JP2002237458A - 窒化物半導体基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】窒化物半導体基板を低欠陥かつ厚膜で成長させ
単体基板として製造できるようにする。 【解決手段】基板上に窒化物半導体をハイドライド気相
成長法等により成長速度を変えて成長させた後、研磨に
より基板を除去する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】 本発明は、窒化物半導体か
ら成る単結晶基板の製造方法に関し、特に窒化物半導体
から異種基板を容易に除去して窒化物半導体基板を得る
製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、窒化物半導体基板は高出力ＬＥＤ
や寿命特性などの良好な素子特性を有する窒化物半導体
からなるＬＤのような発光素子、その他、受光素子や電
子デバイス等への用途が高まっている。これら窒化物半
導体は、一般式Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ
≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表される。例え
ば、窒化ガリウムは単結晶の製造が困難であるため異種
基板への成長により窒化物半導体基板とする試みがなさ
れているが、窒化ガリウムと格子整合する適当な基板が
存在しないため、後工程において異種基板を除去する方
法が検討されており、具体例としては、異種基板である
サファイア基板上に厚膜の窒化ガリウムを成長させ、そ
の後、異種基板を研磨による単結晶の製造方法が報告さ
れている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、サファ
イア基板等は、硬度が高いため研磨時に大きな応力が必
要であり、サファイア基板上の窒化ガリウムにも研磨時
の応力で欠けや割れが生じるため窒化ガリウムの単体基
板を形成するのは困難であった。また、この問題はハイ
ドライド気相成長法で成長させた窒化ガリウムの膜厚が
厚いほど、具体的には１００μｍ以上の膜厚を成長させ
た場合には、このような問題が顕著に現れていた。

【０００４】一方、研磨以外の窒化ガリウムとサファイ
アを分離する方法としては、例えば、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙ
ｓ．Ｌｅｔｔ．７２（５）, ２ Ｆｅｂｒｕａｒｙ １
９９８ ｐｐ．５９９−６０１には、サファイア基板上
に窒化ガリウムを成長させた後、この成長させた窒化ガ
リウム面をＳｉウェハにエポキシを介して固定し、サフ
ァイア／窒化ガリウム／エポキシ／Ｓｉの構造にした
後、サファイア側からＫｒｆパルスエキシマレーザを照
射して、サファイアとＧａＮとが接している共有面で分
離し、窒化ガリウムからサファイアを分離する方法が記
載されている。この方法では、レーザ照射により、窒化
ガリウムとサファイアが接触している共有面で窒化ガリ
ウムがレーザ光を吸収して窒化ガリウムの分解が生じ、
窒化ガリウムからサファイアを分離することができるも
のであるが、窒化ガリウムの分解によって発生する窒素
ガスのガス圧によりサファイアが割れ、この割れが原因
でサファイアと接触している窒化ガリウム面に欠陥が生
じる。このような欠陥傷が窒化ガリウム面にあると、例
えばマイクロクラックなどの発生を引き起こす場合があ
る。マイクロクラックが発生すると、発光素子などにお
いては寿命特性などの素子特性の低下や、歩留まりの低
下等を引き起こすことが考えられる。

【０００５】そこで、本発明の目的は、窒化物半導体を
成長させたサファイア等の異種基板を容易に除去して結
晶性のいい窒化物半導体基板を得ることのできる窒化物
半導体基板の製造方法を提供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】即ち、本発明の目的は、
下記（１）〜（５）の構成により達成することができ
る。 （１） 第１の面と第２の面とを有し窒化物半導体と異
なる材料から成る異種基板の第１の面上に、窒化物半導
体から成る第１の窒化物半導体を成長させる第１の工程
と、前記第１の工程後、前記第１の窒化物半導体上に第
２の窒化物半導体を成長させる第２の工程と、前記第２
の工程後、前記異種基板の第２の面を研磨して異種基板
を除去する第３の工程と、を備えることを特徴とする窒
化物半導体基板の製造方法。 （２） 前記第１の窒化物半導体の成長速度（Ｒ１）
と、第２の窒化物半導体の成長速度（Ｒ２）と、の比
（Ｒ１／Ｒ２）が１以上であることを特徴とする（１）
に記載の窒化物半導体基板の製造方法。 （３） 前記第１の窒化物半導体の成長速度が０．５ｍ
ｍ／時間以上であることを特徴とする（１）又は（２）
に記載の窒化物半導体基板の製造方法。 （４） 前記第１の窒化物半導体、及び／又は第２の窒
化物半導体は、ハイドライド気相成長法によって成長さ
せることを特徴とする（１）乃至（３）に記載の窒化物
半導体基板の製造方法。 （５） 前記第１の窒化物半導体は異種基板上に下地層
を介して成長させることを特徴とする（１）乃至（４）
に記載の窒化物半導体基板の製造方法。

【０００７】つまり、本発明は上記の如く、異種基板上
に成長させた窒化物半導体を単体として形成する際に、
異種基板上に窒化物半導体を少なくとも２層有すること
により異種基板を研磨する工程において、単体基板とし
て使用する範囲の窒化物半導体にクラック等を生じさせ
ることなく異種基板を除去することができる。これは、
異種基板上に成長条件の異なる窒化物半導体を成長させ
ることで、窒化物半導体同士の界面に結晶的不均一を有
するため、研磨時に生じる窒化物半導体への応力により
発生するクラック等が第２の窒化物半導体まで影響を及
ぼさず、厚膜成長した窒化物半導体を単体形成すること
ができる。

【０００８】以上のように本発明は、異種基板上に成長
させた窒化物半導体を割れが生じることなく単体形成す
るものであり、容易に異種基板の除去が可能となる。

【０００９】さらに、本発明において、異種基板上の窒
化物半導体同士の界面に結晶的な不均一をもたせる方法
としては異種基板上に成長させる第１の窒化物半導体と
第２の窒化物半導体との成長速度を変えることである。
また、第１の窒化物半導体の成長速度を第２の窒化物半
導体の成長速度よりも速くすることで、第２の窒化物半
導体との界面となる第１の窒化物半導体の界面付近で転
位欠陥がループを作ることができる。これにより、その
界面には単位面積当たりの欠陥密度が数桁、具体的には
３桁以上も減少する。

【００１０】また、上記に示すような高速度成長に好ま
しい成長方法としては、短時間で厚膜成長が可能なハイ
ドライド気相成長法を用いるのが好ましい。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態につい
て、実施例に基づき図面を参照して説明する。

【００１２】図１は、本発明の実施形態の窒化物半導体
から成る単体基板を形成するために異種基板上に下地層
を介して第１の窒化物半導体、及び第２の窒化物半導体
を成長させた後、この窒化物半導体基板の最上面となる
第２の窒化物半導体の表面を土台に貼り合わせ、さら
に、異種基板側から研磨を行うことにより異種基板部分
を取り除いた窒化物半導体から成る単体基板を形成する
ものである。また、この下地層は第１の窒化物半導体層
等の成長条件により省略することができる。以下に本発
明の各工程について具体的に説明する。

【００１３】［第１の工程］第１の工程は、図１に示さ
れるように、異種基板１上にバッファ層（図示していな
い。）、下地層２を成長させた後、第１の窒化物半導体
３を成長させる工程である。本発明において、異種基板
１としては土台に貼り合わせ研磨時に割れ等を生じない
ものであれば特に限定されないが、具体例としては、Ｃ
面、Ｒ面、及びＡ面のいずれかを主面とするサファイア
やスピネルのような絶縁性基板、その他、ＳｉＣ（６
Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む）、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、
Ｓｉ、及び窒化物半導体と格子整合する酸化物基板等を
用いることができる。

【００１４】次に異種基板１上にバッファ層を成長さ
せ、そのバッファ層上に下地層２を成長させる。バッフ
ァ層としては、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａ
Ｎ等が用いられる。バッファ層は、３００℃以上９００
℃以下の温度で、膜厚を１０オングストローム〜０．５
μｍで成長させる。このように異種基板１上にバッファ
層を９００℃以下の温度で成長させることにより異種基
板上に成長させる窒化物半導体との格子定数不正を緩和
させることができる。例えば、窒化ガリウムとサファイ
アとの格子不整合は約１６％と非常に大きいが、このバ
ッファ層を成長させることにより、表面モフォロジーの
良好な結晶性を有する基板を得ることができる。

【００１５】次にバッファ層上に下地層を成長させる。
下地層２としては窒化物半導体から成る核、または層で
あり組成式としては特に限定されず、一般式Ｉｎ_ｘＡｌ
_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ＜１）に
よって表すことができる。この下地層の成長条件として
は、キャリアガスには水素、原料ガスにはトリメチルガ
リウム等を用いることができ、成長温度はバッファ層よ
りも高温で９００℃〜１１００℃であり、下地層を核と
して成長させる場合は途中で成長を止め、また層として
成長させる場合はさらに成長を続けることでミラーを形
成させる。なお、上記バッファ層、及び下地層は基板の
種類等により省略することもできる。

【００１６】次に、前記基板上に第１の窒化物半導体を
成長させる。第１の窒化物半導体の成長速度は好ましく
は０．５ｍｍ／時間以上であり、より好ましくは１ｍｍ
／時間以上とし、上限は１００ｍｍ／時間以下とする。
この範囲であれば、第１の窒化物半導体と第２の窒化物
半導体との界面付近で結晶欠陥を減少させることができ
る。

【００１７】また、第１の窒化物半導体の膜厚としては
特に限定されず、３０μｍ以上であればよく、第１の窒
化物半導体には、アンドープの窒化物半導体、ｎ型不純
物としてＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎ及びＳ等の少なくとも一種類
をドープした窒化物半導体、又はＭｇ等のｐ型不純物を
ドープした窒化物半導体を用いることができる。さら
に、第１の窒化物半導体の組成式としては特に限定され
ず、一般式Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ、０
≦ｙ、ｘ＋ｙ＜１）によって表すことができる。

【００１８】第１の窒化物半導体３を成長させる方法と
しては気相成長法などが挙げられ、上記に示す成長速度
で窒化物半導体を成長させるにはハイドライド気相成長
法（以下、ＨＶＰＥ法と略す。）によって成長させるの
が好ましい。以下にＨＶＰＥ装置を用いた場合の成長工
程、及び成長条件を示す。

【００１９】ＨＶＰＥ装置内に、Ｇａメタルを入れた石
英ボートを設置し、さらに石英ボートから離れた位置に
第１の窒化物半導体を成長させるための基板を設置す
る。この基板は異種基板でも、窒化物半導体を成長させ
た異種基板でもよい。次にＧａメタルと反応させるハロ
ゲンガスと、ハロゲンガス供給管とは別にＮ源供給管と
を設ける。

【００２０】ハロゲンガスとしてはＨＣｌ等があり、キ
ャリアガスと共にハロゲンガス管より導入される。この
ハロゲンガスとＧａ等の金属が反応することにより３族
元素のハロゲン化物を生成させ、Ｎ源供給管より流した
アンモニアガスと反応することにより窒化物半導体を基
板上に成長させることができる。

【００２１】［第２の工程］次に、第２の工程では、第
１の工程において第１の窒化物半導体を成長させた基板
上に第２の窒化物半導体４を成長させる。第２の窒化物
半導体４としては、第１の窒化物半導体３との界面に結
晶的な不均一を有するものであればよく、例えば欠陥密
度の大幅に異なるものが挙げられる。第１の窒化物半導
体と第２の窒化物半導体との界面に欠陥密度差を有する
ことにより、後の工程において研磨時に第２の窒化物半
導体に割れを生じることなく容易に異種基板を除去する
ことができる。

【００２２】本発明では、界面に応力差を形成するため
に第１の窒化物半導体と第２の窒化物半導体との成長速
度を変えることにより、まず第１の窒化物半導体の成長
時に転位する欠陥を収束させ、第２の窒化物半導体の成
長時にループを形成することにより第１の窒化物半導体
と第２の窒化物半導体との界面には欠陥の密度差が生じ
る。この転位欠陥の密度差は単位面積当たりの差が２桁
以上あればよく、好ましくは３桁以上とする。また、界
面に応力差を生じさせるためには、その他の反応条件で
ある成長温度差などを有するものが挙げられる。

【００２３】第２の窒化物半導体としては、高速度成長
により得られた第１の窒化物半導体の表面より成長さ
せ、膜厚は薄膜として形成する場合は３０μｍ以上であ
ればよく、また、第２の窒化物半導体の成長時に転位欠
陥同士のループが形成できるものであればよい。そのた
め、ＨＶＰＥ法の他に、ＭＯＣＶＤ法やＭＢＥ法でも行
うことができる。さらに、第１の窒化物半導体と第２の
窒化物半導体との界面に結晶的な不均一を有するため
に、第２の窒化物半導体は１００μｍ以上の膜厚で成長
させても後の工程における研磨時に発生していた窒化物
半導体で、例えば窒化ガリウムＣ面方向の層状の割れを
防止することができるため、３００μｍ以上の膜厚で第
２の窒化物半導体を成長させることができる。

【００２４】また、第２の窒化物半導体には、第１の窒
化物半導体と同様にアンドープの窒化物半導体や、ｎ型
不純物、ｐ型不純物をドープした窒化物半導体を用いる
ことができる。ｎ型不純物としては、Ｓｉ、Ｇｅ、及び
Ｓ等であり、ｐ型不純物としてはＭｇ、Ｂｅ、Ｃｒ、Ｍ
ｎ、Ｃａ、Ｚｎ等が挙げられる。組成式は、一般式Ｉｎ
_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ＜
１）によって表すことができる。

【００２５】［第３の工程］次に、第２の窒化物半導体
を成長させた後、第２の窒化物半導体の最上面を土台に
貼り付けて固定させ、異種基板の第２の面側から研磨を
行うことにより、図２に示すように、異種基板を取り除
き窒化物半導体から成る単体基板を得る。

【００２６】第２の工程で得られた基板の窒化物半導体
側の最上面である第２の窒化物半導体４表面を土台に貼
り合わせる。ここで、貼り合わせに用いる共晶材料とし
てはＡｕ合金があり、具体例としてＡｕ−Ｓｎ、Ａｕ−
ＳｉやＡｕ−Ｇｅ、その他にＺｎを用いることができ、
さらに治具などで加圧することにより基板の反りを抑制
させる。

【００２７】その後、異種基板側を研磨することにより
異種基板部分を除去させる。第１の窒化物半導体と第２
の窒化物半導体との界面に応力差を有するため、異種基
板の研磨時にこの界面で異種基板側と、第２の窒化物半
導体側とを剥離させることができる。得られた第２の窒
化物半導体の剥離された面をさらに研磨することにより
平坦、かつ鏡面である窒化物半導体基板とし、さらに上
記で使用した共晶材料を加熱除去し、酸洗浄することに
より単体として得ることができる。得られた単体基板
は、単位面積あたりの欠陥数が５×１０^６個／ｃｍ^２以
下の低欠陥密度である窒化物半導体基板となる。

【００２８】

【実施例】以下に本発明の実施例を説明する。 ［実施例１］図１に示すように、異種基板１としてＣ面
を主面、オリフラ面をＡ面とするサファイア基板を用
い、ＭＯＣＶＤ装置にセットし、温度１０５０℃で１０
分間のサーマルクリーニングを行い水分や表面の付着物
を除去した。

【００２９】次に、温度を５１０℃にして、キャリアガ
スに水素、原料ガスにアンモニアとトリメチルガリウム
を用い、ＧａＮより成るバッファー層を２００オングス
トロームの膜厚で成長させた。

【００３０】その後、下地層２としてＧａＮから成り平
坦性を有する層を成長温度１０５０℃で膜厚２０μｍで
形成した。本実施例では、成長時のキャリアガスとして
水素を２０．５Ｌ／分、原料ガスとしてアンモニアを５
Ｌ／分、トリメチルガリウムを２５ｃｃ／分間、流し
た。

【００３１】下地層２を成長後、ハイドライド気相エピ
タキシャル成長装置にセットし、Ｇａメタルを石英ボー
トに用意し、ハロゲンガスにＨＣｌガスを用いることに
よりＧａＣｌ_３を生成し、次に、Ｎガスであるアンモニ
アガスと反応させ、アンドープＧａＮよりなる第１の窒
化物半導体３を成長させた。第１の窒化物半導体の成長
温度としては１０００℃であり、成長速度を１ｍｍ／ｈ
ｏｕｒとして、膜厚１００μｍで成長させた。

【００３２】次に、第１の窒化物半導体３上に、第２の
窒化物半導体４を第１の窒化物半導体と同様にＨＶＰＥ
装置において成長させた。成長条件としては、成長温度
を第２の窒化物半導体３と同温とし、第２の窒化物半導
体の成長速度を５０μｍ／ｈｏｕｒで膜厚は３００μｍ
で成長させた。

【００３３】以上により得られた第２の窒化物半導体の
表面は平坦かつ鏡面となり、図３に示すようにＣＬ観察
によると貫通転位密度は単位面積あたり約１×１０^６個
／ｃｍ^２であり、低欠陥である窒化物半導体基板を形成
することができた。

【００３４】次に、上記窒化物半導体の最上面である第
２の窒化物半導体面を共晶材料にＡｕ−Ｓｎを用い土台
となるサファイア基板に貼り合わせ、加圧することによ
り反りを緩和させた。その後、窒化物半導体のサファイ
ア基板側から研磨加工を行うことにより、サファイア基
板を除去した。研磨時に発生するＧａＮのＣ面方向の層
状の割れは第１の窒化物半導体と第２の窒化物半導体と
の界面で抑制されるため、サファイア基板を取り除いた
後、さらに研磨を行い第１の窒化物半導体を除去するこ
とにより、第２の窒化物半導体の第１の窒化物半導体と
の界面側（以下、第２の窒化物半導体の第２面と示
す。）を平坦化し鏡面を得ることができた。この第２の
窒化物半導体の第２面のＣＬ観察図を図４に示す。

【００３５】［実施例２］実施例１において、図１に示
すようにＣ面を主面としたサファイア基板１上に下地層
２を核として膜厚を０．５μｍで成長させた他は第１の
窒化物半導体３、及び第２の窒化物半導体４を実施例１
と同様の条件で成長させ窒化物半導体基板を得た。得ら
れた窒化物半導体基板はＣＬ方法により観察すると、実
施例１と同様に結晶欠陥が４×１０^６／ｃｍ^２程度の低
欠陥である窒化物半導体基板となる。

【００３６】次に、得られた窒化物半導体基板を土台に
貼り合わせ、サファイア基板側から研磨を行うことによ
り、実施例１と同様に第２面も鏡面を有する単体基板が
得られる。

【００３７】

【発明の効果】以上より本発明の単体基板の製造方法で
は、窒化物半導体に滑りを生じることなく、低欠陥かつ
厚膜である単体基板を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態を示す窒化物半導体の模
式断面図である。

【図２】本発明の一実施の形態を示す窒化物半導体の模
式断面図である。

【図３】本発明の実施例１におけるＣＬ写真である。

【図４】本発明の実施例１におけるＣＬ写真である。

【符号の簡単な説明】

１・・・異種基板 ２・・・下地層 ３・・・第１の窒化物半導体 ４・・・第２の窒化物半導体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5F041 AA40 AA41 CA40 CA46 CA65 5F045 AA04 AB09 AB14 AB17 AB18 AC08 AC12 AC13 AD07 AD08 AD09 AD10 AD11 AD12 AD13 AD14 AD15 AF02 AF03 AF04 AF06 AF09 BB09 BB12 DA53 DA67 DQ06 EB13 EE12 GH09 HA11

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１の面と第２の面とを有し窒化物半導
   体と異なる材料から成る異種基板の第１の面上に、窒化
   物半導体から成る第１の窒化物半導体を成長させる第１
   の工程と、前記第１の工程後、前記第１の窒化物半導体
   上に第２の窒化物半導体を成長させる第２の工程と、前
   記第２の工程後、前記異種基板の第２の面を研磨して異
   種基板を除去する第３の工程と、を備えることを特徴と
   する窒化物半導体基板の製造方法。
2. 【請求項２】 前記第１の窒化物半導体の成長速度（Ｒ
   １）と、第２の窒化物半導体の成長速度（Ｒ２）と、の
   比（Ｒ１／Ｒ２）が１以上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基板の製造方法。
3. 【請求項３】 前記第１の窒化物半導体の成長速度が
   ０．５ｍｍ／時間以上であることを特徴とする請求項１
   又は２に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
4. 【請求項４】 前記第１の窒化物半導体、及び／又は第
   ２の窒化物半導体は、ハイドライド気相成長法によって
   成長させることを特徴とする請求項１乃至３に記載の窒
   化物半導体基板の製造方法。
5. 【請求項５】 前記第１の窒化物半導体は異種基板上に
   下地層を介して成長させることを特徴とする請求項１乃
   至４に記載の窒化物半導体基板の製造方法。