KR20130083859A - Ⅲ족 질화물 에피택셜 기판 및 그 기판을 이용한 심자외 발광소자 - Google Patents

Abstract

[과제] 발광 출력을 향상한 심자외 발광소자를 얻는 것이 가능한 III족 질화물 에피택셜 기판을 제공한다. [해결 수단] 본 발명에 따르는 III족 질화물 에피택셜 기판(10)은, 기판(12), AlN 버퍼층(14), 제1 초격자 적층체(16), 제2 초격자 적층체(18) 및 III족 질화물 적층체(20)을 순차로 갖는다. III족 질화물 적층체(20)는, Al_αGa_{1 -α}N(0.03≤α)으로 이루어진 활성층(24)을 포함한다. 제1 초격자 적층체(16)는, Al_aGa_{1 - a}N층(16A)과, Al_bGa_{1 -b}N(0.9<b≤1) 층(16B)을 교대로 포함하고, α<a 및 a<b의 조건을 만족한다. 제2 초격자 적층체(18)는, Al_xGa_{1 - x}N층(18A), Al_yGa_1-yN층(18B), 및 Al_zGa_{1 -z}N(0.9<z≤1)층(18C)을 반복해 포함하고, α<x 및 x<y<z의 조건을 만족한다.

Description

Ⅲ족 질화물 에피택셜 기판 및 그 기판을 이용한 심자외 발광소자{III NITRIDE EPITAXIAL SUBSTRATE AND DEEP ULTRAVIOLET LIGHT EMITTING DEVICE USING THE SAME}

본 발명은, III족 질화물 에피택셜 기판 및 상기 기판을 이용한 심자외 발광소자에 관한 것이다.

최근, 일반적으로, Al, Ga, In 등과 N의 화합물로 이루어진 III족 질화물 반도체는, 발광소자나 전자 디바이스용 소자 등에 널리 이용되고 있다. 이러한 디바이스의 특성은, III족 질화물 반도체의 결정성에 크게 영향을 받기 때문에, 결정성이 높은 III족 질화물 반도체를 성장시키기 위한 기술이 요구되고 있다.

III족 질화물 반도체는, 사파이어, SiC, Si 또는 GaAs 등으로 이루어진 기판 상에 에피택셜 성장시키는 것에 의해서 형성된다. 그러나, III족 질화물 반도체와 이들 기판은 격자 정수나 열팽창 계수가 크게 다르기 때문에, 이들 기판 상에 III족 질화물 반도체를 성장시켰을 경우, 성장한 III족 질화물 반도체에는 크랙이나 피트(점상 결함)가 발생한다고 하는 문제가 있었다. 그래서, 기판 상에 버퍼층을 형성한 후, 상기 버퍼층 상에 III족 질화물 반도체층을 에피택셜 성장시키는 것으로, 버퍼층의 변형(歪) 완충 효과에 의해, 크랙이나 피트(pits)의 발생을 방지하여, 결정성이 높은 III족 질화물층을 성장시키는 것이 알려져 있다.

특허문헌 1에는, Si 기판과 III족 질화물 반도체층과의 사이에, Al_xGa_{1 -x}N(Al 함유율 x가 0.5≤x≤1)으로 이루어진 제1층과 Al_yGa_{1 - y}N(Al 함유율 y가 0.01≤y≤0.2)로 이루어진 제2층을 교대로 각각 복수층 적층한 AlN계 초격자 버퍼층을 형성함으로써, Si 기판 상에 결정성이 높고, 크랙의 발생을 방지한 III족 질화물 반도체층을 제조하는 기술이 개시되고 있다.

또, 특허문헌 2에는, Si 기판 상에 AlN 버퍼층을 형성해, AlN 버퍼 위에 Al 함유율이 결정 성장 방향으로 감소하도록 조성을 경사지게 한 조성 경사층과, 고Al 함유층과 저Al 함유층을 교대로 적층한 초격자 복합층을 순차 형성하여, 상기 초격자 복합층 상에 III족 질화물 반도체층을 형성함으로써 결정성이 높은 III족 질화물 반도체층을 얻는 기술이 개시되고 있다.

일본 특허공개 2007-67077호 공보 일본 특허공개 2009-158804호 공보

본 발명자는, 사파이어나 SiC로 이루어진 기판 상에, 심자외광을 발하는 발광층을 포함하고 AlGaN 재료로 이루어진 활성층을 에피택셜 성장시킨 심자외 발광소자를 연구하고 있다. 높은 발광 출력을 얻으려면, 기판 상에 결정성이 높은 고품질의 활성층을 성장시킬 필요가 있다. 또한, 본 명세서에서 「심자외광」이란, 파장 200~350 nm의 범위 내의 빛을 의미한다.

그렇지만, 본 발명자의 검토에 의하면, 특허문헌 1이나 특허문헌 2에 기재된 버퍼층을 Si 기판이 아니고, 사파이어나 SiC로 이루어진 기판 상에 형성하여, 그 버퍼층 상에 III족 질화물 반도체층을 형성하는 것으로 심자외 발광소자를 제작해도, 충분한 발광 출력을 얻을 수 없는 것이 판명되었다. 심자외 발광소자는 살균, 정수, 의료, 조명, 고밀도 광기록 등의 폭넓은 분야에서 이용할 수 있는 발광소자로서 최근 주목받고 있어 보다 높은 발광 출력을 얻는 것이 요구되고 있다.

여기서 본 발명은, 상기 과제를 감안하여, 발광 출력을 향상한 심자외 발광소자를 얻는 것이 가능한 III족 질화물 에피택셜 기판, 및 발광 출력을 향상한 심자외 발광소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 요지 구성은 이하 대로이다.

(1) 기판과,

상기 기판 상에 형성된 AlN 버퍼층과,

상기 버퍼층 상에 순차 형성된 제1 초격자 적층체 및 제2 초격자 적층체와,

상기 제2 초격자 적층체 상에 에피택셜 성장된, Al_αGa_{1 -α}N(0.03≤α) 층을 포함한 활성층을 포함한 III족 질화물 적층체를 갖고,

상기 제1 초격자 적층체는, Al_aGa_{1 - a}N으로 이루어진 제1층과, Al_bGa_{1 -b}N(0.9<b≤1)으로 이루어진 제2층을 교대로 포함하고, α<a 및 a<b의 조건을 만족하고,

상기 제2 초격자 적층체는, Al_xGa_{1 - x}N으로 이루어진 제3층, Al_yGa_{1 - y}N으로 이루어진 제4층, 및 Al_zGa_{1 -z}N(0.9<z≤1)으로 이루어진 제5층을 반복해 포함하고, α<x 및 x<y<z의 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 III족 질화물 에피택셜 기판.

(2) z-x≥0.20의 조건을 만족하는 상기 (1)에 기재된 III족 질화물 에피택셜 기판.

(3) 상기 제1 및 제2 초격자 적층체에 대해 인접하는 층의 Al 함유율 차이가 0.05 이상 0.40 이하인 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 III족 질화물 에피택셜 기판.

(4) y-x가 z-y보다 작은 상기 (1)~(3) 중 어느 하나에 기재된 III족 질화물 에피택셜 기판.

(5) 0.20≤x<0.90, 및, 0.60≤y<0.95의 조건을 만족하는 상기 (1)~(4) 중 어느 하나에 기재된 III족 질화물 에피택셜 기판.

(6) a>x의 조건을 만족하는 상기 (1)~(5) 중 어느 하나에 기재된 III족 질화물 에피택셜 기판.

(7) 상기 기판은, 사파이어, SiC, 다이아몬드 중 어느 하나의 재료로 이루어진 상기 (1)~(6) 중 어느 하나에 기재된 III족 질화물 에피택셜 기판.

(8) 상기 (1)~(7) 중 어느 하나에 기재된 III족 질화물 에피택셜 기판을 이용한 심자외 발광소자.

본 발명에 의하면, 발광 출력을 향상한 심자외 발광소자를 얻는 것이 가능한 III족 질화물 에피택셜 기판, 및 발광 출력을 향상한 심자외 발광소자를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따르는 III족 질화물 에피택셜 기판의 모식적 단면도이다.
도 2A는 (a)는 실시예 1에 대해서, (b), (c)는 각각 비교예 1, 2에 대해서, 초격자 적층체의 Al 조성을 설명하기 위한 모식도이다.
도 2B는 (a)~(c)는 각각 비교예 3~5에 대해서, 초격자 적층체의 Al 조성을 설명하기 위한 모식도이다.
도 3은 AlN 템플릿 기판 상에 단층의 AlGaN층을 에피택셜 성장시켰을 때의, 상기 AlGaN층의 Al 조성과 결정성의 관계를 나타내는 그래프이다.

이하, 본 발명의 III족 질화물 에피택셜 기판의 실시형태에 대해 도면을 참조하면서 설명한다. 도 1에, 본 발명의 일실시형태인 III족 질화물 에피택셜 기판(10)의 단면 구조를 모식적으로 나타낸다.

III족 질화물 에피택셜 기판(10)은, 기판(12)과 이 기판(12) 상에 형성된 AlN 버퍼층(14)과, 이 버퍼층(14) 상에 순차 형성된 제1 초격자 적층체(16) 및 제2 초격자 적층체(18)와, 이 제2 초격자 적층체(18) 상에 에피택셜 성장된 III족 질화물 적층체(20)를 갖는다.

기판(12)은, AlN 버퍼층(14), 제1 초격자 적층체(16) 및 제2 초격자 적층체(18)(이하, 이들을 총칭해 「버퍼층」이라고 함)에 대해서 압축 응력을 부여하는 기판이 바람직하고, 이러한 기판(12)으로서는, 사파이어, SiC, 다이아몬드 등으로 이루어진 기판을 들 수 있다. 또한, Si 기판은 버퍼층에 대해서 인장 응력을 부여하는 기판이기 때문에 본 발명에 이용하는 기판(12)에는 바람직하지 않다.

버퍼층에 대해서 압축 응력을 부여할까 인장 응력을 부여할까는, 기판의 재료와 AlN 버퍼층과의 격자 정수 차이 및 열팽창 계수 차이에 의존한다. 여기서 말하는 기판의 격자 정수는, 버퍼층을 성장시키는 면에 있어서의 것이다. 예를 들면, 사파이어 기판을 이용하는 경우, 사파이어와 AlN에서는 사파이어 쪽이 격자 정수가 크기 때문에, AlN에는 성장 중에 인장 응력이 작용하지만, 사파이어는 AlN의 열팽창 계수보다 큰 열팽창 계수를 가지기 때문에 버퍼층을 에피택셜 성장시키고 냉각했을 때에 사파이어 기판이 너무 줄어들어서, 버퍼층에는 성장 중의 인장 응력 이상으로 강한 압축 응력이 작용한다. 또, SiC 기판을 이용하는 경우, SiC와 AlN는 열팽창 계수 차이는 거의 없지만, SiC는 AlN의 격자 정수보다 작은 격자 정수를 가지기 때문에 버퍼층에는 압축 응력이 작용한다. 기판의 두께, 크기는 용도에 따라 적당히 선택할 수 있지만, 일반적으로 버퍼층의 두께에 비해 매우 두껍다. 또한, 이용하는 기판의 결정면은, 예를 들면 (0001) 면이며, a축 길이에 의해 격자 정수를 비교하면, AlN(3.11Å)에 대해 사파이어(4.76Å), SiC(3.08Å)로 된다. 열팽창 계수는 AlN(4.2), 사파이어(7.5), SiC(4.2)(모두 ppm/K)이다.

III족 질화물 적층체(20)는, Al_αGa_{1 -α}N(0.03≤α) 층을 포함한 활성층(24)을 포함한다. 본 실시형태에 있어서, III족 질화물 적층체(20)는, 제2 초격자 적층체(18) 측으로부터 순차로 n형 AlGaN층(22), 활성층(24), p형 AlGaN층(26) 및 p형 GaN 컨택트층(28)을 포함한다. n형 AlGaN층(22), p형 AlGaN층(26) 및 p형 GaN 컨택트층(28)은, MOCVD법 등 기존의 수법을 이용해 에피택셜 성장시킴으로써 형성할 수 있다. p형 불순물로서는, Be, Mg, n형 불순물로서는, Si, Ge를 예시할 수 있다.

활성층(24)는, 예를 들면 AlGaN계 재료에 의해 다중 양자 우물(MQW) 구조를 형성한 발광층으로 할 수 있다. 이 발광층은, MOCVD법 등에 의해 에피택셜 성장시켜 형성할 수 있다. 본 실시형태에서는, 다중 양자 우물 구조의 우물층을 Al_αGa_{1 -α}N(0.03≤α) 층으로 한다. 이 경우, 활성층(24)은, 발광 피크 파장이 350 nm 이하의 심자외광을 발하는 발광층이 된다. 또한, AlGaN계의 다중 양자 우물 구조의 경우, 발광 파장은 주로 우물층의 Al 함유율로 제어할 수 있고, Al 함유율이 높을수록 단파장의 빛을 발한다. 예를 들면, 우물층의 Al 함유율을 0.4로 함으로써, 활성층(24)에서 280 nm의 심자외광을 발광시킬 수 있다.

각층의 두께는 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면 n형 AlGaN층(22)는 500~5000 nm, 활성층(24)는 20~1000 nm, p형 AlGaN층(26)은 20~500 nm, p형 GaN 컨택트층(28)은 10~500 nm로 할 수 있다.

본 발명에 따르는 III족 질화물 에피택셜 기판(10)의 특징은, 기판(12)과 III족 질화물 적층체(20)의 사이에 위치하는 버퍼층이다. 버퍼층은, 기판(12) 측으로부터 순차로 AlN 버퍼층(14), 제1 초격자 적층체(16) 및 제2 초격자 적층체(18)를 포함한다. 그리고, 제1 초격자 적층체(16)는, Al_aGa_{1 - a}N으로 이루어진 제1층(16A)과, Al_bGa_{1 -b}N(0.9<b≤1)으로 이루어진 제2층(16B)을 교대로 포함하고, α<a 및 a<b의 조건을 만족한다. 게다가 제2 초격자 적층체(18)는, Al_xGa_{1 - x}N으로 이루어진 제3층(18A), Al_yGa_{1 - y}N으로 이루어진 제4층(18B), 및 Al_zGa_{1 -z}N(0.9<z≤1)으로 이루어진 제5층(18C)를 반복해 포함하고, α<x 및 x<y<z의 조건을 만족한다. 이러한 구성을 채용함으로써, 본 발명에서는, III족 질화물 에피택셜 기판(10)으로부터 발광 출력을 향상한 심자외 발광소자를 얻을 수 있다는 현저한 효과를 가져온다.

이러한 구성을 채용하는 것의 기술적 의의를, 작용 효과를 포함해 이하에 설명한다. 본 발명자는, 버퍼층의 구성으로서 기판(12) 측으로부터 AlN으로 시작되어, 그 후, 저Al 조성의 Al_aGa_{1 - a}N(제1층)과 고Al 조성의 Al_bGa_{1 -b}N(a<b, 0.9<b≤1, 제2층)을 교대로 적층한 초격자 버퍼를 여러 가지 검토했다.

우선, 도 2B (a)에 나타내는 GaN(제1층)/AlN(제2층)을 교대로 형성한 초격자 적층체에 대해서는, 상기 적층체 위에, GaN 등의 3% 미만의 저 Al 조성의 AlGaN층을 성장시키는 것이 유효하다. 그러나, 본 발명의 대상으로 하는 Al_αGa_{1 -α}N(0.03≤α) 층을 포함한 활성층을 포함한 III족 질화물 반도체를 성장시키는 경우에는, 이하의 문제가 표면화했다. 즉, 제1층의 Al 함유율이 우물층의 Al 함유율 α보다 작은 결과, 제1층의 밴드갭이 Al_αGa_{1 -α}N(0.03≤α)보다 작은 것으로부터, 활성층이 발하는 빛을 제1층이 흡수해버려, 그 결과 발광 출력이 저하하는 것이다. 광흡수를 최소한으로 하기 위해서 제1층을 예를 들면 0.2~0.3 nm 정도의 얇기로 형성하면, 변형 완충 효과(후술하는 기판으로부터의 압축 응력을 초격자 적층체 내의 인장 응력으로 캔슬하는 효과)를 충분히 얻지 못하고, 이 경우도 충분한 발광 출력을 얻을 수 없다.

또, 도 2A (b)에 나타내는 Al_{0 .85}Ga_{0 .15}N(제1층)/AlN(제2층)을 교대로 형성한 초격자 적층체와 같이, 제1층의 Al 함유율이 우물층의 Al 함유율 α보다 충분히 높은 경우, 활성층이 발하는 빛의 제1층에 의한 흡수는 일어나지 않는다. 그러나, 제1층과 제2층의 Al 함유율의 차이가 작아지는 결과, 변형 완충 효과를 충분히 얻을 수 없게 된다. 그 때문에, 이 버퍼층 상에 형성한 III족 질화물 적층체(20)의 결정성이 불충분해져, 충분한 발광 출력을 얻을 수 없다.

그래서, 제1층의 Al 함유율을 우물층의 Al 함유율 α보다 높게 하면서, 가능한 한 제1층과 제2층과의 Al 함유율의 차이를 크게하기 위해, 도 2B(b)에 나타내는 Al_{0 .53}Ga_{0 .47}N(제1층)/AlN(제2층)을 교대로 형성한 초격자 적층체를 검토했다. 그러나 이 경우, 제2층에 크랙이 발생하는 경우가 있는 것이 판명되었다. 이것은, 이하의 이유에 의하는 것으로 추측된다. AlGaN는 Al 함유율이 높을수록 성장 시의 표면 평탄성이 악화되므로, 제1층은 비교적 평탄성이 나쁜 표면을 가진다. 여기에, 제1층과 비교적 Al 함유율의 차이가 큰 제2층을 형성하면, 제2층에 큰 인장 응력이 작용해, 크랙이 들어간다고 생각된다. 제2층의 크랙은, III족 질화물 적층체(20)에까지 관통하면 발광소자로서 기능하지 않기 때문에, 바람직하지 않다. 또한, 도 2B(a)의 경우, 제1층의 GaN는 평탄성이 높기 때문에, 그 위에 AlN를 적층해도 크랙은 발생하지 않는다. 또, 도 2A(b)의 경우, 제1층의 Al_{0 .85}Ga_{0 .15}N의 평탄성은 좋지 않지만, 제2층과의 Al 함유율의 차이가 작기 때문에, 제2층에 과대한 인장 응력이 작용하지 않고, 역시 크랙은 발생하지 않는 것이다.

도 3은, 사파이어 기판 상에 AlN 버퍼층을 형성한 AlN 템플릿 기판 상에 단층의 AlGaN층을 에피택셜 성장시켰을 때의, 상기 AlGaN층의 Al 조성과 결정성의 관계를 나타내는 그래프이다. 횡축은 Al 조성(%)을, 종축은 각 샘플을 X선 회절 장치로 분석했을 때의 (102) 면에 상당하는 피크의 반치폭을 나타낸다. 이 반치폭이 작을수록 AlGaN층의 결정성이 양호하다. Al 함유율이 20% 부근에서부터 높아질수록 결정성이 악화되는 것은, 평탄성의 악화에 기인한다고 생각할 수 있다. 한편, Al 함유율이 50% 부근으로부터 높아질수록 결정성이 좋아지는 것은, AlN 버퍼층과의 Al 함유율 차이가 작아지기 때문이라고 생각할 수 있다. 도 3으로부터, AlN층과 인접하는 경우에는, XRC(102)가 약 700 이상이 되는 Al 조성이 40~60%의 범위에서는 양호한 결정성이 얻기 어려운 것을 알 수 있다. 이것으로부터, 고 Al 조성의 Al_bGa_{1 -b}N(0.9<b≤1)과 인접하는 AlGaN층의 Al 함유율은, Al 함유율 차이가 0.4 초과 0.6 미만의 범위 내를 피하는 것이 바람직하다는 것을 알 수 있다.

이와 같이 본 발명자는, 크랙의 발생은 방지하여, 광흡수를 억제하면서 변형 완충 효과를 충분히 얻기 위해서는, 지금까지와 같은 2층을 교대로 형성하는 초격자 적층체만으로는 한계가 있다는 결론에 이르렀다. 그리고, 2층을 교대로 형성하는 초격자 적층체에 더해서, 3층을 반복해 형성하는 특정의 초격자 적층체를 형성함으로써 상기 목적을 달성할 수 있는 것을 발견하여, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

본 실시형태의 III족 질화물 에피택셜 기판(10)에서는, 제1 초격자 적층체(16)에 대해서, α<a 및 a<b의 조건을 만족시키고, 제2 초격자 적층체(18)에 대해서, α<x 및 x<y<z의 조건을 만족한다. 즉, 초격자 적층체의 각층의 모두, 우물층 Al_αGa_{1 -α}N의 Al 함유율 α보다 높은 Al 함유율을 가진다. 따라서, 활성층이 발하는 빛을 제1 초격자 적층체(16), 제2 초격자 적층체(18)가 흡수하는 것을 방지할 수 있다.

제2 초격자 적층체(18)를, 기판(12)측으로부터 제3층(18A), 제4층(18B), 제5층(18C)의 차례로 Al 조성이 높아지는 3층 구조로 한 것으로, 제4층(18B)에는 제3층(18A)로부터 인장 응력이 작용하여, 제5층(18C)에는 제4층(18B)로부터 인장 응력이 작용한다. 이와 같이, 1개의 조 중에서 단계적으로 여러 차례의 인장 응력을 부여함으로써, 상술한 2층 구조와 비교하여 기판(12)으로부터 받는 압축 응력을 충분히 상쇄할 수 있어 제2 초격자 적층체(18) 상에 형성하는 III족 질화물 반도체층(20)의 횡방향 성장을 촉진시킬 수 있다. 그 결과, 보다 결정성이 높은 III족 질화물 반도체층(20)을 얻을 수 있다.

또, 제2 초격자 적층체(18)를 3층 구조로 함으로써, 인접하는 층 간의 Al 조성 차이를 작게 하는 것이 용이해진다. 그 결과, 제4층(18B) 및 제5층(18C)에 관련된 인장 응력은 그다지 커지지 않고, 이들 층에서 인장 응력이 집중해 크랙이 발생하는 것을 방지할 수 있다.

본 발명은 이론에 얽매이는 것은 아니지만, 본 실시형태의 III족 질화물 에피택셜 기판(10)은, 상기와 같은 작용에 의해, 발광 출력을 향상한 심자외 발광소자를 얻을 수 있다는 현저한 효과를 가져오는 것이라고 생각할 수 있다.

또한, 후술하는 바와 같이, 도 2A(c)와 같이, Al_{0 .85}Ga_{0 .15}N(제1층)/AlN(제2층)을 교대로 형성한 초격자 적층체 위에, Al_{0 .66}Ga_{0 .34}N(제3층)/Al_{0 .85}Ga_{0 .15}N(제1층)를 교대로 형성한 초격자 적층체를 형성했을 경우, Al 함유율이 다른 3종류의 층이 포함되는 것에도 불구하고, 이 초격자 적층체 상에 형성한 III족 질화물 반도체층은 충분한 결정성을 가지지 않고, 높은 발광 출력을 얻을 수 없었다. 이것은, 본 실시형태와 같이, 초격자 적층체에 단계적으로 인장 응력을 부여하기 위한 Al 조성 차이가 부족하고, 또, 1개의 조 중에서 복수회의 인장 응력을 부여하는 구조는 아니기 때문에, III족 질화물 반도체층의 횡방향 성장을 촉진할 수 없기 때문이라고 생각할 수 있다.

또, 마찬가지로 후술 하지만, 도 2B(c)와 같이, 본 실시형태의 제1 초격자 적층체(16)를 형성하지 않고, 제2 초격자 적층체(18)만을 형성했을 경우도, 이 초격자 적층체 상에 형성한 III족 질화물 반도체층은 충분한 결정성을 가지지 않고, 높은 발광 출력을 얻을 수 없었다. 이것으로부터, 본 실시형태와 같이 제1 초격자 적층체(16) 상에 제2 초격자 적층체(18)를 형성하는 것이 필요하다. 제1 초격자 적층체(16)는, AlN 버퍼층(14) 상에 초격자 구조를 형성하기 위해 필요한 것이다. AlN 버퍼층(14)는, 개략 300~3000 nm 정도의 두께를 가진다. 이것은 AlN 버퍼층(14) 자신의 충분한 결정성과 평탄성을 얻기 위해서 필요한 두께이다. 한편, 제2 초격자 적층체의 각층의 두께는 겨우 수~수 10 nm이다. 게다가, 제2 초격자 적층체는 Al 함유율이 낮은 제3층을 포함한다. 따라서, AlN 버퍼층(14) 상에 직접 제2 초격자 적층체를 형성하면, AlN 버퍼층(14)의 두께에 의해서, 제2 초격자 적층체를 형성하는 초기 단계에서 제2 초격자 적층체에 강력한 인장 응력이 작용해, 크랙이 생겨 버리는 경우가 있기 때문이다. 다만, 발광 파장이 AlN의 파장(210 nm)에 가까워질수록 이 제약은 없고, 제2 초격자 적층체를 직접 형성해도 좋다.

이하, 제1 초격자 적층체(16) 및 제2 초격자 적층체(18)의 각층의 적합한 Al 함유율에 대해 설명한다.

z-x≥0.20의 조건을 만족하는 것이 바람직하다. z-x가 0.20 미만의 경우, 제2 초격자 적층체의 제3층(18A)와 제5층(18C)의 Al 함유율 차이가 작아져, 충분한 변형 완충 효과를 얻을 수 없을 우려가 있기 때문이다.

크랙의 발생을 확실히 방지하는 관점으로부터, 상기 제1 및 제2 초격자 적층체에 대해 인접하는 층의 Al 함유율 차이, 즉 b-a, z-y, y-x는 0.05 이상 0.40 이하인 것이 바람직하다. 0.40 초과의 경우, 도 3에 대해 상기한 것처럼, 인접하는 층 중 높은 Al 함유율의 층에 과대한 인장 응력이 작용해, 결정성의 나쁨으로부터 크랙이 발생할 우려가 있기 때문이다. 또, 0.05 미만의 경우, Al 조성 차이에 의한 각층의 판별이 곤란하고, 초격자 적층체로 하는 효과도 작기 때문이다.

y-x가 z-y보다 작은 것이 바람직하다. 이것에 의해, 도 3에 나타낸 결정성이 나쁜 Al 조성의 범위에서는, 인접하는 층의 Al 함유율 차이를 보다 작게 할 수 있어보다 확실히 크랙의 발생을 방지할 수 있다.

본 발명의 효과를 충분히 얻는 관점에서, 제2 초격자 적층체의 제3층(18A) 및 제4층(18B)는, 각각 0.20≤x<0.90, 및, 0.60≤y<0.95의 조건을 만족하는 것이 바람직하다.

제1 초격자 적층체의 제1층(16A)는, a>x의 조건을 만족하는 것이 바람직하고, 또 0.60≤a<0.95의 조건을 만족하는 것이 보다 바람직하다. a가 0.60 미만의 경우, 제2 초격자 적층체를 형성했을 때에 크랙이 생길 우려가 있기 때문이다.

제1 초격자 적층체(16)에 있어서, 제1층(16A) 및 제2층(16B)의 두께, 및 적층체(제1층 및 제2층)의 조수는, 적당히 설정할 수 있다. 제1 초격자 적층체(16)는, 각 층(16A,16B)의 두께가 0.1~50 nm로 설정되는 것이 바람직하다. 또, Al 함유율(Al 조성비)이 낮을수록 막 두께(厚)를 두껍게 하는 방향으로 설계하는 것이 바람직하다. 조수는 예를 들면 10~100조로 할 수 있다.

제2 초격자 적층체(18)에 있어서, 제3층(18A), 제4층(18B) 및 제5층(18C)의 두께, 및 적층체(제3층, 제4층 및 제5층)의 조수는, 적당히 설정할 수 있다. 제2 초격자 적층체(18)는, 각 층(18A, 18B, 18C)의 두께가 0.1~50 nm로 설정되는 것이 바람직하다. 조수는 10~100조로 하는 것이 바람직하고, 30~50조로 하는 것이 보다 바람직하다. 10조 이상으로 하면 변형 완충 효과를 확실히 얻을 수 있고, 100조 이하로 하면, III족 질화물 적층체(20)에 크랙이 생기기 어렵다.

제1 초격자 적층체(16)의 가장 기판(12) 측의 층과 가장 제2 초격자 적층체(18) 측의 층은, 제1층(16A)이어도 제2층(16B)라도 좋다. 또, 제1 초격자 적층체(16)의 가장 기판(12) 측의 층이 AlN으로 이루어진 제2층의 경우는, 이 제2층을 AlN 버퍼층(14)으로 할 수 있다. 제1 초격자 적층체(16)의 가장 기판(12) 측의 층이 제1층이나 AlN 이외의 제2층의 경우에는, 별도 AlN 버퍼층(14)을 형성한다. 그리고, 기판(12) 상에 AlN 버퍼층(14)을 형성한 AlN 템플릿 기판을 이용해도 좋다. 이 경우, AlN 템플릿 기판 상에는, 재차 AlN 버퍼층(14)을 형성해도 형성하지 않아도 좋지만, 버퍼층을 에피택셜 성장시키는 로(爐)와는 다른 로(爐)로 AlN 템플릿 기판을 형성하는 경우에는, 재차 AlN 버퍼층(14)을 형성하는 것이 바람직하다.

제2 초격자 적층체(18)의 가장 제1 초격자 적층체(16) 측의 층과 가장 III족 질화물 적층체(20)측의 층은, 제3층(18A), 제4층(18B), 제5층(18C) 중 어느 하나라도 좋지만, 제3층(18A)가 제1 초격자 적층체(16)와 접하도록 하는 것이 바람직하다. 또, 제2 초격자 적층체(18)와 제2 초격자 적층체(18) 상의 III족 질화물 적층체(20)의 사이에는, 실시형태에 기재되지 않은 Mg를 포함하는 층이나 i형층 등의 중간층이나 다른 초격자 적층체가 있어 좋고, 그 경우이어도, 제2 초격자 적층체(18)에 의한 결정성 향상의 효과는 적합하게 작용한다.

본 명세서에 있어서, 버퍼층을 구성하는 「AlGaN」는, 다른 III족 원소인 B 및/또는 In을 합계 1% 이하 포함하고 있어도 좋다. 또, 예를 들면 Si, H, O, C, Mg, As, P 등의 미량의 불순물을 포함하고 있어도 좋고, 부분적으로 Mg 불순물을 의도하여 첨가해도 좋다. 또한, III족 질화물 적층체를 구성하는 GaN, AlGaN 등도 마찬가지로 다른 III족 원소를 합계 1% 이하 포함하고 있어도 좋다.

본 발명에 있어서의 각층의 에피택셜 성장 방법으로서는, MOCVD법, MBE법 등 공지의 수법을 이용할 수 있다. AlGaN를 형성하는 경우의 원료 가스로서는, TMA(트리메틸알루미늄), TMG(트리메틸갈륨), 암모니아를 들 수 있고, 막 중의 Al 함유율의 제어는, TMA와 TMG의 혼합비를 제어함으로써 실시할 수 있다. 또, 에피택셜 성장 후의 Al 함유율이나 막 두께(厚)의 평가는, 광학 반사율법, TEM-EDS, 광 발광 등 공지의 수법을 이용할 수 있다.

본 실시형태의 III족 질화물 에피택셜 기판(10)은, 심자외 발광소자에 이용할 수 있다. 예를 들면 III족 질화물 반도체층(20)의 일부를 제거해 n형 AlGaN층(22)을 노출시켜, 이 노출시킨 n형 AlGaN층(22) 및 p형 GaN 컨택트층(28) 위에, n측 방전극 및 p측 방전극을 각각 배치하고, 횡형 구조의 III족 질화물 발광소자를 형성할 수 있다. 또, p형 GaN 컨택트층(28)의 상부에 접합층을 형성해, 다른 지지 기판에 접합한 후, 레이저나 케미컬 리프트 오프법을 이용하고, 기판을 제거한 후에 종형 구조의 발광소자를 형성해도 좋다.

이하, 실시예를 이용해 본 발명을 더 상세하게 설명하지만, 본 발명은 이하의 실시예에 전혀 한정되는 것은 아니다.

실시예

(실시예 1)

사파이어 기판(두께：430㎛) 위에 버퍼층으로서 AlN층(두께：0.8㎛)을 형성한 AlN 템플릿 기판을 준비했다. 이 AlN 템플릿 기판 상에, 도 2A(a)에 나타내는 제1 초격자 적층체 및 제2 초격자 적층체를 순차 에피택셜 성장시켰다. 제1 초격자 적층체는, 제1층(Al_{0 .85}Ga_{0 .15}N, a=0.85, 두께：40 nm)와 제2층(AlN, b=1, 두께：7.2 nm)를 교대로 적층하여 이루어진다. AlN 템플릿 기판 위는 제2층으로부터 형성하고, 그 후, 제1층과 제2층을 15조 적층한 것으로부터, 도 2A(a)에서는 15.5조로 표기했다. 제2 초격자 적층체는, 제3층(Al_{0 .75}Ga_{0 .25}N, x=0.75, 두께：4 nm), 제4층(Al_{0 .85}Ga_{0 .15}N, y=0.85, 두께：17 nm), 제5층(AlN, z=1, 두께：11 nm)를 20조 반복해 적층하여 이루어진다. 또한, 성장 방법으로서는, 원료로서 TMA(트리메틸알루미늄), TMG(트리메틸갈륨), 암모니아를 이용한 MOCVD법을 이용했다. 캐리어 가스로서는, 질소·수소를 이용했다. 제1~5층의 성장 조건은, 모두 압력 10 kPa, 온도 1150℃로 했다. 또, TMA와 TMG의 공급 비율을 제어함으로써 각층 마다 Al 함유율을 변경했다.

그 후, 제2 초격자 적층체 상에, n형 AlGaN층(Al 함유율β：0.64, 두께：1480 nm, 도펀트：Si), 활성층(AlGaN계 MQW층, 두께：270 nm, 우물층의 Al 함유율α：0.40), p형 AlGaN층(Al 함유율：0.75~0.32의 조성 경사층, 두께：90 nm, 도펀트：Mg), p형 GaN 컨택트층(두께：66 nm, 도펀트：Mg)를 순차 에피택셜 성장시키고, 실시예 1에 관련된 III족 질화물 에피택셜 기판을 제작했다. 발광층으로부터의 발광 파장은 280 nm이었다.

(실시예 2)

제2 초격자 적층체의 조수를 40조로 바꾼 이외는, 실시예 1과 동일한 방법에 의해, 실시예 2에 관련된 III족 질화물 에피택셜 기판을 제작했다.

(비교예 1)

초격자 적층체를 도 2A(b)에 표시된 것으로 바꾼 이외는, 실시예 1과 동일한 방법에 의해, 비교예 1에 관련된 III족 질화물 에피택셜 기판을 제작했다. 이 초격자 적층체는, 제1층(Al_{0 .85}Ga_{0 .15}N, a=0.85, 두께：15 nm)와 제2층(AlN, b=1, 두께：10 nm)를 교대로 40조 적층하여 이루어진다. AlN 템플릿 기판 위는 제2층으로부터 형성했다.

(비교예 2)

초격자 적층체를 도 2A(c)에 표시된 것으로 바꾼 이외는, 실시예 1과 동일한 방법에 의해, 비교예 2에 관련된 III족 질화물 에피택셜 기판을 제작했다. 이 초격자 적층체는, 제1 초격자 적층체와 제2 초격자 적층체로부터 된다. 제1 초격자 적층체는, 제1층(Al_{0 .85}Ga_{0 .15}N, a=0.85, 두께：15 nm)와 제2층(AlN, b=1, 두께：10 nm)를 교대로 적층하여 이루어진다. AlN 템플릿 기판 위는 제2층으로부터 형성하고, 그 후, 제1층과 제2층을 40조 적층한 것으로부터, 도 2A(c)에서는 40.5조로 표기했다. 제2 초격자 적층체는, 제1층(Al_{0 .85}Ga_{0 .15}N, d=0.85, 두께：10 nm)와 제3층(Al_0.66Ga_0.34N, c=0.66, 두께：15 nm)를 제1층으로부터 교대로 20조 적층해서 이루어진다.

(비교예 3)

초격자 적층체를 도 2B(a)에 표시된 것으로 바꾼 이외는, 실시예 1과 동일한 방법에 의해, 비교예 3에 관련된 III족 질화물 에피택셜 기판을 제작했다. 이 초격자 적층체는, 제1층(GaN, a=0, 두께：0.3 nm)와 제2층(AlN, b=1, 두께：7.8 nm)를 교대로 적층해서 이루어진다. AlN 템플릿 기판 위는 제2층으로부터 형성하고, 그 후, 제1층과 제2층을 40조 적층한 것으로부터, 도 2B(a)에서는 40.5조로 표기했다.

(비교예 4)

초격자 적층체를 도 2B(b)에 표시된 것으로 바꾼 이외는, 실시예 1과 동일한 방법에 의해, 비교예 4에 관련된 III족 질화물 에피택셜 기판을 제작했다. 이 초격자 적층체는, 제1층(Al_{0 .53}Ga_{0 .47}N, a=0.53, 두께：10 nm)와 제2층(AlN, b=1, 두께：5 nm)를 교대로 적층하여 이루어진다. AlN 템플릿 기판 위는 제2층으로부터 형성하고, 그 후, 제1층과 제2층을 40조 적층한 것으로부터, 도 2B(b)에서는 40.5조로 표기했다.

(비교예 5)

초격자 적층체를 도 2B(c)에 표시된 것으로 바꾼 이외는, 실시예 1과 동일한 방법에 의해, 비교예 5에 관련된 III족 질화물 에피택셜 기판을 제작했다. 이 비교예는, 실시예 1에 있어서의 제1 초격자 적층체를 형성하지 않는 것이다.

(실시예 3)

실시예 1의 제2 초격자 적층체 상에, n형 AlGaN층(Al 함유율β：0.29, 두께：1680 nm, 도펀트：Si), 활성층(AlGaN계 MQW층, 두께：290 nm, 우물층의 Al 함유율α：0.03), p형 AlGaN층(Al 함유율：0.49~0.32의 조성 경사층, 두께：80 nm, 도펀트：Mg), p형 GaN 컨택트층(두께：66 nm, 도펀트：Mg)를 순차 에피택셜 성장시키고, 발광 파장이 340 nm의 III족 질화물 에피택셜 기판을 제작한 이외는, 실시예 1과 동일하게 했다.

(실시예 4)

제1 초격자 적층체를, 제1층(Al_{0 .75}Ga_{0 .25}N, a=0.75, 두께：40 nm)와 제2층(AlN, b=1, 두께：7.2 nm)를 교대로 15.5조 적층해, 제2 초격자 적층체를, 제3층(Al_{0 .4}Ga_{0 .6}N, x=0.4, 두께：4 nm), 제4층(Al_{0 .65}Ga_{0 .35}N, y=0.65, 두께：15 nm), 제5층(AlN, z=1, 두께：5 nm)를 20조 반복해 적층한 이외는, 실시예 3과 동일하게 했다.

(실시예 5)

실시예 3의 제2 초격자 적층체 위에, 실시예 4의 제2 초격자 적층체를 제3의 초격자 적층체로서 형성한 이외는, 실시예 3과 동일하게 했다.

(비교예 6)

비교예 2의 초격자 적층체 위에, 실시예 3의 n형 AlGaN층, 활성층, p형 AlGaN층, p형 GaN 컨택트층을 순차 에피택셜 성장시키고, 발광 파장이 340 nm의 III족 질화물 에피택셜 기판을 제작한 이외는, 비교예 2와 동일하게 했다.

(평가 1：n형 AlGaN층의 결정성)

각 실시예, 비교예의 시료에 대해서, X선 회절 장치(D8 DISCOVER, Bruker AXS 사제)를 이용해 n형 AlGaN층의(002) 면과(102) 면에서의 반치폭(FWHM)을 측정했다. 이 반치폭은, n-AlGaN층의 결정성을 평가하는 지표이며, 수치가 낮을수록 결정성이 뛰어나다. 결과를 표 1에 나타낸다.

(평가 2：PL 강도비)

각 실시예, 비교예의 시료에 대해서, PL측정(광 발광 측정)을 PHOTON Design Corporation 제품의 PL 장치로 실시했다. PL 측정은, 각 반도체층의 밴드갭 에너지보다 큰 에너지의 레이저를 시료에 조사하고, 반도체층내의 전자를 한 번 높은 에너지 레벨에 여기시켜, 그것이 원래의 에너지 레벨로 돌아올 때 발해지는 잉여의 에너지(빛에너지로서 방출됨)를 측정하는 것이다. 빛에너지는 파장으로 변환할 수 있다. 이 측정으로, 각층의 Al 함유율이나, 점 결함량을 평가할 수 있다. 이번 측정에서는, 가장 Al 함유율이 낮은 발광층에서의 PL발광 파장으로의 PL 강도를, 점 결함으로서 강도가 높아지는 파장(495 nm)에서의 PL 강도로 제거해 PL 강도비를 산출했다. 이 PL 강도비에 의해, 발광층의 발광하기 쉬움을 평가할 수 있다. 왜냐하면, 점결함이 많아질수록, 결함에 의한 비발광량이 증가하기 때문에 결과적으로 통전 시의 광출력이 작아져 버리기 때문이다. 본 측정에는, 파장이 244 nm로 출력이 70 mW의 레이저를 이용했다. 결과를 표 1에 나타냈다.

(평가 3：발광 출력 Po)

각 실시예, 비교예의 시료에 대해서, 성장면을 다이어 펜으로 괘선을 그어, n형 AlGaN층을 노출시킨 점과 상기 노출시킨 점으로부터 1.5 mm 떨어진 p형 GaN 컨택트층 상의 점에 도트상 In을 물리적으로 압압해 성형한 2점을 n형 및 p형 전극으로서 간이적인 질화물 반도체 소자를 제작했다. 그리고, 그들에 프로브를 접촉해, 통전 후의 광출력을 이면에서 사출시켜, 광섬유를 통해서 Hamamatsu Photonics K. K. 제품의 멀티·채널형 분광기에 도광해, 스펙트럼의 피크 강도를 W(와트)로 환산해 발광 출력 Po를 구했다. 결과를 표 1에 나타냈다.

발광 파장 280 nm의 경우(실시예 1, 2 및 비교예 1~5)에 대해 설명한다. 표 1에 나타낸 바와 같이, 실시예 1, 2는 초격자 적층체나 그 위의 III족 질화물 적층체에 크랙이 들어가지 않고, 각 비교예에 비해, n-AlGaN층의 결정성이 양호한 것으로부터, 활성층의 결정성도 양호하다고 하는 것이 추측된다. 실제, PL 강도비 및 발광 출력 Po도 비교예 1~5보다 우수했다. 한편, 비교예 4에서는 초격자 적층체에 크랙이 발생해, 평가 1~3 중 어느 하나도 실시할 수 없었다. 또, 비교예 1~3, 5에 대해서는, 크랙이 발생할 것은 없었지만, 실시예 1, 2보다 n-AlGaN층의 결정성이 열화되어, PL 강도비 및 발광 출력 Po도 열화되고 있었다. 또, 제2 초격자 적층체의 조수를 늘린 실시예 2에서는, 실시예 1보다 더 양호한 PL 강도비 및 발광 출력을 얻을 수 있었다.

발광 파장 340 nm(실시예 3~5, 비교예 6)의 경우도, 동일한 결과를 얻을 수 있었다. 340 nm의 LED에 있어서의 PL 강도에 대해서는 원래 점 결함량이 적어 PL 강도비와 발광 출력의 관계를 찾아낼 수 없지만, 결정성에 대해서는 발광 출력이 높을수록 결정성이 좋은 것으로 되어 있고, 해당 발명 실시에 의해서 결정성 향상이 성취된 결과, 발광 출력이 향상한 것이라고 할 수 있다.

본 발명에 의하면, 발광 출력을 향상한 심자외 발광소자를 얻는 것이 가능한 III족 질화물 에피택셜 기판, 및 발광 출력을 향상한 심자외 발광소자를 제공할 수 있다.

10 III족 질화물 에피택셜 기판
12 기판
14 AlN 버퍼층
16 제1 초격자 적층체
16A 제1층(Al_aGa_{1 - a}N)
16B 제2층(Al_bGa_{1 - b}N)
18 제2 초격자 적층체
18A 제3층(Al_xGa_{1 - x}N)
18B 제4층(Al_yGa_{1 - y}N)
18C 제5층(Al_zGa_{1 - z}N)
20 III족 질화물 적층체
22 n형 AlGaN층
24 활성층
26 p형 AlGaN층
28 p형 GaN 컨택트층

Claims (8)

1. 기판과,
   상기 기판 상에 형성된 AlN 버퍼층과,
   상기 버퍼층 상에 순차 형성된 제1 초격자 적층체 및 제2 초격자 적층체와,
   상기 제2 초격자 적층체 상에 에피택셜 성장된, Al_αGa_1-αN(0.03≤α) 층을 포함한 활성층을 포함한 III족 질화물 적층체를 갖고,
   상기 제1 초격자 적층체는, Al_aGa_{1 - a}N으로 이루어진 제1층과, Al_bGa_{1 -b}N(0.9<b≤1)으로 이루어진 제2층을 교대로 포함하고, α<a 및 a<b의 조건을 만족하고,
   상기 제2 초격자 적층체는, Al_xGa_{1 - x}N으로 이루어진 제3층, Al_yGa_{1 - y}N으로 이루어진 제4층, 및 Al_zGa_{1 -z}N(0.9<z≤1)으로 이루어진 제5층을 반복해 포함하고, α<x 및 x<y<z의 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 III족 질화물 에피택셜 기판
   
2. 제1항에 있어서,
   z-x≥0.20의 조건을 만족하는 III족 질화물 에피택셜 기판.
   
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 제1 및 제2 초격자 적층체에 대해 인접하는 층의 Al 함유율 차이가 0.05 이상 0.40 이하인 III족 질화물 에피택셜 기판.
   
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   y-x가 z-y보다 작은 III족 질화물 에피택셜 기판.
   
5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   0.20≤x<0.90, 및, 0.60≤y<0.95의 조건을 만족하는 III족 질화물 에피택셜 기판.
   
6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   a>x의 조건을 만족하는 III족 질화물 에피택셜 기판.
   
7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 기판은, 사파이어, SiC, 다이아몬드 중 어느 하나의 재료로 이루어진 III족 질화물 에피택셜 기판.
   
8. 제1항 또는 제2항에 기재된 III족 질화물 에피택셜 기판을 이용한 심자외 발광소자.
   

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