(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｃ軸方向に結晶配向性を有するグラファイト基板と、
前記グラファイト基板上に設けられ、１３族窒化物からなり、前記グラファイト基板のｃ軸方向に平行な方向に結晶配向性を有する第１半導体層と
を備えることを特徴とする半導体基板。
【請求項２】
前記グラファイト基板は、グラファイトフィルムである
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体基板。
【請求項３】
前記グラファイト基板は、焼結されたポリマーを含んでいる
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体基板。
【請求項４】
前記グラファイト基板の厚さは１００μｍ以下である
ことを特徴とする請求項１から請求項３のうちいずれか一項に記載の半導体基板。
【請求項５】
前記グラファイト基板と前記第１半導体層との間に設けられ、ＨｆＮ及びＺｒＮのうち少なくとも一方を含む第２半導体層を更に備える
ことを特徴とする請求項１から請求項４のうちいずれか一項に記載の半導体基板。
【請求項６】
前記グラファイト基板と前記第１半導体層との間に設けられ、ＡｌＮを含む第３半導体層を更に備える
ことを特徴とする請求項１から請求項５のうちいずれか一項に記載の半導体基板。
【請求項７】
請求項１から請求項６のうちいずれか一項に記載の半導体基板を備えることを特長とする半導体素子。
【請求項８】
請求項７に記載の半導体素子を備えることを特徴とする発光素子。
【請求項９】
請求項７に記載の半導体素子を備えることを特徴とする電子素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体基板、半導体素子、発光素子及び電子素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
１３属窒化物であるＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮおよびその混晶相のＰＮ接合を利用した窒化物系ＬＥＤが広く実用化されている。窒化物系ＬＥＤは無機物であり、しかも材料の結合エネルギーが高いため、寿命が長く、内部発光効率（内部量子効率）が９０％と高いことが知られている。これらの窒化物系ＬＥＤはサファイアや炭化珪素などの高価な単結晶基板上に量産性の低い有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）を用いて量産されることが多い。このため面光源として用いるには価格が高く、専ら点光源として利用されてきた。
【０００３】
一方、面光源としては有機ＥＬ素子が知られている（例えば、特許文献１参照。）。有機ＥＬ素子は価格の安いプラスチック基板やガラス基板を出発材料として用いることができるため、素子の価格を安価にでき、面光源としての利用が可能である。また、曲げることのできる発光素子や照明としての利用も期待されている。  
【特許文献１】特開２００８−２１４８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、有機ＥＬを構成する発光層は有機物であるため、耐熱性が低い、寿命が短いといった問題があった。また、発光効率も窒化物系ＬＥＤに比べ低かった。
【０００５】
以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、安価で、長寿命であり、発光効率が高く、しかも曲げることが可能な半導体基板、半導体素子、発光素子及び電子素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明に係る半導体基板は、耐熱性を有すると共に外力に対する可撓性を有するグラファイト基板と、前記グラファイト基板上に設けられ、１３属窒化物からなる第１半導体層とを備えることを特徴とする。
【０００７】
本発明によれば、耐熱性を有すると共に外力に対する可撓性を有するグラファイト基板と、当該グラファイト基板上に設けられ１３属窒化物からなる第１半導体層とを備えることとしたので、グラファイト基板上に第１半導体層を形成する際にパルススパッタ堆積法などの手法を用いることができるため、安価に製造することができる。また、１３属窒化物は無機物であるため長寿命であり、高い発光効率を得ることができる。しかも、グラファイト基板が外力に対する可撓性を有するため曲げることも可能となる。これにより、安価で、長寿命であり、発光効率が高く、しかも曲げることが可能な半導体基板を得ることができる。
【０００８】
上記の半導体基板は、前記グラファイト基板は、焼結されたポリマーを含んでいることを特徴とする。  
本発明によれば、グラファイト基板が焼結されたポリマーを含んでいることとしたので、耐熱性が高く、外力によって容易に曲げることが可能である。高温下で処理を行うことも可能であるため、パルススパッタ堆積法や有機金属気相成長法、分子線エピタキシー法など高温下で行う処理が可能となる。
【０００９】
上記の半導体基板は、前記グラファイト基板の厚さは１００μｍ以下であることを特徴とする。  
本発明によれば、グラファイト基板の厚さが１００μｍ以下であるとしたので、外力に対して極めて優れた可撓性を有することとなる。
【００１０】
上記の半導体基板は、前記グラファイト基板と前記第１半導体層との間に設けられ、ＨｆＮ及びＺｒＮのうち少なくとも一方を含む第２半導体層を更に備えることを特徴とする。  
ＨｆＮ及びＺｒＮは高い光反射率を有することが知られている。本発明によれば、グラファイト基板と第１半導体層との間に、ＨｆＮ及びＺｒＮのうち少なくとも一方を含む第２半導体層を更に備えることとしたので、当該第２半導体層によって光を反射することができる。これにより、第１半導体層を発光層として用いる場合、当該発光層からの光の利用効率を高めることができる。
【００１１】
上記の半導体基板は、前記グラファイト基板と前記第１半導体層との間に設けられ、ＡｌＮを含む第３半導体層を更に備えることを特徴とする。  
本発明によれば、グラファイト基板と第１半導体層との間に、ＡｌＮを含む第３半導体層を更に備えることとしたので、第１半導体層のグレインサイズを増大させることができる。これにより、第１半導体層の電気的特性を高めることができ、特に第１半導体層を発光層として用いる場合には当該第１半導体層の光学特性についても高めることができる。
【００１２】
本発明に係る半導体素子は、上記の半導体基板を備えることを特長とする。  
本発明によれば、安価で、長寿命であり、発光効率が高く、しかも曲げることが可能な半導体基板を備える従来に比べて広い分野で利用可能な半導体素子を得ることができる。
【００１３】
本発明に係る発光素子は、上記の半導体素子を備えることを特徴とする。  
本発明によれば、柔軟性を持ち面発光が可能な長寿命の素子を安価で得ることができる。
【００１４】
本発明に係る電子素子は、上記の半導体素子を備えることを特徴とする。
本発明によれば、柔軟性を持ち電気的特性の高い素子を安価で得ることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、安価で、長寿命であり、発光効率が高く、しかも曲げることが可能な半導体基板、半導体素子、発光素子及び電子素子を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。  
図１は、本実施形態に係る半導体基板１の構成を示す図である。  
同図に示すように、半導体基板１は、放熱シート２上にバッファ層３が設けられ、当該バッファ層３上に半導体層４が積層された構成になっている。この半導体基板１は、発光素子や電子素子などに搭載される。
【００１７】
放熱シート２は、ポリオキサジアゾールなどのポリマーを約３０００℃程度で焼結させて作製したグラファイトフィルムからなる。当該グラファイトフィルムは、フィルム面内方向に約１７００Ｗ／ｍ・Ｋ程度の熱伝導率を有しており、この熱伝導率の値はＣｕの４倍程度である。また、耐熱性が高いため、高温下においても処理可能になっている。さらに、フィルム面内方向に５×１０−５Ｓ／ｃｍ程度という高い電気伝導率を有している。このグラファイトフィルムは、厚さが２５μｍ〜１００μｍ程度と薄いため外力に対する可撓性を有することとなる。このため、曲げることができるようになっている。グラファイトシート２は５０ｃｍ２以上の大面積化が可能である。
【００１８】
バッファ層３は、ジルコニウムナイトライド（ＺｒＮ（１１１））からなる層であり、放熱シート２と半導体層４との間に介在する。図２は、ジルコニウムナイトライドの光反射率を示すグラフである。グラフの横軸は波長、グラフの縦軸は光反射率を示している。図３は、ジルコニウムナイトライドの光反射率と当該光の波長との対応関係を示す表である。
【００１９】
図２及び図３に示すように、ジルコニウムナイトライドにおいて青色光の波長範囲である４７０ｎｍでの光反射率は６５．６％になっている。これをもとにすると、ジルコニウムナイトライドからなるバッファ層３においては、青色光を照射したときにはほぼ６５％以上の光を反射することが可能であるといえる。
【００２０】
半導体層４は、例えば１３族窒化物半導体からなる半導体層である。１３族窒化物としては、例えばＧａＮ（ガリウムナイトライド）、ＡｌＮ（アルミニウムナイトライド）、ＩｎＮ（インジウムナイトライド）などが挙げられ、一般式ＩｎＸＧａＹＡｌ１−Ｘ−ＹＮ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｘ＋Ｙ≦１）で表される。
【００２１】
図４は、上記の半導体層４及びバッファ層３の製造装置であるスパッタ装置の構成を示す図である。  
同図に示すように、スパッタ装置１０は、チャンバ１１と、基板電極１２と、ターゲット電極１３と、直流電源１４と、電源制御部１５と、窒素供給源１６と、加熱装置１７を主体として構成されている。
【００２２】
チャンバ１１は、外部に対して密閉可能に設けられている。チャンバ１１内は図示しない真空ポンプなどによって減圧できるようになっている。  
基板電極１２は、チャンバ１１内に配置されており、上記の放熱シート２を保持可能になっている。
【００２３】
ターゲット電極１３は、チャンバ１１内に基板電極１２に対向して設けられており、ターゲット１３ａを保持可能になっている。ターゲット１３ａは、Ｚｒ（ジルコニウム）又はその合金からなる。
【００２４】
直流電源１４は、基板電極１２及びターゲット電極１３にそれぞれ電気的に接続されており、基板電極１２とターゲット電極１３との間に直流電圧を印加する電圧源である。  
制御部１５は、直流電源１４に接続されており、直流電源１４の動作のタイミングに関する制御を行う。制御部１５により、基板電極１２とターゲット電極１３との間にパルス電圧を印加することが可能になっている。
【００２５】
窒素供給源１６は、例えば供給管などによってチャンバ１１内に接続されており、チャンバ１１内に窒素ガスを供給する。図示しないが、窒素供給源１６の他、チャンバ内にアルゴンガスを供給するアルゴンガス供給源も設けられている。  
加熱装置１７は、例えば基板電極１２に固定されており、基板電極１２上の放熱シート２の周囲温度を調節できるようになっている。
【００２６】
次に、上記のスパッタ装置１０を用いて本実施形態に係る半導体基板１を製造する工程を説明する。本実施形態では、基板−ターゲット間にパルス直流電圧を印加するＰＳＤ法（パルススパッタ堆積法）を例に挙げて説明する。特に本実施形態では、大面積化が可能な放熱シート２上に半導体薄膜を形成するため、ＰＳＤ法を行う意義は大きいといえる。
【００２７】
まず、チャンバ１１内にアルゴンガスを供給し、窒素供給源１６から窒素ガスをチャンバ１１内に供給する。アルゴンガス及び窒素ガスによってチャンバ１１内が所定の圧力になった後、バッファ層３を形成した放熱シート２を基板電極１２に保持し、ターゲット１３ａをターゲット電極１３上に設置する。
【００２８】
放熱シート２及びターゲット１３ａを配置した後、加熱装置１７によって、放熱シート２の周囲温度を調節する。放熱シート２の周囲温度を調節したら、基板電極１２とターゲット電極１３との間に直流パルス電圧を印加する。
【００２９】
パルス電圧が印加されている間、アルゴンガスによるプラズマが発生し、ターゲット１３ａに衝突する。この衝突エネルギーを受けて、ターゲット１３ａを構成するＺｒ原子がチャンバ１１内に放出される。この高エネルギーを有するＺｒ原子は、バッファ層３上に供給される。バッファ層３の表面では、チャンバ内の窒素が窒素ラジカルになっている。
【００３０】
バッファ層３上には高エネルギーを有するＺｒ原子が大量に供給され、バッファ層３の表面は金属リッチの状態になる。金属リッチの状態では、バッファ層３上のＺｒ原子は安定な格子位置にマイグレーションする。安定な格子位置にマイグレーションしたＺｒ原子は、チャンバ１１内で活性化した窒素ラジカルと反応して金属窒化物（ＺｒＮ）の結晶となる。基板電極１２とターゲット電極１３との間にパルス電圧が印加される毎に、結晶構造の安定したＺｒＮが堆積されることになる。
【００３１】
次に、形成されたバッファ層３上に、同様の手法によって半導体層４を形成する。このようにして、図１に示す半導体基板１が完成する。
【００３２】
本実施形態によれば、高温下で処理可能なグラファイトフィルムからなる放熱シート２上に半導体層４を形成する際にパルススパッタ堆積法などの手法を用いることができるため、安価に製造することができる。また、１３属窒化物は無機物であるため長寿命であり、高い発光効率を得ることができる。しかも、放熱シート２が外力に対する可撓性を有するため曲げることも可能となる。これにより、安価で、長寿命であり、発光効率が高く、しかも曲げることが可能な半導体基板を得ることができる。
【００３３】
本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更を加えることができる。  
例えば、上記実施形態では、バッファ層３及び半導体層４をパルススパッタ法によって形成しているが、これに限られることはなく、例えばＰＬＤ法（パルスレーザ堆積法）やＰＥＤ法（パルス電子線堆積法）を含むＰＸＤ法（Pulsed Excitation Deposition：パルス励起堆積法）有機金属成長法、分子線エピタキシー法など、他の薄膜形成方法によって形成しても構わない。
【００３４】
また、上記実施形態では、放熱シート２上にＺｒＮ（１１１）からなるバッファ層３を形成することとしたが、これに限られることは無く、例えばＨｆＮ（１１１）からなるバッファ層３を形成する構成であっても構わない。また、バッファ層３を形成することなく、放熱シート２上に直接半導体層４を成長させる構成であっても構わないし、半導体層４を積層する構成（例えば、ＧａＮ層／ＡｌＮ層／グラファイト、など）であっても構わない。
【実施例１】
【００３５】
次に、本発明に係る実施例１を説明する。本実施例では、上記実施形態で用いた放熱シート２についてＸＲＤ測定及び電子顕微鏡（ＳＥＭ）による観察を行った。  
図５は、上記実施形態で説明した放熱シート２についてのＸＲＤ測定の結果を示すグラフである。  
同図に示すように、放熱シート２を構成するグラファイトは（００２）及び（００４）に強い配向を示しており、高品質な単結晶であるといえる。
【００３６】
図６（ａ）及び図６（ｂ）は、上記実施形態で説明した放熱シート２の表面についての電子顕微鏡写真である。図６（ｂ）は図６（ａ）のグレインの１つを拡大して撮影したものである。  
図６（ａ）に示すように、グラファイトのグレインサイズは１０μｍ以上となっており、結晶性が高いことが分かる。図６（ｂ）に示すように、表面に凹凸が見られず、平坦になっていることが分かる。
【００３７】
図５及び図６の結果から、放熱シート２の材料としてポリマー焼結グラファイトを用いることにより、半導体薄膜の結晶成長の下地基板として優れた特性を有しているといえる。
【実施例２】
【００３８】
本実施例では、上記実施形態の手法（パルススパッタ法）によって放熱シート２上にＡｌＮ層を形成し、当該ＡｌＮ層上にＧａＮ層をさらに形成した。ＡｌＮ成長時には温度１０００℃〜１２００℃程度で加熱し、加熱時間を３０ｍｉｎ〜６０ｍｉｎ程度とした。ＧａＮ成長時には、温度６５０℃〜７５０℃程度で加熱し、加熱時間を６０ｍｉｎ〜１２０ｍｉｎとした。
【００３９】
また、このようにして作製した半導体基板（ＧａＮ／ＡｌＮ／グラファイト）について、反射型高速電子線回折（ＲＨＥＥＤ）、Ｘ線回折（ＸＲＤ）、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、電子線後方散乱回折（ＥＢＳＤ）、フォトルミネッセンス（ＰＬ）の評価法で評価した。
【００４０】
図７は、グラファイト層及びＡｌＮ層についてのＸＲＤによる測定結果を示すグラフである。  
同図に示すように、グラファイト層は（００２）方向に成長しており、ＡｌＮ層は（０００２）方向に成長しており、ＡｌＮ層はｃ軸配向性を示していると認められる。
【００４１】
図８はＡｌＮ層のＥＢＳＤ測定図である。  
同図に示すように、ＡｌＮ層には１μｍ以上のグレインサイズを有する結晶が多く形成されていることが分かる。
【００４２】
図９は、ＡｌＮ層の一部についての｛１０−１２｝ＥＢＳＤ極点図である。  
同図に示すように、正六角形の頂点上に明確なパターンが認められる。このことからＡｌＮ層の結晶性が良好であることが分かる。
【００４３】
図１０は、グラファイト層及びＧａＮ層についてのＸＲＤによる測定結果を示すグラフである。  
同図に示すように、ＧａＮ層はＡｌＮ層と同様に（０００２）方向に成長しており、ｃ軸配向性を示していると認められる。
【００４４】
図１１は、ＧａＮ層の表面のＳＥＭ像である。  
同図に示すように、ＧａＮ層の表面には特段に大きな凹凸は見られず、比較的平坦な表面に形成されていることが分かる。
【００４５】
図１２は、ＧａＮ層のＥＢＳＤ測定図である。  
同図に示すように、ＧａＮ層には１μｍ以上のグレインサイズを有する結晶が多く形成されていることがわかる。
【００４６】
図１３は、ＧａＮ層のＥＢＳＤ極点図である。図１３（ａ）はＧａＮ層の一部分についての｛１０−１２｝ＥＢＳＤ極点図であり、図１３（ｂ）はＧａＮ層の他部分についての｛１０−１２｝ＥＢＳＤ極点図である。  
図１３（ａ）及び図１３（ｂ）に示すように、正六角形の頂点上に明確なパターンが認められる。このことからそれぞれのグレインは高い結晶性を有していることが分かる。
【００４７】
図１４は、ＧａＮ層の室温でのＰＬ測定の結果を示すグラフである。図１５は、従来のＭＯＣＶＤで作製したＧａＮの室温でのＰＬ測定の結果を示すグラフである。両図共に、グラフの縦軸がＰＬ強度であり、グラフの横軸が発光エネルギーである。  
図１４に示すように、本実施例で得られたＧａＮ層については、発光エネルギーが３．４ｅＶ付近において強いピークが認められる。このピークの半値幅を測定したら、６３ｍｅＶであった。また、図１５に示すように、従来のＧａＮ基板については、３．４ｅＶ付近において強いピークが認められる。このピークの半値幅を測定したら、６６ｍｅＶであった。図１４と図１５との結果とを比較すると、本実施例で得られたＧａＮ層の発光特性は、従来のＧａＮ基板の発光特性に比べて同等以上であることが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の実施形態に係る半導体基板の構成を示す図。
【図２】ジルコニウムナイトライドの光反射率を示すグラフ。
【図３】ジルコニウムナイトライドの光反射率と反射波長の対応関係とを示す図。
【図４】本実施形態に係るスパッタ装置の構成を示す図。
【図５】本発明の実施例１に係る放熱シートのＸＲＤ測定グラフ。
【図６】本実施例に係る放熱シートの表面のＳＥＭ像。
【図７】本発明の実施例２に係るグラファイト層及びＡｌＮ層のＸＲＤ測定グラフ。
【図８】本実施例に係るＡｌＮ層のＥＢＳＤ測定図。
【図９】本実施例に係るＡｌＮ層のＥＢＳＤ極点図
【図１０】本実施例に係るグラファイト層及びＧａＮ層のＸＲＤ測定グラフ。
【図１１】本実施例に係るＧａＮ層の表面のＳＥＭ像。
【図１２】本実施例に係るＧａＮ層のＥＢＳＤ測定図。
【図１３】本実施例に係るＧａＮ層のＥＢＳＤ極点図。
【図１４】本実施例に係るＧａＮ層の室温でのＰＬ測定の結果を示すグラフ。
【図１５】従来のＧａＮ層の室温でのＰＬ測定の結果を示すグラフ。
【符号の説明】
【００４９】
１…半導体基板  ２…放熱シート  ３…バッファ層  ４…半導体薄膜  １０…スパッタ装置  １１…チャンバ  １２…基板電極  １３…ターゲット電極  １３ａ…ターゲット  １４…直流電源  １５…制御部  １６…窒素供給源  １７…加熱装置
【図１】
0005386747.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
0005386747.tif 000011
【図１１】
0005386747.tif 000012
【図１２】
0005386747.tif 000013
【図１３】
0005386747.tif 000014
【図１４】
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【図１５】
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