JPH1135397A - ＧａＮ系結晶基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 厚膜で、しかも転位などの欠陥を内包しない
高品質なＧａＮ系結晶基板を得ることができるＧａＮ系
結晶基板の製造方法を提供すること。 【解決手段】 ベース基板Ｓ上に、ＧａＮ系結晶に対し
て選択的にエッチング除去可能なバッファ層ａ１を介し
てＧａＮ系結晶の薄膜層ａ２を形成し、その上にマスク
層２を部分的に設け、マスク領域１２と非マスク領域１
１とを形成する。これを用いてＧａＮ系結晶の厚膜層を
成長させ、バッファ層ａ１だけをエッチング除去してベ
ース基板Ｓを分離し、反りの無いＧａＮ系結晶基板を得
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えばＧａＮ系発
光素子の基板やその他の部材として好ましく用いること
ができるＧａＮ系結晶基板の製造方法に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】一般的なＧａＮ系半導体結晶（以下、Ｇ
ａＮ系結晶）の厚膜成長方法としては、サファイア基板
上にＺｎＯ等のバッファ層を形成し、その上にハイドラ
イド気相エピタキシャル成長法（ＨＶＰＥ）でＧａＮ系
結晶を成長させる方法がある。また、その改良技術とし
て、サファイア基板に代えて、スピネル、ＬＧＯ、ＬＡ
Ｏ、ＺｎＯ、ＳｉＣ等の基板を用いる方法、易劈開性の
基板を用いる方法、或いは基板表面にマスクを設けその
上に選択成長させる方法等がある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ＧａＮ
系結晶が厚膜に成長すると、ＧａＮ系結晶とサファイア
基板との格子定数及び熱膨張係数の違いから界面に多大
のストレスが掛かり、ＧａＮが割れ大型基板が得られな
いといった問題点があった。また、転位密度が極めて大
きい（１×１０⁹ ｃｍ^-2〜１×１０¹⁰ｃｍ^-2）基板しか
得られないといった問題点があった。ここで転位とは、
基板上にＧａＮ系結晶層を成長させるときに、格子定数
が合致していない（格子不整合）状態で成長させた場合
に発生する欠陥であり、これら転位は結晶欠陥であるた
め非発光再結合中心として働いたり、そこが電流のパス
として働き漏れ電流の原因になるなど、当該ＧａＮ系結
晶を発光素子に用いた場合に発光特性や寿命特性を低下
させる原因となる。

【０００４】本発明の課題は、厚膜で、しかも転位など
の欠陥を内包しない高品質なＧａＮ系結晶基板を得るこ
とができるＧａＮ系結晶基板の製造方法を提供すること
である。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、以下の特徴を
有するものである。 （１）ＧａＮ系結晶が成長可能なベース基板の一方の面
に、ＧａＮ系結晶に対して選択的にエッチング除去可能
な材料からなるバッファ層を介してＧａＮ系結晶の薄膜
層を形成し、前記薄膜層上面に、ＧａＮ系結晶が実質的
に成長し得ない材料からなるマスク層を部分的に設けて
マスク領域と非マスク領域とを形成し、非マスク領域を
出発点としてマスク層上を覆うまでＧａＮ系結晶の厚膜
層を成長させ、バッファ層だけをエッチング除去するこ
とによってベース基板を分離し、ＧａＮ系結晶の厚膜層
を有するＧａＮ系結晶基板を得ることを特徴とするＧａ
Ｎ系結晶基板の製造方法。

【０００６】（２）ベース基板が、Ｃ面サファイア基板
である上記（１）記載のＧａＮ系結晶基板の製造方法。

【０００７】（３）薄膜層のＧａＮ系結晶が、Ｉｎ_X Ｇ
ａ_Y Ａｌ_Z Ｎ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｚ≦１、
Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１）である上記（１）記載のＧａＮ系結晶
基板の製造方法。

【０００８】（４）マスク領域と非マスク領域との境界
線が、少なくとも、ベース基板上に成長するＧａＮ系結
晶の〈１−１００〉方向の線分を有するようにマスク層
を設ける上記（１）記載のＧａＮ系結晶基板の製造方
法。

【０００９】

【作用】本明細書では、六方格子結晶であるＧａＮ系結
晶の格子面を４つのミラー指数（ｈｋｉｌ）によって指
定するに際し、記載の便宜上、指数が負である場合に
は、その指数の前にマイナス記号を付けて表記するもの
とし、この負の指数に関する表記方法以外は、一般的な
ミラー指数の表記方法に準じる。従って、ＧａＮ系結晶
の場合では、Ｃ軸に平行なプリズム面（特異面）は６面
あるが、例えば、その１つの面は（１−１００）と表記
し、６面を等価な面としてまとめる場合には｛１−１０
０｝と表記する。また、前記｛１−１００｝面に垂直で
かつＣ軸に平行な面を等価的にまとめて｛１１−２０｝
と表記する。また、（１−１００）面に垂直な方向は
〔１−１００〕、それと等価な方向の集合を〈１−１０
０〉とし、（１１−２０）面に垂直な方向は〔１１−２
０〕、それと等価な方向の集合を〈１１−２０〉と表記
する。ただし、図面では、指数が負である場合には、そ
の指数の上にマイナス記号を付けて表記し、ミラー指数
の表記方法に全て準じる。

【００１０】ベース基板上に設けられる「マスク領域」
と「非マスク領域」は、ともにベース基板面中の領域で
ある。マスク層の上面の領域は、マスク領域に等しいも
のとみなし、同義として説明に用いる。

【００１１】本発明者らは、先にＧａＮ系結晶（特にＧ
ａＮ結晶）とサファイア結晶基板との格子定数及び熱膨
張係数の違いに起因するＧａＮ系結晶層のクラック対策
として、図２（ａ）に示すように、ベース基板１上に、
格子状にパターニングしたマスク層２を設け、基板面が
露出している非マスク領域１１だけにＧａＮ系結晶を成
長させ、ベース基板面全体に対してチップサイズのＧａ
Ｎ系結晶層３０を点在させることによってクラックを防
止することを提案している（特開平７−２７３３６７号
公報）。

【００１２】その後、本発明者らがさらに研究を重ねた
結果、点在的に成長させたＧａＮ系結晶層３０をさらに
成長させると、図２（ｂ）に示すように、厚さ方向だけ
でなく、各ＧａＮ系結晶層３０からマスク層２上へ向け
ての横方向へも成長が行われることが確認された。しか
も、厚さ方向（Ｃ軸方向）と同じ程度の成長速度があ
り、結晶方位依存性が判明した。

【００１３】さらに、ＧａＮ系結晶層３０におけるＧａ
Ｎ系結晶中に存在する転位は、ベース基板を含む下地か
ら継承するか、何れかの成長界面で発生し、結晶成長と
共に成長する特性があるが、図２（ｂ）に示す如く、マ
スク領域（マスク層２の上に当たる領域）には発生源と
なる下地（成長界面）が存在しないので、無転位状態と
なることを知見した。また、上述の横方向の成長をさら
に進めると、図２（ｃ）に示す如く、ＧａＮ系結晶はマ
スク層２の上を完全に覆ってマスク層を埋め込み、この
マスク領域には非常に欠陥の少ない、クラックの無い大
型且つ厚膜のＧａＮ系結晶３が得られる事を見いだし
た。

【００１４】上記のように、マスク領域には高品質で厚
いＧａＮ系結晶層が得られることがわかったが、それと
同時に本発明者らは、ＧａＮ系結晶層を厚膜に成長させ
ると、ベース基板と厚膜のＧａＮ系結晶との間の熱膨張
係数の差によって積層体全体に反りが生じることを新た
に見いだし、これを改善すべき問題とした。

【００１５】ベース基板と厚膜のＧａＮ系結晶層との積
層体全体に反りが生じた場合、その反りのために研磨装
置を用いてベース基板を除去することは困難であり、そ
の結果、ＧａＮ系結晶層だけを得ることも困難となる。
また、ベース基板はＧａＮ系結晶が成長し得るような結
晶基板であるから、エッチングによる除去法はＧａＮ系
結晶層にも影響を与えるため、用いられない。

【００１６】本発明ではＧａＮ系結晶層を厚膜に形成す
るに際し、ベース基板上に、ＧａＮ系結晶に対して選択
的にエッチング除去可能な材料をバッファ層として用
い、その上にＧａＮ系結晶の薄膜を設け、さらにマスク
層を形成する。この構成によって、図２のようにＧａＮ
系結晶の厚膜層を形成して積層体全体に反りが生じて
も、バッファ層だけをエッチングで除去することができ
るので、ベース基板が分離し、厚膜のＧａＮ系結晶層は
反りが戻った状態で残る。

【００１７】図２（ｃ）に示す積層体を上記のように通
常の積層方法で製造すると反りが生じるが、ベース基板
を除去すれば、ＧａＮ系結晶の反りは戻ることが予想さ
れる。しかし、除去のための機械的な研磨加工は、その
反りのために困難である。「ＧａＮ系結晶に対して選択
的にエッチング除去する」とは、ＧａＮ系結晶と他の材
料とを同時に同一のエッチング加工をほどこしても、Ｇ
ａＮ系結晶は除去されず残り、他の材料だけがエッチン
グにて除去されることをいう。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら、本発
明の実施の形態につき説明する。本発明によるＧａＮ系
結晶基板の製造方法は、先ず、図１（ａ）に断面を示す
ように、ベース基板Ｓの一方の面に、バッファ層ａ１を
介してＧａＮ系結晶の薄膜層ａ２を形成する。ハッチン
グは層を区別し易いように施している。バッファ層ａ１
には、ＧａＮ系結晶に対して選択的にエッチング除去可
能な材料を用いる。さらにその上にマスク層２を部分的
に設けてマスク領域１２と非マスク領域１１とを形成
し、ＧａＮ系結晶成長用基板Ａ１とする。次に、図１
（ｂ）に示すように、非マスク領域を出発点としてマス
ク層上を覆うまでＧａＮ系結晶の厚膜層３を成長させ
る。さらに、図１（ｃ）に示すように、バッファ層ａ１
だけをエッチング除去することによってベース基板Ｓを
分離し、ＧａＮ系結晶の厚膜層３を有するＧａＮ系結晶
基板Ａ２を得る。このＧａＮ系結晶基板Ａ２は、反りが
戻っており、ＧａＮ系結晶の厚膜層３のなかでもマスク
領域には転位が無く良好な品質となっている。

【００１９】ベース基板は、ＧａＮ系結晶が成長可能な
ものであればよく、例えば、従来からＧａＮ系結晶を成
長させる際に汎用されている、サファイア、水晶、Ｓｉ
Ｃ等を用いてもよい。なかでも、サファイアのＣ面、Ａ
面、６Ｈ−ＳｉＣ基板、特にＣ面サファイア基板が好ま
しい。

【００２０】バッファ層の材料は、ＧａＮ系結晶に対し
て選択的にエッチング除去可能な材料であればよく、Ｚ
ｎＯ、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＭｎＯが例示される。これらの
バッファ層材料を除去し得るエッチング法としては、Ｈ
Ｃｌなどの酸中でのウエットエッチングなどが挙げられ
る。

【００２１】バッファ層の形成方法は、ＭＯＶＰＥ、Ｈ
ＶＰＥ、ＭＢＥ、ＧＳ−ＭＢＥ、ＣＢＥ等、目的の単結
晶３の成長プロセスと同様のエピタキシャル成長法の
他、スパッタ、ＣＶＤなど、公知の成膜法を用いてよ
い。

【００２２】バッファ層の厚みは限定されるものではな
いが、０．００１μｍ〜５μｍ程度であればよい。特に
本発明では、最終的にバッファ層をエッチングにて除去
することから０．０１μｍ〜０．５μｍとするのが好ま
しい。

【００２３】バッファ層上に形成するＧａＮ系結晶の薄
膜、および、製造目的であるＧａＮ系結晶の厚膜は、Ｉ
ｎ_X Ｇａ_Y Ａｌ_Z Ｎ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｚ
≦１、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１）で決定される半導体の結晶であ
る。特に、厚膜層として有用なものは、ＧａＮである。

【００２４】図１に示すベース基板Ｓ、バッファ層ａ
１、ＧａＮ系結晶の薄膜層ａ２の好ましい組み合わせの
例としては、サファイア基板Ｓ、ＺｎＯバッファ層ａ
１、ＧａＮ薄膜層ａ２、または、サファイア基板Ｓ、Ｍ
ｇＯバッファ層ａ１、ＧａＮ薄膜層ａ２、などが挙げら
れる。このような組み合わせによって、薄膜層ａ２内、
さらには目的のＧａＮ系結晶の厚膜層内に新たに発生す
る転位の密度を低く抑える事が出来、非マスク領域上に
も比較的良好な結晶性を得ることができる。

【００２５】マスク層は、それ自身の表面からは実質的
にＧａＮ系結晶が成長し得ない材料を用いる。このよう
な材料としては、例えば非晶質体が例示され、さらにこ
の非晶質体としてＳｉ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｚｒ等の窒化物や
酸化物等が例示される。特に、耐熱性に優れると共に成
膜及びエッチング除去が比較的容易なＳｉＯ₂ 膜が好適
に使用できる。

【００２６】マスク層は、例えばＭＯＶＰＥ、スパッ
タ、ＣＶＤ等の方法により基板全表面を覆うように形成
した後、通常のフォトリソグラフィー技術によって光感
光性レジストのパターニングを行い、エッチングによっ
て基板の一部を露出させる等の手段で形成される。

【００２７】マスク領域と非マスク領域との境界線は、
少なくともベース基板上に成長するＧａＮ系結晶の〈１
−１００〉方向の線分を有するように形成するのが好ま
しい。これによって、ＧａＮ系結晶の｛１１−２０｝面
が、マスク層の上面に沿って成長する面として確保され
る。｛１１−２０｝面は非安定 (off facet)な面であ
り、安定 (facet)な｛１−１００｝面に比べて高速に成
長する面である。

【００２８】図１（ｂ）に示すように、ＧａＮ系結晶成
長用基板Ａ１上に厚膜に形成するＧａＮ系結晶の成長方
法については制限はなく、ＨＶＰＥ法（ハイドライド気
相エピタキシー）、ＭＯＶＰＥ法、ＭＢＥ法等などが例
示できるが、とりわけＨＶＰＥ法は成長速度が非常に大
きいという利点があるため好ましい。製造目的であるＧ
ａＮ系結晶の厚さは限定されないが、５０μｍ〜１００
０μｍ程度とすることによって、ベース基板を分離した
後、さらにマスク層を除去すべく全体を研磨しＧａＮ系
結晶だけの基板として用いることができる。

【００２９】

【実施例】

実施例１ 〔ＧａＮ系結晶成長用基板の製作〕図１（ａ）に示すよ
うに、直径２インチ、厚さ３３０μｍ、Ｃ面サファイア
基板Ｓ上に、スパッタリング装置を使って、厚さ２０ｎ
ｍのＺｎＯバッファ層ａ１を低温成長させ、続いて５μ
ｍのＧａＮ結晶の薄膜層ａ２を成長させた。さらにその
上に、ＳｉＯ₂ 薄膜からなるマスク層２を直線状の縞模
様となるようスパッタリング法で形成し、ＧａＮ結晶成
長用基板Ａ１を得た。マスク層２は、〈１−１００〉方
向に延びる帯状として形成し、厚さ０．５μｍ、帯幅５
μｍ、帯間の幅（非マスク領域の幅）１０μｍとした。

【００３０】〔ＧａＮ系結晶の厚膜層の形成〕上記Ｇａ
Ｎ結晶成長用基板Ａ１をＨＶＰＥ装置に装填し、図１
（ｂ）に示すように、非マスク領域を出発点として２０
０μｍのＧａＮ結晶層３を形成した。ＧａＮ結晶はマス
ク層上を横方向にも成長しマスク層を完全に覆った。こ
のとき、積層体全体に反りが発生した。

【００３１】〔ベース基板の除去〕バッファ層ａ１基板
部材をＨＣｌ中に２０分浸漬して除去することによって
Ｃ面サファイア基板Ｓを分離し、マスク層を内部に含む
厚さ２００μｍのＧａＮ結晶基板を得た。該ＧａＮ結晶
基板の反りは戻り、平坦で高品質なＧａＮ結晶基板であ
った。

【００３２】

【発明の効果】本発明のＧａＮ結晶基板の製造方法は、
ＧａＮ系結晶に対して選択的にエッチング除去可能な材
料からなるバッファ層を用いる方法である。目的のＧａ
Ｎ系結晶の厚膜層をマスク層上を覆うまで形成した後、
バッファ層だけをエッチング除去することによって、Ｇ
ａＮ系結晶の厚膜層全体の反りは戻り、平坦で高品質の
ＧａＮ系結晶基板が得られるようになった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の製造方法を示す図である。

【図２】ＧａＮ系単結晶がマスク層上に成長する状態例
を示す図である。

【符号の説明】

Ｓ ベース基板 ａ１ バッファ層 ａ２ ＧａＮ系結晶の薄膜層 ２ マスク層 ３ ＧａＮ系結晶の厚膜層 １１ 非マスク領域 １２ マスク領域

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 只友 一行 兵庫県伊丹市池尻４丁目３番地 三菱電線 工業株式会社伊丹製作所内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ＧａＮ系結晶が成長可能なベース基板の
   一方の面に、ＧａＮ系結晶に対して選択的にエッチング
   除去可能な材料からなるバッファ層を介してＧａＮ系結
   晶の薄膜層を形成し、前記薄膜層上面に、ＧａＮ系結晶
   が実質的に成長し得ない材料からなるマスク層を部分的
   に設けてマスク領域と非マスク領域とを形成し、非マス
   ク領域を出発点としてマスク層上を覆うまでＧａＮ系結
   晶の厚膜層を成長させ、バッファ層だけをエッチング除
   去することによってベース基板を分離し、ＧａＮ系結晶
   の厚膜層を有するＧａＮ系結晶基板を得ることを特徴と
   するＧａＮ系結晶基板の製造方法。
2. 【請求項２】 ベース基板が、Ｃ面サファイア基板であ
   る請求項１記載のＧａＮ系結晶基板の製造方法。
3. 【請求項３】 薄膜層のＧａＮ系結晶が、Ｉｎ_X Ｇａ_Y
   Ａｌ_Z Ｎ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｚ≦１、Ｘ＋
   Ｙ＋Ｚ＝１）である請求項１記載のＧａＮ系結晶基板の
   製造方法。
4. 【請求項４】 マスク領域と非マスク領域との境界線
   が、少なくとも、ベース基板上に成長するＧａＮ系結晶
   の〈１−１００〉方向の線分を有するようにマスク層を
   設ける請求項１記載のＧａＮ系結晶基板の製造方法。