JP2003055097A

JP2003055097A - 窒化物半導体から成る単体基板及びその製造方法

Info

Publication number: JP2003055097A
Application number: JP2001239835A
Authority: JP
Inventors: Kazuyuki Chiyouchiyou; 一幸蝶々; Daisuke Morita; 大介森田
Original assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Current assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Priority date: 2001-08-07
Filing date: 2001-08-07
Publication date: 2003-02-26
Anticipated expiration: 2021-08-07
Also published as: JP3823775B2

Abstract

(57)【要約】【課題】発光ダイオード、レーザダイオード等の発光
素子、あるいは太陽電池、光センサー等の受光素子に使
用される窒化物半導体に係わり、特に窒化物半導体より
なる基板の結晶欠陥を低減させ、結晶性に優れた窒化物
半導体基板に関する。【解決手段】支持基板上に、部分的にストライプ状又
は格子状の保護膜を形成し、前記支持基板露出部より保
護膜上に第１の窒化物半導体を横方向成長させて前記保
護膜を覆わない状態で止め、保護膜を除去することによ
り横方向成長した第１の窒化物半導体の下部に空間を形
成し、その後、第１の窒化物半導体の上面、又は上面及
び横方向成長部分である側面より第２の窒化物半導体を
成長させ、さらにその上に第３の窒化物半導体を成長
し、その後、支持基板を除去する。

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（Ｉｎ
_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ、０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦
１）の成長方法に係り、特に単体基板となり得る窒化物
半導体の成長方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、サファイア、スピネル、炭化ケイ
素のような窒化物半導体と格子定数の異なる異種基板上
に、窒化物半導体を成長させ、その後、異種基板を除去
することで得られる窒化物半導体から成る単体基板が注
目されている。窒化物半導体から成る単体基板が異種基
板を有する窒化物半導体基板に比べて、反りが少なく劈
開が容易にできるためである。

【０００３】例えば、異種基板であるサファイア基板上
に窒化ガリウム等を成長させ、その後、異種基板をラッ
ピングで除去することによる単体基板の製造方法があ
る。また、ラッピング以外の窒化物半導体とサファイア
とを分離する方法としては、サファイア側からＫｒｆパ
ルスエキシマレーザを照射して、サファイアと窒化物半
導体との接している共有面で分離し、サファイアを分離
する方法が報告されている。この方法は、レーザ照射に
よりサファイアが接触している共有面で窒化物半導体が
レーザ光を吸収して窒化物半導体の分解が生じ、サファ
イアを分離することができるものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記に
示す研磨除去の方法であれば、サファイア基板等の異種
基板上に窒化物半導体を成長させた場合には、サファイ
ア基板は硬度が高いため研磨時に大きな応力がはたら
く。そのため、ラッピング時の応力で窒化物半導体にも
欠けや割れが生じるため窒化ガリウム等の窒化物半導体
の単体基板を形成するのは困難であった。

【０００５】また、ハイドライド気相成長法や有機金属
気相成長法等の気相成長法により基板上に窒化物半導体
を成長させる場合、具体的には１００μｍ以上の膜厚を
成長すれば歪みが大きくなり窒化物半導体に欠けや割れ
等が発生するため厚膜成長をさせるのが困難であった。

【０００６】レーザ照射による基板の除去方法であれ
ば、例えば、窒化ガリウムの単体基板を形成する場合に
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等の表面にあるとマイクロク
ラックと呼ばれる微小な割れなどが発生する場合があ
る。このような割れが発生すると窒化物半導体基板上に
形成した発光素子の寿命特性や歩留まりの低下等を引き
起こすことが考えられる。

【０００７】そこで、本発明の目的は、横方向成長を利
用して作製された窒化物半導体基板において、窒化物半
導体の厚膜成長を可能とし、さらに、支持基板上に成長
させた窒化物半導体に割れや欠けを発生させることなく
容易に支持基板を除去することで単体基板を提供するこ
とである。また、ここで得られる窒化物半導体の単体基
板は、低転位であり結晶性のよい窒化物半導体とするこ
とも目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、第１の発明に係る窒化物半導体基板は、支持基板
と、前記支持基板表面の周期的なストライプ状、格子
状、又は島状の部分を成長起点として横方向成長し、互
いに接合する前に横方向成長を停止することにより周期
配列されたＴ字状断面を有する第１の窒化物半導体と、
前記第１の窒化物半導体の上面、又は上面及び横方向成
長した側面を核として成長し、支持基板全面を覆う第２
の窒化物半導体と、前記第２の窒化物半導体層上に膜厚
が３００μｍ以上の第３の窒化物半導体とを備え、前記
第２の窒化物半導体が互いに接合する部分の下に形成さ
れている空間より支持基板を分離除去していることを特
徴とする。

【０００９】このように支持基板と接触した第１の窒化
物半導体がＴ字状断面を有し、再成長により第２の窒化
物半導体で支持基板全面を覆うことにより貫通転位を低
減させ、かつ表面を平坦化させることができる。さら
に、第３の窒化物半導体をこの上に厚膜成長させること
により単体基板を得ることができる。これは、第１の窒
化物半導体と支持基板との接触面積がＴ字の柱部分のみ
であって、この柱部分は貫通転位が低減されておらず結
晶性が悪いためである。このため、第３の窒化物半導体
を３００μｍ以上で成長させればラッピングや接触界面
に熱衝撃を与えることにより支持基板を除去分離するこ
とができる。これは、３００μｍ以上の窒化物半導体を
成長させることで、窒化物半導体と支持基板との接触界
面に生じる熱膨張差を大きくすることができる。さら
に、本発明におけるＴ字状断面の第１の窒化物半導体と
支持基板との接触界面はＥＬＯ法により形成した窒化物
半導体基板と比較して空間も有し、接触面積も少ない。
そのため、ラッピング等により容易に支持基板を除去す
ることが可能となる。第３の窒化物半導体の膜厚が３０
０μｍ以下であれば、熱膨張差により生じる応力が支持
基板を除去するには十分ではない。そのため、ラッピン
グ等の物理的応力に頼らざるを得ないため、窒化物半導
体に割れや欠けを発生させてしまう。また、第３の窒化
物半導体を１ｍｍ以上で成長させれば窒化物半導体の１
０００℃以上の高温成長、及び冷却時に発生する熱膨張
の差により自然に支持基板を剥離除去することができ
る。この剥離除去を行うには窒化物半導体の機械的強度
が必要である。そのためには、第３の窒化物半導体を１
ｍｍ以上、より好ましくは２ｍｍ以上で成長させる必要
がある。

【００１０】かかる構造を有する窒化物半導体基板は、
例えば、支持基板上に、ストライプ状、格子状、又は島
状の窓部を有する保護膜を形成し、前記支持基板露出部
より保護膜上に第１の窒化物半導体を横方向成長させて
前記保護膜を覆わない状態で止め、保護膜を除去するこ
とにより横方向成長した第１の窒化物半導体の下部に空
間を形成し、その後、第１の窒化物半導体の上面、又は
上面及び横方向成長部分である側面より第２の窒化物半
導体を成長させることにより製造することができる。

【００１１】また、支持基板上に保護膜を介して第１の
窒化物半導体を成長させる場合、保護膜にストライプ
状、格子状又は島状の窓部を形成するが、中でも、格子
状又は島状の窓部を形成することが好ましい。窓部を格
子状又は島状とすることにより、第１の窒化物半導体の
成長方向が多方向となり、支持基板の剥離がより容易と
なる。また、格子状の窓部を形成して窓部に囲まれた保
護膜の形状を多角形又は円形とすることが好ましい。保
護膜の形状を多角形又は円形とすることにより、多角形
又は円形の保護膜周囲から中心に向かって第２の窒化物
半導体が成長するため、第２の窒化物半導体の接合部が
保護膜の中心の一点となり、転位の集中する接合部の面
積を最小限に抑制することができる。

【００１２】ここで、前記支持基板は、サファイア等の
異種基板であっても、異種基板の全面に窒化物半導体層
を成長させたものであっても良い。支持基板としてサフ
ァイア等の異種基板を直接用いる場合は、格子不整合を
緩和させるために第１の窒化物半導体を成長する前に低
温成長バッファ層を異種基板上に成長することが好まし
い。具体的にはバッファ層として窒化ガリウム層、又は
窒化インジウムガリウム層を用いることができる。これ
はインジウムを含有する窒化物半導体は比較的柔らか
く、そのため窒化物半導体内にクラックが発生するのを
抑制する効果を有するためである。

【００１３】支持基板上に、前記基板表面の周期的なス
トライプ状又は格子状の部分を成長起点として横方向に
成長させた窒化物半導体層を有する窒化物半導体基板に
おいて、各成長起点から横方向に成長した窒化物半導体
同士が、互いに接合せずに、隙間を有して配列してい
る。このように、保護膜上の横方向成長を、第１の窒化
物半導体が互いに接合する前に止め、その後、第２の窒
化物半導体を配列している隙間上で成長させて互いに接
合させることにより、保護膜を広く形成しても、結晶表
面に空隙を形成しない窒化物半導体を成長させることが
できる。また、第２の窒化物半導体は空間上を進行する
ため、第２の窒化物半導体を第１の窒化物半導体側面か
ら成長させる時に発生する応力を抑制することができ
る。さらに保護膜上を進行する場合のような結晶成長面
のチルト現象がないため、接合部における転位の集中が
緩和される。

【００１４】第３の窒化物半導体は、ｎ型不純物がドー
プされていることを特徴とする。支持基板を除去後に支
持基板との接触面側の窒化物半導体は表面に凹凸があ
り、これを研磨により平坦かつ鏡面とする。この平坦化
された第３の窒化物半導体にｎ型不純物がドープされて
いれば、対極面に電極を有する半導体発光素子や受光素
子を形成することができる。これにより、効率効率や寿
命特性を向上が期待できる。

【００１５】保護膜に酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸化チ
タン、酸化ジルコニウム、これらの多層膜、又は１２０
０℃以上の融点を持つ高融点金属膜を用いる。これらの
保護膜材料は、その表面に窒化物半導体が成長しない
か、成長しにくい性質を有するため、保護膜上に窒化物
半導体を横方向成長させるのに好ましい。

【００１６】上記の課題を解決するために、第２の発明
に係る窒化物半導体基板の製造方法は、支持基板上に、
ストライプ状、格子状、又は島状の窓部を有する保護膜
を形成し、前記支持基板露出部より保護膜上に第１の窒
化物半導体を横方向成長させて前記保護膜を覆わない状
態で止め、保護膜を除去することにより横方向成長した
第１の窒化物半導体の下部に空間を形成し、その後、第
１の窒化物半導体の上面、又は上面及び横方向成長部分
である側面より第２の窒化物半導体を成長させて支持基
板全面を覆い、その後、前記第２の窒化物半導体上に膜
厚が３００μｍ以上の第３の窒化物半導体を成長させ、
支持基板を分離除去することを特徴とする。

【００１７】保護膜は第１の窒化物半導体の成長後に除
去するが、少なくとも第２の窒化物半導体の接合部下方
に空間を形成するように保護膜を除去すればよい。ま
た、保護膜を支持基板が露出するまで除去すれば、Ｓｉ
Ｏ_２等の保護膜が保護膜上に成長する窒化物半導体の成
長時に分解することによる問題、即ち、窒化物半導体の
異常成長や結晶性の低下等の問題を抑制することができ
る。

【００１８】保護膜を除去する方法には、ドライエッチ
ング又はウェットエッチング、剥離を用いることがで
き、どちらの方法も窒化物半導体の結晶性を低下させる
ことなく保護膜を除去することができる。さらに、ドラ
イエッチングは、保護膜を除去する深さを簡単に制御す
ることができる。

【００１９】即ち、本発明に係る窒化物半導体基板は、
横方向成長した窒化物半導体が互いに接合せず、隙間を
有して配列しており、再成長させることで空間を有する
窒化物半導体層を形成し、その上に厚膜の窒化物半導体
を形成した後に支持基板を除去することを特徴とする。
本件発明者等は、横方向に成長したＴ字形状である第１
の窒化物半導体の両翼、及びその接合部の下部に１０μ
ｍ〜５０μｍ、好ましくは１０μｍ〜３０μｍの幅の空
間を有する窒化物半導体基板とすることで、第３の窒化
物半導体として３００μｍ以上の厚膜を形成しても割れ
等を発生させない。この空間を形成することにより、支
持基板と窒化物半導体との接触面積が少なくなるため、
接触界面の厚膜成長後にラッピングや自然剥離による支
持基板の除去が容易になる。また、この空間がエアーギ
ャップとしての効果を有し、反り等を抑制することがで
きるため厚膜成長が可能となるのである。しかも、転位
の集中する接合部のない状態でエピタキシャル成長を開
始するため、従来問題となっていた基板昇温時における
窒素脱離によるピットの発生がなく、むしろ従来よりも
平坦で結晶性に優れた素子層の成長が可能であることを
見出した。

【００２０】また、第３の窒化物半導体は、ハライド気
相成長法（以下、「ＨＶＰＥ法」）により厚膜の窒化物半
導体層を成長して転位を分散させ、全体に低転位密度な
窒化物半導体の単体基板が得られる。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、図を用いて本発明を更に詳
細に説明する。本実施の形態においては、本件第１の発
明に係る窒化物半導体基板について説明する。図１
（ａ）〜図１（ｆ）は、第１の発明に係る窒化物半導体
基板の製造方法の一例を段階的に示した模式図である。

【００２２】図１（ａ）は支持基板１上に、窒化物半導
体を成長させ、さらに保護膜のストライプを形成させる
工程を行った模式的断面図である。この支持基板１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、スピネル（ＭｇＡｌ_２Ｏ_４）のような絶縁性
基板、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃ）、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。これらの支持基板の厚
さは特に限定されず、膜厚は１００μｍ以上、好ましく
は４００μｍ以上とする。また、支持基板にオフ角を形
成した場合には、例えばオフ角を０．０１°〜０．５°
とすることができる。

【００２３】支持基板１上に形成される保護膜２を成長
させる前に、支持基板１上にバッファ層（図示されな
い）を薄膜であれば形成することもできる。バッファ層
としては、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ等
が用いられる。バッファ層は３００℃〜９００℃の温度
で、膜厚１０オングストローム〜５μｍ、好ましくは１
０オングストローム〜０．５μｍで成長させる。また、
バッファ層を多層膜で成長させてもよい。このバッファ
層は支持基板１と第１の窒化物半導体３との格子定数差
を緩和する緩衝層の効果がある。そのため、このバッフ
ァ層は支持基板と第１の窒化物半導体との間に介して成
長すればよく、保護膜を成長し、この保護膜に開口部を
形成した後にバッファ層を成長させてもよい。

【００２４】次に、支持基板１上に部分的に形成される
保護膜２としては、保護膜表面に窒化物半導体が成長し
ないか、若しくは成長しにくい性質を有する材料を選択
する。好ましくは、酸化ケイ素（ＳｉＯ_ｘ）、窒化ケイ
素（Ｓｉ_ｘＮ_ｙ）、酸化チタン（ＴｉＯ_ｘ）、酸化ジル
コニウム（ＺｒＯ_ｘ）等の酸化物、窒化物、またはこれ
らの多層膜を用いることができる。また、上記以外にも
１２００℃以上の融点を有する金属、例えばタングステ
ンやモリブデンなどの材料も用いることができる。

【００２５】この保護膜の形成方法としては、ＣＶＤ、
スパッタリング、及び蒸着法を用い、まず保護膜２を形
成し、さらに、レジストを塗布して、フォトリソグラフ
ィにより保護膜を所定の形状であるストライプ状又は格
子状等にエッチングする。保護膜をストライプ状又は格
子状にエッチングすることにより、保護膜にストライプ
状又は島状の窓部が形成される。また逆に、保護膜２を
島状に残して保護膜２に格子状の窓部を形成しても良
い。所定形状を有する保護膜のストライプ幅及び、格子
幅としては、特に限定されないが、ストライプで形成し
た場合、ストライプ幅は５〜３０μｍであるのが好まし
い。また、保護膜２が形成されていない窓部は、ストラ
イプ幅よりも狭くすることが望ましい。保護膜を格子状
に形成する場合の格子幅は１０〜２０μｍであるのが好
ましい。保護膜２を島状に残して格子状の窓部を形成す
る場合、島状の保護膜の幅は１０μｍ以下、好ましくは
５μｍ以下とし、格子状の窓部の幅を１０〜３０μｍ、
好ましくは１０〜２０μｍとするのが望ましい。また、
保護膜の幅は、ストライプ幅であれば５〜５０μｍと
し、開口部の幅も５〜５０μｍとする。さらに、保護膜
は、後工程で第１の窒化物半導体３を成長させた後、除
去され、空間となる。そのため、保護膜の膜厚として
は、この空間を形成できる膜厚が必要であり、０．０５
μｍ〜１０μｍとする。

【００２６】一方、保護膜２を島状に残して、格子状の
窓部を形成した場合、保護膜の形状は多角形（三角形、
四角形、六角形等）であっても、円形であっても良い。
保護膜２同士は、できるだけ一定の間隔で、かつ、密に
なるように配列することが好ましい。六角形の保護膜が
蜂の巣状に配列されており（各六角形が隣り合う六角形
と辺同士が対向するよう配置され、１つの六角形が６つ
の六角形によって囲まれた配列）、１つの三角形が隣り
合う三角形と辺同士が対向するよう配置され、６つの三
角形で１つの６角形を構成し、該６角形が蜂の巣状に配
列されている。これらの配列によれば、保護膜２同士の
間隔（＝窓部の幅）を一定にでき、また、保護膜２の密
度を高めることができる。

【００２７】また、保護膜を島状に残して、格子状の窓
部を形成することには、後で成長する第２の窒化物半導
体４の接合部が保護膜２の中心１点だけとなるため、比
較的転位が集中し易い接合部の面積を最小限に抑制する
ことができる利点がある。

【００２８】保護膜をストライプ状に形成する場合に
は、支持基板をサファイア基板とすれば、オリフラ面を
サファイアのＡ面とし、このオリフラ面の垂直軸に対し
て左右どちらかに、θ＝０°〜２°、好ましくはθ＝
０．０１°〜１°ずらしてストライプを形成すると、第
２の窒化物半導体の成長表面に荒れが生じることなく、
成長面がより平坦で良好な結晶が得られる。

【００２９】図１（ｂ）に示すように、基板１上に形成
される第１の窒化物半導体３としては、アンドープ、及
びＳｉ、Ｇｅ、ＳｎおよびＳ等のｎ型不純物をドープし
たものやＭｇ等のｐ型不純物をドープしたものを用いる
ことができる。この成長温度は、９００℃〜１１００℃
で基板上に成長され、膜厚は１．５μｍ以上であると結
晶表面にピットの少ない、鏡面を形成できる点で好まし
い。また、第１の窒化物半導体として、ＧａＮとＡｌ_ｘ
Ｇａ_１-ｘＮ（０＜ｘ＜１、好ましくは０＜ｘ≦０．
５）との積層、又はＧａＮとＩｎ_ｙＧａ_1-ｙＮ（０＜ｙ
≦１）との積層を用いても良い。これらを用いることに
より、ＧａＮ層とＡｌ_ｘＧａ_１-ｘＮ層との間の熱膨張
係数差により生ずる応力や、Ｉｎ_ｙＧａ_1-ｙＮの低い膜
強度を利用して、支持基板１の除去を容易にすることが
できる。この場合のＧａＮ、Ａｌ_ｘＧａ_１-ｘＮ又はＩ
ｎ_ｙＧａ_1-ｙＮは、アンドープであっても、ｎ型不純物
やｐ型不純物をドープしたものであっても良い。第１の
窒化物半導体３の好ましい膜厚は、保護膜２の膜厚、大
きさによっても異なる。保護膜の表面を横方向に成長さ
せた結晶性のいい部分を有する必要があるため、第１の
窒化物半導体３は、保護膜の膜厚に対して少なくとも
１．５倍以上であり、１．０〜１０μｍの膜厚で成長さ
せるのが好ましい。支持基板１との接合部である成長起
点から第１の窒化物半導体３を成長させる時に、貫通転
位は最初は縦方向に成長する。その後、第１の窒化物半
導体３のＴ字両翼の成長時に貫通転位も成長方向を変更
する。この貫通転位は縦方向以外、好ましくは横方向に
成長させることで、貫通転位は成長方向を曲げられ、Ｔ
字両翼の側面に達するものとする。

【００３０】次に、図１（ｃ）に示すように、第１の窒
化物半導体３を保護膜２上に横方向成長させ、成長を途
中で止めた状態で、保護膜を除去する。この保護膜の除
去方法としては、エッチングを用いることができ、エッ
チング手段としては、特に限定されないが、ドライエッ
チングまたはウェットエッチングが挙げられる。等方性
ドライエッチングであれば、エッチングの制御を容易に
行うことができる。

【００３１】保護膜を除去することにより第１の窒化物
半導体の横方向に成長した結晶欠陥の少ない部分の下部
に空間を形成することができる。このため、第１の窒化
物半導体上に成長させる窒化物半導体において、第１の
窒化物半導体の横方向成長により形成された側面からの
成長時に保護膜との間に発生する応力を抑制させること
ができる。保護膜を窒化物半導体が露出するまで完全に
除去することにより、基板上に反応素子を成長させる時
にＳｉＯ_２等の保護膜が、１０００℃以上の温度で分解
拡散して保護膜上の窒化物半導体に入ることを防止する
ことができる。したがって、分解したＳｉＯ_２が窒化物
半導体に入って結晶性を低下させたり、異常成長を引き
起こすといった問題点を解決することができる。また、
後工程において、第２の窒化物半導体が、第１の窒化物
半導体の上面から成長する場合、保護膜を完全に除去し
なくても図２や図３に示すように空間を有する保護膜の
形状とすれば、第２の窒化物半導体は空間上で接合する
こととなるため、平坦かつ鏡面である窒化物半導体を形
成することができる。図３に示すように、第１の窒化物
半導体３のＴ字形状の柱部分の両側に保護膜を残しても
よい。この柱部分の両側に保護膜がある場合には、Ｔ字
両翼の下部に空間はできるため、上記同様の効果は有す
る。さらに、この柱側面に残った保護膜は第１の窒化物
半導体３の反応時の分解や劣化を抑える土台としての効
果も有する。

【００３２】次に、図１（ｄ）に示すように、保護膜２
を除去した第１の窒化物半導体３上に、第１の窒化物半
導体３の上面及び側面より第２の窒化物半導体４を成長
させる。この第２の窒化物半導体としては、第１の窒化
物半導体上の成長であると同時に、空間部上の成長でも
ある。そのため、保護膜上での連続成長で窒化物半導体
の平坦面を形成するＥＬＯ法では選択性が低いために用
いることができなかったＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦Ｘ＜
１）を用いることもできる。

【００３３】第２の窒化物半導体４としては、アンドー
プ、およびＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓ等のｎ型不純物をドー
プしたＧａＮ、またはＭｇ等のｐ型不純物をドープした
ものや、ｎ型不純物とｐ型不純物とを同時ドープしたも
のを用いることができる。第２の窒化物半導体４は、９
００〜１１００℃で成長される。中でも、Ｍｇをドープ
して第２の窒化物半導体４を成長させると、第２の窒化
物半導体が横方向に伸び易くなり、第１の窒化物半導体
３の隙間を埋め易くなるため好ましい。他方、アンドー
プとすると電気的特性が安定する。また、第２の窒化物
半導体は空間上を成長するため、保護膜上の成長では選
択性が低いために用いることのできなかったＡｌ_ｘＧａ
_１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）を用いることもできる。また、
第２の窒化物半導体の膜厚としては、ＧａＮの場合は３
〜３０μｍ、好ましくは５〜２０μｍであるのが望まし
く、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮの場合は２〜１５μｍが好まし
い。

【００３４】さらに、第２の窒化物半導体として適当な
多層膜を用いてもよい。多層膜の層数及び膜厚は特に限
定されず、バルクを２ペア積層したものであっても、多
数の薄膜を積層した超格子であっても良い。各層の膜厚
は、１０Å〜２μｍが好ましい。

【００３５】ここで第２の窒化物半導体は、横方向の成
長により得られた結晶性のよい第１の窒化物半導体の上
面及び側面より成長させるため、保護膜が形成されてい
た部分上に成長する第２の窒化物半導体は結晶欠陥がな
くなり、保護膜の窓部上部に成長した窒化物半導体にの
み結晶欠陥が残る。尚、図１（ｄ）では、第２の窒化物
半導体が、第１の窒化物半導体の上面及び横方向成長し
た側面を核として成長する例を示したが、第２の窒化物
半導体を第１の窒化物半導体の上面のみから成長させて
も良い。第２の窒化物半導体下には、空間が残り結晶欠
陥の多い窒化物半導体からの結晶欠陥の伝播を抑えるこ
とができる。また保護膜が薄膜で残っていたとしてもＴ
字両翼の下部に空間があれば、支持基板と窒化物半導体
との歪みを緩和する効果を有する。

【００３６】次に、図１（ｅ）に示すように第２の窒化
物半導体４上に第３の窒化物半導体５を成長させ、その
後に支持基板を分離する。さらに、支持基板との分離面
を研磨することで平坦かつ鏡面とする。

【００３７】ここで、第３の窒化物半導体５は厚膜で成
長させるため、好ましくはＨＶＰＥ法により成長させ
る。Ｓｉ等のｎ型不純物をドープしてもよく、膜厚はラ
ッピングを容易にできる３００μｍ以上とする。また、
第３の窒化物半導体５の膜厚を１ｍｍ以上、さらに好ま
しくは２ｍｍ以上とすれば支持基板の自然剥離が可能と
なる。

【００３８】第３の窒化物半導体５の厚膜成長を行うこ
とにより、一層転位密度の低い窒化物半導体基板を得る
ことができる。尚、第３の窒化物半導体は、欠陥をより
均一に分散させる観点からも、厚い方が有利である。好
ましくは４００μｍ以上であれば欠陥を分散させること
ができる。

【００３９】次に、第３の窒化物半導体５を３００μｍ
以上であればラッピングにより窒化物半導体基板から支
持基板１を除去後に、砥石と基板ウェハーとを回転させ
ながら、お互い押し当てて窒化物半導体基板の支持基板
側を研削するものである。前記工程で得られた窒化物半
導体基板の第２の窒化物半導体４の表面側を土台に張り
合わせ、固定させてからラッピングを行うものである。
この張り合わせに用いる接着剤には、ワックスやメタ
ル、エポキシ樹脂等を使用する。

【００４０】また、第３の窒化物半導体５を膜厚１ｍｍ
以上で成長させれば、ラッピング等を必要とせず、支持
基板の自然除去をすることができる。

【００４１】さらに、前記工程で得られた窒化物半導体
の単体基板を支持基板を除去した側の窒化物半導体をさ
らに表面をミラーで平坦な面とするために表面研磨を
し、図１（ｆ）に示すように単体基板とする。ここで得
られる窒化物半導体の単体基板はＣＬ測定において貫通
転位密度が１×１０^７個／ｃｍ^２以下であり、膜厚は薄
膜から２ｍｍ以上の厚膜基板まで得ることができる。本
発明によりインゴットの窒化物半導体を単体で得ること
も期待できる

【００４２】本実施の形態における窒化物半導体基板に
よれば、窒化物半導体の接合部における転位の集中が緩
和されており、接合部の認識が容易で、反りも抑制され
ているので、半導体レーザなどの窒化物半導体素子の製
造が容易となる。さらに、窒化物半導体基板を表面が平
坦な単体基板として得ることができれば、劈開が容易に
でき、裏面に例えばｎ側電極を形成した発光素子等を提
供することができる。半導体レーザ素子を製造する場
合、半導体レーザ素子の横モード制御のためのストライ
プ構造は、電流及び／又は光が閉じ込められる活性領域
が第１の窒化物半導体３の成長起点となった領域と、第
２の窒化物半導体４の接合部とを避けて、これらの間に
位置するように形成することが好ましい（これらの間に
おける欠陥密度は、１×１０^７個／ｃｍ^２以下とでき
る）。なぜなら、横方向成長した第１の窒化物半導体４
の成長起点となった領域、即ち保護膜の窓部の領域は転
位密度が高く、また、第２の窒化物半導体同士が接合す
る部分も従来よりも転位が大巾に抑制されているとは言
え、その他の領域に比べて転位密度が高いためである。
例えば、リッジ導波路型半導体レーザの場合にはリッジ
部を、埋め込みヘテロ型半導体レーザの場合には埋めこ
まれたストライプ部を、第１の窒化物半導体３の成長起
点となった領域と第２の窒化物半導体４の接合部とを避
けて、これらの間に位置するように形成する。尚、第２
の窒化物半導体４同士の接合部における転位の集中が従
来よりも大巾に緩和されているため、半導体レーザ素子
のストライプ構造をより接合部に近い位置に形成するこ
とが可能であり、また、レーザ素子の寿命も向上する。

【００４３】本発明において、窒化物半導体の一般式と
しては、Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_１−ｘ− _ｙＮ（０≦Ｘ＜１、
０≦Ｙ＜１、０≦Ｘ＋Ｙ＜１）で表される。また、ＩＩ
Ｉ族元素にＢを用いたり、Ｖ族元素であるＮの一部をＡ
ｓ、Ｐで置換した混晶物を用いることができる。

【００４４】また、窒化物半導体の成長時に用いるｎ型
不純物としては、具体的にはＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓ、
Ｏ、Ｔｉ、Ｚｒ等のＩＶ族、若しくはＶＩ族元素を用い
ることができ、ｐ型不純物としては、Ｂｅ、Ｚｎ、Ｍ
ｎ、Ｃｒ、Ｍｇ、Ｃａ等が挙げられる。また、第２の窒
化物半導体層を成長させるとき、ｎ型導電性を得るには
良好なオーミック性を確保する必要がある。それにはｎ
型不純物は、５×１０^１ ^６／ｃｍ^３〜５×１０^２１／ｃ
ｍ^３の範囲でドープすることが好ましい。

【００４５】本発明の窒化物半導体基板の製造方法にお
いて、バッファ層、第１の窒化物半導体３、及び第２の
窒化物半導体４等の窒化物半導体を成長させる方法とし
ては、特に限定されないが、ＭＯＶＰＥ（有機金属気相
成長法）、ＨＶＰＥ（ハライド気相成長法）、ＭＢＥ
（分子線エピタキシー法）、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学
気相成長法）等の方法を適用できる。

【００４６】かかる窒化物半導体の製造方法であれば、
Ｔ字形状の第１の窒化物半導体において、Ｔ字両翼の成
長時に支持基板からの貫通転位を該両翼に曲げることが
できる。この曲げられた貫通転位はＴ字両翼側面まで進
む。そのため、少なくとも曲げられた範囲の貫通転位は
縦方向には成長しない。つまり、Ｔ字両翼部分の上部に
成長した第２の窒化物半導体には貫通転位が延びないた
め低転位の領域を形成することになる。さらに、第３の
窒化物半導体を３００μｍ以上の厚膜で成長させればラ
ッピングでの支持基板の除去を容易にできる。また、第
３の窒化物半導体を１ｍｍ以上で成長させればラッピン
グ等をすることなく、支持基板を自然剥離することがで
きる。また、保護膜除去によりＴ字両翼の下部に空間を
有するため、支持基板と窒化物半導体との歪みを緩和
し、割れや欠けを発生することなく支持基板を除去する
ことができる。また、第１の窒化物半導体の成長起点で
ある支持基板との接触界面は結晶性が悪く、単結晶と比
べてもろい。支持基板上に緩衝層を介して窒化物半導体
を成長させたものや、窒化物半導体をＥＬＯ成長させた
もの、その他に厚膜成長させたものからラッピングによ
り支持基板を除去すれば、支持基板と窒化物半導体との
界面は全面接着しており、基板の反りが大きいため、そ
の上に成長させた窒化物半導体に応力がかかり割れ等を
生じる。このため、ラッピングを継続すれば窒化物半導
体から成る単体基板を形成する前に割れが窒化物半導体
の表面側まで延び、単体基板が分散してしまう。しかし
ながら、本発明では、支持基板との接触界面は第１の窒
化物半導体のＴ字柱部分のみであり、上記窒化物半導体
に比べ、支持基板と窒化物半導体との接着面での応力も
少なく、Ｔ字両翼の下部に形成される空間がエアギャッ
プの効果を有し、基板の反りを緩和させ、支持基板の除
去を容易にすることができる。

【００４７】

【実施例】以下に本発明の実施例を示すが本発明はこれ
に限定されない。［実施例１］Ｃ面を主面とし、オリフラ面をＡ面とする
サファイア基板１を用い、ＭＯＣＶＤ法により、温度を
５１０℃、キャリアガスに水素、原料ガスにアンモニア
とＴＭＧ（トリメチルガリウム）とを用い、サファイア
基板１上にＧａＮよりなるバッファ層を２００オングス
トロームの膜厚で成長させる。

【００４８】バッファ層成長後、その上にＣＶＤ法によ
りＳｉＯ_２よりなる保護膜を０．５μｍの膜厚で成膜
し、ストライプ状のフォトマスクを形成し、エッチング
によりストライプ幅１４μｍ、窓部６μｍのＳｉＯ_２よ
りなる保護膜２を形成する。なお、この保護膜２のスト
ライプ方向はサファイアＡ面に対して垂直な方向とす
る。

【００４９】次に、ＭＯＣＶＤ法により、減圧条件で温
度を１０５０℃にして、原料ガスにＴＭＧ、アンモニア
を用い、ＧａＮよりなる第１の窒化物半導体３を２μｍ
の膜厚で成長させる。この時、第１の窒化物半導体３
は、ＳｉＯ_２保護膜の開口部より成長し、この保護膜上
に横方向成長させ、第１の窒化物半導体が完全にＳｉＯ
_２保護膜を覆う前に成長を止める。隣接する第１の窒化
物半導体同士の隙間は、約２μｍとする。

【００５０】次に、ドライエッチングである等方性エッ
チングにより、温度１２０℃で、エッチングガスに酸
素、ＣＦ_４を用い、ＳｉＯ_２保護膜２を完全に取り除
く。

【００５１】さらに、横方向成長させた第１の窒化物半
導体の側面および上面より、常圧でＭＯＣＶＤ法によ
り、温度を１０５０℃にし、原料ガスにＴＭＧ、アンモ
ニアを用い、ＧａＮよりなる第２の窒化物半導体４を１
５μｍの膜厚で成長させる。尚、常圧でなく、減圧で第
２の窒化物半導体４を成長しても良い。

【００５２】得られた第２の窒化物半導体４の表面を、
ＣＬ（カソードルミネセンス）により観測すると、保護
膜の開口部上部には結晶欠陥が見られたが、保護膜が形
成されていた上部に成長させた第２の窒化物半導体４の
表面には結晶欠陥が殆ど見られず良好な結晶性を有して
いる。結晶欠陥の数は、約６×１０^６ｃｍ^−２であっ
た。

【００５３】その後、第２の窒化物半導体４上にＨＶＰ
Ｅ法により第３の窒化物半導体５を形成する。まず、Ｈ
ＶＰＥ装置内に、Ｇａメタルを入れたボートを設置し、
さらにボートから離れた位置に前工程で得られた窒化物
半導体基板を設置する。次にＧａメタルと反応させるハ
ロゲンガスであるＨＣｌ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、Ｎ源としてアンモニアガス
を流す。以上によりアンドープのＧａＮを膜厚２ｍｍで
形成する。

【００５４】次に、反応終了後の窒化物半導体基板を冷
却させることにより自然剥離で支持基板の剥離除去を行
う。以上より、結晶性のよいＧａＮの単体基板を膜厚２
ｍｍで得ることができる。

【００５５】［実施例２］前記実施例１において、基板
上にＴＭＧのみ止めて、温度を１０５０℃まで上昇さ
せ、１０５０℃になったら、原料ガスにＴＭＧ、アンモ
ニアを用い、アンドープＧａＮよりなる窒化物半導体の
下地層を２．５μｍの膜厚で成長させる。

【００５６】［実施例３］実施例１において、保護膜を
第１の窒化物半導体が露出しない程度でエッチングを止
めて、第２の窒化物半導体を成長させる他は同様とす
る。その結果、実施例１とほぼ同様に良好な結果が得ら
れる。

【００５７】[実施例４]実施例１において、保護膜２の
パターンを図３に示すようなＴ字柱の両側に保護膜を残
す他は同様にして窒化物半導体基板を成長させる。この
結果、保護膜が形成されていた上部に成長させた第２の
窒化物半導体層の表面には、良好な結晶性を有してい
る。

【００５８】［実施例５］実施例１において、図４に示
すように、第２の窒化物半導体をＨＶＰＥで成長させ
る。この第２の窒化物半導体の膜厚は２ｍｍとする。以
上により、支持基板と分離したＧａＮの単体基板を膜厚
２ｍｍで得ることができる。

【００５９】

【発明の効果】本発明の窒化物半導体基板によれば、横
方向成長した窒化物半導体層の接合部への転位の集中に
よるピットの発生を抑制し、また、素子形成工程におけ
る接合部の認識を容易にし、さらに、厚膜成長させた窒
化物半導体の単体基板を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１（ａ）〜（ｆ）は、本件第１発明におけ
る窒化物半導体基板の製造工程を模式的に示す断面図で
ある。

【図２】図２は、本件第１発明における窒化物半導体
基板の別の態様を模式的に示す断面図である。

【図３】図３は、本件第１発明における窒化物半導体
基板のさらに別の態様模式的に示す断面図である。

【図４】図４は、本件第１発明における窒化物半導体
基板の別の態様を模式的に示す断面図である。

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Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】支持基板と、前記支持基板表面の周期的
なストライプ状、格子状、又は島状の部分を成長起点と
して横方向成長し、互いに接合する前に横方向成長を停
止することにより周期配列されたＴ字状断面を有する第
１の窒化物半導体と、前記第１の窒化物半導体の上面、
又は上面及び横方向成長した側面を核として成長し、支
持基板全面を覆う第２の窒化物半導体と、前記第２の窒
化物半導体上に膜厚が３００μｍ以上の第３の窒化物半
導体とを備え、前記第２の窒化物半導体が互いに接合する部分の下に形
成されている空間より支持基板を分離除去していること
を特徴とする窒化物半導体基板。
【請求項２】前記第３の窒化物半導体の膜厚は１ｍｍ
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。
【請求項３】前記第１の窒化物半導体が、周期的なス
トライプ状、格子状、又は島状の窓部を有する保護膜を
介して前記支持基板上に成長されたことを特徴とする請
求項１に記載の窒化物半導体基板。
【請求項４】前記格子状の窓部に囲まれた保護膜が、
円形又は多角形であることを特徴とする請求項３に記載
の窒化物半導体基板。
【請求項５】前記窒化物半導体基板は、各成長起点か
ら横方向に成長した第１の窒化物半導体同士が互いに接
合せずに隙間を有して配列し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基板。
【請求項６】前記支持基板は、異種基板上にバッファ
層を有す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。
【請求項７】前記バッファ層は窒化ガリウム層、又は
窒化インジウムガリウム層であることを特徴とする請求
項６に記載の窒化物半導体基板。
【請求項８】前記第３の窒化物半導体は、ｎ型不純物
がドープされていることを特徴とする請求項１に記載の
窒化物半導体基板。
【請求項９】前記保護膜が、酸化ケイ素、窒化ケイ
素、酸化チタン、酸化ジルコニウム、これらの多層膜、
又は１２００℃以上の融点を持つ高融点金属膜であるこ
とを特徴とする請求項３又は４に記載の窒化物半導体基
板。
【請求項１０】支持基板上に、ストライプ状、格子
状、又は島状の窓部を有する保護膜を形成し、前記支持
基板露出部より保護膜上に第１の窒化物半導体を横方向
成長させて前記保護膜を覆わない状態で止め、保護膜を
除去することにより横方向成長した第１の窒化物半導体
の下部に空間を形成し、その後、第１の窒化物半導体の
上面、又は上面及び横方向成長部分である側面より第２
の窒化物半導体を成長させて支持基板全面を覆い、その
後、前記第２の窒化物半導体上に膜厚が３００μｍ以上
の第３の窒化物半導体を成長させ、支持基板を分離除去
することを特徴とする窒化物半導体基板の製造方法。
【請求項１１】前記保護膜を、前記支持基板が露出す
るまで除去することを特徴とする請求項１０に記載の窒
化物半導体基板の製造方法。
【請求項１２】前記保護膜を除去する方法は、エッチ
ング又は剥離であることを特徴とする請求項１０又は１
１に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
【請求項１３】前記保護膜は、酸化ケイ素、窒化ケイ
素、酸化チタン、酸化ジルコニウム、これらの多層膜、
又は１２００℃以上の融点を持つ高融点金属膜であるこ
とを特徴とする請求項１０乃至１２に記載の窒化物半導
体基板の製造方法。