(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
成長基板と、
前記成長基板の上に配置された２つ以上の化合物半導体層と、
前記化合物半導体層の間に配置された１つ以上の制御層と、
を含み、
前記化合物半導体層はGaNを含み、
前記制御層は、それぞれ２つ以上の制御対を包含し、
前記制御対は、それぞれ、
第１AlGaN層、前記第１AlGaN層上に配置されるAlN層及び前記AlN層上に配置される第２AlGaN層を含み、
前記AlN層のAlの濃度は、厚さ方向に沿って固定されており、前記第１AlGaN層及び前記第２AlGaN層のAlの濃度は、それぞれ厚さ方向に沿って変化しており、
隣接する第１制御対及び第２制御対では、前記第１制御対の第２AlGaN層が、前記第２制御対の第１AlGaN層に接し、
前記第１AlGaN層におけるAlの濃度は、前記AlN層に向かって線形的または非線形的に増加し、
前記第２AlGaN層におけるAlの濃度は、前記AlN層に向かって線形的または非線形的に増加する、ことを特徴とする半導体基板。
【請求項２】
前記成長基板と前記化合物半導体層との間に配置されるバッファ層をさらに含む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】
前記第１AlGaN層は、前記AlN層に接する第１区間と、前記第１区間の下に配置される第２区間に区分され、
前記第２区間において、Alの濃度が前記AlN層に向かって線形的に増加し、
前記第１区間において、Alの濃度が前記AlN層に向かって非線形的に増加す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４】
前記第２AlGaN層は、前記AlN層に接する第１区間と、前記第１区間の上に配置される第２区間に区分され、
前記第２区間において、Alの濃度が前記AlN層に向かって線形的に増加し、
前記第１区間において、Alの濃度が前記AlN層に向かって非線形的に増加す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５】
前記第１AlGaN層は、隣接する化合物半導体層と共通でGaNを含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体基板。
【請求項６】
前記第２AlGaN層は、隣接するもう１つの化合物半導体層と共通でGaNを含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体基板。
【請求項７】
前記AlN層は、ドーパントを含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体基板。
【請求項８】
前記ドーパントの濃度は、０.５E１８／cm３〜５E１９／cm３であることを特徴とする請求項７に記載の半導体基板。
【請求項９】
前記AlN層のドーパントの濃度は、前記成長基板から遠くなるほど大きくな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１０】
前記AlN層におけるAlの濃度は、前記第１AlGaN層または前記第２AlGaN層におけるAlの濃度より大きいことを特徴とする請求項１に記載の半導体基板。
【請求項１１】
前記AlGaN層におけるAlの濃度は、線形的にまたは段階的に変化することを特徴とする請求項１０に記載の半導体基板。
【請求項１２】
前記第１AlGaN層、前記AlN層及び前記第２AlGaN層におけるAlGaNの濃度は、M形状を有す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１３】
前記化合物半導体層のうちの最上層は、導電型半導体層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１４】
前記導電型半導体層の厚さは、２μm〜６μmであることを特徴とする請求項１３に記載の半導体基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体基板及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
化合物半導体材質を利用した多様な電子素子が開発されている。電子素子としては、太陽電池、光検出器または発光素子が用いられる。このような電子素子は、成長基板とその上に形成される化合物半導体層間の格子定数、熱膨張係数または応力(strain)の差によって、さまざまな欠陥が発生することがある。
【０００３】
成長基板と化合物半導体層の間の格子定数の差によって、化合物半導体層に転位(dislocation)のような欠陥が発生し、究極的に化合物半導体層の結晶性が悪くなり、電子素子の電気的特性や光学的特性が低下する。
【０００４】
また、成長基板と化合物半導体層の間の格子定数の差及び熱膨張係数の差は、応力を引き起こす。すなわち、化合物半導体の成長時の収縮応力(compressive strain)と成長後常温への冷却時の引張応力(tensile strain)の均衡がくずれ、結局化合物半導体層にクラック(cracks)が発生したり成長基板が割れたりする。
【０００５】
このように、化合物半導体層にクラックが発生するので、太陽電池、光検出器または発光素子として実質的に機能する導電型半導体層の厚さを増大させることには限界がある。
【０００６】
これを解決するために、成長基板と化合物半導体層の間に、８００℃〜９００℃の低温で成長し、単一層からなる低温AlN層が設けられる。しかし、低温AlN層を設けても、依然として化合物半導体層の結晶性や応力が、満足できる程制御されていない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、結晶性を向上させることができる半導体基板を提供する。
【０００８】
また、本発明は、応力を制御して、クラックのような欠陥を防止できる半導体基板を提供する。
【０００９】
また、本発明は、応力を制御して、クラックや成長基板の割れを防止できる半導体基板を提供する。
【００１０】
また、本発明は、応力及び結晶性を制御して、導電型半導体層または非導電型半導体層の厚さを増大させることができる半導体基板を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の半導体基板は、成長基板と、前記成長基板の上に配置された１つまたは２つ以上の化合物半導体層と、前記化合物半導体層の間に配置された１つまたは２つ以上の制御層とを含み、前記制御層は、少なくともAlを含む多数の窒化物半導体層を含む。
【００１２】
本発明の半導体基板の製造方法は、成長基板を用意するステップと、前記成長基板の上に第１化合物半導体層を形成するステップと、前記第１化合物半導体層の上に、少なくともAlを含む多数の窒化物半導体層を含む制御層を形成するステップと、前記制御層の上に多数の第２化合物半導体層を形成するステップとを含み、前記多数の窒化物半導体層のうちの１つは、少なくとも０.１μmol以上のドーパントがドーピングされる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、成長基板と導電型半導体層との間に、これらより格子定数が小さい多数の窒化物半導体層を含む応力制御層を形成することで、導電型半導体層の収縮応力(compressive strain)を持続的に増加させ、導電型半導体層の厚さを増大させることができる。
【００１４】
また、本発明によれば、導電型半導体層の厚さが増大するので、このような増大した導電型半導体層に光抽出構造を形成し、光効率が増加した垂直型発光構造を製造することができる。
【００１５】
また、本発明によれば、応力を制御する応力制御層にドーピングして、収縮応力を減らすことで、過度な収縮応力によって導電型半導体層にクラックが発生したり基板が割れることを防止することができる。
【００１６】
また、本発明によれば、成長基板と導電型半導体層との間に１つまたは２つ以上の制御層が設けられることで、このような制御層によってその上に成長される導電型半導体層の結晶性が向上し、究極的に転位の発生が抑制される。
【００１７】
また、本発明によれば、１つまたは２つ以上の制御層によって収縮応力がより増加し、このような収縮応力が以降常温への冷却時に発生する引張応力と相殺され、平衡状態の成長基板が維持されるので、導電型半導体層にクラックが発生したり成長基板が割れたりすることを防止することができる。
【００１８】
また、本発明によれば、１つまたは２つ以上の制御層によって収縮応力がより増加するので、制御層の上に成長される導電型半導体層をクラックなしに最大限厚い厚さで成長させることができる。
【００１９】
また、本発明によれば、低温AlN層と比較して、少数の制御層で導電型半導体層を最大限厚い厚さで成長することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】第１実施例に係る半導体基板を示した断面図である。
【図２ａ】図１の応力制御層において、多数の窒化物半導体層の濃度分布を示した図面である。
【図２ｂ】図１の応力制御層において、多数の窒化物半導体層の濃度分布を示した図面である。
【図２ｃ】図１の応力制御層において、多数の窒化物半導体層の濃度分布を示した図面である。
【図２ｄ】図１の応力制御層において、多数の窒化物半導体層の濃度分布を示した図面である。
【図３】第１実施例に係る半導体基板の応力状態を示したグラフである。
【図４】第２実施例に係る半導体基板の応力状態を示したグラフである。
【図５】第３実施例に係る半導体基板の応力制御層を示した断面図である。
【図６】第４実施例に係る半導体基板の応力制御層を示した断面図である。
【図７】実施例に係る垂直型半導体素子の製造工程を示した断面図である。
【図８】実施例に係る垂直型半導体素子の製造工程を示した断面図である。
【図９】実施例に係る垂直型半導体素子の製造工程を示した断面図である。
【図１０】実施例に係る垂直型半導体素子の製造工程を示した断面図である。
【図１１】実施例に係る垂直型半導体素子の製造工程を示した断面図である。
【図１２】実施例に係る半導体基板を示した断面図である。
【図１３】第５実施例に係る制御層を示した断面図である。
【図１４】第６実施例に係る制御層を示した断面図である。
【図１５】第７実施例に係る制御層を示した断面図である。
【図１６】第８実施例に係る制御層を示した断面図である。
【図１７】第９実施例に係る制御層を示した断面図である。
【図１８】第１０実施例に係る制御層を示した断面図である。
【図１９】第１１実施例に係る制御層を示した断面図である。
【図２０】第１２実施例に係る制御層を示した断面図である。
【図２１】実施例に係る半導体基板において、Al、AlN及びAlGaNの濃度分布を示したグラフである。
【図２２】比較例及び図１２の実施例に係る結晶性を示したグラフである。
【図２３】比較例及び図１２の実施例に係る応力状態を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明の実施例の説明において、各構成要素の「上」または「下」に形成されると記載される場合、「上」または「下」は、２つの構成要素が相互直接接触、または１つ以上の他の構成要素が２つの構成要素の間に配置されて形成される場合も含む。また、「上」または「下」と表現される場合、１つの構成要素を基準として、上方方向だけでなく下方方向の意味も含むことができる。
【００２２】
図１は、第１実施例に係る半導体基板を示した断面図である。
【００２３】
図１に示すように、第１実施例に係る半導体基板は、成長基板１、バッファ層３、第１及び第２化合物半導体層５,１５、応力制御層１３及び導電型半導体層１７を含むことができる。
【００２４】
前記バッファ層３、前記第１及び第２化合物半導体層５,１５、前記応力制御層１３及び前記導電型半導体層１７は、ＩＩ−ＶＩ族またはＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材質からなることができるが、これに限定されるものではない。
【００２５】
本発明の半導体基板は、電子素子や半導体素子を製造するためのベース基板としての役割をすることができるが、これに限定されるものではない。
【００２６】
前記成長基板１と前記成長基板１の上に成長されるエピ層、例えば半導体素子の発光構造物の間には、熱膨張係数の差による応力が発生して成長基板が歪むことがあり、前記成長基板と前記エピ層の間の格子定数による転位(dislocation)のような欠陥が発生する可能性がある。前記発光構造物は、相互反対タイプの第１及び第２導電型半導体層と、これらの間に形成された活性層を含み、前記第１及び第２導電型半導体層から前記活性層に供給された第１及び第２キャリア、例えば電子と正孔の再結合によって光が生成される。
【００２７】
従って、前記成長基板１の上には、成長基板１が歪むことを防止したり転位のような欠陥を防止するための多数の層が形成される。
【００２８】
前記成長基板１は、サファイア(Al２O３)、SiC、Si、GaAs、GaN、ZnO、GaP、InP及びGeからなる群から選択される少なくとも１つからなることができる。
【００２９】
本発明の成長基板１は、Siを含むことができるが、これに限定されるものではない。前記バッファ層３は、前記成長基板１の上に形成される。前記バッファ層３は、前記成長基板１と前記エピ層の間の格子定数の差を緩和させるために形成される。前記バッファ層３は、AlN、AlGaN及びGaNのうちの少なくとも１つ、または、これらで構成された多重層からなることができるが、これに限定されるものではない。
【００３０】
前記バッファ層３の上に、第１及び第２化合物半導体層５,１５が形成される。前記第１及び第２化合物半導体層５,１５は、ドーパントを含んでもよく、含まなくてもよい。前記第１及び第２化合物半導体層５,１５は、GaNを含むことができるが、これに限定されるものではない。
【００３１】
第１実施例では、前記導電型半導体層１７の応力を制御する一方、前記導電型半導体層１７の厚さを、クラックのような欠陥がないように厚く形成できるようにするために、応力制御層１３が形成される。
【００３２】
前記応力制御層１３は、前記第１及び第２化合物半導体層５,１５の間に形成されるが、これに限定されるものではない。すなわち、前記第１化合物半導体層５の上に応力制御層１３が形成され、前記応力制御層１３の上に第２化合物半導体層１５が形成される。
【００３３】
別の実施例として、前記第１及び第２化合物半導体層５,１５のうちのいずれか１つの層、すなわち非導電型半導体層のみが形成され、前記化合物半導体層５の下または上に応力制御層１３が形成されるが、これに限定されるものではない。例えば、前記応力制御層１３が前記化合物半導体層５の下に形成される場合、前記応力制御層１３は前記バッファ層３と前記化合物半導体層５の間に形成される。例えば、前記応力制御層１３が前記化合物半導体層１５の上に形成される場合、前記応力制御層１３は前記化合物半導体層１５と前記導電型半導体層１７の間に形成される。
【００３４】
前記応力制御層１３は、多数の窒化物半導体層７,９,１１を含むことができる。例えば、前記応力制御層１３は、少なくとも最下層、最上層及びこれらの層の間に形成された中間層を含むことができる。すなわち、前記最下層は第１窒化物半導体層７と命名し、前記中間層は第２窒化物半導体層９と命名し、前記最上層は第３窒化物半導体層１１と命名することができる。前記第２窒化物半導体層９は、少なくとも１つ以上の層を含むことができるが、これに限定されるものではない。例えば、前記第１〜第３窒化物半導体層７,９,１１は、相互異なる化合物半導体材質からなることができる。また、前記１〜第３窒化物半導体層７,９,１１は、相互同じ化合物半導体材質からなることができる。例えば、前記第１〜第３窒化物半導体層７,９,１１は、少なくともAlを含む化合物半導体材質からなることができるが、これに限定されるものではない。前記第２窒化物半導体層９は、AlNを含むことができるが、これに限定されるものではない。すなわち、前記第２窒化物半導体層９は、Gaを含まなくてもよいが、これに限定されるものではない。
【００３５】
前記第１〜第３窒化物半導体層７,９,１１のそれぞれは、Al(１-x)GaxN(０≦x≦１)を含むことができるが、これに限定されるものではない。
【００３６】
xは、０.０５〜０.９５であることが好ましいが、これに限定されるものではない。xが０.０５以下である場合、Gaの含有量が大きくなるので、基板１が収縮応力(compressive srtain)を受けることになり、後工程による冷却(cool down)時に基板１の歪みが増加する問題がある。xが０.９５以上である場合、引張応力(tensile strain)が過大となり、後工程で導電型半導体層１７を成長させる場合、基板１が収縮応力を受けなくなってクラックが発生することがある。
【００３７】
図２ａ〜図２ｄに示すように、第１〜第３窒化物半導体層７,９,１１において、Gaの含有量は最小０％〜最大１００％であることが好ましいが、これに限定されるものではない。
【００３８】
例えば、前記第２窒化物半導体層９において、Gaの含有量は０％となるので、前記第２窒化物半導体層９は、AlNを含むことができる。前記第２窒化物半導体層９は、成長時間に関係なくGaを含まないAlNからなることができるが、これに限定されるものではない。
【００３９】
これに反し、図２ａ〜図２ｄに示すように、前記第１窒化物半導体層７のGaの濃度は、前記第１窒化物半導体層７の厚さまたは成長時間によって、１００％から０％へと線形的または非線形的に減少し、Alの濃度は、前記第１窒化物半導体層７の厚さまたは成長時間によって、０％から１００％へと線形的または非線形的に増加する。前記第１化合物半導体層５と前記第１窒化物半導体層７の境界において、前記第１化合物半導体層５及び前記第１窒化物半導体層７は、GaNを共通で含むことができる。
【００４０】
前記第３窒化物半導体層１１のGaの濃度は、前記第３窒化物半導体層１１の厚さまたは成長時間によって、０％から１００％へと線形的または非線形的に増加し、Alの濃度は、前記第３窒化物半導体層１１の厚さまたは成長時間によって、１００％から０％へと線形的または非線形的に減少する。前記第３窒化物半導体層１１と前記第２化合物半導体層１５の境界において、前記第３窒化物半導体層１１と前記第２化合物半導体層１５は、GaNを共通で含むことができる。
【００４１】
図２ｃに示すように、前記第１窒化物半導体層７または第３窒化物半導体層１１は、Alの濃度及びGaの濃度が、前記第１窒化物半導体層７または第３窒化物半導体層１１の厚さまたは成長時間によって、線形的に変化する区間と非線形的に変化する区間を両方とも含むことができるが、これに限定されるものではない。例えば、前記第１窒化物半導体層７の総成長時間の半分である第１区間の間、Alの濃度とGaの濃度は線形的に変化し、前記第１区間の次の第２区間の間、Alの濃度とGaの濃度は非線形的に変化する。
【００４２】
Alの濃度またはGaの濃度が非線形的に変化する場合、AlソースとGaソースが一定の割合で変化するように制御が可能であるので、変化が容易となる。
【００４３】
これに反し、Alの濃度またはGaの濃度が線形的に変化する場合、上記と比較して応力制御効果はより優れる。
【００４４】
図２ｄに示すように、前記第１窒化物半導体層７のAlの濃度が０％から第１濃度までのみ増加し、前記第２窒化物半導体層９のAlの濃度は第２濃度から０％に減少するが、これに限定されるものではない。前記第１及び第２一定濃度は、同一であってもよく、異なってもよいが、これに限定されるものではない。前記第１及び第２一定濃度は、５０％であることが好ましいが、これに限定されるものではない。
【００４５】
前記第１〜第３窒化物半導体層７,９,１１は、いかなるドーパントも含まなくてもよいが、これに限定されるものではない。
【００４６】
前記第１〜第３窒化物半導体層７,９,１１のそれぞれの厚さは、同一であってもよく、異なってもよいが、これに限定されるものではない。
【００４７】
前記第１及び第３窒化物半導体層７,１１は、相互同じ厚さを有することができるが、これに限定されるものではない。
【００４８】
前記第１及び第３窒化物半導体層７,１１の厚さは、前記第２窒化物半導体層９の厚さより厚くてもよく、薄くてもよいが、これに限定されるものではない。
【００４９】
前記第１〜第３窒化物半導体層７,９,１１の成長温度は、相互同一であってもよく、異なってもよい。
【００５０】
前記第１〜第３窒化物半導体層７,９,１１の成長温度は、前記第１及び第２化合物半導体層５,１５と類似する成長温度を有することができるが、これに限定されるものではない。
【００５１】
例えば、前記第１〜第３窒化物半導体層７,９,１１、そして前記第１及び第２化合物半導体層５,１５の成長温度は、１０００℃〜１２００℃であることが好ましいが、これに限定されるものではない。
【００５２】
例えば、前記第１及び第３窒化物半導体層７,１１の成長温度は、前記第２窒化物半導体層９の成長温度より高くすることができるが、これに限定されるものではない。
【００５３】
例えば、前記第１窒化物半導体層７の背面は、前記第１化合物半導体層５の上面と接し、前記第１窒化物半導体層７の上面は、前記第２窒化物半導体層９の背面と接するが、これに限定されるものではない。前記第１窒化物半導体層７は、前記第１化合物半導体層５と前記第２窒化物半導体層９の間の格子定数値を有することができるが、これに限定されるものではない。
【００５４】
例えば、前記第３窒化物半導体層１１の背面は、前記第２窒化物半導体層９の上面と接し、前記第３窒化物半導体層１１の上面は、前記第２化合物半導体層１５の背面と接するが、これに限定されるものではない。
【００５５】
前記第３窒化物半導体層１１は、前記第２窒化物半導体層９と前記第２化合物半導体層１５の間の格子定数値を有することができるが、これに限定されるものではない。
【００５６】
図３に示すように、第１実施例の応力制御層１３によって、前記導電型半導体層１７の収縮応力(compressive strain)を持続的に増加させることができる。
【００５７】
比較例は、バッファ層の上に低温(３００℃〜７００℃)で成長したAlNの単一層が用いられたものである。
【００５８】
このような場合、前記導電型半導体層１７において、歪み(curvature)が飽和(saturation)する時間が、比較例に比べて実施例で長くなり、これは、比較例に比べて実施例で収縮応力が増加することになることを意味する。このように、収縮応力が増加するほど、前記導電型半導体層１７の厚さをクラックなしにより厚く形成することができる。
【００５９】
このように、収縮応力をできるだけ増加させるのは、冷却時成長基板に作用する引張応力(tensile stress)に起因する。すなわち、前記成長基板の上に導電型半導体層１７を含む多数の層の高温成長が完了すると、成長基板及び多数の層の温度を常温へと減温させる冷却工程が行われる。このような場合、成長基板は引張応力が強く作用することになり、前記導電型半導体層１７にクラックのような欠陥が発生して、製品の収率が低下する問題が発生する。
【００６０】
例えば、引張応力を受ける時成長基板は、凹状(concave shape)に歪むことになり、収縮応力を受ける時成長基板は、凸状(convex shape)に歪むことになる。
【００６１】
このように、冷却工程によって成長基板が引張応力を受けるので、前記導電型半導体層１７を可能な限りクラックなしに厚く形成するためには、前記導電型半導体層１７で持続的に収縮応力値が増加するようにする必要がある。このような導電型半導体層１７での収縮応力値が増加するようにするために、実施例では多数の窒化物半導体層７,９,１１を含む応力制御層１３が形成される。
【００６２】
従って、第１実施例は、多数の窒化物半導体層７,９,１１を含む応力制御層１３によって、前記導電型半導体層１７での収縮応力値を持続的に増加させることで、冷却工程で成長基板１に引張応力がかかっても前記導電型半導体層１７にクラックが発生しないために、導電型半導体層１７の厚さを厚く形成することができる。
【００６３】
第１実施例の導電型半導体層１７の厚さは、２μm〜６μmであることが好ましいが、これに限定されるものではない。ここで、この厚さで成長した導電型半導体層１７は、クラックのような欠陥がないことを意味する。
【００６４】
一方、前記導電型半導体層１７は、ｎ型ドーパントを含むｎ型半導体層からなることができるが、これに限定されるものではない。前記ｎ型ドーパントでは、Si、Ge、Snなどを用いることができるが、これに限定されるものではない。
【００６５】
または、前記導電型半導体層１７は、いかなるドーパントも含まない非導電型半導体層からなることができるが、これに限定されるものではない。
【００６６】
または、前記応力制御層１３と前記導電型半導体層１７の間に、ドーパントを含まない少なくとも１つの非導電型半導体層が形成されるが、これに限定されるものではない。
【００６７】
一方、第２実施例によれば、前記応力制御層１３の第２窒化物半導体層９は、導電型半導体層１７の収縮応力を減らすためにｎ型ドーパントを含むことができるが、これに限定されるものではない。すなわち、前記応力制御層１３は、ｐ型ドーパントを含むこともできる。
【００６８】
前記ｎ型ドーパントでは、Si、Ge、Snなどを用いることができるが、これに限定されるものではない。前記ｐ型ドーパントでは、Mg、Zn、Ca、Sr、Baなどを用いることができるが、これに限定されるものではない。
【００６９】
このようなドーパントは、前記導電型半導体層１７に引張応力が増加するようにし、前記バッファ層３、前記第１及び第２化合物半導体層５,１５及び前記応力制御層１３の第１及び第３窒化物半導体層７,１１によって増加する収縮応力を緩和させる役割をすることができる。
【００７０】
前記ドーパントの濃度は、０.５E１８／cm３〜５E１９／cm３であることが好ましいが、これに限定されるものではない。０.５E１８／cm３は、導電型半導体層１７にかかる収縮応力を緩和させるための最小値であり、５E１９／cm３は、第２窒化物半導体層９にドーピングできる最大濃度である。
【００７１】
従って、前記導電型半導体層１７にかかる収縮応力を考慮して、前記ドーパントの濃度を調節することができる。
【００７２】
すなわち、第２実施例に係る応力制御層１３、具体的には第２窒化物半導体層９は、前記導電型半導体層１７に発生した過度な収縮応力によって前記導電型半導体層１７に発生し得るクラックを防止、及び成長基板１が割れることを防止するために、引張応力を発生させるだけでなく、ドーパントの濃度を調節して、引張応力の強度を調節することができる。
【００７３】
図４は、第２実施例に係る半導体基板の応力状態を示したグラフである。比較例は、応力制御層１３の第２窒化物半導体層９がSiドーパントを含んでいない場合を示す。
【００７４】
＃１は、前記応力制御層１３の第２窒化物半導体層９が、０.００５μmolのSiでドーピングされて成長したものを示す。＃２は、前記応力制御層１３の第２窒化物半導体層９が、０.０１μmolのSiでドーピングされて成長したものを示す。＃３は、前記応力制御層１３の第２窒化物半導体層９が、０.１μmolのSiでドーピングされて成長したものを示す。
【００７５】
図４に示すように、比較例の場合、導電型半導体層１７に収縮応力が最も大きくかかるので、後工程による冷却工程(cool down process)時に、導電型半導体層１７にクラックが発生したり成長基板１が割れる可能性がある。
【００７６】
＃１〜＃３から見られるように、前記応力制御層１３の第２窒化物半導体層９のSiの濃度が増加するほど、導電型半導体層１７にかかる収縮応力が減少する。
【００７７】
＃１と＃２は、相変らず導電型半導体層１７に収縮応力が大きくかかることになり、冷却工程時に成長基板１が割れる可能性がある。
【００７８】
しかし、＃３は、導電型半導体層１７に収縮応力が小さくかかることになり、冷却工程時に導電型半導体層１７にクラックがないだけでなく、成長基板１も割れることがない。また、成長基板１の歪みも殆どない平面状態(curvature=０)を維持することができる。
【００７９】
従って、前記応力制御層１３の第２窒化物半導体層９は、少なくとも０.１μmol以上のSiでドーピングできるが、これに限定されるものではない。
【００８０】
図５は、第３実施例に係る半導体基板の応力制御層を示した断面図である。
【００８１】
第３実施例は、応力制御層１３Aにおいて、多数の第１窒化物半導体層７_１、７_２、．．．、７_(n-１)、７_nと多数の第２窒化物半導体層９_１、９_２、．．．、９_(n-１)、９_nが交互に形成されること以外は、第１実施例と同一である。
【００８２】
図５に示すように、前記応力制御層１３Aは、多数の第１窒化物半導体層７_１、７_２、．．．、７_(n-１)、７_nと、前記第１窒化物半導体層７_１、７_２、．．．、７_(n-１)、７_nの間に形成される多数の第２窒化物半導体層９_１、９_２、．．．、９_(n-１)、９_nを含むことができる。
【００８３】
すなわち、前記第１化合物半導体層５と前記第２化合物半導体層１５の間に、第１窒化物半導体層７_１、７_２、．．．、７_(n-１)、７_nと第２窒化物半導体層９_１、９_２、．．．、９_(n-１)、９_nが交互に形成される。
【００８４】
前記応力制御層１３Aにおいて、最下層は第１窒化物半導体層７_１であり、最上層は第２窒化物半導体層９_nであるが、これに限定されるものではない。
【００８５】
前記最下層である第１窒化物半導体層７_１は、前記第１化合物半導体層５と接し、前記最上層である第２窒化物半導体層９_nは、前記第２化合物半導体層１５と接するが、これに限定されるものではない。
【００８６】
前記第１窒化物半導体層７_１、７_２、．．．、７_(n-１)、７_nは、Al(１-x)GaxN(０≦x≦１)を含み、前記第２窒化物半導体層９_１、９_２、．．．、９_(n-１)、９_nは、AlNを含むことができるが、これに限定されるものではない。前記第２窒化物半導体層９_１、９_２、．．．、９_(n-１)、９_nは、Gaを含まなくてもよいが、これに限定されるものではない。
【００８７】
前記第２窒化物半導体層９_１、９_２、．．．、９_(n-１)、９_nは、導電型半導体層１７の収縮応力を減らすために、ｎ型ドーパントまたはｐ型ドーパントを含むことができる。
【００８８】
前記ドーパントの濃度は、０.５E１８／cm３〜５E１９／cm３であることが好ましいが、これに限定されるものではない。
【００８９】
前記第２窒化物半導体層９_１、９_２、．．．、９_(n-１)、９_nのドーパントの濃度は、前記成長基板１側から前記導電型半導体層１７側に行くほど、線形的または非線形的に大きくなるが、これに限定されるものではない。このように、前記成長基板１側から前記導電型半導体層１７側に行くほど、前記第２窒化物半導体層９_１、９_２、．．．、９_(n-１)、９_nのドーパントの濃度が大きくなることで、前記導電型半導体層１７の収縮応力を滑らかに緩和させることができる。
【００９０】
図６は、第４実施例に係る半導体基板の応力制御層を示した断面図である。
【００９１】
第４実施例は、最下層と最上層がいずれも第１窒化物半導体層７_１、７_nであることを除いては、第２実施例と同一である。
【００９２】
図６に示すように、応力制御層１３Bは、多数の第１窒化物半導体層７_１、７_２、．．．、７_(n-２)、７_(n-１)、７_nと、前記第１窒化物半導体層７_１、７_２、．．．、７_(n-２)、７_(n-１)、７_nの間に形成される多数の第２窒化物半導体層９_１、９_２、．．．、９_(n-１)、９_nを含むことができる。
【００９３】
前記応力制御層１３Bにおいて、前記第１化合物半導体層５と接する最下層は第１窒化物半導体層７_１であり、前記第２化合物半導体層１５と接する最上層は第１窒化物半導体層７_nである。
【００９４】
前記第１窒化物半導体層７_１、７_２、．．．、７_(n-２)、７_(n-１)、７_nは、Al(１-x)GaxN(０≦x≦１)を含み、前記第２窒化物半導体層９_１、９_２、．．．、９_(n-１)、９_nは、AlNを含むことができるが、これに限定されるものではない。
【００９５】
前記第２窒化物半導体層９_１、９_２、．．．、９_(n-１)、９_nは、導電型半導体層１７の収縮応力を減らすために、ｎ型ドーパントまたはｐ型ドーパントを含むことができる。
【００９６】
前記第２窒化物半導体層９_１、９_２、．．．、９_(n-１)、９_nのドーパントの濃度は、前記成長基板１側から前記導電型半導体層１７側に行くほど、線形的または非線形的に大きくなるが、これに限定されるものではない。
【００９７】
図示されないが、第４実施例とは異なって、最下層と最上層の両方が第２窒化物半導体層９_１、９_nからなることができるが、これに限定されるものではない。
【００９８】
図示されないが、第４実施例とは異なって、最下層は第２窒化物半導体層９_１からなり、最上層は第１窒化物半導体層７_nからなることができるが、これに限定されるものではない。
【００９９】
図７〜図１１は、実施例に係る垂直型半導体素子の製造工程を示した断面図である。実施例に係る垂直型半導体素子は、第１〜第４実施例に係る半導体基板を用いて製造されるが、これに限定されるものではない。
【０１００】
図７に示すように、第１〜第４実施例に係る半導体基板が用意される。
【０１０１】
すなわち、前記成長基板１の上に、バッファ層３、第１化合物半導体層５、応力制御層１３、第２化合物半導体層１５及び導電型半導体層１７が形成される。
【０１０２】
前記応力制御層１３は、第１〜第３窒化物半導体層７,９,１１を含むことができる。前記第１〜第３窒化物半導体層はAlGaNを含み、前記第２窒化物半導体層９はAlNを含むことができるが、これに限定されるものではない。
【０１０３】
前記導電型半導体層１７は、第１導電型半導体層と命名することができる。前記第１導電型半導体層１７は、ｎ型ドーパントを含むｎ型半導体層からなることができる。前記第１導電型半導体層１７は、第１キャリア、すなわち電子を生成する導電層としての役割をするだけでなく、後工程による活性層１９の正孔が前記第２化合物半導体層１５に移って消失することを防止するための障壁層としての役割をすることができる。
【０１０４】
図８に示すように、前記第１導電型半導体層１７の上に活性層１９が形成され、前記活性層１９の上に第２導電型半導体層２１が形成される。
【０１０５】
前記活性層１９は、単一量子井戸、多重量子井戸構造(MQW)、量子ドット構造または量子線構造のうちいずれか１つを含むことができるが、これに限定されるものではない。
【０１０６】
前記活性層１９は、前記第１導電型半導体層１７から供給された電子と前記第２導電型半導体層２１から供給された正孔を再結合(recombination)させ、前記活性層１９の半導体材質によって決定されたバンドギャップに相応する波長の光を生成することができる。
【０１０７】
前記第２導電型半導体層２１は、ｐ型ドーパントを含むｐ型半導体層からなることができる。前記第１導電型半導体層１７、前記活性層１９及び前記第２導電型半導体層２１は、光を生成する発光構造物２３を形成できるが、これに限定されるものではない。
【０１０８】
図９に示すように、前記第２導電型半導体層２１の上に電流遮断層２４が形成され、前記電流遮断層２４と前記第２導電型半導体層２１の上に電極層２５が形成され、前記電極層２５の上に接合層２７が形成され、前記接合層２７の上に伝導性支持基板２９が形成される。
【０１０９】
蒸着工程によって、前記接合層２７と前記伝導性支持基板２９は、前記電極層２５の上に順次形成される。
【０１１０】
または、前記伝導性支持基板２９の上に接合層２７が形成され、前記接合層２７を前記電極層２５と対向するように配置した後、ボンディング工程によって前記接合層２７を前記電極層２５に接合させることができる。
【０１１１】
前記電流遮断層２４は、後工程による電極と少なくとも一部が垂直方向に重なるように形成される。
【０１１２】
前記電流遮断層２４は、電極層２５より小さい面積を有し、パターンで形成された電極によって、電流が前記電極と前記電極に重畳する電極層２５の一部領域の間のみに集中的に流れることを妨害することができる。これによって、電流が前記電流遮断層２４の周辺に分散して流れるように制御されるので、活性層１９の全領域に均一に電流が流れることになり、光の効率を増加させることができる。
【０１１３】
前記電流遮断層２４は、絶縁物質或いは電極層２５より電気伝導度が小さい導電性物質からなることができるが、これに限定されるものではない。
【０１１４】
前記絶縁物質としては、例えば、SiO２、SiOx、SiOxNy、Si３N４及びAl２O３からなる群から選択される少なくとも１つを用いることができるが、これに限定されるものではない。
【０１１５】
前記導電性物質としては、例えば、ITO、IZO、IZTO、IAZO、IGZO、IGTO、AZO、ATO及びZnOからなる群から選択される少なくとも１つを用いることができるが、これに限定されるものではない。
【０１１６】
前記電極層２５は、前記第２導電型半導体層に対してオーミックコンタクト(ohmic contact)を形成できるが、これに限定されるものではない。
【０１１７】
前記電極層２５は、前記活性層１９から生成された光を前方に反射させることができる反射物質からなることができるが、これに限定されるものではない。
【０１１８】
前記電極層２５が前記第２導電型半導体層２１に対してショットキーコンタクト(schottky contact)を形成する場合、前記電極層２５と前記第２導電型半導体層２１の間にオーミックコンタクト層が形成されるが、これに限定されるものではない。
【０１１９】
前記電極層２５は、電源を供給するための電極としての役割と、光を反射させることができる反射層としての役割及び電流をより容易に第２導電型半導体層２１に注入させることができるオーミックコンタクト層としての役割のうち、少なくとも１つ以上の役割をすることができるが、これに限定されるものではない。
【０１２０】
前記電極層２５は、オーミックコンタクト物質と反射物質が混合された単一層または多重層を含むことができる。
【０１２１】
前記反射物質としては、Ag、Ni、Al、Rh、Pd、Ir、Ru、Mg、Zn、Pt、Au及びHfからなる群から選択される少なくとも１つまたは２つ以上の合金を用いることができるが、これに限定されるものではない。前記オーミックコンタクト物質としては、伝導性物質及び／または金属物質を選択的に用いることができる。すなわち、前記オーミックコンタクト物質としては、ITO(indium tin oxide)、IZO(indium zinc oxide)、IZTO(indium zinc tin oxide)、IAZO(indium aluminum zinc oxide)、IGZO(indium gallium zinc oxide)、IGTO(indium gallium tin oxide)、AZO(aluminum zinc oxide)、ATO(antimony tin oxide)、GZO(gallium zinc oxide)、IrOx、RuOx、RuOx／ITO、Ni、Ag、Ni／IrOx／Au、及びNi／IrOx／Au／ITOからなる群から選択される少なくとも１つを用いることができる。
【０１２２】
前記接合層２７は、前記支持基板と前記電極層２５の間の接着力を強化するために形成される。前記接合層２７は、例えば、Ti、Au、Sn、Ni、Nb、Cr、Ga、In、Bi、Cu、Ag及びTaからなる群から選択される少なくとも１つを含むことができる。
【０１２３】
前記伝導性支持基板２９は、その上に形成される複数の層を支持するだけでなく、電極としての機能を有することができる。前記伝導性支持基板２９は、前記電極と共に前記発光構造物２３に電源を供給することができる。前記伝導性支持基板２９は、例えば、チタン(Ti)、クロム(Cr)、ニッケル(Ni)、アルミニウム(Al)、白金(Pt)、金(Au)、タングステン(W)、銅(Cu)、モリブデン(Mo)及び銅-タングステン(Cu-W)のうちの少なくとも１つを含むことができる。
【０１２４】
前記支持基板は、前記発光構造物２３の上にメッキ及び／または蒸着することができ、シート形態に付着することもできるが、これに限定されるものではない。
【０１２５】
前記電極層２５、前記接合層２７及び前記伝導性支持基板２９は、電源を供給することができる電極構造物を形成できるが、これに限定されるものではない。
【０１２６】
図１０に示すように、前記成長基板１を１８０°引っくり返した後、前記成長基板１、前記バッファ層３、前記第１及び第２化合物半導体層５,１５及び前記応力制御層１３を除去することができる。
【０１２７】
前記成長基板１、前記バッファ層３、前記第１及び第２化合物半導体層５,１５及び前記応力制御層１３は、レーザーリフトオフ(LLO、Laser Lift Off)、化学的エッチング(CLO、Chemical Lift Off)または物理的研磨方法などによって除去することができるが、これに限定されるものではない。
【０１２８】
前記レーザーリフトオフ(LLO)方法では、前記第２化合物半導体層１５と前記第１導電型半導体層１７の間の界面にレーザーを集中的に照査して、前記第２化合物半導体層１５が前記ナノ構造物から分離するようにすることができる。
【０１２９】
前記化学的エッチング方法では、湿式エッチングを利用して前記第１導電型半導体層１７が露出するように、前記成長基板１、前記バッファ層３、前記第１及び第２化合物半導体層５,１５及び前記応力制御層１３を順次除去することができる。
【０１３０】
前記物理的研磨方法では、物理的に前記成長基板１、前記バッファ層３、前記第１及び第２化合物半導体層５,１５及び前記応力制御層１３を直接研磨して、前記第１導電型半導体層１７が露出するようにすることで、前記成長基板１、前記バッファ層３、前記第１及び第２化合物半導体層５,１５及び前記応力制御層１３を順次除去することができる。
【０１３１】
図１１に示すように、前記発光構造物２３の側面が傾斜して露出するように、メサエッチングを実施することができる。このようなメサエッチングによって、前記電極層２５の周辺領域上に発光構造物２３が存在しないグルーブ(groove)が形成される。
【０１３２】
少なくとも前記発光構造物２３の側面上に保護層３５が形成される。前記保護層３５は、異質物によって前記第１導電型半導体層１７、前記活性層１９及び前記第２導電型半導体層２１の間の電気的なショートを防止する役割をすることができる。
【０１３３】
前記保護層３５の下部は、前記電極層２５の周辺領域の上面と前記第２導電型半導体層２１の側面に接し、前記保護層３５の上部は、前記第１導電型半導体層１７の周辺領域の上面の一部領域に接するように形成されるが、これに限定されるものではない。
【０１３４】
前記保護層３５は、透明性と絶縁性に優れる材質からなることができる。前記第１保護層３５は、例えば、SiO２、SiOx、SiOxNy、Si３N４、TiO２及びAl２O３からなる群から選択された１つを含むことができるが、これに限定されるものではない。
【０１３５】
前記第１導電型半導体層１７の上に電極３１が形成される。前記電極３１は、不透明な金属物質で形成されるので、光の透過を妨害して光が上部方向に出射されることを妨害することができる。従って、前記第１導電型半導体層１７の上に可能な限り狭い面積を有する電極３１を形成して、光の出射を最小限に妨害することができる。従って、前記電極３１は、前記第１導電型半導体層１７の面積より小さいパターン形状に形成される。
【０１３６】
前記電極３１は、Au、Ti、Ni、Cu、Al、Cr、Ag及びPtからなる群から選択される少なくとも１つを含む単一層または多層構造に形成される。
【０１３７】
前記電極３１をマスクとしてエッチング工程を行って、前記電極３１が位置しない前記第１導電型半導体層１７の上に、ラフネス構造(roughness structure)を有する光抽出構造物３３を形成する。
【０１３８】
前記光抽出構造物３３は、前記活性層１９から生成されて前記第１導電型半導体層１７に進行した光を可能な限り外部に抽出させることで、光抽出効率が向上して究極的に光効率を増加させることができる。
【０１３９】
上述したように、実施例に係る半導体基板によって２μm〜６μmの厚さを有する第１導電型半導体層１７が形成され、前記第１導電型半導体層１７の上に光抽出構造物３３が形成される。従って、薄い厚さの第１導電型半導体層１７の上に光抽出構造物３３が形成されるとき、光抽出構造物３３によって活性層１９が露出されて素子不良による収率低下を防止することができる。
【０１４０】
第１〜第４実施例に係る半導体基板は、上述した垂直型半導体素子だけでなく、水平型半導体素子とフリップ型半導体素子にも適用できるが、これに限定されるものではない。
【０１４１】
図１２は、実施例に係る半導体基板を示した断面図である。図１２に示すように、実施例に係る半導体基板は、成長基板１、バッファ層３、１つまたは２つ以上の化合物半導体層５,２０,４０、１つまたは２つ以上の制御層１０,３０,５０及び導電型半導体層６０を含むことができる。
【０１４２】
前記化合物半導体層５,２０,４０、前記制御層１０,３０,５０及び前記導電型半導体層６０のうちの少なくとも１つ以上は、１０００℃〜１２００℃の高温で成長することができる。
【０１４３】
例えば、前記制御層１０,３０,５０は、１０００℃〜１２００℃の高温で成長することができる。前記制御層１０,３０,５０は、１０４０℃で成長することが好ましいが、これに限定されるものではない。
【０１４４】
前記バッファ層３、前記化合物半導体層５,２０,４０、前記制御層１０,３０,５０及び前記導電型半導体層６０は、ＩＩ−ＶＩ族またはＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材質からなることができるが、これに限定されるものではない。
【０１４５】
前記成長基板１は上述したことがあるので、その説明は省略する。前記バッファ層３は上述したことがあるので、以下では簡略に説明する。
【０１４６】
前記バッファ層３は、AlN、AlGaN及びGaNのうちの少なくとも１つ、または、これらで構成された多重層からなることができるが、これに限定されるものではない。
【０１４７】
前記成長基板１と前記導電型半導体層６０の間の格子定数値を有するAlGaNを含むバッファ層３が、前記成長基板１と前記導電型半導体層６０の間に形成される。このようなバッファ層３が前記成長基板１と前記導電型半導体層６０の間の格子定数の差を緩和させるので、前記バッファ層３の上に成長される導電型半導体層６０の転位の発生可能性を減らすことができる。
【０１４８】
前記バッファ層３と前記導電型半導体層６０の間に、１つまたは２つ以上の化合物半導体層５,２０,４０と、１つまたは２つ以上の制御層１０,３０,５０が成長される。
【０１４９】
前記バッファ層３と前記導電型半導体層６０の間に、化合物半導体層５,２０,４０と制御層１０,３０,５０が交互に形成される。
【０１５０】
例えば、前記バッファ層３と前記導電型半導体層６０の間に、第１〜第３化合物半導体層５,２０,４０と第１〜第３制御層１０,３０,５０を交互に形成できるが、これに限定されるものではない。
【０１５１】
例えば、前記バッファ層３の上に第１化合物半導体層５が成長され、前記第１化合物半導体層５の上に第１制御層１０が成長され、前記第１制御層１０の上に第２化合物半導体層２０が成長され、前記第２化合物半導体層２０の上に第２制御層３０が成長される。
【０１５２】
続いて、前記第２制御層３０の上に第３化合物半導体層４０が成長され、前記第３化合物半導体層４０の上に第３制御層５０が成長され、前記第３制御層５０の上に前記導電型半導体層６０が成長される。
【０１５３】
例えば、前記第１化合物半導体層５は前記バッファ層３に接し、前記第３制御層５０は前記導電型半導体層６０に接するが、これに限定されるものではない。
【０１５４】
前記第１〜第３化合物半導体層５,２０,４０は、GaNからなることができるが、これに限定されるものではない。前記第１〜第３化合物半導体層５,２０,４０は、ドーパントを含まない非導電型(non-conductive type)半導体層やドーパントを含む導電型半導体層からなることができるが、これに限定されるものではない。
【０１５５】
前記第１〜第３化合物半導体層５,２０,４０は、相互同じ厚さを有してもよく相互異なる厚さを有してもよい。前記第１〜第３制御層１０,３０,５０のそれぞれは、多数の層を含むことができる。
【０１５６】
例えば、図１３に示すように、第１実施例に係る前記第１〜第３制御層１０,３０,５０のそれぞれは、第１及び第２AlGaN層３２,３６と、前記第１及び第２AlGaN層３２,３６の間に形成されたAlN層３４を含むことができる。
【０１５７】
前記第１AlGaN層３２は、前記１〜第３化合物半導体層５,２０,４０のそれぞれの上面に接し、前記第２AlGaN層３６は、前記第２及び第３化合物半導体層２０,４０及び前記導電型半導体層６０のそれぞれの背面に接することができる。
【０１５８】
前記AlN層３４の背面は、前記第１AlGaN層３２の上面と接し、前記AlN層３４の上面は、前記第２AlGaN層３６の背面に接することができる。
【０１５９】
例えば、図１４に示すように、第２実施例に係る前記第１〜第３制御層１０,３０,５０のそれぞれは、AlN層３４と第２AlGaN層３６を含むことができる。
【０１６０】
第２実施例は、第１実施例では第１AlGaN層３２を除去したものである。すなわち、第２実施例で、前記AlN層３４は、前記第１〜第３化合物半導体層５,２０,４０のそれぞれの上面に直接接することができる。
【０１６１】
例えば、図１５に示すように、第３実施例に係る前記第１〜第３制御層１０,３０,５０のそれぞれは、第１AlGaN層３２とAlN層３４を含むことができる。
【０１６２】
第３実施例は、第１実施例での第２AlGaN層３６を除去したものである。すなわち、第３実施例で、前記AlN層３４は、前記第２及び第３化合物半導体層２０,４０及び前記導電型半導体層６０のそれぞれの背面に直接接することができる。
【０１６３】
例えば、図１６に示すように、第４実施例に係る前記第１〜第３制御層１０,３０,５０のそれぞれは、第１及び第２AlGaN層３２a、３６a、前記第１及び第２AlGaN層３２a、３６aの間に形成された第１AlN層３４a、第３及び第４AlGaN層３２b、３６b、前記第３及び第４AlGaN層３２b、３６bの間に形成された第２AlN層３４bを含むことができる。
【０１６４】
前記第１AlGaN層３２a、前記第１AlN層３４a及び前記第２AlGaN層３６aは、第１制御対を構成し、前記第３AlGaN層３２b、前記第２AlN層３４b及び前記第４AlGaN層３６bは、第２制御対を構成することができる。
【０１６５】
図面では第１及び第２制御対を図示しているが、第４実施例に係る第１〜第３制御層１０,３０,５０のそれぞれは、多数の制御対を含むことができ、これに限定されるものではない。
【０１６６】
前記第１AlGaN層３２aは、前記第１〜第３化合物半導体層５,２０,４０のそれぞれの上面と接し、前記第４AlGaN層３６bは、前記第２及び第３化合物半導体層２０,４０及び前記導電型半導体層６０のそれぞれの背面と接することができる。
【０１６７】
前記第２及び第３AlGaN層３６a、３２bは、相互直接接することができる。前記第２及び第３AlGaN層３６a、３２bは、相互異なるAlGaNの濃度を有することができるが、これに限定されるものではない。
【０１６８】
図２１に示すように、第３AlGaN層３２bでのAlGaNの濃度は、第２AlGaN層３６aでのAlGaNの濃度より大きい。
【０１６９】
前記第１及び第２AlGaN層３２a、３６aは、相互同一なAlGaNの濃度または相互異なるAlGaNの濃度を有することができる。例えば、前記第２AlGaN層３６aでのAlGaNの濃度は、前記第１AlGaN層３２aでのAlGaNの濃度と同一または大きいが、これに限定されるものではない。前記第２AlGaN層３６aでのAlGaNの濃度と前記第１AlGaN層３２aでのAlGaNの濃度の比は、１〜１.２であることが好ましいが、これに限定されるものではない。
【０１７０】
前記第３及び第４AlGaN層３２b、３６bは、相互同一なAlGaNの濃度または相互異なるAlGaNの濃度を有することができる。例えば、前記第４AlGaN層３６bでのAlGaNの濃度は、前記第３AlGaN層３２bでのAlGaNの濃度と同一または大きいが、これに限定されるものではない。前記第４AlGaN層３６bでのAlGaNの濃度と前記第３AlGaN層３２bでのAlGaNの濃度の比は、１〜１.２であることが好ましいが、これに限定されるものではない。
【０１７１】
前記第１AlN層３４aにおけるAlの濃度は、前記第１及び第２AlGaN層３２a、３６aにおけるAlの濃度より大きく、前記第２AlN層３４bにおけるAlの濃度は、前記第３及び第４AlGaN層３２b、３６bにおけるAlの濃度より大きい。
【０１７２】
前記第１〜第４AlGaN層３２a、３６a、３２b、３６bのそれぞれにおいて、Alの濃度は線形的にまたは階段式に変化できるが、これに限定されるものではない。
【０１７３】
例えば、第１AlGaN層３２aの背面から上面に行くほど、Alの濃度は線形的にまたは階段式に増加し、前記第２AlGaN層３６aの背面から上面に行くほど、Alの濃度は線形的にまたは階段式に減少する。
【０１７４】
例えば、第３AlGaN層３２bの背面から上面に行くほど、Alの濃度は線形的にまたは階段式に増加し、前記第４AlGaN層３６bの背面から上面に行くほど、Alの濃度は線形的にまたは階段式に減少する。
【０１７５】
前記第１AlN層３４aと第２AlN層３４bにおいて、Alの濃度は飽和状態が維持される。これに反し、AlGaNの濃度は、前記第１及び第２AlGaN層３２a、３６aよりも前記第１AlN層３４aにおいてより小さくなり、前記第３及び第４AlGaN層３２b、３６bよりも前記第２AlN層３４bにおいてより小さくなる。
【０１７６】
AlGaNの濃度を見れば、第１及び第２AlGaN層３２a、３６aは第１AlN層３４aより大きく、第３及び第４AlGaN層３２b、３６bは第２AlN層３４bより大きい。
【０１７７】
従って、第１AlGaN層３２a、第１AlN層３４a及び第２AlGaN層３６aから構成された第１制御対においてAlGaNの濃度はM形状を有し、第３AlGaN層３２b、第２AlN層３４b及び第４AlGaN層３６bから構成された第２制御対において、AlGaNの濃度はM形状を有することができる。
【０１７８】
第４実施例で、第１及び第２制御対それぞれに分布したM形状のAlGaN濃度は、第１実施例の第１AlGaN層３２、AlN層３４及び第２AlGaN層３６にも同一に分布する。
【０１７９】
例えば、図１７に示すように、第５実施例に係る前記第１〜第３制御層１０,３０,５０のそれぞれは、第１AlGaN層３２a、第１AlN層３４a、第２AlN層３４b及び第４AlGaN層３６bを含むことができる。
【０１８０】
第５実施例は、第４実施例での第２AlGaN層３６aと第３AlGaN層３２bを除去したものである。すなわち、前記第１AlN層３４aと前記第２AlN層３４bは、相互接することができる。
【０１８１】
前記第１AlGaN層３２a、前記第１AlN層３４a、前記第２AlN層３４b及び前記第４AlGaN層３６bにおいて、AlGaNの濃度はM形状を有することができる。すなわち、AlGaNの濃度は、前記第１AlN層３４a及び前記第２AlN層３４bよりも前記第１AlGaN層３２a及び前記第４AlGaN３６bにおいてより大きい。
【０１８２】
例えば、図１８に示すように、第６実施例に係る前記第１〜第３制御層１０,３０,５０のそれぞれは、第１AlGaN層３２a、第１AlN層３４a、第２AlGaN層３６a及び第３AlGaN層３２bのうちの１つのAlGaN層、第２AlN層３４b及び第４AlGaN層３６bを含むことができる。
【０１８３】
第６実施例は、第４実施例での前記第２AlGaN層３６a及び第３AlGaN層３２bのうちの１つのAlGaN層のみを用いるものである。前記第２AlGaN層３６a及び前記第３AlGaN層３２bは、相互異なるAlGaNの濃度を有することができるが、これに限定されるものではない。
【０１８４】
例えば、第１制御対の最上層と第２制御対の最下層において、前記第２及び第３AlGaN層３６a、３２bのうちの１つのAlGaN層が共通で用いられる。
【０１８５】
このような場合、前記１つのAlGaN層(３６bまたは３２b)のAlGaNの濃度は、前記第１AlGaN層３２aのAlGaNの濃度より大きく、前記第４AlGaN層３６bの濃度より小さいが、これに限定されるものではない。
【０１８６】
例えば、図１９に示すように、第７実施例に係る前記第１〜第３制御層１０,３０,５０のそれぞれは、第１〜第３AlGaN層１０１a、１０１b、１０１cと第１及び第２AlN層１０３a、１０３bが交互に形成される。
【０１８７】
前記第１〜第３制御層１０,３０,５０のそれぞれの最下層は第１AlGaN層１０１aであり、最上層は第３AlGaN層１０１cである。すなわち、前記第１AlGaN層１０１aは、前記第１〜第３化合物半導体層５,２０,４０の上面に接し、前記第３AlGaN層１０１cは、前記第２及び第３化合物半導体層２０,４０及び前記導電型半導体層６０の背面に接することができる。
【０１８８】
これとは異なって、前記第１〜第３制御層１０,３０,５０のそれぞれの最下層及び最上層のうちの１つはAlGaN層であり、他の１つはAlN層であるが、これに限定されるものではない。
【０１８９】
前記第１〜第３AlGaN層１０１a、１０１b、１０１cでのAlGaNの濃度は、相互同一または異なる。例えば、前記第２AlGaN層１０１bでのAlGaNの濃度は、前記第１AlGaN層１０１aでのAlGaNの濃度より大きく、前記第３AlGaN層１０１cでのAlGaNの濃度は、前記第２AlGaN層１０１bでのAlGaNの濃度より大きい。
【０１９０】
前記第２AlN層１０３bでのAlGaNの濃度は、前記第１AlN層１０３aでのAlGaNの濃度より大きいが、これに限定されるものではない。
【０１９１】
前記第２AlN層１０３bにおけるAlの濃度は、前記第１AlN層１０３aにおけるAlの濃度より大きいが、これに限定されるものではない。   
【０１９２】
例えば、図２０に示すように、第８実施例に係る前記第１〜第３制御層１０,３０,５０のそれぞれは、第１〜第３AlN層１０３a、１０３b、１０３cと前記第１及び第２AlGaN層１０１a、１０１bが交互に形成される。
【０１９３】
前記第１〜第３制御層１０,３０,５０のそれぞれの最下層は第１AlN層１０３aであり、最上層は第３AlN層１０３cである。すなわち、前記第１AlN層１０３aは、前記第１〜第３化合物半導体層５,２０,４０の上面に接し、前記第３AlN層１０３cは、前記第２及び第３化合物半導体層２０,４０及び前記導電型半導体層６０の背面に接することができる。
【０１９４】
これとは異なって、前記第１〜第３制御層１０,３０,５０のそれぞれの最下層及び最上層のうちの１つはAlGaN層であり、他の１つはAlN層であるが、これに限定されるものではない。
【０１９５】
前記第１〜第３AlN層１０３a、１０３b、１０３cにおけるAlの濃度は、相互異なる。例えば、前記第２AlN層１０３bにおけるAlの濃度は、前記第１AlN層１０３aにおけるAlの濃度より大きく、前記第３AlN層１０３cにおけるAlの濃度は、前記第２AlN層１０３bにおけるAlの濃度より大きい。
【０１９６】
前記第２AlGaN層１０１bでのAlGaNの濃度は、前記第１AlGaN層１０１aでのAlGaNの濃度より大きいが、これに限定されるものではない。
【０１９７】
第１〜第８実施例で、第１〜第３AlGaN層のそれぞれは、Al(１-x)GaxN(０<x<１)を含むことができるが、これに限定されるものではない。
【０１９８】
前記第１〜第３制御層１０,３０,５０は、その上に成長される導電型半導体層６０の結晶性を向上させて転位の発生を抑制する一方、収縮応力を増加させて、以降常温への冷却時に発生する引張応力との相殺によって平衡状態の成長基板１が維持されるようにして、導電型半導体層６０にクラックが発生しないようにし、成長基板１が割れないようにすることができる。
【０１９９】
また、前記第１〜第３制御層１０,３０,５０によって収縮応力をより増加させることができるので、その上に成長される導電型半導体層６０がクラックなしに最大限厚い厚さで成長できる。
【０２００】
図１２に戻って、前記多数の化合物半導体層５,２０,４０のうちの最上層４０または、前記多数の制御層１０,３０,５０のうちの最上層５０の上に、導電型半導体層６０が成長される。
【０２０１】
前記導電型半導体層６０は、上述した実施例(図１)で説明しているので、その説明は省略する。
【０２０２】
図２２は、比較例及び図１２の実施例に係る結晶性を示したグラフである。比較例は、８００℃〜９００℃の低温で成長し、単一層からなる低温AlN層が成長され、その上に導電型半導体層が形成された場合、導電型半導体層の結晶性を呈する。
【０２０３】
実施例は、第１〜第８実施例のいずれか１つの実施例に係る制御層１０,３０,５０の上に導電型半導体層６０が成長された場合、導電型半導体層６０の結晶性を呈する。
【０２０４】
比較例の半値幅(FWHM)は１１３０[arcsec]である反面、実施例の半値幅は９００[arcsec]である。半値幅は、大きいほど結晶性が悪く、半値幅が小さいほど結晶性が優れることを示す。
【０２０５】
従って、実施例は比較例に比べて２３０[arcsec]だけ小さいので、比較例に比べて優れる結晶性を有することがわかる。
【０２０６】
結局、実施例のように、１つまたは２つ以上の制御層１０,３０,５０が成長基板１と導電型半導体層６０の間に形成されることで、導電型半導体層６０の結晶性が良くなることがわかる。
【０２０７】
図２３は、比較例及び図１２の実施例に係る応力状態を示したグラフである。比較例は、８００℃〜９００℃の低温で成長し、単一層からなる低温AlN層が成長され、その上に導電型半導体層が形成された場合、導電型半導体層の結晶性を呈する。
【０２０８】
図２３の実施例は、第１〜第８実施例のいずれか１つの実施例に係る制御層１０,３０,５０の上に導電型半導体層６０が成長された場合、導電型半導体層６０の結晶性を呈する。
【０２０９】
比較例は、導電型半導体層で収縮応力が(-)方向に増加せずに飽和する飽和領域が発生する。これに反し、実施例は、導電型半導体層６０で収縮応力が(-)方向にさらに増加する。すなわち、実施例は比較例に比べて収縮応力がより大きい。導電型半導体層を成長した後、常温への冷却時に引張応力を受けることになる。
【０２１０】
このとき、比較例では、冷却工程が進行されるにつれ引張応力が持続的に増加し、究極的に収縮応力よりも引張応力が大きくなることになり、導電型半導体層にクラックが発生したり成長基板１が割れることになる。比較例に係る半導体基板の表面に多数のクラックが発生することになる。
【０２１１】
実施例では、収縮応力が最大限大きくなった状態で維持された状態であるので、冷却工程が進行されるにつれ引張応力が持続的に増加しても、究極的に引張応力と収縮応力が相殺されることになる。従って、実施例では、導電型半導体層６０にいかなるクラックも発生することなく、成長基板１も割れなくなり、良質の半導体基板を得ることができる。実施例に係る半導体基板の表面には、クラックがなく、きれいな状態を維持することができる。
【０２１２】
比較例は、８００℃〜９００℃の低温で成長し、単一層からなる低温AlN層が成長され、その上に導電型半導体層が形成される。比較例では、１.４４μmの厚さの導電型半導体層が成長されることに反して、実施例では、２.２７μmの厚さの導電型半導体層６０が成長される。比較例の導電型半導体層の厚さと実施例の導電型半導体層６０の厚さは、クラックがない状態の最大厚さを意味する。
【０２１３】
従って、実施例は比較例に比べてクラックがなく、より大きい厚さを有する導電型半導体層を成長されることができることがわかる。
［付記］
［付記１］
成長基板と、
前記成長基板の上に配置された１つまたは２つ以上の化合物半導体層と、
前記化合物半導体層の間に配置された１つまたは２つ以上の制御層と、
を含み、
前記制御層は、少なくともAlを含む多数の窒化物半導体層を含むことを特徴とする半導体基板。
［付記２］
前記成長基板と前記化合物半導体層との間に配置されるバッファ層をさらに含むことを特徴とする付記１に記載の半導体基板。
［付記３］
前記多数の窒化物半導体層は、互いに異なる半導体材質を含むことを特徴とする付記１に記載の半導体基板。
［付記４］
前記多数の窒化物半導体層のうちの少なくとも１つの窒化物半導体層は、AlNを含むことを特徴とする付記３に記載の半導体基板。
［付記５］
前記制御層は、
AlGaNを含む第１及び第３窒化物半導体層と、
前記第１及び第３窒化物半導体層との間に配置され、AlNを含む第２窒化物半導体層と、を含むことを特徴とする付記１に記載の半導体基板。
［付記６］
前記第１及び第３窒化物半導体層のうちの少なくとも１つの窒化物半導体層において、Alの濃度は線形的または非線形的に変化することを特徴とする付記５に記載の半導体基板。
［付記７］
前記第１及び第３窒化物半導体層のうちの少なくとも１つの窒化物半導体層は、厚さ方向に沿って第１及び第２区間に区分され、
前記第１及び第２区間のうちの一方の区間において、Alの濃度が線形的に変化し、
前記第１及び第２区間のうちの他方の区間において、Alの濃度が非線形的に変化することを特徴とする付記５に記載の半導体基板。
［付記８］
前記第１窒化物半導体層は、隣接する化合物半導体層と共通でGaNを含むことを特徴とする付記５に記載の半導体基板。
［付記９］
前記第３窒化物半導体層は、隣接するもう１つの化合物半導体層と共通でGaNを含むことを特徴とする付記５に記載の半導体基板。
［付記１０］
前記第２窒化物半導体層は、ドーパントを含むことを特徴とする付記５に記載の半導体基板。
［付記１１］
前記ドーパントの濃度は、０.５E１８／cm３〜５E１９／cm３であることを特徴とする付記１０に記載の半導体基板。
［付記１２］
前記多数の窒化物半導体層のそれぞれは、Al(１-x)GaxN(０≦x≦１)を含むことを特徴とする付記１に記載の半導体基板。
［付記１３］
前記多数の窒化物半導体層のうちの少なくとも１つの窒化物半導体層において、xは０であることを特徴とする付記１２に記載の半導体基板。
［付記１４］
xは０.０５〜０.９５であることを特徴とする付記１２に記載の半導体基板。
［付記１５］
前記制御層は、
多数の第１窒化物半導体層と、
前記多数の第１窒化物半導体層の間に配置される多数の第２窒化物半導体層と、を含むことを特徴とする付記１に記載の半導体基板。
［付記１６］
前記第１及び第２窒化物半導体層のうちの最下層は、隣接する化合物半導体層に接し、
前記第１及び第２窒化物半導体層のうちの最上層は、隣接するもう１つの化合物半導体層に接することを特徴とする付記１５に記載の半導体基板。
［付記１７］
前記多数の第２窒化物半導体層のそれぞれは、AlNとドーパントを含むことを特徴とする付記１５に記載の半導体基板。
［付記１８］
前記多数の第２窒化物半導体層のそれぞれのドーパントの濃度は、前記成長基板から前記窒化物半導体層のうちの最上層の化合物半導体層に行くほど大きくなることを特徴とする付記１７に記載の半導体基板。
［付記１９］
前記制御層は、多数のAlN層と、前記AlN層と交互に配置される多数のAlGaN層と、を含むことを特徴とする付記１に記載の半導体基板。
［付記２０］
前記AlN層におけるAlの濃度は、前記AlGaN層におけるAlの濃度より大きく、
前記AlN層におけるAlの濃度は、変化することを特徴とする付記１９に記載の半導体基板。
［付記２１］
前記AlGaN層におけるAlの濃度は、線形的にまたは段階的に変化することを特徴とする付記２０に記載の半導体基板。
［付記２２］
前記AlGaN層は、
前記AlN層の下に配置される第１AlGaN層と、
前記AlN層の上に配置される第２AlGaN層と、を含むことを特徴とする半導体基板。
［付記２３］
前記第１AlGaN層、前記AlN層及び前記第２AlGaN層におけるAlGaNの濃度は、M形状を有することを特徴とする付記２２に記載の半導体基板。
［付記２４］
前記第１AlGaN層、前記AlN層及び前記第２AlGaN層を１つの制御対と定義し、
前記制御層は、二以上の制御対を含むことを特徴とする付記２２に記載の半導体基板。
［付記２５］
相互隣接する第１制御対のAlGaN層と第２制御対のAlGaN層は接することを特徴とする付記２４に記載の半導体基板。
［付記２６］
相互隣接する第１制御対のAlN層と第２制御対のAlN層は接することを特徴とする付記２４に記載の半導体基板。
［付記２７］
相互隣接する第１制御対の最上層及び第２制御対の最下層は、第１及び第２AlGaN層のうちの１つのAlGaN層を共通で含むことを特徴とする付記２４に記載の半導体基板。
［付記２８］
前記AlN層及びAlGaN層のうちの一方は最下層であり、他方は最上層であることを特徴とする付記１９に記載の半導体基板。
［付記２９］
前記化合物半導体層のうちの最上層は、導電型半導体層であることを特徴とする付記１に記載の半導体基板。
［付記３０］
前記導電型半導体層の厚さは、２μm〜６μmであることを特徴とする付記２９に記載の半導体基板。
［付記３１］
成長基板を用意するステップと、
前記成長基板の上に第１化合物半導体層を形成するステップと、
前記第１化合物半導体層の上に、少なくともAlを含む多数の窒化物半導体層を含む制御層を形成するステップと、
前記制御層の上に多数の第２化合物半導体層を形成するステップと、
を含み、
前記多数の窒化物半導体層のうちの１つは、少なくとも０.１μmol以上のドーパントが
ドーピングされることを特徴とする半導体基板の製造方法。
［付記３２］
前記多数の第２化合物半導体層のうちの最上層は、導電型半導体層であることを特徴と
する付記３１に記載の半導体基板の製造方法。
［付記３３］
前記ドーパントは、Siであることを特徴とする付記３１に記載の半導体基板の製造方法。
【産業上の利用可能性】
【０２１４】
本発明の半導体基板は、太陽電池や光検出器のような電子素子、または、光を生成する半導体素子に利用することができる。
【図１】
0006302485.tif 000002
【図２ａ】
0006302485.tif 000003
【図２ｂ】
0006302485.tif 000004
【図２ｃ】
0006302485.tif 000005
【図２ｄ】
0006302485.tif 000006
【図３】
0006302485.tif 000007
【図４】
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【図５】
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【図６】
0006302485.tif 000010
【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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