(57)【要約】      （修正有）【課題】高品質の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の上部に誘電体または金属物質よりなるマスク物質膜パターンを形成し、窒化物半導体薄膜120を成長させてから合体が起こる前にマスク物質膜パターンを除去し、再び側面成長を施すことによって、平坦でかつ欠陥が少なくボイド130を有する窒化物半導体薄膜120を成長させることができる。【選択図】図１
2005203792.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の上部にマスク物質膜を形成し、該マスク物質膜をエッチングして一部の基板上部面を露出させるマスク物質膜パターンを形成する第１段階と、
前記マスク物質膜パターンによって露出された基板で窒化物半導体薄膜層を成長させ、マスク物質膜パターン上部で合体が起こる前に成長を止め、前記マスク物質膜パターンを成長した窒化物半導体薄膜層から露出させる第２段階と、
前記露出したマスク物質膜パターンをエッチングして除去した後、窒化物半導体薄膜を側面成長し続けて合体が起こるようにして、マスク物質膜パターンが存在していた領域に形成されたボイドを有し、上部面が平坦な窒化物半導体薄膜層を形成する第３段階とを含んで構成される高品質の窒化物半導体薄膜成長方法。
【請求項２】
前記マスク物質膜パターンは、
ＳｉＯ2、Ｓｉ3Ｎx、ＴｉＮ、Ｗ、Ｎｉ、Ｔｉ、ＴａとＷＮxのうち選択されたいずれか一つの物質よりなる膜であるか、これら物質の積層膜であることを特徴とする請求項１に記載の高品質の窒化物半導体薄膜成長方法。
【請求項３】
前記マスク物質膜パターンは、
相互離隔された四角形、三角形、六角形と円形のうち選択されたいずれか一つの形状よりなるパターンまたは１２０°に曲がった少なくとも一つ以上の節を有するパターンであることを特徴とする請求項２に記載の高品質の窒化物半導体薄膜成長方法。
【請求項４】
前記相互離隔された六角形よりなるマスク物質膜パターンは、
相互離隔された間隔が同一であることを特徴とする請求項３に記載の高品質の窒化物半導体薄膜成長方法。
【請求項５】
前記基板はシリコンカーバイド(ＳｉＣ)、サファイア、ガリウム砒素(ＧａＡｓ)、シリコンとＺｎＯのうち選択されたいずれか一つの物質よりなることを特徴とする請求項１に記載の高品質の窒化物半導体薄膜成長方法。
【請求項６】
前記ボイドの面積は、
前記窒化物半導体薄膜層の面積の６０〜９０％であることを特徴とする請求項１に記載の高品質の窒化物半導体薄膜成長方法。
【請求項７】
基板上部にマスク物質膜パターンを形成する段階と、
前記マスク物質膜パターンの中央領域を除き、前記基板上部とマスク物質膜パターンの上部に窒化物半導体薄膜層を成長させる段階と、
前記マスク物質膜パターンの中央領域を通じて前記マスク物質膜パターンをエッチングして除去する段階と、
前記窒化物半導体薄膜で側面成長させ、上部面が平坦な窒化物半導体薄膜層を形成する段階と、
前記基板を前記窒化物半導体薄膜層から離脱させる段階とを含んで構成される高品質の窒化物半導体薄膜成長方法。
【請求項８】
前記マスク物質膜パターンは、
湿式エッチング工程で除去することを特徴とする請求項７に記載の高品質の窒化物半導体薄膜成長方法。
【請求項９】
前記マスク物質膜パターンは、
ＳｉＯ2、Ｓｉ3Ｎx、ＴｉＮ、Ｗ、Ｎｉ、Ｔｉ、ＴａとＷＮxのうち選択されたいずれか一つの物質よりなる膜であるか、これら物質の積層膜であることを特徴とする請求項７に記載の高品質の窒化物半導体薄膜成長方法。
【請求項１０】
前記マスク物質膜パターンは、
相互離隔された四角形、三角形、六角形と円形のうち選択されたいずれか一つの形状よりなるパターンまたは１２０°に曲がった少なくとも一つ以上の節を有するパターンであることを特徴とする請求項７に記載の高品質の窒化物半導体薄膜成長方法。
【請求項１１】
前記相互離隔された六角形よりなるマスク物質膜パターンは、
相互離隔された間隔が同一であることを特徴とする請求項７に記載の高品質の窒化物半導体薄膜成長方法。
【請求項１２】
前記基板はシリコンカーバイド(ＳｉＣ)、サファイア、ガリウム砒素(ＧａＡｓ)、シリコンとＺｎＯのうち選択されたいずれか一つの物質よりなることを特徴とする請求項７に記載の高品質の窒化物半導体薄膜成長方法。
【請求項１３】
基板と、
該基板上部に形成され、前記基板との界面にボイドパターンが形成されている窒化物半導体薄膜層を含んで構成される高品質の窒化物半導体薄膜。
【請求項１４】
前記ボイドパターンは、
相互離隔された四角形、三角形、六角形と円形の中から選択されたいずれか一つの形状よりなるパターンまたは１２０°に曲がった少なくとも一つ以上の節を有するパターンであることを特徴とする請求項１３に記載の高品質の窒化物半導体薄膜。
【請求項１５】
前記基板は、シリコンカーバイド(ＳｉＣ)、サファイア、ガリウム砒素(ＧａＡｓ)、シリコンとＺｎＯの中から選択されたいずれか一つの物質よりなることを特徴とする請求項１３または請求項１４に記載の高品質の窒化物半導体薄膜。
【請求項１６】
前記ボイドパターンの面積は、
前記窒化物半導体薄膜層面積の６０〜９０％であることを特徴とする請求項１３または請求項１４に記載の高品質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、高品質の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上部に誘電体または金属物質よりなるマスク物質膜パターンを形成し、窒化物半導体薄膜を成長させてから合体(coalescence)が起こる前にマスク物質膜パターンを除去し、再び側面成長を施すことによって、平坦でかつ欠陥が少なく、ボイドを有する窒化物半導体薄膜を成長させる高品質の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、ＧａＮを始めとしたＡｌＧａＩｎＮ系の窒化物半導体は,
紫外線から可視光線領域に至る発光波長を有しており、化学的、熱的安定性に優れて高温、高出力電子素子への応用が活発に推進されている物質である。
【０００３】
現在、最も活発に製品開発がなされている分野はＬＥＤ、ＬＤなどの光素子であり、青色及び緑色ＬＥＤは販売中であり、その他さらに長波長と紫外線領域の短波長のＬＥＤを開発しようとする試みがなされている。
そして、窒化物系半導体を用いた白色光が放出される白色ＬＥＤを製造しようとするさまざまな試みがなされている。
【０００４】
このような白色ＬＥＤは、今のところ青色ＬＥＤと黄色い蛍光体(Yellow phosphor)を用いた製品が販売されており、その他波長が４００ｎｍ以下の紫外線ＬＥＤとＲＧＢフォスファを結合して白色光を作ろうとする試みも活発になされつつある。
また、４０５ｎｍのＬＤは次世代光記録媒体の記録用光源として選定され出力及び信頼性などを改善しようとする開発がなされつつある。
このような盛んに研究中の窒化物半導体の応用には適した基板物質がないという大きな難点を持っている。
【０００５】
今まで商用化された大面積のＧａＮ単結晶基板が存在しなくて、サファイア、シリコン、シリコンカーバイド(ＳｉＣ)などの異種基板を使用しているが、格子定数及び熱膨脹係数の差が大きくて単結晶エピ薄膜を成長する場合、薄膜内部に伝播転位(Threading dislocation)などの欠陥が多く形成されるなどの問題点を有している。約１０9〜１０10/ｃｍ2の範囲で形成されると報告される伝播転位などの欠陥は非発光領域として働くか、漏れ電流の経路などとして作用して窒化物半導体を用いた素子の光学的及び電気的物性を低下する原因になる。
【０００６】
従って、欠陥密度が低い高品質ＧａＮエピ薄膜を得ようとする多様な研究が盛んである。
【０００７】
図４ａ及び図４ｂは従来の技術によるマスクを使った側面成長法で半導体窒化物薄膜を成長させる工程図であって、本側面成長方法は今まで広く用いられている方法であって、基板１０上部に第１窒化ガリウム薄膜１を成長させ、前記第１窒化ガリウム薄膜１１の上部にＳｉＯ2のような誘電体物質膜１２をパターニングする(図４ａ)
その後、前記パターニングされた誘電体物質膜１２を用いて第２窒化ガリウム薄膜１３を側面成長させる(図４ｂ)。
【０００８】
ここで、前記パターニングされた誘電体物質膜１２は伝播転位を遮断するマスクとして用いられ、マスクの下部に伝播される転位は側面成長する薄膜に伝播できず、マスクが存在しない領域の伝播転位１４だけ成長される薄膜表面に伝播されたり、側面成長する部分にベンディング(Bending)が発生して表面に至る欠陥の密度が減少するようになる。
【０００９】
図５ａ及び図５ｂは従来の技術によるマスクを使用せず、側面成長法で半導体窒化物薄膜を成長させる工程図であって、基板２０上部に第１窒化ガリウム薄膜２１を成長させ、前記第１窒化ガリウム薄膜２１と基板２０の一部をエッチングして、複数個の溝２２を形成する(図５ａ)。
【００１０】
その後、前記複数個の溝２２を用いて側面成長法で、第２窒化ガリウム薄膜２３を形成する(図５ｂ)。
従って、図５ｂに示したように、エッチングされた複数個の溝２２の上部に成長した第２窒素ガリウム薄膜２３は転位１７の伝播が発生しないため、欠陥密度を下げられる。
【００１１】
前述した従来の側面成長方法は、窒化ガリウム薄膜を成長させた後、誘電体物質膜を形成してパターニングし、再び窒化ガリウム薄膜を成長させたり、あるいは窒化ガリウム薄膜を成長させるエッチングした後、側面成長するなどの工程が複雑となる短所がある。
【００１２】
そして、誘電体物質膜を使用する場合、側面成長する窒化ガリウム薄膜と誘電体物質膜との間に応力が発生して成長する窒化ガリウム薄膜が傾く現象が発生する問題点がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
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、その目的は基板上部に誘電体または金属物質よりなるマスク物質膜パターンを形成し、窒化物半導体薄膜を成長させてから合体が起こる前にマスク物質膜パターンを除去し、再び側面成長を施すことによって、平坦でかつ欠陥が少なく、ボイドを有する窒化物半導体薄膜を成長させる高品質の窒化物半導体薄膜及びその成長方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
前述した本発明の目的を達成するための望ましい第１様態は、基板上部にマスク物質膜を形成し、前記マスク物質膜をエッチングして一部の基板上部面を露出させるマスク物質膜パターンを形成する第１段階と、
前記マスク物質膜パターンによって露出された基板で窒化物半導体薄膜層を成長させ、マスク物質膜パターンの上部で合体が起こる前に成長を止め、前記マスク物質膜パターンを成長した窒化物半導体薄膜層から露出させる第２段階と、
前記露出したマスク物質膜パターンをエッチングして除去した後、窒化物半導体薄膜を側面成長し続けて合体が起こるようにして、マスク物質膜パターンが存在していた領域に形成されたボイド(Void)を有し、上部面が平坦な窒化物半導体薄膜層を形成する第３段階とを含んで構成される高品質の窒化物半導体薄膜成長方法が提供される。
【００１５】
前述した本発明の目的を達成するための望ましい第２様態は、
基板の上部にマスク物質膜パターンを形成する段階と、
前記マスク物質膜パターンの中央領域を除き、前記基板上部とマスク物質膜パターンの上部に窒化物半導体薄膜層を成長させる段階と、
前記マスク物質膜パターンの中央領域を通じて前記マスク物質膜パターンをエッチングして除去する段階と、
前記窒化物半導体薄膜で側面成長させ、上部面が平坦な窒化物半導体薄膜層を形成する段階と、
前記基板を前記窒化物半導体薄膜層から離脱させる段階とを含んで構成される高品質の窒化物半導体薄膜成長方法が提供される。
【００１６】
前述した本発明の目的を達成するための望ましい第３様態は、基板と、該基板の上部に形成され、前記基板との界面にボイド(Void)パターンが形成されている窒化物半導体薄膜層を含んで構成される高品質の窒化物半導体薄膜が提供される。
【発明の効果】
【００１７】
以上述べたように、本発明は、基板の上部に誘電体または金属物質よりなるマスク物質膜パターンを形成し、窒化物半導体薄膜を成長していてから合体が起こる前にマスク物質膜パターンを除去し再び側面成長を行なうことによって、平坦でかつ欠陥が少なくボイドを有する窒化物半導体薄膜を成長することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、添付した図面に基づき本発明の望ましい実施例について説明する。
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を成長させる工程の模式図であって、基板１００の上部にマスク物質膜１１０を形成し(図１ａ)、該マスク物質膜１１０をエッチングして一部の基板１００の上部面を露出させるマスク物質膜パターン（１１０-１）を形成する(図１ｂ)。
【００１９】
この際、基板１００はシリコンカーバイド(ＳｉＣ)、サファイア(Sapphire)、ガリウム砒素(ＧａＡｓ)、シリコンとＺｎＯのうち選択されたいずれか一つの物質よりなることが望ましい。
【００２０】
そして、マスク物質膜パターン（１１０-１）はＳｉＯ2、Ｓｉ3Ｎx、ＴｉＮ、Ｗ、Ｎｉ、Ｔｉ、ＴａとＷＮxの中から選択されたいずれか一つの物質よりなる膜であるか、あるいはこれら物質の積層膜であることが望ましい。
【００２１】
また、マスク物質膜パターン１１０-１の形状は、相互離隔された四角形(図２aと図２ｂの１１０-１ａ)、三角形(図２ｃの１１０-１ｂ)、六角形(図２ｄの１１０-１ｃ)と円形(図２ｅの１１０-１ｄ)の中から選択されたいずれか一つの形態よりなるパターンに形成する。
そして、マスク物質膜パターンは１２０°に曲がった少なくとも一つ以上の節を有するパターン(図２ｆの１１０-１ｅ)で形成することもできる。
【００２２】
ここで、前記１２０°に曲がった節を有するマスク物質膜パターンの場合、窒化物半導体薄膜のうち窒化ガリウムは六方晶系なので、１２０°曲がったマスク物質膜に円滑に成長されうる。
【００２３】
そして、相互離隔された六角形(１１０-１ｃ)よりなるマスク物質膜パターンの場合、図３に示したように、相互離隔された間隔(ｄ１)を同一に形成して蜂の巣状にマスク物質膜パターンを形成することができる。
さらに、図１ｂに示したように、マスク物質膜パターン（１１０-１）の幅(Ｗ１)と基板１００の露出された領域の幅(Ｗ２)は同一に形成することもできる。
【００２４】
その後、マスク物質膜パターン（１１０-１）によって露出された基板１００で窒化物半導体薄膜層１２０を成長させ、マスク物質膜パターン（１１０-１）の上部で合体が起こる前に成長を止め、マスク物質膜パターン（１１０-１）を成長された窒化物半導体薄膜層１２０から露出させる(図１ｃ)。
【００２５】
その後、露出されたマスク物質膜パターン（１１０-１）をエッチングして除去した後、窒化物半導体薄膜１２０を側面成長し続けて合体が起こるようにして、マスク物質膜パターン（１１０-１）が存在していた領域に形成されたボイド１３０を有し、上部面が平坦な窒化物半導体薄膜層１２０を形成する(図１ｄ)。
この際、基板との界面に形成されているボイドパターンは、マスク物質膜パターンと同一な形状を有する。
【００２６】
従って、本発明に係る高品質の窒化物半導体薄膜は、図１ｄに示したように、基板１００と、基板１００の上部に形成され、基板との界面にボイドパターン１３０が形成されている窒化物半導体薄膜層１２０を含んで構成される。
【００２７】
ここで、マスク物質膜パターン（１１０-１）がシリコン酸化膜(ＳｉＯ2)よりなる場合、ＨＦ溶液またはＢＯＥ溶液に浸漬して、マスク物質膜パターン(１１０-１)を除去する。
そして、マスク物質膜パターン(１１０-１)がＮｉよりなる場合、王水(塩酸と窒酸の混合物)に浸漬して、マスク物質膜パターン（１１０-１）を除去する。
【００２８】
すなわち、本発明は、マスク物質膜パターンを湿式エッチング工程で除去する。
従って、最終的に成長される窒化物半導体薄膜層１２０は上部面が平坦であり、ボイド１３０を有する窒化物半導体薄膜層１２０が形成される。
【００２９】
それで、マスク物質膜パターンの上部に側面成長された窒化物半導体薄膜部分は、基板上に成長した窒化物半導体薄膜部分より欠陥が少なくなって、結局成長した窒化物半導体薄膜は欠陥が減少される。
【００３０】
従って、本発明は基板上部に誘電体や金属物質よりなるマスク物質膜パターンを形成し、窒化物半導体薄膜を成長させてから合体が起こる前にマスク物質膜パターンを除去し、再び側面成長を施して平坦で欠陥が少なくボイドを有する窒化物半導体薄膜を成長させる。
【００３１】
また、本発明はマスク物質膜パターンを除去することによって、マスク物質膜パターンと窒化物半導体薄膜との界面における応力を除去できて優れた結晶性の窒化物薄膜層を成長することができる。
【００３２】
さらに、一般の側面成長方法は基板上部に窒化物半導体薄膜を成長した後、マスク物質を形成したりエッチングする方式を用いる多段階工程を使用する一方、本発明は、異種基板の上部に直接にマスク物質を形成する単純な工程を行なう。
【００３３】
ひいては、本発明はボイドを有する窒化物半導体薄膜を形成することによって、これを採用した発光素子はボイド領域で光の全反射が発生しないため、放出効率を優秀にすることができる。
【００３４】
一方、図１ｄの工程後に、基板を窒化物半導体薄膜層から離脱させると、窒化物半導体薄膜層だけ残され、本発明は基板と窒化物半導体薄膜層の界面に形成されたボイドによって基板は窒化物半導体薄膜層から容易に離脱させられるようになる。
この際、ボイドとボイドとの間隔、すなわち窒化物半導体薄膜層が基板に接着されている領域の幅が微細であれば、基板を窒化物半導体薄膜層からさらによく離脱させることができる。
この場合、ボイドの面積を窒化物半導体薄膜層の面積に換算すれば、ボイドの面積は窒化物半導体薄膜層の面積の６０〜９０％であることが望ましい。
【００３５】
本発明は具体的に例についてだけ詳細に説明したが、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内に属することは当然である。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
平坦でかつ欠陥が少なくボイドを有する窒化物半導体薄膜を成長させられる高品質の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】
【００３７】
【図１】１ａないし１ｄは、本発明に係る高品質窒化物半導体薄膜を成長させる工程の摸式図である。
【図２ａ】本発明に係るマスク物質膜パターンの第１工程を示す概略平面図である。
【図２ｂ】本発明に係るマスク物質膜パターンの第２工程を示す概略平面図である。
【図２ｃ】本発明に係るマスク物質膜パターンの第３工程を示す概略平面図である。
【図２ｄ】本発明に係るマスク物質膜パターンの第４工程を示す概略平面図である。
【図２ｅ】本発明に係るマスク物質膜パターンの第５工程を示す概略平面図である。
【図２ｆ】本発明に係るマスク物質膜パターンの第６工程を示す概略平面図である。
【図３】本発明に係る蜂の巣状のマスク物質膜パターンを示した平面図である。
【図４】４ａ及び４ｂは従来の技術によるマスクを使った側面成長法で半導体窒化物薄膜を成長させる工程図である。
【図５】５ａ及び５ｂは従来の技術によるマスクを使わず側面成長法で半導体窒化物薄膜を成長させる工程図である。
【符号の説明】
【００３８】
１００ : 基板                             １１０ : マスク物質膜
１１０-１ : マスク物質膜パターン          １２０ : 窒化物半導体薄膜
１３０ : ボイド
【図１】
2005203792.tif 000003
【図２ａ】
2005203792.tif 000004
【図２ｂ】
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【図２ｃ】
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【図２ｄ】
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【図２ｅ】
2005203792.tif 000008
【図２ｆ】
2005203792.tif 000009
【図３】
2005203792.tif 000010
【図４】
2005203792.tif 000011
【図５】
2005203792.tif 000012