JP2007012809A

JP2007012809A - 窒化ガリウム系化合物半導体装置およびその製造方法

Info

Publication number: JP2007012809A
Application number: JP2005190407A
Authority: JP
Inventors: Shiro Sakai; 士郎酒井
Original assignee: Nitride Semiconductors Co Ltd; University of Tokushima NUC
Current assignee: Nitride Semiconductors Co Ltd; University of Tokushima NUC
Priority date: 2005-06-29
Filing date: 2005-06-29
Publication date: 2007-01-18

Abstract

【課題】ＧａＮ系化合物半導体装置において、転位密度を低減する。
【解決手段】サファイア基板１０の表面にイオンエッチングで溝を形成し、その上にＧａＩｎＮＰバッファ層１２及びＡｌＧａＮ層１４を成長させ、さらに発光デバイス構造を成長させる。サファイア基板１０の表面上に形成された溝によりＡｌＧａＮ層１４の転位密度が低減する。ＡｌＧａＮ層１４のＡｌ組成は１０％以下が好ましく、波長３４５ｎｍ以上が好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、窒化ガリウム（ＧａＮ）系化合物半導体装置および製造方法に関し、特に転位の抑制に関する。

従来より、窒化ガリウム（ＧａＮ）系化合物半導体は発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザ（ＬＤ）の材料として用いられている。ＧａＮ系発光装置は、サファイア等の基板にＭＯＣＶＤ法で順次積層されて製造されるが、発光効率を向上させるためには積層される半導体層の転位を抑制することが重要である。

下記に示す特許文献では、サファイアではなく窒化物半導体で基板を形成する技術が開示されている。すなわち、母材基板の主面に凹凸状領域を選択的に形成し、凹凸状領域の凹部を埋めるとともにその上面が平坦となるようにＧａＮ層を成長させ、ＧａＮ層と母材基板との界面にレーザ光を照射してＧａＮ層を母材基板から剥離することで半導体基板を得ている。

特開２００２−２９３６９９号公報

しかしながら、このように母材基板から半導体基板を形成するプロセスは煩雑であり、コストも増加するので、サファイア基板上に直接ＧａＮ系化合物半導体層を積層させるのが好ましい。

また、ＬＥＤやＬＤ等の発光装置を形成する際に、ＧａＮを用いたのでは発光波長３７０ｎｍ近傍で急激に出力が低下してしまう。これは、ＧａＮが光を吸収してしまうからである。光の吸収を抑制して発光効率を増大させるためには、ＧａＮにＡｌを混入させたＡｌＧａＮとすればよいが、サファイア基板上にＡｌＧａＮを成長させると転位が急激に増大して発光効率が著しく低下してしまう。

本発明は、転位を抑制できるとともに、発光効率を増大させることができるＧａＮ系化合物半導体装置及びその製造方法を提供することにある。

本発明は、表面に溝が形成された基板と、前記基板上に形成されたＧａＩｎＮＰバッファ層と、前記ＧａＩｎＮＰバッファ層上に形成されたＡｌＧａＮ系化合物半導体層とを有することを特徴とする。

また、本発明は、ＧａＮ系化合物半導体装置の製造方法であって、基板の表面に溝を形成するエッチングステップと、前記溝が形成された前記基板上にＧａＩｎＮＰバッファ層を成長させるステップと、前記ＧａＩｎＮＰバッファ層上にＡｌＧａＮ系化合物半導体層を成長させるステップとを有することを特徴とする。

本発明では、ＡｌＧａＮ系化合物半導体層をサファイア基板上に形成するに際し、ＧａＩｎＮＰバッファ層を用いてＡｌＧａＮ系化合物半導体層を形成することで、ＡｌＧａＮ系化合物半導体層の転位を抑制する。さらに、サファイア基板の表面に溝を形成し、この溝を埋めるようにＡｌＧａＮ系化合物半導体層を形成することで、ＡｌＧａＮ系化合物半導体層に生じる転位を互いに会合させて閉じさせ、層厚方向への転位の成長を抑制する。

本発明によれば、サファイア基板表面の溝とＧａＩｎＮＰバッファ層との組合せにより、ＡｌＧａＮ系化合物半導体層の転位を著しく低減することができ、ＬＥＤやＬＤ等の発光装置の発光効率を向上させることができる。

以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。

図１に、本実施形態に係るＧａＮ系化合物半導体装置としてＧａＮ系ＬＥＤの構成を示す。ＬＥＤは、サファイア基板１０上に順次ＧａＩｎＮＰバッファ層１２、ＡｌＧａＮ層１４を形成し、ＡｌＧａＮ層１４上にダブルへテロ構造の発光デバイス構造を形成することで構成される。発光デバイス構造は、具体的にはｎ型ＡｌＧａＮ系化合物半導体層、活性層（発光層）、ｐ型ＡｌＧａＮ系化合物半導体層を含んで構成され、ｎ型層およびｐ型層にそれぞれｎ電極およびｐ電極を接続する。発光デバイス構造の上面に波長変換用の蛍光体を積層して白色発光ＬＥＤとしてもよい。

本実施形態の構成において、単にサファイア基板１０上にＡｌＧａＮ層１４を形成するとＡｌＧａＮ層及びその上の発光デバイス構造の転位が増大し、発光効率が低下してしまう。図１におけるＧａＩｎＮＰバッファ層１２は、サファイア基板１０とＡｌＧａＮ層１４との間に介在し、ＡｌＧａＮ層１４の転位を抑制する機能を有する。ＧａＮＰをバッファ層としてＡｌＧａＮ層を形成することは知られているが、ＧａＩｎＮＰが転位抑制の点から好適である。

本実施形態では、さらに、単に平坦なサファイア基板１０上にＡｌＧａＮ層１４を形成するのではなく、サファイア基板１０の表面に溝あるいは凹凸を形成し、この溝あるいは凹凸によりＡｌＧａＮ層１４に生じる転位をさらに抑制する。

図２に、図１におけるサファイア基板１０とＡｌＧａＮ層１４との界面を模式的に示す。サファイア基板１０の表面には所定間隔でストライプ状の溝１０ａが形成される。溝１０ａは、フォトレジストと反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）で形成される。溝１０ａの幅及び深さは、たとえば幅２μｍ、深さ１００ｎｍとすることができる。これ以外も可能であり、幅５μｍ、深さ３００ｎｍとしてもよく、幅７μｍ、深さ５００ｎｍとしてもよい。表面に溝１０ａが形成されたサファイア基板１０上にＡｌＧａＮ層１４を積層すると、溝１０ａが存在する部位においてＡｌＧａＮ層１４の転位が抑制される。

図３に、溝１０ａが形成されたサファイア基板１０上にＡｌＧａＮ層１４を積層する際の転位発生メカニズムを示す。なお、図では説明の都合上、ＧａＩｎＮＰバッファ層１２は省略してある。サファイア基版１０の溝１０ａ上にＡｌＧａＮ層１４を成長させると、まず最初に溝１０ａの端部に微小核１００が形成される。この微小核１００が種となって成長が進み、ついには溝１０ａを覆うように断面形状三角型状に成長する。このように三角型状が存在すると、転位２００の方向が曲げられる事となり、他の転位と会合して層厚方向に転位が成長しない。一方、溝１０ａが存在しない部位では転位２００が層厚方向にそのまま成長し、ＡｌＧａＮ層１４の表面まで達する。結局、ＡｌＧａＮ層１４の表面には転位２００が存在する部位と存在しない部位が生じ、溝１０ａが存在する部位では著しく転位２００の密度が低下する。

一方、ＡｌＧａＮ層１４のＡｌ組成比をｘとし、Ａｌ_xＧａ_1-xＮにおけるＡｌ組成比ｘが大きくなると、微小核１００は溝１０ａの端部のみに形成されず、図４に示すように溝１０ａの多数の部位に微小核１００が形成されてしまう。このため、ＡｌＧａＮを成長させ続けるとその断面形状が三角形状とならず、転位２００が層厚方向に成長してしまう。このように、サファイア基板１０上に溝１０ａを形成し、かつ、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ層１４のＡｌ組成比ｘを所定値以下に制限する。つまり溝１０ａの端部のみに局所的に核１００が形成され得る程度に制限することで、サファイア基板１０上に転位の著しく少ないＡｌＧａＮ層１４を形成することができる。

以下、本実施形態における製造方法をより詳細に説明する。まず、サファイア基板１０の表面にストライプ状の溝１０ａを形成する。すなわち、サファイア基板１０上にフォトレジストを塗布し、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により所定幅及び深さの溝１０ａを形成する。エッチングガスは、ＢＣｌ₃、Ｃｌ₂である。溝１０ａの向きは、ＧａＮの（１−１００）および（１−２１０）である。

次に、１１５０℃で１０分間、水素ガス雰囲気中でサファイア基板１０をアニールし、５００℃まで温度を下げてトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、アンモニア（ＮＨ₃）、フォスフィン（ＰＨ₃）を供給し、ＭＯＣＶＤ法によりサファイア基板１０上にＧａＩｎＮＰバッファ層１２を２０ｎｍ形成する。供給量は、ＴＭＧａ（５度）１５ｓｃｃｍ（standard cc/min）、ＴＭＩｎ（３０度）１００ｓｃｃｍ、ＮＨ₃７．５ｓｌｍ（standard liter/min）、ＰＨ₃０．２ｓｃｃｍである。

ＧａＩｎＮＰを成長した後、１０５０℃でＡｌＧａＮ層１４を成長させる。具体的には、ＴＭＧａ（５度）５０ｓｃｃｍ、ＮＨ₃１５ｓｌｍ、ＴＭＡｌ（４０度）を４．１ｓｃｃｍ（Ａｌ組成比３％の場合）、１２．５ｓｃｃｍ（Ａｌ組成比７％の場合）（以上は５００Ｔｏｒｒ）、９ｓｃｃｍ（Ａｌ組成比１０％の場合）（３００Ｔｏｒｒ）供給して４μｍ形成する。

図５に、Ａｌ組成比が７％のＡｌＧａＮ層１４のカソードルミネセンス（ＣＬ）像（高速電子を電子線として試料に照射したときに発する光の像）を示す。また、図６及び図７に、Ａｌ組成比が０％、３％、７％、１０％のＡｌＧａＮ層１４のＣＬ像から計算したダークスポット密度を示す。図６の横軸はＡｌＧａＮ層１４のＡｌ組成比ｘであり、図７の横軸は波長に換算した値を示す。また、両図において、比較のためサファイア基板１０に溝１０ａを形成しない場合のダークスポット密度を破線で示す。図から分かるように、サファイア基板１０の表面に溝１０ａを形成してＡｌＧａＮ層１４を成長させた場合、溝１０ａが存在しない場合に比べてダークスポット密度、すなわち転位が著しく低減している。また、Ａｌの組成比ｘが増大するほどダークスポット密度も増加し、Ａｌ組成比ｘは１０％以下に調整することが好ましく、波長では３４５ｎｍ以上とすることが好ましいことが分かる。

図８に、Ａｌ組成比が０％、３％、７％、１０％のＡｌＧａＮ層１４のＸＲＤ（Ｘ線回折測定）を示す。縦軸はＸ線ω−ｍｏｄｅの半値幅であり、層全体の結晶性を表す。実線は（００２）、破線は（１０２）である。いずれも半値幅が６００ａｒｃｓｅｃ程度以下であれば実用上問題ない結晶性であり、本実施形態のＡｌＧａＮ層１４は転位が少なく結晶性に優れていることが分かる。

なお、ＧａＩｎＮＰバッファ層１４のＩｎ組成比は大きな影響を与えないことを出願人は確認している。ＡｌＧａＮ層１４を成長させる際の１０５０℃の温度では、Ｉｎは蒸発してしまうからである。但し、上記のとおり、ＧａＮＰよりもＧａＩｎＮＰをバッファ層１４に用いるのが好ましい。

実施形態のＧａＮ系化合物半導体装置の構成図である。図１におけるサファイア基板とＡｌＧａＮ層との界面の状態を示す模式図である。実施形態における転位成長説明図である。Ａｌ組成比が大きい場合の転位成長説明図である。ＣＬ像説明図である。Ａｌ組成比とダークスポット密度との関係を示すグラフ図である。波長とダークスポット密度との関係を示すグラフ図である。Ａｌ組成比とＸＲＤとの関係を示すグラフ図である。

符号の説明

１０サファイア基板、１０ａ溝、１２ＧａＩｎＮＰバッファ層、１４ＡｌＧａＮ層。

Claims

表面に溝が形成された基板と、
前記基板上に形成されたＧａＩｎＮＰバッファ層と、
前記ＧａＩｎＮＰバッファ層上に形成されたＡｌＧａＮ系化合物半導体層と、
を有することを特徴とするＧａＮ系化合物半導体装置。
請求項１記載の装置において、
前記ＡｌＧａＮ系化合物半導体層におけるＡｌ組成比は１０％以下であることを特徴とするＧａＮ系化合物半導体装置。
ＧａＮ系化合物半導体装置の製造方法であって、
基板の表面に溝を形成するエッチングステップと、
前記溝が形成された前記基板上にＧａＩｎＮＰバッファ層を成長させるステップと、
前記ＧａＩｎＮＰバッファ層上にＡｌＧａＮ系化合物半導体層を成長させるステップと、
を有することを特徴とするＧａＮ系化合物半導体装置の製造方法。