JP4583060B2

JP4583060B2 - 単結晶サファイア基板の製造方法および窒化物半導体発光素子の製造方法

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Publication number: JP4583060B2
Application number: JP2004092239A
Authority: JP
Inventors: 隆司宇都
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2004-03-26
Filing date: 2004-03-26
Publication date: 2010-11-17
Anticipated expiration: 2024-03-26
Also published as: JP2005277334A

Description

本発明は、単結晶サファイア基板およびそれを用いた窒化物半導体に関し、特に発光ダイオード等の光デバイス用途の結晶成長に適した単結晶サファイア基板に関する。

窒化物半導体はＬＥＤ（ＬｉｇｈｔＥｍｉｔｔｉｉｎｇＤｉｏｄｅ）等の発光デバイスや耐熱性や耐環境性に優れた特徴を活かした電子デバイス用途として実用化されている。この窒化物半導体層は単結晶サファイア基板上に成長させることが多く、また、この単結晶サファイア基板の主面は鏡面加工されていることが多い。以下、一方の主面のみ鏡面加工されている単結晶サファイア基板を片面鏡面であると言う。

窒化物半導体層の成長用としての単結晶サファイア基板は、成膜後の窒化物半導体層の発光波長・輝度を安定させる意味から、形状、表面状態、結晶性等に安定した品質を求められる。この品質の中で片面鏡面の単結晶サファイア基板の裏面の状態については、成膜中の基板間および基板面内の温度分布のバラツキ、成膜後の基板検査時の光取り出し効率のバラツキの原因とされ、安定性を求められる。

図６に窒化物半導体を用いた発光素子の一例を示す。図６に示すように、この発光素子は単結晶サファイア基板６１上にバッファ層６２を備え、該バッファ層６２の上に発光素子を成す３−５族半導体の多重層６３を備えている。この多重層６３は、バッファ層６２の全面に備えたＳｉドープｎ型ＧaＮ層からなるｎ^＋層６４と、このｎ^＋層６４上に備えた電極６５と、該電極６５以外の部分に備えたＳｉドープＡｌ_０．１Ｇa_０．９Ｎ層からなるｎ層６６と、シリコンドープＧａＮ層からなる活性層６７と、マグネシウムドープＡｌ_０．１Ｇa_０．９Ｎ層からなるｐ層６８と、これを覆うＳｉＯ_２層７９とＳｉＯ_２層６９の窓部に備えた電極７０から構成されている。

窒化物半導体を用いた発光素子は単結晶サファイア基板上に図６に示すような層を構成した後に、発光波長および輝度によりランク分けを実施する。その後、単結晶サファイア基板６１を裏面側より、砥石及びダイヤモンド砥粒等を用いてバックグラインドを実施し、単結晶サファイア基板６１を薄化した後、スクライバーを用いて素子毎にチップとして切り分ける工程をとるのが一般的である。

ところが、単結晶サファイア基板６１は透明体であるので光透過性を有しており、上記にあるランク分け時における発光層からの光が単結晶サファイア基板６１側から漏れる可能性がある（特許文献１参照）。

そこで、発光層からの光が単結晶サファイア基板側から漏れることを防止するために窒化物半導体層を形成した後に、単結晶サファイア基板の裏面側に凹凸を設けることが提案されている（特許文献２参照）。

また、単結晶サファイア基板にチタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケルなどの金属元素のうち少なくとも一種を含有することにより、特定波長に対する光吸収性もたせることによる対策が提案されている（特許文献３参照）。
特開平９−２３７９３４号公報特開２００２−３６８２６１号公報特開２０００−３３２４２０号公報

窒化物半導体を用いた発光素子は単結晶サファイア基板上に発光層を形成後、輝度によりランク分けを実施するが、従来、窒化物半導体発光素子の成膜後の評価時に輝度の低下を生じる課題があった。また、窒化物半導体発光素子形成時に輝度のバラツキを生じる課題があった。

図７は単結晶サファイア基板７１上に窒化物半導体発光素子を形成した際の光の漏れについて示す図である。窒化物半導体層より発生した光は基板全面に発光する。これは単結晶サファイア基板７１側についても同様であり、この時の単結晶サファイア基板７１の透過率が大きいと、基板裏面側即ち、単結晶サファイア基板７１側からの光の漏れ７４を生じてしまう
特許文献２による基板の裏面に凹凸を形成する方法は、発光層形成後の基板について輝度を向上させることが目的であり、窒化物半導体層を単結晶サファイア基板に形成した後のバックグラインディング時の面状態を規定するものである。そのため、窒化物半導体を用いた発光素子を形成後の基板の評価時には、従来の単結晶サファイア基板の状態がそのまま反映されるためランク分けの判断が困難となる。また新たな凹凸形成のための応力の発生がさけられず、基板のそり精度に影響をあたえ、スクライビング等に問題を生じさせる危険性が懸念される。

また、特許文献３の金属元素を含有させる方法であれば、窒化物半導体を用いた発光素子より発生した光の単結晶サファイア基板側からの漏れは無くなるものの、単結晶サファイア基板自体が、発光層より発生した光を吸収してしまい、発光輝度の低下に繋がる可能性がある。

従って、本発明の目的は、窒化物半導体発光素子の成膜後の評価時に輝度の低下を防止し、また、窒化物半導体発光素子形成時に輝度のバラツキを抑えることを目的とした単結晶サファイア基板を提供することであり、且つそれを用いた窒化物半導体発光素子を提供することにある。

本発明者は、上記問題を解決すべく研究を行った結果、透過率を抑え且つバラツキを低減した単結晶サファイア基板が、成膜後の評価時の輝度の低下を防止するとともに、窒化物半導体発光素子形成時の輝度のバラツキを抑えることが可能であることを見出した。

本発明の単結晶サファイア基板は、２００〜６００ｎｍの波長域の光に対する透過率が１０％以下であることを特徴としている。

また、各波長における基板面内の透過率バラツキが５％以下であることを特徴としている。

また、一方の主面が鏡面であることを特徴とし、さらに他方の主面の算術平均粗さＲａが０．４〜１．５μｍであることを特徴としている。

また、基板面内の算術平均粗さのバラツキが０．４μｍ以下であることを特徴としている。

さらに、上記単結晶サファイア基板の主面上に、Ａｌ_ＸＧa_ＹＮ（Ｘ＋Ｙ＝１，Ｘ≧０，Ｙ≧０）のバッファ層を形成した後、その上に窒化物半導体結晶層を成長させ、その中に発光層を含む半導体結晶層が積層された素子構造を有する窒化物半導体発光素子であることを特徴としている。

本発明の単結晶サファイア基板は、２００〜６００ｎｍの波長域において透過率が１０％以下であるため、窒化物半導体を用いた発光層を、単結晶サファイア基板上に形成した後、発光層より発光される光の単結晶サファイア基板側への漏れが減少し、発光素子輝度の安定化が図れる。

さらに、単結晶サファイア基板の上記波長領域におけるバラツキを５％以下とするため、窒化物半導体を用いた発光層よりの光の単結晶サファイア基板側への漏れのバラツキの低減が可能であり、発光素子の輝度バラツキを低減することができる。

また、本発明の単結晶サファイア基板は片面鏡面加工されており、鏡面側に窒化物半導体層を形成する。また、裏面側については、算術平均粗さＲａが０．４〜１．５μｍであり、算術平均面粗さＲａのバラツキが０．４μｍ以下であることにより、２００〜６００ｎｍの波長域にあって透過率が１０％以下に制御することが容易になり、また上記波長域に対する透過率のバラツキを５％以下とすることが可能となる。

さらに、本発明の単結晶サファイア基板を用いて、Ａｌ_ＸＧa_ＹＮ（Ｘ＋Ｙ＝１，Ｘ≧０，Ｙ≧０）のバッファ層を形成した後、その上に窒化物半導体結晶層を成長させ、その中に発光層を含む半導体結晶層が積層された素子構造を形成した場合に、輝度特性に優れる窒化物半導体発光素子を得ることができる。

次に本発明の実施の形態について図面を参照し詳述する。

図１は本発明により得られた単結晶サファイア基板１１の主面１２上に窒化物半導体発光素子を形成した図である。単結晶サファイア基板１１の一方の主面１２は鏡面加工がなされており、他方の主面１３は、算術平均面粗さＲａが０．４〜１．５μｍであり、基板面内の算術平均粗さＲａのバラツキが０．４μｍ以下である。このように他方の主面１３を適度に粗くすることにより、単結晶サファイア基板１１は２００〜６００ｎｍの波長域の光に対する透過率が１０％以下であって、各波長に対する透過率の基板面内におけるバラツキが５％以下となっている。

また、単結晶サファイア基板１１の主面１２上に、Ａｌ_ＸＧa_ＹＮ（Ｘ＋Ｙ＝１，Ｘ≧０，Ｙ≧０）のバッファ層１４を形成した後、その上に窒化物半導体結晶層１５を成長させ、その中に発光層１６を含む半導体結晶層が積層された素子構造を有する。

発光層１６より発生した光は基板全面に発光する。これは単結晶サファイア基板１１側についても同様であり、この時の単結晶サファイア基板１１の透過率が大きいと、単結晶サファイア基板の他方の主面１３側からの光の漏れを生じてしまうため、単結晶サファイア基板１１においては、透過率が２００〜６００ｎｍの波長領域において、透過率１０％以下が必要となる。透過率が１０％より大きくなると、発光層１６から発光した光の単結晶サファイア基板の他方の主面１３側からの漏れが大きくなり、発光層１６形成後の評価と実際の素子形成後の評価に相違が生じてしまい、正当な評価ができない。特に、窒化物半導体における単結晶サファイア基板上のＬＥＤにおいては３８０〜４５０ｎｍ領域の紫外〜青色領域の波長域での透過率が低いことが望まれる。

また、単結晶サファイア基板１１の透過率は、分光光度計を用いて測定し、片面鏡面のサファイア基板の主面１２側より光を入射し、他方の主面１３側より光を取り出した際の光の強度の割合にて規定する。波長２００〜６００ｎｍを測定することにより、単結晶サファイア基板成膜後の赤〜紫外光域までの波長の発光素子波長での状態のバラツキの評価が可能である。

また、基板面内の透過率のバラツキに関しては極力少ない方が好ましく、基板面内で５％以下であることが必要であり、特に好ましくは３％以下である。このバラツキが大きいと、特に５％より大きくなると、発光層１６から発生した光の他方の主面１３への透過するバラツキが大きくなり、発光素子輝度のバラツキを生じてしまう。また、３％以下であると、発光層１６形成時の発光素子輝度のバラツキをより低減化することが可能である。

ここで、基板面内の透過率バラツキとは、基板の中央部と外周部を２点以上測定したときの最大値と最小値の差をバラツキとして表す。

また、単結晶サファイア基板１１の一方の主面１２は鏡面加工を実施し、窒化物半導体層が成膜可能な表面状態とする必要があるが、他方の主面１３についてはラッピング加工面状態とし、光の透過を抑える必要がある。

単結晶サファイア基板１１の他方の主面１３の算術平均粗さＲａについては０．４μｍより小さくなると、光の漏れが大きくなり、透過率が１０％を超えてしまうため好ましくない。１．５μｍより大きくなると、他方の主面１３の粗さが鏡面加工時に基板表面の鏡面状態に影響を及ぼし、基板精度が著しく悪化してしまう。また基板面内の算術平均粗さＲａのバラツキに関しては、０．４μｍより大きくなると単結晶サファイア基板１１の透過率にバラツキを生じてしまい好ましくない。

なお、単結晶サファイア基板１１の算術平均粗さＲａの測定条件としては、接触式のＲ２μｍの触針にて、測定長４ｍｍ、カットオフ値０．８ｍｍ、スキャンスピード０．１ｍｍである。また、バラツキに関しては透過率と同様に基板の中央部と外周部を２点以上測定したときの最大値と最小値の差で表す。

以上のような単結晶サファイア基板１１上に窒化物半導体発光素子を形成することができる。

図２に本単結晶サファイア基板１１を用いて作成した青色ＬＥＤ構造を示す。先ず、本発明による単結晶サファイア基板１１をＭＯＶＰＥ装置に装着し、窒素ガス主成分雰囲気下で１１００℃まで昇温し、サーマルクリーニングを行った。その後、温度を５００℃まで下げ、周期律表第３族原料として、トリメチルガリウム（以下ＴＭＧ）を、Ｎ原料としてアンモニアを流し、厚さ３０ｎｍのＡｌＧaＮ低温バッファ層２１を成長させた。続いて温度を１０００℃に昇温し原料としてＴＭＧ、アンモニアを、ドーパントとしてシランを流しｎ型ＧａＮコンタクト層２２を成長させた。続いて、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２４、ＧａＮ系半導体層２５、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２６、ｐ型ＧａＮコンタクト層２７を順に形成し、さらに、ｎ型コンタクト層を表出させるためのエッチング加工、ｎ電極２３とｐ型電極２８を形成した。

上記形成後にサファイア基板１１上の窒化物半導体発光素子の輝度は、基板裏面よりの光漏れが少ないため輝度の低下が見られず、その後裏面をバックグラインドし、素子分離した後の青色ＬＥＤの各素子間の輝度のバラツキも見られない。

ここで、本発明の単結晶サファイア基板１１の製造方法に関して説明する。

単結晶サファイア基板１１は、インゴットもしくは平板の単結晶サファイアより、所望の形状に切り出し、その後所定の厚みとなるように、バンドソー、ワイヤーソー等を用いて切断を実施する。その後、基板の裏面の粗さを規定するラッピングの工程を実施する。

図３は本発明の単結晶サファイア基板１１の両面ラッピング工程の模式的に示す図であり、単結晶サファイア基板１１の両面から遊離砥粒３１を介して、ラッピング定盤３２を押し当てて、回転させながらラッピングする。遊離砥粒３１に関してはサファイア基板が高硬度であることから、なるべく硬度の高い材料を用いることが必要である。具体的にはＳｉＣ、Ｂ_４Ｃ、ガラスビーズ、アルミナおよびダイヤモンド砥粒の少なくとも一種を用いる。遊離砥粒の粒径により、ラッピングで得られる面の算術平均粗さＲａは規定されるため、本発明における片面鏡面の単結晶サファイア基板の裏面の算術平均粗さＲａ０．４〜１．５μｍ、基板面内の算術平均粗さＲａのバラツキ０．４μｍ以下を得るためには、平均粒径１〜８０μｍの砥粒を用いることが必要であり、砥粒粒径のバラツキが３０μｍ以下の砥粒を用いる必要がある。砥粒粒径にバラツキを生じると両面ラッピング工程にて得られる表面すなわち、片面鏡面単結晶サファイア基板の裏面の算術平均粗さＲａにバラツキを生じることになる。

上記両面ラッピング加工実施後、基板表面に付着した砥粒、加工屑、定盤成分等を洗浄にて除去した後、加工歪除去の目的で熱処理を実施する。この熱処理は酸化、還元、真空いずれの雰囲気下でも可能であるが、各処理雰囲気により、裏面の面状態に差が生じ、それが透過率に影響を及ぼす。同一の熱処理条件であっても熱処理の雰囲気条件により、基板裏面状態に差が生じ透過率に影響する。また、同一雰囲気下であっても処理条件により面状態に差が生じ、同様に透過率に差を生じさせる。このため、透過率を低く且つバラツキを低減させるためには、ラッピング加工後の熱処理雰囲気および条件を適切に設定する必要がある。

上記の熱処理工程後、一方の主面に対してコロイダルシリカ等の研磨材を用いて鏡面加工を実施し、表面への汚染を除去する目的で精密洗浄を実施することにより、本発明の単結晶サファイア基板１１を得ることができる。

本発明の実施例として、直径φ２インチ、厚み０．４３０ｍｍの片面鏡面の単結晶サファイア基板であって、透過率が２００〜６００ｎｍの領域で、６％±０．５％の単結晶サファイア基板１１を以下に作製した。

まず、所定の面方位に切り出し外形を整えた単結晶サファイア基板を遊離砥粒にて両面ラッピング加工を実施した。この時、砥粒は平均粒径６５μｍのＢ_４Ｃ砥粒を使用し、６０μｍの加工を実施した。

ラッピング加工後、単結晶サファイア基板をアルカリ洗剤・純水にて洗浄を実施し、真空炉にて熱処理を実施した。その後、主面をダイヤ等を用いて粗研磨加工を実施した後、コロイダルシリカを用いた機械化学研磨を実施した。

このようにして得られた片面鏡面の単結晶サファイア基板１１の他方の主面１３の算術平均粗さＲａは、基板間および基板面内ともにＲａ０．８±０．１５μｍの範囲内であり、透過率においては２００〜６００ｎｍにおいて６％前後となっており、面内のバラツキに関しては±０．５％以下となった。

本加工方法によって得られた単結晶サファイア基板１１と比較例として他の方法により作成した透過率が１５％で透過率の面内バラツキが１２％の単結晶サファイア基板７１を用い、それぞれに、図２で示した一般的なＬＥＤ構造を形成し、輝度の評価を実施した。

図４（a）に発明実施例の単結晶サファイア基板１１上のＬＥＤの輝度の分布を示すように、平均４８．３ｍｃｄの輝度となり、面内バラツキにおいても３％以内となっていた。一方、図４（ｂ）に比較例の単結晶サファイア基板７１上に作成したＬＥＤの輝度の分布を示すように、平均で３０．３ｍｃｄの輝度となり、面内バラツキにおいても１５％を超える結果となった。次に、発光層を形成した単結晶サファイア基板１１，７１をバックグラインディングし、チップ化して再度輝度と輝度のバラツキの評価を実施した。

図５（a）に本発明実施例のサファイア基板１１上のＬＥＤの輝度の分布を示すように、平均４５．４ｍｃｄの輝度となり、面内バラツキにおいても３％以内となっていた。一方、図５（ｂ）に比較例の他の方法により作成した透過率が１５％で透過率の面内バラツキが１２％の単結晶サファイア基板７１上に作成したＬＥＤの輝度を示すように平均で４０．１ｍｃｄの輝度となり、面内バラツキにおいても１５％を超える結果となった。

以上のように本発明の単結晶サファイア基板を用いることにより、成膜後輝度判定時に輝度低下を生じることを防止でき、窒化物半導体発光層形成時に輝度のバラツキの低減を図ることができる。

窒化物半導体発光素子に適した単結晶サファイア基板を提供することができる。

本発明の単結晶サファイア基板を用いた窒化物半導体素子を示す断面図である。本発明の窒化物半導体発光素子の一例である青色ＬＥＤ素子の構成を示す断面図である。単結晶サファイア基板の両面ラッピング工程を示す模式図である。（a）（ｂ）は単結晶サファイア基板に窒化物半導体発光素子を形成したときの輝度を示す図である。（a）（ｂ）は単結晶サファイア基板に窒化物半導体発光素子を形成し、素子化した後の輝度を示す図である。従来の窒化物半導体発光素子の構成を示す断面図である。単結晶サファイア基板上に形成した窒化物半導体発光素子の光漏れを示す断面図である。

符号の説明

１１：単結晶サファイア基板
１２：一方の主面
１３：他方の主面
１４：バッファ層
１５：窒化物半導体結晶層
１６：発光層
２１：低温バッファ層
２２：ｎ型ＧａＮコンタクト層
２３：ｎ型電極
２４：ｎ型ＡｌＧaＮクラッド層
２５：ＧａＮ系半導体層
２６：ｐ型ＡｌＧaＮクラッド層
２７：ｐ型ＧａＮコンタクト層
２８：ｐ型電極
３１：遊離砥粒
３２：ラッピング定盤
６１：単結晶サファイア基板
６２：低温バッファ層
６３：多重層
６４：ｎ型ＧａＮ層
６５：ｎ型電極
６６：ＳｉドープＡｌ_０．１Ｇa_０．９Ｎｎ層
６７：活性層
６８：マグネシウムドープＡｌ_０．１Ｇa_０．９Ｎｐ層
６９：ＳｉＯ_２層
７０：ｐ型電極
７１：単結晶サファイア基板
７２：低温バッファ層
７３：窒化物半導体結晶層
７４：光の漏れ

Claims

一方の主面の算術平均粗さＲａが０．４〜１．５μｍであり、該一方の主面における算術平均粗さの面内バラツキが０．４μｍ以下であって、２００〜６００ｎｍの波長域の光に対する透過率が１０％以下である単結晶サファイア基板の製造方法であって、
単結晶サファイア基板の両主面を、砥粒を用いてラッピングするラッピング工程と、
前記単結晶サファイア基板の前記両主面から砥粒を除去する除去工程と、
前記単結晶サファイア基板を熱処理する熱処理工程と、
前記単結晶サファイア基板の他方の主面を鏡面研磨する研磨工程と
を有し、
前記砥粒の平均粒径が１〜８０μｍであり、前記砥粒の平均粒径のバラツキが、３０μｍ以下であることを特徴とする単結晶サファイア基板の製造方法。
前記砥粒は、ＳｉＣ又はＢ _４Ｃである請求項１に記載の単結晶サファイア基板の製造方法。
窒化物半導体発光素子の製造方法であって、
一方の主面の算術平均粗さＲａが０．４〜１．５μｍであり、該一方の主面における算術平均粗さの面内バラツキが０．４μｍ以下であって、２００〜６００ｎｍの波長域の光に対する透過率が１０％以下である単結晶サファイア基板を製造する基板製造工程と、
前記単結晶サファイア基板の他方の主面にＡｌＧａＮのバッファ層を形成するバッファ層形成工程と
前記バッファ層上に窒化物半導体結晶層を形成する結晶層形成工程と
を有し、
前記基板製造工程は、
前記単結晶サファイア基板の両主面を、砥粒を用いてラッピングするラッピング工程と、
前記単結晶サファイア基板の前記両主面から砥粒を除去する除去工程と、
前記単結晶サファイア基板を熱処理する熱処理工程と、
前記単結晶サファイア基板の前記他方の主面を鏡面研磨する研磨工程と
を有し、前記砥粒の平均粒径が１〜８０μｍであり、前記砥粒の平均粒径のバラツキが、３０μｍ以下であることを特徴とする窒化物半導体発光素子の製造方法。