(57)【要約】  チェンバに窒素ソースガスを流入するステップと、前記反応チェンバに窒素ソースガスが流入した状態で、前記サファイア（Ａｌ２Ｏ３）基板をアニールし、前記サファイア（Ａｌ２Ｏ３）基板の表面にＡｌＮ化合物層を形成するステップと、を含む窒化物半導体発光素子用バッファ層の形成方法を提供する。本発明によると、基板と半導体層との間に基板と半導体層の中間特性を有するＡｌＮ化合物層が形成されていることにより、ＡｌＮ化合物層上に形成されるバッファ層や半導体層との界面空白が小さくなり、結晶ストレスが少なくなり、基板と半導体層の格子定数及び熱膨張係数差によるクラック等の発生を効果的に減少させることができる。
2009530807.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
サファイア（Ａｌ２Ｏ３）基板を反応チェンバに位置させるステップと、
前記反応チェンバに窒素ソースガスを流入するステップと、
前記反応チェンバに窒素ソースガスが流入した状態で、前記サファイア（Ａｌ２Ｏ３）基板をアニールし、前記サファイア（Ａｌ２Ｏ３）基板の表面にＡｌＮ化合物層を形成するステップと、
を含むことを特徴とする窒化物半導体発光素子用バッファ層の形成方法。
【請求項２】
前記ＡｌＮ化合物層上に窒化物バッファ層を形成するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子用バッファ層の形成方法。
【請求項３】
前記窒化物バッファ層は、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ、ｙ、ｘ＋ｙ≦１）からなることを特徴とする請求項２に記載の窒化物半導体発光素子用バッファ層の形成方法。
【請求項４】
サファイア（Ａｌ２Ｏ３）基板と、
前記サファイア（Ａｌ２Ｏ３）基板上に形成される半導体層と、
前記半導体層と前記サファイア（Ａｌ２Ｏ３）基板との界面に、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）基板が窒素ソースガスと反応して形成されたＡｌＮ化合物層と、
を備えることを特徴とする窒化物半導体発光素子。
【請求項５】
前記ＡｌＮ化合物層と前記半導体層との間に形成された窒化物バッファ層をさらに備えることを特徴とする請求項４に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項６】
前記窒化物バッファ層は、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ、ｙ、ｘ＋ｙ≦１）からなることを特徴とする請求項５に記載の窒化物半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体発光素子用バッファ層の形成方法及びそのバッファ層を有する窒化物半導体発光素子に関し、より詳しくは、窒素ソースガスが流入した状態で、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）基板をアニールし、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）基板にＡｌＮ化合物層を形成した後、その上に半導体層を形成し、基板と半導体層の格子定数及び熱膨張係数差によるクラック等の発生を減少させる窒化物半導体発光素子用バッファ層の形成方法及びそのバッファ層を有する窒化物半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等のようなIII族元素の窒化物は、熱的安定性に優れ、直接遷移型のエネルギーバンド構造を有しており、最近、青色及び紫外線領域の光電素子用物質として多くの脚光を浴びている。特に、窒化ガリウム（ＧａＮ）を用いた青色及び緑色発光素子は、大規模の天然色フラットパネルディスプレイ、信号灯、室内照明、高密度光源、高解像度出力システム、光通信等様々な応用分野に活用されている。
【０００３】
このようなIII族元素の窒化物半導体層は、六方晶系構造を有するサファイアや炭化ケイ素（ＳｉＣ）等の異種基板にて、有機金属化学気相蒸着法（ＭＯＣＶＤ）又は分子線エピタキシー法（ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｂｅａｍ ｅｐｉｔａｘｙ；ＭＢＥ）等の工程を通じて成長される。しかしながら、III族元素の窒化物半導体層が異種基板上に形成される場合、半導体層と基板との間の格子定数及び熱膨張係数の差により、半導体層内にクラック又は反りが発生し、転位が生成してしまう。半導体層内のクラック、反り、及び転位は、発光素子の特性を悪化させる。したがって、基板と半導体層との間の格子定数及び熱膨張係数差によるストレスを緩和するために、バッファ層が一般に用いられる。
【０００４】
図１は、従来の窒化物半導体発光素子用バッファ層の形成方法を説明するための断面図である。
図１を参照すると、基板１上にバッファ層２を形成する。バッファ層２は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）であり、ＭＯＣＶＤ又はＭＢＥ工程等を用いて形成される。
【０００５】
バッファ層２を形成する場合、Ａｌ及びＧａのソースガスとして、トリメチルアルミニウム（ｔｒｉｍｅｔｈｙｌ ａｌｕｍｉｎｕｍ；ＴＭＡｌ、Ａｌ(ＣＨ３)３）とトリメチルガリウム（ｔｒｉｍｅｔｈｙｌ ｇａｌｉｕｍ；ＴＭＧ、Ｇａ(ＣＨ３)３）を用い、反応ガスとして、アンモニア（ＮＨ３）を用いる。これらのソースガス及び反応ガスを反応チェンバ内に流入させ、４００〜８００℃でバッファ層２を形成する。
【０００６】
次いで、反応チェンバの温度を９００〜１２００℃に上げ、バッファ層２上にＰＮ接合を有するＧａＮ系半導体層３を形成する。その後、半導体層３に電極を形成して、発光素子を製造する。
【０００７】
従来の技術によると、半導体層３と基板１との間にバッファ層２を形成し、基板１と半導体層３との間の格子定数及び熱膨張係数差によるクラック等の発生を減少させることができる。
【０００８】
しかしながら、低温で成長されたバッファ層２は、主に基板に垂直に成長するので、コラム状構造を有する。また、ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（０≦ｘ≦１）結晶は、結晶内原子間の結合力が比較的強く、コラム状構造内のコラム間で界面空白が大きく、結晶ストレスが大きい。一方、半導体層３は、その下部に位置したバッファ層２の結晶構造、結晶質及びコラムのサイズ分布等に影響される。すなわち、バッファ層２上の半導体層３にバッファ層２の結晶欠陥が転写されてしまう。したがって、バッファ層２のコラム状構造による結晶欠陥は、半導体層３の結晶欠陥として現れる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明が解決しようとする技術的課題は、窒化物半導体発光素子を作製するために、基板と半導体層との間にバッファ層を生成するとき、その上に成長される半導体層の結晶欠陥を減少させることができるバッファ層の形成方法及びそのバッファ層を有する窒化物半導体発光素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記技術的課題を解決するため、本発明の一側面によると、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）基板を反応チェンバに位置させるステップと、前記反応チェンバに窒素ソースガスを流入するステップと、前記反応チェンバに窒素ソースガスが流入した状態で、前記サファイア（Ａｌ２Ｏ３）基板をアニールし、前記サファイア（Ａｌ２Ｏ３）基板の表面にＡｌＮ化合物層を形成するステップと、を含む窒化物半導体発光素子用バッファ層の形成方法を提供する。
【００１１】
前記形成されたＡｌＮ化合物層上に窒化物バッファ層を形成するステップをさらに含んでもよい。
前記窒化物バッファ層は、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ、ｙ、ｘ＋ｙ≦１）からなってもよい。
【００１２】
上述したバッファ形成方法により、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）基板と、前記サファイア（Ａｌ２Ｏ３）基板上に形成される半導体層と、前記半導体層と前記サファイア（Ａｌ２Ｏ３）基板との界面に、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）基板が窒素ソースガスと反応して形成されたＡｌＮ化合物層と、を備える窒化物半導体発光素子を作製することができる。
【００１３】
前記ＡｌＮ化合物層と前記半導体層との間に形成された窒化物バッファ層をさらに備えてもよい。
前記窒化物バッファ層は、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ、ｙ、ｘ＋ｙ≦１）からなってもよい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によると、基板と半導体層との間に基板と半導体層の中間特性を有するＡｌＮ化合物層が形成されている。
これにより、ＡｌＮ化合物層上に形成されるバッファ層や半導体層との界面空白が小さくなり、結晶ストレスが少なくなり、基板と半導体層の格子定数及び熱膨張係数差によるクラック等の発生を効果的に減少させることができる。
【００１５】
一方、半導体層は、その下部に位置したバッファ層の結晶構造、結晶質及びコラムのサイズ分布等に影響される。すなわち、バッファ層上の半導体層にバッファ層の結晶欠陥が転写されてしまう。
【００１６】
本発明によると、バッファ層がＡｌＮ化合物層上に形成されることにより、バッファ層の結晶欠陥が減少することにより、半導体層の結晶欠陥も減少し、窒化物半導体発光素子の光収率を改善させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、添付した図面に基づき、本発明の実施例について詳述する。以下に紹介される実施例は、本発明の思想を当業者に充分伝達するために、例として提供されるものである。したがって、本発明は、後述する実施例に限定されず、他の形態に具体化され得る。なお、図面において、構成要素の幅、長さ、厚さ等は、便宜のために誇張して表現されることもある。明細書の全体にわたって、同一の参照番号は、同一の構成要素を示す。
【００１８】
図２は、本発明の一実施例によるバッファ層の形成方法を説明するための工程流れ図であり、図３乃至図６は、工程流れ図によるバッファ層の形成方法を説明するための断面図である。
【００１９】
図２及び図３を参照すると、基板１０を用意し、反応チェンバ内に位置させる（Ｓ１）。基板は、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）基板である。
図２及び図４を参照すると、反応チェンバ内に基板１０を位置させた状態で、高温（１００℃）でＮ２ガスを流入させ、数時間乃至数十時間の間アニールを行う（Ｓ２）。
【００２０】
これにより、Ｎ２ガスに露出した基板１０の表面では、下記の化学反応式による反応が行われる。
【００２１】
【化１】
2009530807.tif 000003
すなわち、反応チェンバ内にＮ２ガスを流入した状態で、高温を維持したまま、サファイアにアニールを行うと、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）内にある酸素原子が解離され、酸素ガスが発生し、ＡｌがＮ２ガスと反応し、ＡｌＮ化合物層が形成される。
【００２２】
したがって、基板１０の表面には、全体的に薄いＡｌＮ化合物層２０が形成される。より正確に表現すると、基板１０の表面からＮ２ガスがサファイア（Ａｌ２Ｏ３）にあるＡｌと反応する領域まで、ＡｌＮ化合物層が形成される。
【００２３】
図２及び図５を参照すると、ＡｌＮ化合物層２０が表面に形成された基板１０上にバッファ層３０を形成する（Ｓ３）。バッファ層３０は、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ、ｙ、ｘ＋ｙ≦１）で、ＭＯＣＶＤ又はＭＢＥ工程等を用いて形成される。
【００２４】
バッファ層３０を形成するためのソースガスは、アルミニウム（Ａｌ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリエチルアルミニウム（ｔｒｉｅｔｈｙｌ ａｌｕｍｉｎｕｍ；ＴＥＡ）、トリメチルアミンアルミニウム（ＡｌＨ３・Ｎ（ＣＨ３）３；ＴＭＡＡ）、ジメチルエチルアミンアルミニウム（ＡｌＨ３・Ｎ（ＣＨ３）２（ＣＨ２）Ｈ５；ＤＭＥＡＡ）、トリイソブチルアルミニウム（Ａｌ（ｉｓｏ−Ｃ４Ｈ９）３；ＴＩＢＡ）、トリメチルインジウム（ｔｒｉｍｅｔｈｙｌ ｉｎｄｉｕｍ；ＴＭＩ、Ｉｎ(ＣＨ３)３）、ガリウム、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、及び／又はトリエチルガリウム（ｔｒｉｅｔｈｙｌ ｇａｌｉｕｍ；ＴＥＧ）等を用い、反応ガスとして、アンモニア（ＮＨ３）を用いる。これらのソースガス及び反応ガスを反応チェンバ内に流入させ、４００〜８００℃でバッファ層３０を形成する。
【００２５】
図２及び図６を参照すると、バッファ層３０を形成した後、反応チェンバの温度を９００〜１２００℃とし、ＭＯＣＶＤ又はＭＢＥ工程を用いて、バッファ層３０上にＰＮ接合を有するＧａＮ系半導体層４０を形成する（Ｓ４）。その後、半導体層４０に電極を形成して、発光素子を作製する。
【００２６】
この際、半導体層４０は、別途のバッファ層３０上に第１の伝導性半導体層、活性層、第２の伝導性半導体層が順次形成されてもよい。
本発明は、好適な実施例を参照して説明された。しかし、具体的に説明されたものとは異なる他の多くの実施例も、本発明の思想及び範囲内に含まれるというのは、関連分野の当業者であれば理解できるだろう。
【００２７】
例えば、本発明の一実施例では、窒素ソースガスとしてＮ２ガスを用いているが、アンモニア（ＮＨ３）を用いてもよい。
また、本発明の一実施例では、基板１０と半導体層４０との間にＡｌＮ化合物層２０とバッファ層３０を形成して、窒化物半導体発光素子を作製することについて説明しているが、ＡｌＮ化合物層２０上に別途のバッファ層３０を形成せず、ＡｌＮ化合物層２０上に半導体層４０を形成して、窒化物半導体発光素子を作製してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】従来の窒化物半導体発光素子用バッファ層の形成方法を説明するための断面図。
【図２】本発明の一実施例による窒化物半導体発光素子用バッファ層の形成方法を説明するための工程流れ図。
【図３】本発明の一実施例による窒化物半導体発光素子用バッファ層の形成方法を説明するための断面図。
【図４】本発明の一実施例による窒化物半導体発光素子用バッファ層の形成方法を説明するための断面図。
【図５】本発明の一実施例による窒化物半導体発光素子用バッファ層の形成方法を説明するための断面図。
【図６】本発明の一実施例による窒化物半導体発光素子用バッファ層の形成方法を説明するための断面図。
【図１】
2009530807.tif 000004
【図２】
2009530807.tif 000005
【図３】
2009530807.tif 000006
【図４】
2009530807.tif 000007
【図５】
2009530807.tif 000008
【図６】
2009530807.tif 000009
【国際調査報告】
2009530807.tif 000010
2009530807.tif 000011
2009530807.tif 000012