JP2005001928A

JP2005001928A - 自立基板およびその製造方法

Info

Publication number: JP2005001928A
Application number: JP2003166463A
Authority: JP
Inventors: Kouji Omichi; 浩児大道; Takeshi Sakuma; 健佐久間; Hideyuki Hosoya; 英行細谷
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2003-06-11
Filing date: 2003-06-11
Publication date: 2005-01-06

Abstract

【課題】電気的特性を改善した高品質なＧａＮからなる自立基板、および、この自立基板を１つの種基板上に複数積層して製造することが可能な自立基板の製造方法を提供する。
【解決手段】ＧａＮ厚膜からなり、一方の面１ａから測定した転位密度のデプス・プロファイルと、他方の面１ｂから測定した転位密度のデプス・プロファイルとが略同一である自立基板１。ＧａＮからなる平板状の基材の上に、ＺｎＯ薄膜からなる中間層と中間層の上にＧａＮ厚膜を順に複数回形成する工程Ｄと、複数の中間層を除去し、基材と複数のＧａＮ厚膜とを分離する工程Ｅと、を少なくとも具備した自立基板の製造方法。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化物半導体からなる自立基板およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、窒化ガリウム（以下、「ＧａＮ」とも記す。）系の窒化物半導体デバイスが急速に技術進展している。窒化物半導体デバイスとして、青色発光ダイオード（ＬＥＤ）の実現を契機に、紫外ＬＥＤ、白色ＬＥＤ、青紫レーザダイオード（ＬＤ）、マイクロ波帯出力ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）など、多岐にわたる開発が精力的に行われている。
【０００３】
ここで、窒化物半導体とは、アルミニウム（Ａｌ）、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）などの金属と窒素（Ｎ）からなる化合物半導体のことを指している。
上記のような窒化物半導体デバイスを実現するために、ＧａＮ基板をはじめとする窒化物半導体自立基板の実現に期待が高まっている。なぜならば、従来のサファイアやシリコンカーバイド（ＳｉＣ）といったヘテロ（異種）基板を用いた場合、格子不整合や熱膨張係数差などに伴う転位が窒化物半導体デバイス層に発生し、結果として高機能のデバイスを実現するのが困難となっているからである。
【０００４】
また、従来のサファイア基板では、サファイアが絶縁性であるため、通常のデバイス構造のように基板裏面に電極を形成することが不可能であったが、ＧａＮ基板では、シリコン（Ｓｉ）などのドーピングにより容易に導電性を得ることができるため、基板裏面に電極を形成することも可能となる。
【０００５】
ＧａＮ基板の製造方法は、大きく分けると、窒素高圧下で結晶を成長させる溶液成長と、ＨＶＰＥ（ＨｙｄｒｉｄｅＶａｐｏｒＰｈａｓｅＥｐｉｔａｘｙ）などの化学輸送反応を利用して、ほぼ大気圧近くで結晶を成長させる気相成長がある。
現在、実用化されているのは、気相成長のみであり、溶液成長には、高圧下における結晶の成長、結晶の成長速度が遅い、大面積化が困難などといった問題がある。
【０００６】
気相成長では、サファイア、砒化ガリウム（ＧａＡｓ）、ガドリウム酸リチウム（ＬｉＧｄＯ_３、以下、「ＬＧＯ」と略す。）、ガドリウム酸ネオジウム（ＮｄＧｄＯ_３、以下、「ＮＧＯ」と略す。）、アルミニウム酸リチウム（ＬｉＡｌＯ_２、以下、「ＬＡＯ」と略す。）といった基板上に、２００μｍ／ｈｒ程度の成長速度で、ＧａＮ単結晶膜を１５０〜５００μｍ程度成長させた後、基板からＧａＮ単結晶膜を剥離することにより、ＧａＮ基板を製造することができる。
【０００７】
以下、例えば、サファイア、ＧａＡｓ、ＬＧＯ、ＮＧＯ、ＬＡＯといったＧａＮ単結晶厚膜を成長させるための基板を種基板、種基板から剥離する前のＧａＮ単結晶厚膜をＧａＮ厚膜、ＧａＮ厚膜を種基板から剥離したものをＧａＮ自立基板と称する。
【０００８】
ここで、気相成長によるＧａＮ厚膜の作製に係る従来技術と、種基板からＧａＮ厚膜を剥離し、ＧａＮ自立基板を作製する従来技術について説明する。
【０００９】
（気相成長によるＧａＮ厚膜の製造に関する従来技術）
従来技術では、種基板として、サファイアなどのヘテロ基板を用いているため、種基板とＧａＮ厚膜との格子不整合度、熱膨張係数差などに起因する転位がＧａＮ厚膜をなすＧａＮ結晶中に発生し、高品質（低転位）のＧａＮ厚膜を製造することが難しいという問題があった。
そのため、従来技術では、例えば、特許文献１に開示されているような製造方法により、ＧａＮ結晶中の転位を低減している。
【００１０】
以下に、特許文献１に記載されているＧａＮ厚膜の製造方法の概略を示す。
まず、ＭＯＶＰＥ（ＭｅｔａｌＯｒｇａｎｉｃＶａｐｏｒＰｈａｓｅＥｐｉｔａｘｙ）により種基板上に低温堆積緩衝層と高温成長層からなる下地結晶膜を成長させる。
次に、この下地結晶上に、ＳｉＯ_２膜を形成した後、フォトリソグラフィ技術とドライエッチングプロセスを用いてＳｉＯ_２のストライプパターンを形成する。以下、このＳｉＯ_２のストライプパターンをＳｉＯ_２マスクと称する。続いて、再度ＭＯＶＰＥによりＧａＮを成長させると、ＳｉＯ_２マスク上面からＧａＮの成長はなく、下地ＧａＮ層が最表面となる窓部からのみＧａＮが再成長する。ＳｉＯ_２マスク厚よりもさらに厚く成長させていくと、ＧａＮ結晶は横方向への成長が進行し、窓部から成長させたＧａＮ同士が合体し、ＳｉＯ_２マスク表面を完全に覆う。このとき、ＧａＮ結晶方位に対するＳｉＯ_２マスクのストライプ方向、ＳｉＯ_２マスクのストライプ幅および窓幅、ＭＯＶＰＥの成長条件を最適化することによって、ＧａＮ最表面の平坦性および転位密度を低減させることができる。この方法は、選択横方向成長技術（ＥｐｉｔａｘｉａｌＬａｔｅｒａｌＯｖｅｒｇｒｏｗｔｈ、以下、「ＥＬＯ成長」と略す。）として知られている。
このようなプロセスを経て、ＥＬＯ成長を行った結晶の上に、ＨＶＰＥにより、ＧａＮ厚膜を成長させることによって転位密度の低い膜を形成することができる。
【００１１】
（種基板からＧａＮ厚膜を剥離し、ＧａＮ自立基板を作製する従来技術）
従来技術としては、（１）レーザリフトオフを用いた方法、（２）除去し易い基板上へＧａＮ厚膜を成長する方法、（３）中間層を導入する方法、（４）熱応力により自然剥離させる方法、（５）機械加工により種基板を除去する方法などが挙げられる。
【００１２】
（１）の方法では、サファイア基板上に、ＧａＮ厚膜を成長させた後、サファイア基板の裏面からＮｄ：ＹＡＧレーザの３倍波を照射することにより、サファイア基板を剥離する。
（２）の方法では、ＧａＡｓ基板上に、ＧａＮ厚膜を成長させた後、ＧａＡｓを王水でエッチングし、ＧａＡｓ基板を除去する（例えば、特許文献２参照。）。
【００１３】
（３）の方法では、サファイア基板上に、酸化亜鉛（ＺｎＯ）薄膜からなる中間層を介してＧａＮ厚膜を成長させた後、ＺｎＯを王水でエッチングし、サファイア基板を剥離する。
（４）の方法では、ＬＧＯ、ＮＧＯなどからなる種基板上に、ＧａＮ厚膜を成長させた後、結晶成長温度から室温に冷却する間に、種基板とＧａＮ厚膜との熱膨張係数差を利用して、両者を自然剥離させる。
【００１４】
（５）の方法では、サファイア基板上に、ＧａＮ厚膜を成長させた後、サンドブラスト法によりサファイア基板の裏面を研磨して、大部分のサファイア基板を除去し、最後にポリッシング工程にて残存するサファイア基板を完全に除去する（例えば、特許文献１参照。）。
【００１５】
また、ＧａＮ以外の窒化物半導体基板をなす窒化物としては、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）、窒化インジウムアルミニウム（ＩｎＡｌＮ）などが挙げられるが、アルミニウム（Ａｌ）、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）などの金属と、窒素とからなる化合物の半導体は、気相成長および種基板の剥離技術を用いることにより、自立基板として製造されることが望まれている。
【００１６】
【特許文献１】
特開２０００−３４９３３８号公報
【特許文献２】
特開平１０−１１４６００号公報
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来の窒化物半導体自立基板の製造方法では、１枚の種基板から、１枚の窒化物半導体自立基板を製造するため、製造効率が非常に悪かった。
【００１８】
１枚の種基板から複数の窒化物半導体自立基板を製造する方法としては、種基板上に厚さ数十ｍｍの窒化物半導体厚膜層を形成し、ダイシング工程とポリッシング工程を用いて窒化物半導体自立基板を製造する方法が考えられる。しかしながら、実際には、厚さ数十ｍｍもの窒化物半導体厚膜層を成長させるのは困難である。さらに、ダイシング工程において、１枚の窒化物半導体自立基板を切り出す毎に、ダイシング装置のブレード厚に応じた切りしろ（２００μｍ〜５００μｍ程度）が必要となり、窒化物半導体自立基板として使用される部分は、種基板に成長させた直後の窒化物半導体厚膜層の厚さの半分程度となってしまう。また、ダイシング装置や、ポリッシング装置は高価である上に、製造工程が複雑になるという問題もある。
【００１９】
また、種基板としてヘテロ基板を使用した場合、ＧａＮ厚膜を高品質化するためには、上述のように、複雑な工程を経る必要があるため、その分、製造コストが高くなるという問題があった。
【００２０】
種基板として、ＧａＮ自立基板を使用することができれば、格子不整合度、熱膨張差などの問題がなくなり、従来のような複雑な製造工程を経ることなく、ＨＶＰＥによる厚膜成長のみで、充分に高品質のＧａＮ自立基板を製造することができる。
しかしながら、従来、種基板に物理的変化を及ぼすことなくＧａＮ自立基板を製造し、さらには、同じ種基板上に、複数のＧａＮ自立基板を積層するようにして製造する方法は開示されていなかった。
【００２１】
また、従来技術により、サファイア基板上に設けたＺｎＯ薄膜からなる中間層上にＧａＮ厚膜を成長させて得られたＧａＮ自立基板では、サファイア基板とＺｎＯの格子不整合度が１８．３％と非常に大きいため、成長初期の転位密度が非常に大きい。ＨＶＰＥで厚膜を成長させることにより、最表面は転位密度の小さい膜になるため、その表面に成長させる窒化物半導体デバイスは低転位に形成することができるが、成長初期の転位密度が大きいＧａＮ自立基板の初期成長部は抵抗値も非常に高く、ＧａＮ自立基板裏面から電極を形成することが困難となる問題があった。
【００２２】
本発明は、前記事情に鑑みてなされたもので、電気的特性を改善した高品質な自立基板、および、この自立基板を１つの種基板上に複数積層して製造することが可能な自立基板の製造方法を提供することを目的とする。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するために、窒化ガリウムの厚膜からなり、一方の面から測定した転位密度のデプス・プロファイルと、他方の面から測定した転位密度のデプス・プロファイルとが略同一である自立基板を提供する。
【００２４】
本発明は、窒化ガリウムからなる平板状の基材の上に、酸化亜鉛からなる中間層を形成する工程Ａと、該中間層の上に窒化ガリウムの厚膜を形成する工程Ｂと、前記中間層を除去し、前記基材と前記厚膜とを分離する工程Ｃと、を少なくとも具備した自立基板の製造方法を提供する。
【００２５】
本発明は、窒化ガリウムからなる平板状の基材の上に、酸化亜鉛からなる中間層と該中間層の上に窒化ガリウムの厚膜を順に複数回形成する工程Ｄと、複数の前記中間層を除去し、前記基材と複数の前記厚膜とを分離する工程Ｅと、を少なくとも具備した自立基板の製造方法を提供する。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳しく説明する。
図１は、本発明の自立基板の一例を示す概略断面図であり、（ａ）は自立基板単体を示し、（ｂ）は本発明によって複数の自立基板が積層された状態を示している。
この例の自立基板１は、種基板上にＺｎＯからなる中間層２を介して気相成長により形成したＧａＮ厚膜を、中間層２から剥離して得られたＧａＮ平板からなり、一方の面１ａから厚み方向にみた転位密度のプロファイルと、他方の面１ｂから厚み方向にみた転位密度のプロファイルとが略同一となっている半導体基板である。
【００２７】
ここで、自立基板１において、一方の面１ａから厚み方向にみた転位密度のプロファイルと、他方の面１ｂから厚み方向にみた転位密度のプロファイルとが略同一となっているとは、自立基板１中の結晶品質が厚み方向で略一様であることを意味している。
【００２８】
自立基板１は、一方の面１ａから厚み方向にみた転位密度のプロファイルと、他方の面１ｂから厚み方向にみた転位密度のプロファイルとが略同一となっているため、自立基板１中に高抵抗となる部分が存在せず、結果として非常に低抵抗であり、前記自立基板１上に窒化物半導体デバイスを形成し、その電極を自立基板１の裏面に形成することが可能となる。
【００２９】
また、自立基板１の厚みは、１５０μｍ以上が望ましく、１５０μｍ〜５００μｍがより望ましい。
自立基板１の厚みが１５０μｍ以上であれば、自立基板として扱い易い上に、結晶品質（転位密度の分布など）が良好である。ただし、自立基板１の厚みが厚すぎると、残存する転位に起因する漏れ電流が大きくなるので、厚みは１５０μｍ〜５００μｍ程度がより望ましい。
【００３０】
したがって、この自立基板１をＬＥＤやＬＤといった窒化物半導体発光デバイス用の基板として用いた場合、非常に電気−光変換効率の高い（内部量子効率の高い）デバイスを作製することが可能となる。
【００３１】
以下に、図２〜図７を用いて、本発明に係る自立基板の製造方法について説明する。
図２および図３は、本発明に係る自立基板の製造方法を示す概略断面図である。図４は、ＺｎＯ薄膜およびＧａＮ厚膜の製造装置の一例を示す概略模式図であり、この例の製造装置には、図５に構造を示すような第二のチャンバー４０、および、図６に構造を示すような第三のチャンバー５０が組み込まれており、第二のチャンバー４０内においてＺｎＯ薄膜が、第三のチャンバー５０内においてＧａＮ厚膜が形成されるようになっている。図７は、ＺｎＯ薄膜を除去するためのエッチング装置の一例を示す概略模式図である。
【００３２】
まず、サファイア基板上に、後述の高周波マグネトロンスパッタリング法によりＺｎＯ薄膜を形成し、このＺｎＯ薄膜上に後述のＨＶＰＥによりＧａＮ厚膜を形成した後、後述のエッチングによりサファイア基板からＧａＮ厚膜を剥離して、ＧａＮからなる平板状の基材１０を得る。
【００３３】
次いで、化学エッチング処理により洗浄した基材１０を種基板として用い、この基材１０を、図４に示す装置の第一のチャンバー３０内に収容し、基板搬送ロッド３１に支持されている基板支持台３２上に載置し、第二のチャンバー４０と連通している搬送管路３３に設けられた第一のゲート３４、および、第三のチャンバー５０と連通している搬送管路３５に設けられた第二のゲート３６を閉じて、チャンバー３０内を真空排気する。
【００３４】
次いで、第一のゲート３４を閉じたまま、第二のチャンバー４０に設けられた第三のゲート４１を閉じて、第二のチャンバー４０内を真空排気する。
次いで、第一のゲート３４を開いて、基板搬送ロッド３１により、基板支持台３２上に配置されている基材１０を真空排気されている第二のチャンバー４０内に搬送する。
【００３５】
次いで、高周波マグネトロンスパッタリング法により、基材１０に、ＺｎＯ薄膜からなる中間層１１を形成する（図２（ａ）参照）。このとき、基材１０の温度を２０〜５０℃程度とし、減圧下で、ＺｎＯを堆積させて、厚み数１０ｎｍ〜１００ｎｍ程度の中間層１１を形成する。
【００３６】
中間層１１は、本発明によって得られる自立基板に物理的変化を及ぼすことなく、選択的に除去することが可能な層である。
また、この中間層１１をなすＺｎＯ薄膜は、マクロ的にはアモルファス状であるが、数ｎｍ程度の単結晶微粒子の集合体である、いわゆる半アモルファス状であることが望ましく、さらには、その厚みが数１０ｎｍ〜１００ｎｍ程度であることが望ましい。
【００３７】
なお、半アモルファス状のＺｎＯ薄膜は、スパッタリング法のみならず、パルスレーザデポジション（ＰＬＤ）、分子線ビームエピタキシー（ＭＢＥ）、原子層エピタキシー（ＡＬＥ）などの方法で製造することができる。
【００３８】
次いで、第二のゲート３６を閉じたまま、第一のゲート３４を開き、基板支持台３２上に載置されている基材１０および中間層１１からなる積層体を真空排気されている第一のチャンバー３０内に搬送する。
次いで、第一のゲート３４を閉じて、第一のチャンバー３０内の雰囲気を窒素などの不活性ガスにより置換した後、再度真空排気する。
【００３９】
次いで、第三のチャンバー５０内を真空排気する。
次いで、第二のゲート３６を開いて、基板支持台３２上に載置されている基材１０および中間層１１からなる積層体を真空排気されている第三のチャンバー５０内に搬送する。
【００４０】
次いで、第三のチャンバー５０内において、ＨＶＰＥ（ＨｙｄｒｉｄｅＶａｐｏｒＰｈａｓｅＥｐｉｔａｘｙ）として知られる気相成長により、中間層１１上に、窒化ガリウム厚膜２０を形成する（図２（ｂ）参照）。
【００４１】
窒化ガリウム厚膜２０の形成方法について説明する。
まず、ＨＶＰＥによる窒化ガリウム厚膜２０の形成原理について説明する。
（１）電気炉５１に周囲を覆われたホットウォール型の第三のチャンバー５０内の原料供給部５２に、Ｇａボードを配し、結晶成長部５３に、基板支持台３２上に載置されている基材１０および中間層１１からなる積層体を配する。原料供給部５２、結晶成長部５３はそれぞれ、別々に温度設定が可能となるように設計されている。
【００４２】
（２）原料供給部５２にて、加熱して溶融させたＧａに、塩化水素（ＨＣｌ）ガスを原料輸送ガスの窒素（Ｎ_２）と共に吹き込み、下記の反応式に従って、塩化ガリウム（ＧａＣｌ）ガスを合成する。
Ｇａ＋ＨＣｌ→ＧａＣｌ＋１／２Ｈ_２
【００４３】
合成したＧａＣｌガスを、ノズル５４から、基板支持台３２上に載置されている基材１０および中間層１１からなる積層体の配された結晶成長部５３に送り込む。また、この積層体の表面付近に、別のノズル５５からアンモニア（ＮＨ_３）を吹き付けることにより、下記の反応式に従って、ＧａＣｌとＮＨ_３が反応して、窒化ガリウム（ＧａＮ）が中間層１１上に成長する。
ＧａＣｌ＋ＮＨ_３→ＧａＮ＋ＨＣｌ＋Ｈ_２
【００４４】
次に、窒化ガリウム厚膜２０を形成する工程について説明する。
基板支持台３２上に載置されている基材１０および中間層１１からなる積層体を真空排気されている第三のチャンバー５０内に搬送した後、第二のゲート３６を閉じて、原料ガスを供給せずに、真空状態を保持したまま、電気炉５１により、第三のチャンバー５０内の温度をＧａＮの結晶成長温度となる１０００〜１１００℃まで昇温する。
【００４５】
第三のチャンバー５０の昇温中に、基材１０上に形成した中間層１１をなすＺｎＯ薄膜が固相成長する。
ここでいうＺｎＯ薄膜の固相成長とは、半アモルファス状であるＺｎＯ薄膜内に存在する微粒子界面上を原子が拡散し、部分的に結合の弱い部分を残す大きな結晶粒子となると同時に、（０００１）面からなる配向膜に成長することをいう。
中間層１１をなすＺｎＯ薄膜のように、低温で形成したものは、ＧａＮ成長初期のランダムな結晶核の発生を制御し、部分的に結合力の弱い部分が基材１０とＧａＮ厚膜２０との格子不整合を緩和する役割を果たす。この技術は、低温堆積緩衝（低温バッファ）層として知られている。
【００４６】
次いで、第三のチャンバー５０の昇温により中間層１１の熱処理を行った後、ノズル５４、５５から結晶成長部５３への原料ガス（ＨＣｌ、Ｎ_２、ＮＨ_３）の供給を開始すると、中間層１１上にＧａＮが成長する。このとき、第三のチャンバー５０内の温度を１０００〜１１００℃、圧力を１ａｔｍとする。
【００４７】
次いで、ＧａＮ厚膜２０を１５０μｍ〜５００μｍ成長させた後、原料ガスの供給を停止して、一旦、第三のチャンバー５０内を真空排気する。
次いで、第一のゲート３４および第二のゲート３６を閉じて、第一のチャンバー３０内を真空排気する。
【００４８】
次いで、第一のゲート３４を閉じたまま、第二のゲート３６を開けて、基板支持台３２上に載置されているＧａＮ厚膜２０が形成された基材１０を真空排気されている第一のチャンバー３０内に搬送する。
次いで、第二のゲート３６を閉じて、第一のチャンバー３０内の雰囲気を窒素などの不活性ガスにより置換した後、再度真空排気する。
【００４９】
ここまでの、中間層１１を形成する工程（工程Ａとする）と、ＧａＮ厚膜２０を形成する工程（工程Ｂとする）を１サイクルと定義する。
本発明の自立基板の製造方法では、この工程Ａと工程Ｂとからなる１サイクルをｎ回（ｎは１以上の自然数）繰り返して（工程Ｄとする）、ＧａＮ厚膜２０がｎ層形成された積層体２５を形成する（図３（ａ）参照。この図では、ｎ＝３の場合を例示している。）。
【００５０】
次いで、ＧａＮ厚膜２０をｎ層形成した後、第一のチャンバー３０から、積層体２５を取り出す。
【００５１】
なお、得られた積層体２５における二層目以降のＺｎＯ薄膜からなる中間層１１は、一層目の低温堆積緩衝層と区別して、低温堆積中間層と定義する。しかし、ＺｎＯ薄膜からなる中間層１１はＧａＮ厚膜２０との格子不整合度が２．２％と小さい上に、結合の弱い部分を残す半アモルファス層とすることで、ＧａＮ厚膜２０の結晶品質を損なわない。
【００５２】
次いで、図７に示すエッチング装置を用いて、中間層１１を除去して、積層体２５からＧａＮ厚膜２０を剥離して、ｎ枚のＧａＮ自立基板２０ａを得る（図３（ｂ）参照）（工程Ｃまたは工程Ｅとする。）。
【００５３】
ここで、図７に示すエッチング装置を用いて、積層体２５の中間層１１を除去する方法を説明する。
まず、積層体２５を回転機構が設けられた試料保持部６１に固定する。
次いで、王水６２で満たされたエッチング槽６３内に、この試料保持部６１を浸漬する。
次いで、試料保持部６１の上方に超音波発振機６４を配置し、この超音波発振機６４の超音波発振部を王水に浸す。
【００５４】
次いで、先端に攪拌翼６５が設けられた攪拌器６６で王水を攪拌し、かつ、試料保持部６１を回転しながら、超音波発振機６４より、周波数２８ｋＨｚ、４５ｋＨｚ、１００ｋＨｚの超音波を同時に発生させて、ＺｎＯ薄膜からなる中間層１１をエッチングし、積層体２５からｎ層のＧａＮ厚膜２０を剥離して、ｎ枚のＧａＮ自立基板２０ａを得る。
【００５５】
ここで、超音波を発生させることは、超音波によって生じる真空に近い微小空洞（キャビテーション）によるエッチングアシスト効果と、常にエッチング最表面の王水を循環させる効果がある。
また、このとき、ＧａＮ厚膜２０は王水により物理的変化を生じないが、ＺｎＯ薄膜からなる中間層１１のみが選択的にエッチングされる。この結果、１枚の積層体２５から、ＧａＮ厚膜２０の層数に応じた、ＧａＮ自立基板２０ａを得ることができる。
【００５６】
本発明の自立基板の製造方法において、上記ｎが１の場合、ＧａＮからなる平板状の基材１０の上に、ＺｎＯ薄膜からなる中間層１１を形成する工程Ａと、この中間層１１の上にＧａＮ厚膜２０を形成する工程Ｂと、中間層１１を除去し、基材１０とＧａＮ厚膜２０とを分離する工程Ｃと、を少なくとも具備した自立基板の製造方法を表している。
【００５７】
本発明の自立基板の製造方法において、上記ｎが２以上の自然数の場合、ＧａＮからなる平板状の基材１０の上に、ＺｎＯ薄膜からなる中間層１１とこの中間層１１の上にＧａＮ厚膜２０を順に複数回形成する工程Ｄと、複数の中間層１１を除去し、基材１０と複数のＧａＮ厚膜２０とを分離する工程Ｅと、を少なくとも具備した自立基板の製造方法を表している。
【００５８】
なお、本発明の自立基板の製造方法にあっては、基材１０としては、サファイア基板上に高周波マグネトロンスパッタリング法により形成したＺｎＯ薄膜上に、ＨＶＰＥにより形成したＧａＮ厚膜を、エッチングによりサファイア基板から剥離したものに限定されない。本発明の自立基板の製造方法によって得られたＧａＮ自立基板を、基材１０として用いてもよい。
【００５９】
本発明の自立基板の製造方法によれば、１枚の種基板を出発として、中間層の層数に応じた複数枚のＧａＮ自立基板を製造することができる。
また、種基板からＧａＮ自立基板を剥離する方法が機械的手法でないため、種基板を再利用することも可能である。
また、ＧａＮ自立基板を種基板として使用することが可能となり、結晶品質が高く、反りの小さなＧａＮ自立基板を製造することができる。
さらに、結晶品質の高いＧａＮ自立基板を製造するための製造工程を削減できる。
【００６０】
以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
（実施例１）
図４〜図６に示したような装置を用いて、ＧａＮ自立基板からなる種基板上に、ＺｎＯ薄膜からなる中間層と、ＧａＮ厚膜とをこの順に形成した後、図７に示したようなエッチング装置を用いて中間層を除去し、ＧａＮ自立基板を得た。
このＧａＮ自立基板の転位密度深さ分布を調べるために、ＧａＮ厚膜の膜厚を１０μｍ〜２５０μｍまで変化させた複数枚のＧａＮ厚膜を作製した。これらの試料について、硫酸（Ｈ_２ＳＯ_４）とリン酸（Ｈ_３ＰＯ_４）を１：１で調製し、２５０℃に保持した溶液内に１時間浸漬し、洗浄・乾燥させた後、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ、日立製、Ｓ−４８００ＥＤＸ）にて試料表面に存在する単位面積当たりのエッチピット数をカウントし、転位密度とした。ＳＥＭの観察条件は印加電圧１５ｋＶ、倍率２，０００倍とした。測定結果を図８に示す。
【００６１】
（比較例１）
図４〜図６に示したような装置を用いて、サファイア基板からなる種基板上に、ＺｎＯ薄膜からなる中間層と、ＧａＮ厚膜とをこの順に形成した後、図７に示したようなエッチング装置を用いて中間層を除去し、ＧａＮ自立基板を得た。
得られたＧａＮ自立基板について、実施例１と同様にして、転位密度を測定した。結果を図８に示す。
【００６２】
図８の結果から、実施例１のＧａＮ自立基板は、一方の面から厚み方向にみた転位密度のプロファイルと、他方の面から厚み方向にみた転位密度のプロファイルとが略同一であることが確認された。一方、比較例１のＧａＮ自立基板は、一方の面から厚み方向にみた転位密度のプロファイルと、他方の面から厚み方向にみた転位密度のプロファイルとが同一でないことが確認された。
【００６３】
これは、サファイア基板上に、ＺｎＯ中間層を介してＧａＮ厚膜を成長させると、成長初期にサファイア基板との格子不整合度に起因する転位が多数発生することに起因している。同様の問題は前述したサファイア基板上にＥＬＯ成長を介して成長させたＧａＮ自立基板にも存在することが確認された。
一方、実施例１のＧａＮ自立基板は、ＧａＮ自立基板からなる種基板を用いているため、ＧａＮ厚膜の成長初期における転位密度が小さい。
【００６４】
（実施例２）
図４〜図６に示したような装置を用いて、ＧａＮ自立基板からなる種基板上に、ＺｎＯ薄膜からなる中間層と、ＧａＮ厚膜とをこの順に形成した後、図７に示したようなエッチング装置を用いて中間層を除去し、ＧａＮ自立基板を得た。この実施例では、ジクロールシラン（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）をドーパントとして用いて、Ｓｉドープ（ｎ型）ＧａＮ厚膜を形成した。
得られたＧａＮ自立基板について、ホール効果測定装置（アクセント社製、ＨＬ５５００ＰＣ）を用いたホール測定法により、移動度（モビリティ）を測定し、電気的特性を評価した。結果を図９に示す。
【００６５】
（比較例２）
図４〜図６に示したような装置を用いて、サファイア基板からなる種基板上に、ＺｎＯ中間層と、ＧａＮ厚膜とをこの順に形成した後、図７に示したようなエッチング装置を用いて中間層を除去し、ＧａＮ自立基板を得た。この比較例でも、実施例２と同様にして、Ｓｉドープ（ｎ型）ＧａＮ厚膜を形成した。
得られたＧａＮ自立基板について、実施例２と同様にして、移動度を測定し、電気的特性を評価した。結果を図９に示す。
【００６６】
図９の結果から、実施例２のＧａＮ自立基板は、高抵抗の原因となる転位が少ないため、移動度が高い。また、ドーパント濃度（キャリア濃度）を高くしても、抵抗の増加が小さく、結果として移動度の低下も小さいことが確認された。
一方、比較例２のＧａＮ自立基板は、高抵抗の原因となる転位が多数存在するため、移動度が低い。また、ドーパント濃度（キャリア濃度）を高くすると、抵抗の増加が実施例２よりも大きいため、結果として移動度の低下も大きいことが確認された。同様の問題は上述したサファイア基板上にＥＬＯ成長を介して成長させたＧａＮ自立基板にも存在することが確認された。
【００６７】
さらに、ＧａＮ厚膜成長時に膜厚を変化させた、実施例２で得たＧａＮ自立基板と、比較例２で得たＧａＮ自立基板を比較したところ、前述の電気特性の相違は、特に１０μｍ〜５０μｍ程度の膜厚の薄い時により顕著になった。これより、自立基板が高抵抗となる主要因はＧａＮ厚膜の成長初期に発生する転位密度が多数存在する部分に起因していることが分かった。
【００６８】
（実施例３）
ＧａＮ自立基板上に、ＲＦスパッタ法により、温度２５℃でＺｎＯ薄膜を形成した。次いで、このＺｎＯ薄膜が形成されたＧａＮ自立基板を、ＨＶＰＥを行うチャンバー内に配して、このチャンバー内の温度を１０８０℃まで昇温した。
ＲＦスパッタ法による形成直後のＺｎＯ薄膜と、ＨＶＰＥを行うチャンバー内で昇温工程を経た後のＺｎＯ薄膜について、Ｘ線回折装置（リガク社製、ＲＩＮＴ２０００）を用いたＸ線回折分析（管電圧３０ｋＶ、管電流２０ｍＡ）を行った。結果を図１０に示す。
【００６９】
図１０の結果から、ＲＦスパッタ法による形成直後のＺｎＯ薄膜では、完全なアモルファス層となっているため、ＧａＮ自立基板に起因するピークのみ観察された。一方、ＨＶＰＥを行うチャンバー内で昇温工程を経た後のＺｎＯ薄膜では、３４．４°付近に微弱かつブロードなピークが観察された。この結果より、ＲＦスパッタ法による形成直後には、アモルファス状であったＺｎＯ薄膜が、昇温工程を経て、数ｎｍ程度の単結晶微粒子の集合体である、いわゆる半アモルファス状に相変化していると推測される。
【００７０】
（比較例３）
サファイア基板上に、ＲＦスパッタ法により、温度３００℃でＺｎＯ薄膜を形成した。
得られたＺｎＯ薄膜について、実施例３と同様にして、Ｘ線回折分析を行った。結果を図１１に示す。
【００７１】
図１１の結果から、ＺｎＯ（０００２）の鋭いピークが観察されていることから、得られたＺｎＯ薄膜は完全に結晶化したｃ軸配向性の膜であると推測される。
【００７２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の自立基板は、窒化ガリウムの平板からなり、一方の面から厚み方向にみた転位密度のプロファイルと、他方の面から厚み方向にみた転位密度のプロファイルとが略同一であり、かつ、その転位密度が小さいため、自立基板内に高抵抗部分が存在せず、本発明において提供するＧａＮ自立基板上に窒化物半導体デバイスを形成し、前記ＧａＮ自立基板裏面より電極を形成しても、非常に漏れ電流の小さい高効率なデバイスを作製できる。
【００７３】
本発明の自立基板の製造方法によれば、１枚の種基板から中間層の層数に応じた複数の自立基板を製造することができる。また、種基板の剥離方法が機械的手法でないため、種基板の再利用が可能である。また、自立基板を種基板として使用することが可能となり、結晶品質が高く、反りの小さな自立基板を製造することが可能である。さらに、結晶品質の高い自立基板を製造するための製造工程を削減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の自立基板の一例を示す概略断面図である。
【図２】本発明に係る自立基板の製造方法を示す概略断面図である。
【図３】本発明に係る自立基板の製造方法を示す概略断面図である。
【図４】ＺｎＯ薄膜およびＧａＮ厚膜の製造装置の一例を示す概略模式図である。
【図５】図４の製造装置に組み込まれた第二のチャンバーを示す概略模式図である。
【図６】図４の製造装置に組み込まれた第三のチャンバーを示す概略模式図である。
【図７】エッチング装置の一例を示す概略模式図である。
【図８】ＧａＮ厚膜について転位密度を測定した結果を示すグラフである。
【図９】ＧａＮ厚膜について移動度を測定した結果を示すグラフである。
【図１０】ＺｎＯ薄膜についてＸ線回折分析を行った結果を示すグラフである。
【図１１】ＺｎＯ薄膜についてＸ線回折分析を行った結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１・・・自立基板、２・・・中間層、１０・・・基材、１１・・・中間層、２０・・・ＧａＮ厚膜、２０ａ・・・ＧａＮ自立基板、２５・・・積層体、３０・・・第一のチャンバー、３１・・・基板搬送ロッド、３２・・・基板支持台、３３，３５・・・搬送管路、３４・・・第一のゲート、３６・・・第二のゲート、４０・・・第二のチャンバー、４１・・・第三のゲート、５０・・・第三のチャンバー、５１・・・電気炉、５２・・・原料供給部、５３・・・結晶成長部、５４，５５・・・ノズル、６１・・・試料保持部、６２・・・王水、６３・・・エッチング槽、６４・・・超音波発振機、６５・・・攪拌翼、６６・・・攪拌器。

Claims

窒化ガリウムの厚膜からなり、一方の面から測定した転位密度のデプス・プロファイルと、他方の面から測定した転位密度のデプス・プロファイルとが略同一であることを特徴とする自立基板。
窒化ガリウムからなる平板状の基材の上に、酸化亜鉛からなる中間層を形成する工程Ａと、該中間層の上に窒化ガリウムの厚膜を形成する工程Ｂと、前記中間層を除去し、前記基材と前記厚膜とを分離する工程Ｃと、を少なくとも具備したことを特徴とする自立基板の製造方法。
窒化ガリウムからなる平板状の基材の上に、酸化亜鉛からなる中間層と該中間層の上に窒化ガリウムの厚膜を順に複数回形成する工程Ｄと、複数の前記中間層を除去し、前記基材と複数の前記厚膜とを分離する工程Ｅと、を少なくとも具備したことを特徴とする自立基板の製造方法。