专利名称：Semiconductor substrate, semiconductor element, light emitting element and ...的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体基板、半导体元件、发光元件以及电子元件。
背景技术：
目前，利用13族元素氮化物即A1N、GaN, InN及其混晶相的PN结的氮化物系LED 被广泛地实用化。已知由于氮化物类LED为无机物且材料的键能高，所以寿命长、内部发 光效率(内部量子效率)高达90%。这些氮化物类LED大多在蓝宝石、碳化硅等高价单晶 基板上使用量产性低的有机金属化学气相沉积法(M0CVD法)而量产。由此，作为面光源使 用，价格高，一直专门作为点光源来使用。另一方面，作为面光源，已知有机EL元件(例如，参考专利文献1)。由于有机EL 元件能够使用价格低的塑料基板、玻璃基板作为起始材料，因此能够降低元件的价格，能够 用作面光源。并且，也希望用作能够弯曲的发光元件或用于照明。专利文献1 日本特开2008-21480号公报。但是，由于构成有机EL的发光层为有机物，因此，存在耐热性差、寿命短的问题。 并且，发光效率也比氮化物类LED低。
发明内容
鉴于以上情况，本发明的目的在于，提供一种价格低、寿命长、发光效率高且能够 弯曲的半导体基板、半导体元件、发光元件以及电子元件。为了达成上述目的，本发明的半导体基板的特征在于，具有具有耐热性和对于 外力的可挠性的石墨基板和设于所述石墨基板上且由13族元素氮化物构成的第一半导体层。根据本发明，由于包括具有耐热性和对于外力的可挠性的石墨基板和设于所述石 墨基板上且由13族元素氮化物构成的第一半导体层，因此，在石墨基板上形成第一半导体 层时，能够使用脉冲溅射沉积法(〃“义^ ,夕堆積法)等方法，能够廉价地制造。另外， 由于13族元素氮化物是无机物，因此寿命长、能够得到高发光效率。而且，由于石墨基板具 有对于外力的可挠性，因此能够弯曲。由此，能够得到价格低、寿命长、发光效率高且能够弯 曲的半导体基板。所述半导体基板的特征在于，所述石墨基板含有烧结的聚合物(7 —)。根据本发明，由于石墨基板含有烧结的聚合物，因此耐热性高，能够因外力而容易 弯曲。由于能够在高温下进行处理，因此，能够进行脉冲溅射沉积法、有机金属化学气相沉 积法、分子束外延生长法等高温下的处理。所述半导体基板的特征在于，所述石墨基板的厚度在ΙΟΟμπι以下。根据本发明，由于石墨基板的厚度在ΙΟΟμπι以下，因此对于外力具有极其优良的
可挠性。所述半导体基板的特征在于，进一步具有设于所述石墨基板与所述第一半导体层
3之间且至少含有HfN(氮化铪)及(氮化锆)中的任一个的第二半导体层。已知HfN及ZrN具有高的光反射率。根据本发明，由于在石墨基板与第一半导体 层之间进一步具有至少含有HfN及中的任一个的第二半导体层，因此能够通过该第二 半导体层反射光。由此，在将第一半导体层作为发光层使用时，能够提高来自该发光层的光 的利用率。所述半导体基板的特征在于，进一步具有设于所述石墨基板与所述第一半导体层 之间且含有AlN(氮化铝)的第三半导体层。根据本发明，由于在石墨基板与第一半导体层之间进一步具有含有AlN的第三半 导体层，因此能够使第一半导体层的晶粒大小(^ X 4 * )增大。由此，能够提高第 一半导体层的电学特性，特别是，在将第一半导体层作为发光层使用时，也能够提高第一半 导体层的光学特性。本发明的半导体元件的特征在于，具有所述半导体基板。根据本发明，能够得到具有价格低、寿命长、发光效率高且能够弯曲的半导体基板 的半导体元件，该半导体元件能够利用于比现在更广泛的领域。本发明的发光元件的特征在于，具有所述半导体元件。根据本发明，能够廉价地得到柔软且可面发光的寿命长的元件。本发明的电子元件的特征在于，具有所述半导体元件。根据本发明，能够廉价地得到柔软且电学特性好的元件。根据本发明，能够得到价格低、寿命长、发光效率高且能够弯曲的半导体基板、半 导体元件、发光元件以及电子元件。
图1是表示本发明实施方式的半导体基板结构的图。图2是表示&N的光反射率的曲线图。图3是表示的光反射率与反射波长的对应关系的图。图4是表示本实施方式的溅射装置结构的图。图5是本发明第一实施例的散热片的XRD测定曲线图。图6(a)及(b)是本发明第一实施例的散热片表面的SEM像。图7是本发明第二实施例的石墨层及AlN层的XRD测定曲线图。图8是本发明第二实施例的AlN层的EBSD测定图。图9是本发明第二实施例的AlN层的EBSD极点图。图10是本发明第二实施例的石墨层及GaN层的XRD测定曲线图。图11是本发明第二实施例的GaN层表面的SEM像。图12是本发明第二实施例的GaN层的EBSD测定图。图13(a)及(b)是本发明第二实施例的GaN层的EBSD极点图。图14是表示本发明第二实施例的GaN层在室温下的PL测定结果的曲线图。图15是表示现有的GaN层在室温下的PL测定结果的曲线图。图16是本发明第三实施例的HfN层表面的SEM像。图17是本发明第三实施例的石墨层及HfN层的XRD测定曲线图。
图18是本发明第三实施例的GaN层表面的SEM像。图19是本发明第三实施例的GaN层的EBSD极点图。附图标记说明1半导体基板；2散热片；3缓冲层；4半导体薄膜；10溅射装置；11腔；12基 板电极；13靶电极；13a靶；14直流电源；15控制部；16氮供给源；17加热装置。
具体实施例方式图1是表示本实施方式的半导体基板1的结构的图。如图1所示，半导体基板1构成为在散热片2上设有缓冲层3，在该缓冲层3上层 叠有半导体层4。该半导体基板1搭载于发光元件、电子元件等。散热层2例如由将聚恶二唑(水°〗J才*寸”飞、/一义)等聚合物在约3000°C左右 烧结而制成的石墨膜构成。该石墨膜在膜面内方向上具有约1700W/(m*K)左右的导热率， 该导热率是Cu的4倍左右。另外，由于耐热性高，因此在高温下也能够进行处理。进一步， 在膜面内方向上具有5 X 10_5S/Cm左右的高导电率。由于该石墨膜薄至具有25 100 μ m左右的厚度，因此具有对于外力的可挠性。因 此能够弯曲。石墨层2能够实现50cm2以上的大面积化。缓冲层3是例如由氮化锆(ZrN(Ill))构成的层，介于散热片2与半导体层4之间。 图2是表示氮化锆的光反射率的曲线图。曲线图的横轴表示波长，曲线图的纵轴表示光反 射率。图3是表示氮化锆的光反射率与该光的波长的对应关系的表格。如图2及图3所示，在氮化锆中蓝色光的波长范围即470nm的光反射率为65. 6%。 由此，在由氮化锆构成的缓冲层3中，当照射蓝色光时，能够反射大致65%以上的光。半导体层4是例如由13族元素氮化物半导体构成的半导体层。作为13族元素氮 化物，例如列举GaN(氮化镓)、A1N(氮化铝)、InN(氮化铟)等，由通式Ιη^ε γΝ^来表示 (0彡X彡1， 彡Y彡1， 彡Χ+Υ彡1)来表示。图4是表示所述半导体层4及缓冲层3的制造装置即溅射装置的结构的图。如图4所示，溅射装置10是以腔11、基板电极12、靶电极13、直流电源14、电源控 制部15、氮供给源16、加热装置17为主体而构成的。腔11被设置为能够对外界密闭。腔11内的压力能够利用未图示的真空泵等进行 减压。基板电极12配置于腔11内，能够保持所述散热片2。靶电极13在腔11内与基板电极12面对而设置，能够保持靶13a。靶13a例如由 Zr (锆)或其合金构成。直流电源14分别与基板电极12及靶电极13电连接，是向基板电极12与靶电极 13之间施加直流电压的电源。控制部15连接于直流电源14，进行关于直流电源14动作时机的控制。利用控制 部15能够向基板电极12与靶电极13之间施加脉冲电压。氮供给源16例如通过供给管等连接于腔11内，向腔11内供给氮气。虽然未图示， 但除了氮供给源16之外，还设有向腔11内供给氩气的氩气供给源。加热装置17例如固定于基板电极12，能够调节基板电源12上的散热片2周围的温度。下面，对使用所述溅射装置10来制造本实施方式的半导体基板1的工序进行说 明。在本实施方式中，列举说明向基板与靶之间施加脉冲直流电压的PSD法(脉冲溅射沉 积法)。特别是在本实施方式中，由于在可大面积化的散热片2上形成半导体薄膜，因此进 行PSD法的意义重大。首先，向腔11内供给氩气，从氮供给源16向腔11内供给氮气。在利用氩气及氮 气使腔11内达到规定的压力后，将散热片2保持于基板电极12，将靶13a设置在靶电极13 上。在将散热片2及靶13a配置之后，通过加热装置17调节散热片2周围的温度。在 调节散热片2周围的温度之后，向基板电极12与靶电极13之间施加直流脉冲电压。在施加脉冲电压期间，利用氩气产生等离子，并冲撞靶13a。构成靶13a的&原子 获得该冲撞能量而被释放至腔11内。该具有高能量的&原子被供给至散热片2上。在散 热片2的表面，腔11内的氮成为氮自由基(窒素，^力> )。具有高能量的ττ原子被大量供给至散热片2上，散热片2的表面处于富含金属的 状态。在富含金属的状态下，散热片2上的&原子迁移至稳定的晶格位置。迁移至稳定的 晶格位置的&原子与腔11内的活化的氮自由基发生反应生成金属氮化物(&Ν)晶体。在 向基板电源12与靶电极13之间每次施加直流脉冲电压时，都会沉积晶体结构稳定的&Ν。其后，在所形成的缓冲层3上，通过同样的方法形成半导体层4。这样，就完成了图 1所示的半导体基板1。根据本实施方式，在由能够在高温下进行处理的石墨膜构成的散热片2上形成半 导体层4时，由于能够使用脉冲溅射沉积法等方法，因此能够廉价地制造。另外，由于13族 元素氮化物是无机物，因此寿命长，能够得到高发光效率。另外，由于散热片2具有对于外 力的可挠性，因此能够弯曲。由此，能够得到价格低、寿命长、发光效率高且能够弯曲的半导 体基板。本发明的技术范围并非限定于所述实施方式，在不脱离本发明意图的范围内能够 加以适当变更。例如，在所述实施方式中，散热片2作为本发明的“具有耐热性和对于外力的可挠 性的石墨基板”的一例，由将聚恶二唑等聚合物在约3000°C左右烧结而制成的石墨膜构成， 但是，并非限定于此。例如，只要是基板的一面为石墨结构，并且在除石墨外的基板上层叠 石墨层而构成的具有耐热性和对于外力的可挠性的基板即可。另外，只要是耐热温度能够 在600°C以上，优选在1200°C以上，更优选在2000°C以上，并且向基板的两端施加外力时弯 曲角度能够在120°以下，优选在90°以下，更优选在60°以下的石墨基板即可。另外，本 发明的“具有耐热性和对于外力的可挠性的石墨基板”特别优选为，具有通过将聚合物热分 解而石墨化的方法制成的接近单晶的结构，并且具有高导热性和对于外力的可挠性等特点 而作为导热片来使用的石墨膜。另外，在所述实施方式中，使用脉冲溅射法形成缓冲层3及半导体层4，但并非限 定于此，例如，也可采用包含PLD法(脉冲激光溅射沉积法)、PED法(脉冲电子束沉积法) 在内的PXD法(脉冲激励沉积法)、有机金属生长法、分子束外延生长法等其他薄膜形成方法。
另外，在所述实施方式中，作为一例，在散热片2上形成由&N(111)构成的缓冲层 3，但并非限定于此，例如也可以形成由HfN(Ill)构成的缓冲层3。另外，也可以不形成缓 冲层3而在散热片2上直接生长半导体层4，还可以层叠半导体层4 (例如GaN层/AlN层/ 石墨等)ο第一实施例下面，对本发明的第一实施例进行说明。在本实施例中，对所述实施方式中使用的 散热片2，进行了 XRD测定以及电子显微镜(SEM)的观察。图5是表示对所述实施方式中说明的散热片2进行XRD测定的结果的曲线图。如图5所示，构成散热片2的石墨对(002)及(004)显示出强烈的取向，可以说是 优质单晶。图6(a)及图6(b)是所述实施方式中说明的散热片2表面的电子显微镜照片。图 6(b)是将图6(a)的晶粒中的一个放大拍摄的照片。如图6 (a)所示，石墨的晶粒大小在10 μ m以上，可知其结晶度高。如图6(b)所示， 表面未见凹凸，可知其平坦。从图5及图6的结果来看，由于使用聚合物烧结石墨作为散热片2的材料，因此， 作为半导体薄膜的晶体生长的基底基板具有优良的特性。第二实施例在本实施例中，通过所述实施方式的方法(脉冲溅射法)在散热片2上形成AlN 层，进一步在该AlN层上形成GaN层。在AlN生长时，温度加热到1000 1200°C左右，加热 时间为30 60min左右。在GaN生长时，温度加热到650 750°C左右，加热时间为60 120min 左右。 对于如此制作出的半导体基板(GaN/AIN/石墨)，利用反射高能电子衍射 (RHEED)、X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、电子背散射衍射(EBSD)、光致发光(PL) 的评价法来进行评价。图7是表示石墨层及AlN层的XRD测定结果的曲线图。如图7所示，石墨层沿(002)方向生长，AlN层沿(0002)方向生长，可见AlN层显 示出c轴取向性。图8是AlN层的EBSD测定图。如图8所示，在AlN层上形成有很多晶粒大小在Ιμπι以上的晶体。图9是AlN层一部分的{10-12} EBSD极点图。如图9所示，在正六边形的顶点上可见明确的图案。从中可知AlN层的良好的结晶度。图10是表示石墨层及GaN层的XRD测定结果的曲线图。如图10所示，GaN层与AlN层同样，沿(0002)方向生长，可见其显示出c轴取向性。图11是GaN层表面的SEM像。如图11所示，GaN层的表面未见特别大的凹凸，可知其形成比较平坦的表面。图12是GaN层的EBSD测定图。如图12所示，在GaN层上形成有很多晶粒大小在1 μ m以上的晶体。
图13是GaN层的EBSD极点图。图13(a)是GaN层一部分的{10-12}EBSD极点图。 图13(b)是GaN层其他部分的{10-12} EBSD极点图。如图13(a)及图13(b)所示，在正六边形的顶点上可见明确的图案。从中可知，各 个晶粒都有高结晶度。图14是表示GaN层在室温下的PL测定结果的曲线图。图15是表示现有的用 MOCVD来制作的GaN层在室温下的PL测定结果的曲线图。在两图中，纵轴为PL强度，横轴 为发光能量。如图14所示，通过本实施例得到的GaN层在发光能量为3. 4eV附近可以确认很强 的峰值。经测定，该峰值的半幅值为63meV。如图15所示，现有的GaN基板在发光能量为 3. 4eV附近可以确认很强的峰值。经测定，该峰值的半幅值为66meV。将图14与图15的结 果进行比较便知，通过本实施例得到的GaN层的发光特性与现有的GaN基板的发光特性相 比相等或在其以上。第三实施例在本实施例中，通过所述实施方式的方法(脉冲溅射法)在散热片2上形成HfN 层，进一步在该HfN层上形成GaN层。在HfN生长时，温度加热到1000 1200°C左右，加热 时间为30 60min左右。在GaN生长时，温度加热到650 750°C左右，加热时间为60 120min 左右。对于如此制作出的半导体基板(GaN/HfN/石墨)，利用X射线衍射(XRD)、扫描电 子显微镜(SEM)、电子背散射衍射(EBSD)的评价法来进行评价。图16是HfN层表面的SEM像。如图16所示，HfN层的表面未见特别大的凹凸，可知其形成比较平坦的表面。图17是表示石墨层及HfN层的XRD测定结果的曲线图。如图17所示，石墨层沿(002)方向生长，HfN层沿(111)方向生长。从该结果可 知，HfN层的结晶度良好，在石墨基片上能够生长具有高(111)取向性的HfN薄膜。图18是GaN层表面的SEM像。如图18所示，GaN层的表面未见特别大的凹凸，可知其形成比较平坦的表面。图19是GaN层的其他部分的{10-12} EBSD极点图。如图19所示，在正六边形的顶点上可见明确的图案。从中可知，各个晶粒都有高
结晶度。并且可知，通过使用HfN层，在石墨基片上能够生长优质的GaN薄膜。本申请基于2008年2月21日在日本申请的特愿2008-039672号要求优先权，这 里引用其内容。
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权利要求
一种半导体基板，其特征在于，具有石墨基板，其具有耐热性和对于外力的可挠性；和第一半导体层，其设于所述石墨基板上且由13族元素氮化物构成。
2.根据权利要求1所述的半导体基板，其特征在于，所述石墨基板含有烧结的聚合物。
3.根据权利要求1或2所述的半导体基板，其特征在于，所述石墨基板的厚度在 100 μ m以下。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的半导体基板，其特征在于，进一步具有设于所述 石墨基板与所述第一半导体层之间且至少含有HfN和中任一个的第二半导体层。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的半导体基板，其特征在于，进一步具有设于所述 石墨基板与所述第一半导体层之间且含有AlN的第三半导体层。
6.一种半导体元件，其特征在于，具有权利要求1至5中任一项所述的半导体基板。
7.一种发光元件，其特征在于，具有权利要求6所述的半导体元件。
8.一种电子元件，其特征在于，具有权利要求6所述的半导体元件。
全文摘要
文档编号H01L21/203GK101952984SQ20098010529
公开日2011年1月19日 申请日期2009年2月20日 优先权日2008年2月21日
发明者Fujioka Hiroshi 申请人:Kanagawa Kagaku Gijutsu Akad