JP2015518265A - ＧａＮ成長に使用される複合基板の製造方法 - Google Patents

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Abstract

本発明はGaN成長に使用される複合基板の製造方法を公開する。まず、サファイア基板において、GaN単結晶エピタキシャル層を成長させ、そして、エポキン系瞬間接着剤により当該GaNエピタキシャルウエハを仮基板に接着させた後に、サファイア基板をレーザーリフトオフし、仮基板においてのGaNエピタキシャルウエハと熱伝導・電気伝導基板をボンディングし、仮基板が脱落し、ガリウム極性面が上向きのGaN層と熱伝導・電気伝導基板がボンディングされた複合基板を獲得することができる。サファイア基板においてのGaN層と熱伝導・電気伝導基板を直接にボンディングし、サファイア基板をレーザーリフトオフすれば、窒素極性面が上向きのGaN層と熱伝導・電気伝導基板がボンディングされた複合基板を獲得することができる。本発明が製造された複合基板は、ホモエピタキシャルを保証すると同時に、結晶体の質を向上させ、直接に垂直構造のLEDを作製することができる。さらに、薄いGaN単結晶層だけを使用するため、コストを大幅に低減させ、実際上の応用に極めて優位性を持っている。【選択図】図７

Description

本発明は半導体オプトエレクトロニック・デバイス及び有機金属気相成長法（MOCVD）の分野に係り、特にGaNエピタキシャルウエハ成長に使用される複合基板の製造方法に関する。
GaN及びInGaN、AlGaNを主とするIII／V族窒化物は、近年注目を集める半導体材料であり、その1.9−6.2eVの間で連続的に可変な直接バンドギャップと、優れた物理的、化学的安定性、高飽和電子移動度などの特性により、レーザー、発光ダイオードなどのオプトエレクトロニック・デバイスの最適な材料になる。
しかし、現存のGaNベース（base）半導体材料デバイスについて、GaN基板が欠けるため、GaNベースLEDのエピタキシャルフィルムは主にサファイア基板、SiC、又はSiなどの基板の上に成長する。今まで、GaN材料システムのエピタキシャル成長技術は、基本的に大きな不整合系のヘテロエピタキシー技術に基づいているものである。ここで、応用範囲が最も広く、最も特許で保護されているものは、サファイア基板のヘテロエピタキシー技術であるが、以下のような主要な問題点が存在する。1.GaNとサファイアとの間には比較的に大きな格子不整合及び熱応力不整合があるため、109cm-2の不整合転位が発生し、結晶の質が大きく影響されると共に、LEDの発光効率及び使用寿命も低減されていた。2.サファイアは絶縁体であり、常温での電気抵抗率が1011Ωcm以上になるため、垂直構造のデバイスを製造することができなくなっていた。そして、通常にエピタキシャル層の表面においてN型とP型の電極を作るしかできないので、有効発光面積が減少されながら、デバイスを作製する時のフォトエッチング及びエッチング技術が増加され、材料の利用率が下がっていた。3.サファイアの伝熱性能は良くなく、100℃の熱伝導率は約0.25W/cmKであり、これはGaNベースデバイスの機能に対して大きく影響していた。特には大面積・大仕事率デバイスの場合、放熱の問題は非常に顕著であった。4.GaNベースレーザー（LD）の製造において、サファイアの硬度が高く、且つ、サファイアの結晶格子とGaN格子の間に30度の夾角が存在するため、InGaNLDエピタキシャル層のへき開面を獲得しにくく、へき開方法でInGaN−LDのキャビティー表面を得ることもできなかった。
また、SiC基板の格子定数はGaN格子定数と最も近く、格子不整合も少ないが、同じヘテロエピタキシーであるので、不整合転位とサーマルミスフィット転位が同じく存在する。しかもSiC基板はコストが高く、GaNベースLEDデバイスでの応用は明らかに難しい。Si基板も近年から研究を始めたGaNベースエピタキシャル基板であるが、Si基板とGaNとの格子不整合率はサファイア基板よりも高い。それに、Si基板は立体結晶方位であることに対し、GaNは六方晶の結晶方位であるため、その上でGaN材料をエピタキシーすることがさらに難しくなる。今のところ、Si基板で成長されたGaN層において、亀裂などの深刻な問題が存在し、成長厚さが4μm以上になることは極めて困難である。
そのため、結晶エピタキシーといえば、そのエピタキシャル成長理論においても、半導体エピタキシャル技術の発展沿革においても、ホモエピタキシーは最適な選択であることが証明された。最近、GaN単結晶基板の作製技術が開発を始めた。GaN単結晶基板の出現は、GaNエピタキシャルをホモエピタキシーにすることができて、エピタキシャルGaN結晶の質を大きく向上させた。しかも、GaN結晶は優れた熱伝導・電気伝導性能を有するため、GaN基板エピタキシャルを使用するLEDエピタキシャルウエハを直接に垂直構造のLEDデバイスに作製することができる。これにより、大電流に通された時のデバイスの性能が向上されたが、GaN単結晶基板のLEDデバイスにおける応用はその高い値段に制限されている。今、2インチのLEDエピタキシャルウエハの値段は100米ドルを超えていないが、2インチのGaN単結晶基板の値段は一枚2000米ドルにも達しているので、このような高いコストはGaN単結晶基板のLED市場における応用を完全に制限している。
本発明の目的は、GaNエピタキシャルに必要なホモエピタキシャル要求を満たし、結晶の質を向上させ、直接に垂直構造のLEDを作製することができ、さらに、生産コストを低減させ、実際上の応用に投入することもできるGaNエピタキシャルウエハ成長に使用される新型の複合基板の製造方法を提供する。
図1のように、本発明におけるGaN成長に使用される複合基板は、熱伝導・電気伝導層1と前記熱伝導・電気伝導層に位置するGaN単結晶層2を含める。
前記熱伝導・電気伝導層の厚さが10μm〜3000μmであり、その内50μm〜400μmが最適である。それに、当該熱伝導・電気伝導層の材料として、以下のような特徴を備えなければならない。（1）融点が1000℃以上であり、又は1000℃以下の場合に基本的に固態を維持することができること。（2）比較的に優れた伝熱性能及び電気伝導性能を有すること。
上記要求のように、前記熱伝導・電気伝導層の材料はいくつかの単体金属、合金、又は準合金を選ぶことができる。例えば、金属W、金属Ni、金属Mo、金属Pd、金属Au及び金属Crなど、又は前記金属のいずれか二種或いは二種以上の合金、又は前記金属の一種或いは多種とCuとの合金、例えば、WCu合金、MoCu合金、及びNiCu合金などの材料である。金属以外に、Si結晶体、SiC結晶体、AlSi結晶体でもよい。
前記熱伝導・電気伝導層に位置するGaN層の厚さが0.1μm〜100μmであり、その内1μm〜50μmが最適である。前記GaN層は単結晶の形で存在する。
前記熱伝導・電気伝導層とGaN単結晶層の間には剛性又は柔軟性（flexibility）ボンディングにより接続される。このボンディングは剛性のファンデルワールス力によるボンディングであれば、熱伝導・電気伝導層材料の熱膨張率がGaNと近いことが必要となる。近いとは、熱膨張率の差が10％以内、かつ熱伝導・電気伝導材料とGaN結晶の間には何の媒質も存在していないことである。また、柔軟性媒質により熱伝導・電気伝導層とGaN層をボンディングすることもよい。柔軟性媒質によるボンディングであれば、1000℃以上の融点が必要となり、かつ応力緩和ができるように一定の展延性が要求される。さらに、0.5μm〜5μmの厚さのAuAuボンディング又は金属W、Pd、Niなどで高温金属ボンディングすることは最適であり、前述の厚さを有する金属媒質ボンディング層は、熱膨張率の違いによるGaNと熱伝導・電気伝導層との熱的な不整合応力を緩和することができる。そのため、柔軟性媒質によるボンディングの使用には、熱伝導・電気伝導層の熱膨張率はGaNと一致又は近いことは必要ない。
さらに、本発明の複合基板内には一つの反射層があり、当該反射層はGaN単結晶層の内部、底部、又は底面に位置し、前記GaN単結晶層の底面とは、GaN単結晶層と熱伝導・電気伝導層が接する面である。図2のように、前記反射層は熱伝導・電気伝導層とGaN層との間にあるボンディング層の、GaN層に近い一端（即ち、ボンディング層とGaN層の間）に位置することができる。図3のように、GaN層内部又は底部に位置しても良い。前期反射層はボンディング層のGaN層に近い一端に位置する場合、前記反射層は金属反射層、例えばPd、Crなどの金属反射層である。前記反射層はGaN層内部又はGaN層底部に位置する場合、図4のように、前記反射層は回折格子或いはフォトニック格子構造を有する周期性又は準周期性（quasi-periodicity）構造である。
前記回折格子構造とは、マイクロメートルレベルの周期性構造であり、前記フォトニック格子構造とは、ナノメートルレベルの周期性構造である。これらの周期性構造は、周期性を持つ円錐形の膨らみや窪み、円台形の膨らみや窪み、円柱形の膨らみや窪み、三角錐形の膨らみや窪み、又は任意の形の周期性膨らみや窪みである。図5のように、その（a）は三角錐形窪みの周期性構造の一種を示し、（b）は円柱形窪みの周期性構造の一種を示した。このマイクロメートルレベル又はナノメートルレベルの周期性構造は構造周期が10nm〜50μmであり、その内200nm〜10μmが最適である。図5では、wとdはそれぞれ窪みの最大幅と最大深さを示し、Aは構造周期を示し、ここではA>w。
反射層としてのマイクロメートルレベル又はナノメートルレベルの周期性構造は、一般的に耐高温（融点が1000℃以上）の、また屈折率がGaNと異なる材料により作製される。例えば、SiO2、SiNなどの材料にて周期性構造が形成され、GaN単結晶層内に嵌められた。これらの材料の屈折率がGaNと異なるため、有効な全反射フェースが形成され、かつ周期性構造がフェースの平均屈折率を有効に向上させた。
ある場合には、GaN層底部に位置する周期性構造は、GaNと異なる材料により形成されることではなく、ただGaN層の底面で形成された周期性図形に過ぎないが、このような周期性図形も反射層の役割を果たすことができる。
前記反射層は、本発明における複合基板でエピタキシャル成長するGaNベースデバイスにとって極めて重要な作用がある。通常、基板でエピタキシャルする発光デバイスの場合、アクティブ層の発光は360度へエマージェント(emergent)する。前記反射層のデザインがなければ、発光材料は熱伝導・電気伝導層へ照射した光の40％が基板に吸収され、エマージェントすることができなくなる。そのため、反射層デザインが備える複合基板を採用すれば、光抽出率を少なくとも30％以上に向上させることができる。
本発明における複合基板は直接にGaNエピタキシャルフィルムのエピタキシャル成長に使用することができ、さらに垂直構造のLEDデバイスを作製することができる。伝統的な技術と比べて、明らかな優位性を持っている。
まず、現存技術によるサファイア基板成長と比較する。現在、GaNエピタキシャルフィルムの成長に最もよく使われているのはサファイア基板であるが、サファイア基板は電気伝導も熱伝導もできないため、サファイア基板に成長したGaNが垂直構造のLEDデバイスを作製することは難しい。ほとんどが平面構造のLEDに作製されるので、放熱性能が低く、ハイパワーデバイスにも作製できない。また、サファイア基板はGaNとヘテロ基板であるため、GaN成長の品質が制限され、上質のGaNエピタキシャルフィルムを作製することができない。
それに対し、本発明の複合基板はサファイア基板より明らかな優位性を持っている。第一に、複合基板には一つのGaN層が存在するため、複合基板におけるGaNエピタキシャルフィルム成長はホモエピタキシャル成長に属し、GaNエピタキシャルフィルムの結晶体品質を高め、内部量子効率を向上させる。第二に、複合基板における熱伝導・電気伝導層の使用により、複合基板で成長したGaNエピタキシャルフィルムが直接に伝統なチップ作製技術に基づいて、垂直構造のLEDデバイスを作製することができて、基板が電気伝導も熱伝導もできないという制約を受けなくなり、デバイスの効率をより大幅に上げられた。
次に、現存技術によるSi基板成長とSiC基板成長と比較する。この二種の基板は熱伝導・電気伝導性を備えているため、基板の上で成長したGaNエピタキシャルフィルムは直接に垂直構造のLEDを作製できるが、二種の基板は同じくヘテロエピタキシャルであるため、成長したGaN結晶体の品質向上には不利である。特にはSi基板の場合、その上で成長したGaNエピタキシャルには、多層のAlGaNを挿入して応力調節する必要がある。かつその上で成長したGaNは3〜−4μmの厚さを超えることは非常に難しい。また、SiC基板の格子定数はGaN結晶と比較的に近いが、SiC結晶本体の作製が非常に難しく、且つ作製コストも高いので、GaNベースのハイパワーLEDデバイスには幅広く応用しにくい。本発明における複合基板はこの二種の基板と比較すれば、ホモエピタキシャル成長に属するという優位性が現れた。つまり、GaNエピタキシャルフィルムの結晶品質を向上させ、より幅広く利用されることができる。
最後に、GaN単結晶基板と比較する。GaN単結晶基板は本発明の複合基板と同じく、ホモエピタキシャル基板であり、この二種の基板を応用したエピタキシャル成長はGaN結晶品質を大幅に向上させた。但し、GaN単結晶基板作製の高いコストと比べ、本発明の複合基板は原材料がより低価な熱伝導・電気伝導材料と、GaN単結晶基板の四百分の一から四分の一の厚さしかないGaN層を使用するため、コストはGaN単結晶基板より遥かに低く、より広い分野において将来性を持っている。
前記のGaN成長に使用される複合基板を製造するために、本発明は下記二種の製造方法を提供し、それぞれガリウム極性面が上向き及び窒素極性面が上向きの複合基板の製造に使用される。
第一種の方法はガリウム極性面が上向きの複合基板を製造し、下記の手順を備える。
1a）サファイア基板において、GaN単結晶エピタキシャル層を成長させ、
1b）エポキン系瞬間接着剤により、サファイア基板に成長したGaNエピタキシャルウエハを仮基板に接着させ、その後、レーザーリフトオフの方法によりサファイア基板をレーザーリフトオフし、
1c）仮基板に接着されたGaNエピタキシャルウエハと、融点が1000℃以上の熱伝導・電気伝導層とをボンディングし、エポキン系瞬間接着剤がボンディングの過程で炭化され、仮基板が脱落し、表面を洗うことにより、ガリウム極性面が上向きのGaNエピタキシャルウエハと熱伝導・電気伝導基板とがボンディングされる複合基板を獲得する。
前記の手順1a）において、GaNの成長方法として、本領域の技術者が熟知するMOCVD方法又はHVPE方法を使用し、或いはMOCVD方法とHVPE方法を合わせて使用する方式により成長させることができる。通常、MOCVD方法を先に使用し、その後に、HVPE（ハイドライド気相成長）方法を使用し、GaN単結晶を成長させる。
前記サファイア基板は平板状サファイア基板或いは図形化サファイア基板である。前記図形化サファイア基板が、複合基板の反射層の構造にしたがって設計されたものであり、本領域の技術者が熟知するフォトエッチングリフトオフ方法により、サファイアの表面にマイクロメートルレベル又はナノメートルレベルの周期性構造図形を作製することによって獲得される。図形化サファイア基板を使用して成長し、且つ仮基板に転移したGaN単結晶層に対して、そのサファイア基板の図形はリフトオフする時にGaN層に成功に転移され、当該図形は反射層として使用することができる。平板状サファイア基板を使用して成長したGaN単結晶層については、下記の二種の方法のいずれかにより反射層を製造することができる。
Ｉ．手順1b）において、GaN単結晶エピタキシャル層をサファイア基板から仮基板に転移させ、その後、本領域の技術者が熟知する蒸着技術を利用し、GaN単結晶の表面に金属反射層（通常、厚さは1μm以内）を蒸着し、そして、手順1c）を行う。最終に製造されたガリウム極性面が上向きの複合基板において、当該金属反射層はGaN単結晶層の底面に位置する。
ＩＩ．手順1a）において、GaNエピタキシャル成長を行う過程で、まず、一層のGaNを成長させ、その上に一層の反射層材料を成長させ、本領域の技術者が熟知するフォトエッチング及びドライエッチングの方法により、前記反射層材料をマイクロメートルレベル又はナノメートルレベルの周期性構造（即ち、反射層構造）に作製し、同時に、前記構造の間隔でGaN表面を露出しなければならなく、そして、必要な厚さまでGaN単結晶を成長させ続け、その後、手順1b）を行う。最終に製造されたガリウム極性面が上向きの複合基板において、当該反射層はGaN層内部に位置する。
上記の方法ＩＩにおいて、前記反射層材料は、その屈折率がGaNと異なり、且つ融点が1000℃以上であり、結晶成長又はメッキ方式を使用して成長することができることが要求され、例えば、SiO2及びSiNである。SiO2層又はSiN層はPECVD方法（プラズマエンハンスメントCVD）を利用して成長することができ、厚さは0.2μm〜2μmである。
前記手順1b）において、前記エポキン系瞬間接着剤は、例えば、502接着剤であり、前記仮基板は、例えば、金属仮基板或いはSi単結晶仮基板である。
上記手順1c）において、ボンディング方法は剛性ボンディング又は柔軟性媒質ボンディングを採用することができる。剛性ボンディングとは、いかなるボンディング金属も蒸着されない場合に、ファンデルワールス力により、500℃〜900℃の温度と3トン/平方インチ〜10トン/平方インチの圧力の条件で、仮基板に接着されたGaNエピタキシャルウエハを熱伝導・電気伝導基板に直接ファンデルワールスボンディングされるものである。前記のように、剛性ボンディングは熱伝導・電気伝導基板材料とGaNの熱膨張率の差が10％以内であることを要求し、このような基板、例えば、Si単結晶基板、SiC単結晶基板、AlSi結晶基板等がある。
柔性媒質ボンディングとは、ボンディングしようとする表面にボンディング金属を蒸着し、200℃〜900℃の温度と1トン/平方インチ〜5トン/平方インチの圧力の条件で、仮基板に接着されたGaNエピタキシャルウエハと熱伝導・電気伝導基板をボンディングする。柔軟性媒質ボンディングのボンディング層の厚さは0.5μm〜5μmが最適であり、ボンディング金属は、例えば、Au、W、Pd、Ni等である。
第二種の方法は窒素極性面が上向きの複合基板を製造し、下記の手順を備える。
2a）サファイア基板を利用しGaN単結晶エピタキシャル層を成長させ、
2b）サファイア基板に成長したエピタキシャルウエハと融点が1000℃以上の熱伝導・電気伝導基板をボンディングし、
2c）レーザーリフトオフの方法によりサファイア基板をレーザーリフトオフし、窒素極性面が上向きのGaNエピタキシャルウエハと熱伝導・電気伝導基板とがボンディングされた複合基板を獲得する。
前記の手順2a）において、GaNの成長方法として、本領域の技術者が熟知するMOCVD方法又はHVPE方法を使用し、或いはMOCVD方法とHVPE方法を合わせて使用する方式により成長させることができる。通常、MOCVD方法を先に使用し、その後に、HVPE方法を使用し、GaN単結晶を成長させる。
手順2a）のGaN単結晶層は平板状サファイア基板に成長したものであり、反射層を有する複合基板に対して、手順2b）を行う前に、下記の二種の方法のいずれかにより反射層を製造することができる。
A．本領域の技術者が熟知する蒸着技術を利用し、手順2a）において製造されたGaN単結晶の表面に金属反射層（通常、厚さは1μm以内）を蒸着し、そして、手順2b）を行う。最終に製造された窒素極性面が上向きの複合基板において、当該金属反射層はGaN単結晶層の底面に位置する。
B．手順2a）において、GaNエピタキシャル成長を行う過程で、まず、一層のGaNを成長させ、その上に一層の反射層材料を成長させ、本領域の技術者が熟知するフォトエッチング及びドライエッチングの方法により、前記反射層材料をマイクロメートルレベル又はナノメートルレベルの周期性構造（即ち、反射層構造）に作製し、同時に、前記構造の間隔でGaN表面を露出しなければならなく、そして、必要な厚さまでのGaN単結晶を成長させ続け、その後、手順2b）を行う。最終に製造された窒素極性面が上向きの複合基板において、当該反射層はGaN層内部に位置する。
上記の方法Bにおいて、前記反射層材料は、その屈折率がGaNと異なり、且つ融点が1000℃以上であり、結晶成長又はメッキ方式を使用して成長することができることが要求され、例えば、SiO2及びSiNである。SiO2層又はSiN層はPECVD方法（プラズマCVD）を利用して成長することができ、厚さは0.2μm〜2μmである。
上記手順2b）において、ボンディング方法は剛性ボンディング又は柔軟性媒質ボンディングを採用することができる。剛性ボンディングとは、いかなるボンディング金属も蒸着されない場合に、ファンデルワールス力により、500℃〜900℃の温度と3トン/平方インチ〜10トン/平方インチの圧力の条件で、サファイア基板においてのGaNエピタキシャルウエハを熱伝導・電気伝導基板に直接ファンデルワールスボンディングされるものである。前記のように、剛性ボンディングは熱伝導・電気伝導基板材料とGaNの熱膨張率の差が10％以内であることを要求し、このような基板、例えば、Si単結晶基板、SiC単結晶基板、AlSi結晶基板等がある。
柔性媒質ボンディングとは、ボンディングしようとする表面にボンディング金属を蒸着し、200℃〜900℃の温度と1トン/平方インチ〜5トン/平方インチの圧力の条件で、サファイア基板においてのGaNエピタキシャルウエハと熱伝導・電気伝導基板をボンディングする。柔軟性媒質ボンディングのボンディング層の厚さは0.5μm〜5μmが最適であり、ボンディング金属は、例えば、Au、W、Pd、Ni等である。
上記のように、本発明はレーザーリフトオフ技術、ボンディング技術、微細加工技術及びエピタキシャル技術を利用して新型の複合基板を製造した。当該複合基板は、GaNエピタキシャルに要求されるホモエピタキシャルを保証できると同時に、結晶体の質を向上させ、直接に垂直構造のLEDを作製することができる。さらに、薄いGaN単結晶層だけを使用するため、コストを大幅に低減させ、現存のGaN材料基板において極めて優位性を持っている。
本発明のGaN成長に使用される複合基板の基本構造の説明図である。 反射層が複合基板のボンディング層のGaNに近い一端に位置する複合基板の構造の説明図である。 反射層が複合基板のGaN層内に位置する複合基板の構造の説明図である。 反射層の回折格子、又はフォトニック格子の周期性構造の説明図である。 反射層が三角錐形の窪み（a）、或いは円柱形の窪み（b）の形である周期性構造の説明図である。 実施形態1の第二工程において、502接着剤によりSi基板を接着し、及びサファイア基板をレーザーリフトオフする手順の説明図である。 実施形態1の第三工程において、高温ボンディング及びSi基板の高温脱落手順の説明図である。 実施形態2において、GaN層内に位置する反射層構造のGaN/WCu複合基板を作製するフローチャート(flowchart)であり、ここで、（a）は第二工程において、4μmのGaN/サファイア基板のGaN面でSiO2周期反射層を作製するプロセスの説明図であり、（b）は第三工程において、反射層を作製した後に、HVPE技術を利用し、総厚さが10μmに達するまでGaNを成長させるプロセスの説明図であり、（c）は第四工程において、加工後に獲得した、Si基板に位置し、反射層構造を有するGaN層構造の説明図であり、（d）は最後に獲得したGaN/WCu複合基板の構造の説明図である。 実施形態4において、金属反射層を有するGaN/MoCu複合基板を作製するフローチャートであり、ここで、（a）は第三工程において、Si基板に接着されたGaN単結晶層にPd金属反射層を蒸着して得た構造の説明図であり、（b）はNiNiボンディングにより得たPd金属反射層を有するGaN/MoCu複合基板の構造の説明図である。 実施形態5において、ファンデルワールス力でSi基板とGaN層をボンディングさせた複合基板の作製するフローチャートであり、ここで、（a）は第三工程において、GaN/サファイア基板のGaN面でSiO2円柱形周期構造を作製するプロセスの説明図であり、（b）は第四工程において、反射層を作製した後、HVPE技術を利用し、GaNの総厚さが50μmに達するまでGaNを成長させるプロセスの説明図であり、（c）は第五工程において、ファンデルワールスボンディングによりサファイア/GaN/Si構造が形成されるプロセスの説明図であり、（d）は第六工程において、レーザーリフトオフによりGaN/Si複合基板を獲得する説明図である。 実施形態7において、AuAuボンディングでAlSi基板とGaN層がボンディングされた複合基板の作製するフローチャートであり、ここで、（a）は第三工程において、GaN/サファイア基板のGaN面でSiO2円柱形周期構造を作製するプロセスの説明図であり、（b）は第四工程において、反射層を作製した後、HVPE技術を利用し、GaNの総厚さが10μmに達するまでGaNを成長させるプロセスの説明図であり、（c）は第五工程において、AuAuボンディングによりサファイア/GaN/AlSi構造が形成されるプロセスの説明図であり、（d）は第六工程において、レーザーリフトオフによりGaN/AlSi複合基板を獲得する説明図である。 本発明において作製されるGaN単結晶層と金属基板がボンディングされた複合基板の写真である。
図面において数字が代表したものは以下の通り。1-熱伝導・電気伝導層、2-GaN層、3-ボンディング層、4-反射層、4'-反射層図形構造、5-サファイア基板、6-Si基板、7-AlSi単結晶基板。
次は、本発明について、図面を参照ながら、実施例を通じて詳しく説明する。但し、これは本発明を限定するものではない。本領域の技術者が本発明の趣旨に基づき、様々な修正や改良を行うことができ、また、本発明の趣旨を逸脱しない限り、全ての修正や改良は本発明の範囲内に属する。
（実施形態１：AuAuボンディングによりWCu金属基板とGaN層がボンディングされた反射層なしの金属複合基板）
第一工程、2インチ430μm厚さの平板状サファイア基板を使用し、本領域の技術者が熟知するMOCVD技術を利用して4μm厚さのGaN単結晶エピタキシャルフィルムを成長させた後、本領域の技術者が熟知するHVPE技術を使用してGaN単結晶の総厚さが10μmに達するまでGaNを成長させる。
第二工程、図6のように、502瞬間接着剤を使用し、前記成長させたGaN単結晶のGaN面を2インチ400μm厚さの単結晶Si基板に接着し、Si基板を移転基礎基板として使用する。そして、本領域の技術者が熟知するレーザーリフトオフ技術によりサファイア基板をリフトオフし、Si基板に接着されたGaN単結晶のみが残される。
第三工程、Si基板にあるGaN単結晶のGaN面とWCu合金基板の表面において、同時に1μmのAuを蒸着する。そして、300℃の温度と5トンの圧力で、15分間を通じて、両者がボンディングされる。ボンディングが終わった後に、502瞬間接着剤が高熱で炭化されるため、Si基板とGaN/WCu複合基板との接続が自動的に分離される。
最後に、表面を洗うことにより、GaN/WCu複合基板が得られる。この基板は150μm厚さのWCu合金金属基板を含め、WとCuの質量比例は15％対85％である。WCu合金金属基板はAuAuボンディングにより10μm厚さのGaN単結晶とボンディングされ、ボンディング層のAuの厚さが2μmである。
（実施形態２：AuAuボンディングによりWCu金属基板とGaN層がボンディングされた金属複合基板）
第一工程、2インチ430μm厚さの平板状サファイア基板を使用し、本領域の技術者が熟知するMOCVD技術を利用して4μm厚さのGaN単結晶エピタキシャルフィルムを成長させる。
第二工程、図8（a）のように、PECVD技術を利用して前記成長したGaN単結晶の表面において、1μm厚さのSiO2薄膜を成長させ、本領域の技術者が熟知するフォトエッチング及びドライエッチング技術を使用してSiO2薄層を周期3μm、底面直径2.5μm、高さ1μmの円錐形周期構造に作製する。円錐図形の間隔でGaN表面を露出しなければならない。この周期性構造は反射層として使用することができる。
第三工程、図8（b）のように、本領域の技術者が熟知するHVPE技術を利用して、反射層構造が作製された前記GaN単結晶の表面において、GaN単結晶が10μmの総厚さに達するまでGaNを成長させる。
第四工程、図8（c）のように、502瞬間接着剤を使用し、前記成長させたGaN単結晶のGaN面を2インチ400μm厚さの単結晶Si基板に接着し、Si基板を移転基礎基板として使用する。そして、本領域の技術者が熟知するレーザーリフトオフ技術によりサファイア基板をリフトオフし、Si基板に接着されたGaN単結晶のみが残される。
第五工程、Si基板にあるGaN単結晶のGaN面とWCu合金基板の表面において、同時に1μmのAuを蒸着する。そして、300℃の温度と5トンの圧力で、15分間を通じて、両者がボンディングされる。ボンディングが終わった後、502瞬間接着剤が高熱で炭化されるため、Si基板とGaN/WCu複合基板との接続が自動的に分離される（図7を参照）。
最後に、表面を洗うことにより、図8（d）に示されたような複合基板が得られる。この基板は150μm厚さのWCu合金金属基板1を含め、WとCuの質量比例は15％対85％である。WCu合金金属基板1はAuAuボンディングにより10μm厚さのGaN単結晶層2とボンディングされており、ボンディング層3の厚さは2μmである。そして、GaN層2において、ボンディング層から4μm離れたところに、一つの反射層図形構造4'が含まれ、この図形は周期が3μm、高さが1μm、底面直径が2.5μmの円錐形SiO2図形層構造である。
（実施形態３：AuAuボンディングによりMoCu金属基板とGaN層がボンディングされた金属複合基板）
第一工程、2インチ430μm厚さの平板状サファイア基板を使用し、本領域の技術者が熟知するMOCVD技術を利用して4μm厚さのGaN単結晶エピタキシャルフィルムを成長させる。
第二工程、図8（a）のように、PECVD技術を利用して前記GaN単結晶の表面において、1μm厚さのSiO2薄膜を成長させ、本領域の技術者が熟知するフォトエッチング及びドライエッチング技術を使用してSiO2薄層を周期3μm、底面直径2.5μm、高さ1μmの円錐形周期構造に作製する。円錐図形の間隔でGaN表面を露出しなければならない。この周期性構造は反射層として使用することができる。
第三工程、図8（b）のように、本領域の技術者が熟知するHVPE技術を利用して、反射層構造が作製された前記GaN単結晶の表面において、GaN単結晶が10μmの総厚さに達するまでGaNを成長させる。
第四工程、図8（c）のように、502瞬間接着剤を使用し、前記成長させたGaN単結晶のGaN面を2インチ400μm厚さの単結晶Si基板に接着し、Si基板を移転基礎基板として使用する。そして、本領域の技術者が熟知するレーザーリフトオフ技術によりサファイア基板をリフトオフし、Si基板に接着されたGaN単結晶のみが残される。
第五工程、Si基板にあるGaN単結晶のGaN面とMoCu合金基板の表面において、同時に1μmのAuを蒸着する。そして、300℃の温度と5トンの圧力で、15分間を通じて、両者がボンディングされる。ボンディングが終わった後に、502瞬間接着剤が高熱で炭化されるため、Si基板とGaN/MoCu複合基板との接続が自動的に分離される。
最後に、表面を洗うことにより、GaN/MoCu複合基板が得られる。この基板は150μm厚さのMoCu合金金属基板を含め、MoとCuの質量比例は20％対80％である。MoCu合金金属基板はAuAuボンディングにより10μm厚さのGaN単結晶とボンディングされており、このボンディング層のAuの厚さが2μmである。そして、GaN層において、ボンディング層から4μm離れたところに、一つの反射層図形構造が含まれ、この図形は周期が3μm、高さが1μm、底面直径が2.5μmの円錐形SiO2図形層構造である。
（実施形態４：NiNiボンディングによりMoCu金属基板とGaN層がボンディングされた金属複合基板）
第一工程、2インチ430μm厚さの平板状サファイア基板を使用し、本領域の技術者が熟知するMOCVD技術を利用して4μm厚さのGaN単結晶エピタキシャルフィルムを成長させる。
第二工程、502瞬間接着剤を使用し、前記成長されたGaN単結晶のGaN面を2インチ400μm厚さの単結晶Si基板に接着し、Si基板を移転基礎基板として使用する。そして、本領域の技術者が熟知するレーザーリフトオフ技術によりサファイア基板をリフトオフし、Si基板に接着されたGaN単結晶のみが残される。
第三工程、図9（a）のように、Si基板6にあるGaN単結晶層2のGaN面において、200nmのPd金属を蒸着し反射層4が形成される。
第四工程、反射層が蒸着されたSi基板にあるGaN単結晶を反射層とMoCu合金基板の表面において、同時に2μmのNiを蒸着する。そして、800℃の温度と15トンの圧力で、15分間を通じて、両者がボンディングされる。ボンディングが終わった後に、502瞬間接着剤が高熱で炭化されるため、Si基板とGaN/MoCu複合基板との接続が自動的に分離される。
最後に、表面を洗うことにより、図9（b）に示されたような複合基板が得られる。この基板は150μm厚さのMoCu合金金属基板1を含め、MoとCuの質量比例は20％対80％である。MoCu合金金属基板1はNiNiボンディングにより4μm厚さのGaN単結晶層2とボンディングされる。このボンディング層3の厚さが4μmである。そして、GaN層2において、ボンディング層3に近いところに、一つのPd金属反射層4が含まれる。
（実施形態５：ファンデルワールスボンディングによりSi基板とGaN層がボンディングされた複合基板）
第一工程、2インチ430μm厚さの平板状サファイア基板を使用し、本領域の技術者が熟知するMOCVD技術を利用して4μm厚さのGaN単結晶エピタキシャルフィルムを成長させる。
第二工程、本領域の技術者が熟知するHVPE技術を使用し、GaN単結晶が46μmの総厚さに達するまでGaNを成長させる。
第三工程、図10（a）のように、PECVD技術を利用して前記GaN単結晶の表面において、1μm厚さのSiO2薄膜を成長させ、本領域の技術者が熟知するフォトエッチング及びドライエッチング技術を使用してSiO2薄層を周期3μm、底面直径2μm、高さ1μmの円柱形周期構造に作製する。円柱図形の間隔でGaN表面を露出しなければならない。この周期性構造は反射層として使用することができる。
第四工程、図10（b）のように、引き続きHVPE技術を使用し、反射層構造が作製された前記GaN単結晶が50μmの総厚さに達するまでGaNを成長させる。
第五工程、図10（c）のように、前記作製された反射層構造を有するGaN単結晶と400μm厚さのSiフィルムを、900℃の温度と20トンの圧力で、30分間を通じて、直接ファンデルワールスボンディングにより接着され、サファイア/GaN/Si構造のサンプルが形成される。
第六工程、本領域の技術者が熟知するレーザーリフトオフ技術によりサファイア基板をリフトオフし、GaN/Siがボンディングされた複合基板構造のみが残される。
最後に、表面を洗うことにより、図10（d）に示されたような複合基板が得られる。この基板は400μm厚さのSi単結晶基板6を含める。そのSi単結晶基板6はファンデルワールス力ボンディングにより50μm厚さのGaN単結晶層2とボンディングされる。そして、GaN層2において、ボンディング層から4μm離れたところに、一つの反射層図形構造4'が含まれ、この反射層図形構造4'は周期が3μm、高さが1μm、下底の底面直径が2μmの円柱形SiO2図形層構造である。
（実施形態６：PdPdボンディングによりSiC基板とGaN層がボンディングされた金属複合基板）
第一工程、2インチ430μm厚さの平板状サファイア基板を使用し、本領域の技術者が熟知するMOCVD技術を利用して、4μm厚さのGaN単結晶エピタキシャルフィルムを成長させる。
第二工程、図8（a）のように、PECVD技術を利用して前記成長したGaN単結晶の表面において、1μm厚さのSiO2薄膜を成長させ、本領域の技術者が熟知するフォトエッチング及びドライエッチング技術を使用してSiO2薄層を周期3μm、底面直径2.5μm、高さ1μmの円錐形周期構造に作製する。円錐図形の間隔でGaN表面を露出しなければならない。この周期性構造は反射層として使用することができる。
第三工程、図8（b）のように、本領域の技術者が熟知するHVPE技術を使用し、反射層構造が作製された前記GaN単結晶が10μmの総厚さに達するまでGaNを成長させる。
第四工程、図8（c）のように、502瞬間接着剤を使用し、前記成長させたGaN単結晶のGaN面を2インチ400μm厚さの単結晶Si基板に接着し、Si基板を移転基礎基板として使用する。そして、本領域の技術者が熟知するレーザーリフトオフ技術によりサファイア基板をリフトオフし、Si基板に接着されたGaN単結晶のみが残される。
第五工程、Si基板にあるGaN単結晶のGaN面と200μm厚さのSiC基板の表面において、同時に1μmのPdを蒸着する。そして、800℃の温度と8トンの圧力で、15分間を通じて、両者がボンディングされる。ボンディングが終わった後に、502瞬間接着剤が高熱で炭化されるため、Si基板とGaN/SiC複合基板との接続が自動的に分離される。
最後に、表面を洗うことにより、図8（d）に示されたような複合基板が得られる。実施形態2におけるWCu金属合金基板を200μm厚さのSiC単結晶基板に置き換えることだけである。このSiC単結晶基板はPdPdボンディングにより10μm厚さのGaN単結晶層とボンディングされる。前記ボンディング層のPdの厚さが2μmである。そして、GaN層において、ボンディング層から4μm離れたところに、一つの反射層図形構造が含まれ、この反射層図形構造は周期が3μm、高さが1μm、底面直径が2.5μmの円錐形SiO2図形層構造である。
（実施形態７：AuAuボンディングによりAlSi基板とGaN層がボンディングされた複合基板）
第一工程、2インチ430μm厚さの平板状サファイア基板を使用し、本領域の技術者が熟知するMOCVD技術を利用して6μm厚さのGaN単結晶エピタキシャルフィルムを成長させる。
第三工程、図11（a）のように、PECVD技術を利用して前記成長したGaN単結晶の表面において、1μm厚さのSiO2薄膜を成長させ、本領域の技術者が熟知するフォトエッチング及びドライエッチング技術を使用してSiO2薄層を周期3μm、底面直径2μm、高さ1μmの円柱形周期構造に作製する。円柱図形の間隔でGaN表面を露出しなければならない。この周期性構造は反射層として使用することができる。
第四工程、図11（b）のように、引き続き本領域の技術者が熟知するHVPE技術を使用し、反射層構造が作製されたGaN単結晶が10μmの厚さに達するまでGaNを成長させる。
第五工程、図11（c）のように、前記サファイア/GaN単結晶のGaN面と200μm厚さのAlSi基板の表面において、同時に1μmのAuを蒸着する。そして、300℃の温度と5トンの圧力で、15分間を通じて、両者がボンディングされる。
第六工程、図11（d）のように、本領域の技術者が熟知するレーザーリフトオフ技術によりサファイア基板をリフトオフし、GaN/AlSiがボンディングされた複合基板構造のみが残される。
最後に、表面を洗うことにより、図11（d）に示されたような複合基板が得られる。この基板は200μm厚さのAlSi単結晶基板7を含め、AlとSiの構成比は30％対70％である。前記AlSi単結晶基板7はAuAuボンディングにより10μm厚さのGaN単結晶層2とボンディングされる。このボンディング層3の厚さが4μmである。そして、GaN層2において、ボンディング層から4μm離れたところに、一つの反射層図形構造4'が含まれ、この反射層図形構造4'は周期が3μm、底面直径が2μm、高さが1μmの円柱形SiO2図形層構造である。

Claims (12)

  1. 下記の手順を備えることを特徴とするGaN成長に使用される複合基板の製造方法、
    1a）サファイア基板において、GaN単結晶エピタキシャル層を成長させ、
    1b）エポキン系瞬間接着剤により、サファイア基板で成長したGaNエピタキシャルウエハを仮基板に接着させ、その後、レーザーリフトオフの方法によりサファイア基板をレーザーリフトオフし、
    1c）仮基板に接着されたGaNエピタキシャルウエハと、融点が1000℃以上の熱伝導・電気伝導層とをボンディングし、エポキン系瞬間接着剤がボンディングの過程で炭化され、仮基板が脱落し、ガリウム極性面が上向きのGaNエピタキシャルウエハと熱伝導・電気伝導基板とがボンディングされた複合基板を獲得する。
  2. 手順1a）はサファイア基板において、GaN単結晶エピタキシャル層を成長させ、手順1b）はGaN単結晶エピタキシャル層をサファイア基板から仮基板に転移させ、その後、GaN単結晶の表面において、金属反射層を蒸着し、そして、手順1c）を行うことを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
  3. 手順1a）において、GaNエピタキシャル成長を行う過程で、まず、一層のGaNを成長させ、その上に一層の反射層材料を成長させ、フォトエッチング及びドライエッチングにより、前記反射層材料をマイクロメートルレベル又はナノメートルレベルの周期性構造に作製し、且つ、前記構造の間隔でGaN表面を露出し、そして、必要な厚さまでGaN単結晶を成長させ続け、その後、手順1b）を行い、ここで、前記反射層材料の屈折率がGaNと異なり、且つ融点が1000℃以上であることを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
  4. 前記反射層の材料は、SiO2またはSiNであることを特徴とする請求項３に記載の製造方法。
  5. 手順1a）においての前記サファイア基板は図形化サファイア基板であり、前記図形化サファイア基板が、複合基板の反射層の構造にしたがって設計されるものであり、フォトエッチングリフトオフすることにより、サファイアの表面にマイクロメートルレベル又はナノメートルレベルの周期性構造図形を作製することによって獲得されることを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
  6. 手順1c）のボンディング方法は剛性ボンディング又は柔軟性媒質ボンディングであり、ここで、剛性ボンディングとは、500℃〜900℃の温度と3トン/平方インチ〜10トン/平方インチの圧力の条件で、仮基板に接着されたGaNエピタキシャルウエハを熱伝導・電気伝導基板に直接ファンデルワールスボンディングされるものであって、剛性ボンディングにおいての熱伝導・電気伝導基板材料とGaNの熱膨張率の差が10％以内であり、
    柔軟性媒質ボンディングとは、ボンディングしようとする表面にボンディング金属を蒸着し、200℃〜900℃の温度と1トン/平方インチ〜5トン/平方インチの圧力の条件で、仮基板に接着されたGaNエピタキシャルウエハと熱伝導・電気伝導基板をボンディングするものであることを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
  7. 下記の手順を備えることを特徴とするGaN成長に使用される複合基板の製造方法、
    2a）サファイア基板を利用しGaN単結晶エピタキシャル層を成長させ、
    2b）サファイア基板に成長したエピタキシャルウエハと、融点が1000℃以上の熱伝導・電気伝導基板とをボンディングし、
    2c）レーザーリフトオフの方法によりサファイア基板をレーザーリフトオフし、窒素極性面が上向きのGaNエピタキシャルウエハと熱伝導・電気伝導基板がボンディングされた複合基板を獲得する。
  8. 手順2a）はサファイア基板において、GaN単結晶エピタキシャル層を成長させ、その後、GaN単結晶の表面において、さらに金属反射層を蒸着し、そして、手順2b）を行うことを特徴とする請求項７に記載の製造方法。
  9. 手順2a）において、GaNエピタキシャル成長を行う過程で、まず、一層のGaNを成長させ、その上に一層の反射層材料を成長させ、フォトエッチング及びドライエッチングにより、前記反射層材料をマイクロメートルレベル又はナノメートルレベルの周期性構造に作製し、且つ、前記構造の間隔でGaN表面を露出し、そして、必要な厚さまでGaN単結晶を成長させ続け、その後、手順2b）を行い、ここで、前記反射層材料の屈折率がGaNと異なり、且つ融点が1000℃以上であることを特徴とする請求項７に記載の製造方法。
  10. 前記反射層の材料はSiO2またはSiNであることを特徴とする請求項９に記載の製造方法。
  11. 手順2b）のボンディング方法は剛性ボンディング又は柔軟性媒質ボンディングであり、ここで、剛性ボンディングとは、500℃〜900℃の温度と3トン/平方インチ〜10トン/平方インチの圧力の条件で、サファイア基板においてのGaNエピタキシャルウエハが熱伝導・電気伝導基板に直接ファンデルワールスボンディングされるものであって、剛性ボンディングにおいての熱伝導・電気伝導基板材料とGaNの熱膨張率の差が10％以内であり、
    柔軟性媒質ボンディングとは、ボンディングしようとする表面にボンディング金属を蒸着し、200℃〜900℃の温度と1トン/平方インチ〜5トン/平方インチの圧力の条件で、サファイア基板においてのGaNエピタキシャルウエハと熱伝導・電気伝導基板をボンディングすることを特徴とする請求項７に記載の製造方法。
  12. 前記熱伝導・電気伝導層の材料は、金属W、Ni、Mo、Pd、Au及びCrの一種或いは多種の合金であり、又は前記金属の一種或いは多種とCuとの合金であり、又はSi結晶体、SiC結晶体、AlSi結晶体であることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の製造方法。
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