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JP2008285364A - ＧａＮ基板、それを用いたエピタキシャル基板及び半導体発光素子 - Google Patents

ＧａＮ基板、それを用いたエピタキシャル基板及び半導体発光素子 Download PDF

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JP2008285364A JP2007132035A JP2007132035A JP2008285364A JP 2008285364 A JP2008285364 A JP 2008285364A JP 2007132035 A JP2007132035 A JP 2007132035A JP 2007132035 A JP2007132035 A JP 2007132035A JP 2008285364 A JP2008285364 A JP 2008285364A
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Katsushi Akita
勝史 秋田
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Sumitomo Electric Industries Ltd
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Abstract

【課題】半導体発光素子の発光効率の向上を図ることができるＧａＮ基板、それを用いたエピタキシャル基板及び半導体発光素子を提供する。
【解決手段】ＧａＮ基板３０は、その成長面３０ａが、ｍ面若しくはａ面に対してオフ角を有する面である。このＧａＮ基板３０においては、成長面３０ａがオフ角を有するｍ面若しくはａ面となっている。これらのｍ面及びａ面は非極性面であるため、このＧａＮ基板３０を用いて半導体発光素子を作製した場合には、ピエゾ電界の影響を回避して高い発光効率を実現することができる。
【選択図】図４

Description

本発明は、ＧａＮ基板、それを用いたエピタキシャル基板及び半導体発光素子に関する。
従来、ＧａＮ基板の結晶成長には、一般にｃ面が用いられる。このｃ面は極性面であるため、ピエゾ電界が発生して、それがＧａＮ基板を用いた発光素子の発光効率の低下の一因となっていた。特に、緑色領域の発光を実現するためにＩｎを含む発光層を利用する場合には、ＧａＮ基板との間の格子定数の差が拡大するため、さらなる発光効率の低下がもたらされる。
Journal of Applied Physics 100, 023522 (2006),A.E.Romanov, T.J.Baker, S.Nakamura, and J.S.Speck, "Strain-inducedpolarization in wurtzite III-nitride Semi-polar layers." Japanese Journal of Applied Physics Vol.46,No.9, 2007, pp. L190-L191, "Demonstration of Non-polar m-Plane InGaN/GaNLaser Diodes." Japanese Journal of Applied Physics Vol.46,No.9, 2007, pp. L187-L189, "Continuous-Wave Operation of m-Plane InGaNMultiple Quantum Well Laser Diodes."
発明者らは、鋭意研究の末、特に緑色領域に適用される半導体発光素子において発光効率を効果的に向上させる技術を新たに見出した。
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、半導体発光素子の発光効率の向上を図ることができるＧａＮ基板、それを用いたエピタキシャル基板及び半導体発光素子を提供することを目的とする。
本発明に係るＧａＮ基板は、その成長面がｍ面若しくはａ面に対してオフ角を有する面である。
このＧａＮ基板においては、その成長面がオフ角を有するｍ面若しくはａ面となっている。これらのｍ面及びａ面は非極性面であるため、このＧａＮ基板を用いて半導体発光素子を作製した場合には、ピエゾ電界の影響を回避して高い発光効率を実現することができる。そして、発明者らは、これらのｍ面若しくはａ面に対してオフ角を設けることで高品質のモフォロジーを実現できることを新たに見出した。その結果、このＧａＮ基板を用いて作製される半導体発光素子のさらなる発光効率の向上を実現することが可能となる。
また、オフ角が１．０度以内である態様でもよい。この場合、より高品質のモフォロジーを実現でき、半導体発光素子のさらなる発光効率の向上を実現することが可能となる。
また、オフ角が０．０３〜０．５度の範囲内である態様でもよい。この場合、より高い発光効率を実現することができる。
また、オフ角の傾斜方向が＜０００１＞方向である態様でもよい。
また、成長面がｍ面に対してオフ角を有する面であって、オフ角の傾斜方向が＜１１−２０＞方向である態様でもよい。さらに、成長面がａ面に対してオフ角を有する面であって、オフ角の傾斜方向が＜１−１００＞方向である態様でもよい。
本発明に係るエピタキシャル基板は、ＧａＮ基板のｍ面若しくはａ面に対してオフ角を有する面である成長面上に、エピタキシャル層が積層されている。
このエピタキシャル基板においては、成長面がオフ角を有するｍ面若しくはａ面であるＧａＮ基板に、ＩｎＧａＮ層が積層されている。これらのｍ面及びａ面は非極性面であるため、このエピタキシャル基板を用いて半導体発光素子を作製した場合には、ピエゾ電界の影響を回避して高い発光効率を実現することができる。そして、発明者らは、これらのｍ面若しくはａ面に対してオフ角を設けることで高品質のモフォロジーを実現できることを新たに見出した。その結果、このエピタキシャル基板を用いて作製される半導体発光素子のさらなる発光効率の向上を実現することが可能となる。
本発明に係る半導体発光素子は、ＧａＮ基板のｍ面若しくはａ面に対してオフ角を有する面である成長面上に、ＩｎＧａＮを含む発光層が形成されている。
この半導体発光素子においては、成長面がオフ角を有するｍ面若しくはａ面であるＧａＮ基板に、発光層が形成されている。これらのｍ面及びａ面は非極性面であるため、この半導体発光素子では、ピエゾ電界の影響が回避されており高い発光効率が実現される。そして、発明者らは、これらのｍ面若しくはａ面に対してオフ角を設けることで高品質のモフォロジーを実現できることを新たに見出した。その結果、この半導体発光素子ではさらなる発光効率の向上が実現されている。
本発明によれば、半導体発光素子の発光効率の向上を図ることができるＧａＮ基板、それを用いたエピタキシャル基板及び半導体発光素子が提供される。
以下、添付図面を参照して本発明を実施するにあたり最良と思われる形態について詳細に説明する。なお、同一又は同等の要素については同一の符号を付し、説明が重複する場合にはその説明を省略する。
本発明の実施形態に係る半導体発光素子の作製に用いられるＧａＮ基板を作製する手順について説明する。そのＧａＮ基板は、図１に示すようなＨＶＰＥ装置によって作製される。
図１は、常圧のＨＶＰＥ装置１０を示す図である。この装置は、第１のガス導入ポート１１、第２のガス導入ポート１２、第３のガス導入ポート１３、及び排気ポート１４を有する反応チャンバ１５と、この反応チャンバ１５を加熱するための抵抗加熱ヒータ１６と、から構成されている。また、反応チャンバ１５内には、Ｇａメタルのソースボート１７と、ＧａＡｓ基板１８を支持する回転支持部材１９とが設けられている。
そして、ＧａＡｓ基板１８として約５０〜１５０ｍｍ（２〜６インチ）径のＧａＡｓ（１１１）Ａ基板を用いて、抵抗加熱ヒータ１６によりＧａＡｓ基板１８の温度を約４５０℃〜約５３０℃に昇温保持した状態で、第２のガス導入ポート１２より塩化水素（ＨＣｌ）を分圧４×１０−４ａｔｍ〜４×１０−３ａｔｍでＧａメタルのソースボート１７に導入する。この処理により、Ｇａメタルと塩化水素（ＨＣｌ）とが反応し、塩化ガリウム（ＧａＣｌ）が生成される。次いで、第１のガス導入ポート１１よりアンモニア（ＮＨ３）を分圧０．１ａｔｍ〜０．３ａｔｍで導入し、ＧａＡｓ基板１８付近でＮＨ３とＧａＣｌとを反応させ、窒化ガリウム（ＧａＮ）を生成させる。
なお、第１のガス導入ポート１１及び第２のガス導入ポート１２には、キャリアガスとして水素（Ｈ２）を導入する。また、第３のガス導入ポート１３には、水素（Ｈ２）のみを導入する。このような条件下で、約２０〜約４０分間ＧａＮを成長させることにより、ＧａＡｓ基板１８上に厚さ５ｍｍのＧａＮ層を厚膜成長させて、図２に示すようなＧａＮインゴット２０を形成する。
そして、上述のようにして得られたＧａＮインゴット２０を、その成長面であるｃ面に対して略垂直に切断することにより、本実施形態の半導体発光素子の作製に用いられるＧａＮ基板３０が切り出される。このとき、図３に示すとおり、ｃ面に対して垂直な面であるｍ面（すなわち、（１−１００）面）が露出するように切断することで、ｍ面を成長面とするＧａＮ基板を得ることができる。同様に、ｃ面に対して垂直な面であるａ面（すなわち、（１１−２０）面）が露出するように切断することで、ａ面を成長面とするＧａＮ基板を得ることができる。このようなｍ面やａ面は、非極性面であるため、ｍ面やａ面を成長面とするＧａＮ基板を用いて半導体発光素子を作製した場合には、ピエゾ電界の影響を回避して高い発光効率を実現することができる。
ただし、ＧａＮインゴット２０からＧａＮ基板を切り出す際には、０度より大きい所定のオフ角が設けられるように切断して、ＧａＮ基板３０（３０Ａ，３０Ｂ）を作製する。ここで、ＧａＮ基板３０Ａは、ｍ面に対してオフ角（＞０度）を有する面を成長面とする基板であり、ＧａＮ基板３０Ｂは、ａ面に対してオフ角（＞０度）を有する面を成長面とする基板である。
ＧａＮ基板３０Ａは、図４に示すように、５ｍｍ×２０ｍｍ角の矩形板状である。そして、その成長面３０ａがｍ面に対してオフ角を有する面となっている。なお、そのオフ角の傾斜方向は、互いに直交する＜０００１＞方向若しくは＜１１−２０＞方向となっている。
ＧａＮ基板３０Ｂは、図５に示すように、ＧａＮ基板３０Ａ同様、５ｍｍ×２０ｍｍ角の矩形板状である。そして、その成長面３０ａがａ面に対してオフ角を有する面となっている。なお、そのオフ角の傾斜方向は、互いに直交する＜０００１＞方向若しくは＜１−１００＞方向となっている。
続いて、以上のようにして得られたＧａＮ基板３０の成長面３０ａにエピタキシャル層３２を積層して、図６に示すようなエピタキシャル基板４０を形成する。このエピタキシャル層３２は、ＡｌＧａＮで構成されており、公知の成膜装置（例えば、ＭＯＣＶＤ装置）を用いて積層される。
さらに、図７に示すように、このエピタキシャル基板４０上に、ｎ−ＧａＮバッファ層４２、ＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮ−ＭＱＷ発光層４４、ｐ−ＡｌＧａＮ層４６及びｐ−ＧａＮ層４８を順次積層し、さらにｎ電極５０Ａ及びｐ電極５０Ｂを設けることで、本実施形態に係る半導体発光素子６０（ＬＥＤデバイス）の作製が完了する。この半導体発光素子６０は、ＩｎＧａＮを含む発光層４４を有するため、青色領域よりも波長の長い緑色領域の光を発する。
発明者らは、鋭意研究の末、このような半導体発光素子６０の作製に、上述したＧａＮ基板３０を用いることで発光効率の向上が効果的に図られることを、下記の実施例により確認した。
以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
（実施例１）
まず、上述したＧａＮ基板３０Ａと同様又は同等のＧａＮ基板であって、下記表１のようにｍ面に対するオフ角が異なるＧａＮ基板（５ｍｍ×２０ｍｍ角）のサンプル１−１４を、上記実施形態と同様の手順により用意した。すなわち、サンプル１−１４のうち、サンプル１−７は傾斜方向が＜１１−２０＞方向となっており、サンプル８−１４は傾斜方向が＜０００１＞方向となっている。なお、ＧａＮ基板の面方位（オフ角）はＸ線回折法により確認し、オフ角の測定精度は±０．０１度である。
そして、ＭＯＣＶＤ装置を用いて、上記サンプル１−１４それぞれの成長面にエピタキシャル層を形成して、図７に示した積層構造を有するＬＥＤデバイスを作製した。そして、各サンプルについてその表面粗さ（測定領域は５０μｍ×５０μｍ）を原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用いて測定したところ、その測定結果は下記表２に示すとおりであった。
この表２の測定結果から明らかなように、サンプル１及びサンプル８では、その表面粗さが大きく、１５ｎｍ以上となった。すなわち、オフ角が０度である成長面（ｍ面）にエピタキシャル層を成長させた場合には、表面の平坦性が悪くなることがわかった。これらのサンプル１及びサンプル８の表面を実際に観察したところ、図８（ａ）に示すようなうねり状モフォロジーが観察された。
また、表２の測定結果から明らかなように、サンプル１，８以外ではその表面粗さが小さく、１５ｎｍ以下であった。
特に、サンプル２−６及びサンプル９−１３のように、オフ角が０．０３〜１．０度の範囲内である成長面にエピタキシャル層を成長させた場合には、表面の平坦性が極めて良好となることがわかった。これらのサンプル２−６及びサンプル９−１３の表面を実際に観察したところ、極めて平坦なモフォロジー若しくは図８（ｂ）に示すような浅いステップ状モフォロジーが観察された。
一方、サンプル７及びサンプル１４のように、オフ角が２度である成長面にエピタキシャル層を成長させた場合には、表面の平坦性は良好であるものの、これらのサンプル７及びサンプル１４の表面を実際に観察したところ、図８（ｃ）に示すような深いステップ状モフォロジーが観察された。このステップ状モフォロジーは、ＧａＮ基板の成長面の凹凸（スクラッチ）に起因するものであると考えられる。
すなわち、表２の測定結果から、オフ角が０度の場合からオフ角が増加するに従って表面の平坦性が改善され、オフ角が０．３度付近において最も良好な平坦性が得られることが明らかとなった。そして、オフ角が０．３度からさらに増加するに従って表面の平坦性が劣化（ステップの間隔減少、傾斜増大）する。オフ角が増大すると、半導体発光素子に要求されるレベルの平坦性を保てなくなるため、オフ角は１．０度以下が好適である。
さらに、上記各サンプル１−１４を用いて作製したＬＥＤデバイスについて、ピーク波長４５０ｎｍにおける発光スペクトルのＥＬ強度を測定したところ、その測定結果は下記表３に示すとおりであった。なお、表３のＥＬ強度の測定値は、オフ角０．３度のサンプル３，１１のＥＬ強度を１としたときの相対強度で示している。
この表３の測定結果から明らかなように、サンプル２−７及びサンプル９−１４では、高いＥＬ強度を得ることができたのに対し、サンプル１，８では、十分に高いＥＬ強度を得ることができなかった。これは、表２の測定結果を参照すると、各サンプルの結晶性が原因であると考えられる。すなわち、サンプル２−７及びサンプル９−１４では、良好な結晶成長がおこなわれたために、各エピタキシャル層の結晶性が高くなっており、その結果、表面の平坦性が高くなり、また高いＥＬ強度が得られたものと考えられる。特に、オフ角０．０３〜０．５度のサンプルにおいて高いＥＬ強度が得られた。逆に、サンプル１，８では、良好な結晶成長がおこなわれなかったために、各エピタキシャル層の結晶性が低くなっており、その結果、表面の平坦性が悪くなり、ＥＬ強度が低下したものと考えられる。
以上の実験により、半導体発光素子の作製に、ｍ面から所定のオフ角（好ましくは、１．０度以下、より好ましくは、０．０３〜０．５度）を有する面を成長面とするＧａＮ基板を採用することにより、高い発光効率を実現できることが確認された。
（実施例２）
また、実施例１と同様にして、上述したＧａＮ基板３０Ｂと同様又は同等のＧａＮ基板であって、下記表４のようにａ面に対するオフ角が異なるＧａＮ基板（５ｍｍ×２０ｍｍ角）のサンプル１５−２８を、上記実施形態と同様の手順により用意した。すなわち、サンプル１５−２８のうち、サンプル１５−２１は傾斜方向が＜１−１００＞方向となっており、サンプル２２−２８は傾斜方向が＜０００１＞方向となっている。なお、ＧａＮ基板の面方位（オフ角）はＸ線回折法により確認し、オフ角の測定精度は±０．０１度である。
そして、ＭＯＣＶＤ装置を用いて、上記サンプル１５−２８それぞれの成長面にエピタキシャル層を形成して、図７に示した積層構造を有するＬＥＤデバイスを作製した。そして、各サンプルについてその表面粗さ（測定領域は５０μｍ×５０μｍ）を原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用いて測定したところ、その測定結果は下記表５に示すとおりであった。
この表５の測定結果から明らかなように、サンプル１５及びサンプル２２では、その表面粗さが大きく、１５ｎｍ以上となった。すなわち、オフ角が０度である成長面（ａ面）にエピタキシャル層を成長させた場合には、表面の平坦性が悪くなることがわかった。これらのサンプル１５及びサンプル２２の表面を実際に観察したところ、図８（ａ）に示すようなうねり状モフォロジーが観察された。
また、表５の測定結果から明らかなように、サンプル１５及びサンプル２２以外ではその表面粗さが小さく、１５ｎｍ以下であった。
特に、サンプル１６−２０及びサンプル２３−２７のにように、オフ角が０．０３〜１．０度の範囲内である成長面にエピタキシャル層を成長させた場合には、表面の平坦性が極めて良好となることがわかった。これらのサンプル１６−２０及びサンプル２３−２７の表面を実際に観察したところ、極めて平坦なモフォロジー若しくは図８（ｂ）に示すような浅いステップ状モフォロジーが観察された。
一方、サンプル２１及びサンプル２８のように、オフ角が２度である成長面にエピタキシャル層を成長させた場合には、表面の平坦性は良好であるものの、これらのサンプル２１及びサンプル２８の表面を実際に観察したところ、図８（ｃ）に示すような深いステップ状モフォロジーが観察された。このステップ状モフォロジーは、ＧａＮ基板の成長面の凹凸（スクラッチ）に起因するものであると考えられる。
すなわち、表５の測定結果から、オフ角が０度の場合からオフ角が増加するに従って表面の平坦性が改善され、オフ角が０．３度付近において最も良好な平坦性が得られることが明らかとなった。そして、オフ角が０．３度からさらに増加するに従って表面の平坦性が劣化（ステップの間隔減少、傾斜増大）する。オフ角が増大すると、半導体発光素子に要求されるレベルの平坦性を保てなくなるため、オフ角は１．０度以下が好適である。
さらに、上記各サンプル１５−２８を用いて作製したＬＥＤデバイスについて、ピーク波長４５０ｎｍにおける発光スペクトルのＥＬ強度を測定したところ、その測定結果は下記表６に示すとおりであった。なお、表６のＥＬ強度の測定値は、オフ角０．３度のサンプル１８，２５のＥＬ強度を１としたときの相対強度で示している。
この表６の測定結果から明らかなように、サンプル１６−２１及びサンプル２３−２８では、高いＥＬ強度を得ることができたのに対し、サンプル１５，２２では、十分に高いＥＬ強度を得ることができなかった。これは、表５の測定結果を参照すると、各サンプルの結晶性が原因であると考えられる。すなわち、サンプル１６−２１及びサンプル２３−２８では、良好な結晶成長がおこなわれたために、各エピタキシャル層の結晶性が高くなっており、その結果、表面の平坦性が高くなり、また高いＥＬ強度が得られたものと考えられる。特に、オフ角０．０３〜０．５度のサンプルにおいて高いＥＬ強度が得られた。逆に、サンプル１５，２２では、良好な結晶成長がおこなわれなかったために、各エピタキシャル層の結晶性が低くなっており、その結果、表面の平坦性が悪くなり、ＥＬ強度が低下したものと考えられる。
以上の実験により、半導体発光素子の作製に、ａ面から所定のオフ角（好ましくは、１．０度以下、より好ましくは、０．０３〜０．５度）を有する面を成長面とするＧａＮ基板を採用することにより、高い発光効率を実現できることが確認された。
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、半導体発光素子は、ＭＱＷ発光層を有するＬＥＤデバイスに限らず、異なるＬＥＤ構造を有するＬＥＤデバイスやＬＤデバイス等であってもよい。
本発明の実施形態に用いる気相成長装置を示した概略構成図である。 図１の気相成長装置を用いて作製したＧａＮインゴットを示した図である。 ＧａＮの面方位を示した模式図である。 本発明の実施形態に係るＧａＮ基板を示した斜視図である。 本発明の実施形態に係るＧａＮ基板を示した斜視図である。 本発明の実施形態に係るエピタキシャル基板を示した斜視図である。 本発明の実施形態に係る半導体発光素子を示した斜視図である。 本発明の実施例に係る表面モフォロジーを示した図である。
符号の説明
１０…気相成長装置、２０…ＧａＮインゴット、３０，３０Ａ，３０Ｂ…ＧａＮ基板、３０ａ…成長面、３２…エピタキシャル層、４０…エピタキシャル基板、４４…発光層、６０…半導体発光素子。

Claims (8)

  1. 成長面が、ｍ面若しくはａ面に対してオフ角を有する面である、ＧａＮ基板。
  2. 前記オフ角が１．０度以内である、請求項１に記載のＧａＮ基板。
  3. 前記オフ角が０．０３〜０．５度の範囲内である、請求項１又は２に記載のＧａＮ基板。
  4. 前記オフ角の傾斜方向が＜０００１＞方向である、請求項１〜３のいずれか一項に記載のＧａＮ基板。
  5. 前記成長面がｍ面に対して前記オフ角を有する面であって、前記オフ角の傾斜方向が＜１１−２０＞方向である、請求項１〜３のいずれか一項に記載のＧａＮ基板。
  6. 前記成長面がａ面に対して前記オフ角を有する面であって、前記オフ角の傾斜方向が＜１−１００＞方向である、請求項１〜３のいずれか一項に記載のＧａＮ基板。
  7. ＧａＮ基板のｍ面若しくはａ面に対してオフ角を有する面である成長面上に、エピタキシャル層が積層されている、エピタキシャル基板。
  8. ＧａＮ基板のｍ面若しくはａ面に対してオフ角を有する面である成長面上に、ＩｎＧａＮを含む発光層が形成されている、半導体発光素子。
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