(57)【要約】【課題】ｃ軸方向に１ｍｍ以上の厚さを有するＩＩＩ族窒化物半導体のバルク結晶を、スライスまたは研磨することにより、無極性面または半極性面からなる面を形成し、該面を平坦な表面となるように加工したＩＩＩ族窒化物半導体基板を提供する。【解決手段】平坦な無極性面あるいは半極性面薄膜を得るために必要な基板を提供することにより、ピエゾ電界の発生を抑制する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｃ軸方向に１ｍｍ以上の厚さを有するＩＩＩ族窒化物半導体のバルク結晶を、スライスまたは研磨することにより、無極性面または半極性面からなる面を形成し、該面を平坦な表面となるように加工したＩＩＩ族窒化物半導体基板。
【請求項２】
前記無極性面が、（１１−２０）面または（１０−１０）面であり、前記半極性面が、（１０−１−１）面、（１０−１−３）面、（１０−１１）面、（１０−１３）面または（１１−２２）面である、請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物半導体基板。
【請求項３】
無極性面または半極性面からなる前記面が、（１１―２２）面である、請求項１または２に記載のＩＩＩ族窒化物半導体基板。
【請求項４】
前記ＩＩＩ族窒化物半導体バルク結晶のｃ軸成長面をａｓ  ｇｒｏｗｎ面のままとして、無極性面あるいは半極性面からなる前記面を形成した、請求項１乃至３いずれかに記載のＩＩＩ族窒化物半導体基板。
【請求項５】
前記ＩＩＩ族窒化物半導体バルク結晶の（０００１）面、（０００−１）面、（１１−２０）面または（１０―１０）面に平坦面を加工した後、無極性面または半極性面からなる前記面を形成した、請求項１乃至４いずれかに記載のＩＩＩ族窒化物半導体基板。
【請求項６】
前記ＩＩＩ族窒化物半導体バルク結晶の成長面および裏面に対し、それぞれ、異なる外観を呈するように表面処理を施した後、無極性面または半極性面からなる前記面を形成した、請求項１乃至５いずれかに記載のＩＩＩ族窒化物半導体基板。
【請求項７】
無極性面または半極性面からなる前記面の表面粗さが、１μｍ×１μｍの範囲でＲＭＳ≦１ｎｍである、請求項１乃至６いずれかに記載のＩＩＩ族窒化物半導体基板。
【請求項８】
前記ＩＩＩ族窒化物半導体バルク結晶は、サファイアまたはＳｉＣからなる下地基板上にＩＩＩ族窒化物半導体を成長させた後、前記下地基板を除去して得られる自立基板である、請求項１乃至７いずれかに記載のＩＩＩ族窒化物半導体基板。
【請求項９】
前記ＩＩＩ族窒化物半導体バルク結晶は、ウルツ鉱型結晶である、請求項１乃至８いずれかに記載のＩＩＩ族窒化物半導体基板。
【請求項１０】
ｃ軸方向に１ｍｍ以上の厚さに成長させたＩＩＩ族窒化物半導体のバルク結晶をスライスまたは研磨し無極性面または半極性面からなる面を形成させる工程と、
該面を平坦な表面となるように加工する工程と、
を含むことを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体基板の製造方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載のＩＩＩ族窒化物半導体基板の製造方法において、
サファイアまたはＳｉＣからなる下地基板上にＩＩＩ族窒化物半導体を成長させる工程と、
前記下地基板を除去する工程と、
を含むことを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体基板の製造方法。
【請求項１２】
請求項１０または１１に記載のＩＩＩ族窒化物半導体基板の製造方法において、ＩＩＩ族窒化物半導体バルク結晶の成長面および裏面に対し、それぞれ異なる外観を呈するように表面処理を施した後、無極性面または半極性面からなる前記面を形成させる工程を含むことを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光や電子デバイスなどの基板として利用できるＩＩＩ族窒化物半導体基板及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）及びこれらの混晶である窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）等のＩＩＩ族窒化物系半導体材料は、禁制帯幅が大きく、バンド間遷移も直接遷移型であるため、短波長発光素子への適用が盛んに検討されている。この中で特にＩｎＧａＮはＩＩＩ族混晶組成比によってバンドギャップが近紫外（ＧａＮ：３．４ｅＶ）から赤外（ＩｎＮ：０．７ｅＶ）まで変化でき、可視域全体をカバー可能であるためＩｎＧａＮを発光層に用いたＬＥＤやＬＤが実用化されている。
【０００３】
現在主流の白色ＬＥＤはＩｎＧａＮを発光層に用いた青色ＬＥＤチップに、黄色発光のＹＡＧ蛍光体が組み合わされた構造となっており、従来の白色光源になかった超小型、超軽量、長寿命、容易駆動などの特徴があり、現在では、ほとんどの携帯電話の小型カラー液晶ディスプレイでバックライトとして使われるなど急速に普及してきている。
【０００４】
ＩｎＧａＮ系ＬＥＤはこれまでサファイア基板やＳｉＣ基板の（０００１）極性面上に作製されており、その効率は年々向上している。例えば、青色ＬＥＤの外部量子効率は約５０％に達し、それを用いた白色ＬＥＤの発光効率も１００ｌｍ／Ｗを超えるレベルに到達している。
【０００５】
しかしながらこのような高い発光効率が得られるのは、３６０ｎｍ域の紫外から、４００ｎｍ域の紫、および４６０ｎｍ域の青色までであり、５００ｎｍより長波長域では効率の低下が顕著となる。
【０００６】
特に深刻なのは、緑色（５３０ｎｍ域）で、青色の半分程度の効率となってしまい、現在、ＬＥＤの有望な用途として注目されている、青（ＩｎＧａＮ系）、緑（ＩｎＧａＮ系）、赤（ＡｌＧａＩｎＰ系）の三原色ＬＥＤをバックライトとした液晶ディスプレイの実用化を進める上で緑色ＬＥＤの効率向上は重要な課題となっている（非特許文献２、３）。
【０００７】
上記の問題点は、活性層として用いているＩｎＧａＮのＩｎ混晶組成を高くすることによって生じる現象である。このことは、（０００１）極性面上に作製されたＩｎＧａＮでは大きなピエゾ電界が生じ、活性層に注入した電子と正孔が引き離されるために発光遷移確率が低くなることが一つの大きな要因であることが明らかになってきている。これを解決するためにピエゾ電界が発生しない無極性面や半極性面に素子構造を作製することが提案され、特許文献１、２及び非特許文献１に示されるように活発に研究がなされてきた。
【特許文献１】特表２００６−５１０２２７
【特許文献２】特表２００６−５１４７８０
【非特許文献１】Ｍｉｔｓｕｒｕ  Ｆｕｎａｔｏ  ，  Ｍａｓａｙａ  Ｕｅｄａ，  Ｙｏｉｃｈｉ  Ｋａｗａｋａｍｉ  ，  Ｙｕｋｉｏ  Ｎａｒｕｋａｗａ  ，  Ｔａｋａｏ  Ｋｏｓｕｇｉ  ，  Ｍａｓａｙｏｓｈｉ  Ｔａｋａｈａｓｈｉ  ａｎｄ  Ｔａｋａｓｈｉ  Ｍｕｋａｉ"Ｂｌｕｅ，Ｇｒｅｅｎ，ａｎｄＡｍｂｅｒ  ＩｎＧａＮ／ＧａＮ  Ｌｉｇｈｔ−Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅｓ  ｏｎ  Ｓｅｍｉｐｏｌａｒ  ｛１１−２２｝  ＧａＮ  Ｂｕｌｋ  Ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ．"  ，  Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．ｖｏｌ．４５，Ｎｏ．２６，２００６，ｐｐ．Ｌ６５９−Ｌ６６２．
【非特許文献２】成川幸男、長濱慎一、玉置寛人、向井孝志、"ＧａＮ系発光素子を用いた高輝度白色光源の開発"、応用物理学会誌、Ｖｏｌ．７４、Ｎｏ．１１、ｐｐ１４２３−１４３２、（２００５）
【非特許文献３】渡辺智、"ＩｎＧａＮ系高出力ＬＥＤの現状と応用"、応用物理学会誌、Ｖｏｌ．７４、Ｎｏ．１１、ｐｐ．１４３７−１４４２、（２００５）
【非特許文献４】Ｔｒｏｙ  Ｊ．ＢＡＫＥＲ  ，  Ｂｅｎｊａｍｉｎ  Ａ．ＨＡＳＫＥＬＬ  ，  Ｆｅｎｇ  Ｗｕ  ，  Ｐａｕｌ  Ｔ．ＦＩＮＩ  ，  Ｊａｍｅｓ  Ｓ．ＳＰＥＣＫ  ａｎｄ  Ｓｈｕｊｉ  ＮＡＫＡＭＵＲＡ"Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｐｌａｎａｒ  Ｓｅｍｉｐｏｌａｒ  Ｇａｌｌｉｕｍ  Ｎｉｔｒｉｄｅ  Ｆｉｌｍｓ  ｏｎ  Ｓｐｉｎｅｌ  Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ．"  ，  Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．ｖｏｌ．４４，Ｎｏ．２９，２００５，ｐｐ．Ｌ９２０−Ｌ９２２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来、無極性面や半極性面にＩｎＧａＮ等のＩＩＩ族窒化物半導体を成長させる場合、下地基板に異種材料の基板を用いて、その上に所望の面方位を持ったＩＩＩ族窒化物半導体を成長させる。
【０００９】
例えば、特許文献１及び２にある様にｒ面（１−１０２）サファイア上に（１１−２０）ＧａＮを成長させたり、非特許文献４にある様に、下地基板にスピネル（ＭｇＡｌ２Ｏ４）を用いて（１００）ＭｇＡｌ２Ｏ４上に（１０−１−１）ＧａＮ、（１１０）ＭｇＡｌ２Ｏ４上に（１０―１―３）  ＧａＮを成長させたりしているが、これらの膜は非特許文献１に記述されているように異種基板上に成長させるために、高い転位密度を有し、またその成長自体が難しいために、成長条件の最適化が困難であり、原子レベルで平坦な膜は得られていないという問題を残している。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明によれば、ｃ軸方向に１ｍｍ以上の厚さを有するＩＩＩ族窒化物半導体のバルク結晶を、スライスまたは研磨することにより、無極性面または半極性面からなる面を形成し、該面を平坦な表面となるように加工したＩＩＩ族窒化物半導体基板が提供される。
【００１１】
無極性面は、例えば、（１１−２０）面または（１０−１０）面とし、半極性面は、（１０−１−１）面、（１０−１−３）面、（１０−１１）面、（１０−１３）面または（１１−２２）面とすることができる。さらに、無極性面又は半極性面の作製において、表面に対して垂直な結晶方位の傾きを±１°以内とすることもできる。これにより、エピタキシャル成長させた後のＬＥＤ系の作製において期待する無極性あるいは半極性の特性をもつデバイスが得られる。
【００１２】
上記基板において、ＩＩＩ族窒化物半導体バルク結晶のｃ軸成長面をａｓ  ｇｒｏｗｎ面のままとして作製しておいてもよい。また、上記基板は、ＩＩＩ族窒化物半導体バルク結晶の（０００１）面、（０００−１）面、（１１−２０）面または（１０―１０）面に平坦面を加工した後、無極性あるいは半極性基板を作製することができる。さらに、上記基板は、ＩＩＩ族窒化物半導体バルク結晶の成長面および裏面に対し、それぞれ、異なる外観を呈するように表面処理をしたものとしてもよい。
【００１３】
異なる外観を呈するとは、目視又は何らかの手段で識別できるものであれば、何でもよい。例えば、一方の面が平滑面、もう片方の面が粗面となるように表面処理したものは、異なる外観を呈するといえる。さらに例示すれば、一方の面が鏡面、もう片方の面が梨地面となるように処理したものであってもよい。これにより、基板の表と裏を判別するためのオリフラとして利用できる。
【００１４】
表面処理として、具体的に例を挙げれば、バルク基板のＧａ面側を鏡面、Ｎ面側を梨地面になるようにラッピングを行なう方法がある。こうすることにより、上下の方位の区別をつけることが可能になる。このとき、（１１−２２）の表と裏はＧａ面に対して鋭角の面が裏面、鈍角の面が表面（（１１−２１）面）となる。
【００１５】
上記基板において、無極性面または半極性面からなる面の表面粗さは、１μｍ×１μｍの範囲でＲＭＳ≦１ｎｍとすることができる。これにより、エピタキシャル成長させた後の平坦度を良好とすることができる。
【００１６】
上記基板は、サファイアまたはＳｉＣからなる下地基板上にＩＩＩ族窒化物半導体を成長させた後、下地基板を除去して得られる自立基板であってもよい。
【００１７】
ＩＩＩ族窒化物半導体バルク結晶は、ウルツ鉱型結晶であるＩＩＩ族窒化物半導体基板であってもよい。ウルツ鉱型結晶には、例えば、ＧａＮがある。
【００１８】
本発明によれば、下地に異種基板を用いずに所望の面方位を持つＩＩＩ族窒化物半導体基板上にエピタキシャル薄膜を成長させることが可能になり、膜質が向上する。
【００１９】
また、本発明によれば、ｃ軸方向に１ｍｍ以上の厚さに成長させたＩＩＩ族窒化物半導体のバルク結晶をスライスまたは研磨し、無極性面または半極性面からなる面を形成させる工程と、該面を平坦な表面となるように加工する工程とを含むことを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体基板の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、平坦な無極性面あるいは半極性面薄膜を得るために必要な基板が提供される。また、本発明によれば、平坦な無極性面あるいは半極性面薄膜を得るために必要な基板の製造方法を提供される。この基板を用いることにより、ピエゾ電界の発生を抑制したＩＩＩ族窒化物発光素子が実現される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の実施例について、図面を用いて説明する。
【００２２】
＜実施例１＞
ＨＶＰＥ法によりサファイア基板上にＧａＮの成長を行ない、ｃ軸方向に約３ｍｍ成長させたバルクＧａＮ結晶の写真を図１に示す。これを図２及び図３で示した（１１−２２）面の基板が得られるように、ｃ面からａ面（１１―２０）方向に５８．４°傾けてスライスした基板の写真を図６に示す。ここでＧａＮの各種面のミラー指数（ｈｋｉｌ）に対する回折角（２θ）を示した表を図４に示す。この表から（１１−２２）面の２θは約６９．１°となる。この表面の面指数を確認するためにＸＲＤ測定を行なったところ、図５に示す様に約６９．１°にピークが現れておりこの面が（１１−２２）面であることを確認した。
【００２３】
＜実施例２＞
次にこの（１１−２２）面の基板をダイヤ塗粒を用いてラッピング゛研磨を行ない、コロイダルシリカを用いてＣＭＰ研磨を行なった。表面の粗さは図７に示す様に１μｍ×１μｍの範囲でＲＭＳ＝０．１９ｎｍが得られた。
【００２４】
＜実施例３＞
実施例１で得られた（１１−２２）面の裏面（−１−１２−１）面を実施例１と同様に研磨した結果を図８に示す。１μｍ×１μｍの範囲でＲＭＳ＝０．１９ｎｍが得られた。
【００２５】
＜実施例４＞
ｃ軸方向に６〜８ｍｍ成長させたバルクＧａＮ自立基板を図９に示すように（１１−２２）基板として切出すときに、（０００２）Ｇａ面はａｓ  ｇｒｏｗｎ面で（０００２）Ｎ面が剥離面だとすると、図１０に示すような（１１−２２）基板として加工した場合、Ｇａ面側とＮ面側の判断がつきにくい。そこでこのバルク基板のＧａ面側を鏡面、Ｎ面側を梨地面になるようにラッピングを行なうと上下の方位の区別をつけられる（−Ｘ方向をＧａ面側、＋Ｘ方向をＮ面側）。（１１−２２）の表と裏はＧａ面に対して鋭角の面が裏面、鈍角の面が表面（（１１−２２））面となる。バルク結晶において（１１−２２）面の±Ｘの方向が決まると、それに垂直な方向（±Ｙ方向）は＜１０−１０＞と決められる。（１１−２２）面の表面に対して垂直な結晶方位の傾きをこの±Ｘ、Ｙ方向で測定した結果を図１１に示す。図１１（ａ）はこの基板のサイズを示す写真、図１１（ｂ）は（１１−２２）面に対して±Ｘ、Ｙ方向を示したスケッチである。ここで表面に対する結晶方位の傾きの絶対値は図１１（ｄ）に示すようにＸ、Ｙ方向へのベクトルの和となるため計算式としては√（（±Ｘ方向の傾き）２＋（±Ｙ方向の傾き）２）  となる。測定結果を図１１（ｃ）に示すがいずれも±１°以内であった。
【００２６】
以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】実施例１に係るバルクＧａＮ結晶の写真である。
【図２】実施例１に係る（１１−２２）面の基板を模式的に示した図である。
【図３】実施例１に係る（１１−２２）面の基板を模式的に示した図である。
【図４】実施例１に係るＧａＮの各種面のミラー指数（ｈｋｉｌ）に対する回折角（２θ）を示した表である。
【図５】実施例１に係るＸＲＤ測定結果を示した図である。
【図６】実施例１に係るスライスした基板を示した写真である。
【図７】実施例２に係る基板の表面の粗さを示した図である。
【図８】実施例３に係る基板の表面の粗さを示した図である。
【図９】実施例４に係る基板の切出しを示した図である。
【図１０】実施例４に係る基板を示した図である。
【図１１】（ａ）は実施例４に係る基板のサイズを示す写真である。（ｂ）は実施例４に係る（１１―２２）面に対して±Ｘ、Ｙ方向を示した図である。（ｃ）は実施例４に係る測定結果を示した表である。（ｄ）実施例４に係る結晶方位の傾きの絶対値を示した図である。
【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９】
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【図１０】
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【図１】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図１１】
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