩堝を耐熱金属製の容器に入れて密閉した後、結晶育成炉の回転が可能な台上に設置した。窒素雰囲気中で870℃、3.5MPaまで昇温加圧後、50時間保持しつつアルミナ坩堝を回転することで、撹拌しながら窒化ガリウム結晶を成長させた。結晶成長終了後、3時間かけて室温まで徐冷し、結晶育成炉から育成容器を取り出した。エタノールを用いて、坩堝内に残った融液組成物を除去し、窒化ガリウム結晶が成長した試料を回収した。得られた試料は、50mmの種結晶基板の全面上にGeドープ窒化ガリウム結晶が成長しており、結晶の厚さは約0.5mmであった。クラックは確認されなかった。こうして得られた試料の配向アルミナ基板部を砥石による研削加工により除去して、Geドープ窒化ガリウムの単体を得た。このGeドープ窒化ガリウム結晶の板面を#600及び#2000の砥石によって研削して板面を平坦にし、次いでダイヤモンド砥粒を用いたラップ加工により、板面を平滑化し、厚さ約300μmのGeドープ窒化ガリウム自立基板を得た。なお、平滑化加工においては、砥粒のサイズを3μmから0.1μmまで段階的に小さくしつつ、平坦性を高めた。窒化ガリウム自立基板表面の加工後の平均粗さRaは0.2nmであった。
なお、本例では、ゲルマニウムドーピングしてn型半導体としたものを作製したが、用途や構造によっては異なる元素をドーピングしてもよく、ノンドープとしてもよい。
[実験例C2〜C8]
実験例A2〜A8の配向アルミナ基板を用いて、実験例C1と同様の方法で発光素子用基板を作製した。A6の配向アルミナ基板を用いて発光素子用基板を作製する際に基板の一部にクラックが発生した。
[発光素子用基板のピット評価]
得られた発光素子用基板のピット量を評価するため、実験例B1〜B8と同様の方法で発光素子用基板のRmsを測定した。得られた結果を表3に示す。
以上説明した実験例のうち、実験例A1〜A4が本発明の実施例に相当し、実験例A5〜A8が比較例に相当する。なお、本発明は上述した実施例に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。
本出願は、平成28年7月14日に出願された日本国特許出願第2016−139508号、平成28年3月29日に出願された日本国特許出願第2016−66432号、平成28年2月25日に出願された日本国特許出願第2016−34005号、平成28年1月25日に出願された日本国特許出願第2016−11190号、平成27年11月16日に出願された日本国特許出願第2015−224164号、平成27年9月30日に出願された日本国特許出願第2015−193943号及び平成27年9月30日に出願された日本国特許出願第2015−193944号を優先権主張の基礎としており、引用によりそれらの内容の全てが本明細書に含まれる。
本発明のエピタキシャル成長用基板は、例えば半導体デバイスを製造する際に利用される。
1 積層体、3 微細アルミナ粉末層、3a 微細アルミナ粒子、5 板状アルミナ粉末層、5a 板状アルミナ粒子、7 配向アルミナ基板、10 発光素子用基板、12 配向アルミナ基板、14 発光機能層、14a p型層、14b 活性層、14c n型層、16 バッファ層、17 カソード電極、18 透光性アノード電極、19 アノード電極パッド、20 発光素子用基板、22 半導体自立基板、24 発光機能層、24a p型層、24b 活性層、24c n型層、27 カソード電極、28 透光性アノード電極、29 アノード電極パッド、30 発光素子、40 発光素子、S1 素子用基板、S2 素子用基板。

Claims (3)

  1. 表面を構成する結晶粒子のチルト角が1°以上3°以下であり、
    平均焼結粒径が20μm以上である、
    エピタキシャル成長用配向アルミナ基板。
  2. Na、Mg、Si、P、Ca、Fe、Ti、Znの各含有量が1500ppm以下であることを特徴とする、
    請求項1に記載のエピタキシャル成長用配向アルミナ基板。
  3. Mg含有量が15ppm以上であることを特徴とする、
    請求項1又は2に記載のエピタキシャル成長用配向アルミナ基板。
JP2017543255A 2015-09-30 2016-09-26 エピタキシャル成長用配向アルミナ基板 Active JP6681406B2 (ja)

Applications Claiming Priority (15)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2015193943 2015-09-30
JP2015193944 2015-09-30
JP2015193943 2015-09-30
JP2015193944 2015-09-30
JP2015224164 2015-11-16
JP2015224164 2015-11-16
JP2016011190 2016-01-25
JP2016011190 2016-01-25
JP2016034005 2016-02-25
JP2016034005 2016-02-25
JP2016066432 2016-03-29
JP2016066432 2016-03-29
JP2016139508 2016-07-14
JP2016139508 2016-07-14
PCT/JP2016/078266 WO2017057272A1 (ja) 2015-09-30 2016-09-26 エピタキシャル成長用配向アルミナ基板

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPWO2017057272A1 JPWO2017057272A1 (ja) 2018-07-26
JP6681406B2 true JP6681406B2 (ja) 2020-04-15

Family

ID=58427658

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2017543255A Active JP6681406B2 (ja) 2015-09-30 2016-09-26 エピタキシャル成長用配向アルミナ基板

Country Status (4)

Country Link
US (1) US10435816B2 (ja)
JP (1) JP6681406B2 (ja)
CN (1) CN108025979B (ja)
WO (1) WO2017057272A1 (ja)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6681406B2 (ja) * 2015-09-30 2020-04-15 日本碍子株式会社 エピタキシャル成長用配向アルミナ基板
CN108025981B (zh) * 2015-09-30 2021-03-09 日本碍子株式会社 氧化铝烧结体及光学元件用基底基板
WO2017057271A1 (ja) * 2015-09-30 2017-04-06 日本碍子株式会社 エピタキシャル成長用配向アルミナ基板
CN111201208B (zh) 2017-10-05 2023-05-23 阔斯泰公司 氧化铝质烧结体及其制造方法
CN115536369B (zh) * 2022-10-18 2023-09-26 湖北晶耐新材料有限公司 一种自增韧氧化铝陶瓷材料的制备方法

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4256792A (en) * 1980-01-25 1981-03-17 Honeywell Inc. Composite electronic substrate of alumina uniformly needled through with aluminum nitride
JPH05270894A (ja) * 1992-03-27 1993-10-19 Sumitomo Metal Ind Ltd セラミックス基板の製造方法
US5549746A (en) * 1993-09-24 1996-08-27 General Electric Company Solid state thermal conversion of polycrystalline alumina to sapphire using a seed crystal
JP4396010B2 (ja) * 2000-08-03 2010-01-13 日立電線株式会社 半導体の結晶成長方法
JP2002293609A (ja) * 2001-03-29 2002-10-09 Ngk Insulators Ltd セラミックス多結晶体及びその製造方法
JP2004359495A (ja) * 2003-06-04 2004-12-24 Ngk Insulators Ltd エピタキシャル膜用アルミナ基板
CN101468915A (zh) * 2007-12-26 2009-07-01 中国科学院上海硅酸盐研究所 一种具有择优取向的多晶氧化铝透明陶瓷及其制备方法
CN101364482B (zh) * 2008-09-19 2010-12-08 南京大学 一种可见光铟镓氮基光电化学电池制备方法
CN101599466B (zh) * 2009-07-10 2012-08-29 中山大学 一种外延生长用的图形衬底及其制作方法
US8278233B2 (en) * 2009-09-09 2012-10-02 Ngk Insulators, Ltd. Translucent polycrystalline sintered body, method for producing the same, and arc tube for high-intensity discharge lamp
KR101531809B1 (ko) * 2013-03-27 2015-06-25 엔지케이 인슐레이터 엘티디 반도체용 복합 기판의 핸들 기판
US9312446B2 (en) * 2013-05-31 2016-04-12 Ngk Insulators, Ltd. Gallium nitride self-supported substrate, light-emitting device and manufacturing method therefor
JP5770905B1 (ja) * 2013-12-18 2015-08-26 日本碍子株式会社 窒化ガリウム自立基板、発光素子及びそれらの製造方法
CN105830237B (zh) * 2013-12-18 2019-09-06 日本碍子株式会社 发光元件用复合基板及其制造方法
JP6681406B2 (ja) * 2015-09-30 2020-04-15 日本碍子株式会社 エピタキシャル成長用配向アルミナ基板
CN108025981B (zh) * 2015-09-30 2021-03-09 日本碍子株式会社 氧化铝烧结体及光学元件用基底基板

Also Published As

Publication number Publication date
CN108025979B (zh) 2021-06-01
US20180179665A1 (en) 2018-06-28
WO2017057272A1 (ja) 2017-04-06
US10435816B2 (en) 2019-10-08
CN108025979A (zh) 2018-05-11
JPWO2017057272A1 (ja) 2018-07-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5770905B1 (ja) 窒化ガリウム自立基板、発光素子及びそれらの製造方法
JP6480398B2 (ja) 多結晶窒化ガリウム自立基板及びそれを用いた発光素子
JP6681406B2 (ja) エピタキシャル成長用配向アルミナ基板
JP6474734B2 (ja) 発光素子用複合基板及びその製造方法
JP6691133B2 (ja) アルミナ焼結体及び光学素子用下地基板
WO2014192911A1 (ja) 窒化ガリウム自立基板、発光素子及びそれらの製造方法
CN108779578B (zh) 包含多晶第13族元素氮化物的自立基板和使用该自立基板的发光元件
US10707373B2 (en) Polycrystalline gallium nitride self-supported substrate and light emitting element using same
WO2016051890A1 (ja) 窒化ガリウム自立基板、発光素子及びそれらの製造方法
JP6684815B2 (ja) エピタキシャル成長用配向アルミナ基板
JP6626500B2 (ja) アルミナ焼結体及び光学素子用下地基板
WO2017169622A1 (ja) 自立基板および積層体

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20190417

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20200121

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20200212

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20200303

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20200323

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6681406

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150