(57)【要約】【課題】  光効率が優れた窒化物半導体素子及びその製造方法を提供する。【解決手段】  本発明による窒化物半導体素子は、基板と、前記基板上に成長された棒状の多数の半導体ナノバーと、前記半導体ナノバーの間と前記半導体ナノバーの上部とに蒸着されて分布され、紫外線、可視光線又は赤外線領域の光を放出する窒化物半導体薄膜と、を含む。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に成長された棒状の多数の半導体ナノバーと、
前記半導体ナノバーの間と前記半導体ナノバーの上部とに蒸着分布され、紫外線、可視光線又は赤外線領域の光を放出する窒化物半導体薄膜と、を含むこと
を特徴とする窒化物半導体素子。
【請求項２】
前記半導体ナノバーと前記窒化物半導体薄膜とは、結晶構造が同一であること
を特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体素子。
【請求項３】
前記半導体ナノバーと前記窒化物半導体薄膜とは、結晶定数差が少なくとも２０％以内であること
を特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体素子。
【請求項４】
前記半導体ナノバーは、ＺｎＯからなっており、前記窒化物半導体薄膜は、ＧａＮからなっており、前記結晶構造は同一であり、前記結晶定数差は１.８％であること
を特徴とする請求項２又は３に記載の窒化物半導体素子。
【請求項５】
前記半導体ナノバーは、前記基板に対して垂直方向にランダムに配列されていること
を特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体素子。
【請求項６】
前記半導体ナノバーは、酸化物、窒化物、カーバイド、III−Ｖ族又はII−VI族化合物、又はシリコン系列の半導体からなること
を特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体素子。
【請求項７】
前記半導体ナノバーは、Ｍｇ、Ｃｄ、Ｔｉ、Ｌｉ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｙ、Ａｇ、Ｍｎ、Ｖ、Ｆｅ、Ｌａ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓ、Ｓｅ、Ｐ、Ａｓ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｂ、Ｎ、Ｓｂ及びＨよりなる群から選択された１種以上の異種物質を追加に含むこと
を特徴とする請求項６に記載の窒化物半導体素子。
【請求項８】
前記半導体ナノバーの直径は１〜１０００ｎｍであり、長さは１０ｎｍ〜１００μｍ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素子。
【請求項９】
前記窒化物半導体薄膜は、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ又はこれらの結合(Ｇａ１−ＸＡｌ１−ＹＩｎ１−ＺＮ、０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１)からなった膜であること
を特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体素子。
【請求項１０】
前記窒化物半導体薄膜は、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｏ、Ｓｅ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｎｉ及びＦｅよりなる群から選択された１種以上の異種物質を追加に含むこと
を特徴とする請求項９に記載の窒化物半導体素子。
【請求項１１】
前記基板は、シリコン基板、ガラス基板、酸化シリコン(ＳｉＯ２)基板、サファイア基板、ＩＴＯ基板、石英基板又は金属基板からなること
を特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体素子。
【請求項１２】
基板を用意する段階と、
前記基板上に所定の反応前駆体を反応させて垂直方向に成長された棒状の多数の半導体ナノバーを形成する段階と、
前記半導体ナノバーをシード(Ｓｅｅｄ)として利用して前記半導体ナノバーが形成された基板上に、紫外線、可視光線又は赤外線領域の光を放出する窒化物半導体薄膜を蒸着する段階と、を含むこと
を特徴とする窒化物半導体素子の製造方法。
【請求項１３】
前記半導体ナノバーと前記窒化物半導体薄膜とは、結晶構造が同一である物質により形成すること
を特徴とする請求項１２に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
【請求項１４】
前記半導体ナノバーと前記窒化物半導体薄膜とは、結晶定数差が少なくとも２０％以内である物質により形成すること
を特徴とする請求項１２に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
【請求項１５】
前記半導体ナノバーは、ＺｎＯにより形成し、前記窒化物半導体薄膜は、ＧａＮにより形成し、前記結晶構造は同一であり、前記結晶定数差は１.８％になるように形成すること
を特徴とする請求項１３又は１４に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
【請求項１６】
前記半導体ナノバーは、前記基板に対して垂直方向にランダムに配列されるように形成すること
を特徴とする請求項１２に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
【請求項１７】
前記半導体ナノバーは、酸化物、窒化物、カーバイド、III−Ｖ族又はII−VI族化合物、又はシリコン系列の半導体により形成すること
を特徴とする請求項１２に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
【請求項１８】
前記半導体ナノバーは、Ｍｇ、Ｃｄ、Ｔｉ、Ｌｉ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｙ、Ａｇ、Ｍｎ、Ｖ、Ｆｅ、Ｌａ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓ、Ｓｅ、Ｐ、Ａｓ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｂ、Ｎ、Ｓｂ及びＨよりなる群から選択された１種以上の異種物質を追加に含むように形成すること
を特徴とする請求項１７に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
【請求項１９】
前記半導体ナノバーの直径は、１〜１０００ｎｍであり、長さは、１０ｎｍ〜１００μｍであること
を特徴とする請求項１２に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
【請求項２０】
前記窒化物半導体薄膜は、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ又はこれらの結合(Ｇａ１−ＸＡｌ１−ＹＩｎ１−ＺＮ、０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１)からなった膜により形成すること
を特徴とする請求項１２に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
【請求項２１】
前記窒化物半導体薄膜は、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｏ、Ｓｅ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｎｉ及びＦｅよりなる群から選択された１種以上の異種物質を追加に含むように形成すること
を特徴とする請求項２０に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
【請求項２２】
前記基板は、シリコン基板、ガラス基板、酸化シリコン(ＳｉＯ２)基板、サファイア基板、ＩＴＯ基板、石英基板又は金属基板からなること
を特徴とする請求項１２に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
【請求項２３】
前記半導体ナノバーは、化学蒸着法、スパッタリング法、熱又は電子ビーム蒸発法、パルスレーザー蒸着法又は気相移送法の中から選ばれた一つの方法を利用して形成すること
を特徴とする請求項１２に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
【請求項２４】
前記半導体ナノバーは、有機金属化学蒸着法を利用して形成すること
を特徴とする請求項１２に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
【請求項２５】
前記窒化物半導体薄膜は、有機金属化学蒸着法(ＭＯＣＶＤ)、分子ビームエピタキシ薄膜蒸着法(ＭＢＥ)又はＨＶＰＥ法(Ｈｙｄｒｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ)を利用して形成すること
を特徴とする請求項１２に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
【請求項２６】
前記半導体ナノバーを形成する段階は、前記基板を反応器内に入れる段階と、
第１の反応前駆体と第２の反応前駆体とを運搬気体を利用して前記反応器内に各々注入する段階と、
所定範囲の温度と所定範囲の圧力とで前記第１の反応前駆体と前記第２の反応前駆体とを化学反応させて前記基板上に棒状の半導体ナノバーを成長させる段階と、を含むこと
を特徴とする請求項１２に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
【請求項２７】
前記第１の反応前駆体は、ジメチル亜鉛(Ｚｎ(ＣＨ３)２)であり、前記第２の反応前駆体は、酸素(Ｏ２)であること
を特徴とする請求項２６に記載の窒化物半導体素子の製造方法 。
【請求項２８】
前記所定範囲の温度は、４００〜９００℃であり、前記所定範囲の圧力は、１０−５〜７６０ｍｍＨｇであること
を特徴とする請求項２６に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
【請求項２９】
前記窒化物半導体薄膜を蒸着する段階は、前記半導体ナノバーが形成された基板を反応器内に入れる段階と、
反応前駆体と窒化物ソースガスとを運搬気体を利用して前記反応器内に各々注入する段階と、
所定範囲の温度と所定範囲の圧力とで前記反応前駆体と前記窒化物ソースガスとを化学反応させて窒化物半導体薄膜を蒸着させる段階と、を含むこと
を特徴とする請求項１２に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
【請求項３０】
前記反応前駆体は、ＴＭＧａ、ＴＥＧａ又はＧａＣｌ３であり、前記窒化物ソースガスは、ＮＨ３、窒素又は、第３級ブチルアミン(Ｔｅｒｔｉａｒｙｂｕｔｙｌａｍｉｎｅ(Ｎ(Ｃ４Ｈ９)Ｈ２)であること
を特徴とする請求項２９に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
【請求項３１】
前記所定範囲の温度は、３００〜１１００℃であり、前記所定範囲の圧力は、１０−５〜２０００ｍｍＨｇであること
を特徴とする請求項３０に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置及びその製造方法に係り、より詳しくは、光効率が優れた窒化物半導体素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、青色波長の発光素子の需要が急増するに供ってＧａＮ薄膜の需要もますます増加している。周知のように、現在ＧａＮなどのような窒化物半導体薄膜はサファイア(Ａｌ２Ｏ３)基板上に蒸着成長させて製造されている。
【０００３】
しかし、サファイア基板上に成長させた窒化物半導体薄膜を利用して製造される発光素子の場合、内部量子効率は高いが内部散乱により外部に光を放出させることに制限があるので、光効率が低いという短所がある。また、既存の窒化物半導体薄膜の製造工程では、高価でサイズが小さなサファイア基板を使用するので、製造される薄膜のサイズが２インチ以下と小さく、製造費用が高価で収率が低いことにより、室内照明のための白色発光ダイオードの普及に限界がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって、本発明は上述したような従来技術の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、光効率が高い窒化物半導体素子を提供することにある。
【０００５】
本発明他の目的は、多様な基板を使用できると共に大面積の基板上に光効率が高くて品質が優れた窒化物半導体薄膜を蒸着させることができる方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決するために、本発明の第１の観点によれば、基板と、前記基板上に成長された棒状の多数の半導体ナノバーと、前記半導体ナノバーの間と前記半導体ナノバーの上部とに蒸着分布され、紫外線、可視光線又は赤外線領域の光を放出する窒化物半導体薄膜と、を含むことを特徴とする、窒化物半導体素子が提供される。
【０００７】
前記課題を解決するために、本発明の第２の観点によれば、基板を用意する段階と、前記基板上に所定の反応前駆体を反応させて垂直方向に成長させた棒上の多数の半導体ナノバーを形成する段階と、前記半導体ナノバーをシード(Ｓｅｅｄ)として利用して前記半導体ナノバーが形成された基板上に、紫外線、可視光線又は赤外線領域の光を放出する窒化物半導体薄膜を蒸着する段階と、を含むことを特徴とする、窒化物半導体素子の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明による半導体ナノバーをシードとして利用して窒化物半導体薄膜を形成する窒化物半導体素子の製造方法は、高価なサファイア基板以外にも安価で多様な種類の基板を使用することができるので、大面積の製造が可能であり、収率が高くて、製造費用を画期的に減らすことができる。また、本発明により製造された半導体ナノバー含有窒化物半導体薄膜は、光効率が非常に高くて多様な素子に適用できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお，本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。また、以下の説明において、ある層が他の層の上に存在すると記載されている場合、これは他の層のすぐ上に存在する場合も、その間に第３の層が介在される場合も含む。また、図面において、各層の厚さやサイズは、説明の便宜及び明確性のために誇張されている。
【００１０】
本発明の好ましい実施の形態では、基板上に窒化物半導体薄膜をすぐ蒸着させる既存の方法とは違い、窒化物半導体薄膜を蒸着させる前に基板上に半導体ナノバーを垂直方向に先に成長させた後に窒化物半導体薄膜を蒸着させることにより、半導体ナノバーが含入された形態で窒化物半導体薄膜を製造する方法を提示する。
【００１１】
図１Ａ〜図１Ｃは、本発明の好ましい実施の形態のよるＧａＮ薄膜の製造工程を概略的に示す工程図である。具体的に、シリコン基板にＧａＮ薄膜を形成する過程を説明する工程図では、半導体棒として、ＺｎＯナノバーを例示している。
【００１２】
図１Ａは、シリコン基板１００上に成長した(例えば、基板に対して主に垂直方向に成長した)ＺｎＯナノバー１１０を示し、図１Ｂは、シリコン基板１００上に成長したＺｎＯナノバー１１０をシード(Ｓｅｅｄ)としてＧａＮ薄膜１２０が成長される過程を示し、図１Ｃは、シリコン基板１００上に製造されたＧａＮ薄膜１２０(ＺｎＯナノバー１１０が含入されている)を示す。
【００１３】
本発明の好ましい実施の形態による半導体ナノバー１１０は、ＺｎＯ、Ｉｎ２Ｏ３のような半導体酸化物、ＧａＮのような窒化物、ＳｉＣのようなカーバイド、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＩｎＰ、ＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓのようなIII−Ｖ族又はII−VI族化合物半導体、又はシリコン(Ｓｉ)などにより形成でき、半導体ナノバー１１０は、多様な有機又は無機素材、例えば、Ｍｇ、Ｃｄ、Ｔｉ、Ｌｉ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｙ、Ａｇ、Ｍｎ、Ｖ、Ｆｅ、Ｌａ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓ、Ｓｅ、Ｐ、Ａｓ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｂ、Ｎ、Ｓｂ及びＨよりなった群から選択された一つの以上の異種物質を追加に含むこともできる。
【００１４】
本発明の好ましい実施の形態において、半導体ナノバー１１０を基板１００上に成長させる方法としては、有機金属化学蒸着法を含む化学気相蒸着法、スパッタリング法(ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ)、熱又は電子ビーム蒸発法(ｔｈｅｒｍａｌ ｏｒ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｂｅａｍ ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ)、パルスレーザー蒸着法(ｐｕｌｓｅ ｌａｓｅｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ)などのような物理的成長方法だけではなく、金のような金属触媒を利用する気相移送法(ｖａｐｏｒ−ｐｈａｓｅ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｐｒｏｃｅｓｓ)などがある。好ましくは、有機金属化学蒸着法(ＭＯＣＶＤ)が例示でき、基板１００上に垂直成長される半導体ナノバー１１０の直径は、１〜１０００ｎｍ、長さは、１０ｎｍ〜１００μｍの範囲である。基板１００上に成長した半導体ナノバー１１０は、垂直方向にランダム(ｒａｎｄｏｍ)に配列された構造を有する。
【００１５】
次に、有機金属化学蒸着法を利用して半導体ナノバー１１０を形成する方法について説明する。まず、基板１００を反応器内に入れて、反応前駆体(例えば、第１の反応前駆体と第２の反応前駆体)を運搬気体を利用して反応器内に各々注入する。次に、所定範囲の温度と所定範囲の圧力とで第１の反応前駆体と第２の反応前駆体とを化学反応させて基板１００上に棒状の半導体ナノバー１１０を成長させる。例えば、第１の反応前駆体がＺｎ(ＣＨ３)２であり、第２の反応前駆体がＯ２である場合、酸化亜鉛(ＺｎＯ)ナノバーを形成することができる。この時、所定範囲の温度は、４００〜９００℃であり、所定範囲の圧力は、１０−５〜７６０ｍｍＨｇである。
【００１６】
また、本発明の好ましい実施の形態において、半導体ナノバー１１０を蒸着して成長させるための基板１００としては、サファイア基板以外にもナノバーが成長可能な基板であればなんでも使用することができ、例えば、シリコン基板、ガラス基板、酸化シリコン(ＳｉＯ２)基板、ＩＴＯ基板、石英基板及び金属(例:Ａｕ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｐｄ及びこれらの合金)基板などを使用することができる。
【００１７】
このような基板１００上に成長された半導体ナノバー１１０上に窒化物半導体薄膜１２０を蒸着させることにより、本発明による半導体ナノバー含有窒化物半導体薄膜を製造することができる。
【００１８】
半導体ナノバー１１０上に窒化物半導体薄膜１２０を蒸着する好ましい方法としては、有機金属化学蒸着法(ＭＯＣＶＤ)、分子ビームエピタキシ薄膜蒸着法(ＭＢＥ：Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ)又はＨＶＰＥ法(Ｈｙｄｒｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ)などがある。
【００１９】
本発明の好ましい実施の形態による窒化物半導体薄膜１２０としては、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ及びこれらの合金(例えば、Ｇａ１−ＸＡｌ１−ＹＩｎ１−ＺＮ、０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１)などが使用できる。窒化物半導体薄膜１２０を蒸着する際に、Ｉｎ又はＡｌを個別、同時又は順次に注入しながら薄膜蒸着工程を実行してＩｎＮ、ＡｌＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＡｌＮなどの薄膜を成長させることにより、素子のバンドギャップ(Ｂａｎｄ Ｇａｐ)を１.９〜６.２ｅＶに調節することができる。ＧａＮ薄膜は、３.４ｅＶのバンドギャップを有し、ＡｌＮ薄膜は、６.２ｅＶのバンドギャップを有し、ＩｎＮ薄膜は、０.７ｅＶのバンドギャップを有することが知られている(図２参照)。
【００２０】
図２は、窒化物半導体薄膜のエネルギバンドギャップ(ｅｎｅｒｇｙ ｂａｎｄｇａｐ)と格子定数(ｌａｔｔｉｃｅ ｃｏｎｓｔａｎｔ)との関係を示す図である。
【００２１】
図２に示すように、ＡｌＮは、６.２ｅＶのバンドギャップを有するので紫外線(ＵＶ：ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ)領域の光を放出し、ＡｌＸＧａ１−ＸＮ(０＜ｘ＜１)は、ＡｌＮより小さいバンドギャップを有して紫外線領域の光を放出し、ＧａＮは、ＡｌＸＧａ１−ＸＮ(０＜ｘ＜１)より小さい３.４ｅＶのバンドギャップを有し、ＩｎＸＧａ１−ＸＮ(０〈ｘ＜１〉は、ＧａＮより小さいバンドギャップを有して可視光線(Ｖ：ｖｉｓｉｂｌｅ)領域の光を放出し、ＩｎＮは、ＩｎＸＧａ１−ＸＮ(０＜ｘ＜１)より小さい０.７ｅＶのバンドギャップを有して赤外線(ＩＲ：ｉｎｆｒａｒｅｄ)領域の光を放出する。
【００２２】
また、窒化物半導体薄膜１２０を蒸着する際に、目的とする用途によってＳｉ、Ｇｅ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｏ、Ｓｅ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｎｉ及びＦｅよりなる群から選択された１種以上の多様な異種物質を注入しながら薄膜蒸着工程を実行することにより、異種物質が添加された形態の窒化物半導体薄膜を製造することもできる。このような異種物質は、窒化物半導体薄膜の電気的、光学的又は磁気的性質を変化させるために使用者の要求によって選択的に追加することができる。異種物質は、インシチュドーピング(ｉｎ−ｓｉｔｕ ｄｏｐｉｎｇ)、エクスシチュドーピング(ｅｘ−ｓｉｔｕ ｄｏｐｉｎｇ)又はイオン注入(ｉｍｐｌａｎｔａｔｉｏｎ)などを通じて添加することができる。インシチュドーピングは、薄膜を成長させる際に追加しようとする異種物質を添加する方法であり、エクスシチュドーピングは、窒化物半導体薄膜を成長させた後、熱処理やプラズマ(ｐｌａｓｍａ)処理により異種物質を窒化物半導体薄膜に注入する方法である。イオン注入は、追加しようとする異種物質を加速させて窒化物半導体薄膜と衝突させて薄膜内に異種物質を注入する方法である。前記異種物質の中でＳｉ、Ｇｅ、Ｚｎなどは、ｎ−タイプ窒化物半導体薄膜を作るために注入するドーパント(ｄｏｐａｎｔ)であり、Ｍｇなどは、ｐ−タイプ窒化物半導体薄膜を作るために注入するドーパントであり、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｆｅなどは、マグネチック(ｍａｇｎｅｔｉｃ)窒化物半導体薄膜を作るために注入するドーパントである。
【００２３】
また、窒化物半導体薄膜は、図３Ａに示すように、ｐ−ｎ接合形態で形成することもできる。図３Ａ及び図３Ｂにおいて、参照符号“２１０”は、ｎ−タイプＺｎＯナノバーを示し、参照符号“２２０”は、ｎ−タイプＧａＮ薄膜を示し、参照符号“２３０”は、ｐ−タイプＧａＮ薄膜を示す。図３Ａ及び図３Ｂは、本発明の好ましい実施の形態によるシリコン基板上のＺｎＯナノバー含有ＧａＮ薄膜を利用した発光素子の一例を示す概路図として、図３Ａは、ＧａＮ薄膜をｐ−ｎ異種接合形態で形成した例であり、図３Ｂは、ｐ形態にだけ形成した例である。
【００２４】
半導体ナノバーと窒化物半導体薄膜とは結晶構造が同一である物質により形成することが好ましい。半導体ナノバーをシードとして使用して窒化物半導体薄膜を成長させるので、結晶構造が同一である物質により形成することで優秀な品質の薄膜を得ることができる。また、半導体ナノバーと窒化物半導体薄膜とは結晶定数差が少なくとも２０％以内である物質により形成することが好ましい。結晶定数差が大きくなれば、均一で優秀な品質の薄膜を得るのに制限要因になるからである。サファイアとＧａＮ薄膜とは結晶定数差が１３％程度であり、シリコン(Ｓｉ)とＧａＮ薄膜とは結晶定数差が１７％程度である。したがって、結晶構造と結晶定数差とを考慮して適切に半導体ナノバーと窒化物半導体薄膜との物質を選択決定することが好ましい。
【００２５】
有機金属化学蒸着法を利用して窒化物半導体薄膜を形成する方法について説明する。まず、半導体ナノバーが形成された基板を反応器内に入れて、反応前駆体と窒化物ソースガスとを運搬気体を利用して反応器内に各々注入する。次に、所定範囲の温度と所定範囲の圧力とで反応前駆体と窒化物ソースガスとを化学反応させて窒化物半導体薄膜を蒸着する。反応前駆体は、ＴＭＧａ、ＴＥＧａ又はＧａＣｌ３により形成でき、窒化物ソースガスは、ＮＨ３、窒素又は第３級ブチルアミン(Ｔｅｒｔｉａｒｙｂｕｔｙｌａｍｉｎｅ(Ｎ(Ｃ４Ｈ９)Ｈ２)により形成できる。所定範囲の温度は、３００〜１１００℃であり、所定範囲の圧力は、１０−５〜２０００ｍｍＨｇである。窒化物半導体薄膜は、半導体ナノバーをシードとして基板に対して垂直及び水平方向に成長するようになり、結局、シードを中心として成長した窒化物半導体薄膜がお互いに合されて連続的な薄膜形態を形成する。この時、窒化物半導体薄膜の厚さは品質の要求水準又は仕様によって適切に調節可能である。
【００２６】
さらに、窒化物半導体素子は、窒化物半導体薄膜の成長時間、成長手順、反復回数などによって多様な構造に形成でき、絶縁体である高価なサファイア基板以外にも安値で透明なガラス基板、半導体物質であるシリコン基板などの多様な基板に蒸着が可能であるので、１２インチ以上の大面積でも製造が可能であり、製造費用を既存方法の１／４０程度に節減させることができることにより、これを利用した素子の応用範囲を画期的に広げることができる。
【００２７】
また、本発明の好ましい実施の形態による半導体ナノバー含有窒化物半導体薄膜は、ナノバーの隙間から光を容易に放出できるので、内部散乱による効果を画期的に減らすことができ、発光ダイオードなどの光素子に有利に使用できる。
【００２８】
また、半導体ナノバーをシードとして利用して窒化物半導体薄膜を形成した後、これを基礎にして、即ち、半導体ナノバーをシードとして利用して成長した窒化物半導体薄膜を基板として使用してＨＶＰＥ法を利用して厚い化合物半導体層を蒸着することもできる。このように厚い化合物半導体層が形成される場合、基板として使用した窒化物半導体薄膜を切り捨てるか化合物半導体層を除外した領域を研磨(ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ又はｇｒｉｎｄｉｎｇ)して除去し、基板上に成長された均一で高品質の化合物半導体層だけを選択して使用できるのは言うまでもない。
【００２９】
ＨＶＰＥ法を利用した化合物半導体薄膜上にＧａＮ厚膜を形成する方法について説明する。反応器内にＧａ金属を収納した容器を配置し、この容器周りを設置したヒーター(Ｈｅａｔｅｒ)により加熱してＧａ溶液を作る。Ｇａ溶液とＨＣｌを反応させてＧａＣｌガスを作る。
【００３０】
これを反応式に示すと、次のようである。
【００３１】
〔反応式１〕
Ｇａ(ｌ)＋ＨＣｌ(ｇ)→ＧａＣｌ(ｇ)＋１／２Ｈ２(ｇ)
【００３２】
ＧａＣｌガスとＮＨ３とを反応させると、ＧａＮ膜が形成される。即ち、次のような反応によりＧａＮ膜が形成される。
【００３３】
〔反応式２〕
ＧａＣｌ(ｇ)＋ＮＨ３→ＧａＮ＋ＨＣｌ(ｇ)＋Ｈ２
【００３４】
反応しなかった気体は、次のような反応により排気される。
【００３５】
〔反応式３〕
ＨＣｌ(ｇ)＋ＮＨ３→ＮＨ４Ｃｌ(ｇ)
【００３６】
ＨＶＰＥ法は、１００μｍ/ｈｒ程度の速い成長率で厚膜成長が可能であり、高い生産性を示す。
【００３７】
以下、本発明について、下記の実施の形態に基づいてより詳細に説明する。ただ、下記の実施の形態は、本発明を例示するためのものであり、それに限定されるものではない。
<実施の形態>
【００３８】
酸化亜鉛(ＺｎＯ)ナノバーの形成方法について具体的に説明する。まず、個別的なラインを通じて運搬気体としてアルゴンを使用して反応前駆体であるジメチル亜鉛(Ｚｎ(ＣＨ３)２)及び Ｏ２気体を各々反応器内に０.１〜１０ｓｃｃｍ及び１０〜１００ｓｃｃｍ範囲の流れ速度で注入し、シリコン基板上に前記物質を化学反応させて、図１Ａに示したように、酸化亜鉛(ＺｎＯ)ナノバーを基板に垂直方向に蒸着及び成長させる。約１時間にわたってナノバーの成長が進行されているうちは、反応器内の圧力は１０−５〜７６０ｍｍＨｇで、温度は４００〜９００℃に維持した。蒸着を完了した後、シリコン基板上に成長された酸化亜鉛ナノバーの直径は、約１〜１０００ｎｍであり、長さは、約１０ｎｍ〜１０μｍであった。
【００３９】
シリコンカーバイド(ＳｉＣ)ナノバーの形成方法について具体的に説明する。まず、基板(シリコン、サファイア、ガラスなど)に電子ビーム蒸発装置(Ｅ−ｂｅａｍ)を利用して金属触媒(金、ニッケル、鉄など)を約１０〜３００Å程度コーティングした後、チューブ型電気火炉に入れる。アルゴンガスを５００ｓｃｃｍ程度注入しながら電気火炉の温度を目標温度(約１１００℃まで上昇させる。目標温度になれば、メタンガスと水素ガスとを各々４０ｓｃｃｍ、５００ｓｃｃｍ程度の流量で３０分間流しながら反応させる。所定時間(例えば、３０分ぐらい)が経過した後、石英チューブ内にアルゴンガスを５００ｓｃｃｍ程度の流量で流しながら室温まで冷却させる。基板をチューブ型電気火炉から取り出せば、基板が青色又は灰色に変わったことが確認できる。合成されたシリコンカーバイド(ＳｉＣ)ナノバーは、成長時間にしたがって、その長さが１〜５００μｍ、直径は１０〜６０ｎｍ程度になるように成長する。高純度、高密度のナノバーが基板上に垂直に成長される。ＥＤＳ(Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ ｘ−ｒａｙ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ、Ｘ−線微量分析機)により成分を分析することができ、分析によれば、ＳｉＣナノバーのＳｉ：Ｃ比率が１：１程度であり、微量の金属触媒成分が含まれていることが分かる。
【００４０】
以下、ＧａＮ薄膜の蒸着方法について具体的に説明する。個別的なラインを通じてＴＭＧａ及びＮＨ３気体を各々１〜５０ｓｃｃｍ及び１００〜２０００ｓｃｃｍ範囲の流れ速度で反応器内に注入し、圧力は、１０−５〜２０００ｍｍＨｇで、温度は、３００〜１１００℃に維持しながら反応器内で前記反応前駆体を６０分以上化学反応させて、図１Ｂに示したように、酸化亜鉛ナノバー上にＧａＮを蒸着及び成長させることにより、図１Ｃに示したような酸化亜鉛ナノバーが含入された形態のＧａＮ薄膜を製造した。
【００４１】
このように製造された酸化亜鉛(ＺｎＯ)ナノバー含有ＧａＮ薄膜についての走査電子顕微鏡及び透過電子顕微鏡写真を図４に示した。図４Ａは、シリコン基板上に垂直成長されたＺｎＯナノバーの走査電子顕微鏡(ＳＥＭ)写真であり、図４Ｂは、ＺｎＯナノバーをシードとして利用して蒸着させたＧａＮ薄膜の走査電子顕微鏡写真であり、図４Ｃは、ＺｎＯナノバーをシードとして利用して蒸着させたＧａＮ薄膜の透過電子顕微鏡(ＴＥＭ)写真である。図４Ｂ及び図４ＣからＧａＮ薄膜が、図１Ｃに示したような形態に成功裏に蒸着及び成長されたことが分かる。
【００４２】
また、本発明の好ましい実施の形態により製造された酸化亜鉛ナノバー含有ＧａＮ薄膜の場合、ＺｎＯとＧａＮの結晶構造が同一であり、結晶定数差が１.８％としてほとんど類似で、得られるＧａＮ薄膜の品質が非常に優秀である。
【００４３】
以上、添付の図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明は係る実施例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更または修正に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】Ａ〜Ｃは、本発明の好ましい実施の形態のよるＧａＮ薄膜の製造工程を概略的に示す工程図である。
【図２】窒化物半導体薄膜のエネルギバンドギャップと格子定数という関係を示す図である。
【図３】Ａ，Ｂは、本発明の好ましい実施の形態によるシリコン基板上のＺｎＯナノバー含有ＧａＮ薄膜を利用した発光素子の一例を示す概路図である。
【図４】Ａ〜Ｃは、本発明の好ましい実施の形態によるＺｎＯナノバーが含入されたＧａＮ薄膜の電子顕微鏡写真である。
【符号の説明】
【００４５】
１００、２００  基板
１１０  半導体ナノバー
１２０  ＧａＮ薄膜
２１０  ｎ−タイプ半導体ナノバー
２２０  ｎ−タイプＧａＮ薄膜
２３０  ｐ−タイプＧａＮ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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