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JP5734362B2 - 半導体積層構造体及び半導体素子 - Google Patents

半導体積層構造体及び半導体素子 Download PDF

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Description

本発明は、半導体積層構造体及び半導体素子に関する。
従来、Ga基板と、Ga基板上にGaNバッファ層を介して形成されたGaN層とを有する発光ダイオードが知られている(例えば、特許文献1参照)。特許文献1によれば、(100)面から2度以上4度以下の角度で傾斜した面を主面とするGa基板上に、GaNバッファ層及びGaN層を成長させる。
特開2010−183026号公報
Ga結晶の(100)面は劈開性の強い面であるので、(100)面又は(100)面から僅かに傾斜した面を主面とするGa基板上に結晶層をエピタキシャル成長させると、結晶層がGa基板から剥離するおそれがある。
したがって、本発明の目的は、Ga基板と、Ga基板からの剥離のおそれが少なく、結晶品質の高い窒化物半導体層とを有する半導体積層構造体、及びその半導体積層構造体を含む半導体素子を提供することにある。
本発明の一態様は、上記目的を達成するために、[1]〜[5]の半導体積層構造体を提供する。
[1](−201)面を基準として[102]方向へ−0.4°以上0.2°以下のオフセット角度で傾斜した面を主面とするβ−Ga結晶からなる基板と、前記基板の前記主面上にエピタキシャル結晶成長により形成されたGaN結晶からなるバッファ層と、前記基板の前記主面上に前記バッファ層を介してエピタキシャル結晶成長により形成されたAlGaInN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、x+y+z=1)結晶からなる窒化物半導体層と、を有する半導体積層構造体。
[2]前記主面は、(−201)面を基準として[102]方向へ−0.2°以上0.0°以下のオフセット角度で傾斜した面である、前記[1]に記載の半導体積層構造体。
[3]前記主面は、(−201)面を基準として[010]方向へ−0.4°以上0.4°以下のオフセット角度で傾斜した面である、前記[1]又は[2]に記載の半導体積層構造体。
[4]前記主面は、(−201)面を基準として[010]方向へ−0.2°以上0.2°以下のオフセット角度で傾斜した面である、前記[3]に記載の半導体積層構造体。
[5]前記窒化物半導体層は、GaN結晶からなる、前記[1]〜[4]のいずれか1項に記載の半導体積層構造体。
また、本発明の他の態様は、上記目的を達成するために、[6]の半導体素子を提供する。
[6]前記[1]〜[5]のいずれか1項に記載の半導体積層構造体を含む、半導体素子。
本発明によれば、Ga基板と、Ga基板からの剥離のおそれが少なく、結晶品質の高い窒化物半導体層とを有する半導体積層構造体、及びその半導体積層構造体を含む半導体素子を提供することができる。
図1は、第1の実施の形態に係る半導体積層構造体の垂直断面図である。 図2は、β−Ga結晶の単位格子と、β−Ga基板の主面との方位関係を示す概念図である。 図3(a)〜(c)は、β−Ga基板の主面のオフセット角度θsと窒化物半導体層の主面の傾斜角度θとの関係を表す模式図である。 図4は、β−Ga基板の(−201)面に直交し、[010]方向に平行な半導体積層構造体の断面の模式図である。 図5(a)、(b)は、β−Ga基板の主面のオフセット角度θsと窒化物半導体層の主面の傾斜角度θとの差Δθの半導体積層構造体の面内の分布を表すグラフである。 図6は、半導体積層構造体ごとのΔθのばらつきを示すグラフである。 図7(a)、(b)は、窒化物半導体層の結晶品質の半導体積層構造体ごとのばらつきを示すグラフである。 図8(a)〜(d)は、それぞれ窒化物半導体層の主面の傾斜角度θが0.14°、0.25°、0.45°、0.63°であるときの窒化物半導体層の主面の状態を写した写真である。 図9(a)は、GaNからなるバッファ層を用いた場合の窒化物半導体層の主面の状態を写した写真であり、図9(b)は、AlNからなるバッファ層を用いた場合の窒化物半導体層の主面の状態を写した写真である。 図10は、第2の実施の形態に係るLED素子の垂直断面図である。
〔第1の実施の形態〕
(半導体積層構造体の構造)
図1は、第1の実施の形態に係る半導体積層構造体1の垂直断面図である。半導体積層構造体1は、β−Ga基板2と、β−Ga基板2の主面2a上に形成されたバッファ層3と、バッファ層3を介してβ−Ga基板2の主面2a上に形成された窒化物半導体層4とを有する。
β−Ga基板2は、β−Ga結晶からなる。β−Ga基板2は、Si等の導電型不純物を含んでもよい。β−Ga基板2の厚さは、例えば、400μmである。
β−Ga基板2の主面2aは、(−201)面を基準として[102]方向にオフセット角度θsで傾斜した面、すなわち法線ベクトルが(−201)面の法線ベクトルを基準として[102]方向にオフセット角度θsで傾斜した面である。
オフセット角度θsは、−0.4°以上0.2°以下であることが好ましく、−0.2°以上0.0°以下であることがより好ましい。
図2は、β−Ga結晶の単位格子と、β−Ga基板2の主面2aとの方位関係を示す概念図である。図2のθsは、(−201)面からの[102]方向へのオフセット角度を表す。なお、図2においては、(−201)面からの[010]方向へのオフセット角度は0°であるとする。
図2中の単位格子2bがβ−Ga結晶の単位格子である。β−Ga結晶は単斜晶系に属するβ−ガリア構造を有し、不純物を含まないβ−Ga結晶の典型的な格子定数はa=12.23Å、b=3.04Å、c=5.80Å、α=γ=90°、β=103.7°である。ここで、a、b、cは、それぞれ[100]方向、[010]方向、[001]方向の軸の長さを表す。
バッファ層3は、GaN結晶からなる。バッファ層3は、β−Ga基板2上にアイランド状に形成されてもよいし、膜状に形成されてもよい。バッファ層3は、Si等の導電型不純物を含んでもよい。バッファ層3の厚さは、例えば、4〜96nm程度である。
バッファ層3は、例えば、β−Ga基板2の主面2a上に450〜530℃程度の成長温度でGaN結晶をエピタキシャル成長させることにより、形成される。
窒化物半導体層4は、AlGaInN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、x+y+z=1)結晶からなり、特に、高い品質の結晶が得られやすいGaN結晶(y=1、x=z=0)からなることが好ましい。窒化物半導体層4の厚さは、例えば、5μmである。窒化物半導体層4は、Si等の導電型不純物を含んでもよい。
窒化物半導体層4は、例えば、β−Ga基板2の主面2a上にバッファ層3を介して、1000°程度の成長温度でAlGaInN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、x+y+z=1)結晶をエピタキシャル成長させることにより、形成される。
窒化物半導体層4の主面4aは、(002)面を基準として傾斜角度θで傾斜した面である。この傾斜角度θの絶対値が小さいほど、窒化物半導体層4の主面4aの表面粗さが小さくなる。
窒化物半導体層4の主面4aの凹凸は、半導体積層構造体1を含む半導体素子におけるリークの原因となるため、窒化物半導体層4の主面4aの表面粗さを低減することにより、リークを低減することができる。
図3(a)〜(c)は、β−Ga基板2の主面2aのオフセット角度θsと窒化物半導体層4の主面4aの傾斜角度θとの関係を表す模式図である。図3(a)〜(c)の断面は、β−Ga基板2の(−201)面に直交する、[102]方向に平行な面である。
図3(a)に示されるように、β−Ga基板2の主面2aがオフセット角度θsを有さない(θs=0°)のときには、窒化物半導体層4の主面4aが所定の傾斜角度θで(002)面から傾斜する。
図3(b)に示されるように、β−Ga基板2の主面2aがオフセット角度θsを有し、窒化物半導体層4の主面4aの傾斜角度θが小さくなると、窒化物半導体層4の主面4aの表面粗さが低減する。
図3(c)に示されるように、β−Ga基板2の主面2aに適切なオフセット角度θsの傾きを設けることにより、窒化物半導体層4の主面4aの傾斜角度θを0°に近づけることができる。これにより、窒化物半導体層4の主面4aの表面粗さを効果的に低減することができる。
具体的には、β−Ga基板2の主面2aのオフセット角度θsが−0.4°以上0.2°以下であるときに窒化物半導体層4の主面4aの傾斜角度θを0°に近い−0.4°以上0.4°以下という数値範囲に収めることができ、β−Ga基板2の主面2aのオフセット角度θsが−0.2°以上0.0°以下であるときに窒化物半導体層4の主面4aの傾斜角度θをより0°に近い−0.2°以上0.2°以下という数値範囲に収めることができる。
図4は、β−Ga基板2の(−201)面に直交し、[010]方向に平行な半導体積層構造体1の断面の模式図である。ここで、[010]方向は、(−201)面内で[102]方向と直行する方向である。
図4に示される断面においては、β−Ga基板2の(−201)面と窒化物半導体層4の(002)面はほぼ平行である。このため、窒化物半導体層4の主面4aを(002)面に近づけて表面粗さを低減するためには、β−Ga基板2の主面2aの(−201)面を基準とした[010]方向へのオフセット角度は、0°を中心とする−0.4°以上0.4°以下の範囲内であることが好ましく、−0.2°以上0.2°以下の範囲内であることがより好ましい。
(半導体積層構造体の評価)
以下に、半導体積層構造体1の評価結果を示す。この評価においては、GaN結晶からなる窒化物半導体層4を用いた。また、厚さ48nmのGaN又はAlNからなるバッファ層3を用いた。
図5(a)、(b)は、β−Ga基板2の主面2aのオフセット角度θsと窒化物半導体層4の主面4aの傾斜角度θとの差Δθの半導体積層構造体1の面内の分布を表すグラフである。図5(a)は、GaNからなるバッファ層3を用いた場合のΔθの分布を表し、図5(b)は、AlNからなるバッファ層3を用いた場合のΔθの分布を表す。
ここで、β−Ga基板2の(−201)面と窒化物半導体層4の(002)面とがなす角をΔθとすると、Δθ、θ、θsの関係は、Δθ=θ−θsで表される。
図5(a)、(b)の横軸は、半導体積層構造体1の面内のX方向又はY方向の位置を表す。ここで、図5(a)、(b)にプロットされたマーク○は、半導体積層構造体1の面内の中心を通り、[010]方向に平行な線上における測定値を表し、マーク□は、半導体積層構造体1の面内の中心を通り、[102]方向に平行な線上における測定値を表す。それぞれ、半導体積層構造体1の面内の中心を測定位置の原点とする。
図5(a)、(b)は、GaNからなるバッファ層3を用いた場合、AlNからなるバッファ層3を用いた場合よりも、半導体積層構造体1の面内のΔθのばらつきが小さく、面内で均一なオフセット角度を有する窒化物半導体層4が形成されていることを示している。
図6は、半導体積層構造体1ごとのΔθのばらつきを示すグラフである。図6はΔθの累積相対度数分布を表す。図6にプロットされたマーク○は、GaNからなるバッファ層3を用いた半導体積層構造体1におけるΔθの累積相対度数分布を表し、マーク□は、AlNからなるバッファ層3を用いた半導体積層構造体1におけるΔθの累積相対度数分布を表す。なお、各々の半導体積層構造体1のΔθの値は、面内の中心位置で測定されたものである。
図6は、GaNからなるバッファ層3を用いた場合、AlNからなるバッファ層3を用いた場合よりも、半導体積層構造体1ごとのΔθのばらつきが小さくなることを示している。
図7(a)、(b)は、窒化物半導体層4の結晶品質の半導体積層構造体1ごとのばらつきを示すグラフである。図7(a)は窒化物半導体層4の(002)面のX線ロッキングカーブの半値幅の累積相対度数分布を表し、図7(b)は窒化物半導体層4の(101)面のX線ロッキングカーブの半値幅の累積相対度数分布を表す。
図7(a)、(b)にプロットされたマーク○は、GaNからなるバッファ層3を用いた半導体積層構造体1におけるX線ロッキングカーブの半値幅の累積相対度数分布を表し、マーク□は、AlNからなるバッファ層3を用いた半導体積層構造体1におけるX線ロッキングカーブの半値幅の累積相対度数分布を表す。
図7(a)、(b)は、GaNからなるバッファ層3を用いた場合、AlNからなるバッファ層3を用いた場合よりも、窒化物半導体層4の結晶品質の半導体積層構造体1ごとのばらつきはあまり変化しないものの、窒化物半導体層4の結晶品質が向上することを示している。
図5(a)、図6より、GaNからなるバッファ層3を用いた場合のΔθはおよそ0.0以上0.2°以下の範囲に分布することがわかる。そのため、β−Ga基板2の主面2aのオフセット角度θsを−0.4°以上0.2°以下とすることにより、窒化物半導体層4の主面4aの傾斜角度θを−0.4°以上0.4°以下という数値範囲に収めることができる。また、β−Ga基板2の主面2aのオフセット角度θsを−0.2°以上0.0°以下とすることにより、窒化物半導体層4の主面4aの傾斜角度θを−0.2°以上0.2°以下という数値範囲に収めることができる。
図8(a)〜(d)は、それぞれ窒化物半導体層4の主面4aの傾斜角度θが0.14°、0.25°、0.45°、0.63°であるときの窒化物半導体層4の主面4aの状態を写した写真である。
図8(a)〜(d)は、傾斜角度θの増加に伴って窒化物半導体層4の主面4aに現れるステップバンチングが大きくなることを示している。図8(a)、(b)に示される窒化物半導体層4の主面4aには、ステップバンチングがほとんど確認できないが、図8(c)、(d)に示される窒化物半導体層4の主面4aには、ステップバンチングが明確に確認できる。
図8(a)〜(d)から、傾斜角度θがおよそ0.4°よりも大きい(−0.4°よりも小さい)ときにステップバンチングが明確に確認できる大きさになると推測される。さらに、傾斜角度θがおよそ−0.2°以上0.2°以下であるときに、光学顕微鏡による観察が困難になるほどステップバンチングが小さくなり、平滑な表面が得られると推測される。
図9(a)は、GaNからなるバッファ層3を用いた場合の窒化物半導体層4の主面4aの状態を写した写真であり、図9(b)は、AlNからなるバッファ層3を用いた場合の窒化物半導体層4の主面4aの状態を写した写真である。
図9(a)、(b)は、GaNからなるバッファ層3を用いた場合、AlNからなるバッファ層3を用いた場合よりも、窒化物半導体層4の主面4a上に観察されるヒロック状の凸部が大きく低減されることを示している。
具体的には、窒化物半導体層4の主面4aのヒロック密度は、GaNからなるバッファ層3を用いた場合は1cm当たり1個未満、AlNからなるバッファ層3を用いた場合は1cm当たり10〜10個であった。
なお、ヒロックの発生は窒化物半導体層4の主面4aの傾斜角度θの影響はほとんど受けないが、GaNからなるバッファ層3を用いてヒロック密度を低減することにより、表面平坦性をより効果的に向上することができる。
〔第2の実施の形態〕
(半導体素子の構造)
第2の実施の形態は、第1の実施の形態の半導体積層構造体1を含む半導体素子についての形態である。以下に、その半導体素子の一例として、LED素子について説明する。
図10は、第2の実施の形態に係るLED素子10の垂直断面図である。LED素子10は、β−Ga基板11と、β−Ga基板11上のバッファ層12と、バッファ層12上のn型クラッド層13と、n型クラッド層13上の発光層14と、発光層14上のp型クラッド層15と、p型クラッド層15上のコンタクト層16と、コンタクト層16上のp側電極17と、β−Ga基板11のバッファ層12と反対側の面上のn側電極18とを有する。
また、バッファ層12、n型クラッド層13、発光層14、p型クラッド層15、及びコンタクト層16から構成される積層体の側面は、絶縁膜19に覆われる。
ここで、β−Ga基板11、バッファ層12、及びn型クラッド層13は、第1の実施の形態の半導体積層構造体1を構成するβ−Ga基板2、バッファ層3、及び窒化物半導体層4にそれぞれ相当する。β−Ga基板11、バッファ層12、及びn型クラッド層13の厚さは、例えば、それぞれ400μm、48nm、5μmである。
発光層14は、例えば、3層の多重量子井戸構造と、その上の厚さ10nmのGaN結晶膜からなる。各多重量子井戸構造は、厚さ8nmのGaN結晶膜と厚さ2nmのInGaN結晶膜からなる。発光層14は、例えば、成長温度750℃で各結晶膜をn型クラッド層13上にエピタキシャル成長させることにより形成される。
p型クラッド層15は、例えば、厚さ150nmの、濃度5.0×1019/cmのMgを含むGaN結晶膜である。p型クラッド層15は、例えば、成長温度1000℃でMgを含むGaN結晶を発光層14上にエピタキシャル成長させることにより形成される。
コンタクト層16は、例えば、厚さ10nmの、濃度1.5×1020/cmのMgを含むGaN結晶膜である。コンタクト層16は、例えば、成長温度1000℃でMgを含むGaN結晶をp型クラッド層15上にエピタキシャル成長させることにより形成される。
バッファ層12、n型クラッド層13、発光層14、p型クラッド層15、及びコンタクト層16の形成においては、Ga原料としてTMG(トリメチルガリウム)ガス、In原料としてTMI(トリメチルインジウム)ガス、Si原料として(CSiH(ジエチルシラン)ガス、Mg原料としてCpMg(ビスシクロペンタジエニルマグネシウム)ガス、N原料としてNH(アンモニア)ガスを用いることができる。
絶縁膜19は、SiO等からなる絶縁材料からなり、例えば、スパッタリングにより形成される。
p側電極17及びn側電極18は、それぞれコンタクト層16及びβ−Ga基板11にオーミック接合する電極であり、例えば、蒸着装置により形成される。
LED素子10は、ウエハ状態のβ−Ga基板11上に、バッファ層12、n型クラッド層13、発光層14、p型クラッド層15、コンタクト層16、p側電極17、及びn側電極18を形成した後、これらをダイシングによって、例えば、300μm角のチップサイズに分離することにより得られる。
LED素子10は、例えば、β−Ga基板11側から光を取り出すLEDチップであり、キャンタイプのステムにAgペーストを用いて実装される。
LED素子10のn型クラッド層13は、特別なオフセット角度で傾斜した面を主面とするβ−Ga基板11上に形成されるため、第1の実施の形態に示されるように、表面粗さが小さく、かつ優れた結晶品質を有する。また、優れた結晶品質を有するn型クラッド層13上にエピタキシャル結晶成長により形成される発光層14、p型クラッド層15、及びコンタクト層16も優れた結晶品質を有する。このため、LED素子10は、リーク特性及び信頼性に優れる。
(実施の形態の効果)
第1及び第2の実施の形態によれば、(−201)面から傾斜した面を主面とするβ−Ga基板上にGaNからなるバッファ層を介してAlGaInN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、x+y+z=1)結晶をエピタキシャル成長させることにより、主面の表面粗さが小さく、かつ結晶品質の高い窒化物半導体層を得ることができる。
また、このような窒化物半導体層を用いることにより、リーク電流の発生を抑え、信頼性に優れる半導体素子を形成することができる。
本発明は、上記の実施の形態に限定されず、発明の主旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施が可能である。例えば、第2の実施の形態においては、第1の実施の形態の半導体積層構造体を含む半導体素子として、LED素子を一例として挙げたが、半導体素子はこれに限定されるものではなく、トランジスタ等の他の素子であってもよい。
また、上記の実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。
1…半導体積層構造体、 2…β−Ga基板、 3…バッファ層、 4…窒化物半導体層、 10…LED素子

Claims (6)

  1. (−201)面を基準として[102]方向へ−0.4°以上0.2°以下のオフセット角度で傾斜した面を主面とするβ−Ga結晶からなる基板と、
    前記基板の前記主面上にエピタキシャル結晶成長により形成されたGaN結晶からなるバッファ層と、
    前記基板の前記主面上に前記バッファ層を介してエピタキシャル結晶成長により形成されたAlGaInN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、x+y+z=1)結晶からなる窒化物半導体層と、
    を有する半導体積層構造体。
  2. 前記主面は、(−201)面を基準として[102]方向へ−0.2°以上0.0°以下のオフセット角度で傾斜した面である、
    請求項1に記載の半導体積層構造体。
  3. 前記主面は、(−201)面を基準として[010]方向へ−0.4°以上0.4°以下のオフセット角度で傾斜した面である、
    請求項1又は2に記載の半導体積層構造体。
  4. 前記主面は、(−201)面を基準として[010]方向へ−0.2°以上0.2°以下のオフセット角度で傾斜した面である、
    請求項3に記載の半導体積層構造体。
  5. 前記窒化物半導体層は、GaN結晶からなる、
    請求項1〜4のいずれか1項に記載の半導体積層構造体。
  6. 請求項1〜5のいずれか1項に記載の半導体積層構造体を含む、半導体素子。
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