JP2006073770A - エピタキシャル成長用基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 サファイヤ基板への結晶成長の核となる部分を、より簡便な方法によって提供すること。
【解決手段】サファイヤ基板１の主面上に凹凸パターン３を形成して窒化物半導体単結晶４のエピタキシャル成長用基板を製造する方法において、該サファイヤ基板１の主面に研磨を行って該主面の平坦度をＲａ＝１ｎｍ以下にした後、該サファイヤ基板１の主面にパルスレーザ２を集光照射して、該集光照射箇所に形成されるドットからなる凹凸パターン３を、該サファイヤ基板１の主面全体に形成することを特徴とする、エピタキシャル成長用基板の製造方法である。
【選択図】 図２

Description

本発明は、窒化ガリウムをはじめとした、窒化物半導体のエピタキシャル成長に用いる基板の製造方法に関する。

今日、窒化ガリウムをはじめとした窒化物半導体単結晶は、青色発光ダイオード（Ｂｌｕｅ ＬＥＤ）などで広く用いられている。窒化物半導体単結晶の成長方法としては、ＭＯＣＶＤ法・ＨＶＰＥ法などの気相成長法が挙げられる。気相成長を行うための基板としてはＳｉＣ基板、ＧａＮ基板等の他、サファイヤ基板が用いられている。

このうち、サファイヤ基板を用いた窒化物半導体単結晶の気相成長が最も容易であり、広く量産化されている。しかしながら、サファイヤ基板と窒化物半導体単結晶との格子定数の差が大きいため、成長した窒化物半導体単結晶が格子欠陥を生じやすい。

そのため、例えば図１に示すように、ステップ状にオフアングルしたサファイヤ基板１の主面上に、素子構造となる窒化物半導体単結晶４の層を設けることにより、窒化物半導体単結晶４の結晶性を向上させる発明が、従来知られている（特許文献１）。

また、例えば図２に示すように、サファイヤ基板の主面上にリソグラフィ技術によって複数の溝を周期的なストライプ状に形成し、該サファイヤ基板の主面上に窒化物半導体単結晶の層を設けることにより、窒化物半導体単結晶の結晶性を向上させる発明が、従来知られている（特許文献２）。

特開平１１−０７４５６２号公報

特開２００２−０９３７２６号公報

しかしながら、特許文献１に示すサファイヤ基板上にステップを形成する方法では、基板主面の面方位、具体的にはｃ面からのオフアングルは、厳密に正確である必要があった。また、熱処理によって結晶成長の核となる均一なステップ構造を得るためには、基板の平坦度もＲａ＝０．１ｎｍ以下と、原子レベルにおいて平坦であることが求められた。このことは、サファイヤ基板の面方位の調整、およびサファイヤ基板の研磨の各工程において、多大な労力を要するという問題点となった。

また、特許文献２に示す、単結晶基板の主面上にリソグラフィ技術によって溝を形成する方法では、リソグラフィー処理に先立ってサファイヤ基板上にＳｉＯ↓２等からなるレジスト層の形成・除去を行わなくてはならず、サファイヤ基板への溝形成の工程は煩雑になるという問題点があった。

その一方で、特許文献２に示す方法は、レジスト層の除去時にレジストが残留してサファイヤ基板を汚染し、残留したレジストが窒化物半導体単結晶の成長に悪影響を及ぼし、半導体素子の歩留りを低下させるという問題点があった。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、第１には、サファイヤ基板への結晶成長の核となる部分を、より簡便な方法によって提供することである。第２には、レジスト形成などの前工程を必要とせず、サファイヤ基板への汚染の発生しないような、サファイヤ基板の主面への凹凸の形成方法を提供することである。

請求項１記載の発明は、サファイヤ基板の主面上に凹凸パターンを形成して窒化物半導体単結晶のエピタキシャル成長用基板を製造する方法において、該サファイヤ基板の主面に研磨を行って該主面の平坦度をＲａ＝１ｎｍ以下にした後、該サファイヤ基板の主面にパルスレーザを集光照射して、該集光照射箇所に形成されるドットからなる凹凸パターンを、該サファイヤ基板の主面全体に形成することを特徴とする、エピタキシャル成長用基板の製造方法である。

請求項２記載の発明は、請求項１に記載の発明の構成に加えて、該パルスレーザのパルス幅が１５０ｆｓ〜１ｐｓであることを特徴とする、エピタキシャル成長用基板の製造方法である。

請求項３記載の発明は、請求項１及び２に記載の発明の構成に加えて、該凹凸パターンが縞、格子、同心円、螺旋であることを特徴とする、エピタキシャル成長用基板の製造方法である。

本発明のエピタキシャル成長用基板の製造方法によれば、サファイヤ基板にパルスレーザの集光照射を行って微小な凹凸パターンを形成することによって、サファイヤ基板上における窒化物半導体単結晶の成長核をより簡便に形成することが出来るという効果を奏する。

以下、本発明を実施するための最良の形態について説明する。
本実施形態は、例えば図２に示すように、サファイヤ基板１とパルスレーザ２を用いた、エピタキシャル成長用基板の製造方法である。

本実施形態で用いるサファイヤ基板１は、予め研磨を行っておく（図２（ａ））。本実施形態で用いるサファイヤ基板１の主面の面方位は、成長させる窒化物半導体単結晶４の格子定数との関係で決定されるが、例えばａ面，ｃ面、ｒ面などが挙げられる。研磨工程は、従来知られているような技術、例えばシリカ、アルミナ、ダイヤモンド等を含んだ研磨液によって行うことが出来る。研磨後のサファイヤ基板１の平坦度は、Ｒａ＝１ｎｍ以下であれば良い。

つぎに、研磨を行ったサファイヤ基板１の主面に対して、パルスレーザ２を集光照射することによって凹凸パターン３を形成する（図２（ｂ））。サファイヤ基板１の主面にパルスレーザ２を集光照射するときには、図示しないＸ―Ｙステージを用いてサファイヤ基板１をスライドさせ、凹凸パターン３を形成していく（図２（ｂ）の※１参照）。形成される凹凸パターン３は、パルス形状に応じた、数μｍの径を有するドットとなる。凹凸パターン３は、縞、格子、同心円、螺旋であることが好ましい。ここで特に同心円、螺旋などを形成する場合は、前記のＸ−Ｙステージに加えて、スピンドル等によりサファイヤ基板１を回転させる方法によっても凹凸パターン３を形成することが出来る（図２（ｂ）の※２参照）。

本実施形態に用いるパルスレーザ２としては、サファイヤ基板１を加工しうるレーザであれば使用することができるが、特に１ｐｓ以下の短いパルス幅を持つものが好ましい。こうした短いパルス幅を有するレーザでは、１０ＴＷ／ｃｍ↑２以上という高いピークパワー密度を有し、サファイヤ基板１に対して非線形光学効果である多光子吸収が生じる。パルス幅が１ｐｓ以下であれば、集光照射した箇所からは熱拡散がほとんど発生せず、レーザ集光照射部近傍のサファイヤのみがアブレーションを引き起こして、窒化物半導体単結晶４の成長核を与えることができる。

こうして凹凸パターン３を形成したエピタキシャル成長用基板１は（図２（ｃ））、必要に応じてパルスレーザ２の照射によって生じたアルミナ微粉を洗浄して、窒化物半導体単結晶４のエピタキシャル成長に供することが出来る（図２（ｄ）、（ｅ））。

従来の技術に係る、ステップの形成されたサファイヤ基板を説明する図である。 本実施形態の方法に係る、エピタキシャル成長用基板の製造方法を説明する図である。

符号の説明

１ サファイヤ基板
２ パルスレーザ
２ａ パルスレーザ光源
２ｂ レンズ
２ｃ 焦点
３ 凹凸パターン
４ 窒化物半導体単結晶

Claims (3)

1. サファイヤ基板の主面上に凹凸パターンを形成して窒化物半導体単結晶のエピタキシャル成長用基板を製造する方法において、
   該サファイヤ基板の主面に研磨を行って該主面の平坦度をＲａ＝１ｎｍ以下にした後、
   該サファイヤ基板の主面にパルスレーザを集光照射して、該集光照射箇所に形成されるドットからなる凹凸パターンを、該サファイヤ基板の主面全体に形成することを特徴とする、
   エピタキシャル成長用基板の製造方法。
2. 該パルスレーザのパルス幅が１５０ｆｓ〜１ｐｓであることを特徴とする、請求項１に記載のエピタキシャル成長用基板の製造方法。
3. 該凹凸パターンが縞、格子、同心円、螺旋であることを特徴とする、請求項１及び２に記載のエピタキシャル成長用基板の製造方法。
   

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