JP5839479B2 - Nitride semiconductor layer manufacturing method and nitride semiconductor growth substrate - Google Patents
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Description
本発明は、より簡便な方法で窒化物半導体層の製造を可能にする窒化物半導体層の製造方法および窒化物半導体成長用基板に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a nitride semiconductor layer and a substrate for growing a nitride semiconductor that enable the manufacture of a nitride semiconductor layer by a simpler method.
ＧａＮをはじめとした窒化物半導体は、ＩＩＩ族元素の混合比を変えることで０．７〜６．２ｅＶという広い範囲のエネルギーギャップを有する材料を得ることができるという特徴を有している。このバンドギャップ範囲は、いわゆる可視光の領域を完全に含んでいる。このような特徴を生かし、窒化物半導体は、発光ダイオード（ＬＥＤ）などに応用され、信号機や様々なディスプレイとして広く一般に使われている。 Nitride semiconductors such as GaN have a feature that a material having an energy gap in a wide range of 0.7 to 6.2 eV can be obtained by changing the mixing ratio of group III elements. This band gap range completely includes the so-called visible light region. Taking advantage of these features, nitride semiconductors are applied to light emitting diodes (LEDs) and the like, and are widely used as traffic lights and various displays.
上述したような窒化物半導体を用いたＬＥＤなどの素子を形成する場合、ＧａＮをはじめとした窒化物半導体の層を、基板の上に形成することになる。このように、窒化物半導体層を基板上に形成する場合、これまでは、サファイア基板，ＳｉＣ基板，あるいはＳｉ基板といった、窒化物以外の材料から構成された基板を用いるのが一般的であった。 When an element such as an LED using a nitride semiconductor as described above is formed, a nitride semiconductor layer including GaN is formed on the substrate. Thus, when a nitride semiconductor layer is formed on a substrate, it has been common to use a substrate made of a material other than nitride, such as a sapphire substrate, a SiC substrate, or a Si substrate. .
これに対し、近年ＧａＮ基板の製造技術が発展し、転位密度の少ないＧａＮ基板が提供されるようになっており、ＧａＮ基板を用いて窒化物半導体層を形成し、素子が製造されるようになっている。例えば、ブルーレイ（登録商標）プレーヤーなどに用いられるレーザーダイオード、照明用の白色発光ダイオードなど、高出力の発光デバイス向けの素子に、ＧａＮ基板が使われている。 On the other hand, in recent years, GaN substrate manufacturing technology has been developed, and a GaN substrate having a low dislocation density has been provided, and a nitride semiconductor layer is formed using the GaN substrate to manufacture a device. It has become. For example, GaN substrates are used for elements for high-power light-emitting devices such as laser diodes used in Blu-ray (registered trademark) players and white light-emitting diodes for illumination.
ＧａＮ基板の製造法はいくつかあるが、ＧａＡｓ基板あるいはサファイア基板上にハイドライド気相成長法（Hydride Vapor Phase Epitaxy: HVPE）で、厚さ数百μｍのＧａＮ厚膜を成長し、この後、形成したＧａＮ厚膜より、基板を除去あるいは剥離し、ＧａＮ厚膜よりなるＧａＮ基板を製造する手法が広く用いられている。 There are several methods for manufacturing GaN substrates. A GaN thick film with a thickness of several hundreds of μm is grown on a GaAs substrate or sapphire substrate by hydride vapor phase epitaxy (HVPE). A method of manufacturing a GaN substrate made of a GaN thick film by removing or peeling the substrate from the thick GaN film is widely used.
上述したＧａＮ基板の形成技術のうち、例えば非特許文献１では、ＧａＡｓ基板上にＨＶＰＥでＧａＮ厚膜を形成することで、ＧａＮ基板を製造している。ここに記載されている手法によれば、１）ＨＶＰＥ成長する前にＧａＡｓ基板へのフォトリソグラフィ工程を含み、かつ、２）ＨＶＰＥ成長後にＧａＡｓ基板を除去する機械的加工工程を含むことになり、製造法としては非常に煩雑になる。 Among the GaN substrate formation techniques described above, for example, in Non-Patent Document 1, a GaN substrate is manufactured by forming a GaN thick film on a GaAs substrate with HVPE. According to the technique described herein, it includes 1) a photolithography process on a GaAs substrate before HVPE growth, and 2) a mechanical processing process that removes the GaAs substrate after HVPE growth, As a manufacturing method, it becomes very complicated.
一方、非特許文献２では、サファイア基板上にＨＶＰＥでＧａＮ厚膜を形成することでＧａＮ基板を製造している。この非特許文献２の技術では、１）サファイア基板上にＧａＮの「ボイド」を形成した後に自己形成的にＴｉＮナノマスクを形成する工程、２）ＨＶＰＥ成長後の冷却過程において、サファイアの熱膨張係数がＧａＮの熱膨張係数よりも大きいことと上記ボイドの存在により「自然に剥離」する工程、によりＧａＮ基板を製造している。この製造方法によれば、前述した非特許文献１の製造方法に比べて工程の煩雑さは少ない。 On the other hand, in Non-Patent Document 2, a GaN substrate is manufactured by forming a GaN thick film with HVPE on a sapphire substrate. In the technology of Non-Patent Document 2, 1) a process of forming a TiN nanomask in a self-forming manner after forming a “void” of GaN on a sapphire substrate, and 2) a thermal expansion coefficient of sapphire in a cooling process after HVPE growth. Is larger than the thermal expansion coefficient of GaN and “naturally peels off” due to the presence of the voids, thereby producing a GaN substrate. According to this manufacturing method, the process is less complicated than the manufacturing method of Non-Patent Document 1 described above.
しかしながら、非特許文献２の技術は、基板の熱膨張係数がＧａＮよりも大きいことを前提とした手法であるため、例えば、製造出発時の基板としてＧａＮ基板を用いることによる高品質化を実施することは不可能である。また、Ｓｉの熱膨張係数はＧａＮよりも小さいために、基板の低コスト化のためにサファイアよりも価格の安いＳｉ基板を用いることも不可能である。 However, since the technique of Non-Patent Document 2 is based on the premise that the thermal expansion coefficient of the substrate is larger than that of GaN, for example, high quality is achieved by using a GaN substrate as a substrate at the start of production. It is impossible. Further, since the thermal expansion coefficient of Si is smaller than that of GaN, it is impossible to use a Si substrate that is less expensive than sapphire in order to reduce the cost of the substrate.
以上に説明したように、従来の技術では、窒化物半導体の層を形成するにあたり、工程が煩雑であり、また、製造開始時に用いる基板に制限があるという問題があった。 As described above, according to the conventional technology, there are problems that the process is complicated in forming the nitride semiconductor layer, and the substrate used at the start of manufacture is limited.
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、煩雑な工程を用いることなく、製造開始時に様々な基板が利用できる状態で、窒化物半導体の層が製造できるようにすることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and allows a nitride semiconductor layer to be manufactured in a state where various substrates can be used at the start of manufacturing without using complicated processes. The purpose is to.
本発明に係る窒化物半導体層の製造方法は、酸素および窒素の少なくとも１つとＩｎとの化合物からなるＩｎ化合物層を基板の上に形成する工程と、Ｉｎ化合物層の上に窒化物半導体をエピタキシャル成長させて窒化物半導体層を形成する工程と、窒化物半導体層を形成した後で、加熱することでＩｎ化合物層を選択的に融解させて窒化物半導体層より基板を剥離する工程とを少なくとも備え、Ｉｎ化合物層は、複数の島状の化合物の部分から構成し、窒化物半導体層の形成では、少なくとも窒化物半導体層がＩｎ化合物層を覆うまでは、窒化物半導体層の形成雰囲気でＩｎ化合物層が蒸発する温度より低い温度条件とする。 A method for manufacturing a nitride semiconductor layer according to the present invention includes a step of forming an In compound layer made of a compound of at least one of oxygen and nitrogen and In on a substrate, and epitaxially growing the nitride semiconductor on the In compound layer At least a step of forming a nitride semiconductor layer and a step of selectively melting the In compound layer by heating and peeling the substrate from the nitride semiconductor layer after the formation of the nitride semiconductor layer. The In compound layer is composed of a plurality of island-shaped compound portions. In forming the nitride semiconductor layer, at least until the nitride semiconductor layer covers the In compound layer, the In compound layer is formed in the atmosphere in which the nitride semiconductor layer is formed. The temperature condition is lower than the temperature at which the layer evaporates.
上記窒化物半導体層の製造方法において、窒化物半導体層の形成は、ハイドライド気相成長法により行うとよい。また、窒化物半導体は、ＧａＮであればよい。 In the nitride semiconductor layer manufacturing method, the nitride semiconductor layer may be formed by a hydride vapor phase growth method. The nitride semiconductor may be GaN.
また、本発明に係る窒化物半導体成長用基板は、基板とこの基板の上に形成されたＩｎ化合物層とを備え、前記Ｉｎ化合物層は、酸素および窒素の少なくとも１つとＩｎとの化合物から構成され、Ｉｎ化合物層は、複数の島状の化合物の部分から構成されている。 The nitride semiconductor growth substrate according to the present invention includes a substrate and an In compound layer formed on the substrate, and the In compound layer is composed of a compound of In and at least one of oxygen and nitrogen. The In compound layer is composed of a plurality of island-shaped compound portions .
以上説明したことにより、本発明によれば、煩雑な工程を用いることなく、製造開始時に様々な基板が利用できる状態で、窒化物半導体の層が製造できるようになるという優れた効果が得られる。 As described above, according to the present invention, an excellent effect can be obtained that a nitride semiconductor layer can be manufactured in a state where various substrates can be used at the start of manufacturing without using a complicated process. .
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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
［実施の形態１］
はじめに、本発明の実施の形態１について、図１Ａ〜図１Ｃを用いて説明する。図１Ａ〜図１Ｃは、本発明の実施の形態１における窒化物半導体層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構成図である。図１Ａ〜図１Ｃは、各工程における状態を、模式的な断面で示している。
[Embodiment 1]
First, Embodiment 1 of the present invention will be described with reference to FIGS. 1A to 1C. 1A to 1C are configuration diagrams showing states in respective steps for describing the method for manufacturing a nitride semiconductor layer in the first embodiment of the present invention. FIG. 1A to FIG. 1C show the state in each step in a schematic cross section.
まず、図１Ａに示すように、基板１０１の上に、酸素および窒素の少なくとも１つとＩｎとの化合物からなるＩｎ化合物層１０２を形成する。基板１０１は、サファイア（Ａｌ2Ｏ3），ＳｉＣ，Ｓｉ，ＧａＮ，およびＧａＡｓなどの基板であればよい。また、Ｉｎ化合物層１０２は、例えば、酸化インジウム（Ｉｎ2Ｏ3）、窒化インジウムであればよい。また、Ｉｎ化合物層１０２は、酸窒化インジウム（ＩｎＮxＯy；０≦ｘ，ｙ≦１、ただしｘ，ｙは同時に０ではない）から構成されていてもよい。 First, as shown in FIG. 1A, an In compound layer 102 made of a compound of In and at least one of oxygen and nitrogen is formed on a substrate 101. The substrate 101 may be any substrate such as sapphire (Al 2 O 3 ), SiC, Si, GaN, and GaAs. The In compound layer 102 may be, for example, indium oxide (In 2 O 3 ) or indium nitride. The In compound layer 102 may be composed of indium oxynitride (InN x O y ; 0 ≦ x, y ≦ 1, where x and y are not 0 at the same time).
Ｉｎ化合物層１０２は、例えば、スパッタ法により形成してもよく、また、窒化インジウムであれば、分子線エピタキシー法などの気相成長法により形成してもよい。また、金属インジウムを蒸着法で堆積した後、酸素雰囲気で加熱して金属インジウムを酸化させて酸化インジウムとし、Ｉｎ化合物層１０２を形成してもよい。このように、Ｉｎ化合物層１０２を形成した基板１０１をテンプレート基板（窒化物半導体成長用基板）とすることで、以下に説明するように窒化物半導体層を形成する。 The In compound layer 102 may be formed by, for example, sputtering, or may be formed by vapor deposition such as molecular beam epitaxy if indium nitride is used. Alternatively, after depositing metal indium by an evaporation method, the In compound layer 102 may be formed by heating in an oxygen atmosphere to oxidize the metal indium to form indium oxide. Thus, by using the substrate 101 on which the In compound layer 102 is formed as a template substrate (nitride semiconductor growth substrate), a nitride semiconductor layer is formed as described below.
図１Ｂに示すように、Ｉｎ化合物層１０２の上に窒化物半導体をエピタキシャル成長させて窒化物半導体層１０３を形成する。例えば、よく知られたハイドライド気相成長法により、ＧａＮをエピタキシャル成長させることで、窒化物半導体層１０３を形成すればよい。窒化物半導体層１０３は、有機金属気相成長法で形成してもよく、また、分子線エピタキシー法で形成してもよい。ただし、ハイドライド気相成長法を用いることで、より高い成長速度で窒化物半導体層１０３が形成できる。 As shown in FIG. 1B, a nitride semiconductor layer 103 is formed by epitaxially growing a nitride semiconductor on the In compound layer 102. For example, the nitride semiconductor layer 103 may be formed by epitaxially growing GaN by a well-known hydride vapor phase growth method. The nitride semiconductor layer 103 may be formed by metal organic vapor phase epitaxy, or may be formed by molecular beam epitaxy. However, the nitride semiconductor layer 103 can be formed at a higher growth rate by using the hydride vapor phase growth method.
ここで、上述したような気相成長による窒化物半導体層１０３のエピタキシャル成長では、基板を加熱することになるが、この加熱温度を、少なくとも窒化物半導体層１０３がＩｎ化合物層１０２を覆うまでは、窒化物半導体層１０３の形成雰囲気でＩｎ化合物層１０２が蒸発する温度より低い温度条件とすることが重要となる。例えば、ＧａＮをエピタキシャル成長する場合、Ｉｎ化合物層１０２の融点以下であっても、Ｉｎ化合物層１０２が蒸発（気化）する場合がある。このため、窒化物半導体層１０３がＩｎ化合物層１０２を覆う状態となるまでは、Ｉｎ化合物層１０２が蒸発する温度より低い温度条件としておく。また、全てのＩｎ化合物層１０２が覆われる状態とした後は、より高温の条件として窒化物半導体層１０３のエピタキシャル成長を行うことが可能となる。成長温度をより高い温度とすることで、成長速度をより速くすることが可能となる。 Here, in the epitaxial growth of the nitride semiconductor layer 103 by vapor phase growth as described above, the substrate is heated. At least until the nitride semiconductor layer 103 covers the In compound layer 102, the heating temperature is increased. It is important to set a temperature condition lower than the temperature at which the In compound layer 102 evaporates in the atmosphere in which the nitride semiconductor layer 103 is formed. For example, when GaN is epitaxially grown, the In compound layer 102 may evaporate (vaporize) even when the melting point of the In compound layer 102 is lower than the melting point. Therefore, the temperature condition is lower than the temperature at which the In compound layer 102 evaporates until the nitride semiconductor layer 103 covers the In compound layer 102. In addition, after all the In compound layers 102 are covered, the nitride semiconductor layer 103 can be epitaxially grown at a higher temperature. By setting the growth temperature to a higher temperature, it is possible to increase the growth rate.
以上のようにすることで、所望の厚さに窒化物半導体層１０３を形成（成長）した後、加熱することでＩｎ化合物層１０２を選択的に融解させ、図１Ｃに示すように、窒化物半導体層１０３より基板１０１を剥離する。例えば、基板１０１の裏面側から、Ｉｎ化合物層１０２で吸収される波長のレーザーを照射することで、Ｉｎ化合物層１０２を選択的に融解させることができる。なお、図１Ｃでは、融解させたＩｎ化合物層１０２の残渣は、窒化物半導体層１０３の側に存在するものとして示しているが、図示していないが、残渣は、基板１０１の側にも存在する。 As described above, after the nitride semiconductor layer 103 is formed (grown) to a desired thickness, the In compound layer 102 is selectively melted by heating, and as shown in FIG. The substrate 101 is peeled from the semiconductor layer 103. For example, the In compound layer 102 can be selectively melted by irradiating a laser having a wavelength that is absorbed by the In compound layer 102 from the back surface side of the substrate 101. In FIG. 1C, the residue of the melted In compound layer 102 is shown to be present on the nitride semiconductor layer 103 side, but the residue is also present on the substrate 101 side although not shown. To do.
以上に示したように、実施の形態１によれば、リソグラフィー技術で微細なパターンを形成し、また、機械的研磨を行うなどの煩雑な工程を用いることなく、簡便な工程で、様々な基板を用い、窒化物半導体の層が形成できる。例えば、形成する窒化物半導体層を、５００μｍ程度に厚く形成すれば、剥離した後の窒化物半導体層は、窒化物半導体基板として用いることができる。 As described above, according to the first embodiment, various substrates can be formed by a simple process without using a complicated process such as forming a fine pattern by lithography and performing mechanical polishing. Can be used to form a nitride semiconductor layer. For example, if the nitride semiconductor layer to be formed is formed to a thickness of about 500 μm, the nitride semiconductor layer after peeling can be used as a nitride semiconductor substrate.
［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２について、図２Ａ〜図２Ｇを用いて説明する。図２Ａ〜図２Ｇは、本発明の実施の形態２における窒化物半導体層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説明図である。図２Ａ，図２Ｃ〜図２Ｇは、各工程における状態を、模式的な断面で示している。また、図２Ｂは、Ｉｎ化合物層の状態（表面）を偏光顕微鏡により観察した結果を示す写真である。
[Embodiment 2]
Next, Embodiment 2 of the present invention will be described with reference to FIGS. 2A to 2G. 2A to 2G are explanatory views showing states in respective steps for explaining the method for manufacturing a nitride semiconductor layer in the second embodiment of the present invention. 2A and 2C to 2G show the states in the respective processes in schematic cross sections. FIG. 2B is a photograph showing the result of observing the state (surface) of the In compound layer with a polarizing microscope.
まず、図２Ａに示すように、基板２０１の上に、酸素および窒素の少なくとも１つとＩｎとの化合物からなるＩｎ化合物層２０２を形成する。基板２０１は、サファイア（Ａｌ2Ｏ3），ＳｉＣ，Ｓｉ，ＧａＮ，およびＧａＡｓなどの基板であればよい。また、Ｉｎ化合物層２０２は、例えば、酸化インジウム（Ｉｎ2Ｏ3）、窒化インジウムであればよい。また、Ｉｎ化合物層２０２は、酸窒化インジウム（ＩｎＮxＯy；０≦ｘ，ｙ≦１、ただしｘ，ｙは同時に０ではない）から構成されていてもよい。 First, as shown in FIG. 2A, an In compound layer 202 made of a compound of In and at least one of oxygen and nitrogen is formed on a substrate 201. The substrate 201 may be any substrate such as sapphire (Al 2 O 3 ), SiC, Si, GaN, and GaAs. The In compound layer 202 may be, for example, indium oxide (In 2 O 3 ) or indium nitride. The In compound layer 202 may be made of indium oxynitride (InN x O y ; 0 ≦ x, y ≦ 1, where x and y are not 0 at the same time).
Ｉｎ化合物層２０２は、例えば、スパッタ法により形成してもよく、また、窒化インジウムであれば、分子線エピタキシー法などの気相成長法により形成してもよい。また、金属インジウムを蒸着法で堆積した後、酸素雰囲気で加熱して金属インジウムを酸化させて酸化インジウムとし、Ｉｎ化合物層２０２を形成してもよい。 The In compound layer 202 may be formed by, for example, a sputtering method, or may be formed by a vapor deposition method such as a molecular beam epitaxy method in the case of indium nitride. Alternatively, after depositing metal indium by an evaporation method, the In compound layer 202 may be formed by heating in an oxygen atmosphere to oxidize the metal indium to form indium oxide.
Ｉｎ化合物層２０２は、基板２０１の表面を覆って形成する必要はなく、島状の層に形成されていてもよい。上述したいずれの形成方法を用いても、適宜に条件を設定することで、複数の島状のＩｎ化合物の部分からなるＩｎ化合物層２０２が形成できる。例えば、有機金属気相成長法により、サファイア基板の上にＩｎＮを島状の層に形成（堆積）し、この後、酸素雰囲気で加熱処理することで、図２Ｂの写真に示すように、島状の酸窒化インジウムからなるＩｎ化合物層が形成できる。 The In compound layer 202 does not need to be formed so as to cover the surface of the substrate 201, and may be formed as an island-shaped layer. Whichever formation method described above is used, the In compound layer 202 composed of a plurality of island-shaped In compound portions can be formed by appropriately setting conditions. For example, by forming (depositing) InN on an sapphire substrate by metal organic vapor phase epitaxy and then heat-treating it in an oxygen atmosphere, as shown in the photograph of FIG. 2B, An In compound layer made of indium oxynitride in the form of an oxide can be formed.
上述したように、Ｉｎ化合物層２０２を形成した基板２０１をテンプレート基板（窒化物半導体成長用基板）とすることで、窒化物半導体層が形成できる。上述したように、島状のＩｎ化合物層２０２が形成されている状態で、例えば、ハイドライド気相成長法により、ＧａＮをエピタキシャル成長させると、まず、図２Ｃに示すように、島状のＩｎ化合物層２０２が核となり、Ｉｎ化合物層２０２の表面にＧａＮ２０３ａがエピタキシャル成長する。 As described above, a nitride semiconductor layer can be formed by using the substrate 201 on which the In compound layer 202 is formed as a template substrate (nitride semiconductor growth substrate). As described above, when GaN is epitaxially grown by the hydride vapor phase growth method in the state where the island-like In compound layer 202 is formed, first, as shown in FIG. 2C, the island-like In compound layer is formed. 202 serves as a nucleus, and GaN 203 a is epitaxially grown on the surface of the In compound layer 202.
上述したＧａＮ２０３ａの成長を続けると、ＧａＮ２０３ａは基板２０１の平面方向に成長していき、Ｉｎ化合物層２０２の各島部に成長していたＧａＮ２０３ａが、各々接触し、図２Ｄに示すように、連続したＧａＮ層２０３ｂとなる。引き続き成長を続けると、図２Ｅに示すように、表面が平坦な状態に窒化物半導体層２０３が形成されるようになる。ここで、ＧａＮ２０３ａの成長初期における成長温度は、Ｉｎ化合物層２０２が、蒸発せず融けない程度の温度範囲とする。図２Ｄに示したように、連続したＧａＮ層２０３ｂが形成され、Ｉｎ化合物層２０３が被覆された後は、成長温度を上げて成長速度を速くし、窒化物半導体層２０３を厚く形成する。 When the growth of the GaN 203a is continued, the GaN 203a grows in the plane direction of the substrate 201, and the GaN 203a grown on each island portion of the In compound layer 202 comes into contact with each other, and as shown in FIG. The resulting GaN layer 203b. When the growth is continued, the nitride semiconductor layer 203 is formed with a flat surface as shown in FIG. 2E. Here, the growth temperature in the initial growth stage of the GaN 203a is set to a temperature range in which the In compound layer 202 does not evaporate and melt. As shown in FIG. 2D, after the continuous GaN layer 203b is formed and the In compound layer 203 is coated, the growth temperature is increased to increase the growth rate, and the nitride semiconductor layer 203 is formed thick.
以上のようにして窒化物半導体層２０３をエピタキシャル成長した後、ハイドライド気相成長装置より基板２０１を取り出して冷却した後、図２Ｆに示すように、基板２０１の裏面より、レーザー２１１の照射を行い、Ｉｎ化合物層２０２を選択的に加熱して融解させる。例えば、酸窒化インジウムからなるＩｎ化合物層２０２が吸収する波長のレーザー２１１を照射すればよい。 After epitaxially growing the nitride semiconductor layer 203 as described above, the substrate 201 is taken out from the hydride vapor phase growth apparatus and cooled, and then, as shown in FIG. The In compound layer 202 is selectively heated and melted. For example, the laser 211 having a wavelength that is absorbed by the In compound layer 202 made of indium oxynitride may be irradiated.
レーザー照射による基板剥離は、サファイア基板上に成長したＧａＮ厚膜を剥離する手法としてよく知られている。この場合、融点２５００℃のＧａＮを融解させるため、レーザー照射パワーを非常に大きくする必要がある。これに対し、Ｉｎ化合物層２０２は、比較的低温で融解するので、必要なレーザー照射パワーを低くすることができる。例えば、窒化インジウムの融点は１１００℃であり、酸化インジウムの融点は２０００℃であり、酸窒化インジウムの融点は、窒化インジウムと酸化インジウムとの間の値となる。 The substrate peeling by laser irradiation is well known as a technique for peeling a GaN thick film grown on a sapphire substrate. In this case, in order to melt GaN having a melting point of 2500 ° C., it is necessary to greatly increase the laser irradiation power. On the other hand, since the In compound layer 202 melts at a relatively low temperature, the necessary laser irradiation power can be reduced. For example, the melting point of indium nitride is 1100 ° C., the melting point of indium oxide is 2000 ° C., and the melting point of indium oxynitride is a value between indium nitride and indium oxide.
以上のようにＩｎ化合物層２０２を選択的に融解させることで、図２Ｇに示すように、窒化物半導体層２０３より基板２０１を剥離する。図２Ｇでは、融解させたＩｎ化合物層２０２の残渣は、窒化物半導体層２０３の側に存在するものとして示しているが、図示していないが、残渣は、基板２０１の側にも存在する。 By selectively melting the In compound layer 202 as described above, the substrate 201 is peeled from the nitride semiconductor layer 203 as shown in FIG. 2G. In FIG. 2G, the residue of the melted In compound layer 202 is shown to be present on the nitride semiconductor layer 203 side, but it is not shown, but the residue is also present on the substrate 201 side.
以上に示したように、実施の形態２によれば、リソグラフィー技術で微細なパターンを形成し、また、機械的研磨を行うなどの煩雑な工程を用いることなく、簡便な工程で、様々な基板を用い、窒化物半導体の層が形成できる。例えば、形成する窒化物半導体層を、５００μｍ程度に厚く形成すれば、剥離した後の窒化物半導体層は、窒化物半導体基板として用いることができる。 As described above, according to the second embodiment, various substrates can be formed by a simple process without using a complicated process such as forming a fine pattern by lithography and performing mechanical polishing. Can be used to form a nitride semiconductor layer. For example, if the nitride semiconductor layer to be formed is formed to a thickness of about 500 μm, the nitride semiconductor layer after peeling can be used as a nitride semiconductor substrate.
［実施の形態３］
次に、本発明の実施の形態３について、図３Ａ〜図３Ｉを用いて説明する。図３Ａ〜図３Ｉは、本発明の実施の形態３における窒化物半導体層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構成図である。図３Ａ〜図３Ｉは、各工程における状態を、模式的な断面で示している。
[Embodiment 3]
Next, Embodiment 3 of the present invention will be described with reference to FIGS. 3A to 3I. 3A to 3I are configuration diagrams showing states in respective steps for describing a method for manufacturing a nitride semiconductor layer in the third embodiment of the present invention. FIG. 3A to FIG. 3I show the state in each step in a schematic cross section.
まず、図３Ａに示すように、基板３０１の上に、酸素および窒素の少なくとも１つとＩｎとの化合物からなるＩｎ化合物層３０２を形成する。基板３０１は、サファイア（Ａｌ2Ｏ3）基板である。また、Ｉｎ化合物層３０２は、例えば、酸化インジウム（Ｉｎ2Ｏ3）、窒化インジウムであればよい。また、Ｉｎ化合物層３０２は、酸窒化インジウム（ＩｎＮxＯy；０≦ｘ，ｙ≦１、ただしｘ，ｙは同時に０ではない）から構成されていてもよい。 First, as shown in FIG. 3A, an In compound layer 302 made of a compound of In and at least one of oxygen and nitrogen is formed on a substrate 301. The substrate 301 is a sapphire (Al 2 O 3 ) substrate. The In compound layer 302 may be, for example, indium oxide (In 2 O 3 ) or indium nitride. The In compound layer 302 may be made of indium oxynitride (InN x O y ; 0 ≦ x, y ≦ 1, where x and y are not 0 at the same time).
Ｉｎ化合物層３０２は、例えば、スパッタ法により形成してもよく、また、窒化インジウムであれば、分子線エピタキシー法などの気相成長法により形成してもよい。また、金属インジウムを蒸着法で堆積した後、酸素雰囲気で加熱して金属インジウムを酸化させ、Ｉｎ化合物層３０２を形成してもよい。 The In compound layer 302 may be formed by, for example, sputtering, or may be formed by vapor deposition such as molecular beam epitaxy if indium nitride is used. Alternatively, after depositing metal indium by an evaporation method, the In compound layer 302 may be formed by oxidizing the metal indium by heating in an oxygen atmosphere.
Ｉｎ化合物層３０２は、基板３０１の表面を覆って形成する必要はなく、島状の層に形成されていてもよい。上述したいずれの形成方法を用いても、適宜に条件を設定することで、複数の島状のＩｎ化合物の部分からなるＩｎ化合物層３０２が形成できる。例えば、有機金属気相成長法により、サファイア基板の上にＩｎＮを島状の層に形成（堆積）し、この後、酸素雰囲気で加熱処理することで、島状の酸窒化インジウムからなるＩｎ化合物層が形成できる。 The In compound layer 302 need not be formed so as to cover the surface of the substrate 301, and may be formed in an island-like layer. Whichever formation method described above is used, the In compound layer 302 including a plurality of island-shaped In compound portions can be formed by appropriately setting conditions. For example, an In compound made of island-shaped indium oxynitride is formed (deposited) in an island-like layer on a sapphire substrate by metal organic vapor phase epitaxy, and then heat-treated in an oxygen atmosphere. A layer can be formed.
上述したＩｎ化合物層３０２を形成した基板３０１をテンプレート基板（窒化物半導体成長用基板）とし、実施の形態３では、以下に説明するように、ｎ型の窒化物半導体層を形成する。例えば、シリコンをドープすることでｎ型としたＧａＮを形成する。上述したように、島状のＩｎ化合物層３０２が形成されている状態で、例えば、有機金属気相成長法により、ｎ型のＧａＮをエピタキシャル成長させると、まず、図３Ｂに示すように、島状のＩｎ化合物層３０２が核となり、Ｉｎ化合物層３０２の表面にｎ−ＧａＮ３０３ａがエピタキシャル成長する。 The substrate 301 on which the In compound layer 302 is formed is used as a template substrate (nitride semiconductor growth substrate), and in Embodiment 3, an n-type nitride semiconductor layer is formed as described below. For example, n-type GaN is formed by doping silicon. As described above, when n-type GaN is epitaxially grown by, for example, metal organic vapor phase epitaxy with the island-shaped In compound layer 302 formed, first, as shown in FIG. The In compound layer 302 serves as a nucleus, and n-GaN 303 a is epitaxially grown on the surface of the In compound layer 302.
上述したｎ−ＧａＮ３０３ａの成長を続けると、ｎ−ＧａＮ３０３ａは基板３０１の平面方向に成長していき、Ｉｎ化合物層３０２の各島部に成長していたｎ−ＧａＮ３０３ａが、各々接触し、図３Ｃに示すように、連続したｎ−ＧａＮ層３０３ｂとなる。引き続き成長を続けると、図３Ｄに示すように、表面が平坦な状態にｎ−ＧａＮ層（窒化物半導体層）３０３が形成されるようになる。ここで、ｎ−ＧａＮ３０３ａの成長初期における成長温度は、Ｉｎ化合物層３０２が、蒸発せず融けない程度の低温の温度範囲とする。図３Ｃに示したように、連続したｎ−ＧａＮ層３０３ｂが形成され、Ｉｎ化合物層３０２が被覆された後は、通常の成長温度とし、所定の層厚にｎ−ＧａＮ層３０３を形成する。 When the growth of the n-GaN 303a described above is continued, the n-GaN 303a grows in the plane direction of the substrate 301, and the n-GaN 303a grown on each island portion of the In compound layer 302 comes into contact with each other, and FIG. As shown in FIG. 3, a continuous n-GaN layer 303b is formed. When the growth continues, as shown in FIG. 3D, an n-GaN layer (nitride semiconductor layer) 303 is formed with a flat surface. Here, the growth temperature in the initial growth stage of the n-GaN 303a is set to a low temperature range in which the In compound layer 302 is not evaporated and does not melt. As shown in FIG. 3C, after the continuous n-GaN layer 303b is formed and the In compound layer 302 is coated, the n-GaN layer 303 is formed to a predetermined layer thickness at a normal growth temperature.
以上のようにしてｎ−ＧａＮ層３０３をエピタキシャル成長した後、引き続き、ｎ−ＧａＮ層３０３の上にノンドープのＩｎＧａＮをエピタキシャル成長し、ｐ型のＧａＮをエピタキシャル成長することで、図３Ｅに示すように、ｎ−ＧａＮ層３０３の上に活性層３０４を形成し、活性層３０４の上にｐコンタクト層３０５を形成する。ｎ−ＧａＮ層３０３，活性層３０４，およびｐコンタクト層３０５の積層構造により、発光ダイオードが構成される。活性層３０４を構成する窒化物半導体の各組成の比率を制御することで、所望とする発光波長が設計できる。 After epitaxially growing the n-GaN layer 303 as described above, subsequently, non-doped InGaN is epitaxially grown on the n-GaN layer 303, and p-type GaN is epitaxially grown. As shown in FIG. The active layer 304 is formed on the GaN layer 303, and the p contact layer 305 is formed on the active layer 304. A light emitting diode is configured by a laminated structure of the n-GaN layer 303, the active layer 304, and the p contact layer 305. A desired emission wavelength can be designed by controlling the ratio of each composition of the nitride semiconductor composing the active layer 304.
以上のようにして、発光ダイオードを構成する各窒化物半導体層をエピタキシャル成長して形成した後、有機金属気相成長装置より基板３０１を取り出して冷却する。次いで、図３Ｆに示すように、ｐコンタクト層３０５の上に反射膜となる金属層３０６を形成する。例えば、電子線蒸着法により金属を堆積することで、金属層３０６が形成できる。 As described above, after forming each nitride semiconductor layer constituting the light emitting diode by epitaxial growth, the substrate 301 is taken out from the metal organic vapor phase growth apparatus and cooled. Next, as shown in FIG. 3F, a metal layer 306 serving as a reflective film is formed on the p contact layer 305. For example, the metal layer 306 can be formed by depositing a metal by an electron beam evaporation method.
次に、図３Ｇに示すように、高熱伝導性基板３０７を、金属層３０６に貼り付ける。高熱伝導性基板３０７は、例えば、Ｃｕ基板を用いればよい。高熱伝導性基板３０７は、上述した発光ダイオードが、高出力動作中に発生する熱を放熱する放熱手段となる。 Next, as shown in FIG. 3G, a high thermal conductivity substrate 307 is attached to the metal layer 306. As the high thermal conductive substrate 307, for example, a Cu substrate may be used. The high thermal conductivity substrate 307 serves as a heat radiating means for radiating heat generated by the light emitting diode described above during a high output operation.
次に、図３Ｈに示すように、基板３０１の裏面より、レーザー３１１の照射を行い、Ｉｎ化合物層３０２を選択的に加熱して融解させる。例えば、酸窒化インジウムからなるＩｎ化合物層３０２が吸収する波長のレーザー３１１を照射すればよい。 Next, as shown in FIG. 3H, the laser 311 is irradiated from the back surface of the substrate 301, and the In compound layer 302 is selectively heated and melted. For example, the laser 311 having a wavelength that is absorbed by the In compound layer 302 made of indium oxynitride may be irradiated.
以上のようにＩｎ化合物層３０２を選択的に融解させることで、図３Ｉに示すように、ｎ−ＧａＮ層３０３より基板３０１を剥離する。実施の形態３では、発光ダイオードとなるｎ−ＧａＮ層３０３，活性層３０４，ｐコンタクト層３０５，および金属層３０６、ならびに高熱伝導性基板３０７からなる一体の構造体を、基板３０１より剥離する。なお、図３Ｉでは、融解させたＩｎ化合物層３０２の残渣は、ｎ−ＧａＮ層３０３の側に存在するものとして示しているが、図示していないが、残渣は、基板３０１の側にも存在する。 By selectively melting the In compound layer 302 as described above, the substrate 301 is peeled from the n-GaN layer 303 as shown in FIG. 3I. In the third embodiment, an integrated structure including the n-GaN layer 303, the active layer 304, the p contact layer 305, the metal layer 306, and the high thermal conductivity substrate 307 to be a light emitting diode is peeled from the substrate 301. In FIG. 3I, the residue of the melted In compound layer 302 is shown as being present on the n-GaN layer 303 side, but the residue is also present on the substrate 301 side although not shown. To do.
以上のようにして基板３０１を除去した後、ｎ−ＧａＮ層３０３の剥離した面にｎ電極を形成し、よく知られたダイシングなどによりチップ形状に切り出せば、発光ダイオードチップが得られる。ｎ電極は、電極形成部に開口部を有するレジストパターンを形成した後、電極金属材料を電子線蒸着により堆積し、この後、レジストパターンをリフトオフすることで形成すればよい。また、剥離面に存在するＩｎ窒化膜酸化膜の残渣を再利用し、例えば、残渣を加熱して酸化インジウムからなる透明電極として用いることも可能である。また、残渣にチタン蒸着し、これを加熱してＩＴＯ（Indium Tin Oxide）とし、これを透明電極として用いることも可能である。 After removing the substrate 301 as described above, an n-electrode is formed on the peeled surface of the n-GaN layer 303 and cut into a chip shape by well-known dicing or the like to obtain a light-emitting diode chip. The n electrode may be formed by forming a resist pattern having an opening in the electrode forming portion, depositing an electrode metal material by electron beam evaporation, and then lifting off the resist pattern. It is also possible to reuse the residue of the In nitride oxide film present on the peeling surface, for example, to heat the residue and use it as a transparent electrode made of indium oxide. It is also possible to deposit titanium on the residue and heat it to make ITO (Indium Tin Oxide), which can be used as a transparent electrode.
以上に示したように、実施の形態３によれば、簡便な工程で、様々な基板を用い、窒化物半導体の層を形成することで、窒化物半導体を用いた高出力の発光ダイオードが形成できる。 As described above, according to the third embodiment, a high output light emitting diode using a nitride semiconductor is formed by forming a nitride semiconductor layer using various substrates in a simple process. it can.
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、Ｉｎ化合物層の上にエピタキシャル成長させる窒化物半導体層は、ＧａＮに限るものではなく、他の窒化物半導体であってもよいことは、言うまでもない。 The present invention is not limited to the embodiment described above, and many modifications and combinations can be implemented by those having ordinary knowledge in the art within the technical idea of the present invention. It is obvious. For example, the nitride semiconductor layer epitaxially grown on the In compound layer is not limited to GaN, and it goes without saying that other nitride semiconductors may be used.
１０１…基板、１０２…Ｉｎ化合物層、１０３…窒化物半導体層。 101 ... substrate, 102 ... In compound layer, 103 ... nitride semiconductor layer.
Claims (4)
前記Ｉｎ化合物層の上に窒化物半導体をエピタキシャル成長させて窒化物半導体層を形成する工程と、
前記窒化物半導体層を形成した後で、加熱することで前記Ｉｎ化合物層を選択的に融解させて前記窒化物半導体層より前記基板を剥離する工程と
を少なくとも備え、
前記Ｉｎ化合物層は、複数の島状の前記化合物の部分から構成し、
前記窒化物半導体層の形成では、少なくとも前記窒化物半導体層が前記Ｉｎ化合物層を覆うまでは、前記窒化物半導体層の形成雰囲気で前記Ｉｎ化合物層が蒸発する温度より低い温度条件とすることを特徴とする窒化物半導体層の製造方法。 Forming an In compound layer made of a compound of at least one of oxygen and nitrogen and In on the substrate;
Forming a nitride semiconductor layer by epitaxially growing a nitride semiconductor on the In compound layer;
And after the formation of the nitride semiconductor layer, the step of selectively melting the In compound layer by heating and peeling the substrate from the nitride semiconductor layer,
The In compound layer is composed of a plurality of island-shaped portions of the compound,
In the formation of the nitride semiconductor layer, at least until the nitride semiconductor layer covers the In compound layer, a temperature condition lower than a temperature at which the In compound layer evaporates in the formation atmosphere of the nitride semiconductor layer is set. A method for producing a nitride semiconductor layer.
前記窒化物半導体層の形成は、ハイドライド気相成長法により行うことを特徴とする窒化物半導体層の製造方法。 In the manufacturing method of the nitride semiconductor layer according to claim 1,
The nitride semiconductor layer is formed by a hydride vapor phase growth method.
前記窒化物半導体は、ＧａＮであることを特徴とする窒化物半導体層の製造方法。 In the manufacturing method of the nitride semiconductor layer according to claim 1 or 2,
The method of manufacturing a nitride semiconductor layer, wherein the nitride semiconductor is GaN.
前記Ｉｎ化合物層は、複数の島状の前記化合物の部分から構成され
ていることを特徴とする窒化物半導体成長用基板。 A substrate and an In compound layer formed on the substrate, the In compound layer comprising a compound of In and at least one of oxygen and nitrogen ,
The substrate for growing a nitride semiconductor, wherein the In compound layer includes a plurality of island-shaped portions of the compound .
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