JP2015032797A - 窒化物半導体装置とその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】発熱による特性の劣化を抑制し、窒化物半導体層あるいは窒化物半導体素子の基板への転写において、高接着性、高熱伝導率、高耐熱性を有する転写基板への接着を実現する窒化物半導体装置とその製造方法を提供すること。
【解決手段】転写基板１０１上に、Ｉｎ層１０２、ＢＮ層１０３を有し、その上にＧａＮ層１０４、ＡｌＧａＩｎＮ層１０５が順に積層されたＡｌＧａＩｎＮ／ＧａＮヘテロ構造を有している。さらにＡｌＧａＩｎＮ層１０５上にソース電極Ｓ、ゲート電極Ｇ、ドレイン電極Ｄが形成され、窒化物半導体ヘテロ構造電界効果トランジスタ（ＨＦＥＴ）を構成している。転写基板１０１と窒化物半導体ＨＦＥＴとを接着するためにＩｎ層１０２を利用しているが、Ｉｎの替わりに、例えばＡｕやＡｇ等を使用することもできる。
【選択図】図１

Description

本発明は、転写基板に接着された窒化物半導体装置の製造方法とその製造方法に関する。

現在、シリコンやガリウム砒素などの半導体が多くのデバイス用の材料として使われている。一方で窒化物半導体材料は、０．８−６．２ｅＶと幅広いバンドギャップを有することが予測されている。そのため、赤外から深紫外までの幅広い波長域での発光デバイスおよび受光デバイス等への応用が可能である。加えて、窒化物半導体は、高い絶縁破壊電圧、高い飽和電子速度を有しているため高耐圧・高出力の電子デバイスとしての応用が可能である。以上のように、窒化物半導体の幅広いバンドギャップを活用することで、さまざまな分野での応用が期待できる。

窒化物半導体素子は、異種材料の基板上に結晶成長することが多い。例えば、サファイア、炭化ケイ素、シリコン等が基板として用いられる。そのため、これらの基板により窒化物半導体素子の特性が制限される場合がある。

例えば、サファイア基板は、熱伝導率が窒化物半導体に比べ低いため、サファイア基板上に作製した電子デバイスは、発熱により出力特性が劣化する。シリコン基板は、半絶縁性でないため電子デバイスの高周波特性を得ることが困難である。

また、サファイア基板は半絶縁性であるため、ダイオードや縦型トランジスタの作製の際、基板の裏面から電極を形成し導通することができない。炭化ケイ素やシリコンは、導電性基板が存在するが核形成層として半絶縁のＡｌＮ層を形成する必要があるため、同様に基板の裏面から電極を形成し導通することが困難である。

上記のような基板による窒化物半導体素子の特性の制限を解消する手段の１つとして、他の望ましい基板に転写する技術がある。熱伝導率が高い基板、あるいは金属等目的に応じて適した基板へ転写することで窒化物半導体素子の特性向上が期待できる。

近年、層状物質である窒化ホウ素を基板と窒化物半導体層の間に挿入することで、容易に窒化物半導体層を剥離する技術が提案されている（非特許文献１参照）。

図３に、従来の窒化物半導体素子の構造を示す。転写基板３０１上に、ＢＮ（窒化ホウ素）層３０２を有し、その上に、ＧａＮ（窒化ガリウム）層３０３、ＡｌＧａＩｎＮ層３０４が順に積層されたＡｌＧａＩｎＮ／ＧａＮヘテロ構造を有している。さらにＡｌＧａＩｎＮ層３０４上にソース電極Ｓ、ゲート電極Ｇ、ドレイン電極Ｄが形成され、窒化物半導体ヘテロ構造電界効果トランジスタ（ＨＦＥＴ）を構成している。

この図３に示す窒化物半導体素子は、非特許文献１の技術を用い、ＢＮ剥離層においてＨＦＥＴを成長基板から剥離し、ＢＮ層が積層された転写基板３０１に接着して作製することができる。その他にも、基板のエッチング、レーザーアブレーション等の剥離技術が存在する。これらの、基板剥離技術を用いることで、他基板への転写が容易となりつつある。

窒化物半導体素子あるいは窒化物半導体層の基板の転写のためには、成長基板からの剥離後に転写基板に接着する必要がある。接着のために接着剤を用いた場合、接着剤には、高接着性、高熱伝導率、高耐熱性といった特性を有することが要求される。接着力が低いと、デバイス動作中に転写基板からの剥離が生じるため、実用に耐えることができない。また、熱伝導率の高い基板に転写しても、接着剤の熱伝導率が低ければ、そこがボトルネックとなってデバイスを効果的に冷却することができなくなる。また、高出力動作では、デバイスが高い温度で発熱するため、耐熱性が十分であることがデバイスの安定動作には必要である。

Y. Kobayashi et al., "Layered boron nitride as a release layer for mechanical transfer of GaN-based devices," Nature, 12 April, 2012, Vol. 484, p.223-227

しかしながら、窒化物半導体の製造において、上記全要件を満たす接着剤及び接着法が確立されていないという課題があった。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、発熱による特性の劣化を抑制し、窒化物半導体層あるいは窒化物半導体素子の基板への転写において、高接着性、高熱伝導率、高耐熱性を有する転写基板への接着を実現する窒化物半導体装置とその製造方法を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明は、窒化物半導体装置の製造方法であって、成長基板上に堆積された窒化物半導体層構造あるいは窒化物半導体素子の表面側を固定具に固定する工程と、前記窒化物半導体層構造あるいは窒化物半導体素子を前記成長基板から剥離する工程と、剥離した前記窒化物半導体層構造あるいは窒化物半導体素子と転写基板とを熱圧着により接合する工程と、を有することを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１記載の窒化物半導体装置の製造方法において、前記熱圧着により接合する工程は、前記窒化物半導体層構造あるいは窒化物半導体素子の剥離された面および転写基板の表面に金属をコーティングする工程を含み、前記熱圧着により接合する工程は、前記窒化物半導体層構造あるいは窒化物半導体素子と前記転写基板とを前記金属がコーティングされた面同士を密着させ、熱圧着により接合することを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の窒化物半導体装置の製造方法において、前記金属をコーティングする工程は、剥離した前記窒化物半導体層構造あるいは窒化物半導体素子の剥離された面および転写基板の表面に、電気メッキ法あるいは蒸着法を使用して金属をコーティングすることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項２又は３に記載の窒化物半導体装置の製造方法において、前記金属が、Ｉｎ、Ａｕ及びＡｇのいずれかであることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、窒化物半導体素子構造であって、基板と、前記基板上に積層された金属層と、前記金属層上に積層された、前記基板とは異なる成長基板上に成長可能な窒化物半導体層構造あるいは窒化物半導体素子と、を有することを特徴とする。

本発明の窒化物半導体構造を用いることで、高出力動作時の発熱を抑制することが可能となる。その結果、高出力特性を向上させることができる。

また、本発明は窒化物半導体層あるいは窒化物半導体素子の基板の転写をより容易に行うことが可能となるという効果を持つ。また、高接着性、高熱伝導率、高耐熱性を有する転写基板への接着を実現することで、基板転写による窒化物半導体電子デバイスの特性向上を実現するという効果を持つ。

本発明の一実施形態に係る窒化物半導体素子の構造を示す図である。 本発明の一実施形態に係る窒化物半導体素子の製造工程を示す図である。 従来の窒化物半導体素子の構造を示す図である。

材料のなかでは、金属材料に高熱伝導かつ高耐熱性（高融点）を満たすものが多い。さらに接着法を工夫することで高い接着力を得ることが可能である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

図１に、本発明の一実施形態に係る窒化物半導体素子の構造を示す。転写基板１０１上に、Ｉｎ層１０２、ＢＮ層１０３を有し、その上にＧａＮ層１０４、ＡｌＧａＩｎＮ層１０５が順に積層されたＡｌＧａＩｎＮ／ＧａＮヘテロ構造を有している。さらにＡｌＧａＩｎＮ層１０５上にソース電極Ｓ、ゲート電極Ｇ、ドレイン電極Ｄが形成され、窒化物半導体ヘテロ構造電界効果トランジスタ（ＨＦＥＴ）を構成している。

本発明では、転写基板１０１と窒化物半導体ＨＦＥＴとを接着するためにＩｎ層１０２を利用しているが、Ｉｎの替わりに、例えばＡｕやＡｇ等を使用することもできる。

図２に、本発明の一実施形態に係る窒化物半導体素子の製造工程を示す。

（１）窒化物半導体ＨＦＥＴの作製
成長基板２０１上に、ＡｌＮ核形成層２０２、ＢＮ層２０３を成長させ、その上にＧａＮ層２０４、ＡｌＧａＩｎＮ層２０５が順に積層されたＡｌＧａＩｎＮ／ＧａＮヘテロ構造を順に成長させる。さらに、ドライエッチングプロセスによりメサを形成し、フォトリソグラフィ、ＥＢ蒸着とリフトオフによりソース電極Ｓ、ゲート電極Ｇ、ドレイン電極Ｄを形成する工程を経て窒化物半導体ＨＦＥＴを作製する（図２（ａ））。

（２）成長基板の剥離
作製した窒化物半導体ＨＦＥＴの電極を含むＡｌＧａＩｎＮ層２０５の表面を、接着剤２０６で固定板２０７等に固定した後（図２（ｂ））、成長基板２０１に力学的な力を加えて、ＢＮ層２０３から剥離する（図２（ｃ））。

（３）裏面の金属コーティング
ＢＮ層２０３の剥離された面に電気メッキによりＩｎをコーティングし、Ｉｎコーティング層２０８を形成する。また、転写基板である銅板２０９表面にもＩｎを同様にコーティングしてＩｎコーティング層２０８を形成する（図２ｄ）。

（４）転写基板の接着
ＢＮ層２０３側のＩｎコーティング層２０８と銅板２０９側のＩｎコーティング層２０８とが密着するように銅板２０９の上に窒化物半導体ＨＦＥＴを置き、おもしで押し付けてから融点以上で、融点近傍の温度、Ｉｎの場合は１８０℃程度に加熱して熱圧着により、窒化物半導体ＨＦＥＴを転写基板である銅板２０９に接着する（図２ｅ）。

（５）固定板からの取り外し
窒化物半導体ＨＦＥＴが銅板２０９に接着された後、固定板２０７を窒化物半導体ＨＦＥＴから取り外す（図２ｆ）。

なお、ここでは窒化物半導体ＨＦＥＴの場合について説明したが、窒化物半導体ＨＦＥＴに替えて、発光ダイオード、バイポーラトランジスタ、ショットキーダイオード等、他の素子としても、本発明の効果に何ら影響はない。また、層構造もＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ構造以外の構造としても、本発明の効果に何ら影響はない。基板の剥離のため、層状ＢＮ層が挿入されているが、他の剥離技術を用いるのであれば、ＢＮ層の挿入は本発明にとって必須ではない。

また、成長基板を剥離する際の窒化物半導体ＨＦＥＴの固定方法は、他のいかなる方法を取ろうとも本発明の効果には何ら影響はない。また、電極を形成後に窒化物半導体ＨＦＥＴを固定板に固定したが、電極の形成は転写基板への接着後等に行なってもよい。

また、本実施例では、電気メッキによりＩｎをコーティングしたが、電気メッキ以外の手法をとっても本発明の効果に何ら影響はない。さらに、金属材料もＩｎ以外であっても、熱伝導率がサファイア基板の熱伝導率（４２Ｗ／ｍＫ）以上であり、かつ熱圧着が可能な材料であれば本発明の効果に何ら影響はない。例えば、ＡｕやＡｇ等の材料も同様に用いることができる。

１０１ 転写基板
１０２ Ｉｎ層
１０３ ＢＮ層
１０４ ＧａＮ層
１０５ ＡｌＧａＩｎＮ層
２０１ 成長基板
２０２ ＡｌＮ核形成層
２０３ 層状ＢＮ層
２０４ ＧａＮ層
２０５ ＡｌＧａＩｎＮ層
２０６ 接着剤
２０７ 固定板
２０８ Ｉｎコーティング層
２０９ 銅板
３０１ 転写基板
３０２ ＢＮ層
３０３ ＧａＮ層
３０４ ＡｌＧａＩｎＮ層

Claims (5)

1. 成長基板上に堆積された窒化物半導体層構造あるいは窒化物半導体素子の表面側を固定具に固定する工程と、
   前記窒化物半導体層構造あるいは窒化物半導体素子を前記成長基板から剥離する工程と、
   剥離した前記窒化物半導体層構造あるいは窒化物半導体素子と転写基板とを熱圧着により接合する工程と、
   を有することを特徴とする窒化物半導体装置の製造方法。
2. 前記熱圧着により接合する工程は、前記窒化物半導体層構造あるいは窒化物半導体素子の剥離された面および転写基板の表面に金属をコーティングする工程を含み、
   前記熱圧着により接合する工程は、前記窒化物半導体層構造あるいは窒化物半導体素子と前記転写基板とを前記金属がコーティングされた面同士を密着させ、熱圧着により接合することを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体装置の製造方法。
3. 前記金属をコーティングする工程は、剥離した前記窒化物半導体層構造あるいは窒化物半導体素子の剥離された面および転写基板の表面に、電気メッキ法あるいは蒸着法を使用して金属をコーティングす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装置の製造方法。
4. 前記金属は、Ｉｎ、Ａｕ及びＡｇのいずれかであることを特徴とする請求項２又は３に記載の窒化物半導体装置の製造方法。
5. 転写基板と、
   前記転写基板上に積層された金属層と、
   前記金属層上に積層された、前記転写基板とは異なる成長基板上に成長可能な窒化物半導体層構造あるいは窒化物半導体素子と、
   を有することを特徴とする窒化物半導体素子構造。

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