JP2012508974A - 酸化ガリウム基板の製造方法、発光素子、及び発光素子の製造方法 - Google Patents

酸化ガリウム基板の製造方法、発光素子、及び発光素子の製造方法 Download PDF

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Abstract

本発明に係る発光素子は、酸化ガリウム基板と、上記酸化ガリウム基板の上に酸化ガリウム窒化基盤膜と、上記酸化ガリウム窒化基盤膜の上に第１導電型の半導体層と、上記第１導電型の半導体層の上に活性層と、上記活性層の上に第２導電型の半導体層と、が含まれる。

Description

本発明は、酸化ガリウム基板の製造方法、発光素子、及び発光素子の製造方法に関するものである。
窒化物半導体は、高い熱的安定性と幅広いバンドギャップエネルギーにより光素子及び高出力電子素子開発分野で大いなる関心を受けている。特に、窒化物半導体を用いた青色、緑色、及びＵＶ発光素子は、商用化されて広く使われている。
窒化物半導体発光素子は、異種基板であるサファイア基板の上に有機化学的に蒸着された窒化物半導体層を含む。
上記サファイア基板は、電気的に絶縁特性を有するため、上記窒化物半導体層に電源を印加するために上記窒化物半導体層を一部エッチングしたり、上記サファイア基板を除去する必要がある。
上記窒化物半導体発光素子は、電極層の位置によってラテラルタイプ（Lateral Type）とバーチカルタイプ（Vertical type）とに分けられる。
上記ラテラルタイプの窒化物半導体発光素子は、上記サファイア基板の上に窒化物半導体層を形成し、上記窒化物半導体層の上側に２つの電極層が配置されるように形成する。
上記バーチカルタイプの窒化物半導体発光素子は、上記サファイア基板の上に窒化物半導体層を形成した後、上記サファイア基板を上記窒化物半導体層から分離して２つの電極層が各々上記窒化物半導体層の上側及び下側に配置されるように形成する。
一方、上記ラテラルタイプの窒化物半導体発光素子は、２つの電極層を形成するために窒化物半導体層の一部を除去しなければならず、電流の不均一な分布を有するため、発光特性に対する信頼性または効率性が低下する問題がある。
また、上記バーチカルタイプの窒化物半導体発光素子は、上記サファイア基板を分離しなければならないという問題がある。
したがって、バーチカルタイプの窒化物半導体発光素子、特に伝導性基板を使用することによって基板を分離する必要のない窒化物半導体発光素子に対する研究がたくさん進行されている。
本発明の目的は、酸化ガリウム基板の製造方法、発光素子、及び発光素子の製造方法を提供することにある。
本発明の他の目的は、高品質の窒化物半導体層が形成できる酸化ガリウム基板の製造方法、発光素子、及び発光素子の製造方法を提供することにある。
本発明に係る発光素子は、酸化ガリウム基板と、上記酸化ガリウム基板の上に酸化ガリウム窒化基盤膜と、上記酸化ガリウム窒化基盤膜の上に第１導電型の半導体層と、上記第１導電型の半導体層の上に活性層と、上記活性層の上に第２導電型の半導体層と、が含まれる。
本発明に係る酸化ガリウム基板の製造方法は、酸化ガリウム基板が用意されるステップと、上記酸化ガリウム基板を酸素雰囲気で熱処理するステップと、が含まれる。
本発明に係る発光素子の製造方法は、酸化ガリウム基板が用意されるステップと、上記酸化ガリウム基板の上に酸化ガリウム窒化基盤膜を形成するステップと、上記酸化ガリウム窒化基盤膜の上に第１導電型の半導体層を形成するステップと、上記第１導電型の半導体層の上に活性層を形成するステップと、上記活性層の上に第２導電型の半導体層を形成するステップと、が含まれる。
本発明によれば、酸化ガリウム基板の製造方法、発光素子、及び発光素子の製造方法を提供することができる。
本発明によれば、高品質の窒化物半導体層が形成できる酸化ガリウム基板の製造方法、発光素子、及び発光素子の製造方法を提供することができる。
本発明の実施形態に係る酸化ガリウム基板の製造方法及び発光素子の製造方法により製造された発光素子を示す図である。 本発明の実施形態に係る発光素子の製造方法を示すフローチャートである。 酸化ガリウム基板の表面スクラッチを説明するための図である。 表面スクラッチが存在する酸化ガリウム基板の上に１００ｎｍ厚さの窒化ガリウム基盤層を成長した場合に窒化ガリウム基盤層の表面を説明するための図である。 表面スクラッチが存在する酸化ガリウム基板の上に１００ｎｍ厚さの窒化ガリウム基盤層を成長した場合に窒化ガリウム基盤層の表面を説明するための図である。 酸化ガリウム基板に対して酸素雰囲気で熱処理を遂行した後、酸化ガリウム基板の表面を説明するための図である。 酸素雰囲気で熱処理をした酸化ガリウム基板の上に１００ｎｍ厚さの窒化ガリウム基盤層を成長した場合に窒化ガリウム基盤層の表面を説明するための図である。
本発明を説明するに当たって、各層（膜）、領域、パターン、または構造物が、基板、各層（膜）、領域、パッド、またはパターンの“上（on）”に、または“下（under）”に形成されることと記載される場合において、“上（on）”と“下（under）”は、“直接（directly）”または“他の層を介して（indirectly）”形成されることを全て含む。また、各層の上または下に対する基準は、図面を基準として説明する。
図面において、各層の厚さやサイズは説明の便宜及び明確性のために誇張、省略、または概略的に図示された。また、各構成要素のサイズは実際のサイズを全的に反映するのではない。
図１は、本発明の実施形態に係る酸化ガリウム基板の製造方法及び発光素子の製造方法により製造された発光素子を示す図である。
図１を参照すると、発光素子は、酸化ガリウム基板（酸化ガリウムをベースとした基板）１０の上に第１導電型の半導体層２０、活性層３０、及び第２導電型の半導体層４０が形成され、上記酸化ガリウム基板１０の下側に第１電極層５０が配置され、上記第２導電型の半導体層４０の上側に第２電極層６０が配置される。
また、上記酸化ガリウム基板１０と上記第１導電型の半導体層２０との間には酸化ガリウム窒化基盤膜（酸化ガリウム窒化物をベースとした膜）１１が形成できる。
上記酸化ガリウム基板１０は、酸化ガリウム（Ｇａ２Ｏ３）で形成されることができ、ドーパントのドーピングにより優れる電気伝導性を有することができる。
また、上記酸化ガリウム基板１０は、（ＩｎＧａ）２Ｏ３、（ＡｌＧａ）２Ｏ３、（ＩｎＡｌＧａ）２Ｏ３のうち、いずれか１つで形成されることもできる。
上記第１導電型の半導体層２０は、ｎタイプの導電型を有する半導体層となることができ、例えば、ｎ型ドーパントが注入された窒化ガリウム（ＧａＮ）基盤層となることができる。
また、上記ｎタイプの導電型を有する半導体層は、ｎ型ドーパントが注入されたＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＳＰＳ（short-period superlattice）、ＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ ＳＰＳのうち、いずれか１つで形成されることもできる。
上記活性層３０は、上記第１導電型の半導体層２０及び第２導電型の半導体層４０からの電子及び正孔が結合されて光が発生される層であって、障壁層と井戸層が形成できる。例えば、上記活性層３０は、窒化ガリウム層、またはインジウム（Ｉｎ）が含まれた窒化ガリウム層で形成されることもできる。
また、上記活性層３０は、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ、ＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮ、ＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮのうち、いずれか１つで形成されることもできる。
上記第２導電型の半導体層４０は、ｐタイプの導電型を有する半導体層となることができ、例えば、ｐ型ドーパントが注入された窒化ガリウム基盤層（窒化ガリウムをベースとした層）となることもできる。
また、上記ｐタイプの導電型を有する半導体層は、ｐ型ドーパントが注入されたＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＳＰＳ（short-period superlattice）、ＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ ＳＰＳのうち、いずれか１つとなることもできる。
上記第１電極層５０及び第２電極層６０は導電物質で形成され、金属を含むこともできる。
図１に図示された発光素子の構造は単に例示に過ぎないものであり、本発明を制限しようとするのでない。発光素子を製作するに当たって、図１に図示された各々の半導体層の間に図１で説明されていない半導体層が追加されることもできる。例えば、上記第２導電型の半導体層４０と上記第２電極層６０との間にｎタイプの導電型を有する半導体層がさらに形成されることもできる。
一方、酸化ガリウムは高温で熱化学的に不安定となる問題点があり、機械的に脆弱な問題点がある。
酸化ガリウムの結晶構造は単斜晶系（monoclinic system）であり、特定結晶面、即ち（１００）及び（００１）結晶面に対して強い劈開（へき開）性を有する。したがって、酸化ガリウムを薄膜形態で製作する場合、層別分離が易しいという問題点があり、基板の表面処理が容易ではないという問題がある。
したがって、実施形態では上記酸化ガリウム基板１０の表面処理を通じて上記酸化ガリウム基板１０の上に成長される窒化ガリウム基盤層が高品質の薄膜で成長できるようにする。
図２は、本発明の実施形態に係る発光素子の製造方法を説明するフローチャートである。
図２を参照すると、まず、酸化ガリウム基板１０が用意される（Ｓ１００）。上記酸化ガリウム基板１０は電気伝導性が向上するように第１導電型のドーパント、例えばシリコン（Ｓｉ）が注入された酸化ガリウム基板が使用できる。
上記酸化ガリウム基板１０に対して湿式洗浄を行って酸化ガリウム基板１０の上の有機物及び無機物を除去する。例えば、上記湿式洗浄は、先に有機洗浄を行った後、酸洗浄を行うこともできる。
上記有機洗浄は、アセトンとメタノールなどを用いて酸化ガリウム基板１０の上の異質物を除去するためのものであり、酸洗浄はフッ酸、硫酸、及び過酸化水素などを用いて酸化ガリウム基板１０の上に突起形態で存在する酸化ガリウム粒子を除去するためのものである。
例えば、上記有機洗浄方法により上記酸化ガリウム基板１０をアセトンとメタノールの各々に浸して３分ずつ超音波洗浄を行って、脱イオン水で３分間超音波洗浄を行うことができる。
一方、酸化ガリウム基板１０は、酸化ガリウム結晶塊を一定のサイズ及び一定の結晶学的方向を有するように機械的に切断して作る。したがって、酸化ガリウム基板１０の表面には切断過程で発生した表面スクラッチ（scratch）が存在する。
図３は、酸化ガリウム基板の表面スクラッチを説明するための図である。図３に示すように、酸化ガリウム基板１０に多数の表面スクラッチ１５が発生したことを確認することができる。
このような表面スクラッチ１５が形成された酸化ガリウム基板１０の上に窒化ガリウム基盤層を形成する場合、高品質の窒化ガリウム基盤層が形成されることが困難である。このような表面スクラッチ１５は湿式洗浄により除去されない。
図４及び図５は、表面スクラッチが存在する酸化ガリウム基板の上に１００ｎｍ厚さの窒化ガリウム基盤層２３を成長した場合に窒化ガリウム基盤層２３の表面を説明するための図である。
図４には窒化ガリウム層２３の表面に周辺と異なる結晶相（Phase）を有し、周辺より突出した形態の窒化ガリウム基盤パターン２１が形成されたものが図示されており、図５には窒化ガリウム基盤層２３の表面に周辺より成長速度が遅延されて谷形態に凹んでいる形態の窒化ガリウム基盤パターン２２が形成されたものが図示されている。
図４及び図５に示すような窒化ガリウム基盤層２３の表面の形態は、上記酸化ガリウム基板１０の表面スクラッチの態様によって決まる。
一方、上記酸化ガリウム基板１０の上に高品質の窒化ガリウム基盤層を成長するためには、上記酸化ガリウム基板１０の表面スクラッチ１５を除去する必要がある。
また、図２を参照すると、実施形態では上記酸化ガリウム基板１０の表面に発生する表面スクラッチ１５を除去するために、上記酸化ガリウム基板１０を酸素雰囲気で熱処理する。
即ち、チャンバーに酸素ガスまたは酸素ガスを主なガスとして含む混合ガスを注入し、９００〜１４００℃温度で３分〜３時間の間、上記酸化ガリウム基板１０に対する熱処理を遂行する。ここで、熱処理は熱処理温度が高い場合、短い時間の間実施し、反対に、熱処理温度が低い場合、長い間の時間の間実施する。
例えば、上記酸素雰囲気で熱処理する方法は、上記酸化ガリウム基板１０をチャンバーに入れて、高純度の酸素ガスを５ｓｌｍの速度でチャンバーの内部に流しながらチャンバーの温度を１１００℃に上げた後、１時間の間、高温酸素熱処理を遂行することができる。そして、上記酸素雰囲気で熱処理した酸化ガリウム基板１０に対して、また湿式洗浄を進行することもできる。
上記酸化ガリウム基板１０に対して熱処理を遂行すれば、上記酸化ガリウム基板１０の表面の原子は熱力学的に最も安定した個所に熱的移動をするようになって、表面原子の再配列がなされる。したがって、上記酸化ガリウム基板１０の表面スクラッチ１５は治癒できる。
一方、酸化ガリウムは、溶融点の温度が１７２５℃であるので、１４００℃より高い温度で熱処理を行う場合、酸化ガリウム基板１０の表面の結晶原子の熱的溶融及び蒸発が発生して酸化ガリウム基板１０の表面の特性が低下し、９００℃より低い温度で熱処理を行う場合、酸化ガリウム基板１０の表面の結晶原子の移動度が低くて表面スクラッチ１５を効果的に治癒することができない。
図６は、酸化ガリウム基板に対して酸素雰囲気で熱処理を遂行した後、酸化ガリウム基板の表面を説明するための図である。
図６に示すように、酸化ガリウム基板１０に対して酸素雰囲気で熱処理を遂行する場合、酸化ガリウム基板１０の表面スクラッチ１５が大部分治癒されて微小な痕跡のみ残ることを確認することができる。
図７は、酸素雰囲気で熱処理を行った酸化ガリウム基板の上に１００ｎｍ厚さの窒化ガリウム基盤層を成長した場合に窒化ガリウム基盤層の表面を説明するための図である。
図４及び図５と比較すると、窒化ガリウム基盤層２３の表面に表面スクラッチによる痕跡が大部分除去されて微小に窒化ガリウム基盤パターン２１が残っていることが分かる。
また、図２を参照すると、上記酸化ガリウム基板１０に対して酸素雰囲気で熱処理を遂行した後、上記酸化ガリウム基板１０に対してアンモニア雰囲気で高温窒化処理を選択的に遂行することもできる（Ｓ１２０）。
上記高温窒化処理はチャンバーにアンモニアガス、アンモニアガスと酸素ガスとの混合ガス、またはアンモニアガスと窒素ガスとの混合ガスを注入して実施できる。
上記高温窒化処理により上記酸化ガリウム基板１０の表面には酸化ガリウム窒化基盤膜１１が形成される。上記酸化ガリウム窒化基盤膜１１は、以後に成長される窒化ガリウム基盤層のバッファ層の役割をすることができ、酸化ガリウム基板１０の上に高品質の窒化ガリウム基盤層が形成されるようにする。
この際、上記チャンバーに注入されるガスにシランガスのようにシリコン（Ｓｉ）を含むガスを注入することによって、上記酸化ガリウム窒化基盤膜１１の電気伝導性を向上させることもできる。
次に、上記酸化ガリウム窒化膜１１の上に第１導電型の半導体層２０を成長させ（Ｓ１３０）、上記第１導電型の半導体層２０の上に活性層３０を成長させ（Ｓ１４０）、上記活性層３０の上に第２導電型の半導体層４０を成長させる（Ｓ１５０）。
例えば、上記第１導電型の半導体層２０はチャンバーにトリメチルガリウムガス（ＴＭＧａ）、アンモニアガス（ＮＨ３）、窒素ガス（Ｎ２）、及びシリコン（Ｓｉ）のようなｎ型ドーパントを含むシランガス（ＳｉＨ４）が注入されて形成できる。
また、上記活性層３０は、トリメチルガリウムガス（ＴＭＧａ）、アンモニアガス（ＮＨ３）、窒素ガス（Ｎ２）、及びトリメチルインジウムガス（ＴＭＩｎ）が注入されてＩｎＧａＮ／ＧａＮ構造を有する多重量子井戸構造が形成できる。
また、上記第２導電型の半導体層４０はチャンバーにトリメチルガリウムガス（ＴＭＧａ）、アンモニアガス（ＮＨ３）、窒素ガス（Ｎ２）、及びマグネシウム（Ｍｇ）のようなｐ型ドーパントを含むビセチルサイクロペンタジエニルマグネシウム（ＥｔＣｐ２Ｍｇ）｛Ｍｇ（Ｃ２Ｈ５Ｃ５Ｈ４）２｝が注入されて形成できる。
そして、上記酸化ガリウム基板１０の下側に第１電極層５０を形成し、上記第２導電型の半導体層４０の上に第２電極層６０を形成する。
前述したように、本発明の実施形態は酸化ガリウム基板１０を表面処理することによって上記酸化ガリウム基板１０の上に成長される窒化ガリウム基盤層が高品質で形成できるようにすることができる。
また、上記酸化ガリウム基板１０の表面に酸化ガリウム窒化基盤膜１１を形成することにより、上記酸化ガリウム基板１０の上に成長される窒化ガリウム基盤層がより高品質で形成できるようにする。
また、上記酸化ガリウム窒化基盤膜１１にドーパントを注入することによって、上記酸化ガリウム窒化基盤膜１１の電気伝導性をより向上させることができる。
このような過程を通じて、本発明の実施形態は電気伝導性を有する基板の上に窒化物半導体層を形成することによって、基板を除去する工程無しでバーチカルタイプの発光素子を製作することができる。
以上、実施形態を中心として説明したが、これは単に例示であり、本発明を限定するのでなく、本発明が属する分野の通常の知識を有する者であれば、本実施形態の本質的な特性から外れない範囲で以上に例示されていない種々の変形及び応用が可能であることが分かる。例えば、実施形態に具体的に表れた各構成要素は変形して実施することができる。そして、このような変形及び応用に関連した差異点は特許請求範囲で規定する本発明の範囲に含まれるものと解釈されるべきである。
本発明は、発光素子に適用できる。

Claims (20)

  1. 酸化ガリウム基板と、
    前記酸化ガリウム基板の上に酸化ガリウム窒化基盤膜と、
    前記酸化ガリウム窒化基盤膜の上に第１導電型の半導体層と、
    前記第１導電型の半導体層の上に活性層と、
    前記活性層の上に第２導電型の半導体層と、
    が含まれることを特徴とする、発光素子。
  2. 前記酸化ガリウム基板の下に第１電極層及び前記第２導電型の半導体層の上に第２電極層が含まれることを特徴とする、請求項１に記載の発光素子。
  3. 前記酸化ガリウム窒化基盤膜には、第１導電型のドーパントが含まれたことを特徴とする、請求項１に記載の発光素子。
  4. 前記酸化ガリウム基板には、第１導電型のドーパントが含まれたことを特徴とする、請求項１に記載の発光素子。
  5. 前記第１導電型の半導体層はｎ型ドーパントが含まれた窒化ガリウム基盤層で形成され、前記第２導電型の半導体層はｐ型ドーパントが含まれた窒化ガリウム基盤層で形成されることを特徴とする、請求項１に記載の発光素子。
  6. 前記活性層は窒化ガリウム基盤層またはインジウム（Ｉｎ）が含まれた窒化ガリウム基盤層で形成されることを特徴とする、請求項１に記載の発光素子。
  7. 前記酸化ガリウム基板の表面は、表面スクラッチが殆どないことを特徴とする、請求項１に記載の発光素子。
  8. 酸化ガリウム基板が用意されるステップと、
    前記酸化ガリウム基板を酸素雰囲気で熱処理するステップと、
    が含まれることを特徴とする、酸化ガリウム基板の製造方法。
  9. 前記酸化ガリウム基板を酸素雰囲気で熱処理した後、前記酸化ガリウム基板を窒化処理するステップが含まれることを特徴とする、請求項８に記載の酸化ガリウム基板の製造方法。
  10. 前記酸化ガリウム基板を酸素雰囲気で熱処理する前、前記酸化ガリウム基板を湿式洗浄するステップが含まれることを特徴とする、請求項８に記載の酸化ガリウム基板の製造方法。
  11. 前記酸化ガリウム基板を酸素雰囲気で熱処理するステップは、前記酸化ガリウム基板が配置されたチャンバーに酸素ガスまたは酸素ガスを含む混合ガスを注入し、９００〜１４００℃温度で３分〜３時間の間熱処理することを特徴とする、請求項８に記載の酸化ガリウム基板の製造方法。
  12. 前記酸化ガリウム基板を窒化処理するステップは、前記酸化ガリウム基板が配置されたチャンバーにアンモニアガス、アンモニアガスと酸素ガスとの混合ガス、またはアンモニアガスと窒素ガスとの混合ガスを注入して実施することを特徴とする、請求項９に記載の酸化ガリウム基板の製造方法。
  13. 前記酸化ガリウム基板を窒化処理するステップは、第１導電型のドーパントが含まれたガスを注入することを特徴とする、請求項９に記載の酸化ガリウム基板の製造方法。
  14. 酸化ガリウム基板が用意されるステップと、
    前記酸化ガリウム基板の上に酸化ガリウム窒化基盤膜を形成するステップと、
    前記酸化ガリウム窒化基盤膜の上に第１導電型の半導体層を形成するステップと、
    前記第１導電型の半導体層の上に活性層を形成するステップと、
    前記活性層の上に第２導電型の半導体層を形成するステップと、
    が含まれることを特徴とする、発光素子の製造方法。
  15. 前記酸化ガリウム基板の下に第１電極層を形成するステップ及び前記第２導電型の半導体層の上に第２電極層を形成するステップが含まれることを特徴とする、請求項１４に記載の発光素子の製造方法。
  16. 前記酸化ガリウム基板が用意されるステップは、前記酸化ガリウム基板を酸素雰囲気で熱処理するステップを含むことを特徴とする、請求項１４に記載の発光素子の製造方法。
  17. 前記酸化ガリウム基板には第１導電型のドーパントが含まれることを特徴とする、請求項１４に記載の発光素子の製造方法。
  18. 前記酸化ガリウム窒化基盤膜には第１導電型のドーパントが含まれることを特徴とする、請求項１４に記載の発光素子の製造方法。
  19. 前記第１導電型の半導体層はｎ型ドーパントが含まれた窒化ガリウム基盤層で形成され、前記第２導電型の半導体層はｐ型ドーパントが含まれた窒化ガリウム基盤層で形成されることを特徴とする、請求項１４に記載の発光素子の製造方法。
  20. 前記活性層は窒化ガリウム基盤層またはインジウム（Ｉｎ）が含まれた窒化ガリウム基盤層で形成されることを特徴とする、請求項１４に記載の発光素子の製造方法。
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