(57)【要約】【課題】 窒化物半導体薄膜及びその成長方法を提供する。【解決手段】  基板１００を部分的にエッチングして複数個の溝１１０を形成し、これら溝の内部に窒化物半導体の縦方向成長を妨害するレッグ部１２０を形成して、横方向に前記レッグ部１２０の上部を覆うように窒化物半導体薄膜を成長させると、高品質の窒化物半導体薄膜を成長させることができる。 【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板を部分的にエッチングして複数個の溝を基板上部に形成する段階と、
前記基板に形成されたそれぞれの溝の内部に窒化物半導体の縦方向成長を妨害するレッグ部を形成する段階と、
前記溝が形成されていない前記基板の上面にバッファ層を形成する段階と、
前記バッファ層の上部から横方向に前記レッグ部の上部を覆うように窒化物半導体薄膜を成長させる段階とから構成される窒化物半導体薄膜の成長方法。
【請求項２】
前記レッグ部は、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、ＴｉＯｘ及びＺｒＯｘの中から選ばれたいずれか一つの物質よりなる膜、またはそれらの積層膜で形成されることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体薄膜の成長方法。
【請求項３】
前記レッグ部は、Ａｇ、Ａｌ、Ｒｈ、Ｐｔ及びＰｄの中から選ばれたいずれか一つの物質よりなる膜、またはこれらの多層膜で形成されることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体薄膜の成長方法。
【請求項４】
前記バッファ層は、ＡｌＮ、ＧａＮ及びＡｌＩｎＮのうち、いずれか一つで形成されることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体薄膜の成長方法。
【請求項５】
前記基板は、サファイア基板、窒化ガリウム基板、シリコンカーバイド(ＳｉＣ)基板及びガリウム砒素(ＧａＡｓ)基板のうち、いずれか一つであることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体薄膜の成長方法。
【請求項６】
前記サファイア基板の上部に形成された溝の内部に存在するレッグ部の幅(Ｗ１)は、溝幅(Ｗ２)の１〜１００％であることを特徴とする請求項１、３、４のうち、いずれか１項に記載の窒化物半導体薄膜の成長方法。
【請求項７】
前記溝の内底面からレッグ部の上面までの高さ(Ｈ１)は、溝の内底面からサファイア基板の上面までの高さ(Ｈ２)の１〜１００％であることを特徴とする請求項１、３、４のうち、いずれか１項に記載の窒化物半導体薄膜の成長方法。
【請求項８】
上部に複数個の溝が形成されている基板と、
前記それぞれの溝の内部に窒化物半導体の縦方向成長を妨害するように形成されたレッグ部と、 
前記溝が形成されていない前記基板の上面に形成されたバッファ層と、
前記バッファ層の上部から横方向に、前記レッグ部の上部を覆うように成長した窒化物半導体薄膜とを含んで構成される窒化物半導体薄膜。
【請求項９】
前記レッグ部は、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、ＴｉＯｘ及びＺｒＯｘの中から選ばれた、いずれか一つの物質よりなる膜またはそれらの積層膜で形成されることを特徴とする請求項８に記載の窒化物半導体薄膜。
【請求項１０】
前記レッグ部は、Ａｇ、Ａｌ、Ｒｈ、Ｐｔ及びＰｄの中から選ばれた、いずれか一つの物質よりなる膜またはこれらの多層膜で形成されることを特徴とする請求項８に記載の窒化物半導体薄膜。
【請求項１１】
前記バッファ層は、ＡｌＮ、ＧａＮ及びＡｌＩｎＮのうち、いずれか一つで形成されることを特徴とする請求項８に記載の窒化物半導体薄膜。
【請求項１２】
前記基板は、サファイア基板、窒化ガリウム基板、シリコンカーバイド(ＳｉＣ)基板とガリウム砒素(ＧａＡｓ)基板のうち、いずれか一つであることを特徴とする請求項８に記載の窒化物半導体薄膜。
【請求項１３】
前記サファイア基板の上部に形成された溝の内部に存在するレッグ部の幅(Ｗ１)は、溝幅(Ｗ２)の１〜１００％であることを特徴とする請求項８、１０、１１のうち、いずれか１項に記載の窒化物半導体薄膜。
【請求項１４】
前記溝の内底面からレッグ部の上面までの高さ(Ｈ１)は、溝の内底面からサファイア基板の上面までの高さ(Ｈ２)の１〜１００％であることを特徴とする請求項８、１０、１１のうち、いずれか１項に記載の窒化物半導体薄膜。
【請求項１５】
前記バッファ層の総面積は、前記溝の総面積より大きいことを特徴とする請求項８に記載の窒化物半導体薄膜。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は窒化物半導体薄膜及びその成長方法に係り、さらに詳しくは基板を部分的にエッチングして複数個の溝を形成し、該溝の内部に窒化物半導体の縦方向成長を妨害するレッグ(Leg)部を形成して、横方向に前記レッグ部の上部を覆うように窒化物半導体薄膜を成長させ、それによって高品質の窒化物半導体薄膜の成長が達成できる、窒化物半導体薄膜及びその成長方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、窒化物系半導体は直接遷移型半導体であって、発光ダイオード(ＬＥＤ)やレーザーダイオード(ＬＤ)などの発光素子に応用されている。さらに、高温、高周波及び高電力電子素子への応用のための研究が活発に行われており、最近は発光素子の需要増加に伴ってさらに注目されている。
【０００３】
このような窒化物半導体薄膜は、主に高温に安定であるサファイア基板で成長させる。
しかし、窒化物半導体薄膜とサファイア基板とは、熱膨脹係数と格子定数に大きな差異を有するため、貫通転位などの欠陥が多発するという短所をかかえている。
従って、これによる素子特性が低下する問題が発生する。
【０００４】
最近、サファイア基板と窒化物半導体薄膜の欠陥を減らすため、サファイア基板の上部に、ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ(０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１)、ＳｉＮまたはこの物質が積層された積層膜をバッファ（Ｂｕｆｆｅｒ）層に形成した後、窒化物半導体薄膜を成長させている。
【０００５】
このように、バッファ層の上部に窒化物半導体薄膜を成長させると、成長した窒化物半導体薄膜は、１０８〜１０９ｃｍ−2の低い貫通転位密度を有するようになって、欠陥密度が減少するようになる。
【０００６】
このような貫通転位を減らす方法としては、１)サファイア基板にパターンを形成して、縦方向と横方向の成長を調節する方法、２)サファイア基板の上部に窒化物半導体薄膜を成長させ、その上部に一定の誘電膜を形成した後、窒化物半導体薄膜を再び成長させるＬＥＤ(Lateral Epitaxial Overgrowth)成長法、３)サファイア基板の上部に窒化物半導体薄膜を成長させ、窒化物半導体薄膜を一定のパターンにエッチングした後、再び窒化物半導体薄膜を成長させるPendeo法が使われている。
【０００７】
一方、青紫色レーザーダイオードや、高出力、高効率、高信頼性の発光ダイオードを製造するためには、欠陥密度をさらに減少させることが求められ、欠陥密度が著しく低い高品質の窒化物半導体薄膜を成長させる方法の開発が求められている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は前述したような問題点を解決するために案出されたもので、その目的は基板を部分的にエッチングして複数個の溝を形成し、この溝の内部に窒化物半導体の縦方向成長を妨害するレッグ（Ｌｅｇ）部を形成して、横方向に前記レッグ部の上部を覆うように窒化物半導体薄膜を成長させ、それによって高品質の窒化物半導体薄膜の成長が達成できる窒化物半導体薄膜及びその成長方法を提供するところにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前述した本発明の目的を達成するための望ましい様態によれば、基板を部分的にエッチングして複数個の溝を基板の上部に形成する段階と、
前記基板に形成されたそれぞれの溝の内部に窒化物半導体の縦方向成長を妨害するレッグ部（Ｌｅｇ）を形成する段階と、
前記溝が形成されていない前記基板の上面にバッファ層を形成する段階と、
前記バッファ層の上部で横方向に前記レッグ部の上部を覆うように窒化物半導体薄膜を成長させる段階、とから構成された窒化物半導体薄膜の成長方法が提供される。
【００１０】
前述した本発明の目的を達成するための望ましい他の様態によれば、上部に複数個の溝が形成されている基板と、
前記それぞれの溝の内部に窒化物半導体の縦方向成長を妨害するよう形成されたレッグ部と、  前記溝が形成されていない前記基板の上面に形成されたバッファ層と、              
前記バッファ層の上部から横方向に前記レッグ部の上部を覆うように成長された窒化物半導体薄膜を含んで構成された窒化物半導体薄膜が提供される。
【発明の効果】
【００１１】
以上述べたように、本発明はサファイア基板を部分的にエッチングして複数個の溝を形成し、これら溝の内部に窒化物半導体の縦方向成長を妨害するレッグ(Leg)部を形成して、横方向に前記レッグ部の上部を覆うように窒化物半導体薄膜を成長させ、高品質の窒化物半導体薄膜を成長させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、添付した図面に基づき本発明の望ましい実施形態を詳述する。
図１ａないし図１ｄは本発明に係る高品質窒化物半導体薄膜成長法の工程図である。まず、サファイア基板１００を部分的にエッチングして、複数個の溝１１０をサファイア基板１００の上部に形成する(図１ａ)。
ここで、前記サファイア基板１００の上部は凹凸状になる。
その後、前記サファイア基板１００に形成されたそれぞれの溝１１０の内部に窒化物半導体の縦方向成長を妨害するレッグ（Ｌｅｇ）部１２０を形成する(図１ｂ)。
この際、前記レッグ部１２０は、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、ＴｉＯｘとＺｒＯｘなどの酸化膜または窒化膜で形成したり、酸化膜と窒化膜よりなる多層膜で形成する。
【００１３】
また、前記レッグ部１２０は、Ａｇ、Ａｌ、Ｒｈ、ＰｔとＰｄの中から選ばれたいずれか一つの物質よりなる膜、またはこれらの多層膜で形成する。
このように金属でレッグ部１２０を形成し、窒化物半導体薄膜で発光素子が製造されると、活性層から放出された光の反射率が高められるので、素子の光効率をアップさせられる。
その後、前記溝１１０が形成されていない前記サファイア基板１００の上面にはバッファ層１３０を形成する(図１ｃ)。
ここで、前記バッファ層１３０は、ＡｌＮ、ＧａＮとＡｌＩｎＮの中から選ばれたいずれか一つで形成する。
【００１４】
最後に、前記バッファ層１３０の上部から横方向に前記レッグ部１２０の上部を覆うように窒化物半導体薄膜１４０を成長させる(図１ｄ)。
従って、本発明はサファイア基板と成長した窒化物半導体薄膜の界面で発生する転位(Dislocation)を溝とレッグによって遮断させ、高品質の窒化物半導体薄膜の成長を達成できる。
一方、前述したサファイア基板は本発明の一例を説明するためのもので、溝が形成される基板は発光素子を製造するための全ての基板を指し、特にサファイア基板、窒化ガリウム基板、シリコンカーバイド(ＳｉＣ)基板とガリウム砒素(ＧａＡｓ)基板のうち、いずれか一つを使用することが望ましい。  
【００１５】
図２は、本発明によって適用されたレッグ部と溝との関係を説明するための断面図である。サファイア基板１００の上部に形成された溝１１０の内部に存在するレッグ部１２０の幅(Ｗ１)は、溝１１０の幅(Ｗ２)の１〜１００％であることが望ましく、前記溝１１０の内底面からレッグ部１２０の上面からの高さ(Ｈ１)は、溝１１０の内底面からサファイア基板１００の上面までの高さ(Ｈ２)の１〜１００％であることが望ましい。 
【００１６】
図３は、本発明に係る高品質窒化物半導体薄膜に形成された発光素子の光放出経路を示した概念図である。まず、前述した図１ａないし図１ｄの工程により形成された窒化物半導体薄膜は、上部に形成された複数個の溝１１０が形成されている基板と、前記それぞれの溝の内部に窒化物半導体の縦方向成長を妨害するように形成されたレッグ（Ｌｅｇ）部１２０と、前記溝１１０が形成されていない前記基板の上面に形成されたバッファ層１３０と、前記バッファ層１３０の上部から横方向に前記レッグ部の上部を覆うように成長した窒化物半導体薄膜１４０とから構成される。
【００１７】
このような窒化物半導体薄膜の上部にＮ型半導体層１５０、活性層１６０とＰ型半導体層１７０が順次に積層されており、前記Ｐ型半導体層１７０からＮ型半導体層１５０の一部までメサ（Mesa）エッチングされ、前記メサエッチングされたＮ型半導体層１５０の上部にＮ電極１９０が形成されて、前記Ｐ型半導体層１７０の上部にＰ電極１８０が形成されている発光素子を製造することができる。
【００１８】
この発光素子を駆動させると、活性層１６０から放出される光が、Ｐ型半導体層１７０を透過して素子の外部に放出される。
この際、前記活性層１６０では全方向に光が放出されるため、基板面に放出される経路を有する光は、従来技術のような基板では、基板とＮ型半導体層の境界面で全反射を引き起こして、光が素子の内部に閉じ込められて光出力が低下する。
しかし、本発明のような窒化物半導体薄膜を使って発光素子を製造すれば、図３のように、基板とＮ型半導体層の境界面に屈曲が形成され、全反射される光量を減せて光出力を向上させられる。
また、基板の溝に形成されたレッグ部１２０が金属の場合、基板方向に進む光を反射することができ、それによって光出力を向上させる。
【００１９】
図４は、本発明に係る高品質窒化物半導体薄膜成長のために基板に形成された溝、レッグ部及びバッファ層の関係を説明するための平面図である。基板に形成された複数個の溝１１０の内部にはレッグ部１２０が形成されており、基板面にはバッファ層１３０が形成されている。
前記バッファ層１３０の総面積は、前記溝１１０の総面積より大きいのが望ましい。前記バッファ層１３０の総面積が前記溝１１０の総面積より大きくなれば、前記バッファ層１３０で成長する窒化物半導体薄膜が側面成長し、レッグ部で容易に合体をなすことができる。 
【００２０】
図５は、本発明によって基板上に、溝、レッグ部及びバッファ層が形成された状態を示した平面図である。基板に複数個の溝１１０を数多く形成させると、この溝１１０の内部にレッグ部１２０が存在するようになる。結局、基板面には多くの屈曲が形成されるので、この基板に形成された発光素子は、全反射をさらに減らせることができ、光出力がさらに向上する。
本発明は具体的な例に対してだけ説明されたが、本発明の技術思想の範囲内で多様な変形及び修正が可能なことは当業者にとって明らかであり、このような変形及び修正は特許請求の範囲に属することは当然である。
【産業上の利用可能性】
【００２１】
本発明は、高品質の窒化物半導体薄膜を成長させることができ、窒化物半導体薄膜及びその成長方法に適用される。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１ａないし図１ｄは、本発明に係る高品質窒化物半導体薄膜の成長工程を説明する図である。
【図２】本発明が適用されたレッグ部と溝との関係を説明するための断面図である。
【図３】本発明に係る高品質窒化物半導体薄膜に形成された発光素子の光放出経路を示した概念図である。
【図４】本発明に係る高品質窒化物半導体薄膜の成長のために、基板に形成された溝、レッグ部及びバッファ層との関係を説明するための平面図である。
【図５】本発明によって基板に溝、レッグ部とバッファ層が形成された状態を示す平面図である。
【符号の説明】
【００２３】
１００ : サファイア基板 
１１０ : 溝
１２０ : レッグ(Leg)部 
１３０ : バッファ層 
１４０ : 窒化物半導体薄膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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