JP2017226584A - 自立基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡便なプロセスにより下地基板からの剥離を容易にでき、比較的結晶性のよい窒化物半導体自立基板を低コストで製造することができる自立基板の製造方法の提供。【解決手段】好ましくはサファイアからなる基板１上に４００〜６００℃の成長温度で窒化物半導体層からなる低温バッファ層２をエピタキシャル成長させた後、低温バッファ層２の上に低温バッファ層２の成長温度よりも高温で、基板１の厚さに対して０．５〜１．４０倍の厚さを有する窒化物半導体層３をエピタキシャル成長させ、その後、基板１を冷却速度を１５〜１００℃／ｍｉｎで冷却することにより、窒化物半導体層３を基板１から剥離させる自立基板４の製造方法。【選択図】図１

Description

本発明は、窒化物半導体自立基板の製造方法に関する。

窒化物半導体材料は、禁制帯幅が充分大きく、バンド間遷移も直接遷移型であるため、短波長発光素子への適用が盛んに検討されている。また、電子の飽和ドリフト速度が大きいこと、ヘテロ接合による２次元キャリアガスの利用が可能なこと等から、電子素子への応用も期待されている。

これらの素子を構成する窒化物半導体層は、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ：Ｍｅｔａｌ−Ｏｒｇａｎｉｃ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）、分子線気相成長法（ＭＢＥ：Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ：Ｈｙｄｒｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）等の気相成長法を用いて、下地基板上にエピタキシャル成長を行うことにより得られる。

ところが、この窒化物半導体層と格子定数の整合する下地基板が存在しないため、良質の成長層を得ることが困難であり、得られる窒化物半導体層中には多くの結晶欠陥が含まれていた。この結晶欠陥は、素子特性の向上を阻害する要因となることから、これまで、窒化物半導体層中の結晶欠陥を低減する検討が盛んに行われてきた。

結晶欠陥の比較的少ないＩＩＩ族元素窒化物系結晶を得るための方法として、サファイア等の異種基板上に低温堆積緩衝層（バッファ層）を形成し、その上にエピタキシャル成長層を形成する方法が知られている。この低温堆積緩衝層を用いた結晶成長法では、まず、サファイア等の基板上にＡｌＮ又はＧａＮを５００℃付近で堆積させ、アモルファス状の膜ないし一部多結晶を含む連続膜を形成する。これを１０００℃付近に昇温することで一部を蒸発させ、また結晶化することで、密度の高い結晶核を形成する。これを成長の核として比較的結晶性のよいＧａＮ膜が得られる。しかしながら、低温堆積緩衝層を形成する方法を用いても、貫通転位や空孔などの結晶欠陥が相当程度存在し、現在望まれているような高性能の素子を得るには不充分であった。

そこで、結晶成長用の基板としてＧａＮ等のＩＩＩ族窒化物半導体基板を用い、この上に素子部を構成する半導体多層膜を形成する手法が盛んに検討されている。以下、こうした結晶成長用の基板を、自立基板と称する。例えば、ＧａＮの自立基板を得るための手法として、ＥＬＯ（Ｅｐｉｔａｘｉａｌ Ｌａｔｅｒａｌ Ｏｖｅｒｇｒｏｗｔｈ）技術が知られている。ＥＬＯとは、下地基板にストライプ状開口部を有するマスクを形成し、開口部からラテラル成長させることにより転位の少ないＧａＮ層を得る技術である。特許文献１では、このＥＬＯ技術を用いて転位が少ないＧａＮ層をサファイア基板上に形成した後、サファイア基板をエッチング等により除去し、ＧａＮ自立基板を得ることが提案されている。

また別の技術として、特許文献２には、空隙を利用してＧａＮ自立基板を得る手法が開示されている。この手法では、サファイアＣ面（（０００１）面）基板上にＧａＮ層を形成した後、その上にチタン膜を形成する。次いで水素ガス又は水素含有化合物ガスを含む雰囲気中で基板を熱処理してＧａＮ層中に空隙を形成する。その後、ＧａＮ層上に新たに厚膜のＧａＮ層を形成することによって反りの少ない良質のＧａＮ自立基板を得ることができる。

特開平１１−２５１２５３号公報 特開２００３−１７８９８４号公報

上述したような従来技術で、比較的良質なＧａＮ等の窒化物半導体の自立基板が得られるようになったが、サファイア等の異種基板を除去・剥離したり、金属膜やパターン形成等の複雑な工程が必要となり、製造コストが高くなるという問題があった。このため、現状では、例えばＧａＮの自立基板はＧａＮ系半導体レーザーダイオード等に用いられ、窒化物半導体の自立基板は特に付加価値が高いデバイスにしか採用されていない。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、簡便なプロセスにより下地基板からの剥離を容易にでき、比較的結晶性のよい窒化物半導体自立基板を低コストで製造することができる自立基板の製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、窒化物半導体からなる自立基板を製造する自立基板の製造方法であって、基板上に４００〜６００℃の成長温度で窒化物半導体層からなる低温バッファ層をエピタキシャル成長させた後、前記低温バッファ層の上に前記低温バッファ層の成長温度よりも高温で窒化物半導体層を前記基板の厚さに対して０．５〜１．４０倍の厚さでエピタキシャル成長させ、その後、前記基板の冷却を行うことで、前記高温で成長させた窒化物半導体層を前記基板から剥離させることを特徴とする自立基板の製造方法を提供する。

このように高温で成長させる窒化物半導体層を基板の厚さに対して０．５〜１．４０倍の厚さでエピタキシャル成長させることで基板の冷却時に容易に自然剥離させることが可能となる。また、基板の冷却時に自然剥離しなくても、その後に容易に剥離することができる。また、高温で成長させた窒化物半導体層の厚さが基板の厚さに対して０．５倍未満の場合には、急冷しても剥離に至らず、高温で成長させた窒化物半導体層にヒビが入る程度となり、高温で成長させた窒化物半導体層の厚さが極端に薄い場合には、ヒビすら入らないこともある。また、高温で成長させた窒化物半導体層の厚さが基板の厚さに対して１．４０倍を超える場合には、成長中にエピタキシャル層にヒビが入ってしまい、剥離もしなくなる。

このとき、前記基板の冷却時の冷却速度を１５〜１００℃／ｍｉｎとすることが好ましい。

基板の冷却時の冷却速度を１５〜１００℃／ｍｉｎとして急冷することで、高温で成長させた窒化物半導体層が基板からより自然剥離しやすくなる。

また、前記基板をサファイア基板とし、前記窒化物半導体を窒化ガリウムとすることができる。

本発明において、基板としてサファイア基板を好適に採用することができ、窒化物半導体として窒化ガリウムを好適に採用することができる。

本発明の自立基板の製造方法であれば、高温で成長させる窒化物半導体層を基板の厚さに対して０．５〜１．４０倍の厚さでエピタキシャル成長させることで、基板の冷却時に高温で成長させた窒化物半導体層を基板から容易に自然剥離させることが可能となる。

本発明の自立基板の製造方法の実施形態の一例を示す工程断面図である。 比較例１において、高温で成長させた窒化物半導体層を下地基板から剥離しようとした後に撮影した写真である。 比較例２において、高温で成長させた窒化物半導体層を下地基板から剥離しようとした後に撮影した写真である。 比較例３において、高温で成長させた窒化物半導体層を下地基板から剥離しようとした後に撮影した写真である。

以下、本発明について、実施態様の一例を、図を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

前述したように、窒化物半導体材料は電子素子への応用が期待されており、これらの素子を構成する窒化物半導体層は下地基板上にエピタキシャル成長を行うことにより得られる。しかしながら、この窒化物半導体層と格子定数の整合する下地基板が存在しないため、得られる窒化物半導体層中には多くの結晶欠陥が含まれており、これまで、窒化物半導体層中の結晶欠陥を低減する検討が盛んに行われてきた。前述のように、サファイア基板をエッチングしてＧａＮ自立基板を得ることが提案されている。また、空隙を利用して反りの少ない良質のＧａＮ自立基板を得る手法が開示されている。

上述したような従来技術で、結晶性のよいＧａＮ等のＩＩＩ族窒化物半導体の自立基板が得られるようになったが、サファイア等の異種基板を除去・剥離したり、金属膜やパターン形成等の複雑な工程が必要となり、製造コストが高くなるという問題があった。

本発明者らは、簡便なプロセスにより下地基板からの剥離が容易にでき、比較的結晶性のよい窒化物半導体自立基板を低コストで製造することができる自立基板の製造方法について鋭意検討した。その結果、低温バッファ層上に高温で成長させる窒化物半導体層を基板の厚さに対して０．５〜１．４０倍の厚さでエピタキシャル成長させることで基板の冷却時に容易に自然剥離させることができること、また、基板の冷却時に自然剥離しなくても、その後に容易に剥離することができることに想到した。これによって、簡便なプロセスにより下地基板からの剥離が容易にでき、比較的結晶性のよい窒化物半導体自立基板を低コストで製造することができることを見出し、本発明を完成させた。

以下、本発明の自立基板の製造方法について、図１を参照しながら詳細に説明する。

まず、図１（ａ）に示すように、基材となる基板１を準備する。準備する基板１としては、低温バッファ層が成長可能であれば、特に限定されず、例えばサファイア基板１を準備することができる。

次に、図１（ｂ）に示すように、準備した基板１上に４００〜６００℃の成長温度で、窒化物半導体層からなる低温バッファ層２をエピタキシャル成長させる。成長方法としては、ＭＯＶＰＥ法またはＨＶＰＥ法等を採用することができる。この低温バッファ層２としては、例えばＧａＮやＡｌＮ等をＨＶＰＥ法等で成長させることができる。低温バッファ層２の厚さは、例えば１０〜７０ｎｍとすることができる。

次に、図１（ｃ）に示すように、低温バッファ層２の上に、低温バッファ層２の成長温度より高温の成長温度で窒化物半導体層３をエピタキシャル成長させる。このとき窒化物半導体層３を基板１の厚さに対して０．５０〜１．４０倍の厚さでエピタキシャル成長させる。この高温成長の温度としては、上記の低温バッファ層の形成温度よりも高温とすればよいが、６００℃〜１１００℃が好ましく、特には８００℃〜１０５０℃がより好適である。

このとき、後述する剥離工程において、基板１の冷却時の冷却速度を上げた場合であっても、高温で成長させた窒化物半導体層３の厚さが基板１の厚さに対して０．５倍未満の場合には、急冷することによっても剥離に至らず、ヒビが入る程度となり、高温で成長させた窒化物半導体層３の厚さが極端に薄い場合には、高温で成長させた窒化物半導体層３にヒビすら入らないこともある。また、高温で成長させた窒化物半導体層３の厚さが基板１の厚さに対して１．４０倍を超える場合には、成長中にエピタキシャル層にヒビが入ってしまい剥離もしなくなる。なお、ここで言う剥離とは、成長させた窒化物半導体層３、基板１とも割れることなく、その界面（より具体的には、低温バッファ層２と基板１の界面）で分離することを意味する。

このとき、高温で成長させた窒化物半導体層３としては、特には限定されず、ＡｌＧａＮやＡｌＮ等からなる層とすることができるが、ＧａＮからなる層とすることが特に好ましい。本発明の自立基板の製造方法において窒化物半導体層３をＧａＮからなる層とすれば、製造が困難で、付加価値の高い、比較的良好な結晶性を有するＧａＮ自立基板を低コストで製造することができるからである。

このとき高温で成長させる窒化物半導体層３を成長させる方法としては、特に限定されないが、ＨＶＰＥ法で成長させることが好ましい。ＨＶＰＥ法であれば、厚膜の窒化物半導体層を効率的に成長させることができるため、基板１から剥離して自立基板を製造するのに好適である。

次に、図１（ｄ）に示すように、基板１を冷却することで高温で成長させた窒化物半導体層３を基板１から剥離させることにより、窒化物半導体からなる自立基板４を製造する。このとき、高温で成長させる窒化物半導体層３の成長後の降温時における冷却速度は特に限定されないが、１５〜１００℃／ｍｉｎとすることでより自然剥離を起こし易くできる。また、降温時に自然剥離しなかった場合でも、降温後でも容易に剥離させることができる。

このように、基板１の厚さに対して０．５〜１．４０倍の厚さで窒化物半導体層３をエピタキシャル成長させることで窒化物半導体層３を基板１から容易に剥離することができる。したがって、従来のような金属膜の形成やパターン形成等の複雑な工程が不要であり、高品質の窒化物半導体の自立基板を簡便に得ることができる。

以下、実施例及び比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

（実施例１）
まず基板１として基板厚４３０μｍのサファイア基板１を準備し、ＨＶＰＥ装置に装着した。次に温度を５００℃としてＧａＮからなる低温バッファ層２を１００ｎｍの厚さで成長させた。ここで、ＨＶＰＥ装置中ではＩＩＩ族元素のハロゲン化物であるＧａＣｌと、Ｖ族元素としてのＮＨ_３とを原料ガスとした。

次に、１０５０℃に温度を上げて自立基板となるＧａＮ層３を２１５μｍの膜厚で成長させた（すなわち、厚膜ＧａＮ層３の膜厚／サファイア基板１の膜厚＝０．５０とした）。低温バッファ層２、ＧａＮ層３を成長させたサファイア基板１の冷却時の冷却速度を５℃／ｍｉｎとして温度を下げて、ＧａＮ層３を高温で成長させたウェーハをＨＶＰＥ装置から取り出した。

ＨＶＰＥ装置から取り出したウェーハについて、厚膜ＧａＮ層３がサファイア基板１から剥離しているかどうか確認したところ、一部クラックが入っているものの、ＧａＮ、サファイア界面（実際には、低温バッファ層２とサファイア基板１の界面）で分離していた。この結果を表１に示す。

（実施例２）
自立基板となるＧａＮ層３の膜厚を５６０μｍとした（すなわち、厚膜ＧａＮ層３の膜厚／サファイア基板１の膜厚＝１．３０とした）ことを除き、実施例１と同様にしてＧａＮ自立基板４を作製したところ、一部クラックが入っているものの、ＧａＮ、サファイア界面で分離していた。この結果を表１に示す。

（実施例３）
自立基板となるＧａＮ層３の膜厚を６００μｍとした（すなわち、厚膜ＧａＮ層３の膜厚／サファイア基板１の膜厚＝１．４０とした）ことを除き、実施例１と同様にしてＧａＮ自立基板４を作製したところ、一部クラックが入っているものの、ＧａＮ、サファイア界面で分離していた。この結果を表１に示す。

（実施例４）
自立基板となるＧａＮ層３の膜厚を５６０μｍとし（すなわち、厚膜ＧａＮ層３の膜厚／サファイア基板１の膜厚＝１．３０とし）、冷却時の冷却速度を５０℃／ｍｉｎとしたことを除き、実施例１と同様にしてＧａＮ自立基板４を作製したところ、ＧａＮ、サファイア界面で、割れ及びクラックが生じることなく分離していた。この結果を表１に示す。

（実施例５）
自立基板となるＧａＮ層３の膜厚を６００μｍとし（すなわち、厚膜ＧａＮ層３の膜厚／サファイア基板１の膜厚＝１．４０とし）、冷却時の冷却速度を５０℃／ｍｉｎとしたことを除き、実施例１と同様にしてＧａＮ自立基板４を作製したところ、ＧａＮ、サファイア界面で、割れ及びクラックが生じることなく分離していた。この結果を表１に示す。

（比較例１）
自立基板となるＧａＮ層３の膜厚を１７２μｍとし（すなわち、厚膜ＧａＮ層３の膜厚／サファイア基板１の膜厚＝０．４０とし）、冷却時の冷却速度を５０℃／ｍｉｎとしたことを除き、実施例１と同様にしてＧａＮ自立基板４を作製したところ、厚膜ＧａＮ層３をサファイア基板１から剥離する際に、図２に示すようにサファイア基板ともども面内多数の割れ、クラックが発生し、剥離できなかった。この結果を表１に示す。

（比較例２）
自立基板となるＧａＮ層３の膜厚を６４５μｍとした（すなわち、厚膜ＧａＮ層３の膜厚／サファイア基板１の膜厚＝１．５０とした）ことを除き、実施例１と同様にしてＧａＮ自立基板４を作製したところ、厚膜ＧａＮ層３の成長中に膜中にヒビが入り、図３に示すように厚膜ＧａＮ層３をサファイア基板１から剥離することができなかった。この結果を表１に示す。

（比較例３）
自立基板となるＧａＮ層３の膜厚を６４５μｍとし（すなわち、厚膜ＧａＮ層３の膜厚／サファイア基板１の膜厚＝１．５０とし）、冷却時の冷却速度を５０℃／ｍｉｎとしたことを除き、実施例１と同様にしてＧａＮ自立基板４を作製したところ、厚膜ＧａＮ層３の成長中に膜中にヒビが入り、図４に示すように厚膜ＧａＮ層３をサファイア基板１から剥離することができなかった。この結果を表１に示す。

表１から、厚膜ＧａＮ層３の膜厚／サファイア基板１の膜厚が０．５０〜１．４０の範囲内である実施例１〜５においては、サファイア基板１を冷却することで、厚膜ＧａＮ層３をサファイア基板１から分離することができるが、厚膜ＧａＮ層３の膜厚／サファイア基板１の膜厚が０．５０〜１．４０の範囲外である比較例１〜３においては、サファイア基板１を冷却しても、厚膜ＧａＮ層３をサファイア基板１から分離することができないことがわかった。また、サファイア基板１の冷却時の冷却速度を５０℃／ｍｉｎと大きくすることによって、良好な剥離性が得られることがわかった。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

１…基板（サファイア基板）、 ２…低温バッファ層、
３…高温で成長させた窒化物半導体層（窒化物半導体層、厚膜ＧａＮ層）、
４…自立基板（ＧａＮ自立基板）。

Claims (3)

1. 窒化物半導体からなる自立基板を製造する自立基板の製造方法であって、
   基板上に４００〜６００℃の成長温度で窒化物半導体層からなる低温バッファ層をエピタキシャル成長させた後、前記低温バッファ層の上に前記低温バッファ層の成長温度よりも高温で窒化物半導体層を前記基板の厚さに対して０．５〜１．４０倍の厚さでエピタキシャル成長させ、その後、前記基板の冷却を行うことで、前記高温で成長させた窒化物半導体層を前記基板から剥離させることを特徴とする自立基板の製造方法。
2. 前記基板の冷却時の冷却速度を１５〜１００℃／ｍｉｎとすることを特徴とする請求項１に記載の自立基板の製造方法。
3. 前記基板をサファイア基板とし、前記窒化物半導体を窒化ガリウムとすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の自立基板の製造方法。