JP2013256440A - 窒化ガリウム基板の製造方法及び該製造方法により製造された窒化ガリウム基板 - Google Patents

窒化ガリウム基板の製造方法及び該製造方法により製造された窒化ガリウム基板 Download PDF

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Abstract

【課題】成長工程の途中でベース基板と窒化ガリウム基板との自己分離（ｓｅｌｆ−ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ）が可能であるため機械的分離工程を省くことができると共に、自己分離面積を増大させることができ、且つ、反りの発生を最小化することができる窒化ガリウム基板およびその製造方法を提供する。
【解決手段】ベース基板上にＡｌＮ核生成層を成長させる第１の段階Ｓ１と、前記ＡｌＮ核生成層を含む前記ベース基板上に窒素とガリウムとの含量比が４〜４０：１の割合からなる第１の窒化ガリウム膜を成長させる第２の段階Ｓ２、及び前記第１の窒化ガリウム膜上に窒素とガリウムとの含量比が１〜２：１の割合からなる第２の窒化ガリウム膜を成長させる第３の段階Ｓ３と、を含むことを特徴とする窒化ガリウム基板の製造方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、窒化ガリウム基板の製造方法及び該製造方法により製造された窒化ガリウム基板に係り、より詳しくは、成長工程の途中でベース基板と窒化ガリウム基板との自己分離（ｓｅｌｆ−ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ）が可能であるため機械的分離工程を省くことができると共に、自己分離面積を増大させることができ、且つ、反りの発生を最小化することができる窒化ガリウム基板の製造方法及び該製造方法により製造された窒化ガリウム基板に関する。
窒化ガリウムは、エネルギーバンドギャップ３．３９ｅＶの直接遷移型の半導体物質であって、短波長領域の発光素子の作製などに有用な物質である。ここで、窒化ガリウム単結晶は、融点における高い窒素蒸気圧のため、液相結晶成長のためには１５００℃以上の高温と２０，０００気圧の窒素雰囲気が要され、その結果、大量生産が困難であり、且つ、現状使用可能な結晶の大きさもまた、約１００ｍｍ２程度の薄板状であるため、液相結晶成長法にて窒化ガリウムを製造するには困難があった。
そのため、今までは異種基板上にＭＯＣＶＤ（ｍｅｔａｌ ｏｒｇａｎｉｃ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法またはＨＶＰＥ（ｈｙｄｒｉｄｅ ｖａｐｏｒ ｐｈａｓｅ ｅｐｉｔａｘｙ）法などの気相成長法にて窒化ガリウム膜または基板を成長させていた。このとき、ＭＯＣＶＤ法では高品質の膜が得られるものの、遅い成長速度のため、数十または数百μｍの窒化ガリウム基板を得るために用いるには不向きな方法である。このような理由から、窒化ガリウム薄膜を得るためには高速成長が可能なＨＶＰＥが主に用いられている。
一方、窒化ガリウム基板の製造に用いられるベース基板には、サファイア（ｓａｐｐｈｉｒｅ）基板が最も多用されているが、その理由は、サファイアが窒化ガリウムと同じ六方晶系構造を有し、且つ、安価であり、さらには高温で安定しているという性質を有するためである。しかしながら、サファイアは窒化ガリウムとの格子定数の差（約１６％）及び熱膨張係数の差（約３５％）により、その界面において歪み（ｓｔｒａｉｎ）が生じ、該歪みが結晶内部において格子欠陥、反り、及びクラックを生じさせることで高品質の窒化ガリウム基板の成長がなされ難くし、さらには、この窒化ガリウム基板上に作製された素子を短寿命化するようになる。また、窒化ガリウム分離工程では、窒化ガリウム成長のためのＡｌＮ核生成過程においてサファイア表面にホール（ｈｏｌｅ）が形成され、その結果、窒化ガリウムとサファイアとの界面にボイド（ｖｏｉｄ）が形成される。この場合、この界面に加えられる最大引張応力により、該界面から水平クラックが生じて伝播していき、この水平クラックがボイドを通る過程で垂直クラック成分を持つようになり、結局、図９に示すように、部分的な自己分離のみが発生してしまうという問題があった。ここで、図９の（ａ）は、サファイア基板上に窒化ガリウムを成長させた写真であり、水平クラックにより窒化ガリウムが自己分離したものの、垂直クラックも生じて窒化ガリウム膜が割れた状態を示している。また、図９の（ｂ）は、分離された窒化ガリウム膜とサファイア基板との断面を光学顕微鏡（ＯＭ）で撮影した写真であって、一部のサファイアが依然として窒化ガリウム膜に付着している状態を示している。そして、図９の（ｃ）は、（ａ）の断面を走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で撮影した写真であって、ボイドが窒化ガリウム膜とサファイア基板との間に形成されていることを示しており、これより、界面におけるクラックの向きが転換され、垂直クラックが生じていることを確認することができる。
本発明は、上述したような従来技術の問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、成長工程の途中でベース基板と窒化ガリウム基板との自己分離（ｓｅｌｆ−ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ）が可能であるため機械的分離工程を省くことができると共に、自己分離面積を増大させることができ、且つ、反りの発生を最小化することができる窒化ガリウム基板の製造方法及び該製造方法により製造された窒化ガリウム基板を提供することである。
このために、本発明は、ベース基板上にＡｌＮ核生成層を成長させる第１の段階と、前記ＡｌＮ核生成層を含む前記ベース基板上に窒素とガリウムとの含量比が第１の含量比からなる第１の窒化ガリウム膜を成長させる第２の段階、及び前記第１の窒化ガリウム膜上に窒素とガリウムとの含量比が前記第１の含量比よりも低い第２の含量比からなる第２の窒化ガリウム膜を成長させる第３の段階と、を含むことを特徴とする窒化ガリウム基板の製造方法を提供する。
好ましくは、前記第１の含量比は４〜４０：１であり、前記第２の含量比は１〜２：１である。
ここで、前記第２の段階では、前記第１の窒化ガリウム膜を１０〜５０μｍの厚さで成長させていてよい。
また、前記第３の段階では、前記第２の窒化ガリウム膜を前記第１の窒化ガリウム膜よりも相対的に高い温度で成長させていてよい。
このとき、前記第３の段階では、前記第２の窒化ガリウム膜を９７０℃以上の温度で成長させていてよい。
そして、前記第３の段階では、前記第２の窒化ガリウム膜を前記第１の窒化ガリウム膜よりも相対的に遅い成長速度で成長させていてよい。
さらには、前記第３の段階では、前記第２の窒化ガリウム膜を成長させる途中で前記第１の窒化ガリウム膜に水平クラックが発生しても、継続して前記第２の窒化ガリウム膜を成長させていてよい。
このとき、前記第３の段階では、前記第２の窒化ガリウム膜を５００μｍ以上の厚さで成長させていてよい。
また、前記第２の段階及び前記第３の段階では、ＨＶＰＥ工程により前記第１の窒化ガリウム膜及び前記第２の窒化ガリウム膜をそれぞれ成長させていてよい。
さらには、前記ベース基板としては、サファイア基板を用いてよい。
一方、本発明は、窒素とガリウムとの含量比が４〜４０：１の割合からなる第１の窒化ガリウム膜、及び前記第１の窒化ガリウム膜に積層され、前記第１の窒化ガリウム膜よりも相対的に厚膜で形成され、窒素とガリウムとの含量比が１〜２：１の割合からなる第２の窒化ガリウム膜を含むことを特徴とする窒化ガリウム基板を提供する。
本発明によれば、微細構造が異なる窒化ガリウム膜をベース基板に積層して、水平クラックが発生する位置を窒化ガリウム膜とベース基板との間の界面から遠くなるようにすることで、ボイドによる垂直クラックの発生を防止することができると共に、自己分離が可能であり、且つ、自己分離する面積を拡大することができる。
また、本発明によれば、レーザーによる分離などといった追加工程を行うことなくベース基板と窒化ガリウム膜とを自己分離させることで、歩留まりを増大させることができると共に、工程時間を短縮させることができ、且つ、コストを削減することができ、製品の価格競争力を確保することができる。
また、本発明によれば、一方では窒化ガリウム膜の成長が続き、他方ではベース基板と窒化ガリウム膜とが分離する構造により、ベース基板と窒化ガリウム膜間の熱膨張係数の差による、分離される窒化ガリウム膜、すなわち窒化ガリウム基板の反りまたはクラックの発生程度を最小化することができ、この結果、製造歩留まりを増大させることができると共に、高品質の窒化ガリウム基板の製造が可能になる。
本発明の実施例に係る窒化ガリウム基板の製造方法を示すフローチャートである。 本発明の実施例に係る窒化ガリウム基板の製造方法を工程順に示す工程図である。 本発明の実施例に係る窒化ガリウム基板の製造方法を工程順に示す工程図である。 本発明の実施例に係る窒化ガリウム基板の製造方法を工程順に示す工程図である。 本発明の実施例に係る窒化ガリウム基板の製造方法を工程順に示す工程図である。 本発明の実施例に係る窒化ガリウム基板の製造方法を工程順に示す工程図である。 本発明の実施例に係る窒化ガリウム基板の製造方法を工程順に示す工程図である。 本発明の実施例に係る窒化ガリウム基板の製造方法により製造された窒化ガリウム基板が自己分離した状態を示す写真図である。 従来技術に従い製造された窒化ガリウム基板を示す写真図である。
以下、添付の図面を参照して本発明の実施例に係る窒化ガリウム基板の製造方法について詳述する。
なお、本発明を説明するにあたって、関連公知機能あるいは構成についての具体的な説明が本発明の要旨を不要に曖昧にし得ると判断された場合、その詳細な説明は省略することにする。
図１に示すように、本発明の実施例に係る窒化ガリウム基板の製造方法は、発光素子や電子素子用基板に用いられる自立型窒化ガリウム基板（図７の１００）を製造するための方法であって、ＡｌＮ核生成層成長段階（Ｓ１）と、第１の窒化ガリウム膜成長段階（Ｓ２）、及び第２の窒化ガリウム膜成長段階（Ｓ３）と、を含む。
まず、図２に示すように、ＡｌＮ核生成層成長段階（Ｓ１）は、ベース基板１１０上にＡｌＮ核生成層１２０を成長させる段階である。この段階では、ＮＨ３ガスとＨＣｌガスを用いてベース基板１１０上に気相蒸着させる方式でＡｌＮ核生成層１２０を成長させることができる。このとき、ベース基板１１０にサファイア基板を用いることでＡｌソースガスは省略することができる。図示したように、このような気相蒸着にてベース基板１１０上にＡｌＮ核生成層１２０が成長され、このとき、成長されるＡｌＮ核生成層１２０は、ドット状をなすようになる。
次いで、図３に示すように、第１の窒化ガリウム膜成長段階（Ｓ２）は、ＡｌＮ核生成層１２０が形成されているベース基板１１０の上面に第１の窒化ガリウム膜１３０を成長させる段階である。この段階では、ＨＶＰＥ（ｈｙｄｒｉｄｅ ｖａｐｏｒ ｐｈａｓｅ ｅｐｉｔａｘｙ）法などの気相成長法にてベース基板１１０の上面に第１の窒化ガリウム膜１３０を成長させる。具体的に、成長炉内部にベース基板１１０を入れ、該成長炉内部にＧａＣｌガスとＮＨ３ガスを流し込み、熱を加えて前記ガスを気相蒸着させる。このとき、第１の窒化ガリウム膜１３０は、後続工程を通じて成長される第２の窒化ガリウム膜１４０よりも相対的に低い成長温度、例えば、９７０℃未満の温度下で成長させることが好ましく、第２の窒化ガリウム膜１４０を成長させる成長速度よりも相対的に高速で成長させることが好ましい。
また、第１の窒化ガリウム膜成長段階（Ｓ２）では、第１の窒化ガリウム膜１３０の成長のために加えられるガス中の窒素とガリウムとの含量比を４〜４０：１の割合で制御して第１の窒化ガリウム膜１３０を成長させる。このように、第１の窒化ガリウム膜１３０を構成する窒素とガリウムとの含量比を４〜４０：１の割合で制御すれば、第１の窒化ガリウム膜１３０内部にストレスを緩和させる複数のピット（ｐｉｔ）が形成される。このとき、第１の窒化ガリウム膜１３０内部に形成される、例えば、逆ピラミッド（ｉｎｖｅｒｔｅｄ ｐｙｒａｍｉｄ）状のピットは、前記したような含量比の制御により１ｃｍ２当たり１００個以上形成される。これは、後続工程を通じて成長される第２の窒化ガリウム膜１４０よりもピットの密度が高い構造であって、このようにして高密度のピットが形成された第１の窒化ガリウム膜１３０により、第２の窒化ガリウム膜１４０の成長工程の途中で窒化ガリウム基板（図７の１００）の自己分離が可能になる。すなわち、第１の窒化ガリウム膜１３０は、窒化ガリウム基板（図７の１００）の分離工程の分離境界膜として働くようになる。
そして、第１の窒化ガリウム膜１３０内部に窒素とガリウムとの含量比を制御してピットを形成することで、互いに化学組成が異なるベース基板１１０と第１の窒化ガリウム膜１３０との格子定数の差によるストレスに起因する水平クラックの発生位置をベース基板１１０と第１の窒化ガリウム膜１３０との界面から遠くなるようにすることができ、その結果、ドット状のＡｌＮ核生成層１２０により形成されていたボイドによって従来発生していた垂直クラックの発生を抑え、自己分離される面積を拡大することができる。
一方、第１の窒化ガリウム膜成長段階（Ｓ２）では、第１の窒化ガリウム膜１３０を１０〜５０μｍの厚さで成長させることが好ましい。これは、第１の窒化ガリウム膜１３０が１０μｍ未満の厚さで形成されると、第１の窒化ガリウム膜１３０内部に形成されるピットがベース基板１１０と第１の窒化ガリウム膜１３０との界面に近すぎてしまい、垂直クラックが発生する恐れがあるためであり、第１の窒化ガリウム膜１３０が５０μｍよりも厚く形成されると、水平クラックによる自己分離が生じない恐れがあるためである。
次いで、図４に示すように、第２の窒化ガリウム膜成長段階（Ｓ３）は、第１の窒化ガリウム膜１３０上に第２の窒化ガリウム膜１４０を成長させる段階である。この段階では、第１の窒化ガリウム膜１３０を成長させる方法と同様に、ＨＶＰＥ法などの気相成長法にて第１の窒化ガリウム膜１３０上に第２の窒化ガリウム膜１４０を成長させる。このとき、第２の窒化ガリウム膜１４０は、第１の窒化ガリウム膜１３０とは異なる微細構造、すなわち、第１の窒化ガリウム膜１３０とは異なり、優れた結晶性を持つ構造で成長される。このために、第２の窒化ガリウム膜１４０は、第１の窒化ガリウム膜１３０よりも相対的に高い成長温度、例えば、９７０℃以上の温度下で成長され、且つ、第１の窒化ガリウム膜１３０を成長させる成長速度よりも相対的に遅く成長される。
また、第２の窒化ガリウム膜成長段階（Ｓ３）では、第２の窒化ガリウム膜１４０の成長のために加えられるガスにおける窒素とガリウムとの含量比を１〜２：１の割合で制御して第２の窒化ガリウム膜１４０を成長させる。このように、第２の窒化ガリウム膜１４０をなす窒素とガリウムとの含量比を１〜２：１の割合で制御すると、第２の窒化ガリウム膜１４０は、第１の窒化ガリウム膜１３０に比べて優れた結晶性を示すようになる。このとき、第２の窒化ガリウム膜１４０内部に形成される、例えば、逆ピラミッド状のピットは、前記のような含量比の制御により１ｃｍ２当たり１００個未満で形成される。
一方、図５に示すように、第２の窒化ガリウム膜成長段階（Ｓ３）で第２の窒化ガリウム膜１４０を成長させると、第２の窒化ガリウム膜１４０が成長される途中で第１の窒化ガリウム膜１３０内部のピットにストレスに起因する水平クラック（図５の点線）が発生し、この水平クラック（図５の点線）は水平方向に伝播する。
図６に示すように、第２の窒化ガリウム膜成長段階（Ｓ３）では、第１の窒化ガリウム膜１３０内部に水平クラックが発生した後でも第２の窒化ガリウム膜１４０を継続して成長させる。例えば、第２の窒化ガリウム膜成長段階（Ｓ３）では、５００μｍ以上の厚さで第２の窒化ガリウム膜１４０を成長させることができる。このように、第１の窒化ガリウム膜１３０に水平クラックが発生した後でも第２の窒化ガリウム膜１４０を継続して成長させ、厚膜の第２の窒化ガリウム膜１４０を第１の窒化ガリウム膜１３０上に形成させると、第１の窒化ガリウム膜１３０と第２の窒化ガリウム膜１４０の反りを最小化することができるようになる。また、このように反りが最小化すると、結局、窒化ガリウム基板（図７の１００）の製造歩留まりを増大させることができ、且つ高品質の窒化ガリウム基板を製造することができるようになる。
また、図７に示すように、第２の窒化ガリウム膜１４０の成長が完了する前後において、第１の窒化ガリウム膜１３０に発生した水平クラックにより第１の窒化ガリウム膜１３０が自己分離する。これにより、分離された第１の窒化ガリウム膜１３０と第２の窒化ガリウム膜１４０との積層からなる窒化ガリウム基板１００の自己分離工程が完了する。このように、ベース基板１１０から窒化ガリウム基板１００を自己分離させると、歩留まりを増大させることができると共に、別途の機械的分離工程を省くことができ、且つ、工程時間を短縮することができ、究極的に、コストを削減することができ、製品の価格競争力を確保することができる。
図８は、本発明の実施例に係る窒化ガリウム基板の製造方法にて製造された窒化ガリウム基板を示す図であって、（ａ）は分離された窒化ガリウム基板とサファイア基板を示す写真であり、（ｂ）は分離されたサファイア基板の断面を走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で撮影した写真であり、（ｃ）は縁部の断面を光学顕微鏡で撮影した写真である。図８に示すように、縁部のみに窒化ガリウムとサファイアが付着しており、残りの領域には付着しておらず分離されたことが分かる。これを、図９の垂直クラックが発生した窒化ガリウム基板と比べてみると、本発明の実施例に係る製造方法にて窒化ガリウム基板を製造した場合の方が、分離面積がより増大していることを確認することができる。
一方、窒化ガリウム基板１００が分離された後のベース基板１１０は、別の窒化ガリウム基板の成長及び分離工程に再使用することができる。
以上、本発明を限定された実施例や図面に基づいて説明したが、本発明は前記実施例に限定されるものではなく、本発明の属する分野における通常の知識を有する者ならば、このような記載から種々の修正及び変形が可能である。
よって、本発明の範囲は説明された実施例に局限されて決められてはならず、特許請求の範囲だけでなく、特許請求の範囲と均等なものなどによって決められるべきである。
１００ 窒化ガリウム基板
１１０ ベース基板
１２０ ＡｌＮ核生成層
１３０ 第１の窒化ガリウム膜
１４０ 第２の窒化ガリウム膜

Claims (11)

  1. ベース基板上にＡｌＮ核生成層を成長させる第１の段階と、
    前記ＡｌＮ核生成層を含む前記ベース基板上に窒素とガリウムとの含量比が第１の含量比からなる第１の窒化ガリウム膜を成長させる第２の段階、及び
    前記第１の窒化ガリウム膜上に窒素とガリウムとの含量比が前記第１の含量比よりも低い第２の含量比からなる第２の窒化ガリウム膜を成長させる第３の段階と、
    を含むことを特徴とする窒化ガリウム基板の製造方法。
  2. 前記第１の含量比は４〜４０：１であり、前記第２の含量比は１〜２：１であることを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム基板の製造方法。
  3. 前記第３の段階では、前記第２の窒化ガリウム膜を前記第１の窒化ガリウム膜よりも相対的に遅い成長速度で成長させることを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム基板の製造方法。
  4. 前記第３の段階では、前記第２の窒化ガリウム膜を前記第１の窒化ガリウム膜よりも相対的に高い温度で成長させることを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム基板の製造方法。
  5. 前記第３の段階では、前記第２の窒化ガリウム膜を９７０℃以上の温度で成長させることを特徴とする請求項４に記載の窒化ガリウム基板の製造方法。
  6. 前記第２の段階では、前記第１の窒化ガリウム膜を１０〜５０μｍの厚さで成長させることを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム基板の製造方法。
  7. 前記第３の段階では、前記第２の窒化ガリウム膜を成長させる途中で前記第１の窒化ガリウム膜に水平クラックが発生しても、継続して前記第２の窒化ガリウム膜を成長させることを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム基板の製造方法。
  8. 前記第３の段階では、前記第２の窒化ガリウム膜を５００μｍ以上の厚さで成長させることを特徴とする請求項７に記載の窒化ガリウム基板の製造方法。
  9. 前記第２の段階及び前記第３の段階では、ＨＶＰＥ工程により前記第１の窒化ガリウム膜及び前記第２の窒化ガリウム膜をそれぞれ成長させることを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム基板の製造方法。
  10. 前記ベース基板としては、サファイア基板を用いることを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム基板の製造方法。
  11. 窒素とガリウムとの含量比が４〜４０：１の割合からなる第１の窒化ガリウム膜、及び
    前記第１の窒化ガリウム膜に積層され、前記第１の窒化ガリウム膜よりも相対的に厚膜で形成され、窒素とガリウムとの含量比が１〜２：１の割合からなる第２の窒化ガリウム膜、
    を含むことを特徴とする窒化ガリウム基板。
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