JP2013151388A - 窒化物半導体基板の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】窒化物半導体と異なる材料からなる異種基板表面に複数の凹部を形成する第1工程、隣接する前記凹部間の上に、ラテラル成長により窒化物半導体層を成長させ、前記凹部の底面と前記窒化物半導体層との間に空隙を形成する第2工程及び、前記窒化物半導体層から、前記異種基板を除去する第3工程を有することを特徴とする窒化物半導体基板の製造方法であって、前記複数の各凹部A、B、Cが、平面形状が略正三角形の複数の枠体11によって包囲して形成される。
【選択図】図1
Description
しかし、異種基板上に成長された窒化物半導体層には、両者の格子定数の差異、熱膨張率などに起因して、転位欠陥が発生する。
そのため、転位欠陥の少ない窒化物半導体基板(バルク単結晶層)を得るための方法が種々検討されている。
しかし、格子定数及び熱膨張率等の異なる異種基板上に成長させた窒化物半導体層は、成長後の降温時等に応力が加わって、窒化物半導体層内にクラックが発生しやすいという問題がある。
例えば、成長時のシード層を部分的に浸食処理により残留させて浸食残骸部とし、成長後の内部応力や外部応力が、集中的に浸食残骸部に作用するようにして破断させることで、異種基板を取り除く方法が提案されている(例えば、特許文献1〜3)。
また、特許文献3に記載されている方法は、ストライプの深さが25μmと深いが、ストライプ幅及びその周期に対応する、横方向成長により低転位化可能な領域の幅及びエピタキシャル成長時に結晶の欠陥を引き継ぐと考えられる領域の幅とを考慮すると、後者が幅広であるため、結果的には、結晶欠陥が発生する面積が、エピタキシャル層が形成する全面積に対して、依然として相当な割合を占めており、得られる窒化物半導体基板における結晶欠陥の低減には、やはり至っていない。
[1]窒化物半導体と異なる材料からなる異種基板表面に複数の凹部を形成する第1工程、
隣接する前記凹部間の上に、ラテラル成長により窒化物半導体層を成長させ、前記凹部の底面と前記窒化物半導体層との間に空隙を形成する第2工程及び
前記窒化物半導体層から、前記異種基板を除去する第3工程を有することを特徴とする窒化物半導体基板の製造方法。
[2]前記異種基板が結晶基板であり、前記凹部の底面又は側面を、C面、R面、A面及びM面のいずれかの面を傾斜させた面とする[1]に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
[3]前記異種基板をサファイア基板とし、前記凹部の底面又は側面を、M面を傾斜させた面とする[1]又は[2]に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
[4]前記凹部間の上面の面積を、前記異種基板の全表面の面積の50%以下とする[1]〜[3]のいずれかに記載の窒化物半導体基板の製造方法。
[5]前記凹部の深さを、2〜50μmの範囲とする[1]〜[4]のいずれかに記載の窒化物半導体基板の製造方法。
[6]前記複数の凹部を、平面形状において、互いに相似な2種以上の凹部として形成する[1]〜[5]のいずれかに記載の窒化物半導体基板の製造方法。
[7]前記複数の凹部を、平面形状が略正三角形の複数の枠体によって包囲して形成する[1]〜[6]のいずれかに窒化物半導体基板の製造方法。
[8]前記複数の枠体を、その頂点のみを隣接する枠体と共有するように規則的に配置して構成する[7]に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
[9]前記複数の枠体を、該複数の略正三角形の三つの頂点を該正三角形の中心からそれぞれ同一方向に向けて配置し、かつ、隣接する略正三角形の枠体を頂点のみで接触させて構成する[7]に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
本発明の窒化物半導体基板の製造方法では、まず、窒化物半導体と異なる材料からなる異種基板表面に複数の凹部を形成する。
ここで用いられる基板としては、窒化物半導体と異なる材料からなり、窒化物半導体を成長させることが可能な基板であれば特に限定されず、例えば、結晶基板であることが好ましい。具体的には、C面、R面、A面及びM面のいずれかを主面(凹部を形成する表面)とするサファイア、シリコン、SiC又はGaAs、ZnS、ZnO等が挙げられる。なかでも、サファイア基板が好ましい。なお、基板には10°以下(例えば、0.1°〜1°)のオフ角が形成されていてもよい。
例えば、意図する窒化物半導体層の表面が(001)面のGaNである場合、異種基板として用いるサファイア基板の主面は(0001)面を有することが好ましい。また、意図する窒化物半導体層の表面の結晶面に応じて、それに適した異種基板及び異種基板の主面の結晶面を選択することができる。例えば、サファイア基板を用いる場合、凹部を形成する表面は(0001)面、(11−20)面、(1−100)面等のいずれかが挙げられる。
具体的には、図3(A)に示すように、異種基板1上に、CVD法等により酸化シリコン等の絶縁膜2(例えば、0.1〜5μm程度、好ましくは0.3〜2μm程度)を成膜し、この上にレジスト3を塗布し、このレジスト3に所定形状のパターンを露光する。その後、現像処理を行ってレジスト3を所定のパターン形状に形成する(図3(B)参照)。このレジストパターンを用いて、絶縁膜2を、例えば、バッファードフッ酸等を用いたウェットエッチング又はRIE法によるドライエッチングなどのエッチング処理に付してパターニングする(図3(C)参照)。さらに、このパターニングされた絶縁膜2をマスクとして用いて、異種基板1をエッチングすることにより、複数の凹部を形成することができる(図3(D)参照)。
複数の凹部は、規則的に配置することが好ましい。規則的に配置するとは、複数の凹部を縦、横、斜め方向等に周期的に配置する、互いに接触するように隣接して配置するなどが挙げられる。
複数の凹部は、周期的又は隣接して配置する場合のいずれにおいても、例えば、平面形状が多角形等、特に略正三角形の複数の枠体によって包囲して形成することが好ましい。ここでの枠体とは、多角形、例えば略正三角形の内周と外周とを有する枠体であることが好ましい。
複数の凹部が枠体によって形成される場合、特に、複数の凹部は隣接して配置されることが好ましい。ここでの隣接とは、枠体の一辺が互いに接触するように配置してもよいし、枠体の頂点が接触するように配置していてもよい。
そして、枠体によって包囲された正三角形の各凹部A、B、Cは、それらの中心から枠体の各頂点が同一方向、つまり、頂点a1、b1、c1が同一方向、頂点a2、b2、c2が同一方向、頂点a3、b3、c3が同一方向に向けて配置しており、複数の正三角形の各辺(特に、外周の縁が直線状に配列するように配置されている。
従って、このような複数の凹部の配置においては、互いに相似形状の2種の凹部が複数規則的に配置されたものとなる。つまり、図2のWとQとで表されたように、全てが、同一又は互いに相似である形状を有している。このような互いに相似の凹部形状は、例えば、枠体の太さを考慮して、そのサイズを調整することができ、例えば、大小の互いに相似である凹部は、150〜50%の間で大きさ(面積)を異ならせることが好ましい。
なお、枠体は、凸状によって形成されていることが好ましく、その側面は、垂直であってもよく(この場合は、C面以外の面が好ましい)、内側に凹又は外側に凸の放物線状であってもよいが、例えば、異種基板の種類等によって、C面、R面、A面又はM面(特に、M面)のいずれかを傾斜させた面であることが好ましい。つまり、C面、R面、A面又はM面とは異なる面が露出することが好ましい。また、内側に凹状とする場合には、その底面を上述した面のいずれかを傾斜させた面であることがより好ましい。このような傾斜面を設けることにより、単結晶C面へのGaN成長をしにくくすることができる。つまり、傾斜面を設けることが、空隙を形成させ易くするための一要因と考えられる。
また、枠体を構成する凸部は、少なくともその一部の側面が、異種基板がサファイア基板の場合、サファイアの結晶面に沿って配置されることが好ましい。特に枠体が正三角形形状に形成される場合には、その一辺における一側面は、M面であることが好ましい。
次いで、隣接する凹部間の上に、ラテラル成長により窒化物半導体層を成長させる。
窒化物半導体層は、式InxAlyGa1-x-yN(0≦x、0≦y、0≦x+y≦1)で表される窒化物半導体からなる層を意味する。その組成は、これに加えて、III族元素としてBを一部に有してもよいし、V族元素としてNの一部をP、Asで置換したものであってもよい。また、この窒化物半導体層はi型として成長させることが好ましいが、例えば、n型不純物として、Si、Ge、Sn、S、O、Ti、Zr、CdなどのIV族元素、あるいはVI族元素等のいずれか1以上を含有していてもよい。
ここでの窒化物半導体層とは、単結晶、多結晶、これらが混在した結晶状態、アモルファス層等のいずれでもよいが、凹部間の上面に接触する部位から、成長が進んで、アモルファス状態から単結晶状態の層とすることが好ましく、特に、窒化物半導体層の異種基板側とは反対側の表面で単結晶構造層とすることがより好ましい。
従って、凹部間の上に成長させる窒化物半導体層は、凹部間の上面に直接ラテラル成長させることのみならず、例えば、いわゆる下地層又はバッファ層、中間層、ファセット層等を経て、ラテラル層が、凹部間であって、その凹部間の上面の上方において成長させることができればよい。
ここで、「ラテラル成長」又は「ラテラル層」とは、異種基板表面に対して、±数十°以内の傾斜角度(好ましくは、±数°以内、より好ましくは略0°)で窒化物半導体層が成長すること又は成長した層を意味し、後述するバッファ層、中間層、ファセット層等の成長を含める場合がある。また、ファセット層とは、異種基板表面に対して、45±数°の傾斜角度(好ましくは、略45°)で窒化物半導体層が成長した層を意味する。
本発明においては、異種基板表面の複数の隣接する凹部間の上に形成する窒化物半導体結晶層は、単層でもよいが、積層層として形成することが好ましい。例えば、上述したような、バッファ層、中間層、ファセット層、ラテラル層等のような、組成が同じ又は異なる積層層とすることが好ましい。
ファセット成長層の成長方法は、上述した窒化物半導体層の成長方法と同様の方法が挙げられる。
このファセット成長では、凹部間上面にのみ形成された下地層及び/又は中間層の上面が成長核として窒化物半導体層が成長することとなるため、この上面の中央を頂点とするファセット成長により成長させることができる。ここでファセット成長とは、当初の又は本来の窒化物半導体層の成長方向(例えば、異種基板の凹部形成前の上面に対して垂直方向)とは異なる方向に成長することを意味する。例えば、異種基板の凹部上面がC面であれば、C面とは異なる面、好ましくは(11−22)面で窒化物半導体層を成長させることである。
このような成長は、原料ガスの流量、成長温度等を制御することにより実現することができる。
この窒化物半導体層12bによるファセット成長層の成長を続けることにより、窒化物半導体がファセット方向から横方向へと移行してラテラル成長し、ファセット成長面が徐々に平坦な面へと変化する。この際、図4(C)に示すように、異種基板に形成された凹部内では窒化物半導体層の成長が制御され、凹部内に窒化物半導体層が埋め込まれない。
このようなラテラル成長による窒化物半導体層12cは、例えば、20〜100μm程度、30〜70μm程度、30〜50μm程度の厚みで成長させることが好ましい。
なお、上述したように、ラテラル成長による窒化物半導体層の厚みは、厳密に異種基板表面に対して略0°で結晶成長する層のみならず、いわゆるバッファ層、中間層、ファセット層、ラテラル層等を含む厚みを意味する。
ここでの窒化物半導体層の成長方法は、上述した窒化物半導体層の成長方法と同様の方法が挙げられる。
この窒化物半導体層は、上述したように、貫通転位が存在するとしても、所定の領域に集中させることができ、全体としては、実質的に貫通転位が極めて少ない層を得ることができる。ここでの貫通転位が極めて少ない領域では、例えば、転位密度を1×10−7個/cm2程度以下に抑えることができる。
この窒化物半導体層は、500〜2000μm程度、500〜1000μm程度の厚みで成長させることが好ましい。
上述のように得られた窒化物半導体層は、実質的に凹部間の上面のみで接触していたことに起因して、外部からの小さな応力を負荷することにより、容易に異種基板との間で剥離させることができ、異種基板を除去することができる。
この場合の剥離/除去方法は、例えば、結晶成長装置内にて、サファイア異種基板と窒化物半導体層とを放冷することにより、熱膨張率等の差を利用して、剥離させることができる。つまり、高温にて窒化物半導体の結晶を成長させた際、格子定数等の結晶構造がほぼ似た状態になっていると考えられるが、室温まで基板を放冷することにより、異種基板と窒化物半導体層との格子定数等が、室温での本来の状態に戻り、その差異が顕著に発現して分離すると考えられる。特に、上述した他凹部を形成し、その部位に空隙を効果的に配置することにより、異種基板と窒化物半導体結晶との接触面積を低減させることが可能となり、自然剥離をより促進させることができる。
これにより、フリースタンディングの窒化物半導体基板を得ることができる。
ただし、上述した応力の負荷に代えてまたは応力の負荷とともに、異種基板の除去のために、当該分野で公知の方法を利用してもよい。例えば、研磨、エッチング、レーザ照射等を利用することができる。
実施例1
(第1工程)
まず、C面を主面とし、オリフラ面をA面とするサファイアからなる異種基板1を準備した。
次いで、図3(A)に示すように、サファイア異種基板1上に、CVD装置を用いて、膜厚0.7μmでSiO2膜2を成膜し、その上にレジスト3を塗布した。このレジスト3に、ステッパにより、マスクパターンを露光した。その後、レジスト3の現像処理を行い、図3(B)に示すように、レジスト3によるマスクパターンを形成した。
残留したSiO2膜2を除去することにより、図2(D)及び図1に示すように、サファイア基板1上に、凹部W、Qを有するパターン10を形成した。
全ての正三角形の枠体11は、図1に示すように、3つの頂点(例えば、凹部Aでは頂点a1〜a3、凹部Bでは頂点b1〜b3、凹部Cでは頂点c1〜c3)が、各正三角形の中心から、それぞれ同じ方向に向いて配置している。
そして、このパターン10では、互いに隣接する3つの正三角形の枠体11は、頂点Pのみで点接触し、このような形態で、規則的に一様に配置している。
複数の凹部を有するサファイア異種基板1上に、窒化物半導体層を成長させた。
まず、このサファイア異種基板1上に、MOCVD装置を用いて、500℃にて、キャリアガスとして水素、原料ガスとして、NH3を8slm、TMG(トリメチルガリウム)を30sccmで供給しながら、760torrにて、0.1μm程度の膜厚のGaNによる下地(バッファ)層となる窒化物半導体層12aを成長させた(図4(A)参照)。
次に、上記と同様に、950℃にて、NH3を5.2slm、TMGを30sccmで供給しながら、ファセット成長層として、GaNからなる窒化物半導体層12bを、760torrにて、10μm程度の膜厚で成長させた(図4(B)参照)。
引き続き、1012℃にて、HClを160sccm、NH3を2slmで供給しながら、830μm程度の膜厚のGaNによる窒化物半導体層12dを成長させた(図4(C)参照)。
ここで吸収係数は、分光光度計にて、透過率と反射率とを測定し、計算により得られた吸収率とサンプルの厚みから算出することができる。
図3(C)に示したSiO2膜の膜厚を0.3μm程度とし、図3(D)に示したサファイア異種基板1のエッチング深さを4μm程度とした以外、実施例1と同様に窒化物半導体基板を製造した。
その結果、実質的に実施例1と同様の効果が得られる。
図3(C)に示したSiO2膜のパターニングをウェットエッチングによって行った以外、実施例2と同様に窒化物半導体基板を製造した。
その結果、実質的に実施例1と同様の効果が得られる。
図4(A)及び図4(B)に示した窒化物半導体層12a及び窒化物半導体層12bを、いずれもHVPE法により成膜した以外、実施例1と同様に窒化物半導体基板を製造した。
その結果、実質的に実施例1と同様の効果が得られる。
10 パターン
11 枠体
12a〜12d 窒化物半導体層
13 空隙
Claims (9)
- 窒化物半導体と異なる材料からなる異種基板表面に複数の凹部を形成する第1工程、
隣接する前記凹部間の上に、ラテラル成長により窒化物半導体層を成長させ、前記凹部の底面と前記窒化物半導体層との間に空隙を形成する第2工程及び
前記窒化物半導体層から、前記異種基板を除去する第3工程を有することを特徴とする窒化物半導体基板の製造方法。 - 前記異種基板が結晶基板であり、前記凹部の底面又は側面を、C面、R面、A面及びM面のいずれかの面を傾斜させた面とする請求項1に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
- 前記異種基板をサファイア基板とし、前記凹部の底面又は側面を、M面を傾斜させた面とする請求項1又は2に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
- 前記凹部間の上面の面積を、前記異種基板の全表面の面積の50%以下とする請求項1〜3のいずれか1つに記載の窒化物半導体基板の製造方法。
- 前記凹部の深さを、2〜50μmの範囲とする請求項1〜4のいずれか1つに記載の窒化物半導体基板の製造方法。
- 前記複数の凹部を、平面形状において、互いに相似な2種以上の凹部として形成する請求項1〜5のいずれか1つに記載の窒化物半導体基板の製造方法。
- 前記複数の凹部を、平面形状が略正三角形の複数の枠体によって包囲して形成する請求項1〜6のいずれか1つに記載の窒化物半導体基板の製造方法。
- 前記複数の枠体を、その頂点のみを隣接する枠体と共有するように規則的に配置して構成する請求項7に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
- 前記複数の枠体を、該複数の略正三角形の三つの頂点を該正三角形の中心からそれぞれ同一方向に向けて配置し、かつ、隣接する略正三角形の枠体を頂点のみで接触させて構成する請求項7に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
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