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JP2009059974A - 半導体基板、半導体発光素子および半導体基板の製造方法 - Google Patents

半導体基板、半導体発光素子および半導体基板の製造方法 Download PDF

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JP2009059974A JP2007227288A JP2007227288A JP2009059974A JP 2009059974 A JP2009059974 A JP 2009059974A JP 2007227288 A JP2007227288 A JP 2007227288A JP 2007227288 A JP2007227288 A JP 2007227288A JP 2009059974 A JP2009059974 A JP 2009059974A
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Ryota Senda
亮太 千田
Motoaki Iwatani
素顕 岩谷
Satoshi Kamiyama
智 上山
Hiroshi Amano
浩 天野
Isamu Akasaki
勇 赤▲崎▼
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Meijo University
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Meijo University
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Abstract

【課題】結晶性に優れ、良好な緑領域の光を発生することが可能なInNを比較的大きな割合で含むIII族窒化物半導体層を有する半導体基板を提供する。
【解決手段】基板と、前記基板上に形成された、
Figure 2009059974

のいずれかの結晶成長面を表面とし、AlGa1−x―yInN(0≦x≦1,0≦y≦1)なる組成を有するとともに、少なくとも一部に溝部を有する下地層と、前記下地層上にInNモル分率が0.03以上であるIII族窒化物半導体層とを具えるようにして半導体基板を構成する。
【選択図】図1

Description

本発明は、光情報処理分野などへの応用が期待されているIII族窒化物半導体基板に関するものである。
GaN系III族窒化物半導体は、超高輝度青色・緑色・白色発光ダイオードや、紫色半導体レーザが実用かされており、研究室レベルでは青色半導体レーザまで実現されている。このGaN系III族窒化物半導体によって、光の3原色である赤・緑・青色が固体発光素子である発光ダイオードによって実現され、携帯電話の液晶のバックライト、競技場の超大型ディスプレイに代表される様々な分野への応用が広がっている。また、紫色半導体レーザは、Blu-ray DiscやHD-DVDに代表される次世代光ディスクシステムなどに応用されている。
これらのデバイスは、低温堆積緩衝層技術(1986年 H. Amano, N. Sawaki, I. Akasaki and Y. Toyoda: Appl. Phys. Lett.,48 (1986) 353)、p型伝導性制御 (1989年 H. Amano, M. Kito, K. Hiramatsu and I. Akasaki: Jpn. J. Appl. Phys. 28 (1989) L2112) 、n型伝導性制御(1991年 H. Amano and I. Akasaki: Mat. Res. Soc. Ext, Abst., EA-21 (1991) 165)、および高効率発光層の作製法 (1991年 N. Yoshimoto, T. Matsuoka, T. Sasaki and A. Katsui, Appl. Phys. Lett., 59(1991)2251) など基幹技術の積み重ねにより、本材料を用いた高輝度の青色・緑色および白色発光ダイオードが既に実用化されている。
また、近年ではこれらのデバイスの高性能化を目指し、GaN結晶の高品質化(例えば、A. Usui, H. Sunakawa, A. Sakai and A. Atsushi Yamaguchi: Jpn. J. Appl. Phys. 36(1997) L899-L902)、デバイス構造の最適化(I. Akasaki and H. Amano: Jpn. J. Appl. Phys. 36(1997) 5393-5408)、 発光ダイオードにおいては、半導体層と空気の屈折率差に起因する、光取り出しの問題を改善(例えばM. Yamada, T. Mitani, Y. Narukawa, S. Shioji, I. Niki, S. Sonobe, K. Deguchi, M. Sano and T. Mukai: Jpn. J. Appl. Phys. 41 (2002) L1431. など)などの研究・開発が行われている。これらの成果によって、青色発光ダイオードでは60%を越える外部量子効率が実現されており、数百mWを超える青紫色半導体レーザが実現されているなど、この分野の研究開発は日進月歩の勢いである。
しかしながら、これらのデバイスはIII族窒化物半導体が有する物性的なポテンシャルの一部分を発揮させているに過ぎない。特に、III族窒化物半導体の発光素子のなかで期待されているのは、緑領域の発光ダイオードの高効率化ならびに青〜緑領域の半導体レーザの実現である。これまでの緑色領域の発光素子の開発は、低温緩衝層技術等を用いて作製した高品質c面GaN上にGaInN発光層をヘテロ接合によって作製するのが一般的な方法である(S. Nakamura, M. Senoh, N. Iwasa, S. Nagahama, T. Yamada and T. Mukai1: Jpn. J. Appl. Phys. 34(1995) L1332-L1335)。
また、緑領域の発光素子を作製する場合、GaN上にGaInNの発光層を作製すると、大きな格子不整合が存在するため、その中間に若干組成の低いGaInNを挿入することなどが報告されている(S. Nakamura, M. Senoh, N. Iwasa, S. Nagahama, T. Yamada and T. Mukai1:Jpn. J. Appl. Phys. 34(1995) L797-L799)。また最近ではGaN上にGaInNを成長する場合、非常に大きな歪が発生し、その影響で数MV/cmと言う非常に大きな圧電電界が発生し大きな問題となることが議論されており、その問題を解決するため、c面以外の無極性面、反極性面等の応用が検討されている(岩谷素顕:応用物理、第76巻、第5号、p.0513-0516 (2007)) 。
しかしながら現状は、緑領域の発光ダイオードは、外部量子効率で20%以下と不十分であることや、緑領域の半導体レーザが実現されていないという問題が残っている。上述したように、現状のIII族窒化物半導体発光デバイスはGaN上に作製するのが最も一般的である。この方法の場合、GaInNとGaNとの間に存在する大きな格子不整合が存在する。
例えば、一般に緑領域の発光層を実現するためには、InNモル分率0.2以上のGaInNを用いる必要があるが、InNモル分率0.2のGaInNとGaNとの間には約2%程度の格子不整合が存在する。現在主流の技術は、GaN上にGaInNを成長する場合、量子井戸構造と呼ばれる数nm〜数10nm程度のGaInNのヘテロ接合が実施されており、膜厚を薄くすることによって前記格子不整合を抑制するようにしている。しかしながら、InNモル分率を高くする、もしくは膜厚を厚くすることによって、多数のミスフィット転位が導入されることが、多数の研究グループから報告されている(例えば、R. Liu, J. Mei, S. Srinivasan, F. A. Ponce, H. Omiya, Y. Narukawa, and T. Mukai: Appl. Phys. Lett. 89, 201911 (2006))。
したがって、この問題点を解決するためには、この大きな格子不整合を低減することが必要であると考えられる。すなわち完全に緩和した高品質厚膜のInNを含むIII族窒化物半導体(GaInN、AlInN、AlGaInN)が必要である。
InNを含むIII族窒化物半導体の厚膜成長に関しては、サファイア上に低温緩衝層を介して成長したc面GaN上、およびサファイア上に低温AlN緩衝層を介して成長させた報告が既になされている(M. Shimizu, Y. Kawaguchi, K. Hiramatsu and N. Sawaki: Jpn. J. Appl. Phys.36(1997) 3381-3384、S. Yamaguchi, M. Kariya, S. Nitta, T. Takeuchi, C. Wetzel, H. Amano and I. Akasaki: Appl. Phys. Lett. 73 (1998) 830)。しかしながら、このような方法では、表面平坦性の大幅な劣化ならびに多数のミスフィット転位が導入されることが報告されている(R. Liu, J. Mei, S. Srinivasan, F. A. Ponce, H. Omiya, Y. Narukawa, and T. Mukai: Appl. Phys. Lett. 89, 201911 (2006))。
したがって、現状では、結晶性に優れ、良好な緑領域の光を発生することが可能なInNを比較的大きな割合で含むIII族窒化物半導体層を形成できないのが現状である。
(1986年 H. Amano, N. Sawaki, I. Akasaki and Y. Toyoda: Appl. Phys. Lett.,48 (1986) 353) (1989年 H. Amano, M. Kito, K. Hiramatsu and I. Akasaki: Jpn. J. Appl. Phys. 28 (1989) L2112) (1991年 H. Amano and I. Akasaki: Mat. Res. Soc. Ext, Abst., EA-21 (1991) 165) (1991年 N. Yoshimoto, T. Matsuoka, T. Sasaki and A. Katsui, Appl. Phys. Lett., 59(1991)2251) A. Usui, H. Sunakawa, A. Sakai and A. Atsushi Yamaguchi: Jpn. J. Appl. Phys. 36(1997) L899-L902) (I. Akasaki and H. Amano: Jpn. J. Appl. Phys. 36(1997) 5393-5408) M. Yamada, T. Mitani, Y. Narukawa, S. Shioji, I. Niki, S. Sonobe, K. Deguchi, M. Sano and T. Mukai: Jpn. J. Appl. Phys. 41 (2002) L1431 (S. Nakamura, M. Senoh, N. Iwasa, S. Nagahama, T. Yamada and T. Mukai1: Jpn. J. Appl. Phys. 34(1995) L1332-L1335) (S. Nakamura, M. Senoh, N. Iwasa, S. Nagahama, T. Yamada and T. Mukai1:Jpn. J. Appl. Phys. 34(1995) L797-L799) (岩谷素顕:応用物理、第76巻、第5号、p.0513-0516 (2007) M. Shimizu, Y. Kawaguchi, K. Hiramatsu and N. Sawaki: Jpn. J. Appl. Phys.36(1997) 3381-3384 S. Yamaguchi, M. Kariya, S. Nitta, T. Takeuchi, C. Wetzel, H. Amano and I. Akasaki: Appl. Phys. Lett. 73 (1998) 830 R. Liu, J. Mei, S. Srinivasan, F. A. Ponce, H. Omiya, Y. Narukawa, and T. Mukai: Appl. Phys. Lett. 89, 201911 (2006)
本発明は、結晶性に優れ、良好な緑領域の光を発生することが可能なInNを比較的大きな割合で含むIII族窒化物半導体層を有する半導体基板を提供することを目的とする。
上記目的を達成すべく、本発明は、
基板と、
前記基板上に形成された、
Figure 2009059974
のいずれかの結晶成長面を表面とし、AlGa1−x―yInN(0≦x≦1,0≦y≦1)なる組成を有するとともに、少なくとも一部に溝部を有する下地層と、
前記下地層上にInNモル分率が0.03以上であるIII族窒化物半導体層と、
を具えることを特徴とする、半導体基板に関する。
また、本発明は、
基板上において、
Figure 2009059974
のいずれかの結晶成長面を表面とし、AlGa1−x―yInN(0≦x≦1,0≦y≦1)なる組成を有する下地層を形成する工程と、
前記下地層の少なくとも一部に溝部を形成する工程と、
前記下地層上において、前記溝部を覆うようにしてInNモル分率が0.03以上であるIII族窒化物半導体層を形成する工程と、
を具えることを特徴とする、半導体基板の製造方法に関する。
本発明によれば、少なくとも一部に溝部を有する下地層上に、前記溝部を覆うようにしてIII族窒化物半導体層を形成するようにしている。したがって、前記III族窒化物半導体層が、InNを比較的高い割合で、具体的には0.03以上のモル分率で含有する場合に、例えば500nm以上と比較的厚く形成した場合においても、前記層中には下地層との格子不整合に起因したミスフィット転位等が低減され、その結晶性が向上するようになる。
また、前記下地層は、
Figure 2009059974
のいずれかの結晶成長面を表面とし、さらにAlGa1−x―yInN(0≦x≦1,0≦y≦1)なる組成を有している。したがって、前記下地層の表面上に形成した前記III族窒化物半導体層には、前記表面の結晶方位を反映して、
Figure 2009059974
のいずれかの安定したファセットが形成されるようになる。この結果、前記III族窒化物半導体層の表面平坦性が向上するようになる。
以上より、最終的に得た半導体基板は、その最上部に転位などの欠陥を含むことなく良好な結晶性を有し、表面平坦性に優れたInNを高い割合で含むIII族窒化物半導体層を有する。したがって、前記基板上に種々の層を積層して半導体発光素子を形成した場合において、緑領域の光を高強度に生成することができる。
なお、上述したように、上記半導体基板によれば、上記要件を満足する下地層上にIII族窒化物半導体層を形成することによって、InNを0.03以上の高モル分率で含有する場合においても、高結晶性及び高表面平坦性を維持したまま、500nm以上の厚さとすることができる。
また、本発明の一態様においては、前記下地層及び前記III族窒化物半導体層間に、III族窒化物半導体層よりもInNモル分率の低いIII族窒化物半導体からなる中間層を形成することができる。これによって、前記III族窒化物半導体層が、下地層の表面に発生した欠陥等の影響を受けづらくなるので、前記III族窒化物半導体層の結晶性をより向上させることができる。
さらに、本発明の一態様においては、前記下地層、前記III族窒化物半導体層、及び/又は前記中間層中に、電気的なキャリアを生ぜしめる不純物を含ませることができる。これによって、前記半導体基板を導電性基板とすることができる。
以上説明したように、本発明によれば、結晶性に優れ、良好な緑領域の光を発生することが可能なInNを比較的大きな割合で含むIII族窒化物半導体層を有する半導体基板を提供することができる。
以下、本発明のその他の特徴並びに利点について、発明の実施形態に基づいて説明する。
(半導体基板)
図1は、本発明の半導体基板の一例を示す構成図である。図1に示すように、半導体基板110は、ベース基板101上において、順次、バッファ層102及び下地層103が形成されている。また、下地層103には、紙面垂直方向にストライプ状の溝部104が形成されており、この溝部104を覆うようにして下地層103上にIII族窒化物半導体層105が形成されている。
III族窒化物半導体層105は、半導体基板110の最上部に位置し、その上方に種々の層構成を作製することによって、緑領域の光を生成すべくInNのモル分率が0.03以上のIII族窒化物半導体から構成される。
一方、上述のようにIII族窒化物半導体層105が高い割合でInNを含むと、その格子定数が増大するために下層に位置する層との格子不整合が大きくなり、III族窒化物半導体層105中にはミスフィット転位等の欠陥が多量に形成される傾向にある。しかしながら、本実施形態では、下地層103には、ストライプ状の溝部104が形成され、この溝部104を覆うようにして下地層103上にIII族窒化物半導体層105を形成するようにしているので、III族窒化物半導体層105中には、前記格子不整合に起因したミスフィット等が低減され、低転位、低欠陥の領域が形成されるようになる。
例えば、III族窒化物半導体層105の厚さを500nm以上と厚く形成しても、内部に生成する転位等の欠陥量を十分低く保持することができる。
なお、下地層103に形成された溝部104は、下地層103において段差を形成できるものであれば特に限定されるものではなく、また、必ずしもストライプ状でなく、任意の形状とすることができる。図1では、バッファ層102及びベース基板101にまで達するような深さとしているが、下地層103内においてのみ形成することもできる。溝部104の幅は、例えば数μmのオーダとすることができる。
また、下地層103は、
Figure 2009059974
のいずれかの結晶成長面を表面とし、AlGa1−x―yInN(0≦x≦1,0≦y≦1)なる組成を有している。したがって、下地層103の前記表面上に形成されたIII族窒化物半導体層105は、前記表面の結晶方位を反映して、
Figure 2009059974
のいずれかの安定したファセットが形成されるようになる。この結果、前記III族窒化物半導体層の表面平坦性が向上するようになる。
下地層103は、例えば100nm以上の厚さとすることができる。これによって、III族窒化物半導体層105に対する下地層103としての作用効果をより効果的に奏することができるようになる
バッファ層102は、ベース基板101と下地層103との格子定数差を緩和して、下地層103の結晶成長を促進させるためのものである。したがって、その組成は、特に下地層103と類似の組成を有するように構成する。例えば、AlGa1−a―bInN(0≦a≦1,0≦b≦1)なる組成を有するように形成することができる。なお、厚さは、数十nm〜数百nmとすることができる。
ベース基板101は、上述した要件を満足する下地層103及びIII族窒化物半導体層105を形成できるものであれば特に限定されるものではないが、特にはIII族窒化物半導体基板、サファイア基板、SiC基板、ZnO基板、スピネル基板、Si基板、GaAs基板、LiGaO基板、LiMgO基板及びZrB基板からなる群より選ばれる少なくとも一種であることが好ましい。
なお、図1においては示していないが、下地層103及びIII族窒化物半導体層105間において、InNモル分率がIII族窒化物半導体層105のInNモル分率よりも小さいIII族窒化物半導体からなる中間層を形成することもできる。この中間層によって、III族窒化物半導体層105が、下地層103の表面に発生した欠陥等の影響を受けづらくなるので、前記III族窒化物半導体層の結晶性をより向上させることができる。
また、本実施形態では、下地層103、III族窒化物半導体層105、及び/又は前記中間層中に、電気的なキャリアを生ぜしめる不純物を含ませることができる。これによって、前記半導体基板を導電性基板とすることができる。前記不純物としては、Si,Geなどのドナー不純物や、Mgなどのアクセプタ不純物などを挙げることができる。
(半導体基板の製造方法)
図2及び図3は、本発明の半導体基板の製造方法の一例を示す工程図である。最初に、ベース基板101を所定の成膜装置内に配置した後、図2に示すように、ベース基板101上に、順次バッファ層102及び下地層103を、MOCVD法などによって所定の厚さに形成する。バッファ層102は例えば約1100℃の温度で形成することができる。下地層103は例えば約1000℃の温度で形成することができる。
次いで、図2に示すような積層体を構成した後、前記積層体を前記成膜装置から取り出し、例えばClガスを用いて反応性エッチングを行い、溝部104を形成する。その後、前記積層体を再度成膜装置内に入れ、溝部104を覆うようにして下地層103上にIII族窒化物半導体層105を形成し、図1に示すような半導体基板110を得る。
なお、上述した中間層を形成する場合は、図2に示す工程において、予め下地層103上に前記中間層を形成しておくこともできるし、図3に示す工程において、下地層103に溝部104を形成した後に前記中間層を形成することもできる。前記中間層は、例えば300℃〜700℃の温度範囲において形成することができる。
また、下地層103、III族窒化物半導体層105、及び/又は前記中間層中に、電気的なキャリアを生ぜしめる不純物を含ませる場合は、MOCVD法において前記各層を形成する際に、好ましくはドナーとなる元素やアクセプタとなる元素を含む原料ガスを使用する。
(半導体発光素子)
図4は、図1に示す半導体基板110を用いて作製した発光ダイオードの一例を示す構成図である。図4に示すように、本実施形態における発光ダイオード210は、半導体基板110上に、例えばGaInN発光層201、p−AlGaN層202、p−GaN層203及びp電極204が、半導体基板110の最上部に位置するIII族窒化物半導体層105の表面の一部を露出するようにして順次に積層されるとともに、III族窒化物半導体層105の露出した表面上にn電極205が形成されている。
図4に示す構成の発光ダイオード210によれば、GaInN発光層201から緑領域の光が発生できることが確認できた。
図5は、図1に示す半導体基板110を用いて作製した半導体レーザの一例を示す構成図である。図5に示すように、本実施形態における発光ダイオード310は、半導体基板110上に、例えばn−AlGaNクラッド層301、n−GaInNガイド302、GaInN量子井戸活性層303、n−GaInNガイド層304、p−AlGaNクラッド層305、p−GaNコンタクト層306及びp電極207が、半導体基板110の最上部に位置するIII族窒化物半導体層105の表面の一部を露出するようにして順次に積層されるとともに、III族窒化物半導体層105の露出した表面上にn電極308が形成されている。
図5に示す構成の半導体レーザ310によれば、GaInN量子井戸活性層303から緑領域の光が発生できることが確認できた。
本発明の半導体基板の一例を示す構成図である。 本発明の半導体基板の製造方法の一例を示す工程図である。 同じく、本発明の半導体基板の製造方法の一例を示す工程図である。 図1に示す半導体基板を用いて作製した発光ダイオードの一例を示す構成図である。 図1に示す半導体基板を用いて作製した半導体レーザの一例を示す構成図である。
符号の説明
101 ベース基板
102 バッファ層
103 下地層
104 溝部
105 III族窒化物半導体層
110 半導体基板

Claims (19)

  1. 基板と、
    前記基板上に形成された、
    Figure 2009059974
    のいずれかの結晶成長面を表面とし、AlGa1−x―yInN(0≦x≦1,0≦y≦1)なる組成を有する下地層と、少なくとも一部に溝部を有する下地層と、
    前記下地層上にInNモル分率が0.03以上であるIII族窒化物半導体層と、
    を具えることを特徴とする、半導体基板。
  2. 前記III族窒化物半導体層の厚さが、500nm以上であることを特徴とする、請求項1に記載の半導体基板。
  3. 前記下地層及び前記III族窒化物半導体層間に形成された、前記III族窒化物半導体層よりもInNモル分率の低いIII族窒化物半導体からなる中間層を具えることを特徴とする、請求項1又は2に記載の半導体基板。
  4. 前記下地層及び前記III族窒化物半導体層は、電気的なキャリアを生ぜしめる不純物を含むことを特徴とする、請求項1〜3のいずれか一に記載の半導体基板。
  5. 前記中間層は、電気的なキャリアを生ぜしめる不純物を含むことを特徴とする、請求項3又は4に記載の半導体基板。
  6. 前記下地層における前記溝部は、反応性イオンエッチングにより形成したことを特徴とする、請求項1〜5のいずれか一に記載の半導体基板。
  7. 前記中間層は、300℃〜700℃の温度範囲において形成したことを特徴とする、請求項1〜6のいずれか一に記載の半導体基板。
  8. 前記基板は、III族窒化物半導体基板、サファイア基板、SiC基板、ZnO基板、スピネル基板、Si基板、GaAs基板、LiGaO基板、LiMgO基板及びZrB基板からなる群より選ばれる少なくとも一種であることを特徴とする、請求項1〜7のいずれか一に記載の半導体基板。
  9. 請求項1〜8のいずれか一に記載の半導体基板を含むことを特徴とする、半導体発光素子。
  10. 前記半導体発光素子は、発光ダイオードであることを特徴とする、請求項9に記載の半導体発光素子。
  11. 前記半導体発光素子は、半導体レーザであることを特徴とする、請求項9に記載の半導体発光素子。
  12. 基板上において、
    Figure 2009059974
    のいずれかの結晶成長面を表面とし、AlGa1−x―yInN(0≦x≦1,0≦y≦1)なる組成を有する下地層を形成する工程と、前記下地層の少なくとも一部に溝部を形成する工程と、
    前記下地層上において、前記溝部を覆うようにしてInNモル分率が0.03以上であるIII族窒化物半導体層を形成する工程と、
    を具えることを特徴とする、半導体基板の製造方法。
  13. 前記III族窒化物半導体層の厚さを、500nm以上とすることを特徴とする、請求項12に記載の半導体基板の製造方法。
  14. 前記下地層及び前記III族窒化物半導体層間において、III族窒化物半導体層よりもInNモル分率の低いIII族窒化物半導体からなる中間層を形成する工程を具えることを特徴とする、請求項12又は13に記載の半導体基板の製造方法。
  15. 前記下地層及び前記III族窒化物半導体層中に、電気的なキャリアを生ぜしめる不純物を含有させる工程を含むことを特徴とする、請求項12〜14のいずれか一に記載の半導体基板の製造方法。
  16. 前記中間層中に、電気的なキャリアを生ぜしめる不純物を含むことを特徴とする、請求項14又は15に記載の半導体基板の製造方法。
  17. 前記下地層における前記溝部は、反応性イオンエッチングにより形成することを特徴とする、請求項12〜16のいずれか一に記載の半導体基板の製造方法。
  18. 前記中間層は、300℃〜700℃の温度範囲において形成することを特徴とする、請求項12〜17のいずれか一に記載の半導体基板の製造方法。
  19. 前記基板は、III族窒化物半導体基板、サファイア基板、SiC基板、ZnO基板、スピネル基板、Si基板、GaAs基板、LiGaO基板、LiMgO基板及びZrB基板からなる群より選ばれる少なくとも一種であることを特徴とする、請求項12〜18のいずれか一に記載の半導体基板の製造方法。
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