JP3890416B2 - 窒化物半導体基板及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば青色、緑色、及び白色発光ダイオード等の発光デバイスとして使用されるＧａＮ系化合物半導体等を用いた窒化物半導体基板及びその製造方法に関する。

従来の窒化物半導体基板の作成としては、サファイア、及びシリコンカーバイド等の異種の単結晶基板上に、窒化物半導体を結晶成長させる方法、及び窒化物半導体の小片を超高圧環境下で合成する方法等があげられる。

前者では、有機金属気相エピタキシー法、及びハイドライド気相エピタキシー法などの薄膜作成技術を用いて、異種結晶基板への結晶成長を行う。

一方、後者では、熱平衡条件下で結晶を育成する。これにより、極めて高品質な窒化物半導体基板が実現し得るけれども、超高圧環境は極めてコストが高く、大量生産に不適当であった。

このようなことから、一般に、窒化物半導体の作成は、異種の結晶基板に結晶成長を行う方法が用いられている。結晶成長では、極めて多量の結晶欠陥が発生しやすいことから、通常、基板と窒化物半導体層との間に種々の中間層を導入することにより、結晶欠陥の発生を低減することが試みられている。

しかしながら、結晶が異なることにより、単結晶基板の熱膨張係数と窒化物半導体化合物層の熱膨張係数との間に差があり、結果として、得られた窒化物半導体化合物層に反りが生じる。特に、サファイア基板は、熱抵抗が高いため、素子により発生した熱を放散し難いという問題があった。

これに対し、例えば基板上に、薄い窒化物半導体化合物層を形成し、その上にＳｉＯ₂薄膜を形成し、部分的にこの窒化物半導体化合物層を露出させて、この上にさらに厚い窒化物半導体化合物層を形成した後、基板矯正装置内で、得られた基板を２つの平面により挟んでプレスし、約１０００℃から室温まで冷却することにより、反りを低減して平坦化し、平坦化された窒化物半導体化合物層表面を研磨定盤に貼り付け、ダイアモンド砥粒を用いてサファイア基板及びＳｉＯ₂薄膜を研磨除去し、窒化物半導体化合物の自立基板を得る方法がある（例えば、特許文献１参照。）。

しかしながら、プレスによる平坦化には限界があり、また、サファイア基板は非常に硬いため、研磨による除去は困難、かつコスト高であり、また研磨を行うと、窒化物半導体層内の結晶方位のズレが生じて、この窒化物半導体層上に結晶成長を行って素子を形成する場合に、不純物の不均一な取り込み、及び表面の荒れ等が起こるという問題があった。
特開２００３−１２８４９９号公報

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、窒化物半導体層の反りを防ぎ、低価格で量産可能な窒化物半導体基板を実現することを目的とする。

本発明の窒化物半導体基板は、グラッシーカーボン、アルミナ、窒化珪素、炭化珪素、及び窒化アルミニウム焼結体からなる群から選択される少なくとも１種からなるセラミック基板、
その一主面側に含まれ、下記一般式（１）で表される多結晶または非晶質の窒化物層である接合層、
（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_１−ｙＩｎ_ｙＮ （０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）…（１）
及び該接合層上に融着された、上記一般式（１）で表される窒化物半導体層
を具備することを特徴とする。

本発明の窒化物半導体層の製造方法は、単結晶基板上に、下記一般式（１）で表される窒化物半導体層を結晶成長する工程、
（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_１−ｙＩｎ_ｙＮ （０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）…（１）、
その一主面に上記一般式（１）で表される多結晶または非結晶の接合層を有する、グラッシーカーボン、アルミナ、窒化珪素、炭化珪素、及び窒化アルミニウム焼結体からなる群から選択される少なくとも１種からなるセラミック基板を、該窒化物半導体層上に、該接合層を介して融着させる工程、及び
該単結晶基板と該窒化物半導体層間を剥離する工程を具備することを特徴とする。

本発明によれば、窒化物半導体と熱膨張係数の近いセラミック基板上に窒化物半導体層を形成することにより、熱膨張係数の差に起因する窒化物半導体層の反りを防ぎ、低価格で量産可能な窒化物半導体基板を実現することができる。

本発明の第１の観点に係る窒化物半導体基板は、セラミック基板と、
セラミック基板上に融着された、下記一般式（１）で表される窒化物半導体層とを含む。

（Ａｌ_xＧａ_1-x）_1-yＩｎ_yＮ （０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）…（１）
セラミック基板としては、窒化物半導体層の熱膨張係数との差が少ない熱膨張係数を有するものが選択され得る。

本発明によれば、窒化物半導体層の熱膨張係数との差が少ない熱膨張係数を有するセラミック基板を使用することにより、セラミック基板上に融着された窒化物半導体層の反りを軽減することができる。

また、本発明の窒化物半導体基板は、他の基板上に結晶成長された窒化物半導体層を、金属はんだ等を使用することなく、セラミック基板に融着するだけで容易に形成することができる。また、セラミック基板は、従来の窒化物半導体基板に使用される単結晶基板等よりも遙かに安価である。このように、本発明によれば、低価格で量産可能な窒化物半導体基板が得られる。

さらに、本発明の窒化物半導体基板に、セラミック基板として、例えば窒化アルミニウム、炭化珪素、及び窒化珪素等の高熱伝導率を有するセラミック基板を使用することにより、高温環境下での利用、大出力パワー素子等の放熱特性の改善が可能となり、冷却設備、冷却に使用されるエネルギー、ＣＯ₂排出量等を削減して、環境保全、低コスト化が可能となる。

なお、ここで、融着とは、接着剤を用いず、セラミック基板と窒化物半導体層との接合界面での原子の移動を促進させることにより、その構成原子間を直接結合させることによりにより接合することをいう。

セラミック基板としては、好ましくは、グラッシーカーボン、アルミナ、窒化珪素、炭化珪素、及び窒化アルミニウム焼結体等を使用することができる。

これらのセラミック基板の熱膨張係数は、各々、グラッシーカーボンが例えば３．７×１０^-6／Ｋ、アルミナが例えば５．８×１０^-6／Ｋ、窒化珪素が例えば３．２×１０^-6／Ｋ、炭化珪素が例えば４．２×１０^-6／Ｋ、及び窒化アルミニウム焼結体が４．５×１０^-6／Ｋである。サファイア基板の熱膨張係数が７．５×１０^-6／Ｋであるのに対し、本発明に使用される上記一般式（１）で表される窒化物半導体の熱膨張係数は４．２ないし５．６×１０^-6／Ｋであり、熱膨張係数の差が少ないことがわかる。

本発明の窒化物半導体基板の製造方法は、上記窒化物半導体基板を得るために使用される方法の一例であって、
結晶性基板上に、下記一般式（１）で表される窒化物半導体層を結晶成長する工程、
（Ａｌ_xＧａ_1-x）_1-yＩｎ_yＮ （０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）…（１）、
窒化物半導体層上にセラミック基板を融着させる工程、及び
単結晶基板と該窒化物半導体層間を剥離する工程を含む。

本発明の製造方法によれば、結晶性基板上に常法により結晶成長された窒化物半導体層を、低価格なセラミック基板と融着させ、この結晶性基板を剥離するだけで、低コストで、容易に、窒化物半導体基板を得ることができ、大量生産も可能である。また、剥離された単結晶基板は、再利用が可能であるため無駄がない。

さらに、窒化物半導体層の熱膨張係数との差が少ない熱膨張係数を有するセラミック基板を使用することにより、セラミック基板上に融着された窒化物半導体層の反りを軽減することができる。

さらにまた、セラミック基板として、高熱伝導率を有するセラミック基板を使用できるので、本発明の窒化物半導体を用いると、高温環境下での利用、大出力パワー素子等の放熱特性の改善が可能となり、冷却設備、冷却に使用されるエネルギー、ＣＯ₂排出量等を削減して、環境保全、低コスト化が可能となる。

単結晶基板に使用される単結晶としては、例えばサファイア単結晶、ＺｎＯ単結晶、ＬｉＡｌＯ₂単結晶、ＬｉＧａＯ₂単結晶、ＭｇＡｌ₂Ｏ₂単結晶、ＭｇＯ単結晶等の酸化物単結晶、Ｓｉ単結晶、炭化珪素単結晶等のＩＶ族あるいはＩＶ−ＩＶ族単結晶、ＡｌＮ単結晶、ＧａＮ単結晶、及びＡｌＧａＮ単結晶等のＩＩＩ−Ｖ族単結晶、ＺｒＢ₂等のホウ化物単結晶等があげられる。

本発明に用いられる窒化物半導体層は、上記一般式（１）で表される組成を有する。この組成は、膜厚方向に組成が変化しているものを含む。

図１に、本発明の窒化物半導体基板の第１の例を表す断面図を示す。

図示するように、この窒化物半導体基板１０は、例えば窒化アルミニウムセラミックス基板１上に、例えばＧａＮ半導体層２が融着された構成を有する。

この窒化物半導体基板の製造工程の一例を説明するための図を図２及び図３に示す。

図２に示すように、まず、例えばサファイアからなる単結晶基板９上に、例えばＧａＮからなる半導体層２を気相成長させる。次に、半導体層２上にセラミックス基板１を当接させ、加熱することにより融着を行う。その後、例えばエキシマレーザ光を使用して、単結晶基板９と半導体層２との界面を剥離することにより、図１に示すような窒化物半導体基板が得られる。

本発明に用いられる窒化物半導体層は、約０．２ないし１０００μｍの厚さを有し、周知の方法で形成することができる。以下に、窒化物半導体層の結晶成長方法の例を挙げる。

ＧａＮから実質的になる窒化物半導体層を形成する場合、その一例として、例えば２インチ系のサファイア基板を有機金属気相成長装置内に設置し、搬送ガスとして、Ｈ₂及びN₂を１：０ないし１：１の混合比で混合した混合ガスを使用し、成長圧力を１００ないし７６０Ｔｏｒｒとし、基板を９００ないし１１００℃に加熱して、反応ガスとしてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）＋ＮＨ₃を流速０．０２ないし１ｍ／ｓで流し、気相成長法により、１ないし４μｍの厚さのＧａＮ半導体層を形成することができる。

Ｇａ_1-xＡｌ_xＮ（０＜ｘ＜１）から実質的になる窒化物半導体層を形成する場合、その一例として、例えば２インチ系のサファイア基板を有機金属気相成長装置内に設置し、搬送ガスとして、Ｈ₂及びN₂を１：０ないし１：１の混合比で混合した混合ガスを使用し、成長圧力を１００ないし６００Ｔｏｒｒとし、基板を１０００ないし１２００℃に加熱して、反応ガスとして、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、及びＮＨ₃の混合ガスを、流速０．０１ないし１ ｍ／ｓで流し、１ないし４μｍの厚さを有するＧａ_1-xＡｌ_xＮ半導体層を形成することができる。

Ｇａ_1-yＩｎ_yＮから実質的になる窒化物半導体層を形成する場合、その一例として、例えば２インチ系のサファイア基板を有機金属気相成長装置内に設置し、搬送ガスとして、N₂を用いて、成長圧力を４００ないし７６０Ｔｏｒｒとし、基板を５００ないし８００℃に加熱して、反応ガスとして、トリメチルガリウム、トリメチルインジウム、及びＮＨ₃の混合ガスを、流速０．０１ないし１ｍ／ｓで流し、１ないし４μｍの厚さを有するＧａ_1-yＩｎ_yＮ半導体層を形成することができる。

（Ａｌ_xＧａ_1-x）_1-yＩｎ_yＮから実質的になる窒化物半導体層を形成する場合、その一例として、例えば２インチ系のサファイア基板を有機金属気相成長装置内に設置し、搬送ガスとして、Ｈ₂及びN₂混合ガスを０：１：ないし１：１の混合比で混合した混合ガスを使用し、成長圧力を１００ないし７６０Ｔｏｒｒとし、基板を６００ないし１１００℃に加熱して、反応ガスとして、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、トリメチルインジウム、及びＮＨ₃の混合ガスを、流速０．０１ないし１ ｍ／ｓで流し、１ないし４μｍの厚さを有する（Ａｌ_xＧａ_1-x）_1-yＩｎ_yＮ半導体層を形成することができる。

融着工程は、好ましくは５００ないし１４００℃の温度で行うことができる。

加熱は、加熱装置例えば電気炉及び高速加熱炉等を用いて行うことができる。

融着工程は、好ましくは、セラミック基板と窒化物半導体層とを圧接して行うことができる。

図４に、セラミック基板と窒化物半導体層とを圧接する様子の一例を表す概略図を示す。

圧接方法は、特に限定されないが、図示するように、固定手段として、例えば少なくとも一対の板状体この場合は板状体３，４，５と、板状体３，４，５の互いに位置決めされて形成された開孔を通してこれらを固定し得る締め具６とを有するサンプルホルダー２０を使用し、板状体４，５間にセラミックス基板７と図示しない窒化物半導体層を形成した単結晶基板８とを、セラミック基板７と窒化物半導体層とが接触するように配置し、締め具６により固定及び加圧する方法、接触させて配置されたセラミック基板と窒化物半導体層上を、例えば重り、シリンダ、バネ等の加圧手段により加圧する方法等があげられる。

また、図５に、加熱装置内で融着を行う様子の一例を表す概略図を示す。

図示するように、この加熱装置３０は、加熱部材を内蔵したホットウォール１３で覆われた加熱室１４と、加熱室１４内に各々導入されたガス供給ライン１１及び熱電対１２とを有し、熱電対１２上に、図２に示すようにセラミック基板７と窒化物半導体層とが圧接して固定されたサンプルホルダー２０が載置されている。

この加熱装置３０では、例えばガス供給ライン１１から水素、窒素、及びアンモニア混合ガスを供給しながら、熱電対１２により例えば５００ないし１４００℃の温度で１ないし６０分加熱し、サンプルホルダー２０内の窒化アルミニウムセラミック基板７とＧａＮ半導体層とを融着することができる。

窒化物半導体基板の一態様においては、セラミック基板は、セラミック基板本体と、セラミック基板本体の一主面上に形成された接合層とを含み、上記窒化物半導体層は、この接合層上に融着され得る。

図６に、本発明の窒化物半導体基板の第２の例を表す断面図を示す。

図示するように、この窒化物半導体基板４０は、セラミック基板１８がたとえば窒化アルミニウムからなるセラミック基板本体１７とその上に予め形成された多結晶性または非晶質のＡｌＮからなる接合層１６からなり、ＡｌＮ接合層１６上に例えばＧａＮからなる半導体層２が融着された構成を有する。

このような接合層としては、例えば上記一般式（１）で表される組成を有する窒化物が使用できる。このような窒化物は、セラミック基板上に例えばスパッタ法及び気相堆積法等を用いて形成することが可能であり、このようにして得られた窒化物は、単結晶基板上に結晶成長される単結晶窒化物半導体とはその結晶性が異なり、非晶質体または多結晶体となる。また、非晶質体または多結晶体の窒化物は、単結晶窒化物半導体のような高温で形成する必要はなく、低コストで容易に形成し得る。

得られた窒化物と、窒化物半導体層とは、結晶性が異なるだけで、その組成が類似しているため、融着し易く、セラミック基板と窒化物半導体層との接合をより強固にし得る。また、セラミック基板の表面の平坦性が良好でない場合に、接合層を形成することにより表面の平坦化が可能となり、強固な接合のみならず、接合面特にセラミック基板表面の平坦性の欠如に起因する融着時の窒素の離脱を抑制することができる。

好ましくは、この窒化物と窒化物半導体層との組成を同等にすることができる。

融着工程における加熱、加圧等の融着条件は窒化物半導体層の組成により適宜変更することができる。

窒化物半導体がＧａＮから実質的になる場合、例えば加圧を好ましくは１ないし５ｋｇｆ／ｃｍ²、加熱温度を好ましくは６００ないし１１００℃、ガス雰囲気を好ましくは０ないし１００％の水素、０ないし９０％の窒素、及び０ないし３０％のアンモニアの混合雰囲気、圧力を好ましくは０．１ないし１気圧、加熱時間を好ましくは１ないし６０分に設定することができる。

窒化物半導体がＧａ_1-xＡｌ_xＮ（０＜ｘ＜１）から実質的になる場合、例えば加圧を好ましくは１ないし５ｋｇｆ／ｃｍ²、加熱温度を好ましくは７００ないし１２００℃、ガス雰囲気を０ないし１００％の水素、０ないし９０％の窒素、及び０ないし３０％のアンモニアの混合雰囲気、圧力を好ましくは０．１ないし１気圧、加熱時間を好ましくは１ないし６０分に設定することができる。

窒化物半導体がＧａ_1-yＩｎ_yＮ（０＜ｙ＜１）から実質的になる場合、例えば加圧を好ましくは１ないし５ｋｇｆ／ｃｍ²、加熱温度を好ましくは５００ないし８００℃、ガス雰囲気を好ましくは７０ないし１００％の窒素及び０ないし３０％のアンモニアの混合雰囲気、圧力を好ましくは０．５ないし１気圧、加熱時間を好ましくは１ないし６０分に設定することができる。

窒化物半導体が（Ａｌ_xＧａ_1-x）_1-yＩｎ_yＮ（０＜ｘ＜１）（０＜ｙ＜１）から実質的になる場合、例えば加圧を好ましくは１ないし５ｋｇｆ／ｃｍ²、加熱温度を好ましくは６００ないし１１００℃、ガス雰囲気を好ましくは０ないし３０％の水素、７０ないし１００％の窒素、及び０ないし３０％のアンモニアの混合雰囲気、圧力を好ましくは０．５ないし１気圧、加熱時間を好ましくは１ないし６０分に設定することができる。

上述の融着条件は、例えば０．２ｍｍないし１ｍｍの厚さ、１×１ｃｍないし５×５ｃｍの大きさを有するセラミック基板、及び０．８ｍｍの厚さ、１×１ｃｍないし５×５ｃｍの大きさの単結晶基板上に形成された厚さ１ないし１０００μｍの窒化物半導体層に十分適用できる。

本発明の製造方法の一態様によれば、単結晶基板は、その一主面側に剥離層をさらに含み、窒化物半導体層は、剥離層上に結晶成長され、剥離層を熱分解することにより、単結晶基板と窒化物半導体層を剥離することができる。

図７及び図８に、本発明の窒化物半導体基板の製造工程の他の一例を説明するための図を示す。

図７に示すように、単結晶基板２３は、例えばサファイアからなる単結晶基板本体２１とその上に予め形成された例えばＧａＩｎＮ（Ｉｎ組成比 ３０at％）剥離層２２とを含み、窒化物半導体層２を結晶成長する工程では、窒化物半導体層２はＧａＮ剥離層２２上に形成される。

図８に示すように、図７に示す積層体５０の窒化物半導体層２上に例えば窒化アルミニウムからなるセラミック基板１を加熱により融着する。その後、ＧａＩｎＮ剥離層２２を例えばエキシマレーザ光を使用して熱分解し、単結晶基板本体２１を剥離することにより、図１に示すような窒化物半導体基板が得られる。

あるいは、図９に示すように、窒化アルミニウムからなるセラミック基板１の代わりに、たとえば窒化アルミニウムからなるセラミック基板本体１７とその上に予め形成された多結晶性または非晶質のＧａＮからなる接合層１６とを含むセラミック基板１８を用い、接合層１６と図７に示す積層体５０の窒化物半導体層２とを加熱により融着する。その後、ＧａＮ剥離層２２を例えばエキシマレーザ光を使用して熱分解し、単結晶基板本体２１を剥離することにより、図６に示すような窒化物半導体基板が得られる。

剥離層としては、例えば上記一般式（１）で表される窒化物であって、窒化物半導体層の熱分解温度よりも低い温度で熱分解するものが好ましく使用できる。

剥離層の熱分解温度の調整は、窒化物半導体の組成比に対し窒化物の組成比を変更する、窒化物半導体の成膜条件に対し窒化物の成膜条件を変更することなどによって行われる。例えば（Ａｌ_xＧａ_1-x）_1-y'Ｉｎ_y'Ｎ（０≦ｘ≦１，０＜ｙ’≦１）の窒化物中のＩｎ組成比すなわちｙ’値を、（Ａｌ_xＧａ_1-x）_1-yＩｎ_yＮ（０≦ｘ≦１，０＜ｙ≦１）窒化物半導体層のｙ値よりも多くすることにより、その 熱分解温度を低下させることができる。また、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ＜１）半導体層の結晶成長時に、成長温度、トリメチルアルミニウムとトリメチルガリウムとの供給比を変えて、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（ｘ’＜ｘ）層を形成することにより、その熱分解温度を半導体層の熱分解温度よりも低下させることができる。

窒化物半導体層の熱分解温度は、例えば窒化物半導体がＧａＮから実質的になる場合、１２００℃である。窒化物半導体がＧａ_1-x'Ａｌ_x'Ｎ（０＜ｘ＜１）から実質的になる場合、１２００℃ないし２０００℃である。窒化物半導体がＧａ_1-yＩｎ_yＮ（０＜ｙ＜１）から実質的になる場合、５００℃ないし１１００℃である。窒化物半導体が（Ａｌ_xＧａ_1-x）_1-yＩｎ_yＮ（０＜ｘ＜１）（０＜ｙ＜１）から実質的になる場合、５００℃ないし１３００℃である。

窒化物半導体層の熱分解温度と剥離層の熱分解温度との差は概ね１００℃以上であることが好ましい。１００℃未満であると、加熱装置における加熱温度のばらつきなどにより、窒化物半導体層が過熱されて熱分解する可能性があるが、１００℃以上であれば、加熱温度の多少のばらつきには影響されにくい。

このようなことから剥離層の好ましい熱分解温度は、８００ないし１１００℃である。

剥離層と窒化物半導体層の構成元素は、互いに同じでも、異なっていても良い。

剥離工程には、レーザーリフトオフ技術を好ましく使用することができる。例として、高出力レーザ光例えばエキシマレーザ、シンクロトロン放射光（ＳＯＲ光）、及び自由電子レーザ等により窒化物半導体と単結晶基板との界面を熱分解させ、窒化物半導体層と単結晶基板との界面を剥離する方法、あるいは上記剥離層を上記高出力レーザ光あるいは高速加熱炉等を使用して熱分解し、窒化物半導体層と単結晶基板とを剥離する方法等があげられる。

レーザ光の波長や出力、及び加熱温度等の剥離条件は、使用される窒化物半導体層及び剥離層により、適宜変更できる。

高出力レーザ光として例えばエキシマレーザを使用する場合、レーザ光の波長を窒化物半導体層または剥離層の吸収端より短い波長とし、剥離層の吸収端より短波長の吸収端を有する単結晶基板を使用し、単結晶基板側の方向よりレーザ照射し、レーザ出力を２００ないし５００ｍＪ、温度を室温ないし１００℃とし、雰囲気を大気中、あるいは窒素中とすることができる。

高速加熱炉を使用する場合、加熱温度を、窒化物半導体の熱分解温度よりも低い温度例えばＧａＮでは１２００℃以下、その他の窒化物半導体層では１３００ないし１８００℃とし、加熱時間を１０ないし６００秒、加熱雰囲気を大気中、窒素中、あるいは真空中とすることができる。

実施例
以下、実施例を示し、本発明をより具体的に説明する。

実施例１
２インチ径の厚さ３３０μｍのサファイア基板を用意し、アセトン、及びイソプロピルアルコールで超音波洗浄し、水洗乾燥した。

得られたサファイア基板を、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）装置内に載置した。

装置内にはＮＨ₃、ＴＭＡ、ＴＭＧ、Ｃｐ₂Ｍｇ、及びＳｉＨ₄等のガス系を導入するラインが設けられている。

装置内を１気圧に設定し、Ｈ₂を流速０．１ｍ／ｓで流しながら、サファイア基板の温度を１１００℃まで加熱した。その後、ＴＭＧ及びＮＨ₃ガスを１：５０００の混合比で使用し、０．１ｍ／ｓの流速で流し、２μｍの厚さの単結晶ＧａＮ半導体層をエピタキシャル成長させた。

得られたＧａＮの転位密度は、２×１０⁹／ｃｍ²であり、（００２）面におけるＸ線回折ロッキングカーブの半値幅は２５０秒であることから、良質のＧａＮ半導体層であることがわかった。

次いで、窒化アルミニウムセラミック基板を用意し、イソプロピルアルコールで超音波洗浄した後、水洗乾燥した。

洗浄済みの窒化アルミニウムセラミック基板をＧａＮ半導体層と密着させ、４ｋｇｆ／ｃｍ²の加重を加えて図４と同様のサンプルホルダーにて固定し、図５と同様の加熱装置内に設置した。装置内の圧力を１気圧に設定し、水素、窒素、アンモニア（１：３：１）の混合ガスを流しながら、装置内を１０００℃に保ち、６０分間保持して融着を行った。

融着後、サファイア基板側からエキシマレーザを５００ｍＪ／ｃｍ²のパワー密度で照射し、ＧａＮ層とサファイア基板の界面を熱分解することによって、サファイア基板をＧａＮ層から剥離除去し、図１と同様の構造を有する窒化物半導体基板を得た。

得られた窒化物半導体基板は、反りの発生もなく良好であった。

また、得られた窒化物半導体基板について、上記と同様にＧａＮ半導体層の（００２）面におけるＸ線回折ロッキングカーブを調べたところ、その半値幅は２５０秒であった。

また、窒化物半導体基板について、以下のように接合強度を測定した。

接合強度の測定
図１０に、接合強度の測定の様子を表す概略図を示す。

実施例１と同様にしてサファイア基板を剥離する前の融着された基板を用意し、融着された一方の基板２４上にボンド２６で支持ロープ２７の一端を固定し、支持ロープ２７の他端を、十分な高さを有する図示しない支持体に固定した。もう一方の基板２５には複数の支持ロープにより受け皿２８を吊り下げた。支持体の高さは、受け皿２８が自由な状態となる高さとする。

受け皿２８に重り２９を載せて、重りの重量を徐々に増加し、サンプル２４，２５が剥離するか、あるいはボンド２６が剥がれた時点の重りの重量と、基板面の面積またはボンドの接着面積とから計算し、その融着強度とした。なお、ボンドが剥がれた場合には、融着強度は、その計算値以上であると見なした。

その結果、計算値６．５ｋｇｆ／ｃｍ²の時点でボンドが剥がれたため、窒化アルミニウムセラミック基板とＧａＮ層の融着強度は６．５ｋｇｆ／ｃｍ²以上であることがわかった。

実施例２
窒化アルミニウムセラミック基板の代わりに、同様にして洗浄したアルミナ基板を用意した。

このアルミナ基板をＭＯＣＶＤ装置に載置し、装置内を７６０Ｔｏｒｒに保持し、基板を６００℃に加熱し、ＴＭＧとアンモニアの（１：５０００）混合ガスを流速０．１ｍ／ｓで流しながら、５分間保持して、０．１μｍ厚の低温ＧａＮ接合層を形成した。

得られた接合層を実施例１と同様にしてサファイア基板上に形成されたＧａＮ半導体層と密着させ、３ｋｇｆ／ｃｍ²の加重を加えて図４と同様のサンプルホルダーにて固定し、図５と同様の加熱装置内に設置した。装置内の圧力を１気圧に設定し、窒素雰囲気内で、装置内を１０００℃に保ち、６０分間保持して融着を行った。

その後、実施例１と同様にしてサファイア基板を剥離することにより窒化物半導体基板を得た。

得られた窒化物半導体基板は、反りの発生もなく良好であった。

また、得られた窒化物半導体基板について、上記と同様にＧａＮ層の（００２）面におけるＸ線回折ロッキングカーブを調べたところ、その半値幅は２５０秒であった。

また、同様の工程でサファイア基板を剥離する前の融着された基板を作成し、実施例１と同様にして接合強度を測定したところ、６．０ｋｇｆ／ｃｍ²以上の接合強度を有することがわかった。

実施例３
窒化アルミニウムセラミック基板の代わりに、同様にして洗浄した窒化珪素基板を用意した。

洗浄済みの窒化珪素基板を実施例１と同様にしてサファイア基板上に形成されたＧａＮ半導体層と密着させ、実施例２と同様の条件で加熱し、融着を行った。

その後、実施例１と同様にしてサファイア基板を剥離することにより窒化物半導体基板を得た。

得られた窒化物半導体基板は、反りの発生もなく良好であった。

また、得られた窒化物半導体基板について、上記と同様にＧａＮ層の（００２）面におけるＸ線回折ロッキングカーブを調べたところ、その半値幅は２５０秒であった。

また、同様の工程でサファイア基板を剥離する前の融着された基板を作成し、実施例１と同様にして接合強度を測定したところ、３．０ｋｇｆ／ｃｍ²以上の接合強度を有することがわかった。

本発明の窒化物半導体基板の活用例としては、電力用半導体素子、高周波パワー電送、自動車産業、無線通信、及び宇宙開発事業等があげられる。

本発明の窒化物半導体基板の一例を表す断面図 本発明の窒化物半導体基板の製造工程の一例を説明するための図 本発明の窒化物半導体基板の製造工程の一例を説明するための図 セラミック基板と窒化物半導体層とを圧接する様子の一例を表す概略図 加熱装置内で融着を行う様子の一例を表す概略図 本発明の窒化物半導体基板の第２の例を表す断面図 本発明の窒化物半導体基板の製造工程の他の一例を説明するための図 本発明の窒化物半導体基板の製造工程の他の一例を説明するための図 本発明の窒化物半導体基板の製造工程のさらに他の一例を説明するための図 接合強度の測定方法を説明するための図

符号の説明

１，７，１８…セラミックス基板
２…窒化物半導体層
３，４，５…板状体
６…締め具
８，９，２３…単結晶基板
１０，４０…窒化物半導体基板
１１…ガス供給ライン
１２…熱電対
１３…ホットウォール
１４…加熱室
１６…接合層
１７…セラミック基板本体
２１…単結晶基板本体
２２…剥離層
２４，２５…融着されたサンプル基板
２７…支持ロープ
２８…受け皿
２９…重り
３０…加熱装置

Claims (11)

1. グラッシーカーボン、アルミナ、窒化珪素、炭化珪素、及び窒化アルミニウム焼結体からなる群から選択される少なくとも１種からなるセラミック基板、
   その一主面側に含まれ、下記一般式（１）で表される多結晶または非晶質の窒化物層である接合層、
   （Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_１−ｙＩｎ_ｙＮ （０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）…（１）
   及び該接合層上に融着された、上記一般式（１）で表される窒化物半導体層
   を具備することを特徴とする窒化物半導体基板。
2. 前記窒化物半導体層は、５００ないし１４００℃で融着されることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体基板。
3. 前記窒化物半導体層と前記セラミック基板は、融着時に、前記接合層を介して加圧されていることを特徴とする請求項１または２に記載の窒化物半導体基板。
4. 前記窒化物半導体層と前記セラミック基板は、融着時に、前記接合層を介して１ないし５ｋｇｆ／ｃｍ ^２ で加圧されていることを特徴とする請求項３に記載の窒化物半導体基板。
5. 単結晶基板上に、下記一般式（１）で表される窒化物半導体層を結晶成長する工程、
   （Ａｌ _ｘ Ｇａ _１−ｘ ） _１−ｙ Ｉｎ _ｙ Ｎ （０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）…（１）、
   その一主面に上記一般式（１）で表される多結晶または非結晶の接合層を有する、グラッシーカーボン、アルミナ、窒化珪素、炭化珪素、及び窒化アルミニウム焼結体からなる群から選択される少なくとも１種からなるセラミック基板を、該窒化物半導体層上に、該接合層を介して融着させる工程、及び
   該単結晶基板と該窒化物半導体層間を剥離する工程を具備することを特徴とする窒化物半導体層の製造方法。
6. 前記融着工程は、５００ないし１４００℃で行われることを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 前記融着工程は、前記窒化物半導体層と前記セラミック基板とを、前記接合層を介して加圧して行われることを特徴とする請求項５または６に記載の方法。
8. 前記融着工程は、前記窒化物半導体層と前記セラミック基板とを、前記接合層を介して１ないし５ｋｇｆ／ｃｍ ^２ で加圧して行われることを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 前記単結晶基板は、サファイア、ＺｎＯ、ＬｉＡｌＯ _２ 、ＬｉＧａＯ _２ 、ＭｇＡｌ _２ Ｏ _４ 、ＭｇＯ、Ｓｉ、炭化珪素、窒化アルミニウム、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、及びＺｒＢ _２ からなる群から選択される単結晶から実質的になることを特徴とする請求項５ないし８のいずれか１項に記載の方法。
10. 前記単結晶基板は、その一主面側に剥離層をさらに含み、前記窒化物半導体層は、該剥離層上に結晶成長され、前記剥離工程は、前記窒化物半導体層及び該剥離層間で行われることを特徴とする請求項５ないし９のいずれか１項に記載の方法。
11. 前記剥離層は、上記一般式（１）で表され、前記窒化物半導体層よりも低い熱分解温度を有する窒化物層であることを特徴とする請求項１０に記載の方法。

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