JP5587848B2 - 半導体積層構造の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、窒化物半導体層を積層した半導体積層構造の製造方法に関するものである。

窒化物半導体は、ワイドギャップ，高い絶縁破壊電解，高い飽和電子速度，および熱的安定性を有し、耐高温・高出力・高周波トランジスタや、様々な波長域の受光素子，発光素子などの電子素子への応用が期待され開発が進められている。このような窒化物半導体を用いた素子は、通常、極性面方向である＋ｃ面（（０００１）面）方向に結晶成長することで形成される窒化物半導体層を積層して構成されている。

例えば、ｃ軸方向にエピタキシャル成長させたＡｌＧａＮ／ＧａＮからなる電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）がある。このトランジスタでは、通常、ＡｌＧａＮとＧａＮとの界面に発生する分極電界により、ヘテロ界面に誘起する高濃度の２次元電子ガスをチャネルとして用いている。この２次元キャリアガスにより、例えば高電子移動度トランジスタが実現されている。

また、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ＡｌＧａＮによる量子井戸構造（非特許文献１参照），および窒化物半導体を用いた発光ダイオード（非特許文献２参照）などの素子も提案されている。

T.Deguchi et al. , "Quantum-Confined Stark Effect in an AlGaN/GaN/AlGaN Single QuantumWell Structure", Jpn. J. Appl. Phys. , vol.38, pp. L 914-L 916, 1999. P. Waltereit et al. , "Nitride semiconductors free of electrostatic fields for efficient white light-emitting diodes", NATURE, vol.406, pp.865-868, 2000. ロバート・アーミテイジ 他、「ＭＯＶＰＥ法によるサファイア基板上へのｍ面ＧａＮの成長」、松下電工技報、vol. 56、 no. 3、８１−８５頁、２００８年。

ところで、分極電界により誘起される２次元キャリアガスをチャネルとしているため、通常ノーマリーオンで動作するものとなる。ここで、窒化物半導体の特性を生かした電力応用を考えた場合、回路の信頼性向上のためにノーマリーオフ動作することが求められる。ところが、上述した特徴を有しているため、窒化物半導体を利用したトランジスタをノーマリーオフ動作させるためには、例えば、リセスゲート構造にするなどの複雑な製造プロセスが必要となる。

また、窒化物半導体を、発光ダイオード（ＬＥＤ）などの発光素子に利用する場合、分極の存在による発光効率の低下という問題も生じる。

上述した窒化物半導体の分極効果を回避するために、例えば、ｍ面をはじめとする非極性面および半極性面へ結晶成長した窒化物半導体を利用する技術が提案されている（非特許文献３参照）。しかしながら、これらの非極性面、半極性面への窒化物半導体の結晶成長は容易ではなく、未だ研究室レベルを脱していないのが実情である。

一方、Ｃ面の成長は容易であるが、分極が発生するため、これを回避するためには、隣接する層の分極の方向が異なるように各層を形成する必要がある。しかしながら、有機金属気相成長法などの一般的な結晶成長技術によるＣ面の成長では、窒化物半導体の層は、＋ｃ軸方向にしか結晶成長せず、成長している表面はすべてＩＩＩ族極性面となる。このため、製造が容易なＣ面の成長では、分極の発生を回避することができない。

以上に説明したように、窒化物半導体の分極効果を抑制するなどの分極効果の状態を制御した状態で、窒化物半導体の層を積層することが容易ではないという問題があった。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、一般的な結晶成長方法による窒化物半導体層の積層で、分極効果が制御できるようにすることを目的とする。

本発明に係る半導体積層構造の製造方法は、基板の上に六方晶系の窒化ホウ素からなる分離層を形成する工程と、分離層の上にアルミニウムを含む窒化物半導体からなる第１半導体層を＋ｃ軸方向に結晶成長する工程と、ｃ軸方向に結晶成長された窒化物半導体から構成されて主表面がＩＩＩ族極性面とされた第２半導体層の主表面に、第１半導体層のＩＩＩ族極性面を貼り合わせる工程と、第１半導体層と基板とを分離層で分離する工程とを少なくとも備える。例えば、第１半導体層のＩＩＩ族極性面と第２半導体層のＩＩＩ族極性面とは、各々のＩＩＩ族極性面に大気中でプラズマを照射してこれらの表面を活性化し、この状態で各々のＩＩＩ族極性面を当接させて熱処理を加えることで貼り合わせる。

上記半導体積層構造の製造方法において、基板の上に六方晶系の窒化ホウ素からなる分離層を形成する工程と、分離層の上にアルミニウムを含む窒化物半導体からなる第３半導体層を＋ｃ軸方向に結晶成長する工程と、第３半導体層と基板とを分離層で分離する工程と、第２半導体層の主表面に貼り合わされた第１半導体層のＮ極性面に、第３半導体層の基板より剥離した側のＮ極性面を貼り合わせる工程とを備えるようにしてもよい。例えば、前記第１半導体層のＮ極性面と前記第２半導体層のＮ極性面とは、各々のＮ極性面に大気中でプラズマを照射してこれらの表面を活性化し、この状態で各々のＮ極性面を当接させて熱処理を加えることで貼り合わせる。なお、結晶成長は、有機金属気相成長法により行えばよい。

以上説明したことにより、本発明によれば、一般的な結晶成長方法による窒化物半導体層の積層で、分極効果が制御できるようになるという優れた効果が得られる。

図１Ａは、本発明の実施の形態における半導体積層構造の製造方法を説明するための各工程における状態を示す断面図である。 図１Ｂは、本発明の実施の形態における半導体積層構造の製造方法を説明するための各工程における状態を示す断面図である。 図１Ｃは、本発明の実施の形態における半導体積層構造の製造方法を説明するための各工程における状態を示す断面図である。 図１Ｄは、本発明の実施の形態における半導体積層構造の製造方法を説明するための各工程における状態を示す断面図である。 図２は、サファイア基板の上に窒化ホウ素層およびＡｌＧａＮ層を介して形成したＧａＮの層の表面状態を金属顕微鏡で観察した結果を示す写真である。 図３は、サファイア基板の上に窒化ホウ素層およびＡｌＧａＮ層を介して形成したＧａＮのＸ線回折分析の結果を示す特性図である。 図４は、剥離基板の上に剥離・転写されたＧａＮ層およびＡｌＧａＮ層のＸ線回折分析の結果を示す特性図である。 図５は、剥離基板の上に剥離・転写されたＧａＮ層のラマン散乱スペクトルを示す特性図である。 図６は、剥離基板の上に剥離・転写されたＧａＮ層およびＡｌＧａＮ層のカソードルミネッセンススペクトルを示す特性図である。 図７Ａは、本発明の実施の形態における半導体積層構造の製造方法を説明するための各工程における状態を示す断面図である。 図７Ｂは、本発明の実施の形態における半導体積層構造の製造方法を説明するための各工程における状態を示す断面図である。 図７Ｃは、本発明の実施の形態における半導体積層構造の製造方法を説明するための各工程における状態を示す断面図である。 図７Ｄは、本発明の実施の形態における半導体積層構造の製造方法を説明するための各工程における状態を示す断面図である。 図７Ｅは、本発明の実施の形態における半導体積層構造の製造方法を説明するための各工程における状態を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１Ａ〜図１Ｄは、本発明の実施の形態における半導体積層構造の製造方法を説明するための各工程における状態を示す断面図である。

まず、図１Ａに示すように、基板１０１の上に六方晶系の窒化ホウ素からなる分離層１０２を形成する。例えば、サファイア（コランダム：Ａｌ₂Ｏ₃）からなる基板１０１の上に、よく知られた有機金属気相成長法により、トリエチルボロンおよびアンモニアをソースガスとして窒化ホウ素を堆積させればよい。このとき、基板温度条件は１０８０℃とすればよい。なお、分離層１０２の形成前に、基板１０１の表面を、有機金属気相成長装置の反応炉内の圧力を３９９９９．６Ｐａ（３００Ｔｏｒｒ）とした水素ガス雰囲気で、基板温度を１０８０℃に加熱することによるサーマルクリーニングを行っておくとよい。

次に、図１Ｂに示すように、分離層１０２の上に、アルミニウムを含む窒化物半導体からなる第１半導体層１０３を結晶成長する。例えば、有機金属気相成長法により、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、およびアンモニアをソースガスとしてＡｌＧａＮを結晶成長することで、第１半導体層１０３が形成できる。この有機金属気相成長法によれば、窒化物半導体の第１半導体層１０３は、＋ｃ軸方向に結晶成長し、成長している表面がＩＩＩ族極性面１０３ａとなる。なお、窒化物半導体の（０００１）面である＋ｃ面がＩＩＩ族極性面であり、これに対向する−ｃ面がＮ極性面である。

次に、図１Ｃに示すように、ｃ軸方向に結晶成長された窒化物半導体から構成されて主表面がＩＩＩ族極性面１０４ａとされた第２半導体層１０４の主表面に、第１半導体層１０３のＩＩＩ族極性面１０３ａを貼り合わせる。例えば、第１半導体層１０３のＩＩＩ族極性面１０３ａ、および第２半導体層１０４のＩＩＩ族極性面１０４ａに大気中でプラズマを照射してこれらの表面を活性化し、この状態で各々のＩＩＩ族極性面を当接させ、所定の熱処理を加えることで貼り合わせることができる。なお、第２半導体層１０４は、例えば、サファイアなどの結晶基板（不図示）の上に、結晶成長することで形成されたものである。また、第２半導体層１０４は、アルミニウムを含んでいる必要はない。例えば、第２半導体層１０４は、ＧａＮ層であってもよい。

次に、図１Ｄに示すように、第１半導体層１０３と基板１０１とを、分離層１０２で分離する。六方晶系の窒化ホウ素は、グラファイトと同様に、六角形の頂点にホウ素と窒素とが交互に配置されて構成された六角網面の層が積層された構造を有し、各層間は、弱いファンデルワールス力で結合されている。このため、六方晶系の窒化ホウ素は、機械加工が容易であり、分離層１０２で分離が可能である。例えば、第２半導体層１０４が形成されている結晶基板（不図示）を基板１０１側より引き離すことで、第１半導体層１０３と基板１０１とが、分離層１０２で容易に分離する。

このように分離層１０２で分離することで、第１半導体層１０３と第２半導体層１０４とが積層した半導体積層構造が得られる。この半導体積層構造においては、第１半導体層１０３のＩＩＩ族極性面１０３ａと、第２半導体層１０４のＩＩＩ族極性面１０４ａとが向き合った状態で積層されるので、窒化物半導体における分極効果を打ち消すことが可能となる。また、この半導体積層構造を構成する各窒化物半導体の層は、＋ｃ面方向へ結晶成長したものであり、よく用いられている有機金属気相成長法などにより容易に形成することができる。

次に、分離層として用いた六方晶系の窒化ホウ素について説明する。六方晶系の窒化ホウ素は、よく知られているように、グラファイトと同様の結晶構造を有している。発明者らの鋭意研究の結果、六方晶系の窒化ホウ素の層の上には、ＧａＮは層として結晶成長させることができないが、Ａｌを含む窒化物半導体であれば、層（膜）として結晶成長させることができることを見いだした。

六方晶系の窒化ホウ素は、例えばサファイア基板の上に結晶成長させることができ、このように形成した窒化ホウ素層の上に、ＡｌＧａＮの層であれば形成できるので、窒化ホウ素層の上に、ＡｌＧａＮ層を形成すれば、この上にＧａＮ層が形成できる。このようにして、窒化ホウ素層の上にＡｌＧａＮ層を介して形成したＧａＮの層は、図２の写真に示すように、極めて平坦な表面状態で形成できる。なお、図２は、光学顕微鏡による観察結果である。

また、この状態をＸ線回折分析すると、図３に示すように、ＧａＮ層の（０００２）からの回折、およびＡｌＧａＮ層の（０００２）からの回折が、各々明瞭に観察された。ＧａＮ層のｃ軸格子定数は、０．５１８７ｎｍであり、無歪みのＧａＮのｃ軸格子定数０．５１８５５ｎｍに近く、形成されたＧａＮ層のｃ軸格子歪みは、＋０．０２８９％と求められた。また、ＡｌＧａＮ層のｃ軸格子定数は、０．５１５４ｎｍであり、Ａｌ_0.16Ｇａ_0.84Ｎの組成となっていることがわかった。なお、ＡｌＧａＮに限らず、ＡｌＮも六方晶系の窒化ホウ素の上に結晶成長できることがわかっている。発明者らの検討により、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０．１≦ｘ≦１）であれば、六方晶系の窒化ホウ素の層の上に結晶成長できることが判明している。

以上のことより、サファイア基板の上に、六方晶系の窒化ホウ素の層を形成し、この上にＡｌＧａＮなどのＡｌを含む窒化物半導体の層を介することで、結晶性のよいＧａＮ層が結晶成長できることがわかる。

上述したように、窒化ホウ素層およびＡｌＧａＮ層を介してサファイア基板の上に形成したＧａＮ層は、窒化ホウ素層の部分で、サファイア基板より容易に分離できる。例えば、剥離用基板を用意し、この剥離用基板に導電性両面粘着テープを用いてＧａＮ層を貼り付ける。この状態では、サファイア基板、ＡｌＧａＮ層、ＧａＮ層、および剥離基板の順に積層された状態となっている。この状態より、サファイア基板の側より剥離基板を離間させると、ＡｌＧａＮ層，ＧａＮ層からなる積層構造が、窒化ホウ素層の部分でサファイア基板より分離する。

前述したように、六方晶系の窒化ホウ素は、積層されている六角網面の各層間は、弱いファンデルワールス力で結合されており、この層間の結合力は、粘着テープの粘着力より弱い。このため、上述したようにすることで、上記積層構造は、窒化ホウ素層の部分でサファイア基板より容易に分離させることができる。

このように分離して剥離基板の上に転写されたＧａＮ層およびＡｌＧａＮ層をＸ線回折分析すると、図４に示すように、転写前のＸ線回折同様に、ＧａＮ層の（０００２）からの回折およびＡｌＧａＮ層の（０００２）からの回折が、各々明瞭に観測された。転写されたＧａＮ層のｃ軸格子定数は、０．５１８５５ｎｍであり、無歪みのＧａＮのｃ軸格子定数０．５１８５５ｎｍに近く、転写することにより、ＧａＮ層は無歪みとなっていることがわかった。

次に、剥離基板の上に転写されたＧａＮ層のラマン散乱スペクトルを図５に示す。ＧａＮ層のＥ₂モードが５６７ｃｍ^-1に明瞭に観測され、また、ＧａＮ層のＡ₁モードが７３３ｃｍ^-1に明瞭に観測された。この結果は、無歪みのＧａＮのＥ₂モード５６７ｃｍ^-1、Ａ₁モード７３３ｃｍ^-1とほぼ一致している。これらのことより、ＧａＮ層は、転写により無歪みとなることがわかった。

次に、分離して剥離基板の上に転写されたＧａＮ層およびＡｌＧａＮ層のカソードルミネッセンススペクトルを図６に示す。カソードルミネッセンスの測定は、室温（２３℃程度）で、加速電圧は１０ｋＶである。ＡｌＧａＮ層からの発光が、３３２ｎｍに明瞭に観測され、またＧａＮ層からの発光も、３６３ｎｍ付近に観測される。

以上に説明したことから明らかなように、六方晶系の窒化ホウ素層およびこの上に結晶成長させることが可能なＡｌを含む窒化物半導体の層を利用することで形成したＧａＮ層は、高品質な結晶性を保持した状態で、成長基板より分離させることができることがわかる。

なお、分離のために用いた剥離基板は、サファイア基板を用いてもよく、また、ガラスなどの透明な絶縁性基板、シリコン、シリコンカーバイト、ＧａＮ、ＡｌＮなどの半導体基板、銅、銀などの高い熱伝導率を有する金属、プラスチック、紙などの折り曲げ可能な基板であってもよいことはいうまでもない。

また、上述では、導電性両面粘着テープにより剥離基板に貼り付けるようにしたが、これに限るものではなく、金属シート、低温はんだ、また、導電性接着材を用いて剥離基板に貼り付けるようにしてもよい。例えば、金属シートや低温はんだを用いる場合、これら材料の融点近傍まで加熱することで、剥離基板に融着させることができる。

ところで、前述した実施の形態の説明では、第１半導体層１０３と第２半導体層１０４とを貼り合わせる場合について説明したが、これに限るものではない。次に示すように、新たに、第３半導体層を、第１半導体層１０３に、互いのＮ極性面で貼り合わせるようにしてもよい。

まず、図７Ａに示すように、基板７０１の上に六方晶系の窒化ホウ素からなる分離層７０２を形成する。分離層７０２の形成は、前述した分離層１０２の形成と同様である。

次に、分離層７０２の上に、アルミニウムを含む窒化物半導体からなる第３半導体層７０３を結晶成長する。例えば、有機金属気相成長法により、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、およびアンモニアをソースガスとしてＡｌＧａＮを結晶成長することで、第３半導体層７０３が形成できる。この有機金属気相成長法によれば、窒化物半導体の第３半導体層７０３は、＋ｃ軸方向に結晶成長し、成長している表面がＩＩＩ族極性面７０３ａとなる。第３半導体層７０３についても、前述した第１半導体層１０３の形成と同様である。なお、第３半導体層７０３は、ＡｌＧａＮに限らず、他のアルミニウムを含む窒化物半導体から構成してもよい。

次に、図７Ｃに示すように、第３半導体層７０３と基板７０１とを、分離層７０２で分離する。前述したように、六方晶系の窒化ホウ素は、機械加工が容易であり、分離層７０２で分離が可能である。例えば、剥離用の基板（不図示）を第３半導体層７０３のＩＩＩ族極性面７０３ａに貼り付け、剥離用の基板を基板７０１側より引き離すことで、第３半導体層７０３と基板７０１とが、分離層７０２で容易に分離する。

次に、上述したように第３半導体層７０３と基板７０１とを分離し、第３半導体層７０３に残る分離層７０２を除去した後、図７Ｄに示すように、第３半導体層７０３のＮ極性面７０３ｂを、前述したように作製した第２半導体層１０４に貼り合わされている第１半導体層１０３のＮ極性面１０３ｂに貼り合わせる。例えば、各々のＮ極性面に大気中でプラズマを照射してこれらの表面を活性化し、この状態で各々のＮ極性面を当接させ、所定の熱処理を加えることで貼り合わせることができる。この貼り合わせは、第３半導体層７０３が、前述した剥離用の基板（不図示）に貼り合わされている状態で行えばよい。

以上のように第３半導体層７０３を第１半導体層１０３に貼り合わせることで、第２半導体層１０４，第１半導体層１０３，および第３半導体層７０３の積層構造は、ＩＩＩ族極性面とＮ極性面とを交互に積層した状態となる。

また、さらに、第３半導体層７０３のＩＩＩ族極性面７０３ａに、アルミニウムを含む窒化物半導体からなる第４半導体層７０４のＩＩＩ族極性面７０４ａを貼り合わせてもよい。この場合も、基板の上に六方晶系の窒化ホウ素からなる分離層を形成し、この上に第４半導体層７０４を結晶成長すればよい。また、例えば、前述した剥離用の基板を第３半導体層７０３より除去した後、第４半導体層７０４を貼り合わせる。このように貼り合わせれば、互いのＩＩＩ族極性面で貼り合わされる。この後、第４半導体層７０４と基板とを分離層で分離すればよい。

以上に説明したように、本発明によれば、ＩＩＩ族極性面とＮ極性面とを交互に積層した半導体積層構造が、一般的な結晶成長方法により形成した窒化物半導体層により容易に製造できる。このため、目的とするデバイスに応じて所望とする分極面を使い分けて積層構造が形成できる。また、このようにＩＩＩ族極性面とＮ極性面とを交互に積層することで、分極効果を打ち消すなど分極効果が制御できるようになる。例えば、各層の層厚，組成，組成比などにより、積層構造全体で分極がない状態とし、また、ある程度の分極が発生している状態とすることもできる。これらにより、例えば、異なる窒化物半導体層を積層したヘテロ接合界面に発生する２次元電子ガス濃度や、窒化物半導体層内に発生する内部電界の大きさを制御することが可能となる。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、ＩＩＩ族極性面とＮ極性面とを交互に積層する各層は、ｎ型もしくはｐ型としてもよい。また、ＩＩＩ族極性面の貼り合わせで形成した窒化物半導体層のＮ極性面の上に、新たに窒化物半導体を結晶成長（エピタキシャル成長）させるようにしてもよい。

１０１…基板、１０２…分離層、１０３…第１半導体層、１０３ａ…ＩＩＩ族極性面、１０４…第２半導体層、１０４ａ…ＩＩＩ族極性面。

Claims (5)

1. 基板の上に六方晶系の窒化ホウ素からなる分離層を形成する工程と、
   前記分離層の上にアルミニウムを含む窒化物半導体からなる第１半導体層を＋ｃ軸方向に結晶成長する工程と、
   ｃ軸方向に結晶成長された窒化物半導体から構成されて主表面がＩＩＩ族極性面とされた第２半導体層の主表面に、前記第１半導体層のＩＩＩ族極性面を貼り合わせる工程と、
   前記第１半導体層と前記基板とを前記分離層で分離する工程と
   を少なくとも備えることを特徴とする半導体積層構造の製造方法。
2. 請求項１記載の半導体積層構造の製造方法において、
   基板の上に六方晶系の窒化ホウ素からなる分離層を形成する工程と、
   前記分離層の上にアルミニウムを含む窒化物半導体からなる第３半導体層を＋ｃ軸方向に結晶成長する工程と、
   前記第３半導体層と前記基板とを前記分離層で分離する工程と、
   前記第２半導体層の主表面に貼り合わされた前記第１半導体層のＮ極性面に、前記第３半導体層の前記基板より剥離した側のＮ極性面を貼り合わせる工程と
   を少なくとも備えることと特徴とする半導体積層構造の製造方法。
3. 基板の上に六方晶系の窒化ホウ素からなる分離層を形成する工程と、
   前記分離層の上にアルミニウムを含む窒化物半導体からなる第１半導体層を＋ｃ軸方向に結晶成長する工程と、
   ｃ軸方向に結晶成長された窒化物半導体から構成されて主表面がＩＩＩ族極性面とされた第２半導体層の主表面と、前記第１半導体層のＩＩＩ族極性面とを、各々のＩＩＩ族極性面に大気中でプラズマを照射してこれらの表面を活性化し、この状態で各々のＩＩＩ族極性面を当接させて熱処理を加えることで貼り合わせる工程と、
   前記第１半導体層と前記基板とを前記分離層で分離する工程と
   を少なくとも備える
   ことを特徴とする半導体積層構造の製造方法。
4. 請求項３記載の半導体積層構造の製造方法において、
   基板の上に六方晶系の窒化ホウ素からなる分離層を形成する工程と、
   前記分離層の上にアルミニウムを含む窒化物半導体からなる第３半導体層を＋ｃ軸方向に結晶成長する工程と、
   前記第３半導体層と前記基板とを前記分離層で分離する工程と、
   前記第２半導体層の主表面に貼り合わされた前記第１半導体層のＮ極性面と、前記第３半導体層の前記基板より剥離した側のＮ極性面とを、各々のＮ極性面に大気中でプラズマを照射してこれらの表面を活性化し、この状態で各々のＮ極性面を当接させ、所定の熱処理を加えることで貼り合わせる工程と
   を少なくとも備えることと特徴とする半導体積層構造の製造方法。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体積層構造の製造方法において、
   前記結晶成長は、有機金属気相成長法により行うことを特徴とする半導体積層構造の製造方法。