JP2011032113A

JP2011032113A - 窒化物半導体自立基板の製造方法

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Publication number: JP2011032113A
Application number: JP2009177785A
Authority: JP
Inventors: Keizo Yasutomi; 敬三安富; Minoru Kawahara; 実川原
Original assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority date: 2009-07-30
Filing date: 2009-07-30
Publication date: 2011-02-17
Anticipated expiration: 2029-07-30
Also published as: JP5233894B2

Abstract

【課題】基材上にエピタキシャル成長させた窒化物半導体層を剥離する窒化物半導体自立基板の製造において、成長させた窒化物半導体層を簡易な方法で容易に剥離させることができ、欠陥の少ない高品質の窒化物半導体自立基板を製造することができる方法を提供する。
【解決手段】好ましくは４００μｍ以上の厚さを有し、少なくとも、表面に凹凸１１を形成した、サファイア、Ｓｉ、ＳｉＣのいずれかを材質とする基材１０を準備し、前記基材１０の凹凸１１が形成された表面上に窒化物半導体層１２を前記基材厚以上の厚さでエピタキシャル成長させた後、前記基材１０から剥離させることにより窒化物半導体自立基板１３を製造する。
【選択図】図１

Description

本発明は、基材上に窒化物半導体層をエピタキシャル成長させてから剥離することにより窒化物半導体自立基板を製造する方法に関する。

窒化物半導体材料は、禁制帯幅が充分大きく、バンド間遷移も直接遷移型であるため、短波長発光素子への適用が盛んに検討されている。また、電子の飽和ドリフト速度が大きいこと、ヘテロ接合による２次元キャリアガスの利用が可能なこと等から、電子素子への応用も期待されている。

これらの素子を構成する窒化物半導体層は、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）、分子線気相成長法（ＭＢＥ）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）等の気相成長法を用いて基材上にエピタキシャル成長を行うことにより得られる。ところが、この窒化物半導体層と格子定数の整合する基材が存在しないため、良質の成長層を得ることが困難であり、得られる窒化物半導体層中には多くの結晶欠陥が含まれていた。この結晶欠陥は、素子特性の向上を阻害する要因となることから、これまで、窒化物半導体層中の結晶欠陥を低減する検討が盛んに行われてきた。

結晶欠陥の比較的少ないＩＩＩ族元素窒化物系結晶を得るための方法として、サファイア等の異種材質の基材上に低温堆積緩衝層（バッファ層）を形成し、その上にエピタキシャル成長層を形成する方法が知られている。この低温堆積緩衝層を用いた結晶成長法では、まず、サファイア等の基材上にＡｌＮまたはＧａＮを５００℃付近で堆積し、アモルファス状の膜ないし一部多結晶を含む連続膜を形成する。これを１０００℃付近に昇温することで一部を蒸発させ、また結晶化することで、密度の高い結晶核を形成する。これを成長の核として比較的結晶性のよいＧａＮ膜が得られる。しかしながら、低温堆積緩衝層を形成する方法を用いても、貫通転位や空孔パイプなどの結晶欠陥が相当程度存在し、現在望まれているような高性能の素子を得るには不充分であった。

そこで、結晶成長用の基板としてＧａＮ基板を用い、この上に素子部を構成する半導体多層膜を形成する手法が盛んに検討されている。以下、こうした結晶成長用のＧａＮ基板を、ＧａＮ自立基板と称する。
ＧａＮ自立基板を得るための手法として、ＥＬＯ（ＥｐｉｔａｘｉａｌＬａｔｅｒａｌＯｖｅｒｇｒｏｗｔｈ）技術が知られている。ＥＬＯとは、基材となる下地基板にストライプ状開口部を有するマスクを形成し、開口部からラテラル成長させることにより転位の少ないＧａＮ層を得る技術である。特許文献１では、このＥＬＯ技術を用いてサファイア基板上にＧａＮ層を形成した後、サファイア基板をエッチング等により除去し、自立ＧａＮ基板を得ることが提案されている。

また、ＥＬＯの手法をさらに発展させた手法としてＦＩＥＬＯ（Ｆａｃｅｔ−ＩｎｉｔｉａｔｅｄＥｐｉｔａｘｉａｌＬａｔｅｒａｌＯｖｅｒｇｒｏｗｔｈ）技術（非特許文献１参照）が開発されている。この技術は、酸化シリコンマスクを用いて選択成長を行う点でＥＬＯと共通するが、その際、マスク開口部にファセットを形成する点で相違している。ファセットを形成することにより、転位の伝搬方向を変え、エピタキシャル成長層の上部に至る貫通転位を低減するものである。この方法を用いることにより、たとえばサファイア等の基材上に厚膜のＧａＮ層を成長させ、その後基材を除去することにより、結晶欠陥の比較的少ない良質の自立ＧａＮ基板を得ることができる。

しかし、上記方法ではサファイア基板上にバッファ層材料ならびにＧａＮ系材料を結晶成長させ、いったん成長炉から取り出し溝加工を施し、その後再び結晶成長を行うというステップが必要となることから、製造プロセスが複雑化してコストがかかるという問題があった。更に、マスク上にＧａＮ層を成長することに起因する種々の問題が生じていた。
そこで、特許文献２及び特許文献３では、基材の結晶成長面を凹凸面とし、気相成長法により該凹凸面における凸部の上方部から専ら結晶成長させることで前記凹凸面が半導体結晶で覆われると共に、この半導体結晶層と前記凹凸面における凹部との間に空洞部を具備する積層体を作製し、前記空洞部分において半導体結晶と基材とを分離するという手法が提案された。この手法は、マスク上の選択成長というプロセスを回避してＧａＮ自立基板を得ることができる点でより優れた方法だと言える。

特開平１１−２５１２５３号公報特許２００１−１６８０４２号公報特許２０００−１０６４５５号公報

Ａ．Ｕｓｕｉｅｔａｌ．，Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．３６（１９９７）ｐｐ．Ｌ．８９９−Ｌ．９０２

しかし、上述の凹凸面を形成した基材を用いる手法でも、基板とＧａＮ層を分離するためには研磨等の工程が必要であり、製造プロセスが複雑化することによるコストアップや研磨工程中等にＧａＮ自立基板が割れる等の問題が発生していた。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、基材上にエピタキシャル成長させた窒化物半導体層を剥離する窒化物半導体自立基板の製造において、成長させた窒化物半導体層を簡易な方法で容易に剥離させることができ、欠陥の少ない高品質の窒化物半導体自立基板を製造することができる方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、窒化物半導体自立基板を製造する方法であって、少なくとも、表面に凹凸を形成した基材を準備して、該準備した基材の凹凸が形成された表面上に窒化物半導体層を前記基材厚以上の厚さでエピタキシャル成長させて、該成長させた窒化物半導体層を前記基材から剥離させることにより窒化物半導体自立基板を製造することを特徴とする窒化物半導体自立基板の製造方法を提供する。

このように、表面が凹凸加工された基材上に窒化物半導体層をエピタキシャル成長させることで、基材と層の間には機械的強度が低い界面が形成される。その窒化物半導体層を基材厚以上の厚さまでエピタキシャル成長させることで、窒化物半導体層側が支配的な大きな応力を基材との界面に発生させることができるため容易に剥離が生じる。また、剥離が容易に生じるため、基材の研磨等による除去を行う必要が無く、基材を再利用することも可能となり、コストも低くすることができる。
従って、本発明の製造方法によれば、基材上にエピタキシャル成長させた窒化物半導体層を簡易な方法で良好に剥離させることができるため、高品質な窒化物半導体自立基板を低コストで製造することができる。

このとき、前記基材の凹凸が形成された表面上に、前記基材厚以上の厚さの前記窒化物半導体層を、ＭＯＶＰＥ法でエピタキシャル成長させた後にＨＶＰＥ法でエピタキシャル成長させることが好ましい。
このように、窒化物半導体層を、まずＭＯＶＰＥ法により低温で結晶性良くエピタキシャル成長させて、その上にＨＶＰＥ法により効率的に厚くエピタキシャル成長させることで、結晶性良く効率的に厚い窒化物半導体層を成長させることができ、さらには、ＨＶＰＥ法によるエピタキシャル成長時の高温で熱膨張率の違いによる界面での応力を大きくできるため窒化物半導体層がより確実に自然剥離する。

このとき、前記窒化物半導体層を、ＧａＮの層とすることが好ましい。
このように、成長させる窒化物半導体層をＧａＮの層とすることで、剥離後はＧａＮの自立基板を製造することができるため、安価で高品質なＧａＮ自立基板を得ることができる。

このとき、前記窒化物半導体層を、ＩｎＧａＮの層を含む複層構造とすることが好ましい。
このように、熱に弱いＩｎＧａＮの層を剥離層として基材上に形成することで、より確実に自然剥離させることができる。

前記凹凸を、ストライプ状又は格子状に形成することが好ましい。
上記のいずれかの形状の凹凸であれば、形成が容易であり、剥離も面内均一に生じる。

前記窒化物半導体層を、厚さ４５０μｍ以上でエピタキシャル成長させることが好ましい。
このように、窒化物半導体層の厚さが４５０μｍ以上であれば、基材との界面には十分な応力がかかり、より容易に剥離が生じる。また、剥離後の自立基板としても十分な厚さとすることができる。

前記基材厚を、４００μｍ以上とすることが好ましい。
このように、基材厚が４００μｍ以上であれば、凹凸を形成しても基材の強度が十分であり、さらに基材と窒化物半導体層との界面に応力が集中して剥離がより生じやすくなる。

前記基材の材質を、サファイア、Ｓｉ、ＳｉＣのいずれかとすることができる。
このように、本発明の製造方法に用いる基材の材質としては上記いずれも用いることができる。

以上のように、本発明の製造方法によれば、基材上にエピタキシャル成長させた窒化物半導体層を簡易な方法で良好に剥離させることができるため、高品質な窒化物半導体自立基板を低コストで製造することができる。

本発明の窒化物半導体自立基板の製造方法の実施態様の一例を示すフロー図である。本発明の窒化物半導体自立基板の製造方法に用いる基材に形成される凹凸のパターンの例を示す概略図である。実施例１で製造したＧａＮ自立基板をＰＬ測定した結果を示すグラフである。

従来では、凹凸を形成した基材上に、窒化物半導体層を形成して剥離する場合に、成長後に凹凸の凹部に空洞が形成されるように、凹部のみにマスクを予め形成する等の必要があった。しかし、この場合には、凹部のみにマスクを形成するという複雑な工程が必要となるため製造コストが高くなり、また、窒化物半導体層を基材から分離するためには、やはり基材の研磨等による除去が必要であった。

このような問題に対し、本発明者らが鋭意検討した結果、表面に凹凸を形成した基材上に窒化物半導体層を形成する際に、基材厚以上の厚さの窒化物半導体層を形成することで、基材との界面に窒化物半導体層側が支配的となる大きな応力を発生させることができるため、凹部に明確な空洞が形成されていなくても多結晶や破砕層等の機械的強度の弱い領域が形成されていれば、剥離を実現することが可能となることを見出して、本発明を完成させた。

以下、本発明の窒化物半導体自立基板の製造方法について、実施態様の一例として、図を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
図１は、本発明の窒化物半導体自立基板の製造方法の実施態様の一例を示すフロー図である。図２は、本発明の窒化物半導体自立基板の製造方法に用いる基材に形成される凹凸のパターンの例を示す概略図である。

本発明では、図１（ａ）に示すように、まず基材１０を準備する。
この基材１０の材質としては、特に限定されず、サファイア、Ｓｉ、ＳｉＣのいずれかとすることができる。

また、この準備する基材１０の厚さを４００μｍ以上とすることが好ましい。
本発明の製造方法において用いる基材には凹凸が形成され、また厚い窒化物半導体層を形成するため、強度等の観点から基材は厚い方が好ましい。本発明者らが基材の厚さについて、基材及び窒化物半導体層の熱膨張率や強度等から検討した結果、基材の厚さが４００μｍ以上であれば、基材厚以上の層を成長させても、基材の強度が十分であり、さらに基材と窒化物半導体層との界面に応力が集中して剥離がより生じやすくなることを見出した。

次に、図１（ｂ）に示すように、基材１０の表面に凹凸１１を形成する。
凹凸１１は、例えばドライエッチング等で形成することができる。また、凹凸１１の形状は特に限定されず、図２（ａ）、（ｂ）のようなストライプ状や、図２（ｃ）のような格子状に形成することができる。図２（ａ）に示すストライプ状の凹凸１１は、例えば深さ１μｍ、凹部及び凸部の幅１μｍで形成することができ、図２（ｂ）に示すストライプ状の凹凸１１は、例えば深さ１μｍ、凹部の幅１μｍ、凸部の幅０．５μｍで形成することができる。また、図２（ｃ）に示す格子状の凹凸１１は、例えば深さ１μｍ、凹部及び凸部の幅１μｍで形成することができる。このように、凹凸１１の深さ、凹部の幅、及び凸部の幅を、それぞれ０．１〜５μｍの範囲で形成することで良好な剥離が生じる。また、凸部の面積を基板の面積の５０％以下とすることで、窒化物半導体層との界面の機械的強度がより弱くなり、さらに良好に剥離する。
また、凹凸１１の断面形状としても、上記に限定されず、凹部をさらに深くしたり、凸部の側面をテーパーにして台形状にしたり、凸部の角に丸みを持たせることで、後に形成される窒化物半導体層と基材との界面の機械的強度をより低下させて、良好な剥離を生じさせることができる。
上記のいずれかの形状の凹凸であれば、形成が容易であり、剥離も面内均一に生じる。

次に、図１（ｃ）に示すように、基材１０の凹凸１１が形成された表面上に、窒化物半導体層１２をＭＯＶＰＥ法で、例えば、５００〜６００℃程度の低温でバッファ層としてエピタキシャル成長させた後に、温度を１０００〜１１００℃に上げて成長させることが好ましい。
このように、ＭＯＶＰＥ法であれば、比較的低温で窒化物半導体層をエピタキシャル成長させることができるため、異種材質の基材上でも結晶性良く成長させることができる。
この際、本発明の製造方法では、基材の凹部に窒化物半導体層が形成されて、基材との界面に空洞が無くてもよい。

次に、図１（ｄ）に示すように、窒化物半導体層１２をＨＶＰＥ法でエピタキシャル成長させることが好ましく、これにより、窒化物半導体層１２の厚さを基材１０の厚さ以上に成長させる。
このように、表面が凹凸加工された基材上に窒化物半導体層をエピタキシャル成長させることで、基材と層の間には応力が集中して機械的強度が低い界面が形成される。その窒化物半導体層を基材厚以上の厚さまでエピタキシャル成長させることで、窒化物半導体層側が支配的な大きな応力を基材との界面に発生させることができる。また、ＨＶＰＥ法で窒化物半導体層を成長させれば、効率的に厚い層を成長させることができ、さらには、高温で成長させるため、熱膨張率の異なる基材とエピタキシャル層との界面に生じる応力をより大きくすることができるため剥離もより生じやすくなる。

また、窒化物半導体層１２を厚さ４５０μｍ以上でエピタキシャル成長させることが好ましく、８００μｍ以上でエピタキシャル成長させることがより好ましい。
このように、上記の窒化物半導体層の厚さであれば、基材との界面には十分な応力が生じて、より容易に剥離させることができる。

また、本発明の製造方法により成長させる窒化物半導体層を、ＧａＮの層とすることが好ましい。
このように、本発明の製造方法において、成長させる窒化物半導体層をＧａＮの層とすることで、剥離後はＧａＮの自立基板を製造することができるため、安価で高品質なＧａＮ自立基板を得ることができる。

また、本発明の製造方法により成長させる窒化物半導体層１２を、ＩｎＧａＮの層を含む複層構造とすることが好ましい。
例えば、基材上にまずＭＯＶＰＥ法でＩｎＧａＮの層を成長させてから、その上にＨＶＰＥ法でＧａＮ層を成長させれば、熱に弱いＩｎＧａＮの層が高温での処理中に分解が進み、基材との界面での機械的強度がより一層低下して剥離層として機能するため、より良好な剥離が生じる。

次に、図１（ｅ）に示すように、基材１０から窒化物半導体層１２を剥離させることにより窒化物半導体自立基板１３を製造する。
このように、本発明の製造方法であれば、基材の機械的強度が弱い凹凸面と、基材厚以上に厚い窒化物半導体層との界面に応力が十分に生じるため、自然剥離が生じて、結晶性良く窒化物半導体自立基板を効率的かつ低コストで製造することができる。また、本発明の製造方法において、仮に自然剥離が生じなくとも、その後の処理で容易に剥離させることが可能である。また、剥離が良好に生じるため基材の研磨等による除去の必要が無く、用いた基材も再利用可能で、製造コストをより低くすることができる。

なお、製造条件としては上記に限定されず、ＧａＮ層を成長させて剥離する場合には基材の凹部にＧａ液滴が形成されるように成長させることで、基材と層との界面での機械的強度をより低下させることができるため剥離の助長に有効である。

以下、実施例及び比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（実施例１、比較例１）
まず、結晶成長面に深さ１μｍ、凹部の幅１μｍ、凸部の幅１μｍのストライプ状の凹凸の加工処理を施した４５０μｍ厚のサファイア基板を準備した。

次に、上記準備したサファイア基板を、ＭＯＶＰＥ成長装置内に配置し、ＴＭＧａ、ＮＨ_３を原料に用いてＭＯＶＰＥ法により基板上に５００〜６００℃程度の低温でＧａＮバッファ層を成長させた後、成長温度を１０００〜１１００℃に上げてＧａＮ膜を２μｍ成長させた。次に、このウェーハを洗浄した後、ＨＶＰＥ装置内に配置して、ＧａＮ厚膜を成長させた。ＨＶＰＥ装置中ではＩＩＩ族元素のハロゲン化物であるＧａＣｌとＮＨ_３を原料として１００μｍ／ｈ程度の高速でＧａＮ厚膜を成長させた。
上記の方法で、ＧａＮ層の厚さ（ＧａＮバッファ層＋ＧａＮ膜＋ＧａＮ厚膜）を１００〜８００μｍの範囲で変更してそれぞれ成長させた。
成長させたＧａＮ層が自然剥離した場合を剥離成功として、それぞれのＧａＮ層の厚さでの剥離成功率を求めた。剥離成功率が１〜９０％の場合は△、９０％より高い場合は○、１％より低い場合には×として表１に示す。

（実施例２、比較例２）
実施例１、比較例１と同様に、ただし、基材として用いるサファイア基板の厚さを２００μｍとした。
上記と同様に、剥離成功率が１〜９０％の場合は△、９０％より高い場合は○、１％より低い場合には×として表２に示す。

表１、２から分かるように、いずれの場合にも、サファイア基板の厚さ以上の厚さでＧａＮ層を成長させた場合には自然剥離が生じている。また、基板厚４５０μｍの場合には、基板厚２００μｍの場合に比べて自然剥離の発生率が高かった。特に、厚さ４５０μｍの基板上にＧａＮ層を８００μｍ以上の厚さで成長させた場合には、ほぼ１００％で自然剥離が生じた。一方、サファイア基板の厚さより薄くＧａＮ層を成長させた場合には、いずれの場合でも自然剥離はほとんど発生しなかった。
また、基板厚以上の厚さで成長させたＧａＮ層の場合（実施例１、２）は、自然剥離しなかったものについても機械的に容易に剥離することができた。

また、実施例１において厚さ４５０μｍのサファイア基板上に８００μｍの厚さのＧａＮ層を成長させて剥離することにより製造したＧａＮ自立基板を、結晶評価のためにＰＬ（フォトルミネッセンス）測定を行った。測定結果を図３に示す。
図３に示すように、イエロールミネッセンスは弱く、バンド端付近でシングルピークの発光が得られているため、欠陥の少ない良質なＧａＮ単結晶が得られたことが分かる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

１０…基材、１１…凹凸、１２…窒化物半導体層、
１３…窒化物半導体自立基板。

Claims

窒化物半導体自立基板を製造する方法であって、少なくとも、表面に凹凸を形成した基材を準備して、該準備した基材の凹凸が形成された表面上に窒化物半導体層を前記基材厚以上の厚さでエピタキシャル成長させて、該成長させた窒化物半導体層を前記基材から剥離させることにより窒化物半導体自立基板を製造することを特徴とする窒化物半導体自立基板の製造方法。
前記基材の凹凸が形成された表面上に、前記基材厚以上の厚さの前記窒化物半導体層を、ＭＯＶＰＥ法でエピタキシャル成長させた後にＨＶＰＥ法でエピタキシャル成長させることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体自立基板の製造方法。
前記窒化物半導体層を、ＧａＮの層とすることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の窒化物半導体自立基板の製造方法。
前記窒化物半導体層を、ＩｎＧａＮの層を含む複層構造とすることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の窒化物半導体自立基板の製造方法。
前記凹凸を、ストライプ状又は格子状に形成することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の窒化物半導体自立基板の製造方法。
前記窒化物半導体層を、厚さ４５０μｍ以上でエピタキシャル成長させることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の窒化物半導体自立基板の製造方法。
前記基材厚を、４００μｍ以上とすることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の窒化物半導体自立基板の製造方法。
前記基材の材質を、サファイア、Ｓｉ、ＳｉＣのいずれかとすることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の窒化物半導体自立基板の製造方法。