JP6890858B2 - 基体および基体の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、基体および基体の製造方法に関する。
サファイア基板上にｎ型ＧａＮ（窒化ガリウム）、ＭＱＷ（多重量子井戸）、ｐ型ＡｌＧａＮ（窒化アルミニウムガリウム）、ｐ型ＧａＮを形成して、ＭＱＷを発光層として用いる、いわゆる横型構造を有するＬＥＤ（Light Emitting Diode）が提案されている。この横型構造のＬＥＤでは、発光層の厚さ方向に直交する方向において一方の電極が他方の電極に対してずれた状態で配置されている。従って、発光層およびｎ型ＧａＮを流れる電流が不均一になり、発光層およびｎ型ＧａＮのうち電流の集中する部分が劣化しやすいという問題がある。この点、縦型構造のＬＥＤでは、発光層の厚さ方向に直交する方向において一方の電極と他方の電極とが略同じ位置に配置されているので、発光層およびＧａＮを流れる電流の不均一性が抑制され、効率および信頼性が高いという特長を有する。
例えば、特許文献１ではサファイア基板上にＧａＮを形成した後、ＧａＮをサファイア基板より、レーザを用いてリフトオフし、ＭＱＷ層、ｐ−ＧａＮを形成した後にＧａＮのリフトオフした側に導電性の支持基板を形成し、さらに電極を付けることで電流集中を避けることが実施されている。しかしながら、特許文献１ではリフトオフという製造方法を採っているためにエキシマレーザを導入する等の必要があり、工程コストと製造設備コストがかかってしまうという問題がある。また、数μｍ程度の薄い構造体を取り扱わなければならないため、歩留まりを上げるために更なる工夫や装置が必要となるという問題もある。
このため、機械的に強度の高いサファイア基板上にＧａＮと格子整合した導電体層を形成し、この導電体層上にｎ型ＧａＮ層、発光層、ｐ型ＧａＮ層を順に結晶成長させることより縦型構造のＬＥＤを実現することが要請されている。このような縦型のＬＥＤにおいて、光の取り出し効率の向上または基板側に光を取り出す場合、導電体層としては、発光層から放射される青色光に対して透明な材料が要求される。しかし、一般的に上記導電層上に結晶性の良好なＧａＮを成長させることは困難である。
この要求に対して、特許文献２では透明導電膜としてよく利用されている酸化亜鉛膜（ＺｎＯ）をサファイア基板上に形成している。ここで、ＺｎＯは高い導電性を付与することができることが知られている。しかし、ＺｎＯ膜上にＧａＮを形成した場合、ＺｎＯとＧａＮは格子不整合が２％と大きいので、ＧａＮの結晶性が低下してしまいＬＥＤ等の半導体素子の特性が大きく劣化してしまうという重大な欠点がある。
また、ＩＴＯ（インジウム錫酸化膜、酸化インジウム（Ｉn２Ｏ３）に数％の酸化スズ（ＳｎＯ２）を添加した化合物）が透明導電膜として広く用いられている。作成方法はＩＴＯをスパッタまたは蒸着でアモルファス膜（非晶質膜）を形成し、熱処理によって結晶化を行う。ＩＴＯは、結晶構造として安定相の立方晶（ｂｉｘｂｙｉｔｅ構造、以下ｂｃｃ−ＩＴＯ）と準安定相の菱面体晶（ｒｈｏｍｂｏｈｅｄｒａｌ構造、以下ｒｈ−ＩＴＯと言う）が存在し、通常は膜形成が容易なｂｃｃ−ＩＴＯが用いられる。準安定相のｒｈ−ＩＴＯは、膜形成に高圧・高温などの特別な条件が必要なため、微粒子の形成例はあるものの、薄膜としての形成例はほとんどない。そのため、一般に用いられているＩＴＯは、立方晶（ｂｃｃ−ＩＴＯ）もしくは、非晶質のものがほとんどであり、菱面体晶ｒｈ−ＩＴＯはほとんど利用されていない。
また、非特許文献１には、サファイア基板の上にα−Ｆｅ２Ｏ３をバッファ層として形成し、その上に菱面体晶α−Ｉｎ２Ｏ３を形成した例（半導体として用いる例）が記載されている。しかし、α−Ｉｎ２Ｏ３に錫を添加して結晶成長がより難しくなるｒｈ−ＩＴＯを透明電極として形成することについての記載はない。さらに、非特許文献１に記載されているα−Ｇａ２Ｏ３をバッファ材として用いても、良質なα−Ｉｎ２Ｏ３さえも形成することはできなかったことが記載されている。このことは、ｒｈ−ＩＴＯの成膜がいかに困難であるかを示すものである。
非特許文献２には、サファイア基板の上にα−Ｇａ２Ｏ３をバッファ層として形成し、その上にα−（ＩｎｘＧａ１−ｘ）２Ｏ３薄膜を形成した例（半導体として用いる）が記載されている。しかし、同様にｒｈ−ＩＴＯ薄膜の形成についての記載はない。
Ｎ．Ｓｕｚｕｋｉ， Ｋ．Ｋａｎｅｋｏ， Ｓ．Ｆｕｊｉｔａ，Ｊ． Ｃｒｙｓｔ． Ｇｒｏｗｔｈ， ３６４（２０１３）３０−３３．
Ｎ．Ｓｕｚｕｋｉ， Ｋ．Ｋａｎｅｋｏ， Ｓ．Ｆｕｊｉｔａ，Ｊ． Ｃｒｙｓｔ． Ｇｒｏｗｔｈ， ４０１（２０１４）６７０−６７２．
上記に記したように、一般的な蒸着法やスパッタリング法を採用した製造方法では、サファイア基板上にＧａＮ結晶と格子整合する結晶構造（例えば菱面体晶構造）を有するｒｈ−ＩＴＯを含む薄膜を得ることは困難である。そして、従来のような製造方法により作製されたＩＴＯ薄膜上にＧａＮ層を積層した場合、その結晶性は悪くなってしまうので、このようなＧａＮ層を有する発光素子またはその他半導体素子は、その特性および信頼性が低下してしまうという問題がある。
本発明は、上記事由に鑑みてなされたものであり、特性と信頼性の高い発光素子またはその他半導体素子を実現することができる基体を提供することを目的とする。
本発明に係る基体は、
サファイア基板と、
前記サファイア基板上に形成され、α−Ｃｒ２Ｏ ３ からなる緩衝層と、
前記緩衝層の上に形成され、菱面体晶構造を有するＩＴＯ（Indium Tin Oxide）からなる導電体層と、を備える。
サファイア基板と、
前記サファイア基板上に形成され、α−Ｃｒ２Ｏ ３ からなる緩衝層と、
前記緩衝層の上に形成され、菱面体晶構造を有するＩＴＯ（Indium Tin Oxide）からなる導電体層と、を備える。
本発明に係る基体の製造方法は、
サファイア基板を準備する工程と、
ミストＣＶＤ法により、前記サファイア基板上に、α−Ｃｒ２Ｏ ３ からなる緩衝層を形成する工程と、
ミストＣＶＤ法により、前記緩衝層上に、菱面体晶構造を有するＩＴＯ（Indium Tin Oxide）からなる導電体層を形成する工程と、を含む。
サファイア基板を準備する工程と、
ミストＣＶＤ法により、前記サファイア基板上に、α−Ｃｒ２Ｏ ３ からなる緩衝層を形成する工程と、
ミストＣＶＤ法により、前記緩衝層上に、菱面体晶構造を有するＩＴＯ（Indium Tin Oxide）からなる導電体層を形成する工程と、を含む。
本発明によれば、基体が、α−Ｃｒ２Ｏ ３ からなる緩衝層と、緩衝層の上に形成された菱面体晶構造を有するＩＴＯ（Indium Tin Oxide）（ｒｈ−ＩＴＯ）からなる導電体層と、を備える。これにより、基体の導電体層側に結晶性のよいＧａＮ層を形成することができるので、例えばこの基体における導電体層側に積層されたＧａＮ層を有する発光素子またはその他半導体素子を作製した場合、この発光素子またはその他半導体素子の特性および信頼性を向上させることができる。つまり、特性が良好であり信頼性も高い発光素子またはその他半導体素子を実現することができる。
（実施形態１）
以下、本発明の実施形態１に係る基体について図面を参照しながら説明する。本実施形態に係る基体１０は、図１に示すように、サファイア基板１と、サファイア基板１上に形成された緩衝層２と、緩衝層２上に形成された導電体層３と、を備える。サファイア基板１は、少なくとも緩衝層２が形成される側の表面が平坦であり且つ表面がｃ面、ｒ面、ａ面およびｍ面のいずれかである。また、サファイア基板１は、ＰＳＳ（Patterned Sapphire Substrate、以下「ＰＳＳ基板」と称する。)、即ち、少なくとも緩衝層２が形成される側の表面がｃ面であり且つ表面に規則正しく整列した微細な凹凸が形成されたものであってもよい。
以下、本発明の実施形態１に係る基体について図面を参照しながら説明する。本実施形態に係る基体１０は、図１に示すように、サファイア基板１と、サファイア基板１上に形成された緩衝層２と、緩衝層２上に形成された導電体層３と、を備える。サファイア基板１は、少なくとも緩衝層２が形成される側の表面が平坦であり且つ表面がｃ面、ｒ面、ａ面およびｍ面のいずれかである。また、サファイア基板１は、ＰＳＳ（Patterned Sapphire Substrate、以下「ＰＳＳ基板」と称する。)、即ち、少なくとも緩衝層２が形成される側の表面がｃ面であり且つ表面に規則正しく整列した微細な凹凸が形成されたものであってもよい。
緩衝層２は、ガリウム、鉄、クロム、アルミニウム、インジウムのうちの少なくとも１つを含む菱面体晶構造を有する酸化物から形成されており、そのａ軸長は０．４７５４ｎｍから０．５４８７ｎｍの間の範囲にある。緩衝層２は、例えばα−Ｆｅ２Ｏ３、α−Ｃｒ２Ｏ３、α−Ａｌ２Ｏ３、α−Ｉｎ２Ｏ３またはα−Ｇａ２Ｏ３から形成されている。
導電体層３は、菱面体晶構造を有するＩＴＯ（Indium Tin Oxide、ｒｈ−ＩＴＯ）から形成されている。なお、導電体層３は、ＩＴＯ以外に、不純物としてチタン、ジルコニウム、フッ素および塩素のうちの少なくとも１つを含むインジウム酸化物から形成されていてもよい。
本実施形態に係る基体は、ミストＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法を用いて、サファイア基板１上に緩衝層２を積層する工程と、緩衝層２上に導電体層３を積層する工程と、を順に行うことにより製造される。ミストＣＶＤ法を用いた基体の製造では、図２に示すようなミストＣＶＤ装置が使用される。このミストＣＶＤ装置は、ガス供給源２１と流量計２３と原料供給容器３１と貯水容器３３と超音波振動子３５と反応容器４１とヒータ４２とサセプタ４３とを備える。ガス供給源２１と原料供給容器３１とは第１ガス供給管Ｐ１を介して接続されている。原料供給容器３１と反応容器４１とは第２ガス供給管Ｐ２を介して接続されている。また、反応容器４１には、反応容器４１内の余分なガスを排出するための排気管Ｐ３が接続されている。原料供給容器３１には、緩衝層２を形成する酸化物の前駆体原料または導電体層３を形成するＩＴＯの前駆体原料を溶媒（例えば水、塩酸）に溶解させてなる原料溶液３２が貯留されている。図２では原料供給容器３１は一つのみが記載されており、緩衝層２と導電体層３を順次形成することができるが、緩衝層２用と導電体層３用の二つの原料供給容器３１を備えて、緩衝層２を形成する時と導電体層３を形成する時とで切り替えて連続して形成することもできる。
緩衝層２を形成する酸化物の前駆体原料としては、β−ジケトン化合物、アルコール化合物等から選択される１種類または複数種類とガリウム、鉄、クロム、インジウム、アルミニウム等の金属との化合物が挙げられる。また、導電体層３を形成する酸化物の前駆体原料としては、β−ジケトン化合物、アルコール化合物等から選択される１種類または複数種類の化合物と、インジウムとの化合物または錫、チタン、ジルコニウムの塩素化合物と、が挙げられる。
ガス供給源２１は、霧状の原料溶液を、反応用器４１内に送り込むための空気、窒素または酸素等のキャリアガスを原料供給容器３１へ供給する。貯水容器３３には、超音波整合用の水３４が貯められており、原料供給容器３１は、その一部が貯水容器３３に貯められた水３４に浸かった状態で貯水容器３３の内側に配置されている。貯水容器３３には、超音波振動子３５が固定されている。超音波振動子３５で発生した超音波は、貯水容器３３に貯められた整合用の水３４を介して原料供給容器３１に貯められた原料溶液３２に伝達する。
次に、ミストＣＶＤ装置の動作について説明する。まず、超音波振動子３５が振動することにより、整合用の水３４を介して原料溶液３２に振動エネルギが伝達し、その振動エネルギにより原料溶液３２が霧状（ミスト）になる。そして、霧状になった原料溶液が、ガス供給源２１から原料供給容器３１内に供給されるキャリアガスにより、第２ガス供給管Ｐ２を通じて反応容器４１内に送り込まれる。このとき、流量計２３を確認しながら第１ガス供給管Ｐ１を流れるキャリアガスの流量を調節することにより、反応容器４１に送り込む原料溶液の量を調節する。反応容器４１内に送り込まれた霧状の原料溶液は、反応容器４１内でサセプタ４３に支持されたサファイア基板１の表面に供給される。サファイア基板１の表面に供給された霧状の原料溶液が、ヒータ４２により加熱されると、その原料溶液中の金属化合物と水とが化学反応し、サファイア基板１の表面に金属酸化物が成長する。
サファイア基板１上に緩衝層２を積層する工程では、原料溶液として、ガリウム、鉄、クロムのうちの少なくとも１つを含む前駆体原料を溶媒に溶解させたものを使用する。サファイア基板１は、３００℃から１０００℃の間の温度に加熱される。この工程では、ガリウム、鉄、クロムのうちの少なくとも１つを含み、菱面体晶構造を有し且つそのａ軸長が０．４９５２ｎｍから０．５０５３ｎｍの間の長さである酸化物からなる緩衝層２が形成される。
また、サファイア基板１上に緩衝層２を積層する工程では、原料溶液として、ガリウム、鉄、クロムの他にインジウム、アルミニウムのうちの少なくとも１つを含む前駆体原料を使用してもよい。この場合、菱面体晶構造を有し且つそのａ軸長が０．４７５４ｎｍから０．５４８７ｎｍの間の長さである酸化物からなる緩衝層２が形成される。
緩衝層２上に導電体層３を積層する工程では、原料溶液として、錫を含むインジウムの前駆体原料を溶媒に溶解させたものを使用する。緩衝層２が積層されたサファイア基板１は、３００℃から１０００℃の間の温度に加熱される。この工程では、菱面体晶構造を有するＩＴＯ（ｒｈ−ＩＴＯ）からなる導電体層３が形成される。
また、緩衝層２上に導電体層３を積層する工程では、原料溶液として、チタン、ジルコニウム、フッ素、塩素のうちの少なくとも１つを含むインジウムの前駆体原料を溶媒に溶解させたものを使用してもよい。この場合、菱面体晶構造を有し、チタン、ジルコニウム、フッ素、塩素のうちの少なくとも１つが不純物としてドーピングされた酸化インジウムからなる導電体層３が形成される。このようなＩＴＯ等の不純物がドーピングされた酸化インジウムは、不純物がドーピングされていない酸化インジウムよりもキャリア密度が高く、抵抗が低い。上記不純物がドーピングされた各種酸化インジウムの中では、特に、ＩＴＯが最も抵抗が低い。また、原料溶液として、錫、チタン、ジルコニウム、フッ素、塩素のうちの少なくとも１つの他に、ガリウム、アルミニウム、鉄、クロムのうちの少なくとも１つを含むインジウムの前駆体原料を溶媒に溶解させたものを使用してもよい。この場合、ＧａＮのみならず、ＧａＮにＡｌを化合させＡｌＧａＮ（アルミニウムガリウムナイトライド）や、ＡｌＮ（アルミナイトライド）、ＡｎＧａＩｎＮ（アルミニウムインジウムガリウムナイトライド）とも良好に格子整合させることができる導電体層３が形成される。
以上説明したように、本実施形態に係る基体１０は、サファイア基板１の表面に緩衝層２を介してＧａＮと格子整合する菱面体晶構造を有するＩＴＯ（ｒｈ−ＩＴＯ）を含む導電体層３を備える。これにより、基体１０における導電体層３側に結晶性のよいＧａＮ層を形成することができるので、例えばこの基体１０における導電体層３側に積層されたＧａＮ層を有する発光素子またはその他半導体素子を作製した場合、この発光素子またはその他半導体素子の特性および信頼性を向上させることができる。つまり、特性が良好であり信頼性も高い発光素子および他の半導体素子を実現することができる。また、本実施の形態に係る基体１０は、青色光に対して略透明であり、青色の波長帯域（４１５ｎｍ〜５００ｎｍ）において８０％以上の透過率を有する。これにより、例えばこの基体１０における導電体層３側に青色光を発する発光素子を形成した場合、その光の取り出し効率を向上させることができる。また、発光素子の基体１０側から外部へ光を取り出すことも可能となる。
また、本実施形態に係る基体１０の製造方法で採用するミストＣＶＤ法は、非真空プロセスからなる手法であるので、真空雰囲気を実現するための構成が不要であるため装置の簡素化を図ることができる。また、ミストＣＶＤ法によれば、一般的にスパッタ法や他のＣＶＤ法に比べて、歪みやダメージの少ない薄膜が作製できる。
なお、緩衝層２、導電体層３を製造するのに用いる方法は、ミストＣＶＤ法に限定されるものではなく、スパッタ法、他のＣＶＤ法等が採用されてもよい。また、ミストＣＶＤ法において霧状の原料溶液を生成する方法として、例えば２流体スプレーノズルを用いる方法が採用されてもよい。
（実施形態２）
本実施形態に係る発光素子１００は、縦型ＬＥＤ（Light Emitting Diode）であり、図３に示すように、結晶方位がｃ面であり且つ表面に微細な凹凸形状が形成されたサファイア基板（ＰＳＳ基板）１上に、緩衝層２、導電体層３が順に積層された基体１０を備える。ここで、基体１０の導電体層３は、抵抗が十分に低いので、電極（第２電極）として機能する。この発光素子１００は、第１クラッド層１０４と発光層１０５と第２クラッド層１０６と電極層１０７（第１電極）とを備える。第１クラッド層１０４は、基体１０の導電体層３側に形成され、ｎ型ＧａＮからなる。発光層１０５は、例えばＭＱＷ（Multi Quantum Well）構造を有し、第１クラッド層１０４上に形成されている。第２クラッド層１０６は、発光層１０５上に形成され、ｐ型ＧａＮからなる。電極層１０７は、例えばＩＴＯのような導電体材料から形成されている。この電極層１０７は、第２クラッド層１０６上に形成されている。
本実施形態に係る発光素子１００は、縦型ＬＥＤ（Light Emitting Diode）であり、図３に示すように、結晶方位がｃ面であり且つ表面に微細な凹凸形状が形成されたサファイア基板（ＰＳＳ基板）１上に、緩衝層２、導電体層３が順に積層された基体１０を備える。ここで、基体１０の導電体層３は、抵抗が十分に低いので、電極（第２電極）として機能する。この発光素子１００は、第１クラッド層１０４と発光層１０５と第２クラッド層１０６と電極層１０７（第１電極）とを備える。第１クラッド層１０４は、基体１０の導電体層３側に形成され、ｎ型ＧａＮからなる。発光層１０５は、例えばＭＱＷ（Multi Quantum Well）構造を有し、第１クラッド層１０４上に形成されている。第２クラッド層１０６は、発光層１０５上に形成され、ｐ型ＧａＮからなる。電極層１０７は、例えばＩＴＯのような導電体材料から形成されている。この電極層１０７は、第２クラッド層１０６上に形成されている。
この発光素子１００では、導電体層３と電極層１０７との間に電圧を印加することにより発光層１０５に電流を注入すると、発光層１０５が発光する。発光層１０５から放出される光の一部は、第１クラッド層１０４を透過して基体１０のサファイア基板１の表面に形成された微細な凹凸に到達する。そして、サファイア基板１の表面に形成された微細な凹凸にまで到達した光の一部がその凹凸で散乱されることにより発光素子１００の外部（例えば上方）に効率良く取り出される。これにより、発光層１０５で発生した光は、発光素子１００の外部へ高い効率で取り出される。また、基体１０の導電体層３と電極層１０７とは、発光層１０５の厚さ方向において発光層１０５を挟んで対面する形で配置されている。これにより、発光層１０５には、電流が略均一に注入されるので、ＬＥＤ１００は、発光効率が高く且つ信頼性も高いものとなる。導電体層３には、例えばその一部に接する金属からなる電極体（図示せず）を介して電圧が印加される。
なお、サファイア基板１は、ＰＳＳ基板に限らず、例えば結晶方位がｃ面、ｒ面、ａ面またはｍ面であり且つ表面が平坦な基板であってもよい。
また、発光素子１００は、ＬＥＤに限定されない。例えば、前述の発光素子１００のサファイア基板１側と電極層１０７側とに反射層（図示せず）を設けることにより、発光層１０５の厚さ方向に沿ってレーザ光を放出する面発光レーザダイオードであってもよい。或いは、発光素子１００における、発光層１０５の厚さ方向に直交する方向の両側に反射部が設けられたレーザダイオードであってもよい。
更に、本発明は発光素子１００に限らず、例えば実施形態１で説明した基体１０上にＨＥＭＴ等のスイッチング素子が形成された半導体素子であってもよい。或いは、実施形態１で説明した基体１０を備えるＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やサイリスタ等の他のスイッチング素子やダイオード（整流素子）であってもよい。
本発明に係る基体について、実施例および比較例に基づいて説明する。比較例に係る基体は、サファイア基板１上に導電体層３のみを形成したものである。各実施例に係る基体１０の製造方法は、実施形態１で説明したように、サファイア基板１上に緩衝層２を積層する工程と、緩衝層２上に導電体層３を積層する工程と、からなる。一方、比較例に係る基体の製造方法は、サファイア基板１上に導電体層３を積層する工程のみからなる。比較例に係る基体の製造方法においてもミストＣＶＤ法が採用される。
（基体の製造条件等について）
各実施例に係る基体１０並びに比較例に係る基体の製造に用いるミストＣＶＤ装置の超音波振動子として２．４ＭＨｚの周波数で振動する超音波振動子（本多電子社製、ＨＭ-２４１２）を採用した。また、このミストＣＶＤ装置で用いるキャリアガスとして窒素を採用した。
各実施例に係る基体１０並びに比較例に係る基体の製造に用いるミストＣＶＤ装置の超音波振動子として２．４ＭＨｚの周波数で振動する超音波振動子（本多電子社製、ＨＭ-２４１２）を採用した。また、このミストＣＶＤ装置で用いるキャリアガスとして窒素を採用した。
全ての実施例に係る緩衝層２を積層する工程では、サファイア基板１を、反応容器４１内のサセプタ４３に載置してからヒータ４２により４５０℃に加熱された状態にした。この緩衝層２を積層する工程での成膜時間は１ｍｉｎに設定した。
全ての実施例に係る導電体層３を積層する工程では、緩衝層２が積層されたサファイア基板１の緩衝層２上に導電体層３を積層するのに対して、全ての比較例に係る導電体層３を積層する工程では、サファイア基板１上に直接導電体層３を積層する。また、全ての実施例および比較例に係る導電体層３を積層する工程のいずれにおいても、サファイア基板１を反応容器４１内のサセプタ４３に載置してからヒータ４２により５００℃に加熱された状態にした。また、この工程では、原料溶液として、インジウムアセチルアセトナートと塩化錫（ＩＩ）を水と塩酸に溶解させたものを採用した。この導電体層３を積層する工程での成膜時間は３０ｍｉｎに設定した。
以下、表１に各実施例、各比較例におけるサファイア基板の種類と、緩衝層２を形成する工程の有無、緩衝層２の種類を纏めたものを示す。
表１において、「ｃ面ＰＳＳ基板」とは、結晶方位がｃ面であり表面に微細な凹凸形状が形成されたサファイア基板を示す。「ｃ面平坦基板」とは、結晶方位がｃ面であり且つ表面が平坦な基板を示す。ここで、「平坦な基板」とは、基板表面のラフネス（ＲＭＳ値）が０．１ｎｍ〜２ｎｍの範囲にあるものを意味する。「ｒ面平坦基板」とは、結晶方位がｒ面であり且つ表面が平坦な基板を示す。
表１において、緩衝層２の種類が酸化ガリウム「Ｇａ２Ｏ３」の場合、緩衝層２を積層する工程で用いる原料溶液として、ガリウムアセチルアセトナートを水と塩酸に溶解させたものを採用した。
（基体の評価結果について）
表１に示す各実施例および各比較例に係る基体について、結晶構造の確認、導電体層３の比抵抗値、導電体層３側の表面のＳＥＭ観察および透過光スペクトル測定を実施することにより各基体を評価した。
表１に示す各実施例および各比較例に係る基体について、結晶構造の確認、導電体層３の比抵抗値、導電体層３側の表面のＳＥＭ観察および透過光スペクトル測定を実施することにより各基体を評価した。
各実施例および各比較例に係る基体の緩衝層２および導電体層３の結晶構造は、Ｘ線回折（ＸＲＤ）測定装置（ＢＲＵＫＥＲ社製、Ｄ８ ＤＩＳＣＯＶＥＲ）を用いて測定される回折ピークの位置により確認した。
各実施例および各比較例に係る導電体層３の比抵抗は、４探針法を採用したシート抵抗測定器（三菱化学アナリテック社製、ロレスタＧＰ ＭＣＰ−Ｔ６１０型）を用いて測定した。
各実施例および各比較例に係る基体の導電体層３側の表面の観察は、電子顕微鏡（ＳＥＭ）（日本電子社製、ＪＳＭ７４００）を用いて行った。
基体の透過光スペクトル測定は、透過率測定器（日立ハイテクサイエンス社製、ＵＶ−ＶＩＳ Ｕ−４１００）を用いて行った。
以下、各実施例に係る基体１０並びに各比較例に係る基体に対して行った評価の結果について個別に詳述する。
（実施例１）
ＸＲＤによれば、図４（Ａ）に示すように、菱面体晶構造を有するＩＴＯ（ｒｈ−ＩＴＯ）に対応した（０００６）の回折ピークが確認できた。即ち、菱面体晶構造を有するＩＴＯからなる導電体層３が形成されていることが判った。また、ｃ面のサファイア基板１に対応する回折ピーク（α−Ａｌ２Ｏ３（０００６））と、菱面体晶構造を有する酸化ガリウムに対応するピーク（α−Ｇａ２Ｏ３（０００６））とが確認できた。このことから、緩衝層２が菱面体晶構造を有する酸化ガリウムであることが判った。つまり、緩衝層２であるα−Ｇａ２Ｏ３層上にＧａＮと格子整合する菱面体晶構造を有するＩＴＯからなる導電体層３が形成されていることが判った。導電体層３のシート抵抗から算出した比抵抗は、４．０×１０−４Ω・ｃｍであった。基体の導電体層３側の表面では、図５（Ａ）に示すように、導電体層３が連続的に繋がっていることが判った。このように、導電体層３が連続的に繋がっていることにより、導電体層３の比抵抗が低くなると考えられた。なお、導電体層３を電極として機能させるためには、導電体層３の比抵抗の大きさは、一般的に１．０×１０−３Ω・ｃｍ以下であることが好ましい。これに対して、実施例１の導電体層３はこの導電体層３を電極として機能させるため条件を満足していると言える。
（実施例１）
ＸＲＤによれば、図４（Ａ）に示すように、菱面体晶構造を有するＩＴＯ（ｒｈ−ＩＴＯ）に対応した（０００６）の回折ピークが確認できた。即ち、菱面体晶構造を有するＩＴＯからなる導電体層３が形成されていることが判った。また、ｃ面のサファイア基板１に対応する回折ピーク（α−Ａｌ２Ｏ３（０００６））と、菱面体晶構造を有する酸化ガリウムに対応するピーク（α−Ｇａ２Ｏ３（０００６））とが確認できた。このことから、緩衝層２が菱面体晶構造を有する酸化ガリウムであることが判った。つまり、緩衝層２であるα−Ｇａ２Ｏ３層上にＧａＮと格子整合する菱面体晶構造を有するＩＴＯからなる導電体層３が形成されていることが判った。導電体層３のシート抵抗から算出した比抵抗は、４．０×１０−４Ω・ｃｍであった。基体の導電体層３側の表面では、図５（Ａ）に示すように、導電体層３が連続的に繋がっていることが判った。このように、導電体層３が連続的に繋がっていることにより、導電体層３の比抵抗が低くなると考えられた。なお、導電体層３を電極として機能させるためには、導電体層３の比抵抗の大きさは、一般的に１．０×１０−３Ω・ｃｍ以下であることが好ましい。これに対して、実施例１の導電体層３はこの導電体層３を電極として機能させるため条件を満足していると言える。
（比較例１）
ＸＲＤによれば、図４（Ｂ）に示すように、菱面体晶構造を有するＩＴＯに対応したピークは確認されなかった。導電体層３のシート抵抗は、シート抵抗器の測定限界を超えるほど高い抵抗値を示した。基体の導電体層側の表面では、図５（Ｂ）に示すように、凹凸の凸部分（山の部分）のみに導電体層が形成され、凹凸の凹部分（谷の部分）には導電体層が形成されていないことが判った。このように、凹部分に導電体層３が形成されず隣接する凸部分に形成された導電体層同士が電気的に絶縁されているために、導電体層のシート抵抗が高くなると考えられた。
ＸＲＤによれば、図４（Ｂ）に示すように、菱面体晶構造を有するＩＴＯに対応したピークは確認されなかった。導電体層３のシート抵抗は、シート抵抗器の測定限界を超えるほど高い抵抗値を示した。基体の導電体層側の表面では、図５（Ｂ）に示すように、凹凸の凸部分（山の部分）のみに導電体層が形成され、凹凸の凹部分（谷の部分）には導電体層が形成されていないことが判った。このように、凹部分に導電体層３が形成されず隣接する凸部分に形成された導電体層同士が電気的に絶縁されているために、導電体層のシート抵抗が高くなると考えられた。
実施例１、比較例１の評価結果から、緩衝層２が存在することにより、結晶方位がｃ面であり且つ表面に微細な凹凸形状が形成されたサファイア基板１の上方に、ＧａＮと格子整合する菱面体晶構造を有するＩＴＯからなる導電体層３が形成されると言える。また、緩衝層２が存在することにより、サファイア基板１表面の凹凸形状の山の部分と谷の部分の両方において互いに連続的に繋がった形で導電体層３が形成されるので、導電体層３のシート抵抗が低くなる。このように、ＰＳＳ基板において、緩衝層２を形成することによって結晶性の良い薄膜形成が難しいｒｈ−ＩＴＯ導電体層３が連続して形成できることはデバイス基板の特性にとって大きな効果である。
（実施例２）
ＸＲＤによれば、図６（Ａ）に示すように、菱面体晶構造を有するＩＴＯ（ｒｈ−ＩＴＯ）に対応した（０００６）の回折ピーク、ｃ面のサファイア基板１に対応する回折ピーク（α−Ａｌ２Ｏ３（０００６））、緩衝層２に対応する菱面体晶構造を有する酸化ガリウムに対応するピーク（α−Ｇａ２Ｏ３（０００６））が確認できた。このことから、菱面体晶構造を有する酸化ガリウムからなる緩衝層２と、ＧａＮと格子整合する菱面体晶構造を有するＩＴＯからなる導電体層３と、が形成されていることが判った。透過光スペクトルは、図７に示すようになった。図７から、青色の波長帯域（４１５〜５００ｎｍ）における基体１０の透過率が８０％以上であることが判った。また、導電体層３のシート抵抗から算出した比抵抗は、２．４×１０−４Ω・ｃｍであった。従って、実施例２の導電体層３は前述の導電体層３を電極として機能させるため条件を満足していると言える。
ＸＲＤによれば、図６（Ａ）に示すように、菱面体晶構造を有するＩＴＯ（ｒｈ−ＩＴＯ）に対応した（０００６）の回折ピーク、ｃ面のサファイア基板１に対応する回折ピーク（α−Ａｌ２Ｏ３（０００６））、緩衝層２に対応する菱面体晶構造を有する酸化ガリウムに対応するピーク（α−Ｇａ２Ｏ３（０００６））が確認できた。このことから、菱面体晶構造を有する酸化ガリウムからなる緩衝層２と、ＧａＮと格子整合する菱面体晶構造を有するＩＴＯからなる導電体層３と、が形成されていることが判った。透過光スペクトルは、図７に示すようになった。図７から、青色の波長帯域（４１５〜５００ｎｍ）における基体１０の透過率が８０％以上であることが判った。また、導電体層３のシート抵抗から算出した比抵抗は、２．４×１０−４Ω・ｃｍであった。従って、実施例２の導電体層３は前述の導電体層３を電極として機能させるため条件を満足していると言える。
（比較例２）
ＸＲＤによれば、図６（Ｂ）に示すように、ｂｃｃ構造を有するＩＴＯ（ｂｃｃ−ＩＴＯ）に対応した（２２２）、（４００）の回折ピーク、ｃ面のサファイア基板１に対応する回折ピーク（α−Ａｌ２Ｏ３（０００６））のみが確認できた。但し、菱面体晶構造を有するＩＴＯ（ｒｈ−ＩＴＯ）に対応する回折ピークは確認できなかった。
ＸＲＤによれば、図６（Ｂ）に示すように、ｂｃｃ構造を有するＩＴＯ（ｂｃｃ−ＩＴＯ）に対応した（２２２）、（４００）の回折ピーク、ｃ面のサファイア基板１に対応する回折ピーク（α−Ａｌ２Ｏ３（０００６））のみが確認できた。但し、菱面体晶構造を有するＩＴＯ（ｒｈ−ＩＴＯ）に対応する回折ピークは確認できなかった。
実施例２、比較例２の評価結果から、緩衝層２が存在することにより、ｃ面のサファイア基板１の上方に、ＧａＮと格子整合する菱面体晶構造を有するＩＴＯを含む導電体層３が形成されると言える。
（実施例３）
ＸＲＤによれば、図８（Ａ）に示すように、菱面体晶構造を有するＩＴＯ（ｒｈ−ＩＴＯ）に対応した（１０−１２）の回折ピーク、ｒ面のサファイア基板１に対応する回折ピーク（α−Ａｌ２Ｏ３（１０−１２））、緩衝層２に対応する菱面体晶構造を有する酸化ガリウムに対応するピーク（α−Ｇａ２Ｏ３（１０−１２））が確認できた。このことから、菱面体晶構造を有する酸化ガリウムからなる緩衝層２と、ＧａＮと格子整合する菱面体晶構造を有するＩＴＯからなる導電体層３とが形成されていることが判った。導電体層３のシート抵抗から算出した比抵抗は、３．０×１０−４Ω・ｃｍであった。従って、実施例３の導電体層３は前述の導電体層３を電極として機能させるため条件を満足していると言える。
ＸＲＤによれば、図８（Ａ）に示すように、菱面体晶構造を有するＩＴＯ（ｒｈ−ＩＴＯ）に対応した（１０−１２）の回折ピーク、ｒ面のサファイア基板１に対応する回折ピーク（α−Ａｌ２Ｏ３（１０−１２））、緩衝層２に対応する菱面体晶構造を有する酸化ガリウムに対応するピーク（α−Ｇａ２Ｏ３（１０−１２））が確認できた。このことから、菱面体晶構造を有する酸化ガリウムからなる緩衝層２と、ＧａＮと格子整合する菱面体晶構造を有するＩＴＯからなる導電体層３とが形成されていることが判った。導電体層３のシート抵抗から算出した比抵抗は、３．０×１０−４Ω・ｃｍであった。従って、実施例３の導電体層３は前述の導電体層３を電極として機能させるため条件を満足していると言える。
（比較例３）
ＸＲＤによれば、図８（Ｂ）に示すように、ｂｃｃ構造を有するＩＴＯ（ｂｃｃ−ＩＴＯ）に対応した（４００）の回折ピーク、ｒ面のサファイア基板１に対応する回折ピーク（α−Ａｌ２Ｏ３（１０−１２））のみが確認できた。但し、菱面体晶構造を有するＩＴＯ（ｒｈ−ＩＴＯ）に対応する回折ピークは確認できなかった。即ち、緩衝層２が存在しない場合、ＧａＮと格子整合する菱面体晶構造を有するＩＴＯを含む導電体層３が形成されないことが判った。
ＸＲＤによれば、図８（Ｂ）に示すように、ｂｃｃ構造を有するＩＴＯ（ｂｃｃ−ＩＴＯ）に対応した（４００）の回折ピーク、ｒ面のサファイア基板１に対応する回折ピーク（α−Ａｌ２Ｏ３（１０−１２））のみが確認できた。但し、菱面体晶構造を有するＩＴＯ（ｒｈ−ＩＴＯ）に対応する回折ピークは確認できなかった。即ち、緩衝層２が存在しない場合、ＧａＮと格子整合する菱面体晶構造を有するＩＴＯを含む導電体層３が形成されないことが判った。
実施例３、比較例３の評価結果から、緩衝層２が存在することにより、ｒ面のサファイア基板１の上方に、ＧａＮと格子整合する菱面体晶構造を有するＩＴＯからなる導電体層３が形成されると言える。
なお、実施例１から３では、ｃ面、ｒ面のサファイア基板１を有する基体１０の例について説明したが、ａ面、ｍ面のサファイア基板１を用いても菱面体晶構造を有するＩＴＯからなる導電体層３を有する基体１０を得ることができると考えられる。例えばｃ面およびｒ面において格子整合度を算出すると、サファイア基板１のａ軸長は０．４７５４ｎｍであり菱面体晶構造を有するＩＴＯのａ軸長は０．５４８７ｎｍであるので、ｃ面、ｒ面のサファイア基板１表面と菱面体晶構造を有するＩＴＯとの間での格子不整合度は１５．４％である。これに対して、ａ面およびｍ面において格子整合度を算出すると、サファイア基板１のｃ軸長は１．２９８２ｎｍであり菱面体晶構造を有するＩＴＯのｃ軸長は１．４５１０ｎｍであるので、ａ面、ｍ面のサファイア基板１表面と菱面体晶構造を有するＩＴＯとの間での格子不整合度は１１．８％である。即ち、ａ面、ｍ面のサファイア基板１表面と菱面体晶構造を有するＩＴＯとの間での格子不整合度は、ｃ面、ｒ面のサファイア基板１表面と菱面体晶構造を有するＩＴＯとの間での格子不整合度に比べて小さい。これにより、菱面体晶構造を有するＩＴＯは、ｃ面、ｒ面のサファイア基板１上に比べて、ａ面、ｍ面のサファイア基板１上の方が容易に形成できると考えられる。従って、ａ面、ｍ面のサファイア基板１を用いても菱面体晶構造を有するＩＴＯからなる導電体層３を有する基体１０を得ることができる。
また、酸化物緩衝層２としてα−Ｇａ２Ｏ３を用いているが、α−Ａｌ２Ｏ３、α−Ｆｅ２Ｏ３、α−Ｃｒ２Ｏ３、α−Ｉｎ２Ｏ３を用いることもできる。
また、実施例に係る緩衝層２を積層する工程では、サファイア基板１を、反応容器４１内のサセプタ４３に載置してからヒータ４２により４５０℃に加熱された状態にし、導電体層３を積層する工程のいずれにおいても、サファイア基板１を反応容器４１内のサセプタ４３に載置してからヒータ４２により５００℃に加熱された状態にしているが、いずれも３００℃から１０００℃の間で設定できる。好ましくは、緩衝層２形成工程では３５０℃から７００℃に加熱された状態にし、導電体層３形成工程では４００℃から８００℃に加熱された状態に設定することができる。
本発明に係る基体は、発光素子、太陽電池、高周波デバイス、パワーデバイス等に好適である。
１：サファイア基板、２：緩衝層、３：導電体層、１０：基体、２１：ガス供給源、２３：流量計、３１：原料供給容器、３３：貯水容器、３５：超音波振動子、４１：反応容器、４２：ヒータ、４３：サセプタ、１００：発光素子、１０４：第１クラッド層、１０５：発光層、１０６：第２クラッド層、１０７：電極層、Ｐ１：第１ガス供給管、Ｐ２：第２ガス供給管、Ｐ３：排気管
Claims (4)
- サファイア基板と、
前記サファイア基板上に形成され、α−Ｃｒ２Ｏ ３ からなる緩衝層と、
前記緩衝層の上に形成され、菱面体晶構造を有するＩＴＯ（Indium Tin Oxide）からなる導電体層と、を備える、
基体。 - 前記サファイア基板は、結晶方位がｃ面、ｒ面、ａ面およびｍ面のうちのいずれか１つであり且つ厚さ方向における前記緩衝層側の面が平坦である、
請求項１に記載の基体。 - 前記サファイア基板は、結晶方位がｃ面であり且つ厚さ方向における前記緩衝層側の面に凹凸形状が形成されている、
請求項１に記載の基体。 - サファイア基板を準備する工程と、
ミストＣＶＤ法により、前記サファイア基板上に、α−Ｃｒ２Ｏ ３ からなる緩衝層を形成する工程と、
ミストＣＶＤ法により、前記緩衝層上に、菱面体晶構造を有するＩＴＯ（Indium Tin Oxide）からなる導電体層を形成する工程と、を含む、
基体の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2020078846A JP6890858B2 (ja) | 2015-11-11 | 2020-04-28 | 基体および基体の製造方法 |
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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