JP5056299B2 - 窒化物半導体下地基板、窒化物半導体積層基板および窒化物半導体下地基板の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ＧａＮ自立基板等を作製するための窒化物半導体下地基板、窒化物半導体積層基板および窒化物半導体下地基板の製造方法に関する。

半導体成長用基板として既に世の中に多く普及しているＳｉ（シリコン）基板やＧａＡｓ（砒化ガリウム）基板は、主に引上法によって融液からバルク結晶を成長させた大型のインゴットを切り出して作製され、これら基板は転位、欠陥が少なく安定的に生産されている。

一方、窒化物半導体基板は、Ｓｉ基板やＧａＡｓ基板のような融液からの成長方法が困難なため、窒化物半導体を気相成長させるための基板として、これまで、単結晶サファイア基板などが利用されてきた。

しかしながら、サファイア基板は、窒化物半導体であるＧａＮなどとは格子定数が大きく異なるため、サファイア基板上に直接ＧａＮを気相成長させたのではＧａＮ単結晶膜を得ることができない。このため、サファイア基板上に、まず比較的低温でＡｌＮやＧａＮのバッファ層を成長させ、この低温成長バッファ層で格子の歪みを緩和させて、その上にＧａＮを成長させる方法が考案されている。

この低温成長窒化物層をバッファ層として用いることで、ＧａＮの単結晶エピタキシャル成長は可能になったが、この方法でも、やはりサファイア基板と窒化物半導体エピタキシャル結晶の格子定数の大きなずれの悪影響から、成長後のＧａＮは無数の欠陥を有している。この欠陥は、ＧａＮ系レーザ発光ダイオード（ＬＤ）や高輝度発光ダイオード（ＬＥＤ）を製作する上で性能と信頼性に大きな障害となることが予想される。

上記のような理由から、基板と窒化物半導体結晶との格子のずれが生じないＧａＮ自立基板の出現が切望されている。例えば、ＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長：Hydride Vapor Phase Epitaxy）法、超高温高圧法、フラックス法等の種々の方法が試みられている。
中でもＨＶＰＥ法によるＧａＮ自立基板の開発は最も進んでおり、市場への流通も始まり、窒化物半導体基板は青紫色レーザ発光ダイオード（ＬＤ）や青色発光ダイオード（ＬＥＤ）の高出力化、高効率化の材料として注目されている。

ＧａＮ自立基板として最も実用化が進んでいるのが、下地基板上に転位密度を低減したＧａＮ層を厚くエピタキシャル成長させ、このＧａＮ厚膜層を下地基板から剥離してＧａＮ自立基板として用いる方法である。
具体的には、サファイア基板にＧａＮ層を形成した下地基板に、剥離のための中間層としてＴｉ膜を形成した後、水素ガスとアンモニアガスとの混合雰囲気で加熱することにより、上記ＧａＮ層に空隙（ボイド）を形成すると共にＴｉ膜を微細孔を有するＴｉＮ膜とし、このＴｉＮ膜上にＧａＮ厚膜層を成長し、ＧａＮ厚膜層をサファイア基板から剥離して、反りが少なく且つ低欠陥のＧａＮ自立基板を作製する方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−１７８９８４号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載のような、ＧａＮ自立基板作製のためのＧａＮ厚膜成長では、下地基板のＧａＮ層上に設けた基板剥離のためのＴｉ膜等の中間層と、その上に成長したＧａＮ厚膜層との結合（固着）が強く、結合（固着）部からＧａＮ厚膜層中にクラックが発生するなど、ＧａＮ自立基板製造の歩留りを低下させていた。
本発明は、上記課題を解決し、異種材料基板剥離用の中間層と自立基板として得られる第二の窒化物半導体層との結合を低減し、歩留りの改善を図った窒化物半導体下地基板、窒化物半導体積層基板および窒化物半導体下地基板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、本発明は次のように構成されている。
本発明の第１の態様は、窒化物とは異なる異種材料基板上に第一の窒化物半導体層を有し、前記第一の窒化物半導体層の上に、前記異種材料基板剥離用の中間層と、前記中間層の上に成長する第二の窒化物半導体層とを形成するために用いられる窒化物半導体下地基板であって、前記第一の窒化物半導体層は、前記異種材料基板上に２次元成長し、その転位密度が１.０×１０¹⁰／ｃｍ²以上であることを特徴とする窒化物半導体下地基板である。

本発明の第２の態様は、窒化物とは異なる異種材料基板に転位密度が１.０×１０¹⁰／ｃｍ²以上である第一の窒化物半導体層を２次元成長により形成した窒化物半導体下地基板上に、前記異種材料基板剥離用の中間層と、前記中間層の上に成長した第二の窒化物半導体層とが積層されたことを特徴とする窒化物半導体積層基板である。

本発明の第３の態様は、窒化物とは異なる異種材料基板上に第一の窒化物半導体層を有し、前記第一の窒化物半導体層の上に、前記異種材料基板剥離用の中間層と、前記中間層の上に成長する第二の窒化物半導体層とを形成するために用いられる窒化物半導体下地基板の製造方法であって、前記第一の窒化物半導体層は、前記異種材料基板上に２次元成長し、その転位密度が１.０×１０¹⁰／ｃｍ²以上であることを特徴とする窒化物半導体下地基板の製造方法である。

本発明によれば、異種材料基板剥離用の中間層と自立基板となる第二の窒化物半導体層との結合（密着、固着）を低減でき、ＧａＮ自立基板等の窒化物半導体自立基板の製造の歩留りを向上できる。

以下に、本発明の実施形態を説明する。

ＧａＮ自立基板等の窒化物半導体自立基板の製造には、まず、窒化物とは異なる異種材料基板（サファイア等）上に、転位密度が１.０×１０^１０／ｃｍ^２以上である第一の窒
化物半導体層（ＧａＮ層等）を形成した窒化物半導体下地基板を作製する。
次に、前記窒化物半導体下地基板の第一の窒化物半導体層上に、異種材料基板剥離用の中間層（金属膜など）と第二の窒化物半導体層（ＧａＮ層など）とを積層した構造の窒化物半導体積層基板を作製する。
次に、前記窒化物半導体積層基板から前記異種材料基板を剥離し、剥離して得られた前記第二の窒化物半導体層を窒化物半導体自立基板として用いる。

ところで、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）等による、従来の上記窒化物半導体下
地基板の作製では、上記第一の窒化物半導体層の転位密度を１.０×１０^９／ｃｍ^２台に
低く抑えて成長させていた。しかしながら、下地基板となる第一の窒化物半導体層の転位密度が１.０×１０^９／ｃｍ^２台と低いため、連続したファセット成長の集合となり、第
一の窒化物半導体層の成長表面が荒れてしまう。このため、第一の窒化物半導体層上に設けた下地基板剥離のための中間層とさらにその上に成長する第二の窒化物半導体層との界面も荒れ、中間層と自立基板となる第二の窒化物半導体層との結合・固着が顕著になり、自立基板製造上、大きな歩留りの低下となることが判明した。

そこで本発明では、第一の窒化物半導体層の転位密度に着目し、転位密度を増やす方向で成長することによって２次元成長を促し、第一の窒化物半導体層の表面モフォロジを平坦にし、剥離のための中間層と自立基板として得られる第二の窒化物半導体との結合・固着・密着を低減し、自立基板の歩留りの改善を図っている。

本実施形態では、第一の窒化物半導体層の転位密度を増やすために、従来の転位密度が１.０×１０^９／ｃｍ^２台時の成長温度よりも高い温度で成長して２次元成長を促すこと
により、第一の窒化物半導体層の転位密度は１.０×１０^１０／ｃｍ^２台となるが、下地
基板表面のモフォロジは平坦となるようにしている。

上記異種材料基板には、サファイア、シリコン、ＳｉＣ、ランガサイト、Ａｌ、ＧａＡｓなどの基板を用いることができる。
上記第一の窒化物半導体層には、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮなどの半導体層が挙げられる。また、例えば、サファイア等の異種材料基板上に、ＧａＮ低温バッファ層を介してＧａＮ層を形成するようにしてもよい。
第二の窒化物半導体層には、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮなどの半導体層が挙げられる。
上記第一、第二の窒化物半導体層の成長法は、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）など、種々の方法を用いることができる。第二の窒化物半導体層の成長には、成長速度が速いＨＶＰＥ法を用いるのが好ましいが、ＭＯＶＰＥ法など別の方法と組み合わせて用いてもよい。

上記異種材料基板剥離用の中間層には、Ｔｉ膜等の金属膜を用いるのがよい。この金属膜が形成された窒化物半導体下地基板に、例えば、ＮＨ_３とＨ_２の混合雰囲気で熱処理を施して、金属膜を窒化し且つ第一の窒化物半導体層中に多数のボイドを形成した後、第二の窒化物半導体層を形成して窒化物半導体積層基板を作製すれば、冷却過程においる自然剥離、機械的衝撃、薬液によるエッチング、熱衝撃などによって容易に異種材料基板を剥離できる。
上記金属膜には、チタン、ニッケル、タンタル、タングステン、白金などが挙げられる。
また、中間層は、金属膜に限らず、機械的衝撃、薬液によるエッチング、熱衝撃などによって剥離されやすい窒化物半導体などの材料を用いてもよい。

次に、本発明の実施例を図面を用いて説明する。
（実施例）
図１は、本実施例のＧａＮ自立基板を製造する工程を示す工程図である。
まず、直径２.５インチで厚さ４００μｍの単結晶サファイアＣ面基板１上に、有機金
属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）によりＴＭＧ（トリメチルガリウム、Ｇａ(ＣＨ_３)_３）とＮＨ_３（アンモニア）を原料として、アンドープＧａＮ層２を３００ｎｍ成長してＧａＮ下地基板１０を作製した（図１（ａ））。この時の成長温度は１１００℃とした。
得られたＧａＮ層２の転位密度を調べたところ１.１×１０^１０／ｃｍ^２であり、また
、ノマルスキー微分干渉顕微鏡でＧａＮ層２の表面を観察した結果、モフォロジは平坦できれいであった。

次に、ＧａＮ下地基板１０のＧａＮ層２上に、電子ビーム蒸着器を用いてＴｉ膜３を３０ｎｍ蒸着した後（図１（ｂ））、これを電気炉に入れて、ＮＨ_３とＨ_２の混合気流中で１０６０℃の温度を加えて３０ｍｉｎ間の熱処理を施した（図１（ｃ））。この熱処理により、Ｔｉ膜３は網目状のＴｉＮ膜１３に変化すると同時に、ＧａＮ層２中には多数のボイドが形成されたＧａＮ層１２が形成された。

このＴｉＮ膜１３及びボイドが形成されたＧａＮ層１２を有するＧａＮ下地基板を、ハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ）炉内の基板ホルダに保持して、ＴｉＮ膜１３上にＧａＮ層４を成長温度１０００℃で８００μｍ成長し、ＧａＮ積層基板２０を作製した（（図１（ｄ））。ＨＶＰＥ法に用いた原料はＮＨ_３とＧａＣｌで、キャリアガスとしてＮ_２を用いた。
ＧａＮ層４の成長終了後の降温過程においても、厚膜のＧａＮ層４部分はサファイア基板１から剥離することはなく、ＧａＮ積層基板２０を取り出すことができた。このＧａＮ積層基板２０にその側面から機械的衝撃を与えることにより、サファイア基板１はＧａＮ層１２、ＴｉＮ膜１３の部分から容易に剥離した。剥離して得られたＧａＮ層４の裏面に残っている、ＴｉＮ膜１３或いはＴｉＮ膜１３及びＧａＮ層１２を研磨して、ＧａＮ自立基板３０を作製した（図１（ｅ））。

（比較例）
上記実施例と同様に、まず、直径２.５インチで厚さ４００μｍの単結晶サファイアＣ
面基板上に、ＭＯＶＰＥ法によりＴＭＧとＮＨ_３を原料として、アンドープＧａＮ層を３００ｎｍ成長してＧａＮ下地基板を作製した。この比較例では、成長温度は１０７０℃とした。
得られたＧａＮ下地基板のＧａＮ層の転位密度を調べると７.０×１０^９／ｃｍ^２であ
った。また、ノマルスキー微分干渉顕微鏡でＧａＮ層の表面を観察した結果、モフォロジは凹凸に荒れていた。
次に、上記実施例と同様に、電子ビーム蒸着器を用いてＴｉ膜の蒸着を行い、電気炉で熱処理してＧａＮ層中にボイド形成及びＴｉ膜の窒化を行った後、ＨＶＰＥ法によってＴｉＮ膜上にＧａＮ厚膜成長を行った。
ところが、ＴｉＮ膜とＧａＮ厚膜層との固着部からＧａＮ厚膜中に多くのクラックが発生していた。また、結晶成長後の降温過程において、ＴｉＮ膜、ボイドＧａＮ層を境にＧａＮ厚膜層部分とサファイア基板が剥離して、ＧａＮ厚膜層部分が落下して割れてしまうこともあった。これは、クラックからの異常成長に起因する膜厚不均一による自重落下と考えられる。

実施例におけるＧａＮ自立基板を製造する工程を示す工程図である。

符号の説明

１ 単結晶サファイアＣ面基板（異種材料基板）
２ ＧａＮ層（第１の窒化物半導体層）
３ Ｔｉ膜（中間層）
４ ＧａＮ層（第２の窒化物半導体層）
１０ ＧａＮ下地基板（窒化物半導体下地基板）
１２ ボイドが形成されたＧａＮ層
１３ 網目構造のＴｉＮ膜（中間層）
２０ ＧａＮ積層基板（窒化物半導体積層基板）
３０ ＧａＮ自立基板（窒化物半導体自立基板）

Claims (3)

1. 窒化物とは異なる異種材料基板上に第一の窒化物半導体層を有し、前記第一の窒化物半導体層の上に、前記異種材料基板剥離用の中間層と、前記中間層の上に成長する第二の窒化物半導体層とを形成するために用いられる窒化物半導体下地基板であって、前記第一の窒化物半導体層は、前記異種材料基板上に２次元成長し、その転位密度が１.０×１０¹⁰／ｃｍ²以上であることを特徴とする窒化物半導体下地基板。
2. 窒化物とは異なる異種材料基板に転位密度が１.０×１０¹⁰／ｃｍ²以上である第一の窒化物半導体層を２次元成長により形成した窒化物半導体下地基板上に、前記異種材料基板剥離用の中間層と、前記中間層の上に成長した第二の窒化物半導体層とが積層されたことを特徴とする窒化物半導体積層基板。
3. 窒化物とは異なる異種材料基板上に第一の窒化物半導体層を有し、前記第一の窒化物半導体層の上に、前記異種材料基板剥離用の中間層と、前記中間層の上に成長する第二の窒化物半導体層とを形成するために用いられる窒化物半導体下地基板の製造方法であって、前記第一の窒化物半導体層は、前記異種材料基板上に２次元成長し、その転位密度が１.０×１０¹⁰／ｃｍ²以上であることを特徴とする窒化物半導体下地基板の製造方法。

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