JP2011211046A

JP2011211046A - 窒化物半導体自立基板

Info

Publication number: JP2011211046A
Application number: JP2010078675A
Authority: JP
Inventors: Toshiya Saito; 俊也齊藤
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2010-03-30
Filing date: 2010-03-30
Publication date: 2011-10-20

Abstract

【課題】基板上に成長したエピタキシャル成長層およびそれを用いたデバイス作製における歩留まりを向上させるために必要な外形形状を持つ窒化物半導体自立基板を提供する。
【解決手段】窒化物半導体からなる自立した単結晶基板を形成し、その単結晶基板を裏面から研磨して所定の厚さに形成する窒化物半導体自立基板において、単結晶基板の外周面に、その基板の表面側から角度θが７０°以上〜１３０°以下となる傾斜面が形成されているものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、青色、緑色、紫外発光ダイオードおよびレーザーダイオード、あるいは、電子デバイスなどの結晶成長に用いられる窒化物半導体自立基板に関するものである。

窒化物半導体は、青、緑および紫外発光デバイス材料として、また、高出力用途の電子デバイス材料として注目されている。

従来デバイス応用が報告されている窒化物半導体は、そのほとんど全てが、例えばサファイアや４Ｈ−ＳｉＣなどの異種基板上に、低温ＧａＮ、ＡｌＮバッファや高温ＡｌＮバッファを介して窒化物半導体を成長することで実現されている。しかしながら、これらの異種基板上に窒化物半導体を成長した場合には、異種基板と窒化物半導体層の間の格子定数の違いや、熱膨張率の違いにより、窒化物半導体層には高密度の転位が導入される。窒化物半導体中の転位は、非発光再結合中心や、不純物の拡散経路として働くため、このような高密度の転位を持った窒化物半導体を用いて作製した発光デバイスや電子デバイスでは、所望の特性が得られない、あるいは特性の劣化が早いといった問題が生じる。

窒化物半導体からなる自立した単結晶基板を用いた場合には、上記のような格子不整合や熱膨張係数の不整合に起因する問題を回避することができ、実際に窒化物半導体からなる青紫色レーザーダイオード（ＬＤ）や青色ＬＤなどが、ＧａＮ自立基板を用いて実用化されている。

ＧａＮ自立基板を直径２インチ以上の大口径化させる場合、基板の強度を保つために３００μｍ以上の基板厚さを持つことが望ましい。しかしながら、ＧａＮ基板上にＬＤ構造の薄膜エピタキシャル層を形成し、ＬＤデバイス構造を完成させるためには、放熱特性が保たれるよう、全体で１００μｍ程度の全体厚にすることが望ましい。このため、ＬＤ構造の薄膜エピタキシャル層を形成した後に、ＧａＮ自立基板裏面側より削り、薄くすることが必要となる。

ＹｕｉｃｈｉＯＳＨＩＭＡｅｔａｌ．ＪａｐａｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓＶｏｌ．４２（２００３）ｐｐ．Ｌ１−Ｌ３

しかしながら、ＧａＮ結晶は硬く、クラックが入りやすいという特徴を持つため、上記の裏面側から基板を削る工程において、クラックが発生し、歩留まりを落としてしまうという問題がある。

たとえば非特許文献１では、Ｃ面を表面とするサファイア基板上のＧａＮ薄膜表面にＴｉを蒸着し、これを熱処理することでＧａＮのボイド構造を形成し、その上にＨＶＰＥ法によりＣ面を表面とするＧａＮを数１００μｍの厚さで成長し、上記のボイド部分よりサファイア基板を剥離する方法（Ｖｏｉｄ−ＡｓｓｉｓｔｅｄＳｅｐａｒａｔｉｏｎ、ＶＡＳ法）が開示されている。この結晶成長の工程においては、図６に示すように、厚さ数１００μｍのＧａＮ結晶４０の外周面４１は、微視的に見ると凸凹しており、平坦（平滑）となっていない。この外形のままでは、１００μｍ程度の厚さまで研磨した場合に、研磨用の治具から結晶にかかる大きなストレスにより、外周面４１の凸凹を起点としてクラックが入ってしまう。

そこで本発明は、基板上に成長したエピタキシャル成長層およびそれを用いたデバイス作製における歩留まりを向上させるために必要な外形形状を持つ窒化物半導体自立基板を提供することを目的とする。

上記目的を達成すべく請求項１の発明は、窒化物半導体からなる自立した単結晶基板を形成し、その単結晶基板を裏面から研磨して所定の厚さに形成する窒化物半導体自立基板において、前記単結晶基板の外周面に、その基板の表面側から角度が７０°以上〜１３０°以下となる傾斜面が形成されていることを特徴とする窒化物半導体自立基板である。

請求項２の発明は、前記傾斜面が、結晶厚さ方向で、基板表面側から７０μｍ以上〜１５０μｍ以下の距離の部分の、少なくとも５０μｍ以上の範囲で存在す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である。

請求項３の発明は、前記窒化物半導体がＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮのいずれかであることを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化物半導体自立基板である。

本発明により、基板上に成長したエピタキシャル成長層およびそれを用いたデバイス歩留まりを向上させるために必要な外形形状を持つ窒化物半導体自立基板を提供可能となる。

本発明における基板傾斜面の基板表面とのなす角度θを説明する図であり、（ａ）はθ＞９０°、（ｂ）はθ＜９０°のときの断面図である。本発明で用いたＧａＮ自立基板作製方法を説明する図である。本発明で使用した外形加工機の概要を説明する図である。実施例１のＧａＮ自立基板傾斜面の角度と歩留まりの関係を示す図である。本発明の一実施の形態に係る断面図である。ＶＡＳ法で得られたＧａＮ結晶の外周面の凸凹を示す図である。

以下、本発明の好適な一実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。

本発明者は、裏面側から基板を削る工程において、クラックが発生し、歩留まりを落としてしまうという課題に対して鋭意検討を行った結果、窒化物半導体結晶を成長後、外形形状を平滑化させ、その平滑部の表面研磨面との角度θを制御することにより、１００μｍ程度の薄膜化プロセスにおけるクラック歩留まりを低減させることを見出した。

すなわち、厚さ約４００μｍに表面・裏面を研磨された単結晶基板（例えばＧａＮ自立基板）を用い、まず、図１（ａ）に示すように、表面１０からＤμｍの位置において、外周面１１の傾斜面１２がわずかに下向きになるような、表面１０側からの角度θが９０°以上になるもの（単結晶基板２５−２Ａ）、（ｂ）のように外周面１１の傾斜面１２がわずかに上向きになるような、表面１０側からの角度θが９０°以下になるもの（単結晶基板２５−２Ｂ）を作製した。次に、その作製した単結晶基板２５−２Ａ，Ｂを裏面１３側から約３００μｍ研磨して窒化物半導体自立基板２５−３Ａ，Ｂを形成する際のクラック発生度合いを調査した。その結果、θが７０°以上であることが歩留まり向上に寄与できることが判明した。

このような効果は、直径４０ｍｍから１００ｍｍ円形窒化物自立基板で、厚さが２００μｍから２ｍｍの基板の範囲で確かめられた。

以上の知見により得られた本発明の好ましい実施形態は、窒化物半導体からなる自立した単結晶基板を形成し、その単結晶基板を裏面から研磨して所定の厚さに形成する窒化物半導体自立基板において、表面が鏡面である単結晶基板の外周面に、その基板の表面側から角度が７０°以上〜１３０°以下となる傾斜面が形成されているものである。本窒化物半導体自立基板を構成する窒化物半導体としては、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮのいずれかであるのが好ましい。

また、窒化物半導体自立基板の傾斜面は、結晶厚さ方向で、基板表面側から７０μｍ以上〜１５０μｍ以下距離の部分の、少なくとも５０μｍ以上の範囲で存在することが望ましい。

この窒化物半導体自立基板の製造方法について、ここでは単結晶基板としてＧａＮ自立基板を用いて説明する。

ＧａＮ自立基板（単結晶基板）は、例えば、ＶＡＳ法により作製する。これは、図２（ａ）〜（ｃ）に示すように、（ａ）サファイア基板２１上にＭＯＶＰＥ法などで成長させたＧａＮ薄膜表面にＴｉを蒸着し（ＴｉＮナノネット２２）、これを熱処理することでＧａＮをボイド化してボイド２３を形成し、（ｂ）その上にＨＶＰＥ法によりＧａＮ厚膜２４を成長させ、（ｃ）ボイド２３部分よりサファイア基板２１を剥離してＧａＮ自立基板２５−１を得る、方法である。

ＨＶＰＥ法によるＧａＮの成長条件（温度、圧力、成長速度など）や、ＧａＮ結晶の原料となるＩＩＩ族原料ガス、Ｖ族原料ガス、またキャリアガスなどについては、従来より知られている最適なものを適宜選択する。

こうして得られたＧａＮ自立基板（単結晶基板）２５−１の表面・裏面を所定の厚さまで研磨しておく。

その後、図１で説明したように、表面・裏面を研磨したＧａＮ自立基板２５−１の表面と傾斜面のなす角度を７０°から１３０°としたＧａＮ自立基板２５−２Ａ，Ｂを形成すべく、基板外周面を外形加工機で研磨・加工する。

表面・裏面を所定の厚さまで研磨したＧａＮ自立基板２５−１の外周面を加工するための外形加工機について説明する。

外形加工機は、例えば、図３に示すように、回転軸３０をもつ砥石３１で構成される。図３では、砥石３１の回転軸３０は、紙面に対し鉛直方向に伸びている。砥石３１の回転軸３０は、ＧａＮ自立基板２５−１の表面・裏面を所定の厚さまで研磨して得られたＧａＮ自立基板２５−２の回転軸３２とは直角の関係になっており、砥石３１の回転軸３０が、ＧａＮ自立基板２５−２の外周面１１の形状に沿って（例えば矢印のように）動くので、外周面１１を任意の形状に加工できる。

この加工は、砥石３１を回転軸３０に沿って回転させるとともに、ＧａＮ自立基板２５−２を回転軸３２に沿って回転させながら、外周面１１に砥石３１を当接させることにより行う。

外形加工によって、外周面１１に表面１０側から角度θが７０°以上〜１３０°以下となる傾斜面１２を形成したＧａＮ自立基板２５−２Ａ，Ｂを得ることができる。

このＧａＮ自立基板２５−２Ａ，Ｂの裏面１３を所定の厚さ（例えば１００μｍ）まで研磨し、窒化物自立基板２５−３Ａ，Ｂを製造する。

本発明では、このように、ＧａＮ自立基板（単結晶基板）２５−２を研磨して薄膜化する前に、ＧａＮ自立基板（単結晶基板）２５−２の外周面１１を上述した角度に加工することで、裏面１３を所定の厚さまで研磨して窒化物半導体自立基板２５−３Ａ，Ｂを製造する際のクラック発生の度合いを低減でき、歩留まりを向上できる。

また、目標となる薄いデバイス厚さ（例えば１００μｍ）を実現したときの、窒化物半導体自立基板の裏面と傾斜面の角度が重要であるため、図５に示すように、表面１０からの距離が７０μｍ以上〜１５０μｍ以下の位置の少なくとも５０μｍの領域は平滑な傾斜面１２として加工されていることが望ましい。なお、説明のために、図５には、基板裏面１３から所定の厚さの窒化物半導体自立基板に研磨する直前のＧａＮ自立基板２５−２Ａを示した。

本発明は、ＨＶＰＥ装置を用いた場合にのみ限定されるものでは無く、同様の手法は、窒化物半導体層を有機金属気相成長法あるいは分子線エピタキシー法などの他の気相成長法で成長した窒化物半導体結晶に対しても有効である。

また、本発明は、気相成長法を用いた場合にのみ限定されるものでは無く、高圧合成法、Ｎａフラックス法、昇華法や安熱合成法といった閉鎖系での結晶成長法により、窒化物半導体層を成長した結晶にも有効である。

本発明の窒化物半導体自立基板は、ＬＥＤやＬＤなどの光デバイス、および、パワーアンプ、インバータ等の電子デバイスに適用できる。

本発明を以下の実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はそれらに限定
されるものではない。

（実施例１）
本実施例では、非特許文献１に記載のＶＡＳ法により、表面がＧａ極性のＣ面に近い面であるＧａＮ自立基板を製作した。Ｃ軸は、Ａ軸方向に、０〜１°の範囲で傾く基板を用いる。図２で説明したように、種結晶基板としては、サファイア基板上にＭＯＶＰＥ法などで成長した厚さ３００ｎｍ程度のＧａＮ薄膜表面にＴｉを蒸着し、これを熱処理することでＧａＮ層をボイド化する。その上に、ＨＶＰＥ法によりＧａＮ層を５００μｍ程度成長し、その後、ボイド部分よりサファイア基板を剥離してＧａＮの自立基板を得る。

ＨＶＰＥ法によるＧａＮ層の成長条件としては、例えば、基板温度１１００℃、常圧で、２００μｍ／ｈｒの成長速度でＧａＮ層を成長した。ＩＩＩ族原料としては、ＨＶＰＥ装置内で８００℃に加熱した金属ガリウムに塩酸を吹き付けて生成したＧａＣｌガスを用いた。また、Ｖ族原料ガスとしてはＮＨ₃ガスを用いた。また、キャリアガスとしては、水素、窒素の混合ガスを用いた。

本実施例においては、結晶成長後、厚さ４００μｍになるよう表面・裏面研磨した基板を用いて実験を行った。

本検討に用いる外形加工機は、図３で説明したのと同様のものである。基板外周面に対し、図３のように砥石が接し、基板外周面の形状を自由に設計できるようにした。実験は、図１に示したように、厚さ約４００μｍに表面・裏面を研磨されたＧａＮ自立基板を用い、図１（ａ）のように、表面からＤμｍ（７０μｍ以上〜１５０μｍ以下）の位置において、傾斜面がわずかに下向きになるような、角度θが９０°より大きくなるもの、図１（ｂ）のように角度θが９０°より小さくなるものを作製し、その基板を裏面側から約２５０〜３３０μｍ研磨し、そのときのクラック発生度合いを調査した。図１に示すように、（ａ）のような基板の場合、裏面研磨後の裏面と傾斜面とのなす角αは鈍角となり、（ｂ）のような基板の場合、裏面研磨後の裏面と傾斜面とのなす角βは鋭角となる。

その結果を図４に示す。図１に示したように、研磨後の厚さをＤとした場合、Ｄ＝７０μｍ、Ｄ＝１００μｍ、Ｄ＝１５０μｍとなるように研磨した場合のクラック発生歩留を評価した。サンプルは、θが５０°、６０°、７０°、８０°、９０°、１００°、１１０°、１２０°、１３０°となる基板を各２０枚準備した。

Ｄ＝７０μｍの場合、Ｄ＝１００μｍ、Ｄ＝１５０μｍに比べ、結晶強度が弱く、全体的に歩留まりが悪い傾向が見られる。θ依存性に注目すると、加工後の厚さがＤ＝７０，１００，１５０μｍのすべての場合において、６０°以下において歩留まり率の低下傾向が見られる。これは、裏面研磨後の裏面と傾斜面とのなす角が鋭角になってしまい、そこにチッピングが発生しやすくなり、それがクラック発生の原因となってしまうためと考えられる。

上記結果より、デバイス厚さ１００μｍ程度のレーザを作製する目的で、裏面側から薄膜加工する場合、薄膜加工後の裏面と傾斜面の基板表面との角度が鈍角となるような傾斜面となる窒化物自立基板を用いることが望ましく、その角度が鋭角となる場合でも、基板表面と傾斜面のなす角度が７０°以上が望ましいことが判明した。

また、目標となる薄いデバイス厚さを実現したときの、裏面と傾斜面の角度が重要であるため、表面からの距離が７０μｍ以上〜１５０μｍ以下の位置に少なくとも５０μｍの領域は平滑に加工されていることが望ましい。

（実施例２）
実施例１と同様の実験を、Ｃ面からＭ軸方向、およびそれと直角方向に０〜１°傾いた表面を持つ窒化物基板を用いて実験した。その結果、実施例１とほぼ同様の結果を得た。

（実施例３）
実施例１と同様の実験を、裏面研磨条件を変えて実施した。条件変更により、歩留まりの平均値は変わったが、６０°以下で歩留まり低下する傾向に関しては同様の結果が得られた。

（実施例４）
実施例１と同様の実験を、窒化物半導体の成長厚さ、および研磨厚さを変更し、裏面研磨前の結晶厚さが２００μｍ以上〜２ｍｍ以下となる窒化物自立基板を作製して行った。

この場合にも、得られた結果は実施例１とほぼ同様であった。

（実施例５）
実施例１と同様の実験を、直径４０ｍｍ以上〜直径１００ｍｍ以下の形状の窒化物半導体自立基板に対して行った。この結果、実施例１とほぼ同様の結果を得た。

（実施例６）
実施例１−５と同様の実験を、ＨＶＰＥ法により成長する窒化物半導体を、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮとして行った。その結果、実施例１−５とほぼ同様の結果を得た。

１０表面
１１外周面
１２傾斜面
１３裏面
２５−１単結晶基板（表裏面研磨前）
２５−２単結晶基板（表裏面研磨後）
２５−３Ａ，Ｂ窒化物半導体自立基板

Claims

窒化物半導体からなる自立した単結晶基板を形成し、その単結晶基板を裏面から研磨して所定の厚さに形成する窒化物半導体自立基板において、前記単結晶基板の外周面に、その基板の表面側から角度が７０°以上〜１３０°以下となる傾斜面が形成されていることを特徴とする窒化物半導体自立基板。
前記傾斜面が、結晶厚さ方向で、基板表面側から７０μｍ以上〜１５０μｍ以下距離の部分の、少なくとも５０μｍ以上の範囲で存在す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。
前記窒化物半導体がＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮのいずれかであることを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化物半導体自立基板。