JPH11145057A - 窒化ガリウム系化合物半導体基板の製造方法 - Google Patents

窒化ガリウム系化合物半導体基板の製造方法

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JPH11145057A
JPH11145057A JP32213397A JP32213397A JPH11145057A JP H11145057 A JPH11145057 A JP H11145057A JP 32213397 A JP32213397 A JP 32213397A JP 32213397 A JP32213397 A JP 32213397A JP H11145057 A JPH11145057 A JP H11145057A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】結晶性の良い窒化ガリウム系化合物半導体基板
を得ること。 【解決手段】サファイア基板1の上にZnO の第1層2
が、その上にGa0.8In0.2Nの第2層の下層31と、その
上にGaN の第2層の上層32が形成されている。層32
の上には、SiO2の膜厚約2000Åの第3層4がストライプ
状又は格子状に形成されている。第3層4の上部領域A
及び第2層の上層32の露出領域B上にGaNの第4層5
を成長させる。GaN は、層32の露出領域BのGaN を核
として、面に垂直方向に成長する。第3層4の上部領域
Aでは、層32の露出領域B上に成長したGaN を核とし
て、GaN が横方向にエピタキシャル成長する。GaN がGa
N を核として縦方向にも横方向にもエピタキシャル成長
するので、第3層4の上部領域Aである横方向成長領域
では無転位の窒化ガリウム系化合物半導体を得ることが
できる。この後、第1層2を湿式エッチングして、基板
1から剥離させる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は窒化ガリウム系化合物半
導体のエピタキシャル基板を得るための方法に関する。
【0002】
【従来の技術】本発明は、一般式Alx Gay In1-x-y N(0
≦x ≦1,0 ≦y ≦1,0 ≦x+y ≦1)の窒化ガリウム系化合
物半導体基板の製造方法に関する。
【0003】
【従来の技術】窒化ガリウム系化合物半導体は、発光ス
ペクトルが紫外から赤色の広範囲に渡る直接遷移型の半
導体であり、発光ダイオード(LED) やレーザダイオード
(LD)等の発光素子に応用されている。この窒化ガリウム
系化合物半導体では、通常、サファイア上に形成してい
る。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来技術では、サファイア基板上に窒化ガリウム系化合物
半導体を形成すると、サファイアと窒化ガリウム系化合
物半導体との熱膨張係数差により、半導体層にクラッ
ク、そりが発生し、ミスフットにより転位が発生し、こ
のため素子特性が良くないという問題がある。さらに、
サファイアは絶縁性であるので、基板に対して同一面側
に両電極を形成する必要があり、そのために基板に近い
側にあるn層までのエッチングをする必要があるために
製造効率がよくないという問題がある。又、同一面側に
両電極を形成するために、素子サイズが増大する。ま
た、両電極に対してワイヤボンディングを必要とすると
共に、n層において横方向の電流路が形成され電流路が
長くなるため駆動電圧が若干増加するという問題があ
る。加えて、基板と半導体層とが異種の物質で構成され
ているので、レーザダイオードでは良好なへき開が困難
である。
【0005】従って、本発明の目的は、上記課題に鑑
み、結晶性の良い窒化ガリウム系半導体基板を容易に得
ることである。また、その良質な基板を用いることで、
素子特性を向上させることである。
【0006】
【課題を解決するための手段及び作用効果】請求項1の
発明は、基板上にウエットエッチング可能な第1層を形
成し、第1層上に、第1の窒化ガリウム系化合物半導体
から成る第2層を形成し、その第2層の上に、第2層の
露出部が散在するように、点状、ストライプ状又は格子
状等の島状態に、窒化ガリウム系化合物半導体がその上
にエピタキシャル成長しない第3層を形成し、第3層で
覆われていない第2層の露出部を核として、エピタキシ
ャル成長させ、第3層の上部では、横方向にエピタキシ
ャル成長させることで第2の窒化ガリウム系化合物半導
体から成る第4層を形成し、第1層をエッチングする溶
液を用いた湿式エッチングにより、基板から剥離させて
窒化ガリウム系化合物半導体基板を形成することを特徴
とする。
【0007】尚、ここでいう横方向とは、基板の面方向
を意味する。第4層として、第2の窒化ガリウム系化合
物半導体を成長させる時、第3層の上部領域にはエピタ
キシャル成長せず、第2層の露出領域における第1の窒
化ガリウム系化合物半導体を核として上方向及び横方向
に成長する。この結果、第1の窒化ガリウム系化合物半
導体内に存在する貫通転位は第2の窒化ガリウム系化合
物半導体において第2層の露出領域の上にだけ存在し、
横方向に成長した第3層の上部では縦方向の貫通転位が
存在しない。よって、第2の窒化ガリウム系化合物半導
体の縦方向の貫通転位の面密度が極めて小さくなり、結
晶性が向上する。また、第3層とその上の第4層を形成
する第2の窒化ガリウム系化合物半導体とは化学的に接
合していないので、第4層のそりが防止されると共に応
力歪みがその層に入ることが抑制される。
【0008】このようにして、窒化ガリウム系化合物半
導体が形成された後に、第1層を湿式エッチングにより
除去して、窒化ガリウム系化合物半導体基板を得ること
ができる。
【0009】請求項2の発明は、第1層を、酸化亜鉛
(ZnO)としたことである。酸化亜鉛の格子定数はサファ
イアと窒化ガリウム系化合物半導体との格子定数に近
い。よって、酸化亜鉛はサファイア基板上に形成でき、
その酸化亜鉛の上に結晶性の良い第2層としての第1の
窒化ガリウム系化合物半導体を形成することができる。
また、酸化亜鉛のみ、フッ酸によりエッチングすること
ができ、基板の剥離が容易である。
【0010】請求項3の発明は、第3層を、二酸化シリ
コン(SiO2)としたことである。この場合には、第4層を
Alを含まない窒化ガリウム系化合物半導体とすること
で、第4層は第3層の上にはエピタキシャルせずに、横
方向のエピタキシャル成長により第4層を結晶性良く得
ることができる。
【0011】請求項4の発明は、第3層を、高融点を有
した金属又は非晶質のシリコン(Si)としたことを特徴と
する。これらの層を用いても、第4層としての第2の窒
化ガリウム系化合物半導体を第3層の上に直接エピタキ
シャル成長させずに、横方向のエピタキシャル成長によ
り得ることができる。また、第3層が導電性を有するの
で、第3層を残した窒化ガリウム系化合物半導体基板に
おいて面に垂直方向に電流を流すことができる。よっ
て、素子の電極を両端面に形成することが可能となる。
尚、高融点を有した金属とは2000℃以上の融点を有する
金属であり、例えば、Nb,Mo,Ru,Hf,Ta,Wが上げられる。
【0012】請求項5の発明は、基板を、サファイア、
シリコン、又は、炭化珪素としたことである。そられの
基板上で得られる第4層としての第2の窒化ガリウム系
化合物半導体の結晶性を向上させることができる。
【0013】請求項6の発明は、第4層の厚さを、50〜
100 μmとしたことである。この厚さとすることで、面
に垂直な方向に成長する転位が消失し、無転位の結晶を
得ることができる。
【0014】請求項7の発明は、第4層の上に、素子を
形成する第3の窒化ガリウム系化合物半導体からなる複
数の層を形成し、その後に、第1層をエッチングして素
子の形成された基板を得ることを特徴とする。これによ
り、第4層を基底層とし、その上の層を機能層とするこ
とができ、結晶性の良い素子を得ることができる。
【0015】請求項8の発明は、基板上の各層を、基板
の両面に形成し、基板の両面に形成された第1層をエッ
チングして除去することで、1枚の基板を用いて2枚の
窒化ガリウム系化合物半導体基板を得ることを特徴とす
る。基板の両面に窒化ガリウム系化合物半導体を成長さ
せるので、そりがなく、また、一度に、2枚の窒化ガリ
ウム系化合物半導体基板が得られるので、生産効率が高
くなる。
【0016】
【発明の実施の形態】以下、本発明を具体的な実施例に
基づいて説明する。図1〜図4は、本発明はGaN 基板を
製造する方法を示した工程図である。図1に示すよう
に、(0001)方向の面方位を有するサファイア基板1を準
備し、そのサファイア基板1をメタノール等の有機薬品
で洗浄した。その後、サファイア基板1をRFスパッタ
リング装置のチャンバー内にセットして、チャンバーを
真空に排気した。その後、アルゴン・酸素の混合ガスに
より図1に示すように、サファイア基板1の上面に厚さ
100 nmで、ZnO から成る第1層2を形成した。この第
1層2はc軸方向への配向度が強いものであった。
【0017】次に、この第1層2の上に、次の方法によ
り窒化ガリウム系化合物半導体を成長させた。この半導
体は、スパッタリング法及び有機金属気相成長法(以下
「MOVPE 」と略す)により製造された。MOVPE で用いら
れたガスは、アンモニア(NH3) 、キャリアガス(H2,N2)
、トリメチルガリウム(Ga(CH3)3)(以下「TMG 」と記
す)、トリメチルアルミニウム(Al(CH3)3)(以下「TMA
」と記す) 、トリメチルインジウム(In(CH3)3)(以
下「TMI 」と記す) である。
【0018】まず、第1層2の表面をフッ酸系溶液(HF:
H2O=1:1)を用いて洗浄した後、基板1をMOVPE装置
の反応室に載置されたサセプタに装着する。次に、常圧
でH2を流速2 liter/分で約10分間反応室に流しながら温
度1150℃で第1層2をベーキングした。
【0019】この後、基板1の温度を500 ℃に保持し、
N2又はH2を10liter/分、NH3 を10liter/分、TMG を1.0
×10-4モル/分、TMI を5.0 ×10-4モル/分、図2に示
すように、膜厚約500 Å、Ga0.8In0.2N から成る第2層
の下層31を形成した。この層は、低温成長によりアモ
ルファス又は微結晶が混在した状態のバッファ層、即
ち、ZnO とGaN との格子定数を緩和する層として機能す
る。
【0020】層31の形成後、層31上にMOVPE 法によ
り基板1の温度を1100℃にしてN2又はH2を20liter/分、
NH3 を10liter/分、TMG を2.0 ×10-4モル/分、H2ガス
により0.86ppm に希釈されたシランを20×10-8モル/分
で供給して、GaN を形成し、膜厚約3μmの第2層の上
層32を形成した。本実施例では、層31と層32の2
層構造により第2層3を形成している。
【0021】次に、層32上にSiO2をスパッタリングに
より膜厚約2000Åに形成した後、レジストの塗布、及
び、フォトリソグラフィにより、図3に示すように、幅
aが約5μm、露出領域Bの間隔bが約5μmのストラ
イプ状(図5)又は格子状(図6)の第3層4を形成し
た。
【0022】次に、第2層の上層32の露出領域B上及
び第3層4の上部領域A上に膜厚約80μmのGaN から成
る第4層5を形成する。このとき、GaN は、層32の露
出部BのGaN を核として、面に垂直方向に成長する。そ
して、SiO2の第3層4の上部領域Aでは、層32の露出
部B上に成長したGaN を核として、GaN が横方向にエピ
タキシャル成長する。このようにして、本実施例では、
GaN がGaN を核として縦方向にも横方向にもエピタキシ
ャル成長するので、結晶性の高いGaN が得られる。
【0023】次に、このように各層の形成されたサファ
イア基板1を塩酸系エッチャントに浸し、エッチャント
の温度を60℃にした。そして、約10分間超音波洗浄
器にかけて、第1層2のエッチングを行った。これによ
り、主として、GaN の第4層5から成る窒化ガリウム系
化合物半導体基板を得ることができた。
【0024】尚、上記実施例において、ストライプ状又
は格子状に形成された第3層4の幅aを約5μmとした
が、第3層4の幅aが10μmを超えると横方向の成長に
長時間必要となり、第3層4の幅aが1μm未満になる
と、後にフッ酸等でのSiO2膜の除去が困難となるので、
望ましくは1〜10μmの範囲が良い。又、上記実施例で
は第2層の上層32の露出領域Bの間隔bを5μmとし
たが、露出領域Bの間隔bが10μmを超えると転位発生
の確率が増大し、露出領域Bの間隔bが1μm未満にな
ると良好なGaN から成る第4層5の形成が困難となるの
で、望ましくは1〜10μmの範囲が良い。また、第4層
5の結晶性の点から幅の割合a/bは1〜10が望まし
い。
【0025】上記実施例において、第4層5の厚さは、
50〜100 μmとすると、無転位の結晶が得られるので望
ましい。Ga0.8In0.2N から成る第2層の下層31を低温
成長によるバッファ層にしているが、さらに、この層の
上に、高温成長による単結晶のAl0.15Ga0.85N を形成し
て、その層の上にGaN の層32を形成しても良い。
【0026】尚、本実施例では、第2層の下層31の組
成をGa0.8In0.2N としたが、任意組成比の一般式Alx Ga
y In1-x-y N(0 ≦x ≦1,0 ≦y ≦1,0 ≦x+y ≦1)の窒化
ガリウム系化合物半導体を用いることができる。また、
第2層の上層32をGaN としたが、これも一般式Alx Ga
y In1-x-y N(0 ≦x ≦1,0 ≦y ≦1,0 ≦x+y ≦1)の窒化
ガリウム系化合物半導体を用いることができる。また、
第2層を2層構造としたが、1層、3層以上としても良
い。
【0027】また、第4層5をGaN としているが、任意
組成比のGaInN を用いても良い。Alが含まれる窒化ガリ
ウム系化合物半導体は、SiO2層上に堆積するので、Alを
含まない方が望ましい。しかし、ストライプ状又は格子
状に形成される第3層4をSiO2に代えて、タングステン
(W) など高融点の金属や、アモルファスSiなどを用いて
もよい。このように、第3層4を金属又は非晶質Siで構
成することにより、第3層4に電流が流れるので、GaN
化合物半導体の厚さ方向に均一に電流をより良好に流す
ことができる。タングステン(W) など高融点の金属や、
アモルファスSiを用いた場合には、任意組成比の一般式
Alx Gay In1-x-y N(0 ≦x ≦1,0 ≦y ≦1,0 ≦x+y ≦1)
の窒化ガリウム系化合物半導体は、その上にエピタキシ
ャル成長しないので、一般式Alx Gay In1-x-y N を第4
層5として用いることができる。第4層5と第2層3と
は、同一組成比であっても、異なる組成比であっても良
い。
【0028】又、図7に示すように層4と層5の形成を
2回繰り替えしても良い。この時、層4を構成する下層
41と上層42のパターンは、上から見て層32が見え
ないようなパターンに形成されている。即ち、層42は
層41が存在しない上部領域に形成される。これによ
り、層5を構成する下層51において、下層41の形成
されていない部分B1の縦方向の貫通転位がその上方に
存在する上層42により遮断され、上層42の上部領域
A2は横方向成長のため層5を構成する上層52の縦方
向貫通転位は存在しない。又、上層52の上層42の存
在しない領域B2は、下層41の上部領域A1の延長領
域であるので、縦方向の貫通転位は存在しない。よっ
て、上層52の貫通転位は極めて減少し、これにより、
層5の結晶性を無転位結晶とすることができ、結晶性を
著しく改善することができる。尚、層4と層5の繰り返
し回数は2回の他、任意回数繰り返しても良い。その時
に、複数の層4のパターンをずらせて、全体として、上
から見た時に、層32が見えない状態にすれば良い。勿
論、層4を複数段に形成する場合にも、タングステン
(W) など高融点の金属や、アモルファスSi等を用いるこ
とができ、各段毎にSiO2を含めてその材料を変化させて
も良い。
【0029】上記実施例では、基板1にサファイアを用
いたが、シリコン、炭化珪素等の他の基板を用いること
ができる。また、基板1の上面にだけ各層を形成した
が、基板の上面と下面の両側に対称に各層を形成するこ
とで、基板のそりが防止できると共に、一度に2枚の窒
化ガリウム系化合物半導体基板が得られるので製造効率
が向上する。
【0030】このようにして得られた窒化ガリウム系化
合物半導体基板上に、さらに、良く知られたように、窒
化ガリウム系化合物半導体から成る、ガイド層、クラッ
ド層、MQW又はSQW構造の活性層がヘテロ接合され
た発光ダイオード、レーザ素子を形成しても良い。これ
らの素子を構成する各機能層は、第4層5を基底層とし
て、その上に形成した後、第4層5等の基板を第1層2
のエッチングにより基板1から剥離させても良い。この
ような方法により、レーザダイオードを形成した場合に
は、第4層5の基底層から素子の各機能層までが、窒化
ガリウム系化合物半導体で形成されているので、共振器
の端面が容易にへき開により形成できる。これによりレ
ーザの発振効率を向上させることができる。また、第4
層5を導電性に形成することで、基板面に垂直な方向に
電流を流すことかでき、電極形成工程が簡略化されると
共に、電流路の断面積が広く且つ長さが短くなるので駆
動電圧を低下させることができる。
【0031】また、第1層2としてZnO を用いたが、窒
化ガリウム系化合物半導体のバッファ層が形成でき、第
1層2のみをエッチングできれば良い。上記の実施例に
おいて、MOVPE 法は常圧雰囲気中で行われたが、減圧成
長下で行っても良い。また、常圧、減圧の組み合わせで
行なって良い。本発明で得られたGaN 系化合物半導体
は、LEDやLDの発光素子に利用可能であると共に受
光素子及び電子ディバイスにも利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の具体的な一実施例に係るGaN 基板の製
造方法を示した断面図。
【図2】同じく製造工程を示した断面図。
【図3】同じく製造工程を示した断面図。
【図4】同じく製造工程を示した断面図。
【図5】第3層の形状を示した平面図。
【図6】第3層の他の形状を示した平面図。
【図7】第3層を複数回用いた他の実施例に係る製造工
程を示した断面図。
【符号の説明】
1…サファイア基板 2…第1層(ZnO) 3…第2層 31…第2層の下層(Ga0.8In0.2N) 32…第2層の上層(GaN) 4…第3層(SiO2) 5…第4層(GaN)
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 手銭 雄太 愛知県西春日井郡春日町大字落合字長畑1 番地 豊田合成株式会社内 (72)発明者 山崎 史郎 愛知県西春日井郡春日町大字落合字長畑1 番地 豊田合成株式会社内

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】基板上に湿式エッチング可能な第1層を形
    成し、 前記第1層上に、第1の窒化ガリウム系化合物半導体か
    ら成る第2層を形成し、その第2層の上に、第2層の露
    出部が散在するように、点状、ストライプ状又は格子状
    等の島状態に、窒化ガリウム系化合物半導体がその上に
    エピタキシャル成長しない第3層を形成し、 前記第3層で覆われていない前記第2層の露出部を核と
    して、エピタキシャル成長させ、前記第3層の上部で
    は、横方向にエピタキシャル成長させることで第2の窒
    化ガリウム系化合物半導体から成る第4層を形成し、 前記第1層をエッチングする溶液を用いた湿式エッチン
    グにより、前記基板から剥離させて窒化ガリウム系化合
    物半導体基板を形成することを特徴とする窒化ガリウム
    系化合物半導体基板の製造方法。
  2. 【請求項2】 前記第1層は、酸化亜鉛(ZnO)であるこ
    とを特徴とする請求項1に記載の窒化ガリウム系化合物
    半導体基板の製造方法。
  3. 【請求項3】 前記第3層は、二酸化シリコン(SiO2)か
    ら成ることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の
    窒化ガリウム系化合物半導体基板の製造方法。
  4. 【請求項4】 前記第3層は、高融点を有した金属又は
    非晶質のシリコン(Si)から成ることを特徴とする請求項
    1又は請求項2に記載の窒化ガリウム系化合物半導体基
    板の製造方法。
  5. 【請求項5】 前記基板は、サファイア、シリコン、又
    は、炭化珪素であることを特徴とする請求項1乃至請求
    項4のいずれか1項に記載の窒化ガリウム系化合物半導
    体基板の製造方法。
  6. 【請求項6】 前記第4層の厚さは、50〜100 μmであ
    ることを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれか1
    項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体基板の製造方
    法。
  7. 【請求項7】 前記第4層の上に、素子を形成する第3
    の窒化ガリウム系化合物半導体からなる複数の層を形成
    し、その後に、前記第1層をエッチングして素子の形成
    された基板を得ることを特徴とする請求項1乃至請求項
    6のいずれか1項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体
    基板の製造方法。
  8. 【請求項8】 前記基板上の各層を、基板の両面に形成
    し、基板の両面に形成された前記第1層をエッチングし
    て除去することで、1枚の基板を用いて2枚の窒化ガリ
    ウム系化合物半導体基板を得ることを特徴とする請求項
    1乃至請求項7のいずれか1項に記載の窒化ガリウム系
    化合物半導体基板の製造方法。
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Cited By (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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