JP2004072052A

JP2004072052A - 半導体装置及びその製造方法

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Publication number: JP2004072052A
Application number: JP2002233269A
Authority: JP
Inventors: Tetsuzo Ueda; 上田　哲三; Masahiro Ishida; 石田　昌宏
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-08-09
Filing date: 2002-08-09
Publication date: 2004-03-04

Abstract

【課題】窒化物半導体を大面積で且つ膜割れを生じさせることなく異種基板から分離することができるようにする。
【解決手段】波長が３５５ｎｍのパルス状に発振するＹＡＧレーザの第３高調波光を基板１０における窒化ガリウムを含む半導体膜１１の反対側の面からその面内をスキャンするように照射する。レーザ光は基板１０では吸収されず、半導体膜１１の基板１０との界面の近傍で吸収される。このとき、レーザ光のパワー密度を約２８０ｍＪ／ｃｍ^２　に設定することにより、第１コンタクト層５１を構成する窒化ガリウムにおけるガリウムの組成がその化学量論比と比べて大きい、ガリウムリッチな状態に変質した変質層１１ａが界面近傍に形成する。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置及びその製造方法に関し、特に、短波長発光ダイオード素子又は短波長半導体レーザ素子等の半導体装置及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒化ガリウム（ＧａＮ）系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体、すなわち一般式がＩｎ_ｘ　Ｇａ_ｙ　Ａｌ_ｚ　Ｎ（但し、ｘ，ｙ，ｚは、０≦ｘ，ｙ，ｚ≦１，ｘ＋ｙ＋ｚ＝１である。）の化合物半導体は、広い禁制帯幅を有するため、青色光又は緑色光を発光する可視域発光ダイオード素子又は短波長半導体レーザ素子のような発光デバイスに応用することができ、特に発光ダイオード素子は、既に大型ディスプレイ装置や信号機で実用化されている。また、蛍光材料を励起することで発光する白色発光ダイオード素子の発光効率も３０ｌｍ／Ｗ程度にまで向上しており、現行の蛍光灯及び白熱灯による照明器具の置き換えも期待されている。また、半導体レーザ素子についても、１００００時間以上の寿命が実現されるに至り、既に高密度で且つ大容量の光ディスク装置用の青紫色レーザ素子がサンプル出荷され、少量生産レベルに達している。
【０００３】
ＧａＮ系半導体は、窒化ガリウム（ＧａＮ）からなる基板の作成が困難であるため、シリコン（Ｓｉ）又はヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）のように、エピタキシャル成長層と同一の組成を持つ基板上に結晶成長させることができない。そこで、一般には、エピタキシャル成長層と異なる材料からなる異種基板を用いて結晶成長するヘテロエピタキシャル成長が行なわれている。さらに、近年、有機金属気相成長（Ｍｅｔａｌ　Ｏｒｇａｎｉｃ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＭＯＣＶＤ）法を中心とする結晶成長技術が大きく進展したため、前述した各発光素子が実用化されるに至っている。
【０００４】
これまでに最も広く用いられ、且つ最も優れたデバイス特性を可能とする異種基板はサファイアである。ところが、サファイアは絶縁性材料であるため、サファイア基板の主面上に、例えばｐｎ接合からなる発光ダイオード素子を形成した場合には、ｐｎ接合を構成するＧａＮ系の半導体層の一部を選択的に除去して、ｐ側電極及びｎ側電極をｐｎ接合側に、すなわち主面側に両電極を形成する必要があり、その結果、チップ面積及び直列抵抗が増大するいう問題が生じる。
【０００５】
また、サファイアは半導体と比べて熱伝導率が小さいため、例えば半導体レーザ素子をサファイア基板上に形成した場合には、基板を介した放熱性が優れないことからレーザ素子の寿命が短くなるという問題もある。
【０００６】
これらの問題を解決する方法の一つに、サファイア基板上に成長した、結晶性が良好なＧａＮ系半導体膜を異種基板に転写し、その後、エピタキシャル成長層とサファイア基板とを分離する方法が提案されて検討されている。
【０００７】
サファイア基板は、研磨により除去することも可能であるが、基板に対する研磨の制御が難しく、その上、ＧａＮ系のエピタキシャル成長層を成長すると、冷却時に窒化ガリウムとサファイアとの熱膨張係数の差により、基板が断面凸状に反ってしまうため、研磨自体が物理的に困難であるという問題が発生する。このため、他の方法として、レーザリフトオフ法というエピタキシャル成長層とサファイア基板との分離方法が開発されている（Ｍ．Ｋ．Ｋｅｌｌｙ　ｅｔ　ａｌ，　Ｊａｐａｎｅｓｅ　Ｊｏｕｒｎａｌｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ，　Ｖｏｌ．３８　（１９９９）　ｐｐ．Ｌ２１７−Ｌ２１９，　Ｗ．Ｓ．Ｗｏｎｇ　ｅｔ　ａｌ．　ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ，　Ｖｏｌ．７２　（１９９８）　ｐｐ．５９９−６０１）。
【０００８】
具体的には、ＧａＮ系のエピタキシャル成長層をサファイア基板上に成長した後、例えば波長が３５５ｎｍのＹＡＧレーザの第３高調波光、又は波長が２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザ光を照射する。これらのレーザ光は、光出力が非常に大きい短パルスレーザ光であり、また、サファイア基板を透過し、基板とエピタキシャル成長層との界面付近に位置する窒化ガリウム層でのみ吸収される。この光吸収によって、窒化ガリウム層の界面の近傍領域は局所的に加熱され、加熱された窒化ガリウム層には、レーザ光のパワーが所定値よりも大きい場合には熱分解を生じる。その結果、ＧａＮとサファイアの界面には金属ガリウム（Ｇａ）を含む熱分解層が形成されるため、金属ガリウムの融点以上に加熱するか、又は金属ガリウムを酸等のウエットエッチングで除去することにより、窒化ガリウム層とサファイア基板とを分離することができる。
【０００９】
さらには、エピタキシャル成長層の上に、例えばシリコン（Ｓｉ）からなる異種基板（保持基板）に貼り付けた後に、前述したレーザリフトオフ法と呼ばれるサファイア基板を分離することにより、ＧａＮ系のエピタキシャル成長層を保持基板に移し替える（転写、トランスファ）方法が報告されている（Ｗ．Ｓ．Ｗｏｎｇ　ｅｔ　ａｌ．，　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ，　Ｖｏｌ．７７　（２０００）　ｐｐ．２８２２−２８２４）。この方法を採ることにより、ｐ側電極及びｎ側電極を保持基板の両面に対向するように形成することができるため、チップサイズ及び直列抵抗をそれぞれ低減できると共に、放熱性が改善されるので、デバイスの高性能化が可能となる。
【００１０】
このように、発光デバイスに用いる、膜厚が５μｍ〜１０μｍ程度のＧａＮ系の薄膜とサファイア基板とを分離するレーザリフトオフ法は、発光デバイスの高性能化という点で非常に有用な技術であるといえる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
以下、従来のＧａＮ系半導体薄膜の製造方法について説明する。
【００１２】
まず、例えばＭＯＣＶＤ法により、サファイアからなる基板の上に膜厚が約５μｍの窒化ガリウムからなる化合物半導体膜を成長する。
【００１３】
続いて、例えば波長が３５５ｎｍのＹＡＧレーザの第３高調波光を基板の裏面から照射する。これにより、化合物半導体膜の基板との界面近傍において、窒化ガリウム（ＧａＮ）が金属ガリウム（Ｇａ）と窒素（Ｎ_２　）ガスとに熱分解して、界面の全面にわたって金属ガリウムが残存する。
【００１４】
このとき、図６に示す表面の拡大写真から、熱分解の際に発生した窒素ガスの圧力によって、化合物半導体膜の表面に膜割れ（クラック）が生じたり、膜の一部が吹き飛んで欠損したりしていることが分かる。
【００１５】
このように、前記従来の半導体薄膜の製造方法は、膜厚が５μｍかそれ以下の窒化物半導体薄膜を成長し、その後、成長した半導体薄膜を基板から分離する際に、該半導体薄膜に膜割れや吹き飛びが生じてしまうため、半導体薄膜を比較的大きい面積で且つ膜割れを生じることなく、基板から分離することは困難であるという問題を有している。
【００１６】
本発明は、前記従来の問題を解決し、窒化物半導体を大面積で且つ膜割れを生じさせることなく異種基板から分離することができるようにすることを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するため、本発明は、第１の半導体装置の製造方法として、化合物半導体膜の異種基板との界面近傍に照射光を照射して、該界面近傍部分にその化学量論比の値からずれた部分を形成することにより、化合物半導体膜を異種基板から分離する際の膜割れを生じにくくする構成とする。
【００１８】
また、本発明は、第２の半導体装置の製造方法として、化合物半導体膜とそれを成長する異種基板との間に下地膜を設けておき、該下地膜に照射光を照射して、該下地膜にその化学量論比の値からずれた部分を形成することにより、化合物半導体膜を異種基板から分離する際の膜割れを生じにくくする構成とする。
【００１９】
具体的に、本発明に係る第１の半導体装置の製造方法は、基板の上に、第１の化合物半導体からなる第１半導体膜を形成する第１の工程と、基板における第１半導体膜の反対側の面から、基板で吸収されずに第１半導体膜で吸収される波長を有する照射光を照射して、第１半導体膜から基板を分離する第２の工程とを備え、第１半導体膜の一部は、第１の化合物半導体の化学量論比と異なる組成比を有している。
【００２０】
第１の半導体装置の製造方法によると、基板における第１半導体膜の反対側の面から、基板で吸収されずに第１半導体膜で吸収される波長を有する照射光を照射することにより、第１半導体膜の一部がそれを構成する化合物半導体の化学量論比と異なる組成比となる。これにより、第１半導体膜における熱分解によるガスの発生が抑制されて、第１半導体膜に膜割れや吹き飛びが生じることがなくなるので、第１半導体膜を基板から分離することができる。
【００２１】
第１の半導体装置の製造方法において、第１の工程は、第１半導体膜を導電型が互いに異なる複数の半導体層により形成する工程を含むことが好ましい。
【００２２】
また、第１の半導体装置の製造方法は、第２の工程よりも後に、第１半導体膜の上に、第２の化合物半導体からなる第２半導体膜を形成する第３の工程をさらに備えていることが好ましい。
【００２３】
さらにこの場合に、第２半導体膜は導電型が互いに異なる複数の半導体層を含むことが好ましい。
【００２４】
このようにすると、第１半導体膜における基板側の一部であって、化学量論比と異なる組成比を有する部分は、基板とは緩い結合状態にある。従って、第１半導体膜上に、導電型が互いに異なる複数の化合物半導体層を含む第２半導体膜を再成長すると、再成長した第２半導体膜が、例えば発光ダイオード素子又は半導体レーザ素子のようなデバイス構造を含む場合には、基板と第２半導体膜との熱膨張係数の差によるストレスや、格子不整合の影響を受けにくくなるため、デバイス構造の結晶性が良好となる。
【００２５】
本発明に係る第２の半導体装置の製造方法は、基板の上に化合物材料からなる下地膜を形成する第１の工程と、下地膜の上に、第１の化合物半導体からなる第１半導体膜を形成する第２の工程と、基板における下地膜の反対側の面から、基板で吸収されずに下地膜で吸収される波長を有する照射光を照射して、下地膜から基板を分離する第３の工程とを備え、下地膜の少なくとも一部は化合物材料の化学量論比と異なる組成比を有している。
【００２６】
第２の半導体装置の製造方法によると、基板における下地膜の反対側の面から、基板で吸収されずに下地膜で吸収される波長を有する照射光を照射することにより、下地膜の少なくとも一部がそれを構成する化合物材料の化学量論比と異なる組成比となる。このように、照射光が下地膜に吸収される結果、第１半導体膜における熱分解によるガスの発生が抑制されるので、第１半導体膜は膜割れを生じることなく基板から分離することができる。その上、第１半導体膜が照射光を吸収しない組成であっても、第１半導体膜から基板を分離することができる。
【００２７】
第２の半導体装置の製造方法において、第２の工程は、第１半導体膜を導電型が互いに異なる複数の半導体層により形成する工程を含むことが好ましい。
【００２８】
第２の半導体装置の製造方法において、下地膜は酸化亜鉛からなることが好ましい。酸化亜鉛は、窒化ガリウム及び窒化アルミニウムガリウムと比べて禁制帯幅が小さく、一般に窒化物半導体よりも組成が化学量論比からずれやすい性質を有しているため、第１半導体膜が窒化物半導体からなり且つ下地膜が第１半導体膜と接するように形成されている場合には、照射した光は主に酸化亜鉛で吸収されることになる。
【００２９】
第１又は第２の半導体装置の製造方法は、基板に照射光を照射する前又は後に、第１半導体膜の上に板状の保持材を貼り合わせる工程をさらに備えていることが好ましい。
【００３０】
この場合に、保持材を第１半導体膜から分離する工程をさらに備えていることが好ましい。
【００３１】
また、第２の半導体装置の製造方法は、第３の工程よりも後に、第１半導体膜の上に、第２の化合物半導体からなる第２半導体膜を形成する第４の工程をさらに備えていることが好ましい。
【００３２】
さらにこの場合に、第２半導体膜は導電型が互いに異なる複数の半導体層を含むことが好ましい。
【００３３】
第１又は第２の半導体装置の製造方法は、基板に照射光を照射する前又は後に、第２半導体膜の上に板状の保持材を貼り合わせる工程をさらに備えていることが好ましい。
【００３４】
この場合に、保持材を第２半導体膜から分離する工程をさらに備えていることが好ましい。
【００３５】
また、保持材は、ヒ化ガリウム、シリコン、リン化インジウム、リン化ガリウム、金属又は樹脂からなることが好ましい。
【００３６】
第１又は第２の半導体装置の製造方法において、第１半導体膜はＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体からなることが好ましい。
【００３７】
第１又は第２の半導体装置の製造方法において、基板は、サファイア、酸化マグネシウム、酸化リチウムガリウム、酸化リチウムアルミニウム、又は酸化リチウムガリウムと酸化リチウムアルミニウムとの混晶からなることが好ましい。
【００３８】
第１又は第２の半導体装置の製造方法において、照射光はパルス状に発振するレーザ光であることが好ましい。
【００３９】
このようにすると、光の出力パワーを著しく増大することができるため、基板の分離が容易となる。
【００４０】
また、第１又は第２の半導体装置の製造方法において、照射光は水銀ランプの輝線であることが好ましい。
【００４１】
このようにすると、照射光のスポットサイズを大きくできるため、基板の分離を短時間で行なうことが可能となる。
【００４２】
第１又は第２の半導体装置の製造方法において、照射光は基板の面内をスキャンするように照射することが好ましい。
【００４３】
このようにすると、照射光のビームサイズに影響されることなく、大面積でも膜割れを生じさせることなく第１半導体膜を基板から分離することができる。
【００４４】
本発明に係る第１の半導体装置は、複数の化合物半導体層を有する半導体膜を備え、半導体膜の１つの面の近傍領域は化合物半導体の化学量論比と異なる組成比を有している。
【００４５】
第１の半導体装置によると、半導体膜の１つの面の近傍領域は化合物半導体の化学量論比と異なる組成比を有しているため、光照射により半導体膜が分解した場合に生ずるガスの発生が抑制されており、半導体膜を成長した基板との結合が緩くなるので、界面近傍でのガスの圧力による半導体膜の割れや吹き飛びが生じていない。
【００４６】
本発明に係る第２の半導体装置は、化合物材料からなる下地膜と、下地膜の上に形成され、複数の化合物半導体層を有する半導体膜とを備え、下地膜の少なくとも一部は化合物材料の化学量論比と異なる組成比を有している。
【００４７】
第２の半導体装置によると、下地膜の少なくとも一部はその化学量論比と異なる組成比を有しているため、光照射により半導体膜が分解した場合に生ずるガスの発生が抑制されており、半導体膜を成長した基板との結合が緩くなるので、界面近傍でのガスの圧力による半導体膜の割れや吹き飛びが生じていない。
【００４８】
第２の半導体装置において、下地膜は酸化亜鉛からなることが好ましい。
【００４９】
第１又は第２の半導体装置において、半導体膜は導電型が互いに異なる複数の半導体層を含むことが好ましい。
【００５０】
第１又は第２の半導体装置において、半導体膜には該半導体層を保持する板状の保持材が貼り合わせられていることが好ましい。
【００５１】
この場合に、保持材は、ヒ化ガリウム、シリコン、リン化インジウム、リン化ガリウム、金属又は樹脂からなることが好ましい。
【００５２】
第１又は第２の半導体装置において、半導体膜はＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体からなることが好ましい。
【００５３】
第１又は第２の半導体装置は、半導体膜を形成する基板をさらに備えていることが好ましい。
【００５４】
この場合に、基板は、サファイア、酸化マグネシウム、酸化リチウムガリウム、酸化リチウムアルミニウム、又は酸化リチウムガリウムと酸化リチウムアルミニウムとの混晶からなることが好ましい。
【００５５】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００５６】
図１（ａ）〜図１（ｃ）は本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法の工程順の断面構成を示している。
【００５７】
まず、図１（ａ）に示すように、ＭＯＣＶＤ法により、サファイアからなる基板（ウエハ）１０の主面上に、厚さが５μｍ程度で、導電型が互いに異なる複数の窒化ガリウム（ＧａＮ）系の半導体膜１１を成膜する。
【００５８】
具体的には、図２に示すように、例えば、シリコン（Ｓｉ）をドーパントとするｎ型の窒化ガリウム（ＧａＮ）からなる第１コンタクト層５１と、ｎ型の窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）からなる第１クラッド層５２と、ノンドープの窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）からなる量子井戸層５３と、マグネシウム（Ｍｇ）をドーパントとするｐ型の窒化アルミニウムガリウムからなる第２クラッド層５４、ｐ型の窒化ガリウムからなる第２コンタクト層５５とを順次成長して、発光ダイオードとなるデバイス構造を形成する。
【００５９】
次に、図１（ｂ）に示すように、例えば、波長が３５５ｎｍのパルス状に発振するＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）レーザの第３高調波光を基板１０における半導体膜１１の反対側の面からその面内をスキャンするように照射する。このレーザ光は基板１０では吸収されず、半導体膜１１の基板１０との界面の近傍領域で吸収される。このとき、レーザ光のパワー密度を約２８０ｍＪ／ｃｍ^２　に設定することにより、第１コンタクト層５１を構成する窒化ガリウム（ＧａＮ）におけるガリウムの組成がその化学量論比と比べて大きい、いわゆるガリウムリッチな状態に変質した変質層１１ａが界面近傍に形成される。
【００６０】
ここで、ＹＡＧレーザにおけるパワー密度は２５０ｍＪ／ｃｍ^２　〜３５０ｍＪ／ｃｍ^２　に設定することが好ましい。このようにすると、第１コンタクト層５１には、それを構成する窒化ガリウムの熱分解による窒素ガスの発生が抑制されるため、変質層１１ａを確実に形成することができ、半導体膜１１に生じる膜破れや吹き飛びを防止することができる。
【００６１】
ガリウムリッチな変質層１１ａは、結晶構造が化学量論比からずれない窒化ガリウムと異なり、基板１０との結晶結合が緩くなっているため、図１（ｃ）に示すように、１００℃以上に加熱するか又は温度サイクルを与えることにより、基板１０を半導体膜１１から容易に分離することができる。
【００６２】
また、基板１０を分離する際には、基板１０が分離された半導体膜１１の扱いを容易にするために、該半導体膜１１の上面に、例えばレジスト若しくは粘着シート等からなる保持材、又はシリコン（Ｓｉ）からなる保持基板を貼り付けると良い。保持基板が導電性を持つ場合には、後工程で電極を形成する際にも、該保持基板を除去する必要はない。
【００６３】
また、保持材又は保持基板の貼り合わせは、照射工程の後でもよい。
【００６４】
また、保持基板はシリコンに限られず、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）、リン化インジウム（ＩｎＰ）、リン化ガリウム（ＧａＰ）、又は銅（Ｃｕ）を用いてもよい。
【００６５】
変質層１１ａは、例えばＸ線光電子分光分析（Ｘ−ｒａｙ　Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：ＸＰＳ）法を用いると、その組成を解析することができる。すなわち、基板１０を半導体膜１１から分離した後、変質層１１ａが露出した状態でその表面を解析し、ガリウムのエネルギー準位（３ｄ）及び窒素のエネルギー準位（１ｓ）の信号強度の比の値を算出することにより、ガリウムと窒素との組成比を検証することができる。
【００６６】
なお、照射工程において、レーザ光をパルス状に発振するため、レーザ光の出力パワーを著しく増大することができるので、変質層１１ａを確実に形成することができる。また、レーザ光を基板１０に対してその面内でスキャンしながら照射するため、基板１０の径が比較的に大きい場合であっても、レーザ光のスポットサイズに影響されることがない。
【００６７】
次に、図示はしていないが、半導体膜１１を構成する第２コンタクト層５５の上に、蒸着法により、例えばニッケル（Ｎｉ）と金（Ａｕ）との積層体からなるｐ側電極を形成し、変質層１１ａ（第１コンタクト層５１）における第２コンタクト層５５の反対側の面上に、例えばチタン（Ｔｉ）とアルミニウム（Ａｌ）との積層体からなるｎ側電極を形成する。ここで、ガリウムリッチな変質層１１ａは、通常の窒化ガリウムと比べて低抵抗であるため、コンタクト抵抗が小さいオーミック電極を実現できるので、デバイスの直列抵抗を低減できる。
【００６８】
以上説明したように、第１の実施形態は、半導体膜１１から基板１０を分離するためのレーザ光の照射工程において、ＹＡＧレーザの第３高調波光を用いる場合に、そのパワー密度を２５０ｍＪ／ｃｍ^２　〜３５０ｍＪ／ｃｍ^２　程度に設定することにより、半導体膜１１における基板１０との界面近傍で窒化ガリウムを熱分解させることなく、ガリウムリッチ（＝窒素プア）な組成を持つ変質層１１ａを形成する。
【００６９】
従って、第１の実施形態によると、レーザ光の照射により窒化ガリウムが熱分解して発生する窒素ガスを抑制できるため、窒素ガスの圧力に起因する半導体膜１１の膜割れや吹き飛びを防止することができる。その結果、半導体膜１１を膜割れや吹き飛びを生じることなく基板１０から分離することができる。
【００７０】
なお、半導体膜１１の構成は、図２に示したデバイス構造に限られず、照射光を吸収する半導体層が膜中に設けられていれば、例えば窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）又は窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）等の、いかなる組成の窒化物化合物半導体で構成されていてもよい。
【００７１】
（第１実施形態の一変形例）
本発明の第１の実施形態の一変形例について図面を参照しながら説明する。
【００７２】
図３（ａ）〜図３（ｃ）は本発明の第１の実施形態の一変形例に係る半導体装置の製造方法の工程順の断面構成を示している。図３において、図１に示す構成部材と同一の構成部材には同一の符号を付す。
【００７３】
まず、図３（ａ）に示すように、ＭＯＣＶＤ法により、サファイアからなる基板１０の主面上に、デバイス構造を含む半導体膜１１を形成する。
【００７４】
次に、図３（ｂ）に示すように、パルス状に発振するＹＡＧレーザの第３高調波光を基板１０における半導体膜１１の反対側の面から照射する。ここでも、パワー密度が約２８０ｍＪ／ｃｍ^２　のレーザ光を基板１０の面内をスキャンするように照射するが、レーザスポットの周縁部は、窒化ガリウムが変質するパワー密度のしきい値である２５０ｍＪ／ｃｍ^２　を下回る。従って、レーザ光で基板１０をスキャンする際に、半導体膜１１には、レーザスポットのパワー密度がしきい値を下回る周縁部分のみが照射される領域が生じる場合があり、その領域では主に窒化ガリウムが熱分解されてなる金属ガリウム（Ｇａ）を含む分解層１１ｂが、ガリウムリッチな窒化ガリウムからなる変質層１１ａの間に縞状に形成される。
【００７５】
次に、図３（ｃ）に示すように、１００℃以上の加熱及び温度サイクルの付与と、例えば塩酸（ＨＣｌ）によるウエットエッチングとを併用することにより、基板１０を半導体膜１１から分離する。なお、第１の実施形態と同様に、基板１０を分離する前又は後に、半導体膜１１の上面に保持材又は保持基板を貼り付けてもよい。
【００７６】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００７７】
図４（ａ）〜図４（ｄ）は本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法の工程順の断面構成を示している。図４において、図１に示す構成部材と同一の構成部材には同一の符号を付している。
【００７８】
まず、図４（ａ）に示すように、例えばＭＯＣＶＤ法により、サファイアからなる基板１０の主面上に、厚さが約３μｍ〜５μｍのｎ型の窒化ガリウムからなるバッファ層２０を形成する。
【００７９】
次に、図４（ｂ）に示すように、パワー密度が約２８０ｍＪ／ｃｍ^２　でパルス状に発振するＹＡＧレーザの第３高調波光を基板１０におけるバッファ層２０の反対側の面からその面内をスキャンするように照射する。これにより、バッファ層２０の基板１０との界面の近傍にガリウムリッチな窒化ガリウムからなる変質層２０ａが形成される。
【００８０】
次に、図４（ｃ）に示すように、基板１０との界面に変質層２０ａを介在させた状態で、再度ＭＯＣＶＤ法により、バッファ層２０の上に、例えば図２に示す発光ダイオード構造を含む半導体膜１１を結晶成長により形成する。
【００８１】
バッファ層２０は変質層２０ａを介しており、基板１０と緩く結合した状態にあるため、この上に結晶成長する半導体膜１１は、サファイアと窒化ガリウムとの熱膨張係数の差によるストレスを受けにくい上に、格子不整合の影響をも受けにくくなる。その結果、半導体膜１１の結晶性が改善されるので、発光ダイオード素子高性能化を図ることができる。なお、ここでも、変質層２０ａには部分的に金属ガリウムを含む分解層を含んでいてもよい。
【００８２】
次に、図４（ｄ）に示すように、１００℃以上の加熱及び温度サイクルの付与と、例えば塩酸（ＨＣｌ）によるウエットエッチングとを併用することにより、基板１０を半導体膜１１及びバッファ層２０から分離する。なお、第１の実施形態と同様に、基板１０を分離する前又は後に、半導体膜１１の上面に保持材又は保持基板を貼り付けてもよい。
【００８３】
以上説明したように、第２の実施形態によると、第１の実施形態と同様に、レーザ光の照射により窒化ガリウムが熱分解されて発生する窒素ガスが抑制されるため、窒素ガスの圧力に起因するバッファ層２０及び半導体膜１１の膜割れや吹き飛びを防止することができるので、バッファ層２０及び半導体膜１１を膜割れや吹き飛びを生じることなく基板１０から分離することができる。
【００８４】
その上、第２の実施形態の特徴として、半導体膜１１を、基板１０と緩く結合した変質層２０ａを介在させた状態のバッファ層２０の上に再成長するため、サファイアと窒化ガリウムとの熱膨張係数の差によるストレスが抑制されると共に、格子不整合の影響をも受けにくくなるので、半導体膜１１の結晶性が良好となる。
【００８５】
（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００８６】
図５（ａ）〜図５（ｃ）は本発明の第３の実施形態に係る半導体装置の製造方法の工程順の断面構成を示している。図５において、図１に示す構成部材と同一の構成部材には同一の符号を付している。
【００８７】
まず、図５（ａ）に示すように、例えばパルスレーザデポジション（ＰＬＤ）法により、サファイアからなる基板１０の主面上に、厚さが約１００ｎｍの酸化亜鉛（ＺｎＯ）からなる下地膜３０Ａを形成する。続いて、例えばＭＯＣＶＤ法により、下地膜３０Ａの上に、例えば図２に示すデバイス構造を含む半導体膜１１を形成する。
【００８８】
次に、図５（ｂ）に示すように、パワー密度が約２５０ｍＪ／ｃｍ^２　で波長が３５５ｎｍのパルス状に発振するＹＡＧレーザの第３高調波光を基板１０における下地膜３０Ａの反対側の面からその面内をスキャンするように照射する。酸化亜鉛（ＺｎＯ）の禁制帯幅は約３．２７ｅＶ（吸収端波長約３７９ｎｍ）であり、窒化ガリウム（ＧａＮ）の禁制帯幅の３．３９ｅＶ（吸収端波長約３６６ｎｍ）よりも小さいため、照射されたレーザ光は、その大部分が下地膜３０Ａに吸収されて、該下地膜３０Ａの少なくとも一部は亜鉛リッチな酸化亜鉛からなる変質下地膜３０Ｂに変質する。
【００８９】
次に、図５（ｃ）に示すように、例えば、例えば王水（濃塩酸と濃硝酸とを約３：１の体積比で混合した酸）等の酸性溶液によって変質下地膜３０Ｂを除去することにより、基板１０を半導体膜１１から分離する。これにより、後工程において、半導体膜１１に対向電極を形成することができる。
【００９０】
ここでも、第１の実施形態と同様に、基板１０を分離する前又は後に、半導体膜１１の上面に保持材又は保持基板を貼り付けてもよい。
【００９１】
以上説明したように、第３の実施形態によると、レーザ光の照射により、窒化ガリウムよりも変質しやすい酸化亜鉛を半導体膜１１の下地膜３０Ａに用いるため、半導体膜１１の基板１０との界面近傍で、窒化ガリウムが熱分解することによる窒素ガスが発生せず、また、酸化亜鉛の分解による酸素ガスの発生も抑制されるので、ガスの圧力に起因する半導体膜１１の膜割れや吹き飛びが生じにくい。その結果、膜割れや吹き飛びが生じることなく半導体膜１１を基板１０から分離することができる。
【００９２】
また、半導体膜１１の下部に、窒化ガリウム（ＧａＮ）に代えて、その吸収端が照射光の波長よりも短く、ＹＡＧレーザの第３高調波光を吸収しない窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層を形成した場合であっても、第３高調波光を吸収する酸化亜鉛からなる下地膜３０Ａを設けているため、半導体膜１１を基板１０から確実に分離することができる。
【００９３】
さらには、第２の実施形態のように、基板１０とバッファ層との間に変質下地膜３０Ｂを形成した後、デバイス構造を含む半導体膜１１を形成してもよい。このようにすると、半導体膜１１の結晶性を向上することができる。その上、基板１０とバッファ層との間に酸化亜鉛からなる変質下地膜３０Ｂを設けるため、バッファ層２０を吸収端が照射光であるＹＡＧレーザ光の波長よりも短い窒化アルミニウムガリウムで形成することも可能となる。
【００９４】
なお、第１〜第３の各実施形態において、サファイアからなる基板１０の主面の面方位は、特に限定されない。例えば（０００１）面の典型的な面や、該（０００１）面からわずかにオフセットした、いわゆるオフアングルを持つ主面でもよい。
【００９５】
また、基板１０は、サファイアに限られず、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化リチウムガリウム（ＬｉＧａＯ_２　）、酸化リチウムアルミニウム（ＬｉＡｌＯ_２　）、又はこれらの混晶（ＬｉＧａ_ｕＡｌ_１−ｕＯ_２　（但し、ｕは０＜ｕ＜１である。））を用いてもよい。
【００９６】
また、半導体膜１１及びバッファ層２０の結晶成長方法はＭＯＣＶＤ法に限られず、例えば、電子ビームエピタキシ（ＭＢＥ）法又はハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ）法を用いてもよい。
【００９７】
また、半導体膜１１に含まれるデバイス構造は、発光ダイオードに限られず、レーザ構造であってもよい。さらには、ｐｎ接合を含まないトランジスタのような電子デバイスであってもよい。
【００９８】
また、ＹＡＧレーザの第３高調波光に代えて、波長が２４８ｎｍのフッ化クリプトン（ＫｒＦ）によるエキシマレーザ光を用いても良く、また、波長が３６５ｎｍの水銀ランプの輝線を用いてもよい。光源に水銀ランプの輝線を用いると、出力光のパワーではレーザ光に劣るものの、照射光のスポットサイズを大きくできるため、照射工程を短縮することができる。
【００９９】
【発明の効果】
本発明に係る第１の半導体装置及びその製造方法によると、第１半導体膜を基板から分離する際に、第１半導体膜の熱分解によるガスの発生が抑制されるため、第１半導体膜に膜割れや吹き飛びが生じることがなくなるので、第１半導体膜を基板から分離することができる。
【０１００】
本発明に係る第２の半導体装置及びその製造方法によると、下地膜の組成が化学量論比からずれた状態となって、第１半導体膜の熱分解によるガスの発生が抑制されるため、第１半導体膜は膜割れを生じることなく基板から分離することができる。その上、第１半導体膜が照射光を吸収しない組成であっても、第１半導体膜から基板を分離することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）〜（ｃ）は本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程順の構成断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る半導体装置のデバイス構造を含む半導体膜を示す構成断面図である。
【図３】（ａ）〜（ｃ）は本発明の第１の実施形態の一変形例に係る半導体装置の製造方法を示す工程順の構成断面図である。
【図４】（ａ）〜（ｄ）は本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程順の構成断面図である。
【図５】（ａ）〜（ｃ）は本発明の第３の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程順の構成断面図である。
【図６】従来の半導体装置の製造方法におけるサファイア基板の裏面からレーザ光を照射した後の窒化ガリウムからなる半導体薄膜の表面写真である。
【符号の説明】
１０　　　基板
１１　　　半導体膜（第１半導体膜／第２半導体膜）
１１ａ　　変質層
１１ｂ　　分解層
２０　　　バッファ層（第１半導体膜）
２０ａ　　変質層
３０Ａ　　下地膜
３０Ｂ　　変質下地膜
５１　　　第１コンタクト層
５２　　　第１クラッド層
５３　　　量子井戸層
５４　　　第２クラッド層
５５　　　第２コンタクト層

Claims

基板の上に、第１の化合物半導体からなる第１半導体膜を形成する第１の工程と、
前記基板における前記第１半導体膜の反対側の面から、前記基板で吸収されずに前記第１半導体膜で吸収される波長を有する照射光を照射して、前記第１半導体膜から前記基板を分離する第２の工程とを備え、
前記第１半導体膜の一部は、前記第１の化合物半導体の化学量論比と異なる組成比を有していることを特徴とする半導体装置の製造方法。
前記第１の工程は、前記第１半導体膜を導電型が互いに異なる複数の半導体層により形成する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
前記第２の工程よりも後に、
前記第１半導体膜の上に、第２の化合物半導体からなる第２半導体膜を形成する第３の工程をさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
前記第２半導体膜は、導電型が互いに異なる複数の半導体層を含むことを特徴とする請求項３に記載の半導体装置の製造方法。
基板の上に化合物材料からなる下地膜を形成する第１の工程と、
前記下地膜の上に、第１の化合物半導体からなる第１半導体膜を形成する第２の工程と、
前記基板における前記下地膜の反対側の面から、前記基板で吸収されずに前記下地膜で吸収される波長を有する照射光を照射して、前記下地膜から前記基板を分離する第３の工程とを備え、
前記下地膜の少なくとも一部は、前記化合物材料の化学量論比と異なる組成比を有していることを特徴とする半導体装置の製造方法。
前記第２の工程は、前記第１半導体膜を導電型が互いに異なる複数の半導体層により形成する工程を含むことを特徴とする請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
前記下地膜は、酸化亜鉛からなることを特徴とする請求項５〜８のうちのいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
前記基板に照射光を照射する前又は後に、
前記第１半導体膜の上に、板状の保持材を貼り合わせる工程をさらに備えていることを特徴とする請求項１、２、５、６のうちのいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
前記保持材を前記第１半導体膜から分離する工程をさらに備えていることを特徴とする請求項８に記載の半導体装置の製造方法。
前記第３の工程よりも後に、
前記第１半導体膜の上に、第２の化合物半導体からなる第２半導体膜を形成する第４の工程をさらに備えていることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
前記第２半導体膜は、導電型が互いに異なる複数の半導体層を含むことを特徴とする請求項１０に記載の半導体装置の製造方法。
前記基板に照射光を照射する前又は後に、
前記第２半導体膜の上に板状の保持材を貼り合わせる工程をさらに備えていることを特徴とする請求項３、４、１０、１１のうちのいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
前記保持材を前記第２半導体膜から分離する工程をさらに備えていることを特徴とする請求項１２に記載の半導体装置の製造方法。
前記保持材は、ヒ化ガリウム、シリコン、リン化インジウム、リン化ガリウム、金属又は樹脂からなることを特徴とする請求項８又は１２に記載の半導体装置の製造方法。
前記第１半導体膜は、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体からなることを特徴とする請求項１〜１４のうちのいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
前記基板は、サファイア、酸化マグネシウム、酸化リチウムガリウム、酸化リチウムアルミニウム、又は酸化リチウムガリウムと酸化リチウムアルミニウムとの混晶からなることを特徴とする請求項１〜１５のうちのいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
前記照射光は、パルス状に発振するレーザ光であることを特徴とする請求項１〜１６のうちのいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
前記照射光は、水銀ランプの輝線であることを特徴とする請求項１〜１６のうちのいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
前記照射光は、前記基板の面内をスキャンするように照射することを特徴とする請求項１〜１８のうちのいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
複数の化合物半導体層を有する半導体膜を備え、
前記半導体膜の１つの面の近傍領域は、前記化合物半導体の化学量論比と異なる組成比を有していることを特徴とする半導体装置。
化合物材料からなる下地膜と、
前記下地膜の上に形成され、複数の化合物半導体層を有する半導体膜とを備え、
前記下地膜の少なくとも一部は、前記化合物材料の化学量論比と異なる組成比を有していることを特徴とする半導体装置。
前記下地膜は、酸化亜鉛からなることを特徴とする請求項２１に記載の半導体装置。
前記半導体膜は、導電型が互いに異なる複数の半導体層を含むことを特徴とする請求項２０又は２１に記載の半導体装置。
前記半導体膜には、該半導体層を保持する板状の保持材が貼り合わせられていることを特徴とする請求項２０〜２３のうちのいずれか１項に記載の半導体装置。
前記保持材は、ヒ化ガリウム、シリコン、リン化インジウム、リン化ガリウム、金属又は樹脂からなることを特徴とする請求項２４に記載の半導体装置。
前記半導体膜は、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体からなることを特徴とする請求項２０〜２３のうちのいずれか１項に記載の半導体装置。
前記半導体膜を形成する基板をさらに備えていることを特徴とする請求項２０〜２６のうちのいずれか１項に記載の半導体装置。
前記基板は、サファイア、酸化マグネシウム、酸化リチウムガリウム、酸化リチウムアルミニウム、又は酸化リチウムガリウムと酸化リチウムアルミニウムとの混晶からなることを特徴とする請求項２７に記載の半導体装置。