JP2012227479A - 窒化物半導体素子形成用ウエハ、窒化物半導体素子形成用ウエハの製造方法、窒化物半導体素子、および窒化物半導体素子の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】窒化物半導体素子形成用ウエハは、基板の上に、下地層、第1導電型窒化物半導体層、活性層、および第2導電型窒化物半導体層が順に積層されて構成されている。基板は、窒化物半導体素子材料とは異なる材料からなる。また、下地層および/または第1導電型窒化物半導体層の膜厚は、基板の中央側と基板の周縁側とで異なっており、基板の周縁側からその基板の中央側へ向かうにつれて大きくても良いし、基板の周縁側からその基板の中央側へ向かうにつれて小さくても良い。窒化物半導体素子は、窒化物半導体素子形成用ウエハを用いて作製されたものである。
【選択図】図1
Description
本発明は、本発明の窒化物半導体素子形成用ウエハを用いて製造された窒化物半導体素子にも関する。
図1は、実施の形態1に係るウエハ20の概略断面図である。図2は本実施の形態における下地層3の一例を示す断面図であり、図3は本実施の形態における下地層3の他の一例を示す断面図である。本実施の形態では、図2および図3に示すように、下地層3の膜厚が基板1の中央側と基板1の周縁側とで異なる。
本実施の形態に係るウエハ20は、基板1と、基板1の上面に接するように設けられ、アルミニウムを含有する窒化物半導体材料からなる中間層2と、中間層2の上面に接するように設けられ、窒化物半導体材料からなる下地層3と、下地層3の上面に接するように設けられ、n型窒化物半導体材料からなるn型コンタクト層4と、n型コンタクト層4の上面に接するように設けられ、n型窒化物半導体材料からなるn型クラッド層5と、n型クラッド層5の上面に接するように設けられ、窒化物半導体材料からなる活性層6と、活性層6の上面に接するように設けられ、p型窒化物半導体材料からなるp型クラッド層7と、p型クラッド層7の上面に接するように設けられ、p型窒化物半導体材料からなるp型コンタクト層8とを備えている。
基板1は、窒化物半導体材料とは異なる材料からなる。たとえば、基板1としては、a面、c面、m面またはr面などの露出面を有するサファイア(Al2O3)単結晶、スピネル(MgAl2O4)単結晶、ZnO単結晶、LiAlO2単結晶、LiGaO2単結晶、MgO単結晶、Si単結晶、SiC単結晶、GaAs単結晶、AlN単結晶、GaN単結晶またはZrB2などのホウ化物単結晶などからなる基板を用いることができる。
中間層2としては、たとえばAlx0Gay0N(0≦x0≦1、0≦y0≦1、x0+y0≠0)の式で表わされる窒化物半導体材料からなる窒化物半導体層を用いることができる。なかでも、中間層2はAlN層であることが好ましい。これにより、基板1の成長面の法線方向に伸長するように中間層2が形成されるので、結晶粒の揃った柱状結晶の集合体からなる中間層2が得られる。
下地層3としては、たとえばAlx1Gay1Inz1N(0≦x1≦1、0≦y1≦1、0≦z1≦1、x1+y1+z1≠0)の式で表わされるIII族窒化物半導体材料からなる窒化物半導体層を用いることができる。なかでも、下地層3は、III族元素としてGaを含むものであることが好ましい。これにより、転位などの結晶欠陥が中間層2に存在する場合であっても、中間層2中の転位を引き継がないようにして下地層3を形成することができる。詳細には、中間層2と下地層3との界面付近で転位をループさせる(または転位ループを発生させる)ことができれば、中間層2中の転位を引き継がないようにして下地層3を形成することができる。そして、下地層3がGaを含むIII族窒化物半導体材料からなる場合には、中間層2と下地層3との界面付近で転位がループされやすい。したがって、Gaを含むIII族窒化物半導体材料からなる下地層3を用いることによって、中間層2と下地層3との界面付近で転位をループさせて閉じ込めて、転位が中間層2から下地層3に引き継がれるのを抑えることができる。特に下地層3がAlx1Gay1N(0≦x1≦1、0≦y1≦1)の式で表わされるIII族窒化物半導体材料からなる場合、さらには下地層3がGaNからなる場合には、中間層2と下地層3との界面付近で転位をループさせて閉じ込めることができるため、転位密度が小さく結晶性に優れた下地層3が得られる。
n型コンタクト層4としては、たとえば、Alx2Gay2Inz2N(0≦x2≦1、0≦y2≦1、0≦z2≦1、x2+y2+z2≠0)の式で表わされるIII族窒化物半導体材料からなる窒化物半導体層にn型ドーパントをドーピングした層などを用いることができる。なかでも、n型コンタクト層4は、Alx2Ga1−x2N(0≦x2≦1、好ましくは0≦x2≦0.5、より好ましくは0≦x2≦0.1)の式で表わされるIII族窒化物半導体にn型ドーパント(たとえばシリコン)がドーピングされた窒化物半導体層であることが好ましい。
n型クラッド層5としては、たとえば、Alx3Gay3Inz3N(0≦x3≦1、0≦y3≦1、0≦z3≦1、x3+y3+z3≠0)の式で表わされるIII族窒化物半導体材料からなる窒化物半導体層にn型ドーパントをドーピングした層などを用いることができる。n型クラッド層5は、III族窒化物半導体材料からなる複数の窒化物半導体層をヘテロ接合した構造や超格子構造であってもよい。また、n型クラッド層5の厚さは特に限定されないが、好ましくは0.005μm以上0.5μm以下であり、より好ましくは0.005μm以上0.1μm以下である。n型クラッド層5の良好な結晶性の維持および発光ダイオード素子の動作電圧の低減という観点から、n型クラッド層5へのn型ドーパントのドーピング濃度は、1×1017cm−3以上1×1020cm−3以下であることが好ましく、1×1017cm−3以上1×1019cm−3以下であることがより好ましい。
活性層6は、単一量子井戸(SQW)構造を有していても良いし、多重量子井戸(MQW)構造を有していても良い。活性層6が単一量子井戸構造を有する場合には、活性層6の量子井戸層として、たとえばGa1−z4Inz4N(0<z4<0.4)の式で表わされるIII族窒化物半導体材料からなる窒化物半導体層を用いることができる。また、活性層6の厚みは特に限定されないが、発光ダイオード素子の発光出力を向上させるという観点からは、1nm以上10nm以下であることが好ましく、1nm以上6nm以下であることがより好ましい。
p型クラッド層7としては、たとえばAlx6Gay6Inz6N(0≦x6≦1、0≦y6≦1、0≦z6≦1、x6+y6+z6≠0)の式で表わされるIII族窒化物半導体材料からなる窒化物半導体層にp型ドーパントをドーピングした層などを用いることができる。なかでも、p型クラッド層7としては、Alx6Ga1−x6N(0<x6≦0.4、好ましくは0.1≦x6≦0.3)の式で表わされるIII族窒化物半導体材料からなる窒化物半導体層にp型ドーパントをドーピングした層を用いることが好ましい。p型ドーパントとしては、たとえばマグネシウムなどを用いることができる。
p型コンタクト層8としては、たとえばAlx7Gay7Inz7N(0≦x7≦1、0≦y7≦1、0≦z7≦1、x7+y7+z7≠0)の式で表わされるIII族窒化物半導体からなる窒化物半導体層にp型ドーパントをドーピングした層などを用いることができる。なかでも、p型コンタクト層8の良好な結晶性の維持およびp型コンタクト層8とp側電極10との良好なオーミック接触を得るという観点からは、p型コンタクト層8はGaN層にp型ドーパントをドーピングした層であることが好ましい。
以下では、ウエハ20の製造方法を示す。なお、基板1、中間層2、下地層3、n型コンタクト層4、n型クラッド層5、活性層6、p型クラッド層7およびp型コンタクト層8の各材料および各膜厚などは、上述の通りである。
基板1の上面上に中間層2を形成する。ここで、中間層2は、基板1とターゲットとの間にDC−continuous方式により電圧を印加して行なわれるDCマグネトロンスパッタ法によって形成される。
MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法によって、中間層2の上面上に下地層3を形成する。
MOCVD法によって、下地層3の上面上に、n型コンタクト層4、n型クラッド層5、活性層6、p型クラッド層7およびp型コンタクト層8をこの順に積層する。
実施の形態2に係る発光ダイオード素子は、上記実施の形態1に係るウエハを用いて作製される。また、本実施の形態における光学装置は、本実施の形態に係る発光ダイオード素子を備えている。
発光ダイオード素子100は、n型コンタクト層4の一部分が露出するように上記実施の形態1に係るウエハ20(図1参照)がエッチングされたものであり、さらに、p型コンタクト層8の上面に接するように設けられた透光性電極層9と、透光性電極層9の上面に接するように設けられたp側電極10と、n型コンタクト層4の露出表面に接するように設けられたn側電極11とを備えている。
以下では、発光ダイオード素子100の製造方法を示す。なお、透光性電極層9、p側電極10およびn側電極11の各材料などは上述の通りである。
本実施の形態における発光装置200は、本実施の形態に係る発光ダイオード素子100と、発光ダイオード素子100が設けられた第1のリードフレーム12と、発光ダイオード素子100を封止する樹脂13と、発光ダイオード素子100が電気的に接続される第2のリードフレーム14と、発光ダイオード素子100のp側電極10と第1のリードフレーム12とを電気的に接続する第1のワイヤ45と、発光ダイオード素子100のn側電極11と第2のリードフレーム14とを電気的に接続する第2のワイヤ44とを備えている。
以下では、発光装置200の製造方法を示す。なお、第1のリードフレーム12、樹脂13、第2のリードフレーム14、第1のワイヤ45および第2のワイヤ44の各材料などは上述の通りである。
(ウエハの製造方法)
(AlNバッファ層の形成方法)
まず、基板として口径が4インチのサファイア基板を準備し、サファイア基板のc面がAlターゲットの表面に対向するようにサファイア基板をDCマグネトロンスパッタ装置のチャンバ内に配置した。次に、ヒータによりサファイア基板を500℃の温度に加熱した。続いて、DC−continuous方式により電圧を印加して行なわれるDCマグネトロンスパッタ法を用いた反応性スパッタにより、サファイア基板のc面上に窒化アルミニウム(AlN)の柱状結晶の集合体からなる厚さ25nmのAlNバッファ層を積層した。これにより、AlNバッファ層からなる中間層がサファイア基板のc面上に形成された。
まず、AlNバッファ層が形成されたサファイア基板をMOCVD装置の反応炉の内部に設置した。ここで、上記サファイア基板を高周波誘導加熱式ヒータで加熱するため、当該サファイア基板をグラファイト製のサセプタ上に設置した。なお、上記サファイア基板を抵抗加熱式ヒータで加熱する場合には、当該サファイア基板をグラファイト製のサセプタ上に設置された石英製のトレイ上に設置すればよい。
窒素ガス、水素ガス、アンモニアガスおよびTMGガスの供給を継続した状態でサファイア基板の温度を1125℃とし、Siのドーピング濃度が1×1019cm−3となるようにシランガスを反応炉の内部に供給した。これにより、厚さ3μmのSiドープn型GaNコンタクト層からなるn型コンタクト層がMOCVD法によりアンドープGaN層の上面上に形成された。
窒素ガスの供給を継続する一方、TMGガス、アンモニアガス、水素ガスおよびシランガスの供給を停止した。その後に、サファイア基板の温度を800℃に低下させた。反応炉の内部の状態が安定したことを確認した後に、原料ガスとしてのTMGガス、TMIガスおよびアンモニアガスを反応炉の内部に供給し、さらにはSiのドーピング濃度が1×1018cm−3となるようにシランガスを反応炉の内部に供給した。これにより、厚さ8nmのSiドープn型In0.01Ga0.99N障壁層からなるn型クラッド層がSiドープn型GaNコンタクト層の上面上に形成された。
シランガスの供給を停止する一方、TMGガス、TMIガス、アンモニアガスおよび窒素ガスの供給を継続した。これにより、In0.1Ga0.9Nからなる量子井戸層を3nmの厚さに積層した。
TMGガスおよびTMIガスの供給を停止してからアンモニアガスの供給を継続させた状態で、サファイア基板の温度を1100℃まで上昇させた。また、キャリアガスを窒素ガスから水素ガスに変更した。そして、2分間にわたって、TMGガス、TMAガスおよびCP2Mgガスを反応炉の内部に供給した。これにより、厚さ20nmのMgドープp型Al0.2Ga0.8Nクラッド層からなるp型クラッド層がMQW活性層の上面上に積層された。
サファイア基板の温度を1100℃に保持してから、TMAガスの供給のみを停止した。その後、反応炉の内部へのTMGガスとCP2Mgガスとの供給量を変更することによって、厚さ0.2μmのMgドープp型GaNコンタクト層からなるp型コンタクト層がMgドープp型Al0.2Ga0.8Nクラッド層の上面上に積層した。これにより、実施例1におけるウエハが作製された。
比較例では、アンドープGaN層を形成するときのキャリアガスの流量を500slmとすること以外を除いては上記実施例1と同様の方法に従って、ウエハを作製した。
反応炉から取り出したウエハを視認したところ、比較例では8割以上のウエハが割れていたが、実施例1では3割前後のウエハが割れているに過ぎなかった。割れが発生したウエハでは、オリエンテーションフラットの中心からオリエンテーションフラットに対して垂直に割れていた。
比較例では、キャリアガスの流量が相対的に少ない(200slm)。そのため、サファイア基板の周縁側において原料ガスの滞留を防止することは難しいと考えられ、アンドープGaN層の膜厚差は0.1μmであった。よって、アンドープGaN層の膜厚分布に起因するウエハの反りが小さいため、格子定数の差または熱膨張係数の差に起因するウエハの反りをアンドープGaN層の膜厚分布に起因するウエハの反りで打ち消すことが難しい。したがって、ウエハが割れる確率が高かったと考えられる。
実施例2では、実施例1において反りや割れが確認されなかったウエハを用いて発光ダイオード素子を作製した。
Claims (14)
- 窒化物半導体素子を形成するためのウエハであって、
基板と、
前記基板の上に設けられた下地層と、
前記下地層の上に設けられた第1導電型窒化物半導体層と、
前記第1導電型窒化物半導体層の上に設けられた活性層と、
前記活性層の上に設けられた第2導電型窒化物半導体層とを備え、
前記基板は、窒化物半導体材料とは異なる材料からなり、
前記下地層および/または前記第1導電型窒化物半導体層の膜厚は、前記基板の中央側と当該基板の周縁側とで異なる窒化物半導体素子形成用ウエハ。 - 前記下地層および/または前記第1導電型窒化物半導体層の膜厚は、前記基板の周縁側から当該基板の中央側へ向かうにつれて厚くなる請求項1に記載の窒化物半導体素子形成用ウエハ。
- 前記下地層の膜厚は、前記基板の中央側と当該基板の周縁側とで異なり、
前記下地層の平均膜厚は、9μm以下である請求項1または2に記載の窒化物半導体素子形成用ウエハ。 - 前記下地層の膜厚の最大値と当該膜厚の最小値との差は、0.8μm以下である請求項3に記載の窒化物半導体素子形成用ウエハ。
- 前記基板の口径は、4インチ以上である請求項1〜4のいずれかに記載の窒化物半導体素子形成用ウエハ。
- 請求項1〜5のいずれかに記載の窒化物半導体素子形成用ウエハを用いて製造された窒化物半導体素子。
- 窒化物半導体素子を形成するためのウエハを製造する方法であって、
基板の上に、下地層を形成する工程と、
前記下地層の上に、第1導電型窒化物半導体層を形成する工程と、
前記第1導電型窒化物半導体層の上に、活性層を形成する工程と、
前記活性層の上に、第2導電型窒化物半導体層を形成する工程とを備え、
前記基板として、窒化物半導体材料とは異なる材料からなる基板を用い、
膜厚が前記基板の中央側と当該基板の周縁側とで異なるように前記下地層および/または前記第1導電型窒化物半導体層を形成する窒化物半導体素子形成用ウエハの製造方法。 - 膜厚が前記基板の周縁側から当該基板の中央側へ向かうにつれて厚くなるように前記下地層および/または前記第1導電型窒化物半導体層を形成する請求項7に記載の窒化物半導体素子形成用ウエハの製造方法。
- 前記下地層を形成する工程では、
原料ガスとキャリアガスとを用いて前記下地層を形成し、
前記キャリアガスの流量を制御して膜厚が前記基板の中央側と当該基板の周縁側とで異なるように当該下地層を形成する請求項7または8に記載の窒化物半導体素子形成用ウエハの製造方法。 - 前記下地層を形成する工程では、
原料ガスとキャリアガスとを用いて前記下地層を形成し、
前記原料ガスの濃度を制御して膜厚が前記基板の中央側と当該基板の周縁側とで異なるように当該下地層を形成する請求項7または8に記載の窒化物半導体素子形成用ウエハの製造方法。 - 前記下地層を形成する工程では、
膜厚が前記基板の中央側と当該基板の周縁側とで異なるように前記下地層を形成し、 前記下地層の平均膜厚を9μm以下とする請求項7〜10のいずれかに記載の窒化物半導体素子形成用ウエハの製造方法。 - 前記下地層を形成する工程では、前記下地層の膜厚の最大値と当該膜厚の最小値との差を0.8μm以下とする請求項11に記載の窒化物半導体素子形成用ウエハの製造方法。
- 前記基板として、口径が4インチ以上の基板を用いる請求項7〜12のいずれかに記載の窒化物半導体素子形成用ウエハの製造方法。
- 請求項7〜13のいずれかに記載の方法によって作製された窒化物半導体素子形成用ウエハを用いて窒化物半導体素子を製造する方法であって、
前記第2導電型窒化物半導体層および前記活性層のそれぞれの一部分を除去して、前記第1導電型窒化物半導体層の一部分を露出させる工程と、
前記第1導電型窒化物半導体層の露出した表面の上に第1導電側の外部接続用電極を形成し、前記第2導電型窒化物半導体層の上に第2導電側の外部接続用電極を形成する工程と、
前記下地層、前記第1導電型窒化物半導体層、前記活性層、および前記第2導電型窒化物半導体層が形成された基板を個片化する工程とを備えている窒化物半導体素子の製造方法。
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