JP6925141B2 - 半導体基板、半導体発光素子および灯具 - Google Patents

Description

本発明は、半導体基板、半導体発光素子および灯具に関し、特にａ面ＧａＮ結晶層を備える半導体基板、半導体発光素子および灯具に関する。

照明用途に用いられる紫色から青色を発光するＬＥＤとしては、窒化ガリウム（ＧａＮ）系材料の化合物半導体が一般的に用いられている。近年になって、発光ダイオード（ＬＥＤ：Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）を用いた照明装置等が普及するにつれ、ＬＥＤチップの高輝度化が望まれるようになってきた。ＬＥＤを高輝度化するためには、電流密度を高くしても効率的に電子と正孔が発光再結合できるように、発光層の膜厚を厚くして発光層内部でのキャリア密度を下げる必要がある。

しかし、一般的に用いられているｃ面を主面とするＧａＮ系半導体材料では、ｃ軸方向にピエゾ電界が生じるため、厚膜化した発光層内に電位差が生じ電子と正孔が空間的に分離してしまい、発光再結合の効率が著しく低下してしまうドループ特性が問題となっている。

この問題を解決するため、非極性や半極性の面方位を主面としたＧａＮ系材料で発光層を形成することで、積層方向へのピエゾ電界の影響を無くして厚膜化を図り、大電流での発光を可能にする技術も提案されている。図８はサファイアやＧａＮなどの六方晶系材料の面方位を示す模式図である。図中（ａ）でハッチングを施した面がｃ面（０００１）であり、（ｂ）がａ面（１１−２０）であり、（ｃ）がｒ面（０１−１２）を示している。ここで、面方位を表す数値の前の「−」は数値の上にバーが付されることを表している。ＧａＮ系半導体層では、ｃ面に垂直なｃ軸方向にピエゾ電界が生じるため、ｃ軸に対して平行なａ面やｍ面は非極性面であり、ｒ面は半極性面となる。

特許文献１には、サファイア基板のｒ面上に有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法：ＭｅｔａｌＯｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）を用いてａ面ＧａＮ層を成長させる技術が開示されている。図９はｒ面サファイア基板とａ面ＧａＮ層との面方位の関係を示す模式図である。このように形成されたａ面ＧａＮ層を下地層として用い、ｎ型層と発光層とｐ型層とを順次成長させることで、発光層の主面をａ面として厚膜化とＬＥＤのドループ特性の改善を図ることができる。

特開２００８−２１４１３２号公報

しかし特許文献１に記載の技術では、ｒ面サファイア上に形成されるａ面ＧａＮについてＸ線ロッキングカーブ測定をすると、その半値幅（ＦＷＭＨ：ｆｕｌｌ ｗｉｄｔｈ ａｔ ｈａｌｆ ｍａｘｉｍｕｍ）の方向依存性が大きく、図９中のｃ軸方向からが最小でｍ軸方向からが最大となっている。これは、ａ面内で結晶に異方性があり対称性が悪いことを意味しており、ａ面ＧａＮ層の結晶品質が十分に良好とは言えなかった。一般的に、下地層であるａ面ＧａＮ層の結晶品質が悪いと、その上に成長されるｎ型層と発光層とｐ型層の結晶性も悪くなり、ＬＥＤの発光特性が悪化する。

そこで本発明は、上記従来の問題点に鑑みなされたものであり、結晶品質が良好なａ面ＧａＮ層を有する半導体基板、半導体発光素子および灯具を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の半導体基板は、ｒ面サファイア基板と、
前記ｒ面サファイア基板上に設けられたＡｌＮバッファ層と、前記ＡｌＮバッファ層上に設けられたａ面ＧａＮ結晶層を有し、前記ａ面ＧａＮ結晶層は、Ｘ線ロッキングカーブ測定での半値幅のａ面内角度依存性において、前記半値幅の最大値が最小値の１．６倍以下の範囲であり、前記半値幅の最大値が８００ａｒｃｓｅｃ以下であることを特徴とする。

このような本発明の半導体基板では、ａ面ＧａＮ層の結晶構造に面内異方性が小さく結晶性が良好であるため、ａ面ＧａＮ層を用いた半導体装置全体の結晶性が良好となり、良好な半導体特性を実現することができる。

また本発明の一態様では、前記Ｘ線ロッキングカーブ測定のピーク回折角度での理論値からの最大のずれが±３％以内である。

また本発明の一態様では、前記ＡｌＮバッファ層の厚みが５〜３００ｎｍの範囲である。

また本発明の一態様では、前記ＡｌＮバッファ層は、スパッタ法で形成されている。

また本発明の半導体発光素子は、上述した何れか１つに記載の半導体基板を用いる。

また本発明の半導体発光素子は、上述した何れか１つに記載の半導体基板を用いる。

また本発明の半導体基板の製造方法は、ｒ面サファイア基板上にスパッタ法を用いてＡｌＮバッファ層を形成する工程と、前記ＡｌＮバッファ層上にａ面ＧａＮ結晶層を成長する工程を有し、前記ａ面ＧａＮ結晶層は、Ｘ線ロッキングカーブ測定での半値幅のａ面内角度依存性において、前記半値幅の最大値が最小値の１．６倍以下の範囲であり、前記半値幅の最大値が８００ａｒｃｓｅｃ以下であることを特徴とする。

また本発明の一態様では、前記ａ面ＧａＮ結晶層を成長する工程は、ＭＯＣＶＤ法を用いる。

また本発明の一態様では、前記ＡｌＮバッファ層の厚みが５〜３００ｎｍの範囲である。

本発明では、結晶品質が良好なａ面ＧａＮ層を有する半導体基板、半導体発光素子および灯具を提供することができる。

第１実施形態における半導体基板を示す模式図である。 Ｘ線ロッキングカーブ測定の概略を示す模式図である。 φ＝＋９０°におけるＸ線回折強度分布を示すグラフである。 複数のＸ線入射方向角度φにおけるＸ線回折強度分布の半値幅（ＦＷＨＭ）を示すグラフである。 複数のＸ線入射方向角度φにおけるＸ線回折強度分布のピーク強度を示すグラフである。 複数のＸ線入射方向角度φにおけるピーク回折角度ωを示すグラフである。 第２実施形態の半導体装置であるＬＥＤ１０を示す模式断面図である。 サファイアやＧａＮなどの六方晶系材料の面方位を示す模式図である。 ｒ面サファイア基板とａ面ＧａＮ層との面方位の関係を示す模式図である。 ｒ面サファイア基板１上に形成されたＡｌＮバッファ層２の結晶品質を測定するｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ測定とｉｎ−ｐｌａｎｅ測定を説明する模式図である。 入射角θｉを変化させた場合のｉｎ−ｐｌａｎｅ測定プロファイルを示すグラフである。 数１を用いて計算したＡｌＮにおけるθｉとＤｄの関係を示すグラフである。 ＡｌＮバッファ層２の厚さを変えた場合のＸ線回折強度を示すグラフであり、図１３（Ａ）はｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ測定の結果を示すグラフであり、図１３（Ｂ）はｉｎ−ｐｌａｎｅ測定の結果を示すグラフである。 ＡｌＮバッファ層２の厚さｔｓとＸ線回折ピーク強度の関係を示すグラフであり、図１４（ａ）はｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ測定の結果を示し、図１４（ｂ）はｉｎ−ｐｌａｎｅ測定の結果を示している。 ｒ面サファイア基板１上にスパッタ法で形成されたＡｌＮバッファ層２の結晶配向を模式的に示すイメージ図であり、図１５（ａ）はＡｌＮバッファ層２が薄い場合を示し、図１５（ｂ）はＡｌＮバッファ層が中程度の厚さの場合を示し、図１５（ｃ）はＡｌＮバッファ層２が厚い場合を示している。 ＡｌＮバッファ層２の表面モフォロジを原子間力顕微鏡で観察したＡＦＭ像（□５００ｎｍ）を示す図面代用写真であり、図１６（ａ）はｔｓ＝３０ｎｍ、図１６（ｂ）はｔｓ＝６０ｎｍ、図１６（ｃ）はｔｓ＝９０ｎｍ、図１６（ｄ）はｔｓ＝１２０ｎｍ、図１６（ｅ）はｔｓ＝１８０ｎｍのものを示している。 ＡｌＮバッファ層２の表面モフォロジを原子間力顕微鏡で観察したＡＦＭ像（□５００ｎｍ）を示す図面代用写真であり、図１７（ａ）はｔｓ＝３０ｎｍのアニール処理前を示し、図１７（ｂ）はｔｓ＝３０ｎｍのアニール処理後を示し、図１７（ｃ）はｔｓ＝１２０ｎｍのアニール処理前を示し、図１７（ｄ）はｔｓ＝１２０ｎｍのアニール処理後を示している。 ａ面ＧａＮ層３の表面ＳＥＭ像を示す図面代用写真であり、図１８（ａ）はｔｓ＝３０ｎｍのＡｌＮバッファ層２上に形成した場合を示し、図１８（ｂ）はｔｓ＝１２０ｎｍのＡｌＮバッファ層２上に形成した場合を示している。

（第１実施形態）
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付すものとし、適宜重複した説明は省略する。

図１は、本発明の第１実施形態における半導体基板を示す模式図である。本実施形態の半導体基板は、六方晶のｒ面を主面とするｒ面サファイア基板１と、ｒ面サファイア基板１上に形成されたＡｌＮバッファ層２と、ＡｌＮバッファ層２上に形成されたａ面を主面とするａ面ＧａＮ層３を備えている。ここではｒ面サファイア基板１として傾斜角度が０度のジャスト基板を示したが、ｒ面を所定の面方位に数度傾斜させたオフ基板としてもよい。ＡｌＮバッファ層２の厚みとしては、厚くしすぎるとａ面ＧａＮ層３の結晶品質が低下するため５〜３００ｎｍの範囲が好ましく、５〜９０ｎｍの範囲がより好ましく、５〜３０ｎｍの範囲がさらに好ましい。

ＡｌＮバッファ層２はａ面ＧａＮ層３よりも薄いため、Ｘ線ロッキングカーブ測定で結晶品質を測定することは困難である。また、ＡｌＮバッファ層２はｒ面サファイア基板１とａ面ＧａＮ層３との格子定数の相違を緩和するための層であり、ＡｌＮバッファ層２自体の結晶性が重要であるとも言えない。また、下地層であるａ面ＧａＮ層３の結晶品質は、その上にエピタキシャル成長される半導体層に影響を及ぼし半導体装置の特性に重要であることから、本発明ではＡｌＮバッファ層２ではなくａ面ＧａＮ層３の結晶品質をＸ線ロッキングカーブ測定で測定する。

ａ面ＧａＮ層３において結晶性の面内異方性が大きいと、ａ面ＧａＮ層３よりも上に形成される各半導体層にも、ａ面ＧａＮ層３の面内異方性が影響を及ぼしてしまう可能性がある。半導体装置では、ａ面ＧａＮ層３の上にｎ型層、発光層、ｐ型層を形成したうえに、フォトリソグラフィーとエッチングにより所定の外形パターンと電極パターンを形成する。各半導体層においてａ面内での異方性が強いと、各層での電流特性や半導体特性に異方性が生じる可能性があるために好ましくない。また、各半導体層での異方性を考慮して素子構造を設計する必要があるため、外形パターンと電極パターンの設計自由度が低下してしまう。

本発明では、ｒ面サファイア基板１上へのＡｌＮバッファ層２の形成にスパッタ法を用い、従来から用いられているＭＯＣＶＤ法などによるエピタキシャル成長は用いない。これにより、ＡｌＮバッファ層２上に成長されるａ面ＧａＮ層３では、Ｘ線ロッキングカーブ (ＸＲＣ：Ｘ−ｒａｙ ＲｏｃｋｉｎｇＣｕｒｖｅ) 測定での半値幅のａ面内角度依存性において、半値幅の最大値が最小値の１．６倍以下の範囲となる。したがって、ａ面ＧａＮ層３はａ面内での異方性が小さく良好な結晶性である。

（実施例）
次に本実施形態の半導体基板の実施例について製造方法とともに説明する。まず、ｒ面を主面とするｒ面サファイア基板１を用意し、表面を洗浄した後にＲＦスパッタ装置の基板ホルダーにｒ面サファイア基板１を載置し、ターゲット材であるＡｌＮにｒ面を対向させる。次に、チャンバー内を真空ポンプで１０^−５Ｐａ以下の真空到達度とし、ｒ面サファイア基板１の表面温度が６００℃になるまで加熱する。

次に、チャンバー内にＡｒガスを５．０ｓｃｃｍ、Ｎ_２ガスを２０．０ｓｃｃｍの流量で供給し、ｒ面サファイア基板１を１０．０ｒｐｍで回転させながら、ＲＦ出力４００ＷでＡｌＮバッファ層２をｒ面サファイア基板１の主面上にスパッタで形成する。このとき、スパッターレートは０．０４１ｎｍ／ｓｅｃであり、形成されたＡｌＮバッファ層２の膜厚は２０ｎｍであった。

次に、ＡｌＮバッファ層２を形成したｒ面サファイア基板１をＭＯＣＶＤ装置のリアクタに載置し、キャリアガスとして水素、窒素を用い、Ｖ族原料としてアンモニア（ＮＨ_３）を用い、ＩＩＩ族原料としてＴＭＧ（ＴｒｉｍｅｔｈｙｌＧａｌｌｉｕｍ）を用いてａ面ＧａＮ層３を４５００ｎｍ成長させて実施例の半導体基板を得た。このとき、成長シーケンスは［表１］に示すような２段階で構成し、ステップ１とステップ２では成長温度を一定とし、リアクタ圧力とＶ／ＩＩＩ比および成長時間を変更している。

（比較例１）
次に、半導体基板の比較例１について説明する。まず、ｒ面を主面とするｒ面サファイア基板１を用意し、ＭＯＣＶＤ装置のリアクタに載置する。次に、キャリアガスとして水素、窒素を用い、Ｖ族原料としてアンモニア（ＮＨ_３）を用い、ＩＩＩ族原料としてＴＭＧ（ＴｒｉｍｅｔｈｙｌＧａｌｌｉｕｍ）を用いてａ面ＧａＮ層３を４５００ｎｍ成長させ、比較例１の半導体基板を得た。このとき、成長シーケンスは実施例と同様に［表１］に示した２段階構成とした。

比較例１は、ｒ面サファイア基板１上にＡｌＮバッファ層２を形成せず、直接ｒ面サファイア基板１上にａ面ＧａＮ基板を成長させている点が実施例と異なっている。

（比較例２）
次に、半導体基板の比較例２について説明する。まず、ｒ面を主面とするｒ面サファイア基板１を用意し、ＭＯＣＶＤ装置のリアクタに載置する。次に、キャリアガスとして水素、窒素を用い、Ｖ族原料としてアンモニア（ＮＨ_３）を用い、ＩＩＩ族原料としてＴＭＡ（Ｔｒｉｍｅｔｈｙｌａｌｕｍｉｎｉｕｍ）を用いてＡｌＮバッファ層を成長させる。次に、キャリアガスとして水素、窒素を用い、Ｖ族原料としてアンモニア（ＮＨ_３）を用い、ＩＩＩ族原料としてＴＭＧ（ＴｒｉｍｅｔｈｙｌＧａｌｌｉｕｍ）を用いてａ面ＧａＮ層３を４５００ｎｍ成長させ、比較例２の半導体基板を得た。このとき、成長シーケンスは実施例と同様に［表１］に示した２段階構成とした。

比較例２は、ｒ面サファイア基板１上にＡｌＮバッファ層をＭＯＣＶＤ法でエピタキシャル成長により形成する点が実施例と異なっている。

以上のようにして得られた半導体基板の実施例、比較例１、比較例２について、Ｘ線ロッキングカーブ測定での半値幅のａ面内角度依存性を測定した。図２は、Ｘ線ロッキングカーブ測定の概略を示す模式図である。図中では面方位を理解しやすくするために、ｒ面サファイア基板１とａ面ＧａＮ層３を各面で切断したように描いているが、両者とも半導体基板では板状および層状に形成されている。また、ＡｌＮバッファ層２は薄いため図２では図示を省略している。

Ｘ線ロッキングカーブ測定では、図２に示すようにａ面ＧａＮ層３のｃ軸方向をφ＝０°とし、ｍ軸方向をそれぞれφ＝±９０°とし、主面であるａ面にωの入射角度でＸ線を入射させ、回折により出射するＸ線の強度を測定する。ここで、ａ面ＧａＮ層でのＸ線回折におけるピーク角度の理論値（２θ）は５７．８°であるから、ω＝２θ／２＝２８．９°を中心として±１°の範囲で入射角を揺動させて測定した。また、ａ面内での結晶性を評価するために、ａ軸周りにφ＝±９０°、±６０°、±３０°、０°の７方向で測定を行った。ここでφ＝０°の方向を基準としてａ軸周りにＸ線を入射する方向を変化させているので、Ｘ線入射方向角度φと表記する。

図３は、φ＝＋９０°におけるＸ線回折強度分布を示すグラフである。ここでグラフ縦軸は検出されたＸ線の強度であり、各サンプルにおいてピーク回折角度を中心にしたときの角度差Δωを横軸にしている。ここでピーク回折角度ωとは、ａ面に対するＸ線の入射角度φを２８．９°を中心に±１°の範囲で揺動させて測定したときに、最大強度を観測した入射角度のことである。図３に示したようなＸ線回折強度分布が得られた場合に、ピーク強度の半分となる範囲が半値幅（ＦＷＨＭ）となる。

グラフ中に破線で示した分布が比較例１であり、一点鎖線で示した分布が比較例２であり、実線で示した分布が実施例である。Ｘ線回折強度分布では、ピーク強度が大きくＦＷＨＭが小さいほど結晶性が良好であると言えるため、図３に示した例では実施例が最も結晶性が良好であり、実施例１，２は実施例よりも結晶性が悪いことがわかる。

図４は、複数のＸ線入射方向角度φにおけるＸ線回折強度分布の半値幅（ＦＷＨＭ）を示すグラフである。グラフ中に□でプロットしたグラフが比較例１であり、○でプロットしたグラフが比較例２であり、△でプロットしたグラフが実施例である。また、図４に示した比較例１、比較例２、実施例の各Ｘ線入射方向角度φとＦＷＨＭの値を［表２］に示す。

図４および表２に示したように、比較例１、比較例２、実施例の何れにおいてもφ＝０°方向でＦＷＨＭの値が最小となり、φが−９０°と＋９０°に向かって大きくなっている。しかし、比較例１ではＦＷＨＭの最大値は最小値の約２．５倍にもなっており、半値幅のａ面内角度依存性が大きく結晶性が悪いことがわかる。比較例２でもＦＷＨＭの最大値は最小値の１．６倍よりも大きく、結晶性は十分に良好ではない。一方、実施例ではＦＷＨＭの最大値は最小値の１．６倍以下であり、全角度範囲において最小値の１．２倍以下に収まっている。

したがって、スパッタ法でＡｌＮバッファ層２を形成した実施例の半導体基板では、ＡｌＮバッファ層２が無い比較例１やＭＯＣＶＤ法でエピタキシャル成長させた比較例２よりもａ面ＧａＮ層３のａ面内での異方性が小さく良好な結晶性となっている。

図５は、複数のＸ線入射方向角度φにおけるＸ線回折強度分布のピーク強度を示すグラフである。図４と同様に、グラフ中に□でプロットしたグラフが比較例１であり、○でプロットしたグラフが比較例２であり、△でプロットしたグラフが実施例である。

比較例１では全ての角度φ方向で比較例２と実施例よりもピーク強度が小さく、またピーク強度の最大値は最小値の約２倍であり、ピーク強度のａ面内角度依存性が大きく結晶性が悪いことがわかる。比較例２ではφ＝０°と３０°では実施例よりもピーク強度が大きいが、ピーク強度の最大値は最小値の約１．５倍であり、ピーク強度のａ面内角度依存性が大きく結晶性は十分に良好ではない。一方、実施例ではピーク強度の最大値は最小値の約１．２５倍であり、φ＝±９０°でも０°との差が小さく、ピーク強度のａ面内角度依存性が小さく結晶性が良好なことがわかる。

比較例２では、φ＝０°の方向であるｃ軸方向では実施例よりもピーク強度が大きくなっているが、φ＝±６０°、±９０°では実施例よりもピーク強度が小さい。これは、ＭＯＣＶＤ法を用いたＡｌＮバッファ層２のエピタキシャル成長では、ｃ軸方向での結晶性は良好であるがｍ軸方向での結晶の配向は悪く、スパッタ法でＡｌＮバッファ層２を形成した実施例よりもａ面ＧａＮ層３のａ面内での異方性が大きくなってしまうことを意味している。よって、図５に示したＸ線回折強度分布のピーク強度からも、スパッタ法でＡｌＮバッファ層２を形成した実施例の半導体基板は、ＡｌＮバッファ層２が無い比較例１やＭＯＣＶＤ法でエピタキシャル成長させた比較例２よりも好ましいことがわかる。

図６は、複数のＸ線入射方向角度φにおけるピーク回折角度ωを示すグラフである。図４，５と同様に、グラフ中に□でプロットしたグラフが比較例１であり、○でプロットしたグラフが比較例２であり、△でプロットしたグラフが実施例である。上述したようにピーク回折角度とは、ａ面に対するＸ線の入射角度φを理論値２８．９°を中心に±１°の範囲で揺動させて測定したときに、最大強度を観測した入射角度のことである。また、図６に示した比較例１、比較例２、実施例の各Ｘ線入射方向角度φとピーク回折角度の値を［表３］に示す。

図６および表３に示したように、実施例ではφ＝−９０°で理論値からの最大のずれがΔω1＝−０．４７（−１．６２％）であり、ピーク回折角度のａ面内異方性が小さく、結晶性が良好であることがわかる。一方、比較例２ではφ＝−９０°で理論値からの最大のずれがΔω2＝０．８７°（３．０１％）であり、ピーク回折角度のａ面内異方性が大きく、結晶性が悪いことがわかる。また、比較例１でもφ＝０°で理論値からの最大のズレがΔω3＝−１．１４°（−３．９４％）であり、ピーク回折角度のａ面内異方性が大きく、結晶性が悪いことがわかる。このように、実施例ではＸ線入射方向角度φによらず、ピーク回折角度が理論値から２％以内に収まっており、比較例１，２よりも結晶性が良好である。

よって、図６に示したピーク回折角度ωからも、スパッタ法でＡｌＮバッファ層２を形成した実施例の半導体基板は、ＡｌＮバッファ層２が無い比較例１やＭＯＣＶＤ法でエピタキシャル成長させた比較例２よりも好ましいことがわかる。

以上に述べたように、Ｘ線回折強度分布の半値幅（ＦＷＨＭ）、ピーク強度、ピーク回折角度ωのいずれの観点からも、実施例が比較例１，２よりもａ面ＧａＮ層３のａ面内での異方性が小さく良好な結晶性となっている。したがって、スパッタ法でＡｌＮバッファ層２を形成した実施例の半導体基板は、ＡｌＮバッファ層２が無い比較例１やＭＯＣＶＤ法でエピタキシャル成長させた比較例２よりも結晶性が良好で好ましい。

また、スパッタ法でＡｌＮバッファ層２を形成する際には、Ａｌをターゲット材としてＮ_２及びＡｒガスを用いる反応性スパッタ法を採用してもよいが、上述した実施例のようにＡｌＮをターゲット材としてＡｒガスを用いることが好ましい。ターゲット材となるＡｌＮとしては単結晶基板であっても粉末焼体であってもよく、その状態や形態は限定されない。

反応性スパッタ法によりＡｌをターゲット材としてＮ_２及びＡｒガスを用いてＡｌＮバッファ層２を形成する場合には、ＡｌＮ膜の物理的な堆積プロセスに加えて、Ａｌターゲット材とＮ_２ガスの反応プロセスを考慮する必要がある。そのため反応性スパッタ法では、所望のＡｌＮバッファ層２を得るための成膜条件を適切に設定して制御する難易度が高くなる。特に、半導体基板の大面積化が進むと、基板表面の面内分布も考慮する必要があるためさらに難易度が高くなる。

一方、ＡｌＮをターゲット材としてＡｒガスを用いるスパッタ法によりＡｌＮバッファ層２を形成する場合には、Ａｌターゲット材とＮ_２の反応プロセスを考慮する必要が無く、Ａｒガス流量やチャンバー内の真空度等のパラメータを最適化するだけでよい。したがって、反応性スパッタ法でＡｌＮバッファ層２を形成するよりも、ＡｌＮをターゲット材としてＡｒガスを用いるスパッタ法を用いるほうが、ＡｌＮバッファ層２を形成する際の成膜条件の設定や制御が容易であり、大面積化にも対応が容易となる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図７を用いて説明する。図７は本実施形態の半導体装置であるＬＥＤ１０を示す模式断面図である。図７に示すようにＬＥＤ１０は、ｒ面サファイア基板１、ＡｌＮバッファ層２、ａ面ＧａＮ層３、ｎ型半導体層４、発光層５、ｐ型半導体層６、ｎ側電極７、ｐ側電極８を有している。

第１実施形態と同様に、ｒ面サファイア基板１を用意し、スパッタ法でＡｌＮバッファ層２をｒ面サファイア基板１上に形成し、ＭＯＣＶＤ法でａ面ＧａＮ層３をＡｌＮバッファ層２上にエピタキシャル成長する。続いて、ＭＯＣＶＤ法でｎ型半導体層４、発光層５、ｐ型半導体層６を順次成長して半導体基板を得る。

次に、所定のマスクパターンを用いてフォトリソグラフィーとエッチングによりｐ型半導体層６と発光層５の一部を除去してｎ型半導体層４の一部を露出させる。次に、ｎ型半導体層４とｐ型半導体層６の露出面に蒸着等により電極材料を形成し、ダイシングして個別チップ化することでＬＥＤ１０を得る。

ここではｎ型半導体層４、ｐ型半導体層６をそれぞれ単層で説明したが、それぞれ材料や組成の異なる複数の層を含んでいるとしてもよく、例えば、ｎ型半導体層４とｐ型半導体層６にクラッド層、コンタクト層、電流拡散層、電子ブロック層、導波路層などを含めてもよい。また、発光層５も単層で説明したが、多重量子井戸構造（ＭＱＷ：Ｍｕｌｔｉ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）などの複数層で構成してもよい。

ｎ型半導体層４は、ａ面ＧａＮ層３上にエピタキシャル成長され、ａ面を主面とするｎ型不純物がドープされた半導体層であり、ｎ側電極７から電子が注入されて発光層５に電子を供給する層である。ｎ型半導体層４を構成する材料は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層としては、例えばＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮなどが挙げられ、ｎ型不純物としてはＳｉなどが挙げられる。

発光層５は、ｎ型半導体層４上にエピタキシャル成長され、ａ面を主面とする半導体層であり、層内で電子と正孔が発光再結合することでＬＥＤ１０が発光する。発光層は、ｎ型半導体層４とｐ型半導体層６よりもバンドギャップが小さい材料で構成されており、例えばＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮなどが挙げられる。発光層５は意図的に不純物を含まないノンドープとしてもよく、ｎ型不純物を含むｎ型やｐ型不純物を含むｐ型としてもよい。発光層５は、ａ面を主面とする半導体層なので、厚膜化してもピエゾ電界による電子と正孔の空間的な分離は生じにくく、電流密度を高くしても効率的に電子と正孔が発光再結合できる。

ｐ型半導体層６は、発光層５上にエピタキシャル成長され、ａ面を主面とする半導体層であり、ｐ側電極８から正孔が注入されて発光層５に正孔を供給する層である。ｐ型半導体層６を構成する材料は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層としては、例えばＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮなどが挙げられ、ｐ型不純物としてはＺｎやＭｇなどが挙げられる。

本実施の形態でも、ＬＥＤ１０はｒ面サファイア基板１上にスパッタ法でＡｌＮバッファ層２を形成し、ａ面ＧａＮ層３を下地層としてｎ型半導体層４、発光層５、ｐ型半導体層６をエピタキシャル成長している。したがって、第１実施形態で述べたようにａ面ＧａＮ層３はａ面内での異方性が小さく良好な結晶性となっており、その上に成長されたｎ型半導体層４、発光層５、ｐ型半導体層６もａ面内での異方性が小さく良好な結晶性となる。これにより、ｎ型半導体層４、発光層５、ｐ型半導体層６の特性も良好になり、ＬＥＤ１０の外部量子効率の向上などが見込まれる。

（第３実施形態）
本発明の半導体装置であるＬＥＤ１０は、上述したようにピエゾ電界によるドループが少なく、且つａ面内での異方性が小さく良好な結晶品質であることから高輝度化を実現できるので、車両用灯具などの灯具に用いることでチップ数の低減や高出力化を図ることが可能となる。

（第４実施形態）
第２実施形態では、ＬＥＤ１０としてｒ面サファイア基板１とＡｌＮバッファ層２を含めた構造のものを示したが、基板裏面側から研磨やエッチング、レーザーアブレーションなどの技術を用いて、ｒ面サファイア基板１とＡｌＮバッファ層２を除去するとしてもよい。また、ｒ面サファイア基板１を除去した側にｎ側電極７を設け、ｐ側電極８とｎ側電極７とを対向させてもよい。

さらに、半導体装置はＬＥＤに限定されず、半導体レーザや高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ：Ｈｉｇｈ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等の他の用途であってもよい。

ａ面ＧａＮ層３は、ｒ面サファイア基板１上にスパッタ法でＡｌＮバッファ層２を形成し、その上にエピタキシャル成長したものである。したがってａ面ＧａＮ層３は、Ｘ線ロッキングカーブ測定でのａ面内角度依存性において、半値幅の最大値が最小値の１．６倍以下の範囲であり、ピーク強度の最大値は最小値の約１．３倍以下の範囲であり、ピーク回折角度が理論値から２％以内という特性があり、ａ面内での異方性が小さく良好な結晶性となっている。これによりａ面ＧａＮ層３より上に成長される半導体層の結晶性も良好なものであり、様々な半導体特性の向上が見込まれる。

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について図１０〜図１８を用いて説明する。本実施形態では、ｒ面サファイア基板１上にスパッタ法を用いてＡｌＮバッファ層２を形成し、１６００℃でアニール処理を施した後の厚さと結晶品質について検討を行った。図１０は、ｒ面サファイア基板１上に形成されたＡｌＮバッファ層２の結晶品質を測定するｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ測定とｉｎ−ｐｌａｎｅ測定を説明する模式図である。

図１０に示すように、ｒ面サファイア基板１上に堆積させたＡｌＮバッファ層２は、積層方向でサファイアのｒ軸方向とＡｌＮの（１１−２０）方向とが平行となり、面内方向でサファイアの（１１−２０）方向とＡｌＮの（１−１００）方向とが平行となる関係を満たすように配向する。図１０に示したように、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ測定ではＡｌＮバッファ層２の積層方向の結晶配向情報を取得し、ｉｎ−ｐｌａｎｅ測定ではＡｌＮバッファ層２の面内方向の結晶配向情報を取得する。

ｉｎ−ｐｌａｎｅ測定では、入射角度θｉを変化させることでサンプル最表面から深さ方向に対してＸ線の侵入深さを調整することが可能である。図１１は、入射角θｉを変化させた場合のｉｎ−ｐｌａｎｅ測定プロファイルを示すグラフである。ＡｌＮバッファ層２の厚さｔｓ＝３０ｎｍとしたサンプルを用い、θｉ＝０．２３度の測定結果を実線で示し、θｉ＝０．３０度の測定結果を破線で示している。グラフ横軸は回折角度２θｘを示し、グラフ縦軸はＸ線強度を示している。

θｉ＝０．２３度の場合には、２θｘが３３度と７０度の付近にｍ面ＡｌＮの（ｎ−ｎ００）面（ｎ＝１，２）に起因する回折ピークが観測されているが、ＡｌＮのその他の結晶面方位やサファイアに起因する回折ピークは観測されない。θｉ＝０．３０度の場合には、２θｘが３３度と７０度のｍ面ＡｌＮに起因する回折ピークに加えて、２θｘが３７度と８２度の付近にサファイア（ｎｎ−２ｎ０）面に起因する回折ピークも観測される。このようにｉｎ−ｐｌａｎｅ測定では、θｉを小さくすることでｒ面サファイア基板１の情報を含まないＡｌＮバッファ層２のみのプロファイルを得ることができる。

θｉとＸ線のサンプル最表面からの侵入深さ（検出可能深さＤｄ）の関係は、次に示す数式から見積もることが可能である。ここで、λはＸ線波長、θｃはＡｌＮの臨界角度、μはＸ線の線吸収係数である。

[数１]
Ｄｄ＝１／（２^１／２・２π・λ^―１・ｆ（θｉ））
ただし、ｆ（θｉ）＝［｛（θｃ^２−θｉ^２）^２＋４β^２｝^１／２＋θｃ^２−θｉ^{２］１／２}
β＝λμ／（４π）

図１２は、数１を用いて計算したＡｌＮにおけるθｉとＤｄの関係を示すグラフである。グラフ横軸はＸ線入射角度θｉを示し、グラフ縦軸は検出可能深さＤｄを示している。図１２に示すように、検出可能深さＤｄ＝１０ｎｍとして最表面から１０ｎｍ程度の情報を得るためには、入射角度θｉを０．２３度とすればよいことがわかる。

図１３は、ＡｌＮバッファ層２の厚さを変えた場合のＸ線回折強度を示すグラフであり、図１３（Ａ）はｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ測定の結果を示すグラフであり、図１３（Ｂ）はｉｎ−ｐｌａｎｅ測定の結果を示すグラフである。両グラフでは、ＡｌＮバッファ層２の厚さをそれぞれ（ａ）ｔｓ＝３０ｎｍ，（ｂ）ｔｓ＝６０ｎｍ，（ｃ）ｔｓ＝９０ｎｍ，（ｄ）ｔｓ＝１８０ｎｍとした場合をプロットしている。また、図１３（Ｂ）に示したｉｎ−ｐｌａｎｅ測定では、θｉ＝０．２３度とし各膜厚に対してＡｌＮバッファ層２の最表面から１０ｎｍの結晶情報を比較している。

図１４は、ＡｌＮバッファ層２の厚さｔｓとＸ線回折ピーク強度の関係を示すグラフであり、図１４（ａ）はｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ測定の結果を示し、図１４（ｂ）はｉｎ−ｐｌａｎｅ測定の結果を示している。図１４（ａ）（ｂ）のグラフ横軸はスパッタ法で形成したＡｌＮバッファ層２の厚さｔｓを示し、図１４（ａ）のグラフ縦軸はＡｌＮ（１１−２０）のＸ線回折ピーク強度を示し、図１４（ｂ）のグラフ縦軸はＡｌＮ（１−１００）のＸ線回折ピーク強度を示している。

図１３（Ａ）および図１４（ａ）に示したｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ測定のプロファイルでは、ＡｌＮ（１１−２０）の回折ピーク強度は、ＡｌＮバッファ層２の厚さｔｓが増加するに従って増大する傾向がある。これは、厚さｔｓの増加に伴って回折に寄与する体積が増えたものと考えられる。図１３（Ｂ）および図１４（ｂ）に示したｉｎ−ｐｌａｎｅ測定のプロファイルでは、ＡｌＮ（１−１００）の回折ピーク強度は、ＡｌＮバッファ層２の厚さｔｓが増加するに従って減少している。

これは、ＡｌＮバッファ層２の厚さｔｓが増加するに伴って面内結晶配向性が低下しているためと思われる。つまり、ｒ面サファイア基板１上にスパッタ法で形成したＡｌＮバッファ層２では、厚さｔｓが比較的薄い場合には図１０に示したサファイア（１１−２０）方向とＡｌＮ（１−１００）方向の関係が支配的であったが、厚さｔｓの増加によってこの関係性が崩壊していると思われる。

図１５は、ｒ面サファイア基板１上にスパッタ法で形成されたＡｌＮバッファ層２の結晶配向を模式的に示すイメージ図であり、図１５（ａ）はＡｌＮバッファ層２が薄い場合を示し、図１５（ｂ）はＡｌＮバッファ層が中程度の厚さの場合を示し、図１５（ｃ）はＡｌＮバッファ層２が厚い場合を示している。図１５の下段はｒ面サファイア基板１上に形成されたＡｌＮバッファ層２の積層構造を示し、上段はＡｌＮグレインの向きと表面モフォロジを示している。図１５に示すように、ＡｌＮバッファ層２の厚さｔｓが増加すると、面内でのＡｌＮグレインの向きがランダムな配向になっていると考えられる。これは、図１３に示したグラフでＡｌＮの他の回折ピークが観測されず、ｔｓが増加してもサファイアとＡｌＮの新たな面内関係（例えばサファイア（１１−２０）とＡｌＮ（０００２）のような関係）が形成されているわけではないことから理解できる。

図１６は、ＡｌＮバッファ層２の表面モフォロジを原子間力顕微鏡で観察したＡＦＭ像（□５００ｎｍ）を示す図面代用写真であり、図１６（ａ）はｔｓ＝３０ｎｍ、図１６（ｂ）はｔｓ＝６０ｎｍ、図１６（ｃ）はｔｓ＝９０ｎｍ、図１６（ｄ）はｔｓ＝１２０ｎｍ、図１６（ｅ）はｔｓ＝１８０ｎｍのものを示している。図１６（ａ）（ｂ）に示したＡｌＮバッファ層２が比較的薄いｔｓ＝３０ｎｍ，６０ｎｍでは、ＡｌＮのｍ軸方向に伸びたグレインがある程度均一に形成されている。図１６（ｃ）に示したｔｓ＝９０ｎｍでは、図中矢印で示したようにグレインの均一性に乱れが生じはじめ、図１６（ｄ）に示したｔｓ＝１２０ｎｍではさらに均一性の乱れが増大する。さらに、最も厚い図１６（ｅ）のｔｓ＝１８０ｎｍでは、グレインが凝集している。

次に、ＭＯＣＶＤ装置を用いて、ＡｌＮバッファ層２上にＧａＮ層を４μｍエピタキシャル成長させた。ＭＯＣＶＤ法によるＧａＮ層の成長条件を表４に示す。このとき、成長シーケンスは表４に示すような２段階で構成し、１回目のＧａＮ成長と２回目のＧａＮ成長では成長温度を一定とし、リアクタ圧力とＶ／ＩＩＩ比および成長時間を変更している。

図１７は、ＡｌＮバッファ層２の表面モフォロジをの原子間力顕微鏡で観察したＡＦＭ像（□５００ｎｍ）を示す図面代用写真であり、図１７（ａ）はｔｓ＝３０ｎｍのアニール処理前を示し、図１７（ｂ）はｔｓ＝３０ｎｍのアニール処理後を示し、図１７（ｃ）はｔｓ＝１２０ｎｍのアニール処理前を示し、図１７（ｄ）はｔｓ＝１２０ｎｍのアニール処理後を示している。ＡｌＮバッファ層２が比較的薄いｔｓ＝３０ｎｍの図１７（ｂ）では、アニール処理後にＡｌＮのｍ軸方向に伸びたグレインがある程度均一に形成されている。ＡｌＮバッファ層２が比較的厚いｔｓ＝１２０ｎｍの図１７（ｄ）では、図中矢印で示したようにグレインの均一性に乱れが生じている。

図１８は、ａ面ＧａＮ層３の表面ＳＥＭ像を示す図面代用写真であり、図１８（ａ）はｔｓ＝３０ｎｍのＡｌＮバッファ層２上に形成した場合を示し、図１８（ｂ）はｔｓ＝１２０ｎｍのＡｌＮバッファ層２上に形成した場合を示している。図１８（ａ）では、ＡｌＮバッファ層２の面内配向および表面モフォロジが良好なため、ａ面ＧａＮ層３の表面状態が良好であり、Ｘ線回折による結晶面方位の測定でも良好なａ面ＧａＮ層３が形成されていた。一方図１８（ｂ）では、ＡｌＮバッファ層２の面内配向に乱れが生じ表面モフォロジも悪化しているため、ＧａＮ層の表面モフォロジは良好ではなく、Ｘ線回折による結晶面方位の測定結果は多結晶ＧａＮであった。

図１８（ａ）（ｂ）に示したように、ＡｌＮバッファ層２の厚さｔｓが増加して面内配向性が悪化すると、ＡｌＮバッファ層２上に形成するａ面ＧａＮ層３の結晶性も悪化する。したがって、図１４および図１６に示したように、ｒ面サファイア基板１上にスパッタ法で形成したＡｌＮバッファ層２の厚さは、面内配向性が良好なｔｓ＝９０ｎｍ以下の範囲とすることが好ましい。さらに好ましくは、ｔｓ＝３０ｎｍ以下の範囲とすることが好ましい。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

１…ｒ面サファイア基板
２…ＡｌＮバッファ層
３…ａ面ＧａＮ層
４…ｎ型半導体層
５…発光層
６…ｐ型半導体層
７…ｎ側電極
８…ｐ側電極
１０…ＬＥＤ

Claims (9)

1. ｒ面サファイア基板と、
   前記ｒ面サファイア基板上に設けられたＡｌＮバッファ層と、
   前記ＡｌＮバッファ層上に設けられたａ面ＧａＮ結晶層を有し、
   前記ａ面ＧａＮ結晶層は、Ｘ線ロッキングカーブ測定での半値幅のａ面内角度依存性において、前記半値幅の最大値が最小値の１．６倍以下の範囲であり、
   前記半値幅の最大値が８００ａｒｃｓｅｃ以下であることを特徴とする半導体基板。
2. 請求項１に記載の半導体基板であって、
   前記Ｘ線ロッキングカーブ測定のピーク回折角度での理論値からの最大のずれが±３％以内であることを特徴とする半導体基板。
3. 請求項１または２に記載の半導体基板であって、
   前記ＡｌＮバッファ層の厚みが５〜３００ｎｍの範囲であることを特徴とする半導体基板。
4. 請求項１から３の何れか１つに記載の半導体基板であって、
   前記ＡｌＮバッファ層は、スパッタ法で形成されていることを特徴とする半導体基板。
5. 請求項１から４の何れか１つに記載の半導体基板を用いた半導体発光素子。
6. 請求項５に記載の半導体発光素子を用いた灯具。
7. ｒ面サファイア基板上にスパッタ法を用いてＡｌＮバッファ層を形成する工程と、
   前記ＡｌＮバッファ層上にａ面ＧａＮ結晶層を成長する工程を有し、
   前記ａ面ＧａＮ結晶層は、Ｘ線ロッキングカーブ測定での半値幅のａ面内角度依存性において、前記半値幅の最大値が最小値の１．６倍以下の範囲であり、
   前記半値幅の最大値が８００ａｒｃｓｅｃ以下であることを特徴とする半導体基板の製造方法。
8. 請求項７に記載の半導体基板の製造方法であって、
   前記ａ面ＧａＮ結晶層を成長する工程は、ＭＯＣＶＤ法を用いることを特徴とする半導体基板の製造方法。
9. 請求項７または８に記載の半導体基板の製造方法であって、
   前記ＡｌＮバッファ層の厚みが５〜３００ｎｍの範囲であることを特徴とする半導体基板の製造方法。
   

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