JP2002343717A - 半導体結晶の製造方法 - Google Patents
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 基板と窒化物系化合物半導体結晶との格子不
整合により生じる歪による、基板を除去した後に窒化物
系化合物半導体結晶に形成されるそりを防止する。 【解決手段】 サファイア基板１の上に、ＧａＮ層２、
ＡｌＧａＮ層３を順次形成した上で基板から分離するこ
とにより、ＧａＮ層２に蓄積されたそりを生じさせる応
力がＡｌＧａＮ層３によって相殺され、そりのない自立
した窒化物系化合物半導体結晶を得ることができる。
整合により生じる歪による、基板を除去した後に窒化物
系化合物半導体結晶に形成されるそりを防止する。 【解決手段】 サファイア基板１の上に、ＧａＮ層２、
ＡｌＧａＮ層３を順次形成した上で基板から分離するこ
とにより、ＧａＮ層２に蓄積されたそりを生じさせる応
力がＡｌＧａＮ層３によって相殺され、そりのない自立
した窒化物系化合物半導体結晶を得ることができる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体結晶、特に
短波長レーザや高温動作トランジスタ等に用いられる窒
化物系化合物半導体結晶の製造方法に関するものであ
る。
短波長レーザや高温動作トランジスタ等に用いられる窒
化物系化合物半導体結晶の製造方法に関するものであ
る。
【０００２】
【従来の技術】一般式がＢxＡｌyＧａzＩｎ1-x-y-zＮ
（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、０≦ｘ＋ｙ＋
ｚ≦１）で表される窒化物系化合物半導体は、紫外から
可視域におよぶ広範なバンドギャップエネルギーを有
し、発光・受光デバイス用半導体材料として有望であ
る。
（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、０≦ｘ＋ｙ＋
ｚ≦１）で表される窒化物系化合物半導体は、紫外から
可視域におよぶ広範なバンドギャップエネルギーを有
し、発光・受光デバイス用半導体材料として有望であ
る。
【０００３】ＧａＡｓやＩｎＰに代表される通常のＩＩ
Ｉ−Ｖ族化合物半導体と異なり、ＧａＮを代表とする窒
化物系化合物半導体の場合、良質で大面積の窒化物系化
合物半導体基板の入手が困難であるため、通常はサファ
イアやＳｉＣ等の格子定数の異なる異種基板の上に結晶
成長される。
Ｉ−Ｖ族化合物半導体と異なり、ＧａＮを代表とする窒
化物系化合物半導体の場合、良質で大面積の窒化物系化
合物半導体基板の入手が困難であるため、通常はサファ
イアやＳｉＣ等の格子定数の異なる異種基板の上に結晶
成長される。
【０００４】例えば、サファイア基板の上にｎ型、ｐ型
の窒化物系化合物半導体結晶を順次成長してｐｎ接合型
の発光デバイスを作製する場合を考える。サファイアは
電気的に絶縁体であるため、ｎ側の電極はサファイア基
板裏面に形成することができず、窒化物系化合物半導体
結晶の表面側から形成する必要が生じる。このため作製
プロセスが複雑になるという問題があった。
の窒化物系化合物半導体結晶を順次成長してｐｎ接合型
の発光デバイスを作製する場合を考える。サファイアは
電気的に絶縁体であるため、ｎ側の電極はサファイア基
板裏面に形成することができず、窒化物系化合物半導体
結晶の表面側から形成する必要が生じる。このため作製
プロセスが複雑になるという問題があった。
【０００５】また、基板にＳｉＣを用いた場合には、Ｓ
ｉＣ基板が導電性であっても、ＳｉＣ基板と窒化物系化
合物半導体結晶の界面に電位障壁が形成されやすいため
ＳｉＣ基板裏面にｎ電極を形成しても動作電圧が高くな
るという問題があった。このような事情から、サファイ
アやＳｉＣ等の基板の上に窒化物系化合物半導体結晶を
形成した後、窒化物系化合物半導体結晶を基板から分離
して自立した窒化物系化合物半導体結晶を得る試みがな
されている。
ｉＣ基板が導電性であっても、ＳｉＣ基板と窒化物系化
合物半導体結晶の界面に電位障壁が形成されやすいため
ＳｉＣ基板裏面にｎ電極を形成しても動作電圧が高くな
るという問題があった。このような事情から、サファイ
アやＳｉＣ等の基板の上に窒化物系化合物半導体結晶を
形成した後、窒化物系化合物半導体結晶を基板から分離
して自立した窒化物系化合物半導体結晶を得る試みがな
されている。
【０００６】以下、図面を参照しながら、この従来の窒
化物系化合物半導体結晶の製造方法について説明する。
化物系化合物半導体結晶の製造方法について説明する。
【０００７】従来の窒化物系化合物半導体結晶の製造方
法は、図２に示すように、まず、直径２インチ、厚さ４
００μｍ、主面の面方位（０００１）のサファイア基板
１を有機金属気相成長（以下、ＭＯＣＶＤという）反応
炉に搬入し、水素雰囲気で約１１００℃に昇温し１０分
間保持して、サファイア基板１の表面をクリーニングす
る。次に、基板温度を約５５０℃まで下げて、アンモニ
アとトリメチルガリウムを反応炉に導入し約２００Åの
薄いＧａＮバッファー層（図示せず）を成長した後、一
旦トリメチルガリウムの供給を止めて水素とアンモニア
雰囲気で基板温度を約１０５０℃に昇温した後、再びト
リメチルガリウムを供給し、ＧａＮ層２を１０μｍ成長
する（図２（ａ））。続いて、ウエハを反応炉から取り
出し、加熱ステージの上でウエハを約６００℃に保持し
た状態でサファイア基板１の側からＹＡＧ３倍高調波
（波長３５５ｎｍ）のパルスレーザ光４を照射する（図
２（ｂ））。サファイアは３５５ｎｍの波長の光を透過
するがＧａＮはこれを強く吸収するため、ＧａＮ層２の
サファイア基板１と接する領域が光吸収による局所的な
温度上昇を起こし、ついには金属Ｇａと窒素ガスに分解
され、サファイア基板との結合が切断される。パルスレ
ーザ光４をウエハ全面に渡って走査することにより、直
径２インチのＧａＮ層２をサファイア基板１から完全に
分離することができる（図２（ｃ））。
法は、図２に示すように、まず、直径２インチ、厚さ４
００μｍ、主面の面方位（０００１）のサファイア基板
１を有機金属気相成長（以下、ＭＯＣＶＤという）反応
炉に搬入し、水素雰囲気で約１１００℃に昇温し１０分
間保持して、サファイア基板１の表面をクリーニングす
る。次に、基板温度を約５５０℃まで下げて、アンモニ
アとトリメチルガリウムを反応炉に導入し約２００Åの
薄いＧａＮバッファー層（図示せず）を成長した後、一
旦トリメチルガリウムの供給を止めて水素とアンモニア
雰囲気で基板温度を約１０５０℃に昇温した後、再びト
リメチルガリウムを供給し、ＧａＮ層２を１０μｍ成長
する（図２（ａ））。続いて、ウエハを反応炉から取り
出し、加熱ステージの上でウエハを約６００℃に保持し
た状態でサファイア基板１の側からＹＡＧ３倍高調波
（波長３５５ｎｍ）のパルスレーザ光４を照射する（図
２（ｂ））。サファイアは３５５ｎｍの波長の光を透過
するがＧａＮはこれを強く吸収するため、ＧａＮ層２の
サファイア基板１と接する領域が光吸収による局所的な
温度上昇を起こし、ついには金属Ｇａと窒素ガスに分解
され、サファイア基板との結合が切断される。パルスレ
ーザ光４をウエハ全面に渡って走査することにより、直
径２インチのＧａＮ層２をサファイア基板１から完全に
分離することができる（図２（ｃ））。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の方法では以下に示す課題があった。すなわち、サフ
ァイア基板１から分離されたＧａＮ層２はサファイア基
板側に向かって凹形状に大きくそりを生じてしまうとい
う課題があった。
来の方法では以下に示す課題があった。すなわち、サフ
ァイア基板１から分離されたＧａＮ層２はサファイア基
板側に向かって凹形状に大きくそりを生じてしまうとい
う課題があった。
【０００９】ＧａＮ層２にそりが生じるメカニズムを図
３を用いて説明する。図３はサファイア（０００１）基
板とＧａＮ（０００１）の界面における原子配列の関係
を示す説明図である。一般にサファイアのａ軸方向の格
子定数は４．７５８Å、ＧａＮのａ軸方向の格子定数は
３．１８６Åであるとされているが、サファイア基板１
とＧａＮ層２の界面に平行な面内での結晶方位を考える
と、図３に示すようにサファイア基板１の［１１−２
０］方向とＧａＮ層２の［１１−２０］方向とは３０°
の角度をなしていることが知られている（ここで、結晶
方位を表す表記［１１−２０］の中の−２は、数字２の
上にバーを付した表記と同一のものを表すものとし、以
下この規則に従って結晶方位を記述するものとす
る。）。このため、サファイア基板１の格子定数は実質
的には２．７４７Åと見なされ、ＧａＮの格子定数３．
１８６Åよりも小さくなる。この結果、ＧａＮ層２は結
晶成長中、サファイア基板１から強い圧縮歪を受ける。
この圧縮歪を緩和するためにＧａＮ層２にはその成長初
期に多数の結晶欠陥が生成される。そしてこの結晶欠陥
はＧａＮ層２の成長と共に減少してく。発明者らの実験
によれば、ＧａＮ層２の最初の約３０００Åの領域に１
０10ｃｍ-2以上の高密度の結晶欠陥が形成され、それ以
降欠陥密度は急速に減少してほぼ一定の約３×１０9ｃ
ｍ-2程度の値に落ち着いた。この状況は、巨視的に見る
と結晶欠陥の多い成長初期のＧａＮ層２はその格子定数
がＧａＮの本来の格子定数よりも小さい値、言い換える
と、よりサファイアの格子定数に近い値を持ち、成長が
進むにつれてＧａＮ本来の格子定数に近づくことを意味
している。このため、パルスレーザ照射によってサファ
イア基板１とＧａＮ層２を分離してＧａＮ層２を自立し
た状態にすると、図２（ｃ）に示したようにＧａＮ層２
はサファイア基板側に凹の形状でそりを生じてしまう。
直径２インチのウエハにおけるそり量（図２（ｃ）にｈ
で示した高さ）は約５ｍｍにも達していた。このような
そりが生じると、自立したＧａＮ層２のハンドリングや
加工が困難になるという問題が生じていた。また、自立
したＧａＮ層２は、その上に別の窒化物系化合物半導体
結晶を成長するための基板として用いることも考えられ
るが、上述のようなそりが存在すると、結晶成長炉の中
で均一に温度を上げることが困難となり、均一な結晶成
長が困難になるという課題があった。また、上述のよう
にＧａＮ層２にはこのようなそりを生じる力が内在する
ため、パルスレーザ光４の走査中にＧａＮ層２が割れ、
大面積の自立したＧａＮ層２を得ることが困難となると
いう問題もあった。
３を用いて説明する。図３はサファイア（０００１）基
板とＧａＮ（０００１）の界面における原子配列の関係
を示す説明図である。一般にサファイアのａ軸方向の格
子定数は４．７５８Å、ＧａＮのａ軸方向の格子定数は
３．１８６Åであるとされているが、サファイア基板１
とＧａＮ層２の界面に平行な面内での結晶方位を考える
と、図３に示すようにサファイア基板１の［１１−２
０］方向とＧａＮ層２の［１１−２０］方向とは３０°
の角度をなしていることが知られている（ここで、結晶
方位を表す表記［１１−２０］の中の−２は、数字２の
上にバーを付した表記と同一のものを表すものとし、以
下この規則に従って結晶方位を記述するものとす
る。）。このため、サファイア基板１の格子定数は実質
的には２．７４７Åと見なされ、ＧａＮの格子定数３．
１８６Åよりも小さくなる。この結果、ＧａＮ層２は結
晶成長中、サファイア基板１から強い圧縮歪を受ける。
この圧縮歪を緩和するためにＧａＮ層２にはその成長初
期に多数の結晶欠陥が生成される。そしてこの結晶欠陥
はＧａＮ層２の成長と共に減少してく。発明者らの実験
によれば、ＧａＮ層２の最初の約３０００Åの領域に１
０10ｃｍ-2以上の高密度の結晶欠陥が形成され、それ以
降欠陥密度は急速に減少してほぼ一定の約３×１０9ｃ
ｍ-2程度の値に落ち着いた。この状況は、巨視的に見る
と結晶欠陥の多い成長初期のＧａＮ層２はその格子定数
がＧａＮの本来の格子定数よりも小さい値、言い換える
と、よりサファイアの格子定数に近い値を持ち、成長が
進むにつれてＧａＮ本来の格子定数に近づくことを意味
している。このため、パルスレーザ照射によってサファ
イア基板１とＧａＮ層２を分離してＧａＮ層２を自立し
た状態にすると、図２（ｃ）に示したようにＧａＮ層２
はサファイア基板側に凹の形状でそりを生じてしまう。
直径２インチのウエハにおけるそり量（図２（ｃ）にｈ
で示した高さ）は約５ｍｍにも達していた。このような
そりが生じると、自立したＧａＮ層２のハンドリングや
加工が困難になるという問題が生じていた。また、自立
したＧａＮ層２は、その上に別の窒化物系化合物半導体
結晶を成長するための基板として用いることも考えられ
るが、上述のようなそりが存在すると、結晶成長炉の中
で均一に温度を上げることが困難となり、均一な結晶成
長が困難になるという課題があった。また、上述のよう
にＧａＮ層２にはこのようなそりを生じる力が内在する
ため、パルスレーザ光４の走査中にＧａＮ層２が割れ、
大面積の自立したＧａＮ層２を得ることが困難となると
いう問題もあった。
【００１０】本発明は上記課題に鑑みなされたもので、
そりのない大面積の自立したＧａＮを代表とする窒化物
系化合物半導体結晶を歩留よく得ることを目的とする。
そりのない大面積の自立したＧａＮを代表とする窒化物
系化合物半導体結晶を歩留よく得ることを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明の半導体結晶の製造方法は、基板の上に前記基
板と異なる材料からなる半導体結晶を成長する第１の工
程と、前記半導体結晶を前記基板から分離する第２の工
程とからなる半導体結晶の製造方法において、前記半導
体結晶は前記基板に近い側から順に形成された少なくと
も第１の半導体層と第２の半導体層を有し、前記第１の
半導体層が成長中に前記基板から受ける応力の方向と前
記第１の半導体層が前記第２の半導体層から受ける応力
の方向が一致するように前記第１の半導体層と前記第２
の半導体層を選定することを特徴とする。このような構
成にすることにより、基板の上に第１の半導体層を成長
する過程で第１の半導体層の内部に蓄積された第１の半
導体層にそりを生じさせようとする力が、第２の半導体
層によって補償されるので、第１の半導体層を基板から
分離したあとに第１の半導体層および第２の半導体層が
そりを生じるのを抑制することができる。
に本発明の半導体結晶の製造方法は、基板の上に前記基
板と異なる材料からなる半導体結晶を成長する第１の工
程と、前記半導体結晶を前記基板から分離する第２の工
程とからなる半導体結晶の製造方法において、前記半導
体結晶は前記基板に近い側から順に形成された少なくと
も第１の半導体層と第２の半導体層を有し、前記第１の
半導体層が成長中に前記基板から受ける応力の方向と前
記第１の半導体層が前記第２の半導体層から受ける応力
の方向が一致するように前記第１の半導体層と前記第２
の半導体層を選定することを特徴とする。このような構
成にすることにより、基板の上に第１の半導体層を成長
する過程で第１の半導体層の内部に蓄積された第１の半
導体層にそりを生じさせようとする力が、第２の半導体
層によって補償されるので、第１の半導体層を基板から
分離したあとに第１の半導体層および第２の半導体層が
そりを生じるのを抑制することができる。
【００１２】また、本発明の半導体結晶の製造方法は、
実質的な格子定数がａ0である基板の上に少なくとも格
子定数がａ1である第１の半導体層と格子定数がａ2であ
る第２の半導体層を順次結晶成長する第１の工程と、前
記第１の半導体層と前記第２の半導体層を前記基板から
分離する第２の工程とを有する半導体結晶の製造方法に
おいて、前記格子定数ａ0、ａ1、ａ2の間に、ａ0＞ａ1
かつａ2＞ａ1、あるいは、ａ0＜ａ1かつａ2＜ａ1なる関
係が成り立つことを特徴とする。このような構成にする
ことにより、ａ0＞ａ1の場合には基板との格子不整合に
よって第１の半導体層内に引張り歪が生じ第１の半導体
層に基板に向かって凸形状にそりを生じさせる応力が蓄
積されるが、同時にａ2＞ａ1とすることによって第２の
半導体層も第１の半導体層に引張り歪を与え、その結果
第１の半導体結晶を基板から分離したあとに第１の半導
体層および第２の半導体層がそりを生じるのを抑制する
ことができる。また、ａ0＜ａ1の場合には基板との格子
不整合によって第１の半導体層内に圧縮歪が生じ第１の
半導体層に基板に向かって凹形状にそりを生じさせる応
力が蓄積されるが、同時にａ2＜ａ1とすることによって
第２の半導体層も第１の半導体層に圧縮歪を与え、その
結果第１の半導体結晶を基板から分離したあとに第１の
半導体層および第２の半導体層がそりを生じるのを抑制
することができる。
実質的な格子定数がａ0である基板の上に少なくとも格
子定数がａ1である第１の半導体層と格子定数がａ2であ
る第２の半導体層を順次結晶成長する第１の工程と、前
記第１の半導体層と前記第２の半導体層を前記基板から
分離する第２の工程とを有する半導体結晶の製造方法に
おいて、前記格子定数ａ0、ａ1、ａ2の間に、ａ0＞ａ1
かつａ2＞ａ1、あるいは、ａ0＜ａ1かつａ2＜ａ1なる関
係が成り立つことを特徴とする。このような構成にする
ことにより、ａ0＞ａ1の場合には基板との格子不整合に
よって第１の半導体層内に引張り歪が生じ第１の半導体
層に基板に向かって凸形状にそりを生じさせる応力が蓄
積されるが、同時にａ2＞ａ1とすることによって第２の
半導体層も第１の半導体層に引張り歪を与え、その結果
第１の半導体結晶を基板から分離したあとに第１の半導
体層および第２の半導体層がそりを生じるのを抑制する
ことができる。また、ａ0＜ａ1の場合には基板との格子
不整合によって第１の半導体層内に圧縮歪が生じ第１の
半導体層に基板に向かって凹形状にそりを生じさせる応
力が蓄積されるが、同時にａ2＜ａ1とすることによって
第２の半導体層も第１の半導体層に圧縮歪を与え、その
結果第１の半導体結晶を基板から分離したあとに第１の
半導体層および第２の半導体層がそりを生じるのを抑制
することができる。
【００１３】また、本発明の半導体結晶の製造方法は、
前記基板がサファイア、前記第１の半導体結晶がＡｌx
Ｇａ1-xＮ、前記第２の半導体結晶がＡｌyＧａ1-yＮで
あり、前記ｘとｙの間に０≦ｘ＜ｙ≦１なる関係が成り
立つことを特徴とする。このような構成にすると、Ａｌ
xＧａ1-xＮ層の格子定数を、サファイア基板の実質的な
格子定数よりも大きく、かつ、ＡｌyＧａ1-yＮ層の格子
定数よりも大きくすることができるので、サファイア基
板から分離したあとの自立したＡｌxＧａ1-xＮ層および
ＡｌyＧａ1-yＮ層のそりを低減することができる。
前記基板がサファイア、前記第１の半導体結晶がＡｌx
Ｇａ1-xＮ、前記第２の半導体結晶がＡｌyＧａ1-yＮで
あり、前記ｘとｙの間に０≦ｘ＜ｙ≦１なる関係が成り
立つことを特徴とする。このような構成にすると、Ａｌ
xＧａ1-xＮ層の格子定数を、サファイア基板の実質的な
格子定数よりも大きく、かつ、ＡｌyＧａ1-yＮ層の格子
定数よりも大きくすることができるので、サファイア基
板から分離したあとの自立したＡｌxＧａ1-xＮ層および
ＡｌyＧａ1-yＮ層のそりを低減することができる。
【００１４】また、本発明の半導体結晶の製造方法は、
前記第２の工程が外部からパルスレーザ光を照射するこ
とによって行われることを特徴とする。この構成にする
ことにより、基板と第１の半導体結晶の界面部分の第１
の半導体層が選択的に分解されるので、基板と第１の半
導体結晶を歩留よく分離することができる。特に、第１
の半導体層および第２の半導体層の合計膜厚が小さい場
合でも歩留よく分離することが可能となる。
前記第２の工程が外部からパルスレーザ光を照射するこ
とによって行われることを特徴とする。この構成にする
ことにより、基板と第１の半導体結晶の界面部分の第１
の半導体層が選択的に分解されるので、基板と第１の半
導体結晶を歩留よく分離することができる。特に、第１
の半導体層および第２の半導体層の合計膜厚が小さい場
合でも歩留よく分離することが可能となる。
【００１５】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら、本発
明の実施の形態における窒化物系化合物半導体結晶の製
造方法を説明する。
明の実施の形態における窒化物系化合物半導体結晶の製
造方法を説明する。
【００１６】図１に本発明の実施の形態における窒化物
系化合物半導体ウエハの製造方法を示す。まず、直径２
インチ、厚さ４００μｍ、主面の面方位（０００１）の
サファイア基板１をＭＯＣＶＤ反応炉に搬入し、水素雰
囲気で約１１００℃に昇温した後１０分間保持して、サ
ファイア基板１の表面をクリーニングした。次に、基板
温度を約５５０℃まで下げ、アンモニアとトリメチルガ
リウムを反応炉に導入し約２００Åの薄いＧａＮバッフ
ァー層（図示せず）を成長した後、一旦トリメチルガリ
ウムの供給を止めて水素とアンモニア雰囲気で基板温度
を約１０５０℃に昇温し、再びトリメチルガリウムを供
給しＧａＮ層２を１０μｍ成長した。続いてトリメチル
アルミニウムも反応炉に導入してＡｌ組成０．２のＡｌ
ＧａＮ層３を１μｍ成長した（図１（ａ））。次にウエ
ハを反応炉から取り出して、加熱ステージの上でウエハ
を約６００℃に保持した状態でサファイア基板側から、
ＹＡＧ３倍高調波（波長３５５ｎｍ）のパルスレーザ光
４（パルス幅１０ｎｓｅｃ）を照射しウエハ全面に渡っ
て走査した。パルスレーザ光のエネルギー密度が約０．
３Ｊ／ｃｍ2以上のとき、照射された領域の色が無色か
ら灰色に変色することが肉眼で観測された。これはパル
スレーザ光４によってＧａＮ層２のサファイア基板１と
の界面近傍が熱分解され金属Ｇａが析出したためであ
る。パルスレーザ光４でウエハ全体を走査し終わるとＧ
ａＮ層２とＡｌＧａＮ層３はサファイア基板から完全に
分離された状態になり、自立したＧａＮ層２ならびにＡ
ｌＧａＮ層３を得ることができた（図１（ｃ））。この
自立したＧａＮ層２ならびにＡｌＧａＮ層３のそり量ｈ
は５μｍ以下であり、ほとんどそりのない２インチの自
立した窒化物系化合物半導体結晶を得ることができた。
系化合物半導体ウエハの製造方法を示す。まず、直径２
インチ、厚さ４００μｍ、主面の面方位（０００１）の
サファイア基板１をＭＯＣＶＤ反応炉に搬入し、水素雰
囲気で約１１００℃に昇温した後１０分間保持して、サ
ファイア基板１の表面をクリーニングした。次に、基板
温度を約５５０℃まで下げ、アンモニアとトリメチルガ
リウムを反応炉に導入し約２００Åの薄いＧａＮバッフ
ァー層（図示せず）を成長した後、一旦トリメチルガリ
ウムの供給を止めて水素とアンモニア雰囲気で基板温度
を約１０５０℃に昇温し、再びトリメチルガリウムを供
給しＧａＮ層２を１０μｍ成長した。続いてトリメチル
アルミニウムも反応炉に導入してＡｌ組成０．２のＡｌ
ＧａＮ層３を１μｍ成長した（図１（ａ））。次にウエ
ハを反応炉から取り出して、加熱ステージの上でウエハ
を約６００℃に保持した状態でサファイア基板側から、
ＹＡＧ３倍高調波（波長３５５ｎｍ）のパルスレーザ光
４（パルス幅１０ｎｓｅｃ）を照射しウエハ全面に渡っ
て走査した。パルスレーザ光のエネルギー密度が約０．
３Ｊ／ｃｍ2以上のとき、照射された領域の色が無色か
ら灰色に変色することが肉眼で観測された。これはパル
スレーザ光４によってＧａＮ層２のサファイア基板１と
の界面近傍が熱分解され金属Ｇａが析出したためであ
る。パルスレーザ光４でウエハ全体を走査し終わるとＧ
ａＮ層２とＡｌＧａＮ層３はサファイア基板から完全に
分離された状態になり、自立したＧａＮ層２ならびにＡ
ｌＧａＮ層３を得ることができた（図１（ｃ））。この
自立したＧａＮ層２ならびにＡｌＧａＮ層３のそり量ｈ
は５μｍ以下であり、ほとんどそりのない２インチの自
立した窒化物系化合物半導体結晶を得ることができた。
【００１７】ＧａＮ層２の内部にはサファイア基板１と
の格子不整合によって、サファイア基板１側には高密度
にその反対側には低密度に結晶欠陥が形成されている。
この結晶欠陥の分布によりＧａＮ層２には、サファイア
基板１側に向かって凹形状にそりを生じるような応力が
内在する。一方、Ａｌ組成０．２のＡｌＧａＮ層３の格
子定数は約３．１７４Åであり、ＧａＮの格子定数３．
１８９Åよりも小さいために、Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層３は
ＧａＮ層２に圧縮歪を与える方向に応力を生じさせる。
すなわち、この応力はＧａＮ層２をサファイア基板１側
に向かって凸形状にそりを生じさせる応力となり、前述
のＧａＮ層２に内在する応力と打ち消しあう方向に作用
する。この結果、サファイア基板１から分離されたＧａ
Ｎ層２とＡｌＧａＮ層３のそりは非常に小さくなったも
のと考えられる。
の格子不整合によって、サファイア基板１側には高密度
にその反対側には低密度に結晶欠陥が形成されている。
この結晶欠陥の分布によりＧａＮ層２には、サファイア
基板１側に向かって凹形状にそりを生じるような応力が
内在する。一方、Ａｌ組成０．２のＡｌＧａＮ層３の格
子定数は約３．１７４Åであり、ＧａＮの格子定数３．
１８９Åよりも小さいために、Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層３は
ＧａＮ層２に圧縮歪を与える方向に応力を生じさせる。
すなわち、この応力はＧａＮ層２をサファイア基板１側
に向かって凸形状にそりを生じさせる応力となり、前述
のＧａＮ層２に内在する応力と打ち消しあう方向に作用
する。この結果、サファイア基板１から分離されたＧａ
Ｎ層２とＡｌＧａＮ層３のそりは非常に小さくなったも
のと考えられる。
【００１８】サファイア基板１との格子不整合によって
ＧａＮ層２に蓄積されたサファイア基板１に向かって凹
形状にそりを発生させようとする応力の大きさは、Ｇａ
Ｎバッファー層の膜厚、ＧａＮ層２の成長温度、ＧａＮ
層２成長時の原料ガスの混合比、成長速度などさまざま
な結晶成長条件によって異なるが、最適なＡｌＧａＮ層
３のＡｌ組成や膜厚を実験的に見出すことが可能であ
る。
ＧａＮ層２に蓄積されたサファイア基板１に向かって凹
形状にそりを発生させようとする応力の大きさは、Ｇａ
Ｎバッファー層の膜厚、ＧａＮ層２の成長温度、ＧａＮ
層２成長時の原料ガスの混合比、成長速度などさまざま
な結晶成長条件によって異なるが、最適なＡｌＧａＮ層
３のＡｌ組成や膜厚を実験的に見出すことが可能であ
る。
【００１９】本実施の形態では、窒化物系化合物半導体
結晶がＧａＮ層２、ＡｌＧａＮ層３の２層のみからなる
場合について説明したが、これに限るものではなく、３
層以上であっても、サファイア基板１から分離されたと
きにそりが最小となるように各層の組成、膜厚を選定す
ることにより同様の効果を得ることができる。例えば、
本実施の形態では自立した窒化物系化合物半導体結晶の
表面がＡｌＧａＮ層３となっているが、ＡｌＧａＮは大
気中の酸素と反応しやすいので、その後のプロセスにお
いて不都合を生じる場合がある。これを防ぐために、Ａ
ｌＧａＮ層３の表面に更にＧａＮ層を形成しても良い。
この場合、最後に形成されたＧａＮ層はＡｌＧａＮ層３
がそりを低減させる効果を相殺する方向に働くので、そ
の分ＡｌＧａＮ層３のＡｌ組成を大きくするあるいは膜
厚を大きくすればよい。
結晶がＧａＮ層２、ＡｌＧａＮ層３の２層のみからなる
場合について説明したが、これに限るものではなく、３
層以上であっても、サファイア基板１から分離されたと
きにそりが最小となるように各層の組成、膜厚を選定す
ることにより同様の効果を得ることができる。例えば、
本実施の形態では自立した窒化物系化合物半導体結晶の
表面がＡｌＧａＮ層３となっているが、ＡｌＧａＮは大
気中の酸素と反応しやすいので、その後のプロセスにお
いて不都合を生じる場合がある。これを防ぐために、Ａ
ｌＧａＮ層３の表面に更にＧａＮ層を形成しても良い。
この場合、最後に形成されたＧａＮ層はＡｌＧａＮ層３
がそりを低減させる効果を相殺する方向に働くので、そ
の分ＡｌＧａＮ層３のＡｌ組成を大きくするあるいは膜
厚を大きくすればよい。
【００２０】また本実施の形態では、ＧａＮ層２の膜厚
を１０μｍ、ＡｌＧａＮ層３の膜厚を１μｍとしたが、
これに限定するものではない。しかしながら、基板から
分離されたあとの自立した状態での機械的強度を確保す
るために、ＧａＮ層２とＡｌＧａＮ層３の合計膜厚は３
μｍ以上とすることが望ましい。
を１０μｍ、ＡｌＧａＮ層３の膜厚を１μｍとしたが、
これに限定するものではない。しかしながら、基板から
分離されたあとの自立した状態での機械的強度を確保す
るために、ＧａＮ層２とＡｌＧａＮ層３の合計膜厚は３
μｍ以上とすることが望ましい。
【００２１】また、本実施の形態では半導体結晶がＡｌ
xＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）で構成された窒化物系化合物
半導体結晶の場合について述べたがこれに限るものでは
なく、一般に基板と異なる格子定数を持つ半導体結晶を
形成する場合に広く適用できる。例えば、窒化物系化合
物半導体結晶であれば、各層がＢxＡｌyＧａxＩｎ1-x
-y-zＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、０≦ｘ
＋ｙ＋ｚ≦１）で構成されていてもよい。
xＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）で構成された窒化物系化合物
半導体結晶の場合について述べたがこれに限るものでは
なく、一般に基板と異なる格子定数を持つ半導体結晶を
形成する場合に広く適用できる。例えば、窒化物系化合
物半導体結晶であれば、各層がＢxＡｌyＧａxＩｎ1-x
-y-zＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、０≦ｘ
＋ｙ＋ｚ≦１）で構成されていてもよい。
【００２２】また、本実施の形態ではパルスレーザ光に
よって半導体結晶を基板から分離する方法を述べたが、
これに限定するものではなく、ウェットエッチングによ
って基板を除去する方法であってもよい。
よって半導体結晶を基板から分離する方法を述べたが、
これに限定するものではなく、ウェットエッチングによ
って基板を除去する方法であってもよい。
【００２３】また、本実施の形態では基板にサファイア
を用いたがこれに限るものではなく、例えば６Ｈ−Ｓｉ
Ｃ、Ｓｉ、ＧａＡｓなどの基板を用いても良い。
を用いたがこれに限るものではなく、例えば６Ｈ−Ｓｉ
Ｃ、Ｓｉ、ＧａＡｓなどの基板を用いても良い。
【００２４】また、本実施の形態では基板の実質的な格
子定数が第１の半導体層の格子定数よりも小さい場合に
ついて述べたが、これに限るものではなくこの逆の関係
であっても良い。その場合には、基板との格子不整合に
よって基板側に向かって凸形状のそりを生じる応力が第
１の半導体層内に発生するが、第２の半導体層の格子定
数を第１の半導体層の格子定数よりも大きくすることに
より、これを相殺してそりを低減することが可能とな
る。
子定数が第１の半導体層の格子定数よりも小さい場合に
ついて述べたが、これに限るものではなくこの逆の関係
であっても良い。その場合には、基板との格子不整合に
よって基板側に向かって凸形状のそりを生じる応力が第
１の半導体層内に発生するが、第２の半導体層の格子定
数を第１の半導体層の格子定数よりも大きくすることに
より、これを相殺してそりを低減することが可能とな
る。
【００２５】
【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、面
積が大きくそりの少ない自立した半導体結晶を歩留まり
良く得ることができる。
積が大きくそりの少ない自立した半導体結晶を歩留まり
良く得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態における半導体結晶の製造方
法を示す工程図
法を示す工程図
【図２】従来の半導体結晶の製造方法を示す工程図
【図３】サファイア（０００１）基板とＧａＮ（０００
１）の界面における原子配列の関係を示す説明図
１）の界面における原子配列の関係を示す説明図
１ サファイア基板 ２ ＧａＮ層 ３ ＡｌＧａＮ層 ４ パルスレーザ光
フロントページの続き Ｆターム(参考） 5F045 AA04 AB14 AB17 AC08 AC12 AD09 AD14 AF02 AF03 AF04 AF09 AF13 BB11 CA12 DA53 EB15 HA18 5F052 AA02 BB02 CA01 DA04 GC06 JA05 JA07 KA01
Claims (4)
- 【請求項１】 基板の上に前記基板と異なる材料からな
る半導体結晶を成長する第１の工程と、前記半導体結晶
を前記基板から分離する第２の工程とからなる半導体結
晶の製造方法において、前記半導体結晶は前記基板に近
い側から順に形成された少なくとも第１の半導体層と第
２の半導体層を有し、前記第１の半導体層が成長中に前
記基板から受ける応力の方向と前記第１の半導体層が前
記第２の半導体層から受ける応力の方向が一致するよう
に前記第１の半導体層と前記第２の半導体層を選定する
ことを特徴とする半導体結晶の製造方法。 - 【請求項２】 実質的な格子定数がａ0である基板の上
に少なくとも格子定数がａ1である第１の半導体層と格
子定数がａ2である第２の半導体層を順次結晶成長する
第１の工程と、前記第１の半導体層と前記第２の半導体
層を前記基板から分離する第２の工程とを有する半導体
結晶の製造方法において、前記格子定数ａ 0、ａ1、ａ2
の間に、ａ0＞ａ1かつａ2＞ａ1、あるいは、ａ0＜ａ1か
つａ2＜ａ1なる関係が成り立つことを特徴とする半導体
結晶の製造方法。 - 【請求項３】 前記基板がサファイア、前記第１の半導
体結晶がＡｌxＧａ1-xＮ、前記第２の半導体結晶がＡｌ
yＧａ1-yＮであり、前記ｘとｙの間に０≦ｘ＜ｙ≦１な
る関係が成り立つことを特徴とする請求項１、２記載の
半導体結晶の製造方法。 - 【請求項４】 前記第２の工程が外部からパルスレーザ
光を照射することによって行われることを特徴とする請
求項１、２、３記載の半導体結晶の製造方法。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001149097A JP2002343717A (ja) | 2001-05-18 | 2001-05-18 | 半導体結晶の製造方法 |
| US10/145,149 US7306675B2 (en) | 2001-05-18 | 2002-05-15 | Method for manufacturing semiconductor substrate |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001149097A JP2002343717A (ja) | 2001-05-18 | 2001-05-18 | 半導体結晶の製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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| JP2006060200A (ja) * | 2004-07-21 | 2006-03-02 | Nichia Chem Ind Ltd | 窒化物半導体ウエハ又は窒化物半導体素子の製造方法、それにより得られる窒化物半導体ウエハ又は窒化物半導体素子、並びにそれに用いるレーザ照射装置 |
| KR101247727B1 (ko) * | 2003-01-31 | 2013-03-26 | 오스람 옵토 세미컨덕터스 게엠베하 | 반도체 소자 제조 방법 |
| US8575003B2 (en) | 2002-01-31 | 2013-11-05 | Osram Opto Semiconductors Gmbh | Method for producing a semiconductor component |
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| WO2014057748A1 (ja) * | 2012-10-12 | 2014-04-17 | 住友電気工業株式会社 | Ｉｉｉ族窒化物複合基板およびその製造方法、ならびにｉｉｉ族窒化物半導体デバイスの製造方法 |
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