JP2007005419A

JP2007005419A - ＧａＮ／ＧａＮの直接接合方法

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Publication number: JP2007005419A
Application number: JP2005181420A
Authority: JP
Inventors: Masatake Akaike; 正剛赤池; Shidan O; 詩男王
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2005-06-22
Filing date: 2005-06-22
Publication date: 2007-01-11
Anticipated expiration: 2025-06-22
Also published as: JP4663420B2

Abstract

【課題】たとえ凹凸を有するGaN接合表面同士の直接接合でも可能とする比較的簡便なGaN/GaNの直接接合方法を提供することである。
【解決手段】二つの基板１、５上にそれぞれ成膜したGaN２、６同士を直接接合するGaN/GaN直接接合方法において、予め少なくとも一方の基板１上のGaN２の接合面にアンモニア水８を塗布し、この後GaN接合面同士を重ね合わせ、両基板１、５間に圧縮荷重を印加する。この圧縮荷重印加により接合面に圧縮応力を作用させ、圧縮応力を作用させた状態で不活性ガス雰囲気中で熱処理することで、GaN２、６同士を直接接合する。
【選択図】図１

Description

本発明は、基板上に成膜したGaN/GaN同士の直接接合に関する接合方法に関するものである。

窒化物系化合物半導体を用いた発光デバイスは、紫外光から青緑色の領域といった短波長の発光が得られるため、近年注目されている。この発光ダイオード上にフォトニックス結晶を搭載し、青色レーザーを低閾値で発振するデバイスとしても期待されている。しかしながら、このフォトニックス結晶を作製するために必要な技術である窒化化合物同士の直接接合、とりわけGaN同士の直接接合は容易ではなかった。

GaNは格子定数の近いサファイア基板の上に成膜によって形成するのであるが、両者間には約13％のミスフィットがある。そのため、平滑なサファイア基板上に成膜した場合においても、GaN表面はこのミスフィットを緩和するために小傾角粒界を形成する。従って、サファイア表面に成膜したGaN表面は、多結晶の粒界に似たような表面形態を生じ、そしてこの粒界状の個所で谷間となるような凹凸を有する。

さらに、CMP(Chemical
Mechanical Planarization)等の手法による平坦化・平滑化を施したGaN表面においても、なおまだGaN表面は原子レベルの微少な凹凸を残している。GaNは、硬度においてSi及びGaAs基板に比較して極めて高く、かつ融点においてもこれらのSi及びGaAsに比べて高い。このため、GaN表面を原子レベルで広範囲に渡って平坦化・平滑化することは困難である。この様に、GaN表面に凹凸があるため、サフィア基板上のGaN同士を直接接合することは、容易ではなかった。

こうした状況において、接合界面に圧縮応力を印加しつつ、N₂あるいはH₂雰囲気中で、約800℃の温度で熱処理しながらGaN/GaN同士の直接接合を行う提案がある（非特許文献1参照）。

また、平方根平均粗さ0.4nmよりも平滑性を有するGaN/GaAsの直接接合を、接合界面に圧縮応力を印加しながら、約550℃〜750℃の温度範囲での窒素雰囲気中の熱処理によって行う提案がある（非特許文献2参照）。
Jpn.J.Appl.Phys.Vol.39(2000)pp.L572 Applied Physics Letters Vol.81,No.17(2002)pp.3152

しかしながら、上記従来例の方法では、接合界面に圧縮応力を印加した状態でN₂、H₂等の雰囲気中で熱処理する場合においても、両接合表面の凸部同士で先ず接触する。このことから、凸部個所で先行して生ずるクリープ効果によって周囲を封止される領域は、次第に外界から遮蔽された封止状態になって行くため、雰囲気ガスを封止領域内に導入することが困難になる。このため、接合用に還流している雰囲気ガスの効果が低減し、接合面の全面に渡って雰囲気ガスを供給することは難しくなる。

上記課題に鑑み、本発明のGaN/GaN直接接合方法は、二つの基板上にそれぞれ成膜したGaN同士の直接接合において、予め少なくとも一方の基板上のGaNの接合面にアンモニア水を塗布し、この後GaN接合面同士を重ね合わせ、両基板間に圧縮荷重を印加し、この圧縮荷重印加により接合面に圧縮応力を作用させ、圧縮応力を作用させた状態で不活性ガス雰囲気中で熱処理することを特徴とする。上記接合方法において、前記熱処理は、典型的には、アンモニア水の分解温度以上に温度を上昇させるプロセスを含む。また、少なくとも一方のGaNの接合面上に溝を形成し、アンモニア水を塗布するときに、溝の中にアンモニア水を蓄えてもよい。また、前記不活性ガス種は、代表的には、He、Ar、N₂などである。

上述した本発明の接合方法によれば、GaN/GaN同士の直接接合において、予め接合界面にアンモニア水を塗布し、接合界面に圧縮応力を印加し、Heなどの不活性ガス雰囲気中で熱処理を行ってGaN同士を直接接合するため、比較的簡便なGaN/GaNの直接接合方法である。また、アンモニア水との化学反応によって遊離したGa単体の表面拡散によってGaN表面の凹部を埋めながらGaN/GaNを直接接合できるため、凹凸を有するGaN接合表面同士の直接接合であっても良好に行われることになる。

以下に、本発明の実施の形態を説明する。本発明のGaN/GaN直接接合方法の一実施形態では、一方のGaN接合表面、あるいは両方のGaN表面に予めアンモニア水を塗布し、この後両GaN接合表面を重ね合わせ、両GaNの両側から圧縮荷重を印加し、接合界面に圧縮応力を印加した状態にする。そして、Heなどの雰囲気の還流中で室温から次第に温度を上昇させていき、所定の温度になった時、所定の時間で熱処理する。本接合方法の場合、GaN接合表面にアンモニア水を塗布した状態で接合面に圧縮応力を印加することから、アンモニア水を接合界面の微少な空隙部に封じ込めることができる。

この状態においてHeなどの雰囲気中で加熱昇温していった場合、すなわち熱処理していった場合、約500℃以上の温度でアンモニア水（NH₄OH）は次の様に分解する。
2NH₄OH → N₂＋3H₂
＋ 2H^（＋）＋2OH^（−）
こうして、N₂及びH₂が生成される。すなわち、接合界面に封じ込められたH₂は、Ga終端のGaN表面のNと結合し、Gaを遊離させる。この遊離したGaは低融点金属のため表面拡散能が大きく、速い速度で拡散する過程で接合表面の凹凸部の凹部を埋めながらNと結合し、GaNを生成して安定状態になる。上記の反応過程により、接合界面の微少凹凸部は平坦になり、同時にGaN/GaNの直接接合を可能にする。尚、上記反応過程において、アンモニア水が不足する恐れがある場合、GaN表面に形成した溝にアンモニア水を予め貯蔵しておいてもよい。以上の説明から分かるように、本実施形態に代表される本発明のGaN/GaN直接接合方法によれば、従来例の課題のところで述べたような封止領域がたとえ生じたとしても、そこにはアンモニア水が存在するので上記反応過程が進行し、GaN/GaN直接接合が良好に行われることになる。

以下に、図面に沿って本発明の実施例を説明する。
（実施例1）
図１、図２、図３及び図４は本発明の第１の実施例を最もよく表す図である。同図において、１及び５はサファイア基板、２及び６はGaN、３及び７はGaN表面の凹凸部、８はアンモニア水、９は接合後の接合部、１０は接合時に印加する圧縮荷重である。

上記構成において、まず一方の１０ｍｍ□サファイア基板１上に下引層としてAlNを２０nm成膜（図示なし）し、さらにAlN膜上にGaN２を２００nm成膜する。同様にして、他方の１０ｍｍ□サファイア基板５上に下引層としてAlNを２０nm成膜（図示なし）し、さらにGaN６を２００nm成膜する。この後、一方の基板１のGaN２表面にアンモニア水を塗布し、両基板１、５を図１に見るように相対向させ、両基板１、５の両側から圧縮荷重１０を印加する（図２参照）。そして、圧縮荷重１０を印加した状態で、不活性ガスHeを還流している電気炉（図示なし）の中に両基板１、５を取り付ける。

次に、電気炉の温度を上昇して行き、２時間で５００℃（アンモニア水の分解温度）まで上昇させ、５００℃で３０分間保持し（ここで上記の反応過程が進行する）、２時間で８００℃まで上昇させ、８００℃で２時間保持し（ここで直接接合が進行する）、この後室温まで降温する。これにより、全面に渡ってGaN/GaN同士の直接接合が可能になった。徐々に昇温させるのは、その過程で不要なストレスなどを生じさせないと同時に、加熱過程においてGaN/GaN接合面で発生する不要なガスを接合面の隙間から外部に追出すためである。

上記実施例において、GaN/GaN直接接合時に印加した応力は４MPaであり、直接接合後、引張試験により接合強度を測定したところ、1２MPaの引張強度を得た。

上記方法を利用する製法で、サファイア基板上に１００μm□のGaNのウッドパイル型フォトニック結晶（図示なし）を作製することが可能になる。この製法では、それぞれ、上記のGaN/GaN直接接合の工程、適当な方法でGaNを他方のサファイア基板から剥離する工程、及び接合したGaN面の中央部の１００μm□領域のGaN層にドライエッチングなどで２５０nmピッチ/１００nm幅のスリットを設ける工程から成る複数のプロセスを用いる。

（実施例2）
図５、図６、図７、図８、図９及び図１０は本発明の第２の実施例を最もよく表す図である。同図において、１及び５はサファイア基板、２及び６はGaN、３及び７はGaN表面の凹凸部、４はGaN２の表面に設けた溝部、８はアンモニア水、９は接合後の接合部、１０は接合時に印加する圧縮荷重である。

この構成において、まず一方の１０ｍｍ□サファイア基板１上に下引層としてAlNを２０nm成膜（図示なし）し、さらにAlN膜上にGaN２を０．５μm成膜する。同様にして、他方の１０ｍｍ□サファイア基板５上に下引層としてAlNを２０nm成膜（図示なし）し、さらにGaN６を０．５μm成膜する。この後、一方のサファイア基板１上のGaN２面に、図５に見るように、アンモニア水を貯蔵するための溝部４を深さ２５０nm、幅５００μｍの同心円状（図６参照）にドライエッチングによって形成する。そして、GaN２の表面に図７に見るようにアンモニア水８を塗布し、両基板１、５を図８に見るように相対向させ、両基板の両側から圧縮荷重１０を印加する。そして、圧縮荷重１０を印加した状態で、不活性ガスHeを還流している電気炉（図示なし）の中に両基板１、５を取り付ける。次に、電気炉の温度を上昇して行き、２時間で５００℃まで上昇させ、５００℃で３０分間保持し、２時間で９００℃まで上昇させ、９００℃で２時間保持し、この後室温まで降温する。これにより、溝部４を除いて、全面に渡ってGaN/GaN同士の直接接合が可能になった。

本実施例において、GaN/GaN直接接合時に印加した応力は４MPaであり、直接接合後、引張試験により接合強度を測定したところ、１５MPaの引張強度を得た。上記と同様な方法を用いて接合したGaN/GaNの接合体をダイヤモンドカッターで２ｍｍ□に切断することが可能であった。この際、切断中の接合面での剥離もなく、GaN/GaNは強固に接合していた。

尚、本実施例においてアンモニア水８を一方のGaN２面に塗布したが、両方のGaN２、６面に塗布してもよい。さらに、本実施例において、溝部４をGaN２膜の周縁部に同心円状に形成したが、溝部４は素子を形成する領域以外のGaN表面上であれば何処にあってもよく、又同心円状でなくてもよく、アンモニア水を貯蔵できる形態であればよい。

実施例2の方法を利用しても、実施例1のところで述べたものと同様なプロセスで、サファイア基板上に１００μm□のGaNのウッドパイル型フォトニック結晶を作製することが可能であった。

本発明のGaN/GaN直接接合方法の第１の実施例における接合前のサファイア基板上のGaNを示す断面図。第１の実施例における接合中のサファイア基板上のGaNを示す断面図。第１の実施例における接合中のサファイア基板上のGaNを示す断面図。第１の実施例における接合後のサファイア基板上のGaNを示す断面図。本発明のGaN/GaN直接接合方法の第２の実施例における接合前のサファイア基板上のGaNを示す断面図。図5のA矢視図。第２の実施例における接合前のサファイア基板上のGaNを示す断面図。第２の実施例における接合中のサファイア基板上のGaNを示す断面図。第２の実施例における接合中のサファイア基板上のGaNを示す断面図。第２の実施例における接合後のサファイア基板上のGaNを示す断面図。

符号の説明

1、5；サファイア基板
2、6；GaN
3、7；凹凸部
4；溝部
8；アンモニア水
9；接合部
10；圧縮荷重

Claims

二つの基板上にそれぞれ成膜したGaN同士の直接接合において、予め少なくとも一方の基板上のGaNの接合面にアンモニア水を塗布し、この後GaN接合面同士を重ね合わせ、両基板間に圧縮荷重を印加し、この圧縮荷重印加により接合面に圧縮応力を作用させ、圧縮応力を作用させた状態で不活性ガス雰囲気中で熱処理することを特徴とするGaN/GaN直接接合方法。
前記熱処理はアンモニア水の分解温度以上に温度を上昇させるプロセスを含む請求項1に記載のGaN/GaN直接接合方法。
少なくとも一方のGaNの接合面上に溝を形成し、アンモニア水を塗布するときに、溝の中にアンモニア水を蓄える請求項1または2に記載のGaN/GaN直接接合方法。
前記不活性ガス種はHe、ArまたはN₂である請求項1、2または3に記載のGaN/GaN直接接合方法。