JP4936653B2 - サファイア基板とそれを用いた発光装置 - Google Patents

Description

本発明は、窒化物系半導体を成長させるためのサファイア基板、及び、それを用いた発光装置に関するものである。

窒化アルミニウム（以下、ＡｌＮという。）、窒化ガリウム（以下、ＧａＮという。）、窒化インジウム（以下、ＩｎＮという。）、あるいは、それらの混晶である窒化アルミニウムガリウムインジウム（以下、Ａｌ_ｘＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｉｎ_ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）という。）などの窒化物系半導体は受発光素子や電子走行素子に用いることができるため、近年、その結晶成長や半導体装置への応用について、幅広く研究がなされている。

窒化物系半導体は大型のバルク単結晶が成長できないため、一般的にはサファイアなどの異種基板を半導体成長用基板に用いてヘテロエピタキシャル成長させている。

エピタキシャル成長の方法としては、有機金属気相成長(ＭＯＶＰＥ) 法、分子線エピタキシー(ＭＢＥ)法、ハライド気相成長(ＨＶＰＥ)法などがあるが、実用化の面で最も一般的なのはＭＯＶＰＥ法である。

また、上記のような半導体素子を用いた発光装置は、窒化物系半導体層を積層してなる構造をサファイア基板の全面にエピタキシャル成長させ、所望の装置形状に加工した後、電極を形成している。

（０００１）面や（１１−２０）面を主面とするサファイア基板を用いた場合、その上に成長させる窒化物系半導体は［０００１］配向するため、（０００１）面が主面となる。しかしながら、窒化物系半導体の場合、［０００１］配向した発光素子構造を積層すると、この系の材料に特有な、ピエゾ電界の影響を受けて活性層のバンド構造に歪みを生じ、発光効率を低下させてしまうという問題があった。この活性層のバンド構造歪みにより、直接遷移型半導体である窒化物系半導体の特徴を最大限には生かすことができなくなる。その結果、エネルギー損失は発光素子内で主に熱エネルギーとなって消費されるため、作製した発光素子の輝度向上が困難となり、さらなる高輝度発光素子の実現を阻んでいた。

そこで、その解決策として、ピエゾ電界の影響を受けない方向に結晶が配向した発光素子構造を成長させることが望まれていた。

一般に、（０１−１２）面サファイア基板上に、窒化物系半導体を成長させる場合、［１１−２０］配向することが知られており、例えば、特許文献１などに既に記載されている。また、発光装置の試作例もすでに報告例があり、非特許文献１には、（０１−１２）面サファイア基板上に、（１１−２０）面のＧａＮ層を形成したＧａＮ／ＧａＩｎＮ多重量子井戸構造発光装置の試作例が既に報告されている。上記文献によると、図６に示すように、（０１−１２）面を主面とするサファイア基板１１上に、ＭＯＶＰＥ法により、n型ＧａＮ層（３０μm）６１１、n型Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎクラッド層（１００ｎｍ）６１２、ＧａＮ/Ｉｎ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｎ多重量子井戸構造活性層６１３、ｐ型Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎクラッド層（５０ｎｍ）６１４、ｐ型ＧａＮ層（２００ｎｍ）６１５を順次積層してなる発光素子構造６１を構成している。これに、RIEによるメサ加工、及び、ｐ側電極６２とn側電極６３の形成を行い、発光装置６を形成している。

ここで、発光素子構造６１は、［１１−２０］配向している。この文献は、活性層６１３のピエゾ電界に関する検討がなされている点で有用であるが、発光素子構造６１を構成する場合には厚すぎる、３０μmという膜厚のn型ＧａＮクラッド層を用いており、成長時間があまりにも長くなるだけでなく、成長後のエピタキシャル基板の反りが大きくなることが大きな問題であり、実用化には不向きな技術であった。これは、成長させた窒化物系半導体の膜厚が小さいと表面モフォロジーが凹凸形状を有するため、膜厚を大きくして表面を平坦化させているからである。
特開２００２−３７４００３号公報 ＡＰＰＬＩＥＤ ＰＨＹＳＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ：VOL．８４、ＮＵＭＢＥＲ １８、Ｐ．３６６３（２００４）

以上のように、発光素子構造の表面平坦性は発光素子を製造する際に非常に重要な要素であるが、実用化に適した数μm程度の膜厚の発光素子構造において、表面を平坦化することは困難であった。

上記課題を解決するために、本願は、サファイア基板と、前記サファイア基板の主面上に結晶成長された、Ａｌ_ｘＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｉｎ_ｙＮ（０≦ｘ，ｙ、ｘ＋ｙ≦１）で表される窒化物系半導体からなる、０．５μｍ以上かつ８μｍ以下の膜厚を有する発光素子構造と、を備える発光装置であって、前記サファイア基板の前記主面が、（０１−１２）面から（０００１）面方向へオフアングルαで傾斜し、−０．７５°≦α≦−０．２５°を満たすとともに、前記サファイア基板の前記主面の、（０１−１２）面から（０００１）面
方向と垂直な方向への傾斜角を表すオフアングルβが、０°≦｜β｜≦０．０４°であることを特徴とする発光装置を提供する。

また、上記発光素子構造の表面粗さは、８ｎｍ以下であることが好ましい。

本願は、また、Ａｌ_ｘＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｉｎ_ｙＮ（０≦ｘ，ｙ、ｘ＋ｙ≦１）で表される窒化物系半導体を結晶成長させるためのサファイア基板であって、前記窒化物系半導体が結晶成長される主面が、（０１−１２）面から（０００１）面方向へオフアングルαで傾斜し、−０．７５°≦α≦−０．２５°を満たすとともに、前記サファイア基板の前記主面の、（０１−１２）面から（０００１）面方向と垂直な方向への傾斜角を表すオフアングルβが、０°≦｜β｜≦０．０４°であることを特徴とするサファイア基板を、併せて提供する。

発光素子構造のバラツキの影響を受けることなく、表面を平坦化することができ、安定的に高効率の発光素子を製造することができる。また、発光素子構造の成長時間を短縮して製品コストを下げることが可能となる。また、大口径基板上へ発光素子構造を形成しても大きな反りを生じることがないので、発光装置の量産に適している。

以下に、本発明の実施の形態について説明する。

図１は、本発明のサファイア基板１１をＡ面である（１１−２０）面で割った断面図である。従って、Ｃ軸である[０００１]（図中ｃ）が、サファイア基板１１の主面１２に対して斜めになっている。本発明のサファイア基板１１は、主面１２がＲ面である（０１−１２）面から（０００１）面方向へ傾斜（オフ）した面となっている。

ここで、本発明において、（０１−１２）面を（０００１）面方向へオフさせる場合のオフアングルαの定義について説明する。αは、サファイア基板１１の主面１２とサファイアの（０１−１２）面とのなす角として表す。六方晶系であるサファイアの［０００１］が一意に決まることから、（０１−１２）面が図中aのように（０００１）に対して近づく方向にオフした場合をプラス、逆に、図中ａ’のように（０００１）に対して遠ざかる方向にオフした場合をマイナスとして表すものとして定義する。

そして、本発明では、上記オフアングルαは、−０．７５°≦α≦−０．２５°を満たしている。ここで、αを上記範囲としたのは、αがそれ以外の範囲においては、サファイア基板１１の主面１２上に成長した結晶の表面平坦性が悪化するためである。

次に本発明の他の実施形態を説明する。

図２も、本発明のサファイア基板１１を（１１−２０）面に垂直な面で割った場合の断面図である。この場合、サファイア基板の［０００１］は、図２の紙面内には記載できない。この断面図において、上記オフアングルαに対して垂直になるような方向へ（０１−１２）面をオフさせる場合のオフアングルβが定義できる。βは、αと同様に、サファイア基板１１の主面１２とサファイアの（０１−１２）面（図中ｂ）とのなす角として表すが、βはオフする方向がαとは９０°異なることに注意が必要である。なお、βの符号がどちらであっても、本発明で規定する範囲に違いがないことから、符号を規定する必要がない。従って、本発明では、符号によらない｜β｜で規定することとする。

そして、本発明のサファイア基板１１は、オフアングルαが上述した範囲内であり、かつオフアングルβが０°≦｜β｜≦０．０５°を満たしている。ここでβを上記範囲としたのは、｜β｜が０．０５°よりも大きいと、サファイア基板１１の主面１２上に成長した結晶の表面平坦性が悪化するためである。

図３は、本発明のサファイア基板１１の結晶方位とオフアングルの方向を立体的に図示したものである。なお、図３でｒは［０１−１２］を表しており、（０１−１２）面のオフアングルα及びβは、図を簡略化するため、［０１−１２］のオフアングルとして表した。

図４は、本発明のサファイア基板１１を用いた発光装置の一例を示す断面図である。上記のサファイア基板１１の主面１２上に、ＡｌＮ層４１、アンドープＧａＮ層４２、n型ＧａＮクラッド層４３、ＧａＮ/ＧａＩｎＮ多重量子井戸構造活性層４４、ｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ層４５、ｐ型Ａｌ_0.07Ｇａ_0.93Ｎクラッド層４６、ｐ⁺型ＧａＮ層４７を順次積層してある。このように主面１２のオフアングルを厳密に規定したサファイア基板１１を用いることで、その主面１２上の[１１−２０]配向の発光素子構造４は、従来通りの０．５μm以上、８μm以下の膜厚で平坦化できる。即ち、オフアングルαを小さな範囲で設定し、また、オフアングルβも所定範囲内とすることにより、厳密にサファイア基板１１の結晶方位を規定することとなり、窒化物系半導体のエピタキシャル成長工程において発光素子構造を調節しなくとも表面を平坦化できるのである。

ここで、エピタキシャル成長させた窒化物系半導体層の平坦性は、原子間力顕微鏡(ＡＦＭ)で測定した算術平均表面粗さで評価すれば良く、二乗根平均の表面粗さＲ_ｒｍｓでで表した場合、１０ｎｍ以下である必要がある。平坦化していない発光素子構造を用いた発光装置は、輝度が高くならないので問題である。

また、本発明の発光素子構造４は、Ａｌ_xＧａ_1-x-y Ｉｎ_yＮ（0≦x,y、x+y≦1）で表される窒化物系半導体から構成される発光素子構造一般を指しており、n型クラッド層、活性層、及び、ｐ型クラッド層を少なくとも含んでいれば良い。上記サファイア基板を用いることで平坦化の効果が出るため、発光素子構造自体を規定するものではない。

第１の実施例として、図４を用いて、本発明の実施例について説明する。

まず、発光素子構造４のエピタキシャル成長を行った。成長方法にはＭＯＶＰＥ法を用い、半導体成長用基板１１として（０１−１２）サファイア基板を使用した。このときの（０１−１２）面を（０００１）面方向へオフする場合のアフアングルαを、−０．５°とした。このサファイア基板上に、ＡｌＮ層（２００ｎｍ）４１、ＧａＮ層（２μm）４２、ｎ型ＧａＮクラッド層（５００ｎｍ）４３、ＧａＮ/ＧａＩｎＮ多重量子井戸構造活性層４４（３０ｎｍ）、ｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ層４５（２ｎｍ）、ｐ型Ａｌ_0.07Ｇａ_0.93Ｎクラッド層４６（３ｎｍ）、ｐ⁺型ＧａＮ層４７（３ｎｍ）を順次積層し、発光素子構造４を構成した。ｎ型層には、シリコンをドープし、ｐ型層にはマグネシウムをドープした。発光素子構造すべての膜厚も３μm以下であり、量産に適した層構成とした。

各層の成長温度は、それぞれの組成、結晶性、表面粗さや電気的特性など、エピタキシャル基板の特性を損なわないようにして設定すればよい。

Ｘ線回折測定により、発光素子構造４が［１１−２０］配向していることが確認された。

次に、図５を用いて発光装置６の製造方法を説明する。

まず、フォトリソグラフィー技術によりマスクを形成した後、塩素系ガスを用いたドライエッチングを行った。n型ＧａＮクラッド層４３の途中でエッチングが終了するよう、エッチング深さを制御した。

次に、電子線蒸着法により、Ｎi／Ａｕをそれぞれ膜厚２０／８０ｎｍ堆積してｐ側オーミック電極５１、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉをそれぞれ膜厚３０／１００／２０ｎｍ堆積して、ｎ側オーミック電極５２を形成した。

このようにして発光装置５を得た。この発光装置５は、４５０ｎｍのピーク波長を有する青色発光装置であり、上記と同様の発光素子構造を［０００１］配向させた場合に比べ、輝度が向上していた。

以下、上記と同様な評価を、条件を変化させて比較するために、表１に示すような条件で実施例１〜６及び比較例１、２を作成して評価した。

まず、比較例１、２にあるように、オフアングルβを０°で固定し、オフアングルαを変化させたところ、αが−０．２°及び−０．８°の（０１−１２）面を主面とするサファイア基板１１を用いた場合には、発光素子構造４の表面粗さが大きくなった。

一方、実施例１〜３より、オフアングルαが−０．７５°≦α≦−０．２５°の範囲では、表面粗さを小さくできた。

次に、実施例４〜６のように、オフアングルαを−０．５°で固定してオフアングルβを変化させたところ、｜β｜が０．５°未満の場合に表面粗さは小さく保つことができた。

本発明のサファイア基板の結晶方位を説明する断面図である。 本発明のサファイア基板の結晶方位を説明する断面図である。 本発明のサファイア基板の結晶方位を説明する斜視図である。 本発明の発光装置を示す断面図である。 本発明の発光装置を示す断面図である。 従来の発光装置を示す断面図である。

符号の説明

１１：サファイア基板
１２：主面
ａ ：（０１−１２）面 （α＞０°の場合）
ａ’：（０１−１２）面 （α＜０°の場合）
ｃ ：（０００１）軸
ｂ ：（０１−１２）面
４ ：発光素子構造
４１：ＡｌＮ層
４２：アンドープＧａＮ層
４３：n型ＧａＮクラッド層
４４：ＧａＮ/ＧａＩｎＮ多重量子井戸構造活性層
４５：ｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ層
４６：ｐ型Ａｌ_0.07Ｇａ_0.93Ｎクラッド層
４７：ｐ⁺型ＧａＮ層
５ ：発光装置
５１：ｐ側電極
５２：ｎ側電極

Claims (3)

1. サファイア基板と、前記サファイア基板の主面上に結晶成長された、Ａｌ_ｘＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｉｎ_ｙＮ（０≦ｘ，ｙ、ｘ＋ｙ≦１）で表される窒化物系半導体からなる、０．５μｍ以上かつ８μｍ以下の膜厚を有する発光素子構造と、を備える発光装置であって、
   前記サファイア基板の前記主面が、（０１−１２）面から（０００１）面方向へオフアングルαで傾斜し、−０．７５°≦α≦−０．２５°を満たすとともに、
   前記サファイア基板の前記主面の、（０１−１２）面から（０００１）面方向と垂直な方向への傾斜角を表すオフアングルβが、０°≦｜β｜≦０．０４°であることを特徴とする発光装置。
2. 上記発光素子構造の表面粗さは、８ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の発光装置。
3. Ａｌ_ｘＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｉｎ_ｙＮ（０≦ｘ，ｙ、ｘ＋ｙ≦１）で表される窒化物系半導体を結晶成長させるためのサファイア基板であって、
   前記窒化物系半導体が結晶成長される主面が、（０１−１２）面から（０００１）面方向へオフアングルαで傾斜し、−０．７５°≦α≦−０．２５°を満たすとともに、
   前記サファイア基板の前記主面の、（０１−１２）面から（０００１）面方向と垂直な方向への傾斜角を表すオフアングルβが、０°≦｜β｜≦０．０４°であることを特徴とするサファイア基板。
   

Images