(57)【要約】      （修正有）【課題】フラックス法により、高品質で且つ放熱特性に優れ、低コスト化を図れる高熱伝導率のIII族窒化物自立基板、III族窒化物半導体デバイス、半導体モジュール及びその製造方法を提供する。【解決手段】フラックスと少なくともIII族金属を含む混合融液と窒素とから、前記III族金属と前記窒素とを反応させて構成されるIII族窒化物を結晶成長させるIII族窒化物結晶成長方法において、前記III族窒化物を結晶成長させる界面に、III族金属またはフラックスの少なくとも１方の融液を充填する。【選択図】図２
2006169024.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フラックスと少なくともIII族金属を含む混合融液と窒素とから、前記III族金属と前記窒素とを反応させて構成されるIII族窒化物を結晶成長させるIII族窒化物結晶成長方法において、
前記III族窒化物を結晶成長させる界面に、III族金属またはフラックスの少なくとも１方の融液を充填することを特徴とするIII族窒化物結晶成長方法。
【請求項２】
請求項１記載のIII族窒化物結晶成長方法において、表面の材質がIII族窒化物により構成される基板の表面が凹凸形状であり、該基板表面上に前記方法によりIII族窒化物を結晶成長させることを特徴とするIII族窒化物結晶成長方法。
【請求項３】
請求項２記載のIII族窒化物結晶成長方法において、基板として前記方法によりIII族窒化物結晶の表面に凹凸形状を形成した該基板上に前記方法によりIII族窒化物を結晶成長させることを特徴とするIII族窒化物結晶成長方法。
【請求項４】
請求項２または請求項３に記載のIII族窒化物結晶成長方法において、III族窒化物を結晶成長させた後、III族窒化物結晶の表面に凹凸形状を形成した基板上にIII族窒化物を結晶成長させることを特徴とするIII族窒化物結晶成長方法。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４記載のIII族窒化物結晶成長方法において、基板の垂直方向より面方向の成長速度を速く結晶成長させることを特徴とするIII族窒化物結晶成長方法。
【請求項６】
請求項３または請求項４に記載のIII族窒化物結晶成長方法において、フラックス法による結晶成長工程および凹凸形状の形成工程を同一の反応容器内で行うことを特徴とするIII族窒化物結晶成長方法。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６に記載のIII族窒化物結晶成長方法を用いて成長したIII族窒化物結晶。
【請求項８】
請求項７記載のIII族窒化物結晶を基板として用いて作製したIII族窒化物半導体デバイス。
【請求項９】
請求項８記載のIII族窒化物半導体デバイスを実装した半導体モジュール。
【請求項１０】
請求項９記載の半導体モジュールの内、デバイスの側面に接する放熱用ヒートシンクを設けていることを特徴とする半導体モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルカリ金属と窒素を用いる反応系で成長したIII族窒化物結晶、III族窒化物半導体結晶基板、III族窒化物半導体結晶、III族窒化物半導体デバイス、III族窒化物半導体結晶成長装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、紫色〜青色〜緑色光源として用いられているInGaAlN系（III族窒化物）デバイスは、主にサファイアあるいはSiC基板上に、MO-CVD法（有機金属化学気相成長法）やMBE法（分子線結晶成長法）等を用いた結晶成長法により製作されている。サファイアやSiCを基板として用いた場合、III族窒化物との熱膨張係数差や格子定数差が大きいことに起因する結晶欠陥が多くなるなどの問題点があることが挙げられる。
【０００３】
このためにデバイス特性が悪い、例えば発光デバイスの寿命を長くすることが困難であったり、動作電力が大きくなったりするという欠点を有している。
更に、基板としてサファイア基板を用いた場合には、この基板が絶縁性であるために、従来の発光デバイスのように基板側からの電極取り出しが不可能であり、結晶成長した窒化物半導体表面側からの電極取り出しが必要となる。その結果、デバイス面積が大きくなり、高コストにつながるという問題点がある。
【０００４】
また、サファイア基板上に作製したIII族窒化物半導体デバイスは劈開による、チップ分離が困難であり、レーザダイオード（LD）で必要とされる共振器端面を劈開で得ることが容易ではない。このため、現在はドライエッチングによる共振器端面形成や、あるいはサファイア基板を100μm以下の厚さまで研磨した後に、劈開に近い形での共振器端面形成を行っている。この場合にも従来のLDのような共振器端面とチップ分離を単一工程で、容易に行うことが不可能であり、工程の複雑化ひいてはコスト高につながる。
【０００５】
これらの問題を解決するためにGaN基板を用いることが切望されており、HVPE法（ハイドライド気相エピタキシャル成長法）を用いてGaAs基板やサファイア基板上に厚膜を形成し、後からこれら基板を除去する方法が、特許文献１（特開２０００−１２９００号公報）及び特許文献２（特開２００３−１７８９８４号公報）で提案されている。
またサファイア基板は熱伝導率（42W/m・K）が低いため、大出力用光デバイス、電子デバイスには適していない。GaN結晶の熱伝導率は130W/m・Kであり、こうした点からもGaN基板はサファイア基板に比較して優れている。
【０００６】
しかしながら、一層の高出力化を図るために、より高い熱伝導率の基板材料が望まれている。
非特許文献１（Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 41 (2002) Pt. 2, No. 12B, pp. L1434-1436）には、次のような工夫により、より高い熱伝導を実現している。
【０００７】
１．  先ず、サファイア基板上に、GaN層を介してAlGaN系のLED構造を形成し、表面にAu系電極を形成している。
２．  その後、Au系電極を介してCuWをLED構造に貼り付けている。
３．  この後に、KrFレーザを用いたレーザリフトオフ法によりサファイア基板を剥離する。
４．  更にGaN層を研磨により除去する。
５．  このGaNを除去したAlGaN系LEDの片面にTi-Al電極を形成する。
【０００８】
これにより、上下を逆にすることで結果的に、CuW基板の発光ダイオードを実現している（第三の従来技術）。
現在、紫色〜青色〜緑色光源として用いられているInGaAlN系（III族窒化物）デバイスは、主にサファイアあるいはSiC基板上に、MO-CVD法（有機金属化学気相成長法）やMBE法（分子線結晶成長法）等を用いた結晶成長により製作されている。
【０００９】
サファイアやSiCを基板として用いた場合の問題点としては、III族窒化物との熱膨張係数差や格子定数差が大きいことに起因する結晶欠陥が多くなることが挙げられる。このためにデバイス特性が悪い、例えば発光デバイスの寿命を長くすることが困難であったり、動作電力が大きくなったりするという欠点につながっている。
【００１０】
更に、サファイア基板の場合には絶縁性であるために、従来の発光デバイスのように基板側からの電極取り出しが不可能であり、結晶成長した窒化物半導体表面側からの電極取り出しが必要となる。その結果、デバイス面積が大きくなり、高コストにつながるという問題点がある。また、サファイア基板上に作製したIII族窒化物半導体デバイスは劈開による、チップ分離が困難であり、レーザダイオード（LD）で必要とされる共振器端面を劈開で得ることが容易ではない。このため、現在はドライエッチングによる共振器端面形成や、あるいはサファイア基板を100μm以下の厚さまで研磨した後に、劈開に近い形での共振器端面形成を行っている。この場合にも従来のLDのような共振器端面とチップ分離を単一工程で、容易に行うことが不可能であり、工程の複雑化ひいてはコスト高につながる。
【００１１】
CuWは熱伝導率が190W/m・Kとサファイア基板やGaN基板に比較して高いことから、より高出力の半導体デバイスに適している。しかし、この第三の従来技術の場合には、１から５の複雑な工程が必要であり、高コスト化につながる。
一方、これまで本発明者らは、アルカリ金属とIII族金属から構成する混合融液と、窒素を含むＶ族原料を反応させることで、高品質のIII族窒化物結晶を実現するために鋭意努力してきている（たとえば、これに関する発明として、特開２００１−０５８９００、特開２００１−０６４０９７、特開２００１−６４０９８、特開２００１―１０２３１６、特開２００１―１１９１０３、特開２００２―１２８５８６、特開２００２―１２８５８７、特開２００２−２０１１００、特開２００２−３２６８９８、特開２００２−３３８３９１、特開２００３−０１２４００、特開２００３−０８１６９６、特開２００３−１６０３９９、特開２００３−２３８２９６、特開２００３−２０６１９８、特開２００３−２１２６９６、米国特許第６５９２６３３号明細書において開示したフラックス法と呼ぶ方式である。）。
【特許文献１】特開２０００−１２９００号公報
【特許文献２】特開２００３−１７８９８４号公報
【非特許文献１】Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 41 (2002) Pt. 2, No. 12B, pp. L1434-1436
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の目的は、これまでに発明してきているフラックス法を更に発展させて、第一の従来技術、第二の従来技術より高品質で且つ一層放熱を良くする（熱導電率を高くする）ことを目的としている。更に、第三の従来技術で問題となる高コスト化につながらない、低コスト且つ高熱伝導率のIII族窒化物自立基板、III族窒化物半導体デバイス、半導体モジュール及びその製造方法を実現することである。
【００１３】
具体的には、請求項１の目的は、低コスト、高品質且つ高熱伝導率のIII族窒化物結晶を実現することである。
請求項２の目的は、低コスト、高品質且つ高熱伝導率のIII族窒化物結晶を実現することである。
請求項３の目的は、請求項２より低コストなIII族窒化物結晶を実現することである。
請求項４の目的は、請求項２、請求項３より低コスト、高品質且つ高熱伝導率のIII族窒化物結晶を実現することである。
請求項５の目的は、低コスト、高品質且つ高熱伝導率のIII族窒化物結晶を実現することである。
請求項６の目的は、請求項２または請求項３より一層、低コストなIII族窒化物結晶を実現することである。
請求項７の目的は、低コスト、高品質且つ高熱伝導率のIII族窒化物結晶を実現することである。
請求項８の目的は、低コスト、高品質且つ高熱伝導率のIII族窒化物半導体デバイスを実現することである。
請求項９の目的は、低コスト、高品質且つ高熱伝導率のIII族窒化物半導体モジュールを実現することである。
請求項１０の目的は、請求項９より更に高熱伝導率のIII族窒化物半導体モジュールを実現することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、上記したような目的を達成するためになされたものであって、具体的には、請求項１では、フラックスと少なくともIII族金属を含む混合融液と窒素とから、前記III族金属と前記窒素とを反応させて構成されるIII族窒化物を結晶成長させるIII族窒化物結晶成長方法において、前記III族窒化物を結晶成長させる界面に、III族金属またはフラックスの少なくとも１方の融液を充填することを特徴とする。
【００１５】
また請求項２では、請求項１記載のIII族窒化物結晶成長方法において、表面の材質がIII族窒化物により構成される基板の表面が凹凸形状であり、該基板表面上に前記方法によりIII族窒化物を結晶成長させることを特徴とする。
【００１６】
また請求項３では、請求項２記載のIII族窒化物結晶成長方法において、基板として前記方法によりIII族窒化物結晶の表面に凹凸形状を形成した該基板上に前記方法によりIII族窒化物を結晶成長させることを特徴とする。
【００１７】
また請求項４では、請求項２または請求項３に記載のIII族窒化物結晶成長方法において、III族窒化物を結晶成長させた後、III族窒化物結晶の表面に凹凸形状を形成した基板上にIII族窒化物を結晶成長させることを特徴とする。
【００１８】
また請求項５では、請求項１乃至請求項４記載のIII族窒化物結晶成長方法において、基板の垂直方向より面方向の成長速度を速く結晶成長させることを特徴とする。
【００１９】
また請求項６では、請求項３または請求項４記載のIII族窒化物結晶成長方法において、フラックス法による結晶成長工程および凹凸形状の形成工程を同一の反応容器内で行うことを特徴とする。
【００２０】
請求項７では、請求項１乃至請求項６に記載のIII族窒化物結晶成長方法を用いて成長したIII族窒化物結晶の発明に関する。
【００２１】
また請求項８では、請求項７記載のIII族窒化物結晶を基板として用いて作製したIII族窒化物半導体デバイスの発明に関する。
【００２２】
請求項９では、請求項８記載のIII族窒化物半導体デバイスを実装した半導体モジュールの発明に関する。
【００２３】
請求項１０では、請求項９記載の半導体モジュールの内、デバイスの側面に接する放熱用ヒートシンクを設けていることを特徴とする半導体モジュールの発明に関する。
【発明の効果】
【００２４】
請求項１では、反応容器内で、フラックスと少なくともIII族金属を含む物質とが混合融液を形成し、該混合融液と少なくとも窒素を含む物質とから、III族金属と窒素とから構成されるIII族窒化物を結晶成長させるIII族窒化物結晶成長方法（以下フラックス法と呼ぶ）において、III族窒化物を結晶成長させる界面に、III族金属あるいはフラックスあるいはIII族金属とフラックスの混合融液を充填することを特徴とするIII族窒化物結晶成長方法であることから、低コストで高品質且つ高熱伝導率であるIII族窒化物結晶の成長方法を実現することが出来る。
即ち、フラックス法で結晶成長する場合に、III族窒化物結晶の中に、高熱伝導率のIII族金属あるいはフラックスあるいはIII族金属とフラックスの混合融液が充填していることから、III族窒化物結晶中の結晶欠陥がこの凹部にて終端し、且つ結晶欠陥が熱伝導率の高いIII族窒化物結晶を実現することが可能となる。この結果、更に、第三の従来技術で述べたような複雑な工程が必要でなく、低コスト化につながる。
【００２５】
請求項２では、請求項１記載のIII族窒化物結晶成長方法において、表面の材質がIII族窒化物により構成される基板であって、該基板の表面が凹凸形状であり、該基板表面上にフラックス法によりIII族窒化物を結晶成長させることを特徴とするIII族窒化物結晶成長方法であることから、低コストで高品質且つ高熱伝導率であるIII族窒化物結晶の成長方法を実現することが出来る。
即ち、基板表面の凹部に混合融液を保持することが出来、その結果、基板中の結晶欠陥がこの凹部にて終端し、且つ混合融液の熱伝導率が高いために、放熱性の良いIII族窒化物結晶を実現することが可能となる。更に、第三の従来技術で述べたような複雑な工程が必要でなく、低コスト化につながる。
【００２６】
請求項３では、請求項２記載のIII族窒化物結晶成長方法において、基板としてフラックス法によりIII族窒化物結晶の表面に凹凸形状を形成したものを用いて、該基板上にフラックス法によりIII族窒化物を結晶成長させることを特徴とするIII族窒化物結晶成長方法であることから、低コストで高品質且つ高熱伝導率であるIII族窒化物結晶の成長方法を実現することが出来る。
即ち、フラックス法によりIII族窒化物結晶の表面に凹凸形状を形成出来、基板表面の凹部に混合融液を保持することで、基板中の結晶欠陥がこの凹部にて終端し、且つ混合融液の熱伝導率が高いために、放熱性の良いIII族窒化物結晶を実現することが可能となる。更に、第三の従来技術で述べたような複雑な工程が必要でなく、低コスト化につながる。
【００２７】
請求項４では、請求項２または請求項３記載のIII族窒化物結晶成長方法において、フラックス法によりIII族窒化物を結晶成長させた後、フラックス法によりIII族窒化物結晶の表面に凹凸形状を形成したものを基板として用いて、該基板上にフラックス法によりIII族窒化物を結晶成長させることを特徴とするIII族窒化物結晶成長方法であることから、低コストで高品質且つ高熱伝導率であるIII族窒化物結晶の成長方法を実現することが出来る。
即ち、フラックス法によりIII族窒化物を結晶成長させ、そのまま凹凸形状を形成出来、基板表面の凹部に混合融液を保持することで、基板中の結晶欠陥がこの凹部にて終端し、且つ混合融液の熱伝導率が高いために、放熱性の良いIII族窒化物結晶を実現することが可能となる。フラックス法により全て結晶成長させることで、より結晶欠陥の少ない高品質なIII族窒化物結晶を成長することが可能となる。更に、第三の従来技術で述べたような複雑な工程が必要でなく、低コスト化につながる。
【００２８】
請求項５では、請求項１乃至請求項４記載のIII族窒化物結晶成長方法において、基板の垂直方向より面方向の成長速度を速く結晶成長させることを特徴とするIII族窒化物結晶成長方法であることから、低コストで高品質且つ高熱伝導率であるIII族窒化物結晶の成長方法を実現することが出来る。
即ち、基板の垂直方向より面方向の成長速度を早く結晶成長させることにより、凹部を形成することが出来、混合融液をIII族窒化物結晶中に充填することが可能となる。この結果、基板中の結晶欠陥がこの凹部にて終端し、且つ混合融液の熱伝導率が高いために、放熱性の良いIII族窒化物結晶を実現することが可能となる。更に、第三の従来技術で述べたような複雑な工程が必要でなく、低コスト化につながる。
【００２９】
請求項６では、請求項２または請求項３記載のIII族窒化物結晶成長方法において、フラックス法による結晶成長工程および凹凸形状の形成工程を同一の反応容器内で行うことを特徴とするIII族窒化物結晶成長方法であることから、請求項２あるいは請求項３の作用効果に加えて、更に低コスト化が可能となる。
【００３０】
請求項７では、請求項１乃至請求項６に記載のIII族窒化物結晶成長方法を用いて成長したIII族窒化物結晶であることから、低コストで且つ高品質、高熱伝導率であるIII族窒化物結晶を実現することが出来る。
【００３１】
請求項８では、請求項７記載のIII族窒化物結晶を基板として用いて作製したIII族窒化物半導体デバイスであることから、低コストで且つ高品質、高熱伝導率であるIII族窒化物半導体デバイスを実現することが出来る。
即ち、低コストで且つ結晶欠陥が少なく（高品質）、高熱伝導率であるIII族窒化物結晶を基板として用いているため、大出力動作且つ長寿命のデバイスが低コストで実現することが出来る。
【００３２】
請求項９では、請求項８記載のIII族窒化物半導体デバイスを実装した半導体モジュールであることから、低コストで且つ高品質、高熱伝導率であるIII族窒化物半導体モジュールを実現することが出来る。
即ち、低コストで且つ結晶欠陥が少なく（高品質）、高熱伝導率であるIII族窒化物結晶デバイスを基板として用いているため、大出力動作且つ長寿命のデバイスが低コストで実現出来る。
【００３３】
請求項１０では、請求項９記載の半導体モジュールの内、デバイスの側面に接する放熱用ヒートシンクを設けていることを特徴とする半導体モジュールであることから、請求項９の作用効果に加えて、更に一層放熱特性の良いIII族窒化物半導体モジュールを実現することが可能となる。
即ち、低コストで且つ結晶欠陥が少なく（高品質）、高熱伝導率であるIII族窒化物結晶デバイスを基板として用いているため、大出力動作且つ長寿命のデバイスが低コストで実現出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
請求項１の発明は、反応容器内で、フラックスと少なくともIII族金属を含む物質とが混合融液を形成し、該混合融液と少なくとも窒素を含む物質とから、III族金属と窒素とから構成されるIII族窒化物を結晶成長させるIII族窒化物結晶成長方法（以下フラックス法と呼ぶ）において、III族窒化物を結晶成長させる界面に、III族金属あるいはフラックスあるいはIII族金属とフラックスの混合融液を充填することを特徴とするIII族窒化物結晶成長方法である。
本発明で言うフラックスとは、III族金属と窒素のみからIII族窒化物が形成する通常の反応温度、圧力よりも、低温、低圧で形成させることが可能な物質を指す。すなわちこのフラックスとしては、III族窒化物以外に、Li, Na, K等のアルカリ金属やアルカリ土類金属、あるいはそれらの混合物を使用可能である。
【００３５】
窒素を含む物質としては、窒素ガスや、アジ化化合物（たとえばアジ化ナトリウム、アジ化カリウムその他のアジ化化合物およびこれらの任意の混合物）、アンモニアなどの窒素を構成元素に含む化合物である。III族金属（III族化合物）としてはB, Ga, Al, In等が適応可能である。ここで硼素（B）は金属ではないが、III族窒化物としてBNを構成するIII族物質として、本発明においてはIII族金属という表現には、金属以外のIII族化合物をIII族金属ということがある。
【００３６】
また本発明で用いられる混合融液は、最初からフラックスと少なくともIII族金属を含む物質として準備されていても、あるいは結晶成長の過程でフラックスと少なくもIII族金属を含む物質を形成しても何れでも良い。
ここで言う界面とは、フラックス法によりIII族窒化物を結晶成長させるための基板と、フラックス法により成長させる結晶との境界領域、フラックス法でIII族窒化物を結晶成長させる場合の途中領域の何れでも適応可能である。即ち、フラックス法で結晶成長する場合に、III族窒化物結晶の中に、III族金属あるいはフラックスあるいはIII族金属とフラックスの混合融液が充填している。
【００３７】
請求項２記載の発明は、請求項１記載のIII族窒化物結晶成長方法において、表面の材質がIII族窒化物により構成される基板であって、該基板の表面が凹凸形状であり、該基板表面上にフラックス法によりIII族窒化物を結晶成長させることを特徴とするIII族窒化物結晶成長方法である。
ここでいう基板表面の凹凸は、その形成方法、凹凸の高さは特に規定すべきものでなく、フラックス法により基板上にIII族窒化物を成長させた際に、凹凸の隙間にフラックスあるいはフラックスを含む物質が充填できる程度の凹凸があれば適応可能である。
【００３８】
即ち、凹凸形状の基板上にフラックス法によりIII族窒化物を結晶成長させる。この時に、凹凸の隙間にIII族金属あるいはフラックスあるいはIII族金属とフラックスの混合融液を含む物質が充填することが可能となる。
【００３９】
請求項３の発明は、請求項２記載のIII族窒化物結晶成長方法において、基板としてフラックス法によりIII族窒化物結晶の表面に凹凸形状を形成したものを用いて、該基板上にフラックス法によりIII族窒化物を結晶成長させることを特徴とするIII族窒化物結晶成長方法である。
フラックス法によりIII族窒化物を結晶成長させた後、フラックス法によりIII族窒化物結晶の表面に凹凸形状を形成し、該III族窒化物結晶を請求項１記載の基板として用いて該基板上にフラックス法によりIII族窒化物を結晶成長させることを特徴とするIII族窒化物結晶成長方法である。
【００４０】
本発明では、請求項２の基板として、フラックス法により凹凸形状を形成したIII族窒化物結晶を用いるものである。即ち、フラックス法によりIII族窒化物表面に凹凸形状を形成し、それを基板として用いて更にフラックス法によりIII族窒化物結晶を成長させる。この時に、凹凸の隙間にIII族金属あるいはフラックスあるいはIII族金属とフラックスの混合融液を含む物質が充填される。
【００４１】
請求項４の発明は、請求項２または請求項３記載のIII族窒化物結晶成長方法において、フラックス法によりIII族窒化物を結晶成長させた後、フラックス法によりIII族窒化物結晶の表面に凹凸形状を形成したものを基板として用いて、該基板上にフラックス法によりIII族窒化物を結晶成長させることを特徴とするIII族窒化物結晶成長方法である。
本発明は請求項２または請求項３記載の基板として、フラックス法により作製したIII族窒化物結晶を用いるものである。即ち、フラックス法により表面に凹凸形状を有するIII族窒化物結晶を成長させ、それを基板として用いて更にフラックス法によりIII族窒化物結晶を成長させる。この時に、凹凸の隙間にIII族金属あるいはフラックスあるいはIII族金属とフラックスの混合融液を含む物質が充填される。
【００４２】
請求項４の発明は、請求項１乃至請求項４記載のIII族窒化物結晶成長方法において、基板の垂直方向より面方向の成長速度を速く結晶成長させることを特徴とするIII族窒化物結晶成長方法である。
基板の垂直方向とは基板に対して概ね垂直方向であり、基板の上方向へ結晶成長するという意味である。基板の面方向とは、基板に対して概ね水平方向のことである。垂直方向より面方向の成長速度が速いということは、基板を断面で見たときに、縦方向より横方向に結晶が成長し易いということである。
【００４３】
請求項６記載の発明は、請求項２または請求項３記載のIII族窒化物結晶成長方法において、フラックス法による結晶成長工程および凹凸形状の形成工程を同一の反応容器内で行うことを特徴とするIII族窒化物結晶成長方法である。
【００４４】
請求項７の発明は、請求項１乃至請求項６に記載のIII族窒化物結晶成長方法を用いて成長したIII族窒化物結晶である。
【００４５】
請求項８記載の発明は、請求項７記載のIII族窒化物結晶を基板として用いて作製したIII族窒化物半導体デバイスである。
【００４６】
請求項９記載の発明は、請求項８記載のIII族窒化物半導体デバイスを実装した半導体モジュールである。
【００４７】
請求項１０記載の発明は、請求項９記載の半導体モジュールの内、デバイスの側面に接する放熱用ヒートシンクを設けていることを特徴とする半導体モジュールである。
【実施例】
【００４８】
本発明を、さらに、以下の実施例により詳細に説明するが、これら実施例は、本発明の本の一部にすぎず、本発明は、これら実施例を含んだ技術的思想である。
【００４９】
[実施例１]
図１〜図３を用いて実施例１を説明する。この実施例１は、請求項１、請求項２、請求項５及び請求項７に関するものである。図１はフラックス法によるIII族窒化物結晶成長装置の断面図である。図２は凹凸形状を有する基板である。図３は図２の基板上に、図１の装置を用いて成長させたIII族窒化物結晶の断面図である。
【００５０】
第一の反応容器１０１の内側に第二の反応容器１１３があり、その間（第一の反応容器１０１の内側で、第二の反応容器１１３の外側）にIII族窒化物が結晶成長可能な温度に制御できるように加熱装置１０６が具備されている。第二の反応容器１１３の内側には、混合融液保持容器１０２が設置されている。混合融液保持容器１０２内には、少なくともIII族金属を含む物質としてのGaとアルカリ金属としてのNaから構成される混合融液１０３がある。混合融液保持容器１０２の上には蓋１０９がある。この混合融液保持容器１０２と蓋１０９の間には、気体が出入可能な程度の僅かな隙間がある。
この混合融液保持容器１０２の温度を検知する熱電対１１２が、第二の反応容器１１３内に設置されている。この熱電対１１２は加熱装置１０６に、温度のフィードバック制御が可能なように接続されている。
【００５１】
少なくとも窒素を含む物質としては、たとえば窒素ガスを用いる。窒素ガスは、ガス供給管１０４を通して、第一の反応容器１０１外に設置している窒素ガス容器１０７から、第一の反応容器内、及び第二の反応容器内の空間１０８に供給することが出来る。この窒素ガスの圧力を調整するために、圧力調整弁１０５が備えられている。反応容器内の窒素ガスの圧力を検知する圧力センサー１１１を設置している。このとき、第一の反応容器内と第二の反応容器内の、それぞれの圧力はほぼ同じ圧力で、且つ所定の圧力となるように、圧力センサー１１１は圧力調整弁１０５にフィードバックがかかるようになっている。
【００５２】
一方、図２に示す基板は、III族窒化物の一つであるGaN（窒化ガリウム）基板１１０である。このGaN基板１１０には凹部２０１と凸部２０２がある。また、GaN基板中には従来技術で述べた結晶欠陥２０３があり、結晶表面まで貫通している。このGaN基板１１０は、フラックス法で成長したものでも、あるいはVPEやMO-CVD等の他の手法で成長したものでも、何れでも良い。
この図２のGaN基板１１０上に、図１のフラックス法によるIII族窒化物結晶成長装置を用いて、GaN結晶を成長させる。図１の反応容器内の窒素圧力を4MPa、混合融液保持容器１０２の温度を775℃に設定し、混合融液１０３中のNaとGaの比率を４：６とする。混合融液中にGaN基板１１０を設置し、この状態でこれら温度、圧力を保持することでGaN基板１１０（第一のGaN結晶）上にGaN結晶が成長する。
【００５３】
このフラックス法により新たに成長したGaN結晶が、図３の第二のGaN結晶３０１である。即ち、GaN基板１１０上に第二のGaN結晶301が成長している。
このとき成長する第二のGaN結晶３０１は、GaN基板１１０の垂直方向（図の上方向）よりも基板の面方向（図の横方向）の方が、成長速度が速く成長する。この結果、基板凹部２０１を残したまま、第二のGaN結晶３０１を成長させることが可能となる。ここでGaN基板面はＣ面即ち（０００１）面であり、基板面に対する垂直方向は＜０００１＞方向である。
【００５４】
このとき、元々基板にあった凹部２０１には、III族金属原料であるGaとフラックスであるNaの混合融液が充填されている。
また、結晶欠陥２０３は基板凸部２０２では、新たに成長したGaN結晶表面まで貫通しているが、基板凹部２０１では充填された混合融液との界面で終端している。従って、新たにフラックス法で成長したGaN結晶表面では、結晶欠陥密度は低減している。
更に、混合融液が充填していることから、この領域での熱伝導率は高くなり、放熱特性が改善される。
【００５５】
このように凹凸形状の基板上に、フラックス法によりGaN結晶を成長させることで、低欠陥密度で且つ高熱伝導率である高品質なGaN結晶を、従来技術で述べた複雑な工程を経ることなく作製することが可能となる。即ち、低コストと高品質の両立が可能となる。
【００５６】
[実施例２]
図４〜６を用いて、実施例２を説明する。この実施例２は、請求項１、請求項２、請求項３、請求項５、請求項６及び請求項７に関するものである。
図４にはGaN基板４０１の断面を示している。このGaN基板４０１はMOVPE法やHVPE法等を用いて、厚膜成長したものであるが、特にその製造方法は特定するものではない。このGaN基板４０１には結晶欠陥４０２が結晶表面まで貫通している。
図１に示すフラックス法の装置を用いて、このGaN基板４０１表面に凹部５０１を形成する。図５にその断面を示す。図１の説明は第一の実施例で述べているので、ここでは割愛する。
先ず、図４のGaN基板４０１を図１の混合融液内に設置する。図１ではGaN結晶１１０が図示されているが、このGaN結晶１１０の代わりに図４のGaN基板４０１がある。
図１の装置を用いて、混合融液保持容器１０２の温度、窒素圧力を各々900℃、2MPaに設定する。この状態でGaN基板４０１を保持することで、図５に示すGaN結晶の凹部５０１を形成することが出来る。このGaN結晶の凹部５０１は結晶欠陥４０２に起因して発生する。
【００５７】
次に、混合融液保持容器１０２の温度、窒素圧力を各々775℃、6MPaとする。この状態で図５の凹部を有するGaN結晶を保持することで、その上にGaN結晶が成長する。図６にこのGaN結晶の断面を示す。図５の凹部５０１を有するGaN基板４０１上に、新たに成長した第二のGaN結晶６０１がある。
このとき成長する第二のGaN結晶６０１は、GaN基板１１０の垂直方向（図の上方向）よりも基板の面方向（図の横方向）の方が、成長速度が速く成長する。この結果、基板凹部５０１を残したまま、第二のGaN結晶６０１を成長させることが可能となる。ここでGaN基板面はＣ面即ち（０００１）面であり、基板面に対する垂直方向は＜０００１＞方向である。
このとき、元々基板にあった凹部５０１には、III族金属原料であるGaとフラックスであるNaの混合融液６０２が充填されている。
また、結晶欠陥４０２は基板凹部５０１に充填された混合融液６０２との界面で終端している。従って、新たにフラックス法で成長したGaN結晶表面では、結晶欠陥密度は低減している。
更に、混合融液が充填していることから、この領域での熱伝導率は高くなり、放熱特性が改善される。
【００５８】
このように凹凸形状の基板上に、フラックス法によりGaN結晶を成長させることで、低欠陥密度で且つ高熱伝導率である高品質なGaN結晶を、従来技術で述べた複雑な工程を経ることなく作製することが可能となる。即ち、低コストと高品質の両立が可能となる。
また、フラックス法の装置、手法を用いることでGaN結晶に凹凸形状を形成することが可能となり、同一の装置で凹凸形状形成、GaN結晶成長、混合融液充填を実現することが出来、低コスト、高品質化につながる。
【００５９】
[実施例３]
図７を用いて本発明の第三の実施例を説明する。この第三の実施例は請求項１、請求項２、請求項４、請求項５、請求項６及び請求項７に関するものである。
実施例１及び２で述べた図１のフラックス法によるIII族窒化物結晶成長装置を用いて結晶成長を行う。図１の説明は実施例１で述べているので、ここでは割愛する。
図７は本実施例により成長したGaN結晶の断面である。
先ず、図１のフラックス法の装置を用いて、第一のGaN結晶７０１を成長させる。この第一のGaN結晶７０１の成長条件は、図１の混合融液保持容器１０２の温度、窒素圧力を各々775℃、4MPaである。次に、混合融液保持容器１０２の温度を775℃とそのままで、窒素圧力を8MPaと高くする。こうすることで、第二のGaN結晶７０２が成長する。このとき、窒素圧力が高くなることで、GaN基板１１０の垂直方向（図の上方向）よりも基板の面方向（図の横方向）の方が、成長速度が速く成長する。この結果、一部GaN結晶が横方向に成長しない領域として凹部７０３を形成したまま、第二のGaN結晶７０２の上に、第三のGaN結晶７０４が成長することとなる。ここでGaN基板面はＣ面即ち（０００１）面であり、基板面に対する垂直方向は＜０００１＞方向である。
【００６０】
ここで、凹部７０３にはIII族金属原料であるGaとフラックスであるNaの混合融液６０２が充填されている。この混合融液が充填していることから、この領域での熱伝導率は高くなり、放熱特性が改善される。
また、フラックス法により成長したGaN結晶は、実施例１や実施例２で述べた他の手法により形成したGaN結晶に比較して、結晶欠陥は少ない。その結果、低欠陥密度で且つ高熱伝導率である高品質なGaN結晶を、従来技術で述べた複雑な工程を経ることなく作製することが可能となる。即ち、低コストと高品質の両立が可能となる。
また、フラックス法の装置、手法を用いることでGaN結晶に凹凸形状を形成することが可能となり、同一の装置で凹凸形状形成、GaN結晶成長、混合融液充填を実現することが出来、低コスト、高品質化につながる。
【００６１】
[実施例４]
図８を用いて本発明の第四の実施例を説明する。この第四の実施例は請求項８に関するものである。図８は本発明のIII族窒化物半導体デバイスの応用例である半導体レーザを斜視図である。
実施例１から３で説明した、結晶欠陥の密度が低く、且つ混合融液が凹部に充填したGaN基板８０１上に、GaN系薄膜８０２〜７０７を結晶成長させる。このとき、GaN基板８０１の内部には第一、第二及び第三の実施例で述べた混合融液８１１が充填されている。
GaN基板８０１の上に、順次、ｎ型AlGaN層８０２、ｎ型GaN層８０３、InGaN MQW（多重量子井戸）層８０４、ｐ型GaN層８０５、ｐ型AlGaN層８０６、ｐ型GaN層８０７が結晶成長されている。この結晶成長方法としては、MO-VPE（有機金属気相成長）法やMBE（分子線エピタキシー）法等の薄膜結晶成長方法を用いる。
【００６２】
このGaN系薄膜８０２〜８０７はMOVPE法やMBE法等の薄膜成長に適した方式であることから、ｐ型やｎ型の導電性制御、キャリア濃度制御、GaN, AlN, InNの混晶組成制御が可能であり、デバイス用薄膜を成長することが出来る。
結晶欠陥は前述したように、GaN結晶の凹部の混合融液との界面近傍で終端していることから、デバイス用薄膜８０２〜８０７の領域では非常に少ない。
このGaN、AlGaN、InGaNの積層膜にリッジ構造を形成し、SiO2絶縁膜８０８をコンタクト領域のみ穴開けした状態で形成し、上部及び下部に各々ｐ側オーミック電極Au/Ni ８０９及びn側オーミック電極Al/Ti ８１０を形成している。
【００６３】
この半導体レーザのｐ側オーミック電極Au/Ni ８０９及びｎ側オーミック電極Al/Ti ８１０から電流を注入することで、レーザ発振し、図の矢印方向にレーザ光が出射される。
この半導体レーザは本発明のGaN結晶を基板として用いているため、半導体レーザデバイス中の結晶欠陥が少なく、且つ混合融液８１１が基板内部にあるため放熱特性が良い。この結果、大出力動作且つ長寿命のデバイスが実現出来る。
また、GaN基板はｎ型であることから基板に直接電極を形成することが出来、従来のサファイア基板等の絶縁性基板を用いた場合の、ｐ側とｎ側の２つの電極を表面からのみ取り出すことが必要なく、低コスト化を図ることが可能となる。更に、光出射端面を劈開で形成することが可能となり、チップの分離と併せて、低コストで高品質なデバイスを実現することが出来る。
【００６４】
本実施例ではInGaN MQWを活性層としたが、AlGaN MQWを活性層として、発光波長の短波長化することも可能である。GaN基板の欠陥及び不純物が少ないことで、深い順位からの発光が少なくなり、短波長化しても高効率な発光デバイスが可能となる。
また、本実施例では光デバイスへの応用について述べたが、電子デバイスに応用することも本発明の適応範囲である。即ち、欠陥が少なく且つ放熱特性に優れたGaN基板を用いることで、その上にエピタキシャル成長したGaN系薄膜も結晶欠陥が少なく、その結果リーク電流を抑制出来、量子構造にした場合のキャリア閉じ込め効果を高めた状態で且つ大出力の高性能デバイスが実現可能となる。
【００６５】
[実施例５]
図９を用いて本発明の第五の実施例を説明する。この実施例５は、請求項９及び請求項１０に関するものである。図９は本発明のIII族窒化物半導体モジュールの斜視図である。
サブマウント９０１上に、本発明の請求項８のIII族窒化物半導体デバイス９０３が実装されている。このIII族窒化物半導体デバイス９０３には、図９で示すサブマウント９０１の面方向に、混合融液を充填している。
サブマウント９０１と概ね直交する方向に、ヒートシンク９０２が設置されている。このヒートシンク９０２とIII族窒化物半導体デバイス９０３の端面が接する位置に、各々実装している。
この状態で、III族窒化物半導体デバイス９０３が動作すると発熱するが、III族窒化物結晶内部の混合融液を通して、ヒートシンクに熱が伝導する。このとき、混合融液の熱伝導率が高いことから、効率的な放熱が可能となる。この結果、半導体デバイスの大出力動作が可能となる。
本実施例で述べたIII族窒化物半導体デバイスは発光ダイオードあるいは半導体レーザ等の光デバイスでも、電界効果トランジスタ等の電子デバイスの何れでも、大出力用半導体デバイスであれば適応可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】実施例１にかかるフラックス法の結晶成長装置を示す図である。
【図２】実施例１にかかるIII族窒化物結晶の断面図である。
【図３】実施例１にかかるIII族窒化物結晶の断面図である。
【図４】実施例２にかかるIII族窒化物結晶の断面図である。
【図５】実施例２にかかるIII族窒化物結晶の断面図である。
【図６】実施例２にかかるIII族窒化物結晶の断面図である。
【図７】実施例３にかかるIII族窒化物結晶の断面図である。
【図８】実施例４にかかるIII族窒化物半導体デバイスの斜視図である。
【図９】実施例５にかかるIII族窒化物半導体モジュールの斜視図である。
【符号の説明】
【００６７】
１０１    第一の反応容器
１０２    混合融液保持容器
１０３    混合融液
１０４    ガス供給管
１０５    窒素圧力調整弁
１０６    加熱装置
１０７    窒素ガス容器
１０８    反応容器内の空間
１０９    混合融液保持容器の蓋
１１０    GaN結晶
１１１    圧力センサー
１１２    熱電対
１１３    第二の反応容器
２０１    GaN基板の凹部
２０２    GaN基板の凸部
２０３    結晶欠陥（転位）
３０１    第二のGaN結晶
４０１    GaN基板
４０２    結晶欠陥（転位）
５０１    GaN結晶の凹部
６０１    第二のGaN結晶
６０２    混合融液
７０１    第一のGaN結晶
７０２    第二のGaN結晶
７０３    凹部
７０４    第三のGaN結晶
８０１    ｎ型GaN基板
８０２    ｎ型AlGaNクラッド層
８０３    ｎ型GaNガイド層
８０４    InGaN MQW活性層
８０５    ｐ型GaNガイド層
８０６    ｐ型AlGaNクラッド層
８０７    ｐ型GaNコンタクト層
８０８    SiO2絶縁膜
８０９    ｐ側オーミック電極
８１０    ｎ側オーミック電極
８１１    混合融液
９０１    サブマウント
９０２    ヒートシンク
９０３    III族窒化物半導体デバイス
【図１】
2006169024.tif 000003
【図２】
2006169024.tif 000004
【図３】
2006169024.tif 000005
【図４】
2006169024.tif 000006
【図５】
2006169024.tif 000007
【図６】
2006169024.tif 000008
【図７】
2006169024.tif 000009
【図８】
2006169024.tif 000010
【図９】
2006169024.tif 000011