JP2010180114A - METHOD FOR GROWING GaN-BASED COMPOUND SEMICONDUCTOR AND SUBSTRATE WITH GROWTH LAYER - Google Patents

METHOD FOR GROWING GaN-BASED COMPOUND SEMICONDUCTOR AND SUBSTRATE WITH GROWTH LAYER Download PDF

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浩 天野
Satoshi Kamiyama
智 上山
Akira Iwayama
章 岩山
Hiroyuki Kato
裕幸 加藤
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for growing a GaN-based compound semiconductor, by which a crystal growth layer can be easily separated from a sapphire substrate without causing damage to the crystal growth layer, and to provide a substrate with the growth layer. <P>SOLUTION: The method for growing a GaN-based compound semiconductor includes: a process for growing a column-like crystal layer 11 on a sapphire substrate 10; a process for growing a buffer layer 12 on the column-like crystal layer 11; and a process for growing a GaN-based compound crystal 13 on the buffer layer 12. After crystal growth, when the temperature is reduced, a large strain occurs in the interface between the sapphire substrate 10 and the ZrB<SB>2</SB>layer 11 in a nano-column state, and thereby, the crystal growth layer 18 is easily separated from the sapphire substrate 10. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、GaN系化合物半導体の成長方法及び成長層付き基板に関し、特に、サファイア基板上に成長したGaN系化合物半導体結晶層を基板から分離することが可能な結晶成長方法及び当該成長層付き基板に関する。   The present invention relates to a method for growing a GaN-based compound semiconductor and a substrate with a growth layer, and in particular, a crystal growth method capable of separating a GaN-based compound semiconductor crystal layer grown on a sapphire substrate from the substrate, and the substrate with a growth layer About.

窒化ガリウム系化合物半導体(以下、単にGaN系化合物半導体又はGaN半導体という。)は、大きなバンドギャップエネルギーを有する直接遷移型の半導体で、青ないし紫外領域の光素子用の材料として活発に研究開発がなされている。また、高い飽和ドリフト速度を有し、絶縁破壊電界も大きいなど種々の特徴を有することから、高周波デバイスや高出力デバイスにも広く応用が可能である。   Gallium nitride compound semiconductors (hereinafter simply referred to as GaN compound semiconductors or GaN semiconductors) are direct transition semiconductors with large band gap energy, and are actively researched and developed as materials for optical devices in the blue or ultraviolet region. Has been made. Further, since it has various characteristics such as a high saturation drift speed and a large dielectric breakdown electric field, it can be widely applied to high-frequency devices and high-power devices.

GaN系化合物半導体の結晶成長には、一般的に、基板としてサファイアが用いられる。例えば、サファイア基板上にGaN系化合物半導体の結晶成長を行い、GaN系結晶層を基板から剥離することによりGaN基板の製造やいわゆるシンフィルム(Thin-film)タイプの発光ダイオード(LED)の作製が行われている。   For crystal growth of a GaN-based compound semiconductor, sapphire is generally used as a substrate. For example, a GaN-based compound semiconductor is grown on a sapphire substrate, and the GaN-based crystal layer is peeled off from the substrate to produce a GaN substrate or a so-called thin-film type light emitting diode (LED). Has been done.

例えば、サファイア基板上に酸化亜鉛(ZnO)を中間層として成長し、ZnO中間層上に窒化物半導体結晶層を成長した後、中間層をエッチングして窒化物半導体結晶層を分離する方法がある(例えば、特許文献1)。   For example, there is a method in which zinc oxide (ZnO) is grown as an intermediate layer on a sapphire substrate, a nitride semiconductor crystal layer is grown on the ZnO intermediate layer, and then the nitride semiconductor crystal layer is separated by etching the intermediate layer. (For example, patent document 1).

また、サファイア基板上に成長したGaN系結晶をサファイア側からレーザ光を照射しGaN系結晶を分離するレーザリフトオフ(LLO)技術によりGaN系結晶層を得てシンフィルム構造のLEDを作製する方法が示されている(例えば、特許文献2)。   Also, there is a method for producing a thin film LED by obtaining a GaN-based crystal layer by a laser lift-off (LLO) technique in which a GaN-based crystal grown on a sapphire substrate is irradiated with laser light from the sapphire side to separate the GaN-based crystal. It is shown (for example, patent document 2).

また、サファイア基板上にCrNを中間層としてGaN系結晶を成長し、チップ状態に分離した後にエッチングすることによりGaN系結晶を得てシンフィルム構造のLEDを作製する方法が示されている(例えば、非特許文献1)。   In addition, a method is shown in which a GaN-based crystal is grown on a sapphire substrate using CrN as an intermediate layer, separated into a chip state, and then etched to obtain a GaN-based crystal to produce a thin film LED (for example, Non-Patent Document 1).

しかしながら、中間層をエッチングして半導体結晶成長層を分離する方法においては、除去する中間層が薄くかつエッチングがウエハ周辺より進行するため半導体結晶成長層の剥離に長時間を要するという問題があった。   However, the method of separating the semiconductor crystal growth layer by etching the intermediate layer has a problem that the removal of the semiconductor crystal growth layer takes a long time because the intermediate layer to be removed is thin and etching proceeds from the periphery of the wafer. .

また、レーザリフトオフを行うには高価なレーザ装置(エキシマレーザ装置、YAGレーザ装置など)が必要である。さらに、レーザリフトオフ技術によりサファイア基板から結晶成長層を剥離する場合、レーザ光による結晶成長層への熱ダメージおよびレーザリフトオフ時に発生する窒素ガス等による物理的衝撃に起因する結晶成長層のクラック発生の危険があった。   Further, an expensive laser device (an excimer laser device, a YAG laser device, etc.) is necessary to perform laser lift-off. Furthermore, when the crystal growth layer is peeled off from the sapphire substrate by laser lift-off technology, cracks in the crystal growth layer due to thermal damage to the crystal growth layer due to laser light and physical impact due to nitrogen gas generated during laser lift-off, etc. There was danger.

特開平7−202265公報JP-A-7-202265 米国特許第6,420,242号公報US Pat. No. 6,420,242

IEEE Photon. Technol. Lett. Vol.20, No.3, 175 (2008)IEEE Photon. Technol. Lett. Vol.20, No.3, 175 (2008) JJAP(Japanese Journal of Applied Physics) vol.38,L492(1999)JJAP (Japanese Journal of Applied Physics) vol.38, L492 (1999)

本発明は、上述した点に鑑みてなされたものであり、その目的は、結晶成長層にダメージを与えることなくサファイア基板から結晶成長層を容易に分離することが可能なGaN系化合物半導体の成長方法及び当該成長層付き基板を提供することにある。また、レーザリフトオフ技術のように高価な装置は必要せず、かつ熱ダメージ及び物理的衝撃によるクラック発生を生じること無く基板から結晶成長層を容易に分離することが可能なGaN系化合物半導体の成長方法及び当該成長層付き基板を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above points, and its purpose is to grow a GaN-based compound semiconductor that can easily separate a crystal growth layer from a sapphire substrate without damaging the crystal growth layer. It is to provide a method and a substrate with a growth layer. Also, the growth of GaN-based compound semiconductors that do not require expensive equipment such as laser lift-off technology and can easily separate the crystal growth layer from the substrate without causing thermal damage and cracking due to physical shock. It is to provide a method and a substrate with a growth layer.

本発明は、サファイア(Al23)基板上にGaN系化合物半導体を結晶成長する方法であって、サファイア基板上にコラム状結晶層を成長する工程と、上記コラム状結晶層上にバッファ層を成長する工程と、バッファ層上にGaN系化合物結晶を成長する工程と、を有することを特徴としている。 The present invention relates to a method for crystal growth of a GaN-based compound semiconductor on a sapphire (Al 2 O 3 ) substrate, a step of growing a columnar crystal layer on the sapphire substrate, and a buffer layer on the columnar crystal layer And a step of growing a GaN-based compound crystal on the buffer layer.

なお、上記バッファ層を成長する工程は、コラム状結晶層を部分的に除去し、当該除去領域を選択成長用被覆材料で被覆する被覆工程と、コラム状結晶層の非除去領域上にバッファ層を成長する選択成長工程と、を含み、GaN系化合物結晶を成長する工程は、横方向成長(ELO)によりGaN系化合物結晶を成長する横方向成長工程を含むようにすることができる。   The step of growing the buffer layer includes a step of partially removing the columnar crystal layer and covering the removed region with a selective growth coating material, and a step of buffering the buffer layer on the non-removed region of the columnar crystal layer. The step of growing the GaN-based compound crystal may include a lateral growth step of growing the GaN-based compound crystal by lateral growth (ELO).

また、本発明の結晶成長層付き基板は、サファイア基板上に形成されたコラム状結晶層と、コラム状結晶層上にMOCVD法により成長されたバッファ層と、バッファ層上に成長されたGaN系化合物結晶層と、からなることを特徴としている。   The substrate with a crystal growth layer of the present invention includes a columnar crystal layer formed on a sapphire substrate, a buffer layer grown on the columnar crystal layer by MOCVD, and a GaN-based layer grown on the buffer layer. And a compound crystal layer.

上記バッファ層は島状成長状態又は網目状成長状態であるように形成されることがより好適である。   More preferably, the buffer layer is formed so as to be in an island-like growth state or a network-like growth state.

また、上記コラム状結晶層は六方晶構造結晶層とすることができ、特に、二ホウ化ジルコニウム(ZrB2)結晶層であることを特徴とする。また、コラム状結晶層の厚さは50nmないし500nmの範囲内であることが好適である。 The columnar crystal layer may be a hexagonal crystal layer, and is particularly characterized by being a zirconium diboride (ZrB 2 ) crystal layer. The thickness of the columnar crystal layer is preferably in the range of 50 nm to 500 nm.

さらに、上記バッファ層は、低温成長窒化物結晶層、特に、低温成長窒化アルミニウム(AlN)結晶層とすることができる。   Further, the buffer layer may be a low temperature grown nitride crystal layer, particularly a low temperature grown aluminum nitride (AlN) crystal layer.

実施例1の結晶成長工程を模式的に示す断面図である。2 is a cross-sectional view schematically showing a crystal growth step of Example 1. FIG. ZrB2成長上面を撮影した走査型電子顕微鏡(SEM)像である。ZrB a 2 shoot growth top the scanning electron microscope (SEM) images. サファイア基板及びZrB2層の界面での分離の状態を模式的に示す断面図である。The state of separation at the interface of the sapphire substrate and ZrB 2 layers is a cross-sectional view schematically showing. 基板から結晶成長層を分離した後のサファイア基板の表面のEDX分析結果を示すグラフである。It is a graph which shows the EDX analysis result of the surface of the sapphire substrate after isolate | separating a crystal growth layer from a board | substrate. 実施例2である結晶成長工程を模式的に示す断面図である。6 is a cross-sectional view schematically showing a crystal growth step that is Embodiment 2. FIG. 実施例2である結晶成長工程を模式的に示す断面図である。6 is a cross-sectional view schematically showing a crystal growth step that is Embodiment 2. FIG. リフトオフ後(図6,STEP15)の上面図であり、ZrB2結晶層のパターニング形状を示している。It is a top view after lift-off (FIG. 6, STEP15) and shows the patterning shape of the ZrB 2 crystal layer. バッファ層上に素子動作層を形成した場合を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the case where an element operation | movement layer is formed on a buffer layer.

以下においては、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition:有機金属気相堆積)法によりサファイア(Al23)基板上にGaN系化合物半導体層を結晶成長する方法について説明する。なお、GaN系化合物半導体の例として窒化ガリウム(GaN)の結晶成長を行う場合について図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, a method for crystal growth of a GaN-based compound semiconductor layer on a sapphire (Al 2 O 3 ) substrate by MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) method will be described. A case where gallium nitride (GaN) is grown as an example of a GaN-based compound semiconductor will be described in detail with reference to the drawings.

尚、以下に説明する図において、実質的に同一又は等価な構成要素あるいは部分には同一の参照符を付している。   In the drawings described below, substantially the same or equivalent components or parts are denoted by the same reference numerals.

まず、基板10として、コランダム構造を有するAl23単結晶のサファイア基板を用いた。本実施例においては、サファイアC面({0001}面)を結晶成長面として当該サファイアC面上に結晶成長を行った。以下においては、サファイアC面({0001}面)を主面(結晶成長面)とする基板をC面サファイア基板とも称する。なお、ここで、ミラー指数{ }は等価な面の代表値を示している。 First, an Al 2 O 3 single crystal sapphire substrate having a corundum structure was used as the substrate 10. In this example, crystal growth was performed on the sapphire C surface using the sapphire C surface ({0001} surface) as a crystal growth surface. Hereinafter, a substrate having a sapphire C plane ({0001} plane) as a main surface (crystal growth plane) is also referred to as a C-plane sapphire substrate. Here, the Miller index {} indicates a representative value of an equivalent surface.

図1は、実施例1における結晶成長工程を模式的に示す断面図である。図1に示すように、サファイア基板10上に二ホウ化ジルコニウム(ZrB2)を中間層としてGaN結晶の成長を行った。 FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a crystal growth process in the first embodiment. As shown in FIG. 1, a GaN crystal was grown on a sapphire substrate 10 with zirconium diboride (ZrB 2 ) as an intermediate layer.

まず、MOCVD法によりサファイア基板10上に二ホウ化ジルコニウム(ZrB2)の結晶成長を行った。なお、ZrB2は六方晶の結晶構造を有する。より具体的には、ジルコニウム・ボロハライド(Zr(BH4)4)を原料として用い、サファイア基板の{0001}面を主面(結晶成長面)とし、成長温度を1190℃、成長圧力を40TorrとしてZrB2結晶をナノコラム状に成長した(図1,STEP1)。また、キャリアガス及び雰囲気ガスとして水素(H2)ガスを用いた。なお、原料供給量は2.4μmol/min、成長速度は2nm/minであった。当該ナノコラム状のZrB2結晶(ナノコラム結晶)層11の厚さ(ZrB2ナノコラム結晶の高さ)は約50nmであったが、これに限らない。なお、ZrB2結晶の厚さは50nmないし500nmが好ましい。 First, crystal growth of zirconium diboride (ZrB 2 ) was performed on the sapphire substrate 10 by MOCVD. ZrB 2 has a hexagonal crystal structure. More specifically, zirconium borohalide (Zr (BH 4 ) 4 ) is used as a raw material, the {0001} plane of the sapphire substrate is the main plane (crystal growth plane), the growth temperature is 1190 ° C., and the growth pressure is 40 Torr. It was grown ZrB 2 crystal nano column shape (Fig. 1, STEP1). Further, hydrogen (H 2 ) gas was used as the carrier gas and the atmospheric gas. The raw material supply amount was 2.4 μmol / min, and the growth rate was 2 nm / min. The thickness of the nanocolumn-shaped ZrB 2 crystal (nanocolumn crystal) layer 11 (the height of the ZrB 2 nanocolumn crystal) was about 50 nm, but is not limited thereto. The thickness of the ZrB 2 crystal is preferably 50 nm to 500 nm.

次に、MOCVD法により、窒化アルミニウム(AlN)の低温成長(LT-AlN:Low Temperature AlN)バッファ層12を形成した(以下において、単にAlN低温バッファ層12と称する。)。   Next, a low temperature growth (LT-AlN) buffer layer 12 of aluminum nitride (AlN) was formed by MOCVD (hereinafter simply referred to as AlN low temperature buffer layer 12).

なお、本明細書において、低温成長とは、一般的に窒化物結晶(GaAlInN系結晶)をMOCVD法により成長するための成長温度(「高成長温度」という。)よりも低い温度(「低成長温度」という。)での成長をいう。具体的には、AlN低温バッファ層の成長温度(低成長温度)として、400℃〜600℃の範囲内であることが好ましい。   In this specification, the low temperature growth is generally a temperature lower than a growth temperature (“high growth temperature”) for growing a nitride crystal (GaAlInN-based crystal) by MOCVD. It is called “temperature”). Specifically, the growth temperature (low growth temperature) of the AlN low-temperature buffer layer is preferably in the range of 400 ° C to 600 ° C.

より具体的には、成長温度を600℃、成長圧力を760TorrとしてAlN低温バッファ層12を成長した(図1,STEP2)。AlN低温バッファ層12の層厚は100nmであった。なお、原料としてトリメチル・アルミニウム(TMA)を22.4μmol/min、アンモニア(NH3)を6,120μmol/minの流量で供給した。なお、このとき、V/III比は2,735であった。なお、AlN低温バッファ層12の層厚は、特に限定されないが、後述するように、ZrB2結晶層11の全面を覆うように成長していないことが好ましい。 More specifically, the AlN low-temperature buffer layer 12 was grown at a growth temperature of 600 ° C. and a growth pressure of 760 Torr (FIG. 1, STEP 2). The layer thickness of the AlN low-temperature buffer layer 12 was 100 nm. As raw materials, trimethylaluminum (TMA) was supplied at a flow rate of 22.4 μmol / min and ammonia (NH 3 ) at a flow rate of 6,120 μmol / min. At this time, the V / III ratio was 2,735. The layer thickness of the AlN low-temperature buffer layer 12 is not particularly limited, but it is preferable that the AlN low-temperature buffer layer 12 is not grown so as to cover the entire surface of the ZrB 2 crystal layer 11 as will be described later.

より詳細には、AlN結晶の成長過程としては、島状成長状態からその成長領域が拡大し、島状成長部が連なった状態(網目状成長状態)を経て、ZrB2結晶層11の全面を覆う平坦成長状態に移行すると考えられるが、本発明においては、AlN低温バッファ層12はZrB2結晶層11の全面を覆う以前の島状成長状態又は網目状成長状態であるように形成されることが好ましい。なお、以下においては、このようなAlN結晶がZrB2結晶層11の全面を覆う以前の成長(島状成長及び網目状成長)状態を総称して島状成長状態ともいう。 More specifically, as the growth process of the AlN crystal, the growth region is expanded from the island-like growth state, and the whole area of the ZrB 2 crystal layer 11 is passed through the state where the island-like growth portions are connected (network growth state). In the present invention, the AlN low-temperature buffer layer 12 is formed so as to be in an island-like growth state or a network-like growth state before covering the entire surface of the ZrB 2 crystal layer 11. Is preferred. Hereinafter, the growth state (island growth and network growth) before the AlN crystal covers the entire surface of the ZrB 2 crystal layer 11 is also collectively referred to as an island growth state.

本実施例においては、AlN低温バッファ層12が島状成長状態(網目状成長状態を含む)であるように成長を行った。すなわち、AlN低温バッファ層12には開口(開口部)12Aが存在するように成長を行った。   In this example, the growth was performed so that the AlN low-temperature buffer layer 12 was in an island-like growth state (including a network-like growth state). That is, the AlN low-temperature buffer layer 12 was grown so as to have an opening (opening) 12A.

AlN低温バッファ層12を成長した後、トリメチル・ガリウム(TMG)、アンモニア(NH3)を原料としてGaN結晶層13の結晶成長を行った(図1,STEP3)。成長温度は1100℃、成長圧力は80Torr、TMGの供給量は44.7μmol/min、NH3の供給量は6,120μmol/minであった。また、成長時間は約20min、成長後の成長層厚は1.7μmであった。なお、このとき、成長速度は5μm/min、V/III比は1,370であった。 After the growth of the AlN low-temperature buffer layer 12, crystal growth of the GaN crystal layer 13 was performed using trimethyl gallium (TMG) and ammonia (NH 3 ) as raw materials (FIG. 1, STEP 3). The growth temperature was 1100 ° C., the growth pressure was 80 Torr, the TMG supply rate was 44.7 μmol / min, and the NH 3 supply rate was 6,120 μmol / min. The growth time was about 20 min, and the growth layer thickness after growth was 1.7 μm. At this time, the growth rate was 5 μm / min, and the V / III ratio was 1,370.

かかる成長条件での成長後、さらに、横方向成長(ELO:epitaxial lateral overgrowth)がより促進される成長条件でGaN結晶の成長を行った。例えば、成長温度は1150℃、成長圧力は90Torr、TMGの供給量は134μmol/min、NH3の供給量は101560μmol/min、成長層厚は10μm、成長速度は15μm/min、V/III比は758である。かかる横方向成長促進条件での成長を行いGaN結晶層13を形成した(図1,STEP3)。なお、AlN低温バッファ層12を成長した後、成長条件を変えて(2段階で)、GaN結晶層を成長する場合について説明したが、AlN低温バッファ層12を成長後、横方向成長(ELO)がより促進される上記成長条件でGaN結晶層の成長を行うようにしてもよい。 After the growth under such growth conditions, a GaN crystal was grown under growth conditions that further promote the lateral growth (ELO: epiaxial lateral overgrowth). For example, the growth temperature is 1150 ° C., the growth pressure is 90 Torr, the TMG supply rate is 134 μmol / min, the NH 3 supply rate is 101560 μmol / min, the growth layer thickness is 10 μm, the growth rate is 15 μm / min, and the V / III ratio is 758. The GaN crystal layer 13 was formed by performing growth under such lateral growth promotion conditions (FIG. 1, STEP 3). In addition, after the growth of the AlN low-temperature buffer layer 12, the growth conditions were changed (in two stages) to grow the GaN crystal layer. However, after the growth of the AlN low-temperature buffer layer 12, the lateral growth (ELO) is performed. The GaN crystal layer may be grown under the above-described growth condition that promotes further.

図2は、MOCVD装置からZrB2成長後の成長層付き基板を取り出し、走査型電子顕微鏡(SEM)でZrB2成長上面を撮影したSEM像である。サファイア基板10の{0001}面上にコラム状(柱状)にc軸配向したZrB2結晶が成長し、コラム状結晶間に間隙が形成されているのが分かる。また、ZrB2結晶のC面結晶構造を反映して断面が六角形状のコラム状結晶が形成されているのが分かる。尚、当該コラム状結晶の外径は50nm〜100nm程度であった。また、上記コラム状結晶間には間隙15が形成されている。 FIG. 2 is an SEM image obtained by taking out the substrate with the growth layer after the ZrB 2 growth from the MOCVD apparatus and photographing the upper surface of the ZrB 2 growth with a scanning electron microscope (SEM). It can be seen that on the {0001} plane of the sapphire substrate 10, a ZrB 2 crystal having a c-axis orientation is grown in a column shape (columnar shape), and a gap is formed between the columnar crystals. It can also be seen that columnar crystals having a hexagonal cross section are formed reflecting the C-plane crystal structure of the ZrB 2 crystal. The outer diameter of the columnar crystal was about 50 nm to 100 nm. A gap 15 is formed between the columnar crystals.

なお、上記においては、ZrB2成長後にMOCVD装置から当該成長層付き基板を取り出し、SEM観察後にMOCVD装置においてAlN低温バッファ層12及びGaN結晶層13を成長した場合について説明した。しかし、ZrB2層11の成長後にMOCVD装置から成長層付き基板を取り出すことなく、ZrB2層11の成長に連続してAlN低温バッファ層12及びGaN結晶層13を成長してもよい。あるいは、MOCVD法以外の方法でサファイア基板10上にコラム状結晶層11を形成したウエハを用い、MOCVD法により低温バッファ層12及びGaN結晶層13を成長してもよい。 In the above, ZrB 2 takes out the grown layer-provided substrate from the MOCVD apparatus after growth has been described a case where the growth of the AlN low temperature buffer layer 12 and the GaN crystal layer 13 in the MOCVD apparatus after SEM observation. However, without removing the growth layer with the substrate from the MOCVD apparatus after the growth of the ZrB 2 layer 11 may be grown AlN low temperature buffer layer 12 and the GaN crystal layer 13 in succession to the growth of the ZrB 2 layers 11. Alternatively, a low temperature buffer layer 12 and a GaN crystal layer 13 may be grown by MOCVD using a wafer in which the columnar crystal layer 11 is formed on the sapphire substrate 10 by a method other than the MOCVD method.

このようにコラム状ZrB2層11、低温バッファ層12及びGaN結晶層13(以下、これらの積層体構造を総称して結晶成長層18という。)を成長した結晶成長層付き基板(ウエハ)では、極めて容易にサファイア基板10から結晶成長層18を分離(剥離)することができる。この点について以下に詳細に説明する。 In the substrate with a crystal growth layer (wafer) on which the columnar ZrB 2 layer 11, the low-temperature buffer layer 12 and the GaN crystal layer 13 (hereinafter referred to collectively as the crystal growth layer 18) are grown. The crystal growth layer 18 can be separated (peeled) from the sapphire substrate 10 very easily. This point will be described in detail below.

サファイア、ZrB2、GaNのa軸方向の格子定数はそれぞれ、0.275nm,0.317nm,0.320nmである。すなわち、ZrB2とGaNの当該格子定数は極めて近いが、サファイアとZrB2とでは大きな差がある。また、サファイア、ZrB2、GaNの熱膨張係数はそれぞれ、7.5E-6/K,5.9E-6/K,5.6E-6/Kであり(ここで、「E-6」は、×10-6を表している。)、格子定数と同様に、ZrB2とGaNの熱膨張係数は極めて近いが、サファイアとZrB2とでは大きな差がある。このため、結晶成長後の降温により、サファイア基板10とZrB2層11との界面に大きな歪み(ストレス)が生じる。一方、ZrB2層11と結晶成長層18(すなわち、低温バッファ層12及びGaN結晶層13)との界面の歪みは小さい。また、中間層であるZrB2層11はナノコラム状態であり機械的に弱い。そのため、結晶成長後に降温すると、サファイア基板10とナノコラム状態のZrB2層11の界面に大きな歪みが生じることによりサファイア基板10から結晶成長層18が容易に分離する。 The lattice constants in the a-axis direction of sapphire, ZrB 2 , and GaN are 0.275 nm, 0.317 nm, and 0.320 nm, respectively. That is, the lattice constants of ZrB 2 and GaN are very close, but there is a large difference between sapphire and ZrB 2 . The thermal expansion coefficients of sapphire, ZrB 2 , and GaN are 7.5E-6 / K, 5.9E-6 / K, and 5.6E-6 / K, respectively (where “E-6” is × 10 -6 ), like the lattice constant, the thermal expansion coefficients of ZrB 2 and GaN are very close, but there is a large difference between sapphire and ZrB 2 . For this reason, a large strain (stress) occurs at the interface between the sapphire substrate 10 and the ZrB 2 layer 11 due to the temperature drop after crystal growth. On the other hand, the strain at the interface between the ZrB 2 layer 11 and the crystal growth layer 18 (that is, the low-temperature buffer layer 12 and the GaN crystal layer 13) is small. Further, the ZrB 2 layer 11 as the intermediate layer is in a nanocolumn state and mechanically weak. Therefore, when the temperature is lowered after the crystal growth, a large strain is generated at the interface between the sapphire substrate 10 and the nanocolumn ZrB 2 layer 11, so that the crystal growth layer 18 is easily separated from the sapphire substrate 10.

より具体的には、図3に模式的に示すように、サファイア基板10及びZrB2層11の間の界面における大きな歪みのため、サファイア基板10とZrB2層11の界面で容易に分離する(図中、矢印はサファイア基板10及び結晶成長層18の分離を示している。)。なお、図3においては、分離した後のサファイア基板10側の界面をS1A、S2Aとし、これらに対応するZrB2層11側の界面をそれぞれS1B、S2Bとして模式的に示している。 More specifically, as schematically shown in FIG. 3, for large strain at the interface between the sapphire substrate 10 and ZrB 2 layers 11, easily separated at the interface between the sapphire substrate 10 and the ZrB 2 layer 11 ( In the figure, the arrows indicate the separation of the sapphire substrate 10 and the crystal growth layer 18). In FIG. 3, the interfaces on the sapphire substrate 10 side after separation are schematically shown as S1A and S2A, and the corresponding interfaces on the ZrB 2 layer 11 side are shown as S1B and S2B, respectively.

さらに、AlN低温バッファ層12が開口12Aを有する島状成長状態(網目状成長状態を含む)となるように成長を行ったので、さらに、サファイア基板10から結晶成長層18を容易に分離することができる。より詳細には、GaN結晶層13の成長においては、AlN結晶層を核としてGaN結晶の横方向成長によってAlN低温バッファ層12は覆われる。しかし、ZrB2層11上にAlN結晶層が無い部分、すなわち、AlN低温バッファ層12の開口12AにおいてはZrB2層11上にGaN結晶は直接成長していない。従って、この開口12Aにおいては、ZrB2層11及びGaN結晶層13の間でサファイア基板10から結晶成長層18を容易に分離することができる。なお、図3においては、分離した後のサファイア基板10側の界面(すなわち、ZrB2層上面)をE1A、E2A、E3Aとし、これらに対応するGaN結晶層13側の界面(すなわち、GaN結晶層下面)をそれぞれE1B、E2B、E3Bとして模式的に示している。 Furthermore, since the AlN low-temperature buffer layer 12 is grown so as to be in an island-like growth state (including a network growth state) having an opening 12A, the crystal growth layer 18 can be easily separated from the sapphire substrate 10. Can do. More specifically, in the growth of the GaN crystal layer 13, the AlN low-temperature buffer layer 12 is covered by the lateral growth of the GaN crystal with the AlN crystal layer as a nucleus. However, the GaN crystal is not directly grown on the ZrB 2 layer 11 in the portion where there is no AlN crystal layer on the ZrB 2 layer 11, that is, in the opening 12A of the AlN low-temperature buffer layer 12. Therefore, the crystal growth layer 18 can be easily separated from the sapphire substrate 10 between the ZrB 2 layer 11 and the GaN crystal layer 13 in the opening 12A. In FIG. 3, the interfaces on the sapphire substrate 10 side after separation (namely, the upper surface of the ZrB 2 layer) are E1A, E2A, and E3A, and the corresponding interfaces on the GaN crystal layer 13 side (namely, GaN crystal layers). The lower surface is schematically shown as E1B, E2B, and E3B, respectively.

サファイア基板10から結晶成長層18を分離した後のサファイア基板10の表面についてエネルギー分散型X線分析装置(EDX)により分析を行った。図4は、EDX分析結果を示すグラフである。EDX分析において、サファイア基板10の表面から基板組成のAl及びOの他に、強度は弱いながらZrが検出された。従って、上記したように、開口12Aにおいて、ZrB2層11とGaN結晶層13とが容易に分離し、サファイア基板10側にコラム状ZrB2層が残ることが検証された。 The surface of the sapphire substrate 10 after separating the crystal growth layer 18 from the sapphire substrate 10 was analyzed by an energy dispersive X-ray analyzer (EDX). FIG. 4 is a graph showing the EDX analysis results. In the EDX analysis, Zr was detected from the surface of the sapphire substrate 10 in addition to the substrate composition Al and O, although the strength was weak. Therefore, as described above, it was verified that the ZrB 2 layer 11 and the GaN crystal layer 13 were easily separated in the opening 12A, and the columnar ZrB 2 layer remained on the sapphire substrate 10 side.

上記したように、サファイア基板10から結晶成長層18を極めて容易に分離(剥離)することができる。例えば、結晶成長後の降温によって、サファイア基板10とナノコラム状ZrB2層11の界面に生ずる大きな歪みに起因してサファイア基板10から結晶成長層18が分離する。このように、結晶成長後の降温のみで分離しない場合でも、結晶成長を行ったサファイア基板10(成長ウエハ)に外部から軽微な力を加えることでサファイア基板10から結晶成長層18を容易に分離(剥離)することができる。例えば、サファイア基板10に軽い衝撃を与えることによりサファイア基板から結晶成長層18を分離することができる。また、超音波等を用いて成長ウエハに振動を与えることにより結晶成長層18を容易に分離することができる。また、LLO(レーザリフトオフ)法を補助的に使用して分離してもよい。この場合、従来技術より低エネルギー密度のレーザ照射で分離することができ、結晶成長層18に与えるダメージを低減することが可能である。このように、結晶成長層18にダメージを与えることなくサファイア基板10から結晶成長層18を容易に分離することができる。 As described above, the crystal growth layer 18 can be separated (peeled) from the sapphire substrate 10 very easily. For example, the crystal growth layer 18 is separated from the sapphire substrate 10 due to a large strain generated at the interface between the sapphire substrate 10 and the nanocolumnar ZrB 2 layer 11 due to the temperature drop after crystal growth. As described above, even when the temperature is not separated only by the temperature drop after the crystal growth, the crystal growth layer 18 is easily separated from the sapphire substrate 10 by applying a slight force from the outside to the sapphire substrate 10 (growth wafer) on which the crystal is grown. (Peeling). For example, the crystal growth layer 18 can be separated from the sapphire substrate by giving a light impact to the sapphire substrate 10. Further, the crystal growth layer 18 can be easily separated by applying vibration to the growth wafer using ultrasonic waves or the like. Alternatively, separation may be performed using an LLO (laser lift-off) method. In this case, it can be separated by laser irradiation with a lower energy density than the prior art, and damage to the crystal growth layer 18 can be reduced. Thus, the crystal growth layer 18 can be easily separated from the sapphire substrate 10 without damaging the crystal growth layer 18.

なお、ZrB2はフッ酸及び硝酸の混合液により容易に溶解する。そのため、分離をより容易にするためにZrB2層をエッチングするプロセスを適用してもよい。また、ZrB2中間層はナノコラム状態であり、エッチング液が浸透し易く、短時間のエッチングでよい。また、サファイア基板へのダメージは少ない。 ZrB 2 is easily dissolved by a mixed solution of hydrofluoric acid and nitric acid. Therefore, a process of etching the ZrB 2 layer may be applied to make separation easier. Further, ZrB 2 intermediate layer is nanocolumns state, easily etchant permeates may be short etching. Moreover, there is little damage to a sapphire substrate.

以上、説明したように、本発明によれば、結晶成長層にダメージを与えることなくサファイア基板から結晶成長層を容易に分離することができる。また、化学エッチングを適用することによって、さらに確実及び容易に結晶成長層を基板から分離することができる。このため長時間エッチング液に浸漬する必要はない。さらに、ZrB2中間層がナノコラム状態であることにより、サファイア基板に直接GaN系結晶層を成長した場合と比較して歪みが緩和されるため、ウエハの反りを小さくすることができる。 As described above, according to the present invention, the crystal growth layer can be easily separated from the sapphire substrate without damaging the crystal growth layer. Further, by applying chemical etching, the crystal growth layer can be more reliably and easily separated from the substrate. For this reason, it is not necessary to immerse in etching liquid for a long time. Furthermore, since the ZrB 2 intermediate layer is in the nanocolumn state, distortion is reduced as compared with the case where the GaN-based crystal layer is directly grown on the sapphire substrate, so that the warpage of the wafer can be reduced.

なお、本実施例においては、AlN低温バッファ層12が島状成長状態(網目状成長状態を含む)であるように成長を行った場合について説明した。しかしながら、AlN低温バッファ層12がZrB2結晶層11の全面を覆うように、すなわち開口12Aを有しないように成長を行ってもよい。かかる場合でも、サファイア基板10とナノコラム状ZrB2層11の界面に生ずる大きな歪みに起因してサファイア基板10から結晶成長層18が容易に分離する。 In this embodiment, the case where the AlN low-temperature buffer layer 12 is grown so as to be in an island-like growth state (including a network-like growth state) has been described. However, as AlN low temperature buffer layer 12 covers the entire surface of the ZrB 2 crystal layer 11, i.e., it may be performed grown so as not to have an opening 12A. Even in this case, the crystal growth layer 18 is easily separated from the sapphire substrate 10 due to a large strain generated at the interface between the sapphire substrate 10 and the nanocolumn-shaped ZrB 2 layer 11.

図5及び図6は、実施例2である結晶成長工程を模式的に示す断面図である。上記した実施例1においては、サファイア基板10上に二ホウ化ジルコニウム(ZrB2)を中間層として成長し、ZrB2中間層上にAlN低温バッファ層及びGaN層を成長する場合について説明した。本実施例においては、サファイア基板10上にZrB2中間層を成長した後、AlN低温バッファ層及びGaN層を選択成長する場合について説明する。 5 and 6 are cross-sectional views schematically showing a crystal growth step that is Embodiment 2. FIG. In the first embodiment described above, and grown as an intermediate layer of two zirconium boride (ZrB 2) on the sapphire substrate 10 has been described for the case of growing AlN low temperature buffer layer and GaN layer ZrB 2 intermediate layer. In this embodiment, a case where an AlN low-temperature buffer layer and a GaN layer are selectively grown after growing a ZrB 2 intermediate layer on the sapphire substrate 10 will be described.

まず、MOCVD法によりサファイア基板10のC面({0001}面)を主面(結晶成長面)とし、ZrB2層11を成長する(図5,STEP11)。原料としてZr(BH4)4を用い、成長温度を1190℃、成長圧力を40TorrとしてZrB2結晶をナノコラム状に成長する。また、キャリアガス及び雰囲気ガスとして水素(H2)ガスを用い、例えば、原料供給量は2.4μmol/min、成長速度は2nm/minである。当該ナノコラム状のZrB2結晶(ナノコラム結晶)層11の厚さは、例えば、約100nmであるが、これに限らない。なお、ZrB2結晶の厚さは50nmないし500nmが好ましい。 First, the ZrB 2 layer 11 is grown by MOCVD using the C plane ({0001} plane) of the sapphire substrate 10 as the main plane (crystal growth plane) (FIG. 5, STEP11). Zr (BH 4 ) 4 is used as a raw material, a growth temperature is 1190 ° C., a growth pressure is 40 Torr, and a ZrB 2 crystal is grown in a nanocolumn shape. Further, hydrogen (H 2 ) gas is used as the carrier gas and the atmospheric gas, and for example, the raw material supply rate is 2.4 μmol / min and the growth rate is 2 nm / min. The thickness of the nanocolumn-shaped ZrB 2 crystal (nanocolumn crystal) layer 11 is, for example, about 100 nm, but is not limited thereto. The thickness of the ZrB 2 crystal is preferably 50 nm to 500 nm.

次に、一般的なフォトリソグラフィ法によりレジストパターンを形成する。具体的には、例えば、ナノコラム状のZrB2結晶層11上にフォトレジスト(厚さ2μm)21を形成し、例えば、格子状にパターニングを行う(図5,STEP12)。なお、当該パターニングの形状等については後述する。レジスト21をマスクとしてZrB2結晶層11をエッチングし、除去する(図5,STEP13)。ZrB2結晶層11は、硝酸−弗酸系エッチャントによりエッチングすることができる。例えば、フッ酸(HF):硝酸(HNO3):水(H2O)=1:2:1の混合液をエッチャントとして用いることができる。 Next, a resist pattern is formed by a general photolithography method. Specifically, for example, a photoresist (thickness 2 μm) 21 is formed on the nanocolumn-shaped ZrB 2 crystal layer 11 and patterned, for example, in a lattice shape (FIG. 5, STEP 12). The patterning shape and the like will be described later. Using the resist 21 as a mask, the ZrB 2 crystal layer 11 is etched and removed (FIG. 5, STEP 13). The ZrB 2 crystal layer 11 can be etched with a nitric acid-hydrofluoric acid etchant. For example, a mixed solution of hydrofluoric acid (HF): nitric acid (HNO 3 ): water (H 2 O) = 1: 2: 1 can be used as an etchant.

次に、電子ビーム(EB)蒸着法などによりSiO2を蒸着し、SiO2層22の厚さが約100nmとなるように成膜する(図5,STEP14)。 Next, SiO 2 is deposited by an electron beam (EB) deposition method or the like to form a film so that the thickness of the SiO 2 layer 22 is about 100 nm (FIG. 5, STEP 14).

次に、リフトオフ法を用いることにより、サファイア基板10上のZrB2層11が除去された部分にSiO2層22が残る(図6,STEP15)。すなわち、レジスト21を除去することで、レジスト21上のSiO2層22が除去される。 Next, by using the lift-off method, the SiO 2 layer 22 remains in the portion where the ZrB 2 layer 11 is removed on the sapphire substrate 10 (FIG. 6, STEP 15). That is, by removing the resist 21, the SiO 2 layer 22 on the resist 21 is removed.

図7は、リフトオフ後(図6,STEP15)の上面図を示している。上記パターニングプロセスにより、ZrB2結晶層11は、例えば格子状にパターニングされる。より具体的には、ZrB2結晶層11は結晶成長面(c面)において、例えば、a軸方向([2-1-10]方向)及びこれと直交するm軸方向([01-10]方向)の各々に平行なストライプ状からなる格子状に除去される。除去されるZrB2結晶層11の幅はm軸方向(幅S1)及びa軸方向(幅S2)に、例えば、それぞれ数μm〜20μmである。また、除去されずに残された矩形形状のZrB2結晶層11の1辺の長さはm軸方向(長さZ1)及びa軸方向(長さZ2)で、例えば、それぞれ200〜300μm程度である。 FIG. 7 shows a top view after lift-off (FIG. 6, STEP 15). By the patterning process, the ZrB 2 crystal layer 11 is patterned in a lattice shape, for example. More specifically, ZrB 2 crystal layer 11 in the crystal growth surface (c plane), for example, a-axis direction ([2-1-10] direction) and the m-axis direction orthogonal thereto ([01-10] (Direction) is removed in a lattice shape composed of stripes parallel to each other. The width of the ZrB 2 crystal layer 11 to be removed is, for example, several μm to 20 μm in the m-axis direction (width S1) and the a-axis direction (width S2), respectively. The length of one side of the rectangular ZrB 2 crystal layer 11 left without being removed is in the m-axis direction (length Z1) and a-axis direction (length Z2), for example, about 200 to 300 μm, respectively. It is.

次に、AlN低温バッファ層23を成長した。より具体的には、成長温度を600℃、成長圧力を760TorrとしてAlN低温バッファ層23を成長する(図6,STEP16)。AlN低温バッファ層23の層厚は100nmである。実施例1の場合と同様に、AlN低温バッファ層23は島状成長状態又は網目状成長状態であるように形成されることが好ましい。なお、原料及びそれらの流量は実施例1の場合と同様である。   Next, an AlN low temperature buffer layer 23 was grown. More specifically, the AlN low-temperature buffer layer 23 is grown at a growth temperature of 600 ° C. and a growth pressure of 760 Torr (FIG. 6, STEP 16). The layer thickness of the AlN low-temperature buffer layer 23 is 100 nm. As in the case of Example 1, the AlN low-temperature buffer layer 23 is preferably formed so as to be in an island-like growth state or a network-like growth state. The raw materials and their flow rates are the same as in the first embodiment.

AlN低温バッファ層23を成長した後、GaN結晶層24を成長する(図6,STEP17)。TMG、NH3を用い、成長温度は1100℃、成長圧力は80Torr、TMGの供給量は44.7μmol/min、NH3の供給量は6,120μmol/minである。また、成長層厚は1.7μm、成長速度は5μm/min、V/III比は1,370である。 After the growth of the AlN low-temperature buffer layer 23, the GaN crystal layer 24 is grown (FIG. 6, STEP 17). Using TMG and NH 3 , the growth temperature is 1100 ° C., the growth pressure is 80 Torr, the supply amount of TMG is 44.7 μmol / min, and the supply amount of NH 3 is 6,120 μmol / min. The growth layer thickness is 1.7 μm, the growth rate is 5 μm / min, and the V / III ratio is 1,370.

GaN結晶層24を選択成長した後、さらに、横方向成長(ELO:epitaxial lateral overgrowth)がより促進される成長条件でGaN結晶の成長を行う。例えば、成長温度は1150℃、成長圧力は90Torr、TMGの供給量は134μmol/min、NH3の供給量は101560μmol/min、成長層厚は10μm、成長速度は15μm/min、V/III比は758である。かかる横方向成長促進条件での成長によりGaN結晶層25を形成する(図6,STEP18)。従って、上記パターニングプロセスにおけるサファイア基板10上のSiO2層22の幅、すなわち除去するZrB2結晶層11の幅はGaNの横方向成長により埋め込まれる程度に設定すればよい。また、パターニングの方向は、m軸方向あるいはa軸方向に限らず、埋め込み層であるGaN結晶の成長条件等に応じて適宜選択すればよい。また、除去されずに残すZrB2結晶層11の形状も矩形形状に限らない。要は、コラム状ZrB2結晶層11を部分的に除去し、当該除去領域を、例えばSiO2等からなる選択成長用被覆材料で被覆した後、コラム状ZrB2結晶層11の非除去領域上にバッファ層をいわゆる選択成長するようにすればよい。 After the GaN crystal layer 24 is selectively grown, the GaN crystal is grown under growth conditions that further promote lateral growth (ELO: epiaxial lateral overgrowth). For example, the growth temperature is 1150 ° C., the growth pressure is 90 Torr, the TMG supply rate is 134 μmol / min, the NH 3 supply rate is 101560 μmol / min, the growth layer thickness is 10 μm, the growth rate is 15 μm / min, and the V / III ratio is 758. A GaN crystal layer 25 is formed by growth under such lateral growth promoting conditions (FIG. 6, STEP18). Therefore, the width of the SiO 2 layer 22 on the sapphire substrate 10 in the patterning process, that is, the width of the ZrB 2 crystal layer 11 to be removed may be set so as to be buried by lateral growth of GaN. The patterning direction is not limited to the m-axis direction or the a-axis direction, and may be appropriately selected according to the growth conditions of the GaN crystal that is the buried layer. The shape of the ZrB 2 crystal layer 11 to be left without being removed even not limited to the rectangular shape. In short, the columnar ZrB 2 crystal layer 11 is partially removed, and the removed region is covered with a selective growth coating material made of, for example, SiO 2 , and then on the non-removed region of the columnar ZrB 2 crystal layer 11. In addition, the buffer layer may be selectively grown.

上記したGaNの結晶成長においてはSiO2層22の上にはGaN結晶は成長しないが、ZrB2結晶層11上に成長したGaN結晶が横方向に成長してSiO2層22の上部を覆うようにGaN結晶が形成される。そして、SiO2層22とその上部のGaN結晶層25との間に形成される間隙27によって基板側のSiO2層22とGaN結晶層25は分離されている。 In the GaN crystal growth described above, no GaN crystal grows on the SiO 2 layer 22, but the GaN crystal grown on the ZrB 2 crystal layer 11 grows in the lateral direction so as to cover the top of the SiO 2 layer 22. A GaN crystal is formed. Then, the substrate side of the SiO 2 layer 22 and the GaN crystal layer 25 by a gap 27 formed between the SiO 2 layer 22 and the GaN crystal layer 25 of the upper are separated.

さらに、実施例1の場合と同様に、結晶成長後の降温によって、サファイア基板10とパターニングされた矩形形状のナノコラム結晶層であるZrB2結晶層11の各々との間の界面に大きな歪みが生じることによりサファイア基板10から結晶成長層18が容易に分離する。 Furthermore, as in the case of Example 1, due to the temperature drop after crystal growth, a large strain is generated at the interface between the sapphire substrate 10 and each of the ZrB 2 crystal layers 11 that are patterned rectangular nanocolumn crystal layers. As a result, the crystal growth layer 18 is easily separated from the sapphire substrate 10.

従って、本実施例によれば、ZrB2結晶層11との間の界面に生じる大きな歪みによってサファイア基板10から結晶成長層28が分離され易くなる上に、さらに、SiO2層22が形成されている領域においてサファイア基板10とGaN結晶層25との分離が容易である。従って、実施例1の場合に比べ、さらにサファイア基板10と当該基板上への結晶成長層28との分離が容易である。また、化学エッチングを適用することによって、結晶成長層を基板から分離することが、さらに確実で容易になる。 Therefore, according to the present embodiment, the crystal growth layer 28 is easily separated from the sapphire substrate 10 due to a large strain generated at the interface with the ZrB 2 crystal layer 11, and the SiO 2 layer 22 is further formed. It is easy to separate the sapphire substrate 10 and the GaN crystal layer 25 in the existing region. Therefore, compared with the case of Example 1, it is easier to separate the sapphire substrate 10 and the crystal growth layer 28 on the substrate. Further, by applying chemical etching, it becomes more reliable and easy to separate the crystal growth layer from the substrate.

以上、説明したように、本発明によれば、結晶成長層にダメージを与えることなくサファイア基板から結晶成長層を容易に分離することができる。また、化学エッチングを適用することによって、さらに確実及び容易に結晶成長層を基板から分離することができる。このため長時間エッチング液に浸漬する必要はない。さらに、ZrB2中間層がナノコラム状態であることにより、サファイア基板に直接GaN系結晶層を成長した場合と比較して歪みが緩和されるため、ウエハの反りを小さくすることができる。 As described above, according to the present invention, the crystal growth layer can be easily separated from the sapphire substrate without damaging the crystal growth layer. Further, by applying chemical etching, the crystal growth layer can be more reliably and easily separated from the substrate. For this reason, it is not necessary to immerse in etching liquid for a long time. Furthermore, since the ZrB 2 intermediate layer is in the nanocolumn state, distortion is reduced as compared with the case where the GaN-based crystal layer is directly grown on the sapphire substrate, so that the warpage of the wafer can be reduced.

上記した実施例1及び実施例2においては、バッファ層12,23上にGaN系結晶層13,24,25を成長する場合について説明したが、当該GaN系結晶層上にさらに結晶層を成長してもよい。例えば、GaN系結晶層13,24,25上に、発光層(活性層)、LED発光動作層や半導体レーザ素子におけるクラッド層、あるいは電子デバイス等の素子動作層を成長することができる。あるいは、上記した成長条件により成長されるGaN系結晶層13,24,25をLED発光動作層やクラッド層、素子動作層の一部として成長するようにしてもよい。   In the first and second embodiments described above, the case where the GaN-based crystal layers 13, 24, and 25 are grown on the buffer layers 12 and 23 has been described. However, a crystal layer is further grown on the GaN-based crystal layer. May be. For example, a light emitting layer (active layer), an LED light emitting operation layer, a cladding layer in a semiconductor laser element, or an element operation layer such as an electronic device can be grown on the GaN-based crystal layers 13, 24, and 25. Alternatively, the GaN-based crystal layers 13, 24, and 25 grown under the above growth conditions may be grown as part of the LED light emitting operation layer, the cladding layer, and the element operation layer.

ここで、本明細書において、動作層又は素子動作層とは、半導体素子がその機能を果たすために含まれるべき半導体で構成される層を指すこととする。例えば、単純なトランジスタであればn型半導体、p型半導体及びn型半導体(またはp型半導体、n型半導体及びp型半導体)のpn接合によって構成される構造層を含む。なお、p型半導体層、発光層及びn型半導体層(または、p型半導体層及びn型半導体層)から構成され、注入されたキャリアの再結合によって発光動作をなす半導体層を、特に、発光動作層という。   Here, in this specification, an operation layer or an element operation layer refers to a layer composed of a semiconductor to be included in order for a semiconductor element to perform its function. For example, a simple transistor includes a structural layer formed by a pn junction of an n-type semiconductor, a p-type semiconductor, and an n-type semiconductor (or a p-type semiconductor, an n-type semiconductor, and a p-type semiconductor). Note that a semiconductor layer that includes a p-type semiconductor layer, a light-emitting layer, and an n-type semiconductor layer (or a p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer) and emits light by recombination of injected carriers, particularly, emits light. This is called the operation layer.

例えば、図8に示すように、上記実施例1及び図1におけるバッファ層12上にn型GaN系クラッド層31、発光層32及びp型クラッド層33を順次成長し、これら成長層からなる素子動作層(発光動作層)30を形成してもよい。なお、バッファ層12上に成長する結晶層がGaN系結晶層であればよく、当該GaN系結晶層上に成長する結晶層は、GaN系結晶層に限らず、Gaを含まないアルミニウム(Al)及びインジウム(In)等からなる窒化物系半導体結晶層であってもよい。また、素子動作層30が発光動作層である場合を例に示したが、電子デバイス等の素子動作層であってもよいことはもちろんである。また、実施例2におけるバッファ層23(図6)上に上記したのと同様な素子動作層30を成長してもよい。   For example, as shown in FIG. 8, an n-type GaN-based cladding layer 31, a light emitting layer 32, and a p-type cladding layer 33 are sequentially grown on the buffer layer 12 in Example 1 and FIG. An operation layer (light emitting operation layer) 30 may be formed. Note that the crystal layer grown on the buffer layer 12 may be a GaN-based crystal layer, and the crystal layer grown on the GaN-based crystal layer is not limited to the GaN-based crystal layer, and aluminum containing no Ga (Al). And a nitride-based semiconductor crystal layer made of indium (In) or the like. Further, although the case where the element operation layer 30 is a light emitting operation layer has been described as an example, it is needless to say that the element operation layer 30 may be an element operation layer such as an electronic device. Further, the element operation layer 30 similar to that described above may be grown on the buffer layer 23 (FIG. 6) in the second embodiment.

そして、このような素子動作層30を成長した後、素子動作層30を含む結晶成長層18をサファイア基板10から分離、除去することができる。このように素子動作層30を含む結晶成長層18を基板から分離した後、電極形成及びダイシングして、電子デバイスや、LED、半導体レーザ等の発光素子を形成することができる。この場合、サファイア基板10から分離する前に結晶成長層側に支持体(UV剥離テープなど)を備えることで、電極形成やダイシング(例えば、ドライエッチングによるダイシングストリート形成なども含む)の工程におけるハンドリングを容易、確実に行うことができる。   Then, after such an element operation layer 30 is grown, the crystal growth layer 18 including the element operation layer 30 can be separated from the sapphire substrate 10 and removed. Thus, after separating the crystal growth layer 18 including the element operation layer 30 from the substrate, electrodes can be formed and diced to form an electronic device, a light emitting element such as an LED or a semiconductor laser. In this case, by providing a support (UV peeling tape or the like) on the crystal growth layer side before separation from the sapphire substrate 10, handling in the steps of electrode formation and dicing (including dicing street formation by dry etching, etc.) is performed. Can be easily and reliably performed.

また、サファイア基板から分離、除去した結晶成長層は、さらに結晶層を成長するための基板として用いることができる。   The crystal growth layer separated and removed from the sapphire substrate can be used as a substrate for further growing the crystal layer.

なお、サファイア基板から結晶成長層を分離、剥離した後に結晶成長層に残っているZrB2は、エッチング、研磨などにより除去することができる。 Note that ZrB 2 remaining in the crystal growth layer after separating and peeling the crystal growth layer from the sapphire substrate can be removed by etching, polishing, or the like.

なお、上記した実施例においては、サファイア基板上にバッファ層を介してGaN結晶を成長する場合について説明したが、これに限らない。GaN結晶に限らず、Gaの他にアルミニウム(Al),インジウム(In)等を含むGaN系化合物半導体を成長する場合についても同様に適用することができる。また、バッファ層の組成はAlNに限らず、Ga又はIn等を含むIII−V族化合物半導体バッファ層であってもよい。   In the above-described embodiments, the case where the GaN crystal is grown on the sapphire substrate via the buffer layer has been described. However, the present invention is not limited to this. The present invention is not limited to the GaN crystal, and can be similarly applied to the case of growing a GaN-based compound semiconductor containing aluminum (Al), indium (In), etc. in addition to Ga. The composition of the buffer layer is not limited to AlN, and may be a III-V group compound semiconductor buffer layer containing Ga or In.

また、コラム状結晶としてZrB2結晶を用いる場合について説明したが、例示に過ぎない。他の二硼化物(TiB2)などであってもよい。 Moreover, although the case where a ZrB 2 crystal is used as the columnar crystal has been described, this is merely an example. Other diboride (TiB 2 ) may be used.

さらに、上記した実施例においては、MOCVD法により結晶成長を行う場合を例に説明したが、ハイドライドVPE(H−VPE: Hydride Vapor Phase Epitaxy)法等の他の結晶成長法を適用することもできる。例えば、GaN結晶の成長にH−VPE法を適用してもよい。   Furthermore, in the above-described embodiments, the case where the crystal growth is performed by the MOCVD method has been described as an example, but other crystal growth methods such as a hydride VPE (H-VPE: Hydride Vapor Phase Epitaxy) method can also be applied. . For example, the H-VPE method may be applied to the growth of GaN crystals.

10 サファイア基板
11 コラム状結晶層
12A 開口
12 バッファ層
13 GaN結晶層
18 結晶成長層
22 SiO2
23 低温バッファ層
24 GaN結晶層
25 GaN結晶層
27 間隙
28 結晶成長層
30 素子動作層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Sapphire substrate 11 Columnar crystal layer 12A Opening 12 Buffer layer 13 GaN crystal layer 18 Crystal growth layer 22 SiO 2 layer 23 Low temperature buffer layer 24 GaN crystal layer 25 GaN crystal layer 27 Gap 28 Crystal growth layer 30 Element operation layer

Claims (15)

サファイア(Al23)基板上にGaN系化合物半導体を結晶成長する方法であって、
前記サファイア基板上にコラム状結晶層を成長する工程と、
前記コラム状結晶層上にバッファ層を成長する工程と、
前記バッファ層上にGaN系化合物結晶を成長する工程と、を有することを特徴とする方法。
A sapphire (Al 2 O 3) a method of crystal growing a GaN-based compound semiconductor on a substrate,
Growing a columnar crystal layer on the sapphire substrate;
Growing a buffer layer on the columnar crystal layer;
And growing a GaN-based compound crystal on the buffer layer.
前記バッファ層は島状成長状態又は網目状成長状態であるように形成されることを特徴とする請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the buffer layer is formed to have an island-like growth state or a mesh-like growth state. 前記コラム状結晶層は六方晶構造結晶層であることを特徴とする請求項1又は2に記載の方法。   The method according to claim 1, wherein the columnar crystal layer is a hexagonal crystal layer. 前記六方晶構造結晶層は、二ホウ化ジルコニウム(ZrB2)結晶層であることを特徴とする請求項1又は2に記載の方法。 The method according to claim 1, wherein the hexagonal crystal layer is a zirconium diboride (ZrB 2 ) crystal layer. 前記バッファ層は、窒化アルミニウム(AlN)系結晶層であることを特徴とする請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the buffer layer is an aluminum nitride (AlN) based crystal layer. 前記サファイア基板の結晶成長面は{0001}面であることを特徴とする請求項1に記載の方法。   The method according to claim 1, wherein the crystal growth surface of the sapphire substrate is a {0001} plane. 前記バッファ層を成長する工程は、前記コラム状結晶層を部分的に除去し、当該除去領域を選択成長用被覆材料で被覆する被覆工程と、前記コラム状結晶層の非除去領域上にバッファ層を成長する選択成長工程と、を含み、
前記GaN系化合物結晶を成長する工程は、横方向成長(ELO)によりGaN系化合物結晶を成長する横方向成長工程を含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。
The step of growing the buffer layer includes a step of partially removing the columnar crystal layer and covering the removed region with a selective growth coating material, and a buffer layer on the non-removed region of the columnar crystal layer. And a selective growth process for growing,
The method according to claim 1, wherein the step of growing the GaN-based compound crystal includes a lateral growth step of growing the GaN-based compound crystal by lateral growth (ELO).
サファイア基板上に形成されたコラム状結晶層と、
前記コラム状結晶層上にMOCVD法により成長されたバッファ層と、
前記バッファ層上に成長されたGaN系化合物結晶層と、からなることを特徴とする結晶成長層付き基板。
A columnar crystal layer formed on a sapphire substrate;
A buffer layer grown by MOCVD on the columnar crystal layer;
A substrate with a crystal growth layer, comprising: a GaN-based compound crystal layer grown on the buffer layer.
前記バッファ層は島状成長状態又は網目状成長状態であるように形成されていることを特徴とする請求項8に記載の結晶成長層付き基板。   9. The substrate with a crystal growth layer according to claim 8, wherein the buffer layer is formed so as to be in an island-like growth state or a network-like growth state. 前記コラム状結晶層は六方晶構造結晶層であることを特徴とする請求項8に記載の結晶成長層付き基板。   9. The substrate with a crystal growth layer according to claim 8, wherein the columnar crystal layer is a hexagonal crystal layer. 前記六方晶構造結晶層は、二ホウ化ジルコニウム(ZrB2)結晶層であることを特徴とする請求項8ないし10のいずれか1に記載の結晶成長層付き基板。 11. The substrate with a crystal growth layer according to claim 8, wherein the hexagonal crystal layer is a zirconium diboride (ZrB 2 ) crystal layer. 前記バッファ層は、窒化アルミニウム(AlN)系結晶層であることを特徴とする請求項8に記載の結晶成長層付き基板。   9. The substrate with a crystal growth layer according to claim 8, wherein the buffer layer is an aluminum nitride (AlN) based crystal layer. GaN系化合物結晶成長層の製造方法であって、
サファイア基板上にコラム状結晶層を成長する工程と、
前記コラム状結晶層上にバッファ層を成長する工程と、
前記バッファ層上にGaN系化合物結晶を成長する工程と、
前記GaN系化合物結晶層を成長する工程の後に、前記サファイア基板を除去する工程と、を有することを特徴とする製造方法。
A method for producing a GaN-based compound crystal growth layer,
Growing a columnar crystal layer on the sapphire substrate;
Growing a buffer layer on the columnar crystal layer;
Growing a GaN-based compound crystal on the buffer layer;
And a step of removing the sapphire substrate after the step of growing the GaN-based compound crystal layer.
前記バッファ層は、島状成長又は網目状成長バッファ層であることを特徴とする請求項14に記載の製造方法。   The manufacturing method according to claim 14, wherein the buffer layer is an island-like growth or a network-like growth buffer layer. 前記GaN系化合物結晶層を成長する工程は、GaN系結晶を成長し、前記GaN系結晶上に窒化物結晶層からなる素子動作層を成長する工程を含むことを特徴とする請求項14に記載の製造方法。   The step of growing the GaN-based compound crystal layer includes a step of growing a GaN-based crystal and growing an element operation layer made of a nitride crystal layer on the GaN-based crystal. Manufacturing method.
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