JPH09312417A - ３族窒化物半導体基板及び素子の製造方法 - Google Patents
３族窒化物半導体基板及び素子の製造方法Info
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- JPH09312417A JPH09312417A JP15027096A JP15027096A JPH09312417A JP H09312417 A JPH09312417 A JP H09312417A JP 15027096 A JP15027096 A JP 15027096A JP 15027096 A JP15027096 A JP 15027096A JP H09312417 A JPH09312417 A JP H09312417A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】結晶性の良い３族窒化物半導体基板を得ること
及び３族窒化物半導体素子の特性を改良すること。 【解決手段】サファイア基板１の表面に0.05μｍのAlN
バッファ層２０、膜厚約100 μｍ、電子濃度2 ×1018/c
m3のGaN 層２００、サファイア基板１の裏面に0.05μｍ
のAlN バッファ層３０、膜厚約100 μｍ、電子濃度2 ×
1018/cm3のGaN 層３００を形成する。その後、GaN 層３
００、バッファ層３０、サファイア基板１、バッファ層
２０を機械研磨により除去して、GaN 基板２００を得
る。このGaN基板２００に、３族窒化物半導体を積層し
て、発光ダイオードを得る。GaN の単結晶基板が得られ
るために、高い特性の素子を得ることができる。
及び３族窒化物半導体素子の特性を改良すること。 【解決手段】サファイア基板１の表面に0.05μｍのAlN
バッファ層２０、膜厚約100 μｍ、電子濃度2 ×1018/c
m3のGaN 層２００、サファイア基板１の裏面に0.05μｍ
のAlN バッファ層３０、膜厚約100 μｍ、電子濃度2 ×
1018/cm3のGaN 層３００を形成する。その後、GaN 層３
００、バッファ層３０、サファイア基板１、バッファ層
２０を機械研磨により除去して、GaN 基板２００を得
る。このGaN基板２００に、３族窒化物半導体を積層し
て、発光ダイオードを得る。GaN の単結晶基板が得られ
るために、高い特性の素子を得ることができる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は３族窒化物半導体を
用いた半導体素子の製造方法に関する。特に、３族窒化
物半導体基板とその基板上に形成された半導体発光素子
の製造方法に関する。
用いた半導体素子の製造方法に関する。特に、３族窒化
物半導体基板とその基板上に形成された半導体発光素子
の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、青色や短波長領域の発光素子の材
料としてAlGaInN 系の化合物半導体を用いたものが知ら
れている。その化合物半導体は直接遷移型であることか
ら発光効率が高いこと、光の３原色の１つである青色及
び緑色を発光色とすること等から注目されている。
料としてAlGaInN 系の化合物半導体を用いたものが知ら
れている。その化合物半導体は直接遷移型であることか
ら発光効率が高いこと、光の３原色の１つである青色及
び緑色を発光色とすること等から注目されている。
【０００３】最近、AlGaInN 系半導体においても、Mgを
ドープして電子線を照射したり、熱処理によりｐ型化で
きることが明らかになった。この結果、従来のｎ層と半
絶縁層（ｉ層）とを接合させたMIS 型構造に換えて、図
９に示すようなダブルヘテロ構造あるいは単一量子井戸
構造の発光ダイオード５０が知られている。即ち、サフ
ァイア基板１の上に、順次、AlN のバッファ層２、GaN
のｎ+ 層３、GaN のｎ層４、In0.08Ga0.92N の活性層
５、Al0.08Ga0.92N のｐ層６、GaN のコンタクト層７、
電極層８、９を形成したものである。
ドープして電子線を照射したり、熱処理によりｐ型化で
きることが明らかになった。この結果、従来のｎ層と半
絶縁層（ｉ層）とを接合させたMIS 型構造に換えて、図
９に示すようなダブルヘテロ構造あるいは単一量子井戸
構造の発光ダイオード５０が知られている。即ち、サフ
ァイア基板１の上に、順次、AlN のバッファ層２、GaN
のｎ+ 層３、GaN のｎ層４、In0.08Ga0.92N の活性層
５、Al0.08Ga0.92N のｐ層６、GaN のコンタクト層７、
電極層８、９を形成したものである。
【０００４】このような従来の発光ダイオード５０はサ
ファイア基板１上に有機金属化合物気相成長法あるいは
分子線成長法等により、AlGaInN 系半導体をエピタキシ
ャル成長することにより形成される。
ファイア基板１上に有機金属化合物気相成長法あるいは
分子線成長法等により、AlGaInN 系半導体をエピタキシ
ャル成長することにより形成される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】ところが、常に、サフ
ァイア基板を付けた状態で使用される上記の発光ダイオ
ードは、電極の取付け構造に制約がある。即ち、サファ
イアが絶縁体であるため、ｐ層とｎ層をサンドウィッチ
構造に両側から挟み込むように電極を採り付けることが
できない。従って、両電極は、最上層の側にする必要が
あり、下層に位置するｎ層に対する電極を形成するため
には、上にある半導体層に穴を形成する工程が余分に必
要になる。又、この電極構造では、電流は下層の面に平
行に注入されるため抵抗が大きくなる。従って、この部
分での電圧降下が大きくなると共にジュール熱の発熱量
が大きくなるという問題点がある。
ァイア基板を付けた状態で使用される上記の発光ダイオ
ードは、電極の取付け構造に制約がある。即ち、サファ
イアが絶縁体であるため、ｐ層とｎ層をサンドウィッチ
構造に両側から挟み込むように電極を採り付けることが
できない。従って、両電極は、最上層の側にする必要が
あり、下層に位置するｎ層に対する電極を形成するため
には、上にある半導体層に穴を形成する工程が余分に必
要になる。又、この電極構造では、電流は下層の面に平
行に注入されるため抵抗が大きくなる。従って、この部
分での電圧降下が大きくなると共にジュール熱の発熱量
が大きくなるという問題点がある。
【０００６】更に、上記発光ダイオードは、サファイア
基板上に異種物質のAlGaInN 系半導体を積層させるため
に、AlGaInN 系半導体とサファイア基板の格子定数や熱
膨張係数が異なることから種々の問題が発生する。第１
に、サファイア基板上に形成されたAlGaInN 系半導体に
は、格子不整合による結晶欠陥が多数存在する。その結
果、発光層における発光効率を低下させたり、素子の劣
化を速めて信頼性を低下させていた。第２に、AlGaInN
系半導体とサファイア基板とでは、熱膨張係数が異な
る。この結果、素子作製時には、高温でのエピタキシャ
ル成長後の降温過程において素子内部に熱応力が発生す
る。この熱応力は、AlGaInN 系半導体内に結晶欠陥やク
ラックを誘発し、素子の電気特性を悪化させたり歩留り
を大きく減じる原因となり、好ましくない。
基板上に異種物質のAlGaInN 系半導体を積層させるため
に、AlGaInN 系半導体とサファイア基板の格子定数や熱
膨張係数が異なることから種々の問題が発生する。第１
に、サファイア基板上に形成されたAlGaInN 系半導体に
は、格子不整合による結晶欠陥が多数存在する。その結
果、発光層における発光効率を低下させたり、素子の劣
化を速めて信頼性を低下させていた。第２に、AlGaInN
系半導体とサファイア基板とでは、熱膨張係数が異な
る。この結果、素子作製時には、高温でのエピタキシャ
ル成長後の降温過程において素子内部に熱応力が発生す
る。この熱応力は、AlGaInN 系半導体内に結晶欠陥やク
ラックを誘発し、素子の電気特性を悪化させたり歩留り
を大きく減じる原因となり、好ましくない。
【０００７】従って、理想的には、AlGaInN 系半導体の
基板としては、２つの電極が発光層を挟むように形成で
きるように、導電性を有し、しかも、格子定数や熱膨張
係数がAlGaInN 系半導体とほぼ一致している材料、即
ち、AlGaInN 系半導体が望ましい。
基板としては、２つの電極が発光層を挟むように形成で
きるように、導電性を有し、しかも、格子定数や熱膨張
係数がAlGaInN 系半導体とほぼ一致している材料、即
ち、AlGaInN 系半導体が望ましい。
【０００８】しかし実際には、基板として利用できる程
大きなAlGaInN 系半導体のバルク単結晶の作製は、構成
元素の窒素の平衡蒸気圧が極めて高いため、困難であ
る。このことを解決するための方法として、特開平７−
２０２２６５号公報に記載のものが知られている。即
ち、その方法は、サファイア基板上に酸化亜鉛（ZnO)か
らなるバッファ層を形成し、その層の上にAlGaInN 層を
成長させ、その後に、ZnOのみをエッチングする溶液を
用いて湿式エッチングすることによりZnO を化学的に除
去することで、AlGaInN 層をサファイア基板から剥離し
て、AlGaInN 基板を得る方法である。
大きなAlGaInN 系半導体のバルク単結晶の作製は、構成
元素の窒素の平衡蒸気圧が極めて高いため、困難であ
る。このことを解決するための方法として、特開平７−
２０２２６５号公報に記載のものが知られている。即
ち、その方法は、サファイア基板上に酸化亜鉛（ZnO)か
らなるバッファ層を形成し、その層の上にAlGaInN 層を
成長させ、その後に、ZnOのみをエッチングする溶液を
用いて湿式エッチングすることによりZnO を化学的に除
去することで、AlGaInN 層をサファイア基板から剥離し
て、AlGaInN 基板を得る方法である。
【０００９】しかしながら、この方法ではバッファ層は
湿式エッチングにより化学的に除去できるが格子不整合
の大きいZnO 等の材料に限られる。一方、サファイア基
板上に結晶欠陥などの少ない高品質のAlGaInN 結晶を得
るには、バッファ層の材料には、例えば、AlN やGaN が
最適である。しかし、AlN やGaN は、化学的に除去が困
難なため、バッファ層を除去してAlGaInN 単結晶基板を
得るという方法におけるバッファ層には用いることがで
きない。
湿式エッチングにより化学的に除去できるが格子不整合
の大きいZnO 等の材料に限られる。一方、サファイア基
板上に結晶欠陥などの少ない高品質のAlGaInN 結晶を得
るには、バッファ層の材料には、例えば、AlN やGaN が
最適である。しかし、AlN やGaN は、化学的に除去が困
難なため、バッファ層を除去してAlGaInN 単結晶基板を
得るという方法におけるバッファ層には用いることがで
きない。
【００１０】よって本発明は、結晶性の高い高品質の３
族窒化物半導体の基板やその半導体を用いた高特性の素
子を容易に得ることを目的とする。
族窒化物半導体の基板やその半導体を用いた高特性の素
子を容易に得ることを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、半導
体または絶縁体からなる基板の両面に、それぞれ少なく
とも１層の３族窒化物半導体(AlxGaYIn1-X-YN; 0≦X ≦
1, 0≦Y ≦1, 0≦X+Y≦1)を有する半導体層を形成する
第１の工程と、基板および基板の一方の側に形成した半
導体層を機械的に除去して、３族窒化物半導体(AlxGaYI
n1-X-YN; 0≦X≦1, 0≦Y ≦1, 0≦X+Y ≦1)からなる半
導体基板を得る第２の工程とを有することを特徴とす
る。
体または絶縁体からなる基板の両面に、それぞれ少なく
とも１層の３族窒化物半導体(AlxGaYIn1-X-YN; 0≦X ≦
1, 0≦Y ≦1, 0≦X+Y≦1)を有する半導体層を形成する
第１の工程と、基板および基板の一方の側に形成した半
導体層を機械的に除去して、３族窒化物半導体(AlxGaYI
n1-X-YN; 0≦X≦1, 0≦Y ≦1, 0≦X+Y ≦1)からなる半
導体基板を得る第２の工程とを有することを特徴とす
る。
【００１２】又、請求項２の発明は、上記の第１の工程
と第２の工程を経て得られた３族窒化物半導体(AlxGaYI
n1-X-YN; 0≦X ≦1, 0≦Y ≦1, 0≦X+Y ≦1)からなる半
導体基板上に少なくとも１層の３族窒化物半導体(AlxGa
YIn1-X-YN; 0≦X ≦1, 0≦Y≦1, 0≦X+Y ≦1)からなる
素子層を形成する第３の工程を有することを特徴とする
３族窒化物半導体素子の製造方法である。
と第２の工程を経て得られた３族窒化物半導体(AlxGaYI
n1-X-YN; 0≦X ≦1, 0≦Y ≦1, 0≦X+Y ≦1)からなる半
導体基板上に少なくとも１層の３族窒化物半導体(AlxGa
YIn1-X-YN; 0≦X ≦1, 0≦Y≦1, 0≦X+Y ≦1)からなる
素子層を形成する第３の工程を有することを特徴とする
３族窒化物半導体素子の製造方法である。
【００１３】請求項３、４の発明は、第１の工程を、基
板の裏面における３族窒化物半導体層の形成と、基板の
表面における３族窒化物半導体層の形成とを交互に繰り
返すことで厚さを得ることを特徴とする。又、請求項５
の発明は、半導体基板の裏面に第１の電極を形成し、素
子層の最上層に第２の電極を形成して、素子層を活性層
を含むダブルヘテロ接合としたことを特徴とする。又、
請求項６、７の発明は、半導体基板の厚さを５０〜５０
０μｍとしたことを特徴とする。
板の裏面における３族窒化物半導体層の形成と、基板の
表面における３族窒化物半導体層の形成とを交互に繰り
返すことで厚さを得ることを特徴とする。又、請求項５
の発明は、半導体基板の裏面に第１の電極を形成し、素
子層の最上層に第２の電極を形成して、素子層を活性層
を含むダブルヘテロ接合としたことを特徴とする。又、
請求項６、７の発明は、半導体基板の厚さを５０〜５０
０μｍとしたことを特徴とする。
【００１４】
【発明の作用及び効果】上記の基板製造方法によればバ
ッファ層として化学的なエッチングが困難なAlN やGaN
な等の材料を用いた場合においても、AlGaInN 系半導体
基板を容易に作製でき、結晶欠陥などの少ない高品質の
AlGaInN 系半導体基板を得ることができる。さらにその
上にAlGaInN 系半導体からなる素子層を形成すること
で、基板と素子層との格子定数や熱膨張係数がほぼ一致
することになり、素子層における結晶欠陥密度を著しく
減少させることができ、高特性の素子を実現することが
できる。又、基板の裏面における３族窒化物半導体層の
形成と、基板の表面における３族窒化物半導体の形成と
を交互に繰り返して３族窒化物半導体層の厚さを得るこ
とにより、そりの小さい３族窒化物半導体基板を得るこ
とができる。
ッファ層として化学的なエッチングが困難なAlN やGaN
な等の材料を用いた場合においても、AlGaInN 系半導体
基板を容易に作製でき、結晶欠陥などの少ない高品質の
AlGaInN 系半導体基板を得ることができる。さらにその
上にAlGaInN 系半導体からなる素子層を形成すること
で、基板と素子層との格子定数や熱膨張係数がほぼ一致
することになり、素子層における結晶欠陥密度を著しく
減少させることができ、高特性の素子を実現することが
できる。又、基板の裏面における３族窒化物半導体層の
形成と、基板の表面における３族窒化物半導体の形成と
を交互に繰り返して３族窒化物半導体層の厚さを得るこ
とにより、そりの小さい３族窒化物半導体基板を得るこ
とができる。
【００１５】素子として発光素子を形成した場合には、
発光効率を大きく向上させることができると共に素子の
劣化も防止することができる。又、半導体基板の裏面に
第１の電極、素子層の最上層に第２の電極を形成して、
素子層を活性層を含むヘテロ接合に構成できるので、電
流を基板に垂直な方向に流すことができる。よって、抵
抗を小さくでき電圧降下が小さくなるとともにジュール
熱の発熱量が小さくなる。したがって、上記の半導体基
板上に素子層を形成し、基板の裏面と最上の素子層に電
極を形成した発光素子では、駆動電圧の低減が可能で発
光効率も高く、素子の劣化が小さく素子寿命の極めて長
い素子を実現することができる。
発光効率を大きく向上させることができると共に素子の
劣化も防止することができる。又、半導体基板の裏面に
第１の電極、素子層の最上層に第２の電極を形成して、
素子層を活性層を含むヘテロ接合に構成できるので、電
流を基板に垂直な方向に流すことができる。よって、抵
抗を小さくでき電圧降下が小さくなるとともにジュール
熱の発熱量が小さくなる。したがって、上記の半導体基
板上に素子層を形成し、基板の裏面と最上の素子層に電
極を形成した発光素子では、駆動電圧の低減が可能で発
光効率も高く、素子の劣化が小さく素子寿命の極めて長
い素子を実現することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】以下、本発明を具体的な実施例に
基づいて説明する。なお本発明は下記実施例に限定され
るものではない。本発明の製造方法を用いて、図１に示
す構造の発光ダイオード１０を製造した。図１におい
て、発光ダイオード１０は膜厚約100 μｍ、電子濃度1
×1018/cm3のGaN 基板２００を有しており、そのGaN 基
板２００の上には、順に、膜厚約2.5 μｍ、電子濃度2
×1018/cm3のシリコン(Si)ドープGaN から成る高キャリ
ア濃度ｎ+ 層３、膜厚約0.5 μｍ、電子濃度 5×1017/c
m3のシリコン(Si)ドープの (Alx1Ga1-X1)y1In1-y1Nから
成るｎ層４、膜厚約0.05μｍ、(Alx2Ga1-x2)y2In1-y2N
から成る活性層５，膜厚約1.0 μｍ、ホール濃度5 ×10
17/cm3のマグネシウム（Mg) ドープの(Alx3Ga1-x3)y3In
1-y3N から成るｐ層６、膜厚約0.2 μｍ、ホール濃度7
×1017/cm3のマグネシウム（Mg) ドープのGaN から成る
コンタクト層７が形成されている。更にコンタクト層７
に接続する金属電極８と、GaN 基板２００に接続する金
属電極９とが形成されている。
基づいて説明する。なお本発明は下記実施例に限定され
るものではない。本発明の製造方法を用いて、図１に示
す構造の発光ダイオード１０を製造した。図１におい
て、発光ダイオード１０は膜厚約100 μｍ、電子濃度1
×1018/cm3のGaN 基板２００を有しており、そのGaN 基
板２００の上には、順に、膜厚約2.5 μｍ、電子濃度2
×1018/cm3のシリコン(Si)ドープGaN から成る高キャリ
ア濃度ｎ+ 層３、膜厚約0.5 μｍ、電子濃度 5×1017/c
m3のシリコン(Si)ドープの (Alx1Ga1-X1)y1In1-y1Nから
成るｎ層４、膜厚約0.05μｍ、(Alx2Ga1-x2)y2In1-y2N
から成る活性層５，膜厚約1.0 μｍ、ホール濃度5 ×10
17/cm3のマグネシウム（Mg) ドープの(Alx3Ga1-x3)y3In
1-y3N から成るｐ層６、膜厚約0.2 μｍ、ホール濃度7
×1017/cm3のマグネシウム（Mg) ドープのGaN から成る
コンタクト層７が形成されている。更にコンタクト層７
に接続する金属電極８と、GaN 基板２００に接続する金
属電極９とが形成されている。
【００１７】次に、この構造の半導体素子の製造方法に
ついて説明する。上記発光ダイオード１０は、有機金属
気相成長法（以下ＭＯＶＰＥと示す）による気相成長に
より製造された。用いられたガスは、アンモニア(NH3)
、キャリアガス（H2）、トリメチルガリウム(Ga(C
H3)3)（以下「TMG 」と記す) 、トリメチルアルミニウ
ム(Al(CH3)3)（以下「TMA 」と記す) 、トリメチルイン
ジウム(In(CH3)3)（以下「TMI 」と記す) 、シラン(SiH
4)とジエチル亜鉛(Zn(C2H5)2( 以下「DEZ 」と記す) と
シクロペンタジエニルマグネシウム(Mg(C5H5)2)(以下
「CP2Mg 」と記す）である。
ついて説明する。上記発光ダイオード１０は、有機金属
気相成長法（以下ＭＯＶＰＥと示す）による気相成長に
より製造された。用いられたガスは、アンモニア(NH3)
、キャリアガス（H2）、トリメチルガリウム(Ga(C
H3)3)（以下「TMG 」と記す) 、トリメチルアルミニウ
ム(Al(CH3)3)（以下「TMA 」と記す) 、トリメチルイン
ジウム(In(CH3)3)（以下「TMI 」と記す) 、シラン(SiH
4)とジエチル亜鉛(Zn(C2H5)2( 以下「DEZ 」と記す) と
シクロペンタジエニルマグネシウム(Mg(C5H5)2)(以下
「CP2Mg 」と記す）である。
【００１８】まず、有機洗浄及び熱処理により洗浄した
ａ面を主面とする単結晶のサファイア基板１をM0VPE 装
置の反応室に載置されたサセプタに、裏面を上にして装
着する。次に、常圧でH2を流速2 liter/分で約30分間反
応室に流しながら温度1100℃でサファイア基板１を気相
エッチングした。
ａ面を主面とする単結晶のサファイア基板１をM0VPE 装
置の反応室に載置されたサセプタに、裏面を上にして装
着する。次に、常圧でH2を流速2 liter/分で約30分間反
応室に流しながら温度1100℃でサファイア基板１を気相
エッチングした。
【００１９】次に、温度を 400℃まで低下させて、H2を
20 liter／分、NH3 を10 liter／分、TMA を 1.8×10-5
モル／分で約90秒間供給して、図２に示すように、AlN
の裏面バッファ層３０が約0.05μｍの厚さに形成され
た。次に、サファイア基板１の温度を1150℃に保持し、
H2を20 liter／分、NH3 を10 liter／分、TMG を 1.7×
10-4モル／分、H2ガスにより0.86ppm に希釈されたシラ
ンを10×10-8モル／分で約7 分間導入し、図２に示すよ
うに、電子濃度1 ×1018/cm3、膜厚約４μｍの裏面GaN
層３１を形成した。次に裏面GaN 層３１の上にプラズマ
ＣＶＤ法によりSiO2層４０を0.15μｍの厚さに形成し、
最終的に、図２に示すような構造を得た。
20 liter／分、NH3 を10 liter／分、TMA を 1.8×10-5
モル／分で約90秒間供給して、図２に示すように、AlN
の裏面バッファ層３０が約0.05μｍの厚さに形成され
た。次に、サファイア基板１の温度を1150℃に保持し、
H2を20 liter／分、NH3 を10 liter／分、TMG を 1.7×
10-4モル／分、H2ガスにより0.86ppm に希釈されたシラ
ンを10×10-8モル／分で約7 分間導入し、図２に示すよ
うに、電子濃度1 ×1018/cm3、膜厚約４μｍの裏面GaN
層３１を形成した。次に裏面GaN 層３１の上にプラズマ
ＣＶＤ法によりSiO2層４０を0.15μｍの厚さに形成し、
最終的に、図２に示すような構造を得た。
【００２０】次に、上記試料を再度M0VPE 装置の反応室
に載置されたサセプタに、今度は表面を上にして装着す
る。続いて、常圧でH2を流速2 liter/分で反応室に流し
ながら温度1100℃でサファイア基板１を気相エッチング
した。次に、温度を400 °C まで低下させて、H2を20 l
iter／分、NH3 を10 liter／分、TMA を 1.8×10-5モル
／分で約90秒間供給して、図３に示すように、AlN バッ
ファ層２０が約0.05μｍの厚さに形成された。次に、サ
ファイア基板１の温度を1150℃に保持し、H2を20 liter
／分、NH3 を10 liter／分、TMG を 1.7×10-4モル／
分、H2ガスにより0.86ppm に希釈されたシランを10×10
-8モル／分で約7分導入し、膜厚約4 μｍ、電子濃度1
×1018/cm3のGaN 層２１を形成し、図３に示すような構
造を得た。
に載置されたサセプタに、今度は表面を上にして装着す
る。続いて、常圧でH2を流速2 liter/分で反応室に流し
ながら温度1100℃でサファイア基板１を気相エッチング
した。次に、温度を400 °C まで低下させて、H2を20 l
iter／分、NH3 を10 liter／分、TMA を 1.8×10-5モル
／分で約90秒間供給して、図３に示すように、AlN バッ
ファ層２０が約0.05μｍの厚さに形成された。次に、サ
ファイア基板１の温度を1150℃に保持し、H2を20 liter
／分、NH3 を10 liter／分、TMG を 1.7×10-4モル／
分、H2ガスにより0.86ppm に希釈されたシランを10×10
-8モル／分で約7分導入し、膜厚約4 μｍ、電子濃度1
×1018/cm3のGaN 層２１を形成し、図３に示すような構
造を得た。
【００２１】次にSiO2層４０をエッチングにより除去し
た後、GaN 層２１の上にプラズマＣＶＤ法によりSiO2層
４１を0.15μｍの厚さに形成した。上記試料を再度M0VP
E 装置の反応室に装着し温度1500℃で、H2を20 liter／
分、NH3 を10 liter／分、TMG を1.7 ×10-5モル／分、
H2ガスにより0.86ppm に希釈されたシランを10×10-8モ
ル／分で約35分間導入し、裏面GaN 層３１の上に、電子
濃度1 ×1018/cm3、膜厚約20μｍの裏面GaN 層３２を形
成し、図４に示すような構造を得た。
た後、GaN 層２１の上にプラズマＣＶＤ法によりSiO2層
４１を0.15μｍの厚さに形成した。上記試料を再度M0VP
E 装置の反応室に装着し温度1500℃で、H2を20 liter／
分、NH3 を10 liter／分、TMG を1.7 ×10-5モル／分、
H2ガスにより0.86ppm に希釈されたシランを10×10-8モ
ル／分で約35分間導入し、裏面GaN 層３１の上に、電子
濃度1 ×1018/cm3、膜厚約20μｍの裏面GaN 層３２を形
成し、図４に示すような構造を得た。
【００２２】更に、SiO2層４１をエッチングにより除去
した後、裏面GaN 層３２の上にプラズマＣＶＤ法により
SiO2層４２を0.15μｍの厚さに形成した。上記試料を再
度M0VPE 装置の反応室に載置されたサセプタに装着し、
温度1150℃で、H2を20 liter／分、NH3 を10 liter／
分、TMG を1.7 ×10-4モル／分、H2ガスにより0.86ppm
に希釈されたシランを10×10-8モル／分で約35分間導入
し、GaN 層２１の上に、電子濃度1 ×1018/cm3、膜厚約
20μｍのGaN 層２２を形成し、図５に示すような構造を
得た。
した後、裏面GaN 層３２の上にプラズマＣＶＤ法により
SiO2層４２を0.15μｍの厚さに形成した。上記試料を再
度M0VPE 装置の反応室に載置されたサセプタに装着し、
温度1150℃で、H2を20 liter／分、NH3 を10 liter／
分、TMG を1.7 ×10-4モル／分、H2ガスにより0.86ppm
に希釈されたシランを10×10-8モル／分で約35分間導入
し、GaN 層２１の上に、電子濃度1 ×1018/cm3、膜厚約
20μｍのGaN 層２２を形成し、図５に示すような構造を
得た。
【００２３】このように順次、GaN 層および裏面GaN 層
の結晶成長サイクルを５回繰り返していくことによっ
て、図６に示すように、サファイア基板の裏面には裏面
AlN バッファ層３０を介して電子濃度1 ×1018/cm3、膜
厚約100 μｍの裏面GaN 層３００、サファイア基板の表
面にはAlN バッファ層２０を介して電子濃度1 ×1018/c
m3、膜厚約100 μｍのGaN 層２００が形成された。
の結晶成長サイクルを５回繰り返していくことによっ
て、図６に示すように、サファイア基板の裏面には裏面
AlN バッファ層３０を介して電子濃度1 ×1018/cm3、膜
厚約100 μｍの裏面GaN 層３００、サファイア基板の表
面にはAlN バッファ層２０を介して電子濃度1 ×1018/c
m3、膜厚約100 μｍのGaN 層２００が形成された。
【００２４】次に、上記試料をダイアモンド砥粒を用い
た機械研磨、それに続いてアルカリ性のコロイダルシリ
カ砥粒を用いたメカノケミカルポリッシングにより、裏
面GaN 層３００、裏面AlN バッファ層３０、サファイア
基板１、AlN バッファ層２０を除去し、図７に示すよう
に電子濃度1 ×1018/cm3、膜厚約100 μｍのGaN 基板２
００が形成された。
た機械研磨、それに続いてアルカリ性のコロイダルシリ
カ砥粒を用いたメカノケミカルポリッシングにより、裏
面GaN 層３００、裏面AlN バッファ層３０、サファイア
基板１、AlN バッファ層２０を除去し、図７に示すよう
に電子濃度1 ×1018/cm3、膜厚約100 μｍのGaN 基板２
００が形成された。
【００２５】上記GaN 基板２００をM0VPE 装置の反応室
に載置されたサセプタに装着し、温度1150℃で、H2を20
liter／分、NH3 を10 liter／分、TMG を 1.7×10-4モ
ル／分、H2ガスにより0.86ppm に希釈されたシランを20
×10-8モル／分で40分導入し、膜厚約2.5 μｍ、電子濃
度2 ×1018/cm3のシリコン(Si)ドープGaN 層から成る高
キャリア濃度ｎ+ 層３を形成した。
に載置されたサセプタに装着し、温度1150℃で、H2を20
liter／分、NH3 を10 liter／分、TMG を 1.7×10-4モ
ル／分、H2ガスにより0.86ppm に希釈されたシランを20
×10-8モル／分で40分導入し、膜厚約2.5 μｍ、電子濃
度2 ×1018/cm3のシリコン(Si)ドープGaN 層から成る高
キャリア濃度ｎ+ 層３を形成した。
【００２６】上記の高キャリア濃度ｎ+ 層３を形成した
後、続いて温度を1150℃に保持し、N2又はH2を10 liter
／分、NH3 を10 liter／分、TMG を1.12×10-4モル／
分、H2ガスにより0.86ppm に希釈されたシランを1 ×10
-8モル／分で7 分導入し、膜厚約0.5 μｍ、電子濃度5
×1017/cm3のシリコンドープ(Si)ドープGaN 層から成る
ｎ層４を形成した。
後、続いて温度を1150℃に保持し、N2又はH2を10 liter
／分、NH3 を10 liter／分、TMG を1.12×10-4モル／
分、H2ガスにより0.86ppm に希釈されたシランを1 ×10
-8モル／分で7 分導入し、膜厚約0.5 μｍ、電子濃度5
×1017/cm3のシリコンドープ(Si)ドープGaN 層から成る
ｎ層４を形成した。
【００２７】続いて、温度を 850℃に保持し、N2又はH2
を20 liter／分、NH3 を10 liter／分、TMG を1.53×10
-4モル／分、TMI を0.02×10-4モル／分で、H2で0.86pp
m に希釈されたシランを10×10-8モル/ 分、DEZ を2 ×
10-4モル／分で、 7分間導入し、膜厚約0.05μｍのIn
0.08Ga0.92N から成る活性層５を形成した。
を20 liter／分、NH3 を10 liter／分、TMG を1.53×10
-4モル／分、TMI を0.02×10-4モル／分で、H2で0.86pp
m に希釈されたシランを10×10-8モル/ 分、DEZ を2 ×
10-4モル／分で、 7分間導入し、膜厚約0.05μｍのIn
0.08Ga0.92N から成る活性層５を形成した。
【００２８】続いて、温度を1100℃に保持し、N2又はH2
を20 liter／分、NH3 を10 liter／分、TMG を1.12×10
-4モル／分、TMA を0.47×10-4モル／分、及び、CP2Mg
を2×10-4モル／分で60分間導入し、膜厚約1.0 μｍの
マグネシウム(Mg)ドープのAl0.08Ga0.92N から成るｐ層
６を形成した。ｐ層６のマグネシウム濃度は1 ×1020/c
m3である。この状態では、ｐ層６は、まだ、抵抗率108
Ωcm以上の絶縁体である。次に、温度を1100℃に保持
し、N2又はH2を20 liter／分、NH3 を10 liter／分、TM
G を1.12×10-4モル／分、及び、CP2Mg を2 ×10-4モル
／分で 4分間導入し、膜厚約0.2 μｍのマグネシウム(M
g)ドープのGaN から成るコンタクト層７を形成した。コ
ンタクト層７のマグネシウム濃度は2 ×1020/cm3であ
る。この状態では、コンタクト層７は、まだ、抵抗率10
8 Ωcm以上の絶縁体である。
を20 liter／分、NH3 を10 liter／分、TMG を1.12×10
-4モル／分、TMA を0.47×10-4モル／分、及び、CP2Mg
を2×10-4モル／分で60分間導入し、膜厚約1.0 μｍの
マグネシウム(Mg)ドープのAl0.08Ga0.92N から成るｐ層
６を形成した。ｐ層６のマグネシウム濃度は1 ×1020/c
m3である。この状態では、ｐ層６は、まだ、抵抗率108
Ωcm以上の絶縁体である。次に、温度を1100℃に保持
し、N2又はH2を20 liter／分、NH3 を10 liter／分、TM
G を1.12×10-4モル／分、及び、CP2Mg を2 ×10-4モル
／分で 4分間導入し、膜厚約0.2 μｍのマグネシウム(M
g)ドープのGaN から成るコンタクト層７を形成した。コ
ンタクト層７のマグネシウム濃度は2 ×1020/cm3であ
る。この状態では、コンタクト層７は、まだ、抵抗率10
8 Ωcm以上の絶縁体である。
【００２９】次に、反射電子線回折装置を用いて、コン
タクト層７及びｐ層６に一様に電子線を照射した。電子
線の照射条件は、加速電圧約10KV、資料電流１μＡ、ビ
ームの移動速度0.2mm/sec 、ビーム径60μｍφ、真空度
5.0 ×10-5Torrである。この電子線の照射により、コン
タクト層７及びｐ層６は、それぞれ、ホール濃度 7×10
17/cm3, 5 ×1017/cm3、抵抗率 2Ωcm, 0.8 Ωcmのｐ伝
導型半導体となった。このようにして、図８に示すよう
な多層構造のウエハが得られた。
タクト層７及びｐ層６に一様に電子線を照射した。電子
線の照射条件は、加速電圧約10KV、資料電流１μＡ、ビ
ームの移動速度0.2mm/sec 、ビーム径60μｍφ、真空度
5.0 ×10-5Torrである。この電子線の照射により、コン
タクト層７及びｐ層６は、それぞれ、ホール濃度 7×10
17/cm3, 5 ×1017/cm3、抵抗率 2Ωcm, 0.8 Ωcmのｐ伝
導型半導体となった。このようにして、図８に示すよう
な多層構造のウエハが得られた。
【００３０】続いて、コンタクト層７およびGaN 基板２
００に対して、それぞれ、電極８，９を形成した。その
後、上記のごとく処理されたウエハは、各素子毎に切断
され、図１に示す構造の発光ダイオードを得た。この発
光ダイオードは駆動電流20ｍＡで発光ピーク波長430 ｎ
ｍ、駆動電圧3.0 Ｖ、発光強度2000mCd で、図９の示す
従来の発光ダイオードの場合の駆動電圧3.0 Ｖ、発光強
度1500mCd と比較して、大幅な駆動電圧の低減と発光効
率の向上を実現した。
００に対して、それぞれ、電極８，９を形成した。その
後、上記のごとく処理されたウエハは、各素子毎に切断
され、図１に示す構造の発光ダイオードを得た。この発
光ダイオードは駆動電流20ｍＡで発光ピーク波長430 ｎ
ｍ、駆動電圧3.0 Ｖ、発光強度2000mCd で、図９の示す
従来の発光ダイオードの場合の駆動電圧3.0 Ｖ、発光強
度1500mCd と比較して、大幅な駆動電圧の低減と発光効
率の向上を実現した。
【００３１】尚、活性層５にはAlGaInN 等の単一量子井
戸構造あるいは多重量子井戸構造を用いても良い。更
に、サファイア基板１の代わりに炭化珪素(SiC) や酸化
亜鉛(ZnO) 、スピネル(MgAl2O4) も用いることができ
る。また、作製するGaN 基板２００の厚さは５０〜５０
０μｍの厚さが好ましい。５００μｍより厚すぎると各
素子の切断しにくく、又、５０μｍより薄すぎると機械
的強度が小さく取扱が困難なため好ましくない。上記実
施例は発光ダイオードについて説明したが、レーザダイ
オード、光電気変換素子、ＦＥＴやその他の半導体素子
であっても良い。
戸構造あるいは多重量子井戸構造を用いても良い。更
に、サファイア基板１の代わりに炭化珪素(SiC) や酸化
亜鉛(ZnO) 、スピネル(MgAl2O4) も用いることができ
る。また、作製するGaN 基板２００の厚さは５０〜５０
０μｍの厚さが好ましい。５００μｍより厚すぎると各
素子の切断しにくく、又、５０μｍより薄すぎると機械
的強度が小さく取扱が困難なため好ましくない。上記実
施例は発光ダイオードについて説明したが、レーザダイ
オード、光電気変換素子、ＦＥＴやその他の半導体素子
であっても良い。
【図１】本発明の具体的な実施例に係る発光ダイオード
の構成を示した構成図。
の構成を示した構成図。
【図２】同実施例の発光ダイオードの製造工程を示した
断面図。
断面図。
【図３】同実施例の発光ダイオードの製造工程を示した
断面図。
断面図。
【図４】同実施例の発光ダイオードの製造工程を示した
断面図。
断面図。
【図５】同実施例の発光ダイオードの製造工程を示した
断面図。
断面図。
【図６】同実施例の発光ダイオードの製造工程を示した
断面図。
断面図。
【図７】同実施例の発光ダイオードの製造工程を示した
断面図。
断面図。
【図８】同実施例の発光ダイオードの製造工程を示した
断面図。
断面図。
【図９】従来の発光ダイオードの構成を示した構成図。
１…サファイア基板 ２００…ＧａＮ基板 ３…高キャリア濃度ｎ+ 層 ４…ｎ層 ５…活性層 ６…ｐ層 ７…コンタクト層 ８，９…金属電極 １０…発光ダイオード ２０…AlN バッファ層 ２１，２２…GaN 層 ３０…裏面AlN バッファ層 ３１，３２…裏面GaN 層 ４０，４１，４２…SiO2層 ２００…GaN 基板
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 永井 誠二 愛知県西春日井郡春日町大字落合字長畑１ 番地 豊田合成株式会社内 (72)発明者 小澤 隆弘 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１ 株式会社豊田中央研究所内
Claims (7)
- 【請求項１】 半導体または絶縁体からなる基板の両面
に、それぞれ少なくとも１層の３族窒化物半導体(AlxGa
YIn1-X-YN; 0≦X ≦1, 0≦Y ≦1, 0≦X+Y ≦1)を有する
半導体層を形成する第１の工程と、 基板および基板の一方の側に形成した半導体層を機械的
に除去して、３族窒化物半導体(AlxGaYIn1-X-YN; 0≦X
≦1, 0≦Y ≦1, 0≦X+Y ≦1)からなる半導体基板を得る
第２の工程とを有することを特徴とする３族窒化物半導
体基板の製造方法。 - 【請求項２】 半導体または絶縁体からなる基板の両面
に、それぞれ少なくとも１層の３族窒化物半導体(AlxGa
YIn1-X-YN; 0≦X ≦1, 0≦Y ≦1, 0≦X+Y ≦1)を有する
半導体層を形成する第１の工程と、 基板および基板の一方の側に形成した半導体層を機械的
に除去して、３族窒化物半導体(AlxGaYIn1-X-YN; 0≦X
≦1, 0≦Y ≦1, 0≦X+Y ≦1)からなる半導体基板を得る
第２の工程と、 得られた前記半導体基板上に少なくとも１層の３族窒化
物半導体(AlxGaYIn1-X-YN;0≦X ≦1, 0≦Y ≦1, 0≦X+Y
≦1)からなる素子層を形成する第３の工程を有するこ
とを特徴とする３族窒化物半導体素子の製造方法。 - 【請求項３】 第１の工程は、前記基板の裏面における
前記３族窒化物半導体層の形成と、前記基板の表面にお
ける前記３族窒化物半導体層の形成とを交互に繰り返す
ことで厚さを得ることを特徴とする請求項１に記載の３
族窒化物半導体基板の製造方法。 - 【請求項４】 第１の工程は、前記基板の裏面における
前記３族窒化物半導体層の形成と、前記基板の表面にお
ける前記３族窒化物半導体層の形成とを交互に繰り返す
ことで厚さを得ることを特徴とする請求項２に記載の３
族窒化物半導体素子の製造方法。 - 【請求項５】 前記半導体基板の裏面に第１の電極を形
成し、前記素子層の最上層に第２の電極を形成して、前
記素子層を活性層を含むダブルヘテロ接合としたことを
特徴とする請求項２に記載の３族窒化物半導体素子の製
造方法。 - 【請求項６】 前記半導体基板の厚さが５０〜５００μ
ｍであることを特徴とする請求項１に記載の３族窒化物
半導体基板の製造方法。 - 【請求項７】 前記半導体基板の厚さが５０〜５００μ
ｍであることを特徴とする請求項２に記載の３族窒化物
半導体素子の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP15027096A JP3712789B2 (ja) | 1996-05-21 | 1996-05-21 | ３族窒化物半導体基板及び素子の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP15027096A JP3712789B2 (ja) | 1996-05-21 | 1996-05-21 | ３族窒化物半導体基板及び素子の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09312417A true JPH09312417A (ja) | 1997-12-02 |
| JP3712789B2 JP3712789B2 (ja) | 2005-11-02 |
Family
ID=15493285
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP15027096A Expired - Fee Related JP3712789B2 (ja) | 1996-05-21 | 1996-05-21 | ３族窒化物半導体基板及び素子の製造方法 |
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| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3712789B2 (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003069075A (ja) * | 2001-08-28 | 2003-03-07 | Nichia Chem Ind Ltd | 窒化ガリウム系化合物半導体素子 |
| US6853009B2 (en) | 1998-09-10 | 2005-02-08 | Toyoda Gosei Co., Ltd. | Light-emitting semiconductor device using gallium nitride compound semiconductor |
| KR100832102B1 (ko) * | 2005-11-14 | 2008-05-27 | 삼성전자주식회사 | 발광소자용 구조체 및 발광소자의 제조 방법 |
| CN103779449A (zh) * | 2012-10-17 | 2014-05-07 | 江苏汉莱科技有限公司 | 一种生长氮化镓系薄膜的复合衬底及其制备方法和应用 |
| US10260146B2 (en) | 2015-09-11 | 2019-04-16 | Mie University | Method for manufacturing nitride semiconductor substrate |
-
1996
- 1996-05-21 JP JP15027096A patent/JP3712789B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6853009B2 (en) | 1998-09-10 | 2005-02-08 | Toyoda Gosei Co., Ltd. | Light-emitting semiconductor device using gallium nitride compound semiconductor |
| US7045809B2 (en) | 1998-09-10 | 2006-05-16 | Toyoda Gosei Co., Ltd. | Light-emitting semiconductor device using gallium nitride compound semiconductor |
| JP2003069075A (ja) * | 2001-08-28 | 2003-03-07 | Nichia Chem Ind Ltd | 窒化ガリウム系化合物半導体素子 |
| KR100832102B1 (ko) * | 2005-11-14 | 2008-05-27 | 삼성전자주식회사 | 발광소자용 구조체 및 발광소자의 제조 방법 |
| CN103779449A (zh) * | 2012-10-17 | 2014-05-07 | 江苏汉莱科技有限公司 | 一种生长氮化镓系薄膜的复合衬底及其制备方法和应用 |
| US10260146B2 (en) | 2015-09-11 | 2019-04-16 | Mie University | Method for manufacturing nitride semiconductor substrate |
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