JP2004193617A - 通常の低温核生成層なしでのミスマッチした基板上におけるｉｉｉ族窒化物フィルムの成長 - Google Patents

Abstract

【課題】 低温核生成層に必要とされる温度サイクリング、成長停止、及び付加的な処理を排除する。
【解決手段】 サファイヤの基板を準備し、約１０００℃と約１１８０℃の間の温度で、蒸着によりＡｌ_1-xＧａ_xＮの第１層を基板上で成長させ、第１層の上にあるＩＩＩ族窒化物の第２層を成長させることを含む発光デバイスを形成する。第１層は、約５００オングストロームと約５００オングストロームとの間の厚さを有することができる。幾つかの実施形態においては、ＩＩＩ族前駆体に対するＶ族前駆体の低いモル比で開始し、次に、第１層の成長においてこの比を増加させ、又は窒素を雰囲気ガスとして用いることによりＶ族前駆体と基板との間の反応が減らされる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、一般に、ミスマッチした基板上のＩＩＩ族窒化物フィルムの成長に関する。

半導体発光デバイス（ＬＥＤ）は、現在入手可能な最も効率的な光源である。可視スペクトルにおける作動が可能な高輝度ＬＥＤの製造において現在関心がもたれている材料システムは、ＩＩＩ族窒化物材料とも呼ばれる、特に、２元、３元、及び４元合金のガリウム、アルミニウム、インジウム、及び窒素のＩＩＩ−Ｖ族半導体を含む。典型的には、ＩＩＩ族窒化物発光デバイスは、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ）、又は他のエピタキシャル技術により、組成物及びドーパント濃度の異なる半導体層の積層体を、サファイヤ、炭化ケイ素、又はＩＩＩ族窒化物基板上でエピタキシャル成長させることにより製造される。積層体は、多くの場合、例えばＳｉでドープされ、基板の上に形成された１つ又はそれ以上のｎ型層、該ｎ型層の上に形成された発光又は活性領域、及び例えばＭｇでドープされ、該活性領域の上に形成された１つ又はそれ以上のｐ型層を含む。

ＩＩＩ族窒化物基板は通常は市販されていないため、ＩＩＩ族窒化物デバイスは、多くの場合、基板及びＩＩＩ族窒化物層との間の格子定数及び熱膨張係数における違いのために「ミスマッチした」と言われるサファイヤ及びＳｉＣのような基板上に製造される。格子定数及び熱膨張係数の違いは、厚く、平らで、欠陥のないＩＩＩ族窒化物層の製造を困難にする歪みをもたらす。

特にサファイヤの基板の場合において、格子定数及び熱膨張係数のミスマッチにより生じる問題を緩和する１つの方法は、ＩＩＩ族窒化物のデバイス層を、基板の上で成長された核生成層上に成長させることである。核生成層は、通常、低温成長により形成された薄いアモルファスの又は多結晶のＡｌＮ又はＧａＮ層である。理論上は、アモルファスの又は多結晶の核生成層は、格子定数及び熱膨張係数のミスマッチにより生じる歪みを或る程度緩和するものであるため、核生成層の上に成長される結晶性ＩＩＩ族窒化物層の質は、核生成層なしで成長されるＩＩＩ族窒化物層に対して改善されるべきである。

低温核生成層の使用は、幾つかの理由のために理想的ではない。半導体層の成長の前に、基板は清掃のために高温に加熱され、次に反応器における温度が下げられて、低温核生成層が成長させられる。次に、デバイス層を成長させるために、温度は再び上昇されなければならない。そのような温度サイクリングは時間がかかり、これにより、歩留り又はデバイスの性能に影響を与えることがある汚染物質がウェーハ表面上に蓄積する可能性が増加する。さらに、低温核生成層の成長と次の層の成長との間で生じる加熱は、低温核生成層の上の高品質層の成長のために必要な該低温核生成層において再結晶化を生じさせる。したがって、加熱は慎重に制御されなければならない。所望の加熱パターンからの逸脱は、不良なデバイス性能又は不良な歩留りをもたらすことになる。さらに、低温核生成層の上に成長された層の材料品質及びその結果もたらされるデバイスの性能は、当該核生成層の厚さ及び成長温度に敏感に反応する。好ましいデバイスの性能を生み出す厚さ及び温度の管理は厳密であり、ウェーハに必要とされる厚さ及び温度を維持することを困難にし、不良な歩留りがもたらされることになる。最後に、低温核生成層を用いることは、デバイス層において１０¹⁰ｃｍ^-2のオーダーの高密度のスレッド状転位(threading dislocation）をもたらす。スレッド状転位を減らすために付加的な処理が必要とされる。そのような付加的な処理は製造時間及び費用を増加させ、不良な歩留り又は不良なデバイスの性能というリスクを増加させる。

格子定数及び熱膨張係数のミスマッチにより生じる問題を緩和する別の方法が、Ｏｈｂａによる米国特許番号第５，９９０，４９５号に述べられている。Ｏｈｂａは、「第１の温度でバッファ層を直接単結晶の基板上で成長させ、前述の第１の温度より低い第２の温度で前述のバッファ層上で素子生成層を成長させる。バッファ層を成長させる温度は１３００℃より高いことが好ましい。」と教示している。第３コラム５４−６４行参照。成長の後、核生成層はアニールされる。「バッファ層をアニールする温度は、１３５０℃から１５００℃の範囲であることが好ましく、該バッファ層をアニールする期間は１０分から６０分の範囲にあることが好ましい。アニール温度が１３５０℃より低い場合には、負荷を完全に緩和することは困難になる。」第６コラム６４行から第７段落２行を参照。高温核生成層を製造するＯｈｂａの方法は、アニールを実行するために高温成長及び成長停止を必要とする点で望ましくない。

本発明の実施形態によれば、発光デバイスを形成する方法は、サファイヤの基板を準備し、約１０００℃と約１１８０℃との間の温度で、蒸着によりＡｌ_1-xＧａ_xＮの第１層を該基板上で成長させ、該第１層の上にＩＩＩ族窒化物の第２層を成長させることを含む。第１層は、約５００オングストロームと約５００オングストロームとの間の厚さを有することができる。幾つかの実施形態においては、ＩＩＩ族前駆体に対するＶ族前駆体の比率を低いモル比で開始し、次に、第１層の成長においてこの比を増加させ、又は窒素を雰囲気ガスとして用いることにより、Ｖ族前駆体と基板との間の反応が減らされる。
本発明の実施形態による高温核生成層を用いることは、低温核生成層に必要とされる温度サイクリング、成長停止、及び付加的な処理を排除することができ、該低温核生成層により必要とされる厳しい厚さ及び温度管理に起因する均一性についての問題を排除するため、該低温核生成層に好ましい。

図１は、本発明の実施形態によるデバイスを示す。高温核生成層１２がサファイヤの基板１０の上に形成される。合体層１４が核生成層１２の上に形成され、ｎ型領域１５、活性領域１６、及びｐ型領域１７が続く。ｎ型領域１５、活性領域１６、及びｐ型領域１７のそれぞれは、同じか又は異なる厚さ、組成物、及びドーパント濃度の複数の層を含むことができる。さらに、ｎ型領域１５は、１つ又はそれ以上のｐ型層を含むことができ、活性領域１６は１又はそれ以上のｎ型又はｐ型層を含むことができ、ｐ型層は１つ又はそれ以上のｎ型層を含むことができる。活性領域１６及びｐ型領域１７の一部は、ｎコンタクトが形成されるｎ型領域１５の一部を露出させるようにエッチングにより除去される。ｐコンタクト１８がｐ型領域１７上に形成される。コンタクト１８及び１９は、光が基板１０を通してデバイスから抽出されるように反射性があるものとすることができ、又は、光が該コンタクト１８及び１９を通してデバイスから抽出されるように、透明であるものとすることができる。

核生成層１２は、厚さが約５００オングストロームと５０００オングストロームとの間の範囲にあるようにすることができ、通常は約１０００オングストロームと約３０００オングストロームとの間の範囲にあり、最も好ましくは約２０００オングストロームと約２５００オングストロームとの範囲にあるＡｌ_1-xＧａ_xＮである。窒化アルミニウムの組成は、約５０％と１００％との間（すなわち、ｘは０から約０．５までの範囲）とすることができる。核生成層１２は、約１０００℃から約１１８０℃までの範囲の温度で製造することができ、通常は約１０６０℃から約１１５０℃までの範囲の温度で製造され、最も好ましくは約１０８０℃から１１００℃までの範囲の温度で製造される。幾つかの実施形態において、１０６０℃より低い温度で成長された核生成層をもつデバイスにおける合体層は、表面粗さの増加を示した。核生成層１２の適当な温度、組成物、及び厚さは、該核生成層１２の上に成長される層に依存する。典型的には、核生成層１２はドープされないが、幾つかの実施形態においては、軽くドープされることがある。

核生成層１２の成長の後に、後のデバイス層１５、１６、及び１７の成長のための滑らかな表面が設けられるように、合体層１４が形成される。合体層１４は、ＧａＮであることが多いが、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＮ、又はＡｌＩｎＧａＮであることもある。合体層１４の組成物は、当該合体層１４が所望の負荷状態を有し、活性領域により発された光を通すように選択される。幾つかの実施形態において、合体層１４は、滑らかで均一な表面をもたらし、その上でデバイス層を成長させる、当該デバイスとは別の付加的な層である。他の実施形態においては、合体層は、第１デバイス層であり、デバイスにおいて、該合体層１４の上にある層のための滑らかな表面をもたらすことに加えて、或る目的に役立つ。合体層１４は、ドープされないか又はドープされたｎ型又はｐ型とすることができる。ドーパントがＳｉである場合には、合体層は、約５×１０¹⁸ｃｍ^-3の最大ドーパント濃度までドープすることができる。合体層１４をＳｉ以外のｎ型ドーパントでより濃密にドープすることもできる。ドーパントがＭｇのようなｐ型のドーパントである場合には、合体層１４を、約５×１０¹⁹ｃｍ^-3の最大ドーパント濃度にまでドープすることができる。合体層１４の厚さは、約５００オングストロームから約２ミクロンまでの範囲とすることができ、通常は約０．５ミクロンから約１．５ミクロンまでの範囲にある。合体層１４は、通常は、核生成層１２と同じ温度で、又はそれより僅かに低い温度で成長される。一例において、核生成層１２は１０９０℃の温度で成長され、合体層１４は約１０６０℃から約１０９０℃までの範囲の温度で成長される。

図１に示されるデバイスにおける半導体層は、通常は、化学蒸着又は気相成長のような蒸着プロセスにより形成される。本発明の実施形態による蒸着は、典型的には、１ミリトールより高い圧力において生じ、多くの場合、約５０ミリトールと約１ａｔｍとの間で行われる。

幾つかの実施形態においては、ＩＩＩ族前駆体に対するＶ族前駆体の比率は、例えば、該Ｖ族前駆体と基板との間の窒化等の反応を減らすために、核生成層１２の製造中に調整される。図２は、そのような核生成層１２及び合体層１４を形成する方法の一例を示す。核生成層の成長は、段階２０で始まる。幾つかの実施形態においては、成長が始まる前に基板がＶ族前駆体に露出されることに起因する該Ｖ族前駆体と該基板との間の反応の可能性を減らすために、該Ｖ族前駆体及びＩＩＩ族前駆体が同時に反応器の中に投入される。図２に示される例においては、トリメチル・アルミニウムのようなＩＩＩ族前駆体に対するＮＨ₃のようなＶ族前駆体のモル比は、５６で始まる。他の適切なＩＩＩ族前駆体には、トリメチル・ガリウム、トリエチル・アルミニウム、及びトリエチル・ガリウムが含まれる。

基板にすぐ隣接した核生成層の一部が成長を終えた後、例えば、最初の１００から５００オングストロームの成長の後、段階２２において、Ｖ族前駆体の流量はＶ族／ＩＩＩ族モル比が１６８になるまで増加される。典型的には、ＩＩＩ族前駆体の流量は核生成層の成長全体において一定のままであり、Ｖ族前駆体の流量は所望のモル比が得られるように調整されるが、このＶ族前駆体の流量は、該ＩＩＩ族前駆体の流量が調整される場合は一定に保持され得る。図２において与えられるモル比は一例に過ぎない。一般に、成長の第１段階におけるＩＩＩ族前駆体に対するＶ族前駆体のモル比は、約２０から約１００までの範囲とすることができ、成長の第２段階におけるＩＩＩ族に対するＶ族前駆体のモル比は１５０より大きいことがある。モル比は、１つ又はそれ以上の個別の段階において、又は、ある期間にわたり連続的に調整することができる。

段階２４において、ＩＩＩ族前駆体は変更され又は付加的なＩＩＩ族前駆体が加えられて、合体層１４の成長が始まる。例えば、合体層１４がＧａＮである場合には、トリメチル・アルミニウムの流れは停止し、トリメチル・ガリウムのようなガリウム前駆体が反応器の中に投入される。合体層１４がＡｌＧａＮである場合には、アルミニウム前駆体の流量を調整して、ガリウム前駆体を反応器に投入することができる。合体層１４及びｎ型領域１５における層は、通常は、約１０００のモル比で成長するが、このモル比は２０００にまで高くなることがある。

水素雰囲気において成長される層は他の雰囲気において成長された層よりも滑らかであることが観察されるため、一般にＩＩＩ族窒化物層は水素雰囲気において成長される。本発明の幾つかの実施形態においては、核生成層１２の成長において、水素ではなく窒素が雰囲気として用いられる。図３は、そのような核生成層１２及び合体層１４を形成する方法の一例を示す。段階３０において、核生成層１２の成長は、ＩＩＩ族前駆体及びＶ族前駆体を窒素雰囲気における反応器の中に投入することにより始まる。核生成層１２の成長が完了した後、段階３２において水素が投入される。段階３４において、合体層１４の成長を始めるために、ＩＩＩ族前駆体は変更されるか又は別のＩＩＩ族前駆体が加えられる。段階３２及び３４は同時に生じることもあるし、又は段階３２は合体層の成長が始まった後、急に又は徐々に生じることがある。核生成層１２の成長において窒素雰囲気を用いることは、Ｖ族前駆体と基板との間の反応を抑制する。幾つかの実施形態においては、核生成層１２を成長させるために、図２及び図３に示された技術を併せて用いる。

図４は、パッケージされた発光デバイスの分解図である。放熱スラグ１００がインサート成形されたリードフレーム１０６の中に置かれる。インサート成形されたリードフレーム１０６は、例えば、電気的通路を与える金属フレームの周りに成形された充填剤入りプラスチック材料である。スラグ１００は、任意にリフレクタカップ１０２を含むことができる。或いは、スラグ１００は、リフレクタカップなしで、台座を形成するものとすることができる。上述の方法により製造することができる発光デバイスのダイ１０４が、スラグ１００に直接に又は熱伝導性のあるサブマウント１０３を介して間接的にマウントされる。光学レンズ１０８を付加することができる。

図１の高温核生成層により製造されたデバイスにおける光出力、表面の滑らかさ、転位密度、及び負荷は、スレッド状転位が同様の密度にまで減るように付加的なプロセスが実施された低温核生成層のデバイスと同等であることが観察された。図５は、外部量子効率を波長の関数としてプロットするものである。図５に示されるように、本発明の実施形態による高温核生成層をもつデバイスは、そのような低温核生成層のデバイスと同等の外部量子効率を有する。したがって、低温核生成層ではなく、図１による高温核生成層を用いることは、同等なデバイスをもたらし、より単純な成長行程を必要とするために有利である。例えば、高温核生成層を用いることにより、クリーニング、核生成層の成長、及び次の層の成長の間の温度サイクリングを無くし、並びに、通常は６００℃より低い温度で成長される低温核生成層の成長と、通常は１０００℃より高い温度で成長される核生成層の上にある層の成長との間の反応器を加熱するのに必要な成長停止を無くすことができる。さらに、高温核生成層を用いることにより、低温核生成層をもつデバイスにおいて適当な滑らかな表面を生成するのに必要な付加的な半導体層及び付加的な処理を無くすことができる。温度サイクリング、成長停止、付加的な半導体層、及び付加的な処理を無くすことにより、デバイスを製造するのに必要とされる時間及び費用を減らし、該デバイスの表面上に集まり、歩留り又はデバイスの性能を損なう汚染物質の可能性を減らすことができる。さらに、高温核生成層を用いることにより、低温核生成層により必要とされる厳しい厚さ及び温度管理に起因する均一性についての問題の多くを排除することができる。図５に示されるデバイスの転位密度は、約１０⁹ｃｍ^-2である。幾つかの実施形態においては、本発明の実施形態による高温核生成層をもつデバイスは、転位密度が減るようにさらに処理されることがある。

本発明の実施形態は、さらに、米国特許第５，９９０，４９５号（以下「Ｏｈｂａ」）に述べられている方法に対して幾つかの利点を提供する。第一に、ここに述べられた方法は、満足できるデバイス性能を示すだけの十分な低ひずみを有するデバイスを生成するのにアニールを必要としない。第２に、核生成層１２及び合体層１４は、Ｏｈｂａの核生成層より大幅に低い温度で成長させることができ、基板を加熱するのに必要な時間、デバイス層を形成するために適切な温度にまでデバイスを冷却するのに必要な時間、及び反応器に対する損傷の可能性を削減する。

本発明を詳細に述べてきたが、当業者であれば、本開示が与えられることによって、ここに述べられた本発明概念の思想から逸脱することなく、本発明に修正を施すことができることを理解するだろう。したがって、本発明の範囲が、図示され述べられた特定の実施形態に限られるものではないことが意図されている。

本発明の実施形態により製造されたデバイスを示す。 図１の核生成層１２及び合体層１４を形成する方法を示す。 図１の核生成層１２及び合体層１４を形成する代替的な方法を示す。 パッケージされた発光デバイスを示す。 本発明による低温核生成層を含むデバイス、及び高温核生成層を含むデバイスについての外部量子効率を波長の関数としてプロットするものである。

符号の説明

１０：基板
１２：核生成層
１４：合体層
１５：ｎ型層
１６：活性領域
１７：ｐ型領域
１８：ｐコンタクト
１９：ｎコンタクト

Claims (33)

1. サファイヤの基板を準備する工程と、
   約１０００℃と約１１８０℃の間の温度で、蒸着により約５００オングストロームと約５０００オングストロームの間の厚さを有するＡｌ_1-xＧａ_xＮ（０≦ｘ＜１）の第１層を前記基板上に成長させる工程と、
   前記第１層の上にＩＩＩ族窒化物の第２層を成長させる工程と、
   を含む、発光デバイスを形成する方法。
2. 前記第１層を約１０６０℃と約１１６０℃の間の温度で成長させる、請求項１に記載の方法。
3. 前記第１層を約１０８０℃と約１１００℃の間の温度で成長させる、請求項１に記載の方法。
4. 前記第１層がＡｌＮである請求項１に記載の方法。
5. 前記第１層が約１０００オングストロームと約３０００オングストロームの間の厚さを有する請求項１に記載の方法。
6. 前記第１層が約２０００オングストロームと約２５００オングストロームの間の厚さを有する請求項１に記載の方法。
7. 前記ｘが０≦ｘ≦０．５である請求項１に記載の方法。
8. 前記第２層を前記第１層と同じ温度で成長させる請求項１に記載の方法。
9. 前記第２層を前記第１層よりも低い温度で成長させる請求項１に記載の方法。
10. 前記第２層がＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、及びＡｌＩｎＧａＮのうちの１つである請求項１に記載の方法。
11. 前記第２層をドープする請求項１に記載の方法。
12. 前記第２層を、非ドープ状態から約５×１０¹⁸ｃｍ^-3までの範囲のドーパント濃度でＳｉによってドープする請求項１に記載の方法。
13. 前記第２層を、非ドープ状態から約５×１０¹⁹ｃｍ^-3までの範囲のドーパント濃度を有するようｐ型ドーパントでドープする請求項１に記載の方法。
14. 前記第２層が約５００オングストロームと約２ミクロンとの間の厚さを有する請求項１に記載の方法。
15. 前記第１層を成長させる工程が、
    前記基板に隣接する前記第１層の第１部分を、ＩＩＩ族前駆体に対するＶ族前駆体の比率が第１の比率になるように成長させる工程と、
    前記第１層の第２部分を成長させながらＩＩＩ族前駆体に対するＶ族前駆体の比率を前記第１の比率から第２の比率まで増加させる工程と、
    を含む請求項１に記載の方法。
16. 前記Ｖ族前駆体がＮＨ₃を含む請求項１５に記載の方法。
17. 前記ＩＩＩ族前駆体が、トリメチル・アルミニウム、トリメチル・ガリウム、トリエチル・アルミニウム、及びトリエチル・ガリウムのうち少なくとも１つを含む請求項１５に記載の方法。
18. 前記第１の比率が約２０と約１００の間の範囲のモル比であり、前記第２の比率が約１５０より大きいモル比である請求項１５に記載の方法。
19. 前記第１層の第１部分を成長させる工程が、前記第１層を約１００オングストロームと約５００オングストロームの間に成長させることを含む請求項１５に記載の方法。
20. 前記ＩＩＩ族前駆体及び前記Ｖ族前駆体を、実質的に同時に前記基板に与えることをさらに含む請求項１５に記載の方法。
21. 前記第１層を成長させる工程が、ＩＩＩ族前駆体、Ｖ族前駆体、及び雰囲気を前記基板に与えることを含み、前記雰囲気が窒素である請求項１に記載の方法。
22. 前記第２層を成長させる工程において、水素を与えることをさらに含む請求項２１に記載の方法。
23. 前記第２層の上にｎ型領域を成長させる工程と、
    前記ｎ型領域の上に活性領域を成長させる工程と、
    前記活性領域の上にｐ型領域を成長させる工程と、
    をさらに含む請求項１に記載の方法。
24. 前記ｎ型領域に電気的に接続する第１コンタクトを形成する工程と、
    前記ｐ型領域に電気的に接続する第２コンタクトを形成する工程と、
    前記基板の側部の上に、前記第１層の反対側にレンズを設ける工程と、
    をさらに含む請求項２３に記載の方法。
25. サファイヤの基板を準備する工程と、
    約１０００℃と約１１８０℃の間の温度で、１ミリトールより大きい圧力で、約５００オングストロームと約５０００オングストロームの間の厚さを有するＡｌ_1-xＧａ_xＮ（０≦ｘ＜１）の第１層を前記基板上に成長させる工程と、
    前記第１層の上にＩＩＩ族窒化物の第２層を成長させる工程と、
    を含む、発光デバイスを形成する方法。
26. 前記第１層が約１０６０℃と約１１６０℃の間の温度で成長される請求項２５に記載の方法。
27. 前記第１層がＡｌＮである請求項２５に記載の方法。
28. ＩＩＩ族窒化物層を形成する方法であって、
    基板を準備する工程と、
    前記基板に隣接する前記ＩＩＩ族窒化物層の第１部分を、ＩＩＩ族前駆体に対するＶ族前駆体の比率を第１の比率として成長させる工程と、
    前記ＩＩＩ族窒化物層の第２部分を成長させている際に、ＩＩＩ族前駆体に対するＶ族前駆体の比率を前記第１の比率から第２の比率に増加させる工程と、
    を含む方法。
29. 前記Ｖ族前駆体がＮＨ₃を含む、請求項２８に記載の方法。
30. 前記ＩＩＩ族前駆体が、トリメチル・アルミニウム、トリメチル・ガリウム、トリエチル・アルミニウム、及びトリエチル・ガリウムのうち少なくとも１つを含む請求項２８に記載の方法。
31. 前記第１の比率が約２０と約１００の間の範囲のモル比であり、前記第２の比率が約１５０と約１５００の間の範囲のモル比である請求項２８に記載の方法。
32. 発光デバイスを形成する方法であって、
    基板を準備する工程と、
    ＩＩＩ族前駆体、Ｖ族前駆体、及び窒素である雰囲気を前記基板に与える工程と、
    前記基板の上にある第１のＩＩＩ族窒化物層を成長させる工程と、
    を含む方法。
33. 前記第１のＩＩＩ族窒化物層を成長させた後に水素を与える工程と、
    前記第１のＩＩＩ族窒化物層の上に第２のＩＩＩ族窒化物層を成長させる工程と、
    をさらに含む請求項３２に記載の方法。

Images