JPH09129651A - サファイア基板のサーマル・アニーリング方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】高品質の膜を成長させるためには、市販のサフ
ァイア基板の表面が非常に不均一なため問題がある。
そのために、滑らかで真直ぐな境界を含む適切に結晶配
列の整ったテラスを有するサファイア基板を提供する方
法と装置の提供。さらにその表面に結合した高品質半導
体のエピタキシアル・膜を効率よく成長させる方法の提
供。 【解決手段】本発明は、サファイア基板の表面を従来知
られた化学エッチング技法では直接作り出すことが出来
ない滑らかで真直ぐな境界を有する適切な結晶配列の整
ったテラスを含むように、サファイア基板を充分高い温
度でかつ充分長い間特別にアニールすることにより実現
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は発光デバイスとして使用
されるIII-Ｖ族化合物半導体デバイスの製造方法に関
し、より詳細にはそのデバイスの製造中エピタキシアル
・膜を成長させる前にサファイア基板をサーマル・アニ
ーリングすることを含む方法を対象とする。

【０００２】

【従来の技術】高品質のエピタキシアル・膜の成長は発
光デバイスの製造に重要である。米国特許第５３０６６
６２号において、ナカムラ他は、ＧａＮバッファ層を洗
浄したサファイア基板上にエピタキシアルに成長させる
ことを教示している。次いでそのＧａＮバッファ層上に
マグネシウムでドープしたＧａＮ層をエピタキシアルに
成長させる。上述の層を備える基板を次にアニール装置
に入れ、窒素雰囲気中で大気圧下摂氏８００度で２０分
間アニールする。エピタキシアル層をアニールすると幾
つかの利点が得られるが、既知の方法にはなお幾つかの
限界が残っている。

【０００３】一般に高品質の膜を成長させることは、市
販の基板の表面が非常に不均一なため問題がある。化学
エッチング剤や化学−機械的研磨を用いてサファイア基
板を表面研磨して調製すると、サファイア基板の表面に
引っ掻き傷や、ピット穴やその他の研磨による損傷など
の表面欠陥がランダムに出来る。そのような欠陥を修復
しないでおくと、基板上に成長させたエピタキシアル層
にランダムに欠陥が増大する。サファイア基板表面の欠
陥はランダムに望ましくない位置に核形成部分を発生さ
せるが、それは発光デバイスのエピタキシアル層の結晶
格子の望ましい均一な原子配列と相容れない。そのよう
な欠陥はLester他の論文「High dislocation densities
in high efficiency GaN-based light-emitting diode
s」、Applied Physics Letters，６６（１０）、（１９
９５年３月６日）で詳細に論じられている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】滑らかで真直ぐな境界
を含む適切に結晶配列の整ったテラスを有する、特別に
調整したサファイア基板の表面に結合した高品質半導体
のエピタキシアル・膜を効率よく成長させる方法が求め
られている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は発光デバイスと
して使用されるIII-Ｖ族化合物半導体デバイス、例え
ば、紫外線発光レーザ・ダイオード、青または緑色の発
光レーザ・ダイオード、紫外線発光ダイオード、あるい
は青または緑色の発光ダイオードの製造方法、より詳細
にはそのようなデバイスを製造する際にエピタキシアル
・膜を成長させる前にサファイア基板の新規なサーマル
・アニーリングを含む方法を提供する。本発明は、特別
にアニールしたサファイア基板と結合した高品質の半導
体エピタキシアル・膜を効率よく成長させることができ
て有利である。

【０００６】最初に準備したサファイア基板の表面を化
学的エッチング剤または化学−機械的研磨によって研磨
して調製すると、サファイア基板の表面に引っ掻き傷
や、ピット、その他研磨による損傷などの表面欠陥がラ
ンダムにできる。本発明は、サファイア基板の表面が、
従来知られた化学エッチング技法では直接作り出すこと
が出来ない滑らかで真直ぐな境界を有する明確な結晶配
列の整ったテラスを含むように、サファイア基板を充分
高い温度でかつ充分長い間特別にアニールする。結晶配
列の整ったテラスは高品質エピタキシアル・膜を成長さ
せるための望ましい整然とした核形成部分の配列を提供
することが学説となっている。

【０００７】本発明の他の態様及び利点は、以下の詳細
な説明を本発明の原理を例示する添付の図と併せ読めば
明らかになるであろう。

【０００８】

【実施例】図１は化学エッチング剤と化学−機械的研磨
法を使って表面を研磨し、調製した後の最初に準備する
代表的なサファイア・ウェーハ基板の顕微鏡写真であ
る。図１の顕微鏡写真は、後で述べる他の顕微鏡写真と
同様に、それぞれ原子間力顕微鏡検査法を用いて撮影さ
れ、水平のＸ軸の目盛が区画当り０．５ミクロン、垂直
のＺ軸の目盛が区画当りわずか５ｎｍである。図１に示
すように、表面の研磨及び調整によって引っ掻き傷、ピ
ットや、その他の研磨による損傷などの表面欠陥がラン
ダムにできた凸凹の表面が残る。本発明の方法の望まし
い実施例によると、図１のサファイア・ウェーハ基板の
表面欠陥は、発光デバイス製造の際にエピタキシアル・
膜を成長させる前にサファイア・ウェーハ基板の特別な
サーマル・アニーリングによって修復する。

【０００９】図１に示すサファイア・ウェーハ基板を温
度制御された高温オーブン内の既知のガス雰囲気中に置
く。サファイア基板を、サファイア基板の表面が滑らか
で真直ぐな境界を有する結晶配列の整った明確なテラス
を含むように、充分高い温度でかつ充分長い間特別にア
ニールする。例えば、サファイア・ウェーハ基板の温度
を摂氏１０００度（１０００℃）未満から上げていき、
約摂氏１１００度（１１００℃）ないし摂氏１７００度
（１７００℃）の範囲の高温に約半時間ないし約３日に
及ぶ時間維持し、その後サファイア・ウェーハ基板の温
度を下げることによって望ましいアニーリングと表面欠
陥の修復を行う。

【００１０】表面の引っ掻き傷の充分な修復と表面テラ
スの形成には、約１１００℃またはそれ以上のアニール
温度と約半時間かそれ以上のアニール時間が必要である
ことが学説となっている。約３日よりずっと長くアニー
ルしたり、約摂氏１７００度（１７００℃）よりずっと
高い温度でアニールすると処理が難しくなることが学説
となっている。

【００１１】本発明のアニール原理の第１の例として、
好適な実施例では最初に用意したサファイア・ウェーハ
基板の温度を上げ、その後約摂氏１２００度（１２００
℃）で２０パーセントの酸素と８０パーセントのアルゴ
ンからなる雰囲気中で約２時間保ち、その後温度を下げ
て図２の顕微鏡写真に示す表面を得る。第２の例とし
て、他の実施例では、最初に用意したサファイア・ウェ
ーハ基板の温度を上げ、その後空気中で約摂氏１６００
度（１６００℃）で１時間保ち、その後温度を下げて図
３の顕微鏡写真に示す表面を得る。

【００１２】図２及び図３に示すように、本発明によれ
ば、最初に用意したサファイア基板を、サファイア基板
の表面が滑らかで真直ぐな境界を有する結晶配列の揃っ
た明確なテラスを含むように、充分高い温度でかつ充分
長い間特別にアニールする。第１例及び第２例で用いた
ような酸化性雰囲気がテラスの形成速度を制御するのに
役立つことが学説になっている。

【００１３】更に本発明の教示によると、アニール時
間、温度、及び雰囲気を制御することによって表面テラ
スの高さが望み通りに制御され、ほぼ約０．２〜約２．
７ｎｍの範囲内の高さをもたらすことを理解されたい。
０．２ｎｍまたはそれ以上の高さが次のエピタキシアル
層の成長のための核形成部位を提供するので有利である
ことが学説になっている。更に以下により詳細に論じる
が、約２．７ｎｍの高さが、基板表面と結合すべき高品
質窒化ガリウム・エピタキシアル・膜の成長に特に有利
である

【００１４】図２に示す第１例の時間、温度、及び周囲
雰囲気では、垂直Ｚ軸と一致するサファイアの結晶軸
（Ｃ軸）に沿って配列するテラス即ち「階段」の高さは
約０．２３ｎｍである。これとは対照的に、図３に示す
第１例の時間、温度、及び周囲雰囲気では、垂直Ｚ軸と
一致するサファイアの結晶軸（Ｃ軸）に沿って配列する
テラス即ち「階段」の高さは約０．４７ｎｍである。図
４は制御された幾つかのテラス高さとそのアニール温度
の関係を表すグラフである。本発明の原理に従って空気
中で１時間種々の温度でアニールした異なる様々な基板
例のサファイア表面テラスの高さの結果が示されてい
る。

【００１５】サファイア表面テラスの高さがサファイア
の単位セルの整数倍の高さとほぼ一致するようにアニー
ルの時間、温度、及び周囲雰囲気を制御すると、欠陥の
少ない高品質のエピタキシアル・膜の成長に有利であ
り、エピタキシアル・膜の半導体材料の単位セルの整数
倍の高さとほぼ一致するようにアニールの時間、温度、
及び周囲雰囲気を制御するのも同様である。例えば、ア
ニールの時間、温度、及び周囲雰囲気を適当に制御する
と、約２．７ｎｍの高さのテラスが得られる。図５はサ
ファイアの２つの単位セルの合計高さとほぼ一致するほ
ぼ２．７ｎｍの高さｈを有するサファイア表面テラスの
詳細な断面図を表す説明図である。図５に示すように、
サファイア表面テラスの高さは、サファイア表面テラス
と結合される窒化ガリウム・エピタキシアル・膜の５つ
の単位セルの合計高さにほぼ等しくなっている。勿論、
単位の分別は概念的なものであって目に見えるものでは
ないが、図５ではこの概念的単位分割を示すために格子
線を引いてある。

【００１６】酸化性雰囲気中でのアニールが好適である
が、基板を充分な還元性雰囲気中でアニールしてサファ
イア表面テラスの化学量論比を制御することにより他の
利点が得られることを理解されたい。例えば、基板をア
ンモニア（ＮＨ3）または水素（Ｈ2）雰囲気中でアニー
ルすると、アルミニウムが多くなるようにサファイア表
面テラスの化学量論比が制御され、後続のエピタキシア
ル層の成長にとって有利である。

【００１７】図６は本発明の特別にアニールしたサファ
イア基板６０４の表面６０２のテラスに半導体エピタキ
シアル・膜を結合させた、好適な青色発光デバイス６０
０の単純化した断面図である。それぞれ一般式ＧａxＡ
ｌyＩｎzＮ（０＜ｘ，ｙ，ｚ＜１、かつｘ＋ｙ＋ｚ＝
１）によって表されるｎ型と、ｉ型またはｐ型のＧａＮ
シリーズIII−Ｖ族化合物半導体の多数のエピタキシア
ル・膜層が本発明の特別にアニールしたサファイア基板
の上に積み重ねられている。簡単にするために、図６に
はテラスは示していない。しかしテラスの例は本明細書
に先に論じた図２及び図３の顕微鏡写真に示されてい
る。

【００１８】特別にアニールされたサファイア基板上に
III−Ｖ族半導体を成長させる方法としては、有機金属
化学蒸着法（ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシ、水素化
物気相エピタキシ等いろいろある。例えば、ＭＯＣＶＤ
を用いる場合、反応ガス（トリメチル・ガリウム（ＴＭ
Ｇ）、トリメチル・インジウム（ＴＭＩ）、トリメチル
・アルミニウム（ＴＭＡ）など）として使用する有機金
属化合物ガスを、特別にアニールされたサファイア基板
を入れた反応容器中に導入する。その後、エピタキシア
ル成長温度を約摂氏９００度から摂氏１１００度に保っ
て、特別にアニールされたサファイア基板の上にIII−
Ｖ族半導体化合物のエピタキシアル・膜を成長させる。

【００１９】各膜の適当に制御された成長の間に、適当
な不純物ガスを供給することによって、ｎ型及びｐ型の
III−Ｖ族化合物半導体のエピタキシアル・膜の多層ス
タックが、特別にアニールされたサファイア基板と結合
して、紫外線発光レーザ・ダイオード、青色または緑色
の発光レーザ・ダイオード、紫外線発光ダイオード、青
色または緑色の発光ダイオード等の種々の発光デバイス
が得られる。

【００２０】図６に示した実施例においては、厚さ約４
ミクロンのＧａＮ６０６のエピタキシアル・膜を約摂氏
１０５０度で成長させ、シラン・ガスを用いてＧａＮ１
立方センチメートル当りシリコン原子１×１０19個のド
ーピング濃度にｎ型にドープする。その後、厚さ約１０
００から５００ｎｍのＡｌＧａＮ６０８のエピタキシア
ル・膜を約摂氏１０５０度（１０５０℃）で成長させ、
シランガスを用いてＡｌＧａＮ１立方センチメートル当
りシリコン原子約１×１０19個のドーピング濃度にｎ型
にドープする。

【００２１】その後、厚さ約１０００から５００ｎｍの
ＩｎＧａＮ６１０のエピタキシアル・膜を摂氏５００〜
８００度で成長させる。その後、厚さ約１０００から５
００ｎｍのＡｌＧａＮ６１２のエピタキシアル・膜を約
摂氏１０５０度で成長させ、ＡｌＧａＮ１立方センチメ
ートル当りマグネシウム原子約１×１０19個のドーピン
グ濃度にｐ型にドープする。その後、厚さ約１ミクロン
のＧａＮ６１４のエピタキシアル・膜を約摂氏１０５０
度で成長させ、ＧａＮ１立方センチメートル当りマグネ
シウム原子約１×１０19個のドーピング濃度にｐ型にド
ープする。適当にマスクし幾つかのエピタキシアル・膜
を通してエッチングして、ｎ型ＧａＮ膜層６０６を露出
させる。マスキングと適当な金属の蒸着によって、ｐ型
ＧａＮ膜層６１４及びｎ型ＧａＮ膜層６０６に結合した
電気接点６１６を得る。

【００２２】他の実施例においては、III−Ｖ族化合物
半導体のエピタキシアル・膜を高温度で付着する前に特
別にアニールされたサファイア基板上に約摂氏５００〜
６００度の低温で酸化亜鉛核形成層または他の適当な材
料の核形成層を形成する。酸化亜鉛は窒化ガリウム・エ
ピタキシアル・膜と有効に格子整合することが学説にな
っている。

【００２３】エピタキシアル層の成長前に本発明に提供
される特別にアニールされたサファイア基板を含む発光
デバイスを対象とする先行技術の教示は見当たらない
が、それに続くIII−Ｖ族化合物半導体のエピタキシア
ル・膜の成長に関する別の教示は、１９９４年４月２６
日にナカムラ他に認可された米国特許第５３０６６６２
号で論じられている。

【００２４】以上、本発明の実施例について詳述した
が、以下、本発明の各実施態様の例を示す。

【００２５】〔実施態様１〕一表面を有するサファイア
基板を用意する段階と、前記サファイア基板の表面が、
滑らかで真直ぐな境界を持つ結晶配列の揃った明確なテ
ラスを含むように、前記サファイア基板を充分高温で充
分長時間アニールする段階と、半導体材料のエピタキシ
アル・膜をアニール後の前記サファイア基板と結合させ
る段階と、を含む方法。

【００２６】〔実施態様２〕前記アニール段階が、前記
サファイア基板を約摂氏１１００度から１７００度の範
囲内の温度に約半時間から約３日に及ぶ範囲の時間で保
つ段階を含むことを特徴とする実施態様１に記載の方
法。

【００２７】〔実施態様３〕前記アニール段階が、前記
サファイア基板を約摂氏１２００度に約２時間保つ段階
を含むことを特徴とする実施態様２に記載の方法。

【００２８】〔実施態様４〕前記アニール段階が、前記
サファイア表面テラスの化学量論比を制御するため、前
記基板を充分に還元性雰囲気中で加熱する段階を含むこ
とを特徴とする実施態様１に記載の方法。

【００２９】〔実施態様５〕前記アニール段階が、前記
サファイア表面テラスの形成速度を制御するため、前記
基板を充分に酸化性雰囲気中で加熱する段階を含むこと
を特徴とする実施態様１に記載の方法。

【００３０】〔実施態様６〕前記アニール段階が、前記
サファイア基板を空気中で加熱する段階を含むことを特
徴とする実施態様１に記載の方法。

【００３１】〔実施態様７〕前記アニール段階が、アニ
ール中の時間、温度及び周囲雰囲気を制御することによ
って、前記サファイア表面テラスの高さを制御する段階
を含むことを特徴とする実施態様１に記載の方法。

【００３２】〔実施態様８〕前記アニール段階が、前記
サファイア表面テラスが約０．２ｎｍから約２．７ｎｍ
までの範囲の高さを持つように、アニール中の時間、温
度及び周囲雰囲気を制御する段階を含むことを特徴とす
る実施態様１に記載の方法。

【００３３】〔実施態様９〕前記アニール段階が、前記
サファイア表面テラスが前記サファイアの単位セルの整
数倍の高さとほぼ一致する高さになるように、アニール
中の時間、温度及び周囲雰囲気を制御する段階を含むこ
とを特徴とする実施態様１に記載の方法。

【００３４】〔実施態様１０〕前記アニール段階が、前
記サファイア表面テラスが前記エピタキシアル・膜の半
導体材料の単位セルの整数倍の高さとほぼ一致する高さ
になるように、アニール中の時間、温度及び周囲雰囲気
を制御する段階を含むことを特徴とする実施態様１に記
載の方法。

【００３５】〔実施態様１１〕滑らかで真直ぐな境界を
有する結晶配列の揃った適切なテラスを含む表面を有す
るアニールされた前記サファイア基板と、前記アニール
されたサファイア基板と結合した半導体材料のエピタキ
シアル・膜と、を備える装置。

【００３６】〔実施態様１２〕前記サファイア表面テラ
スが、約０．２ｎｍから約２．７ｎｍの範囲の高さであ
ることを特徴とする実施態様１１に記載の装置。

【００３７】〔実施態様１３〕前記サファイア表面テラ
スが、前記サファイアの単位セルの整数倍の高さとほぼ
一致する高さであることを特徴とする実施態様１１に記
載の装置。

【００３８】〔実施態様１４〕前記サファイア表面テラ
スが、前記エピタキシアル・膜の半導体材料の単位セル
の整数倍の高さにほぼ一致する高さであることを特徴と
する実施態様１１に記載の装置。

【００３９】

【発明の効果】以上のように、本発明はエピタキシアル
・膜の成長の前にサファイア基板の新規なサーマル・ア
ニーリングを含む発光デバイスとその製造法を提供す
る。本発明の特定の実施例について説明し、図示してき
たが、本発明はここに説明し図示した特定の形態や部品
配置に限定されるものではなく、本発明の範囲及び趣旨
から逸脱することなく種々の修正や変更が可能である。
したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲内で、こ
こに具体的に説明し図示した以外の形でも実施可能であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による方法の好適な実施例による最初に
準備したサファイア・ウェーハ基板の顕微鏡写真であ
る。

【図２】本発明による方法の好適な実施例に対応するア
ニール後の図１の基板の顕微鏡写真である。

【図３】本発明による方法の第二の実施例に対応する別
形態のアニール後の図１の基板の顕微鏡写真である。

【図４】制御されたテラス高さとそのアニール温度の関
係を表すグラフである。

【図５】サファイア表面のテラスの詳細な断面図を表す
説明図である。

【図６】半導体エピタキシアル・膜を本発明の特別にア
ニールしたサファイア表面テラスと結合させることを含
む好適な発光デバイスの簡略化した断面図である。

【符号の説明】

６００： 青色発光デバイス ６０２： 表面 ６０４： サファイア基板 ６０６： ｎ型ＧａＮ膜層 ６０８： ＡｌＧａＮ ６１０： ＩｎＧａＮ ６１２： ＡｌＧａＮ ６１４： ｐ型ＧａＮ膜層 ６１６： 電気接点

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ロナルド・ヒスクス アメリカ合衆国カリフォルニア州パロ・ア ルト、ウエーバーリー 3484

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】一表面を有するサファイア基板を用意する
   段階と、前記サファイア基板の表面が、滑らかで真直ぐ
   な境界を持つ結晶配列の揃った明確なテラスを含むよう
   に、前記サファイア基板を充分高温で充分長時間アニー
   ルする段階と、半導体材料のエピタキシアル・膜をアニ
   ール後の前記サファイア基板と結合させる段階と、を含
   む方法。