JP4968232B2 - 窒化物半導体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、窒化物半導体の製造方法に係り、特に結晶欠陥が少なく、反りが少ない窒化物半導体層が形成される窒化物半導体の製造方法に関するものである。

一般に、ＧａＮ、あるいはその混晶のＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮなどの窒化物半導体は、同種の基板が実質的に存在しないため、サファイアやＳｉＣ等の異種基板上に薄膜成長されて製造されている。

しかし、このように異種基板上に成長された窒化物半導体は、基板との格子定数が異なるため、それに起因する結晶欠陥の増加や、基板と薄膜との熱膨張差により発生する反りが成長時及び成長後に問題となっている。

結晶欠陥は、その窒化物半導体から製造される、光素子の発光特性や信頼性を悪化させ、電子デバイスのリーク電流や非線形性の発生、信頼性低下などの原因となる。

また、反りは、成長中では加熱物体（例えばグラファイト製のサセプタ）との接触の不均一性を生じさせ、エピ薄膜のキャリア濃度や組成などの特性に不均一性をもたらす。特に窒化物半導体がＩｎＧａＮでは、この温度の不均一性は致命的である。

成長後の常温での反りは、その後の素子製造工程で行われるフォトリソグラフィーにおいて、微細パターンの露光の際に大きな問題となる。

このため、これら結晶欠陥及び反りの発生の防止対策として、選択成長によるラテラル方向成長を利用したＥＬＯＧ（O.-H.Nam etl,Appl.Phys.Lett.71(1997)2472）やＦＩＥＬＯ（A.Sakai etl,Appl.Phys.Lett.71(1997)2259 ）が開発されている。

これ以外にも、製造する窒化物半導体の同種基板となるＧａＮ基板の開発も進んでいる。

また、ＨＶＰＥで数百μｍのＧａＮ膜をサファイア基板上に成長し、後にサファイア基板を除去してＧａＮ基板とする手法も提案されており、この方法は、品質やコストの面からより現実的である。

しかしながら、ＥＬＯＧやＦＩＥＬＯは、いまだ結晶欠陥が１０Ｅ６〜１０Ｅ７／ｃｍ^−３ほどあり、反りの問題は全く改善されていない。

また、ＧａＮ基板の開発は、まだ１０ｍｍ直径のものしか製造できておらず、製法も超高圧下で行うため製造コストが非常に高く、実用的でない。

また、ＨＶＰＥでサファイア基板上にＧａＮを成長した後、サファイア基板を除去する方法は、結晶欠陥がかなり多く、さらに実用的なサファイア基板の除去法が無く、除去後も反りが残るなどの問題がある。

そこで、本発明の目的は、結晶欠陥の発生を低減すると共に反りの発生を防止することにより、品質と生産性に優れた窒化物半導体の製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するために本発明は、ＧａＮからなる基板上に第一の窒化物半導体層を成長させ、その第一の窒化物半導体層に多数の微細なボイドを有する多孔質層を形成した後、前記多孔質層に熱処理を施して前記多孔質層の構成元素をマイグレートさせて前記多孔質層の表面を再結晶化することにより当該表面が連続する平滑な第二の窒化物半導体層を成長させ、前記第二の窒化物半導体層を上記基板或いは上記基板及びボイドを有する多孔質層から剥離することにある。

すなわち、本発明の要点は、ＧａＮ膜（ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮでも可。）を、陽極酸化や光エッチング（C.Youtsey etl,Appl.Phys.Lett.71,(1997)2151）でエッチングしてそのＧａＮ膜表面に多孔質（ポアラス）を形成し、さらにこの多孔質ＧａＮを水素中で熱処理して、表面が連続した平滑な再結晶層を有するＧａＮエピ膜を形成することにある。

上記構成によれば、多孔質ＧａＮが水素と反応して一部がＧａとＮＨ_３になり、このＧａが表面をマイグレートしてキンクやステップなどの核成長サイトでＮＨ_３ と反応し、ＧａＮがエピタキシャル成長する。これが熱平衡となるまで進行し、適切な温度、時間、水素の純度、ＮＨ_３などのガス混合により、多孔質ＧａＮの表面が再結晶化すると共にエピタキシャル成長して、表面が連続した平滑なＧａＮエピ膜が形成される。

これにより、第一の窒化物半導体層の表面の再結晶化はラテラル方向に起こるため、再結晶層は、ＥＬＯＧのように結晶欠陥が低減する。

また、基板と窒化物半導体との熱膨張差や格子定数差による歪みは、表面が再結晶化してもその下に多孔質が存在するため、このミクロな多数のボイドの部分が基板と薄膜（窒化物半導体）との熱膨張差や格子定数差による歪みをいわばクッション層のような効果で緩和する。

従ってエピ膜中の結晶欠陥が減り、エピ成長中及び成長後の反りも大幅に低減される。

さらに、本発明は、この多孔質（ボイド）の層を選択エッチング、超高圧水流、ＧａＡｓジェット、レーザー割断などにより、溶解、破断して基板からエピ膜を剥離し、そのエピ膜を他の基板に貼り付ける（無論、剥離前に貼り付けることもできる。）ことにより、デバイス応用に応じた最適な基板・エピ構造とすることもできる。

以上要するに本発明によれば、第一の窒化物半導体層の表面の再結晶層の再結晶化がラテラル方向に起こるため、ＥＬＯＧのように結晶欠陥が低減する。
また、基板と窒化物半導体との熱膨張差や格子定数差による歪みは、多孔質層により緩和されるので、反りが発生しない。

次に、本発明の好適一実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１に本発明にかかる窒化物半導体としてＧａＮの側面図を示す。

図１に示すように、このＧａＮは、サファイア基板１と、そのサファイア基板１上に形成された窒化物半導体層１０とから構成されており、すなわち異種基板上に形成された窒化物半導体である。

窒化物半導体層１０は、表面側には良質なＧａＮからなる再結晶層３が形成され、また、基板側には微細なボイド及びその集合体２ａからなる多孔質ＧａＮ層２が形成されている。

このＧａＮの製造方法を図５を用いて説明する。

図１に示したＧａＮを製造するに際しては、まず、図５（ａ）に示すように、サファイア基板１上に、通常のＭＯＣＶＤ法や、ＭＢＥ法、ＨＶＰＥＨ法などにより、ＧａＮの薄膜１０ａを成長させる。

そして、このＧａＮ１０ａを、図５（ｂ）に示すように、上述した光エッチング（C.Youtsey etl,Appl.Phys.Lett.71,(1997)2151）によりエッチングし、多数の微細なボイド及びその集合体２ａからなる多孔質１０ｂを形成する。この多数のボイド２ａの形成は、光エッチングの条件（光の強度、波長、エッチング液の温度）を調節して行われる。

また、このエッチングの基本条件は、例えば、照射光は波長３６５ｎｍの紫外線、エッチング液はＫＯＨとＫ_２Ｓ_２Ｏ_８との混合水溶液であり、ＧａＮをこのエッチング液中に入れ、これに照射光を当ててエッチングする。この時、エッチング液に溶解させたくない部分（ＧａＮの表面あるいは裏面の一部又は全面）がある場合には、その部分にＡｕやＰｔなどの貴金属を付着させる場合もある。

そして、この多孔質ＧａＮをＭＯＣＶＤ炉に入れ、水素中で加熱する。この時、水素にＮＨ_３や窒素を混合する場合もある。加熱温度は８００℃〜１１００℃、加熱時間は数秒から数時間の範囲が一般的だが、多孔質ＧａＮの状態などによっては上述した温度・時間以外の条件でも良い。

この加熱により、図５（ｃ）に示すように、多孔質ＧａＮが水素と反応して一部はＧａとＮＨ_３になり、このＧａが表面をマイグレートしてキンクやステップなどの核成長サイトでＮＨ_３と反応し、ＧａＮがエピタキシャル成長する。そして、このエピタキシャル成長が熱平衡となるまで進行し、適切な温度、時間、水素の純度、ＮＨ_３などのガス混合により、多孔質のＧａＮ表面が再結晶化すると共に表面がエピタキシャル成長して、表面が連続した平滑な再結晶層３が形成される。

このようにして、表面には再結晶層３を有し、その下に微細なボイド２ａが多数存在する多孔質層（微細ボイド層）２を有するＧａＮ膜が形成される。

そして、この微細ボイド層２の性状（ボイドの大きさ、密度、大きさの分布、微細ボイド層２の厚さなど）は、さらなる熱処理、あるいは加熱工程後の更なる熱処理で制御される。

その後、炉内が冷却され、ＧａＮが取り出される。

このようにして製造されたＧａＮは、サファイア基板１と窒化物半導体層１０との格子定数の違いにより、それらの界面付近に結晶欠陥が発生するが、表面の再結晶層３の再結晶化がラテラル方向に起こるため、ＥＬＯＧのように結晶欠陥が低減する。

また、サファイア基板１と窒化物半導体層１０との熱膨張差による歪みも、多孔質層２により緩和されるので、ＧａＮに反りが発生しない。

更に、微細ボイド層（多孔質層）２は、低誘電率、高抵抗となるため、このＧａＮから製造されるＨＥＭＴ横型デバイスでは、リーク電流が低減されると共に、寄生抵抗の発生が低減される。

さらに、本発明は、この多孔質（ボイド）層２を選択エッチング、超高圧水流、ＧａＡｓジェット、レーザー割断などにより、溶解、破断してサファイア基板１からエピ膜を剥離し、そのエピ膜を他の基板に貼り付ける（無論、剥離前に貼り付けることもできる。）ことにより、デバイス応用に応じた最適な基板・エピ構造とすることもできる。

次に、本発明の他の実施の形態を説明する。

図２に、図１に示したＧａＮの基板及び多孔質層を剥離・除去した再結晶層の側面図を示す。

図２に示すように、このＧａＮ（３）は、多孔質ＧａＮ上に成長されたＧａＮのみで形成されている。

すなわち、このＧａＮ（３）は、同種基板上に成長されたＧａＮであるため、結晶欠陥が存在せず、それ自体に反りも発生していない。

これにより、このＧａＮ（３）から光素子を製造した場合には、その光素子は、発光特性が低下せず、信頼性も高い。また、電子デバイスのリーク電流や非線形性も発生しない。

さらに、ＧａＮ（３）は反りがないので、成長中の加熱物体との接触が均一に保たれ、エピタキシャル薄膜のキャリア濃度や組成などの特性が均一になると共に、また、成長後のフォトリソグラフィーにおいても、微細パターンの露光工程の作業性に優れる。

また、他の実施の形態として、図３に、図１に示したＧａＮの基板を剥離・除去したＧａＮ（窒化物半導体層）の側面図を示す。

図３に示すように、このＧａＮは、基板側に形成された多孔質層２と、表面側に形成された再結晶層３とから構成されている。

すなわち、このＧａＮは、基板側の結晶には、基板との格子定数の違いにより発生した結晶欠陥が存在するが、表面の再結晶化がラテラル方向に起こるため、再結晶層３に結晶欠陥が発生しない。また、同種基板上に形成されたＧａＮであるため、上述した図２のＧａＮと同様に、このＧａＮから光素子を製造する場合、素子の特性が低下せず、信頼性の高い素子が製造できる。

また、これら以外の他の実施の形態として、図４に、窒化物半導体の薄膜を多層に積層したＧａＮの側面図を示す。

図４に示すように、このＧａＮは、本実施の形態で説明した多孔質ＧａＮの加熱工程まで行った後、引き続き、そのまま炉内でＧａＮ、ＡｌＧａＮ、又はＩｎＧａＮなどの窒化物半導体４ａ，４ｂ，．．．４ｎを、ＧａＮ系のデバイス用の構造となるようにエピタキシャル成長させるか、又は、炉内からＧａＮウェハを取り出した後、別途、ＭＯＣＶＤ法によりそのＧａＮウェハの上にデバイス構造のエピタキシャル成長を行って、サファイア基板１上の再結晶層３の上に、窒化物半導体４ａ，４ｂ，．．．４ｎが多層に積層された薄膜（多層膜）４を形成したものである。

この多層窒化物半導体から製造するデバイスがＬＥＤの場合は、上述した表面結晶化多孔質ＧａＮの上に、例えば、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層、アンドープＩｎＧａＮとアンドープＧａＮの量子井戸型活性層、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ層を順次成長すれば良い。

また、製造するデバイスがＨＥＭＴの場合は、例えば、はじめにアンドープＧａＮ層を成長させ、さらにＡｌＧａＮ層とＧａＮ層を交互に複数層積層したバッファ層を成長させ、さらにＧａＮ又はＩｎＧａＮのチャネル層を成長させる。そして、ｎ型ＡｌＧａＮ又はｎ型ＧａＮキャリア供給層を成長させ、さらにその層の上に、ｎ＋＋型ＧａＮ、又はｎ＋＋型ＩｎＧａＮ層をオーミックコンタクト層として成長させる場合もある。また、キャリア供給層をアンドープとしても良い。

また、本実施の形態では、窒化物半導体層１０がＧａＮの場合について説明したが、変形例として、ＡｌＧａＮ、又はＩｎＧａＮのいずれかの薄膜であっても良い。また、他の実施の形態で、多層膜について説明したが、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、又はＩｎＧａＮの組み合わせはこれに限定されないことは勿論である。

更に、基板としてサファイア以外にも、基板としてＧａＮやＳｉＣでもバルクＧａＮを用いても良い。

また、本実施の形態では、反応炉としてＭＯＣＶＤ炉を用いたが、通常のＣＶＤ炉や、ＭＢＥ炉、ＨＶＰＥ炉、拡散炉のようなものでも良く、この時の熱処理も、水素中だけでなく、ＮＨ_３中、もしくはその両者を含む雰囲気中で行っても良い。

本発明の一実施の形態を示すＧａＮの側面図である。 図１の基板及び多孔質層を剥離・除去した窒化物半導体の側面図である。 図１の基板を剥離・除去した窒化物半導体の側面図である。 図１の再結晶層上に多層膜が形成された窒化物半導体の側面図である。 図１の窒化物半導体の製造過程を説明するための流れ図である。

符号の説明

１ サファイア基板
２ 多孔質層（微細ボイド層）
２ａ 微細なボイド及びその集合体
３ 再結晶層
１０窒化物半導体層

Claims (1)

1. ＧａＮからなる基板上に第一の窒化物半導体層を成長させ、その第一の窒化物半導体層に多数の微細なボイドを有する多孔質層を形成した後、前記多孔質層に熱処理を施して前記多孔質層の構成元素をマイグレートさせて前記多孔質層の表面を再結晶化することにより当該表面が連続する平滑な第二の窒化物半導体層を成長させ、前記第二の窒化物半導体層を上記基板或いは上記基板及びボイドを有する多孔質層から剥離することを特徴とする窒化物半導体の製造方法。

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