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JP6195125B2 - 窒化物半導体テンプレート及びその製造方法 - Google Patents

窒化物半導体テンプレート及びその製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、窒化物半導体テンプレート及びその製造方法に関する。
従来、Ｇａ２Ｏ３基板上にＡｌＮバッファ層を介して窒化物半導体層が形成された窒化物半導体テンプレートが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１によれば、Ｇａ２Ｏ３基板の主面の面方位を選択することにより、窒化物半導体層の表面を鏡面にすることができる。
特開２０１４−１９９９３５号公報
しかしながら、Ｇａ２Ｏ３基板上に窒化物半導体を形成する場合、窒化物半導体のＡｌ組成の大きさによって、窒化物半導体のピットやクラックを抑制するための条件が異なるため、より高品質な窒化物半導体を得るためには、組成ごとに最適な方法を用いることが求められる。
近年、キュアリング等に用いる高圧水銀ランプの代替をめざして、３１５〜３６０ｎｍ帯の紫外線ＬＥＤの開発が進められている。
本発明の目的は、高品質な窒化物半導体を有する、紫外線ＬＥＤ用途に適した、導電性を有する透明な窒化物半導体テンプレート及びそれを簡便に製造することのできる製造方法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、以下の［１］〜［５］の窒化物半導体テンプレート、［６］〜［８］の窒化物半導体テンプレートの製造方法を提供する。
［１］Ｇａ２Ｏ３基板（（−２０１）面から［１０２］方向へ０．５°〜２．５°、［０１０］方向へ−１．０°〜１．０°のオフ角で傾斜した面を主面とするものを除く）と、前記Ｇａ２Ｏ３基板上に形成された、ＡｌＮを主成分とするバッファ層と、前記バッファ層上に形成された、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．２＜ｘ≦１）を主成分とする第１の窒化物半導体層（厚さ方向に貫通した穴が形成されたものを除く）と、前記第１の窒化物半導体層上に形成された、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０．２≦ｙ≦０．５５、ｙ＜ｘ）を主成分とする第２の窒化物半導体層と、を有し、前記第２の窒化物半導体層が表面にピットを有しない、窒化物半導体テンプレート。
［２］前記バッファ層の厚さが１０ｎｍ以下である、上記［１］に記載の窒化物半導体テンプレート。
［３］前記第２の窒化物半導体層が表面にクラックを有しない、上記［１］又は［２］に記載の窒化物半導体テンプレート。
［４］前記第２の窒化物半導体層の転位密度が２．０×１０１０ｃｍ−２以下である、上記［１］〜［３］のいずれか１項に記載の窒化物半導体テンプレート。
［５］Ｇａ２Ｏ３基板と、前記Ｇａ２Ｏ３基板上に、４００〜６００℃の成長温度でＡｌＮを主成分とするバッファ層を形成する工程と、前記バッファ層上に、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．２＜ｘ≦１）を主成分とする第１の窒化物半導体層を形成する工程と、前記第１の窒化物半導体層上に、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０．２≦ｙ≦０．５５、ｙ＜ｘ）を主成分とする第２の窒化物半導体層を形成する工程と、を有し、前記第２の窒化物半導体層の成長温度が１１００℃よりも高く、前記第１の窒化物半導体層の成長温度が１１００℃未満である、窒化物半導体テンプレートの製造方法。
［６］前記バッファ層の厚さが１０ｎｍ以下である、上記［５］に記載の窒化物半導体テンプレートの製造方法。
本発明によれば、高品質な窒化物半導体を有する、紫外線ＬＥＤ用途に適した、導電性を有する透明な窒化物半導体テンプレート及びそれを簡便に製造することのできる製造方法を提供することができる。
図１は、実施の形態に係る窒化物半導体テンプレートの垂直断面図である。 図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ試料１、４、５の第２の窒化物半導体層の表面の光学顕微鏡による観察画像である。 図３は、試料５の窒化物半導体テンプレートの対称反射法によるＸ線回折パターンを示す。 図４は、試料５の窒化物半導体テンプレートのフォトルミネッセンススペクトルを示す。
〔実施の形態〕
（窒化物半導体テンプレートの構造）
図１は、実施の形態に係る窒化物半導体テンプレート１０の垂直断面図である。窒化物半導体テンプレート１０は、発光波長が３１５〜３６０ｎｍの紫外線ＬＥＤの用途に適したテンプレートである。
窒化物半導体テンプレート１０は、Ｇａ２Ｏ３基板１１と、Ｇａ２Ｏ３基板１１上のバッファ層１２と、バッファ層１２上の第１の窒化物半導体層１３と、第１の窒化物半導体層１３上の第２の窒化物半導体層１４を含む。
Ｇａ２Ｏ３基板１１は、β−Ｇａ２Ｏ３単結晶からなる。Ｇａ２Ｏ３基板１１の主面は、品質の高い窒化物半導体結晶の成長の下地となることのできる、（−２０１）面、（１０１）面、（３１０）面、（３−１０面）、又はこれらの面からおよそ±２°以内の範囲で傾いた面である。Ｇａ２Ｏ３基板１１は、例えば、直径５０．８ｍｍ（２インチ）の円形基板であるが、その形状及び大きさは限定されない。
Ｇａ２Ｏ３は、波長３１５〜３６０ｎｍの光をほとんど吸収しないため、Ｇａ２Ｏ３基板１１は、発光波長が３１５〜３６０ｎｍの紫外線ＬＥＤ用の窒化物半導体テンプレート１０の基板として優れている。一方、例えば、ＧａＮは波長３１５〜３６０ｎｍの光をよく吸収するため、ＧａＮ基板は、紫外線ＬＥＤ用のテンプレートには不適切であり、光取出効率の低下を防ぐためには、ＬＥＤの製造後にＧａＮ基板を除去しなければならない。
また、Ｇａ２Ｏ３基板１１は、Ｓｉ、Ｓｎ等のドーパントを含み、優れた導電性を有するため、ＬＥＤ用基板として優れている。一方、例えば、サファイア基板のように導電性の低い基板を用いる場合、縦型のＬＥＤを形成することはできず、また、横型のＬＥＤを形成する場合であっても、基板上の膜厚の薄い窒化物半導体層を電流が流れるため、電気抵抗が高くなる。
バッファ層１２は、ＡｌＮを主成分とする結晶からなる。バッファ層１２は、図１に示されるようにＧａ２Ｏ３基板１１の上面を部分的に覆ってもよく、上面の全域を覆ってもよい。バッファ層１２の厚さは、結晶品質を高くするため、１０ｎｍ以下であることが好ましく、５ｎｍ以下であることがより好ましい。
第２の窒化物半導体層１４は、窒化物半導体テンプレート１０を用いて形成される紫外線ＬＥＤにおいて、クラッド層として用いられる。発光波長が３１５〜３６０ｎｍの紫外線ＬＥＤを形成するためには、クラッド層となる第２の窒化物半導体層１４の組成は、およそＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０．２≦ｙ≦０．５５）であることが求められる。
第１の窒化物半導体層１３のＡｌ組成は、第２の窒化物半導体層１４のＡｌ組成よりも大きい。すなわち、第１の窒化物半導体層１３の組成は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．２＜ｘ≦１）と表され、第１の窒化物半導体層１３のＡｌ組成ｘと第２の窒化物半導体層１４のＡｌ組成ｙは、ｙ＜ｘの関係を満たす。第１の窒化物半導体層１３がこのような組成を有することにより、第２の窒化物半導体層１４の表面を鏡面にして、かつクラック及びピットの発生を抑えることができる。
第１の窒化物半導体層１３及び第２の窒化物半導体層１４は、Ｓｉ等のドーパントを含んでもよい。第１の窒化物半導体層１３の厚さは、例えば、１００〜３００ｎｍである。第２の窒化物半導体層１４の厚さは、例えば、１〜２μｍである。
第２の窒化物半導体層１４の表面は鏡面であり、また、クラック及び孔状の欠陥であるピットをほとんど、又は全く有しない。
なお、第１の窒化物半導体層１３を設けずに、バッファ層１２上に第２の窒化物半導体層１４を形成する場合、第２の窒化物半導体層１４の表面にクラックが生じる。また、第２の窒化物半導体層１４を設けずに、第１の窒化物半導体層１３のみをバッファ層１２上に形成する場合、表面を鏡面にすることができない。
（窒化物半導体テンプレートの製造方法）
以下に、窒化物半導体テンプレート１０の製造方法の一例について説明する。
まず、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）処理されたＧａ２Ｏ３基板１１に有機洗浄、及びＳＰＭ（Sulfuric acid/ hydrogen peroxide mixture）洗浄を施す。
次に、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）装置のチャンバー内にＧａ２Ｏ３基板１１を搬送する。
次に、Ｇａ２Ｏ３基板１１上にバッファ層１２を形成する。この膜状のバッファ層１２は、チャンバー内の温度を４００〜６００℃に保持した状態で、原料ガスと、キャリアガスとしてのＮ２ガスをチャンバー内に供給して、ＡｌＮ結晶をＧａ２Ｏ３基板１１上に成長させることにより形成される。
バッファ層１２の原料ガスとしては、例えば、Ａｌの原料としてのトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）ガス、及びＮの原料としてのＮＨ３ガスが用いられる。なお、キャリアガスとして、Ｈ２ガス等を用いてもよい。
次に、バッファ層１２上に第１の窒化物半導体層１３を形成する。具体的には、例えば、圧力を１００ｍｂａｒ、温度を８８５℃以上に保持した状態で、第１の窒化物半導体層１３の原料ガスとキャリアガスとしてのＨ２ガスをチャンバー内に供給して、第１の窒化物半導体層１３を成長させる。
窒化物半導体層１３の原料ガスとしては、例えば、Ａｌの原料としてのトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）ガス、Ｇａの原料としてのトリメチルガリウム（ＴＭＧ）ガス、及びＮの原料としてのＮＨ３ガスが用いられる。なお、キャリアガスとして、Ｎ２ガス等を用いてもよい。
次に、第１の窒化物半導体層１３上に第２の窒化物半導体層１４を形成する。具体的には、例えば、チャンバー内の温度を１１００℃以上に保持した状態で、第２の窒化物半導体層１４の原料ガスとキャリアガスとしてのＨ２ガスをチャンバー内に供給して、第２の窒化物半導体層１４を成長させる。
ここで、第２の窒化物半導体層１４を１１００℃より高い成長温度で成長させることにより、ピットの発生を抑えることができ、１１２０℃以上の成長温度で成長させることにより、ピットの発生をより確実に抑えることができる。
第２の窒化物半導体層１４の原料ガスとして、窒化物半導体層１３の原料ガスと同じものを用いることができる。なお、キャリアガスとして、Ｎ２ガス等を用いてもよい。
（第２の窒化物半導体層の表面状態の評価）
以下の表１は、各層の成長条件と、第２の窒化物半導体層の表面状態の評価結果を示す。
この評価に用いられた７種類の窒化物半導体テンプレート（試料１〜７）のＧａ２Ｏ３基板は、いずれも（−２０１）面を主面とする直径２インチの円形基板である。また、第１の窒化物半導体層及び第２の窒化物半導体層のＡｌ原料、Ｇａ原料、Ｎ原料として、それぞれトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）ガス、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）ガス、ＮＨ３ガスを用いた。
試料１〜７の第２の窒化物半導体層の成長レートは、いずれも２μｍ/ｈであった。
試料１、２においては、第１の窒化物半導体層を成膜せずに、バッファ層上に直接第２の窒化物半導体層を形成した。試料１の第２の窒化物半導体層の表面には、ピット及びクラックが生じ、また、鏡面が得られたのは直径２５ｍｍの一部の領域のみであった。また、試料２の第２の窒化物半導体層の表面にも、同様に、ピット及びクラックが生じた。これらは、第１の窒化物半導体層を形成しなかったことによると考えられる。
また、試料１においては、Ｇａ２Ｏ３基板の一部がエッチングされていた。これは、第１の窒化物半導体層よりも成長温度の高い第２の窒化物半導体層をバッファ層上に直接成膜したため、バッファ層がマイグレーション（又は結晶化）しすぎて、Ｇａ２Ｏ３基板の表面の一部におけるバッファ層による保護が不十分になったことによると考えられる。なお、試料２においては、バッファ層の成長温度が高すぎたため、バッファ層を成膜する段階で既にＧａ２Ｏ３基板がエッチングされていた。
試料３の第２の窒化物半導体層の表面には、クラックが生じた。これは、第１の窒化物半導体層と第２の窒化物半導体層のＡｌ組成が等しいことによると考えられる。
試料４の第２の窒化物半導体層の表面には、ピットが生じた。これは、第２の窒化物半導体層の成長温度が１１００℃だと、結晶の横方向成長が足りないためと考えられる。
試料５の第２の窒化物半導体層の表面には、クラックとピットのいずれも発生しなかった。これは、主に、第１の窒化物半導体層と第２の窒化物半導体層の両者が形成され、第２の窒化物半導体層のＡｌ組成が第１の窒化物半導体層のＡｌ組成よりも小さいことによると考えられる。また、第２の窒化物半導体層の成長温度が１１２０℃であり、１１００℃よりも高かったため、ピットが発生しなかったものと考えられる。
試料６は、第１の窒化物半導体層の電気抵抗を低めるため、第１の窒化物半導体層の材料を試料５のＡｌＮからＡｌ０．８Ｇａ０．２Ｎに変更したものであるが、この試料においても、クラックとピットのいずれも発生しなかった。
試料７は、短波長のＬＥＤ向けに試料５、６よりも第２の窒化物半導体層のＡｌ組成を高めたものであるが、この試料においても、クラックやピットのいずれも発生しなかった。
なお、試料１〜７のいずれにおいても、第２の窒化物半導体層の転位密度は２．０×１０１０ｃｍ−２以下に抑えられた。
上記の試料１〜７の評価結果から、第１の窒化物半導体層と第２の窒化物半導体層の両者が形成され、第２の窒化物半導体層のＡｌ組成が第１の窒化物半導体層のＡｌ組成よりも小さいこと、及び第２の窒化物半導体層の成長温度が１１００℃よりも高いことが、表面状態のよい第２の窒化物半導体層を得るための条件であることがわかる。
図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ試料１、４、５の第２の窒化物半導体層の表面の光学顕微鏡による観察画像である。表１に示されるように、図２（ａ）の試料１の第２の窒化物半導体層の表面にはクラックが観察され、図２（ｂ）の試料４の第２の窒化物半導体層の表面にはピットが観察される。一方、図２（ｃ）の試料５の第２の窒化物半導体層の表面には、クラックもピットも観察されない。
図３は、試料５の窒化物半導体テンプレートのＸ線回折パターンを示す。図３のＸ線回折パターンには、Ｇａ２Ｏ３基板の（−２０１）面及び（−２０１）面に平行な面での回折によるピークと、第１の窒化物半導体層であるＡｌＮの（０００１）面に平行な面及び第２の窒化物半導体層であるＡｌ０．３Ｇａ０．７Ｎの（０００１）面に平行な面での回折によるピークのみが含まれており、第２の窒化物半導体層に異なった方位に成長した相が含まれていないことが示されている。なお、Ａｌ０．３Ｇａ０．７ＮのＡｌ組成をピーク位置から完全格子緩和を仮定して求めたところ０．２９であったため、図３中ではＡｌ０．２９Ｇａ０．７１Ｎと記載している。
また、試料５の窒化物半導体テンプレートにＸ線ロッキングカーブ測定を行ったところ、（０００２）面での回折によるピークの半値幅は１１６４ａｒｃｓｅｃ、（１−１０２）面での回折によるピーク回折の半値幅は１５３６ａｒｃｓｅｃであった。
図４は、試料５の窒化物半導体テンプレートのフォトルミネッセンススペクトルを示す。このスペクトルは、波長２４４ｎｍの励起光による室温下でのフォトルミネッセンス測定により得られたものであり、バンド端発光によるものと思われる波長３０５ｎｍのピークをメインピークとして有している。
（実施の形態の効果）
上記実施の形態によれば、高品質な窒化物半導体をＧａ２Ｏ３基板上に有する、発光波長が３１５〜３６０ｎｍの紫外線ＬＥＤ用途に適した窒化物半導体テンプレートを得ることができる。
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は、上記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。
また、上記に記載した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。
１０…窒化物半導体テンプレート、 １１…Ｇａ２Ｏ３基板、 １２…バッファ層、 １３…第１の窒化物半導体層、 １４…第２の窒化物半導体層

Claims (6)

  1. Ｇａ２Ｏ３基板（（−２０１）面から［１０２］方向へ０．５°〜２．５°、［０１０］方向へ−１．０°〜１．０°のオフ角で傾斜した面を主面とするものを除く）と、
    前記Ｇａ２Ｏ３基板上に形成された、ＡｌＮを主成分とするバッファ層と、
    前記バッファ層上に形成された、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．２＜ｘ≦１）を主成分とする第１の窒化物半導体層（厚さ方向に貫通した穴が形成されたものを除く）と、
    前記第１の窒化物半導体層上に形成された、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０．２≦ｙ≦０．５５、ｙ＜ｘ）を主成分とする第２の窒化物半導体層と、
    を有し、
    前記第２の窒化物半導体層が表面にピットを有しない、
    窒化物半導体テンプレート。
  2. 前記バッファ層の厚さが１０ｎｍ以下である、
    請求項１に記載の窒化物半導体テンプレート。
  3. 前記第２の窒化物半導体層が表面にクラックを有しない、
    請求項１又は２に記載の窒化物半導体テンプレート。
  4. 前記第２の窒化物半導体層の転位密度が２．０×１０１０ｃｍ−２以下である、
    請求項１〜３のいずれか１項に記載の窒化物半導体テンプレート。
  5. Ｇａ２Ｏ３基板と、
    前記Ｇａ２Ｏ３基板上に、４００〜６００℃の成長温度でＡｌＮを主成分とするバッファ層を形成する工程と、
    前記バッファ層上に、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．２＜ｘ≦１）を主成分とする第１の窒化物半導体層を形成する工程と、
    前記第１の窒化物半導体層上に、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０．２≦ｙ≦０．５５、ｙ＜ｘ）を主成分とする第２の窒化物半導体層を形成する工程と、
    を有し、
    前記第２の窒化物半導体層の成長温度が１１００℃よりも高く、前記第１の窒化物半導体層の成長温度が１１００℃未満である、
    窒化物半導体テンプレートの製造方法。
  6. 前記バッファ層の厚さが１０ｎｍ以下である、
    請求項５に記載の窒化物半導体テンプレートの製造方法。
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