JP3946448B2

JP3946448B2 - 窒化物半導体基板の製造方法

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Publication number: JP3946448B2
Application number: JP2001032064A
Authority: JP
Inventors: 恵司坂本; 健桂木; 大介森田
Original assignee: Nichia Corp
Current assignee: Nichia Corp
Priority date: 2001-02-08
Filing date: 2001-02-08
Publication date: 2007-07-18
Anticipated expiration: 2021-02-08
Also published as: JP2002237458A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化物半導体から成る単結晶基板の製造方法に関し、特に窒化物半導体から異種基板を容易に除去して窒化物半導体基板を得る製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、窒化物半導体基板は高出力ＬＥＤや寿命特性などの良好な素子特性を有する窒化物半導体からなるＬＤのような発光素子、その他、受光素子や電子デバイス等への用途が高まっている。これら窒化物半導体は、一般式Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表される。例えば、窒化ガリウムは単結晶の製造が困難であるため異種基板への成長により窒化物半導体基板とする試みがなされているが、窒化ガリウムと格子整合する適当な基板が存在しないため、後工程において異種基板を除去する方法が検討されており、具体例としては、異種基板であるサファイア基板上に厚膜の窒化ガリウムを成長させ、その後、異種基板を研磨による単結晶の製造方法が報告されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、サファイア基板等は、硬度が高いため研磨時に大きな応力が必要であり、サファイア基板上の窒化ガリウムにも研磨時の応力で欠けや割れが生じるため窒化ガリウムの単体基板を形成するのは困難であった。
また、この問題はハイドライド気相成長法で成長させた窒化ガリウムの膜厚が厚いほど、具体的には１００μｍ以上の膜厚を成長させた場合には、このような問題が顕著に現れていた。
【０００４】
一方、研磨以外の窒化ガリウムとサファイアを分離する方法としては、例えば、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７２（５）, ２Ｆｅｂｒｕａｒｙ１９９８ｐｐ．５９９−６０１には、サファイア基板上に窒化ガリウムを成長させた後、この成長させた窒化ガリウム面をＳｉウェハにエポキシを介して固定し、サファイア／窒化ガリウム／エポキシ／Ｓｉの構造にした後、サファイア側からＫｒｆパルスエキシマレーザを照射して、サファイアとＧａＮとが接している共有面で分離し、窒化ガリウムからサファイアを分離する方法が記載されている。
この方法では、レーザ照射により、窒化ガリウムとサファイアが接触している共有面で窒化ガリウムがレーザ光を吸収して窒化ガリウムの分解が生じ、窒化ガリウムからサファイアを分離することができるものであるが、窒化ガリウムの分解によって発生する窒素ガスのガス圧によりサファイアが割れ、この割れが原因でサファイアと接触している窒化ガリウム面に欠陥が生じる。
このような欠陥傷が窒化ガリウム面にあると、例えばマイクロクラックなどの発生を引き起こす場合がある。マイクロクラックが発生すると、発光素子などにおいては寿命特性などの素子特性の低下や、歩留まりの低下等を引き起こすことが考えられる。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、窒化物半導体を成長させたサファイア等の異種基板を容易に除去して結晶性のいい窒化物半導体基板を得ることのできる窒化物半導体基板の製造方法を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明の目的は、下記（１）〜（５）の構成により達成することができる。
（１）第１の面と第２の面とを有し窒化物半導体と異なる材料から成る異種基板の第１の面上に、窒化物半導体から成る第１の窒化物半導体を成長させる第１の工程と、前記第１の工程後、前記第１の窒化物半導体上に第２の窒化物半導体を成長させる第２の工程と、を備える窒化物半導体基板の製造方法において、前記第１の窒化物半導体の成長速度が０．５ｍｍ／時間以上、１００ｍｍ／時間以下であり、且つ前記第１の窒化物半導体の成長速度（Ｒ１）と、第２の窒化物半導体の成長速度（Ｒ２）と、の比（Ｒ１／Ｒ２）が１より大きいと共に、第１の窒化物半導体が、窒化物半導体の下地層を介して成長させ、前記第１の窒化物半導体と第２の窒化物半導体との界面が不均一で、第２の窒化物半導体の表面が平坦であり、前記下地層と第１の窒化物半い導体の膜厚がそれぞれ０．５μｍ〜２０μｍ、３０μｍ以上であり、前記第２の工程後、前記異種基板の第２の面を研磨して異種基板を除去する第３の工程を備えることを特徴とする窒化物半導体基板の製造方法。
（２）前記第１の窒化物半導体と第２の窒化物半導体との欠陥密度の差が２桁以上であることを特徴とする（１）に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
（３）前記第２の窒化物半導体における欠陥密度が５×１０^６個／ｃｍ^２以下であることを特徴とする（１）又は（２）に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
（４）前記第１の窒化物半導体、及び／又は第２の窒化物半導体は、ハイドライド気相成長法によって成長させることを特徴とする（１）乃至（３）のいずれか１項に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
（５）前記第１の窒化物半導体は異種基板上に下地層を介して成長させることを特徴とする（１）乃至（４）のいずれか１項に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
【０００７】
つまり、本発明は上記の如く、異種基板上に成長させた窒化物半導体を単体として形成する際に、異種基板上に窒化物半導体を少なくとも２層有することにより異種基板を研磨する工程において、単体基板として使用する範囲の窒化物半導体にクラック等を生じさせることなく異種基板を除去することができる。
これは、異種基板上に成長条件の異なる窒化物半導体を成長させることで、窒化物半導体同士の界面に結晶的不均一を有するため、研磨時に生じる窒化物半導体への応力により発生するクラック等が第２の窒化物半導体まで影響を及ぼさず、厚膜成長した窒化物半導体を単体形成することができる。
【０００８】
以上のように本発明は、異種基板上に成長させた窒化物半導体を割れが生じることなく単体形成するものであり、容易に異種基板の除去が可能となる。
【０００９】
さらに、本発明において、異種基板上の窒化物半導体同士の界面に結晶的な不均一をもたせる方法としては異種基板上に成長させる第１の窒化物半導体と第２の窒化物半導体との成長速度を変えることである。
また、第１の窒化物半導体の成長速度を第２の窒化物半導体の成長速度よりも速くすることで、第２の窒化物半導体との界面となる第１の窒化物半導体の界面付近で転位欠陥がループを作ることができる。これにより、その界面には単位面積当たりの欠陥密度が数桁、具体的には３桁以上も減少する。
【００１０】
また、上記に示すような高速度成長に好ましい成長方法としては、短時間で厚膜成長が可能なハイドライド気相成長法を用いるのが好ましい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態について、実施例に基づき図面を参照して説明する。
【００１２】
図１は、本発明の実施形態の窒化物半導体から成る単体基板を形成するために異種基板上に下地層を介して第１の窒化物半導体、及び第２の窒化物半導体を成長させた後、この窒化物半導体基板の最上面となる第２の窒化物半導体の表面を土台に貼り合わせ、さらに、異種基板側から研磨を行うことにより異種基板部分を取り除いた窒化物半導体から成る単体基板を形成するものである。
また、この下地層は第１の窒化物半導体層等の成長条件により省略することができる。
以下に本発明の各工程について具体的に説明する。
【００１３】
［第１の工程］
第１の工程は、図１に示されるように、異種基板１上にバッファ層（図示していない。）、下地層２を成長させた後、第１の窒化物半導体３を成長させる工程である。
本発明において、異種基板１としては土台に貼り合わせ研磨時に割れ等を生じないものであれば特に限定されないが、具体例としては、Ｃ面、Ｒ面、及びＡ面のいずれかを主面とするサファイアやスピネルのような絶縁性基板、その他、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む）、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、Ｓｉ、及び窒化物半導体と格子整合する酸化物基板等を用いることができる。
【００１４】
次に異種基板１上にバッファ層を成長させ、そのバッファ層上に下地層２を成長させる。
バッファ層としては、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ等が用いられる。バッファ層は、３００℃以上９００℃以下の温度で、膜厚を１０オングストローム〜０．５μｍで成長させる。このように異種基板１上にバッファ層を９００℃以下の温度で成長させることにより異種基板上に成長させる窒化物半導体との格子定数不正を緩和させることができる。例えば、窒化ガリウムとサファイアとの格子不整合は約１６％と非常に大きいが、このバッファ層を成長させることにより、表面モフォロジーの良好な結晶性を有する基板を得ることができる。
【００１５】
次にバッファ層上に下地層を成長させる。
下地層２としては窒化物半導体から成る核、または層であり組成式としては特に限定されず、一般式Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ＜１）によって表すことができる。
この下地層の成長条件としては、キャリアガスには水素、原料ガスにはトリメチルガリウム等を用いることができ、成長温度はバッファ層よりも高温で９００℃〜１１００℃であり、下地層を核として成長させる場合は途中で成長を止め、また層として成長させる場合はさらに成長を続けることでミラーを形成させる。
なお、上記バッファ層、及び下地層は基板の種類等により省略することもできる。
【００１６】
次に、前記基板上に第１の窒化物半導体を成長させる。
第１の窒化物半導体の成長速度は好ましくは０．５ｍｍ／時間以上であり、より好ましくは１ｍｍ／時間以上とし、上限は１００ｍｍ／時間以下とする。この範囲であれば、第１の窒化物半導体と第２の窒化物半導体との界面付近で結晶欠陥を減少させることができる。
【００１７】
また、第１の窒化物半導体の膜厚としては特に限定されず、３０μｍ以上であればよく、第１の窒化物半導体には、アンドープの窒化物半導体、ｎ型不純物としてＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎ及びＳ等の少なくとも一種類をドープした窒化物半導体、又はＭｇ等のｐ型不純物をドープした窒化物半導体を用いることができる。
さらに、第１の窒化物半導体の組成式としては特に限定されず、一般式Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ＜１）によって表すことができる。
【００１８】
第１の窒化物半導体３を成長させる方法としては気相成長法などが挙げられ、上記に示す成長速度で窒化物半導体を成長させるにはハイドライド気相成長法（以下、ＨＶＰＥ法と略す。）によって成長させるのが好ましい。
以下にＨＶＰＥ装置を用いた場合の成長工程、及び成長条件を示す。
【００１９】
ＨＶＰＥ装置内に、Ｇａメタルを入れた石英ボートを設置し、さらに石英ボートから離れた位置に第１の窒化物半導体を成長させるための基板を設置する。この基板は異種基板でも、窒化物半導体を成長させた異種基板でもよい。次にＧａメタルと反応させるハロゲンガスと、ハロゲンガス供給管とは別にＮ源供給管とを設ける。
【００２０】
ハロゲンガスとしてはＨＣｌ等があり、キャリアガスと共にハロゲンガス管より導入される。このハロゲンガスとＧａ等の金属が反応することにより３族元素のハロゲン化物を生成させ、Ｎ源供給管より流したアンモニアガスと反応することにより窒化物半導体を基板上に成長させることができる。
【００２１】
［第２の工程］
次に、第２の工程では、第１の工程において第１の窒化物半導体を成長させた基板上に第２の窒化物半導体４を成長させる。
第２の窒化物半導体４としては、第１の窒化物半導体３との界面に結晶的な不均一を有するものであればよく、例えば欠陥密度の大幅に異なるものが挙げられる。第１の窒化物半導体と第２の窒化物半導体との界面に欠陥密度差を有することにより、後の工程において研磨時に第２の窒化物半導体に割れを生じることなく容易に異種基板を除去することができる。
【００２２】
本発明では、界面に応力差を形成するために第１の窒化物半導体と第２の窒化物半導体との成長速度を変えることにより、まず第１の窒化物半導体の成長時に転位する欠陥を収束させ、第２の窒化物半導体の成長時にループを形成することにより第１の窒化物半導体と第２の窒化物半導体との界面には欠陥の密度差が生じる。この転位欠陥の密度差は単位面積当たりの差が２桁以上あればよく、好ましくは３桁以上とする。
また、界面に応力差を生じさせるためには、その他の反応条件である成長温度差などを有するものが挙げられる。
【００２３】
第２の窒化物半導体としては、高速度成長により得られた第１の窒化物半導体の表面より成長させ、膜厚は薄膜として形成する場合は３０μｍ以上であればよく、また、第２の窒化物半導体の成長時に転位欠陥同士のループが形成できるものであればよい。
そのため、ＨＶＰＥ法の他に、ＭＯＣＶＤ法やＭＢＥ法でも行うことができる。
さらに、第１の窒化物半導体と第２の窒化物半導体との界面に結晶的な不均一を有するために、第２の窒化物半導体は１００μｍ以上の膜厚で成長させても後の工程における研磨時に発生していた窒化物半導体で、例えば窒化ガリウムＣ面方向の層状の割れを防止することができるため、３００μｍ以上の膜厚で第２の窒化物半導体を成長させることができる。
【００２４】
また、第２の窒化物半導体には、第１の窒化物半導体と同様にアンドープの窒化物半導体や、ｎ型不純物、ｐ型不純物をドープした窒化物半導体を用いることができる。
ｎ型不純物としては、Ｓｉ、Ｇｅ、及びＳ等であり、ｐ型不純物としてはＭｇ、Ｂｅ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃａ、Ｚｎ等が挙げられる。組成式は、一般式Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ＜１）によって表すことができる。
【００２５】
［第３の工程］
次に、第２の窒化物半導体を成長させた後、第２の窒化物半導体の最上面を土台に貼り付けて固定させ、異種基板の第２の面側から研磨を行うことにより、図２に示すように、異種基板を取り除き窒化物半導体から成る単体基板を得る。
【００２６】
第２の工程で得られた基板の窒化物半導体側の最上面である第２の窒化物半導体４表面を土台に貼り合わせる。
ここで、貼り合わせに用いる共晶材料としてはＡｕ合金があり、具体例としてＡｕ−Ｓｎ、Ａｕ−ＳｉやＡｕ−Ｇｅ、その他にＺｎを用いることができ、さらに治具などで加圧することにより基板の反りを抑制させる。
【００２７】
その後、異種基板側を研磨することにより異種基板部分を除去させる。第１の窒化物半導体と第２の窒化物半導体との界面に応力差を有するため、異種基板の研磨時にこの界面で異種基板側と、第２の窒化物半導体側とを剥離させることができる。
得られた第２の窒化物半導体の剥離された面をさらに研磨することにより平坦、かつ鏡面である窒化物半導体基板とし、さらに上記で使用した共晶材料を加熱除去し、酸洗浄することにより単体として得ることができる。
得られた単体基板は、単位面積あたりの欠陥数が５×１０^６個／ｃｍ^２以下の低欠陥密度である窒化物半導体基板となる。
【００２８】
【実施例】
以下に本発明の実施例を説明する。
［実施例１］
図１に示すように、異種基板１としてＣ面を主面、オリフラ面をＡ面とするサファイア基板を用い、ＭＯＣＶＤ装置にセットし、温度１０５０℃で１０分間のサーマルクリーニングを行い水分や表面の付着物を除去した。
【００２９】
次に、温度を５１０℃にして、キャリアガスに水素、原料ガスにアンモニアとトリメチルガリウムを用い、ＧａＮより成るバッファー層を２００オングストロームの膜厚で成長させた。
【００３０】
その後、下地層２としてＧａＮから成り平坦性を有する層を成長温度１０５０℃で膜厚２０μｍで形成した。本実施例では、成長時のキャリアガスとして水素を２０．５Ｌ／分、原料ガスとしてアンモニアを５Ｌ／分、トリメチルガリウムを２５ｃｃ／分間、流した。
【００３１】
下地層２を成長後、ハイドライド気相エピタキシャル成長装置にセットし、Ｇａメタルを石英ボートに用意し、ハロゲンガスにＨＣｌガスを用いることによりＧａＣｌ_３を生成し、次に、Ｎガスであるアンモニアガスと反応させ、アンドープＧａＮよりなる第１の窒化物半導体３を成長させた。
第１の窒化物半導体の成長温度としては１０００℃であり、成長速度を１ｍｍ／ｈｏｕｒとして、膜厚１００μｍで成長させた。
【００３２】
次に、第１の窒化物半導体３上に、第２の窒化物半導体４を第１の窒化物半導体と同様にＨＶＰＥ装置において成長させた。成長条件としては、成長温度を第２の窒化物半導体３と同温とし、第２の窒化物半導体の成長速度を５０μｍ／ｈｏｕｒで膜厚は３００μｍで成長させた。
【００３３】
以上により得られた第２の窒化物半導体の表面は平坦かつ鏡面となり、図３に示すようにＣＬ観察によると貫通転位密度は単位面積あたり約１×１０^６個／ｃｍ^２であり、低欠陥である窒化物半導体基板を形成することができた。
【００３４】
次に、上記窒化物半導体の最上面である第２の窒化物半導体面を共晶材料にＡｕ−Ｓｎを用い土台となるサファイア基板に貼り合わせ、加圧することにより反りを緩和させた。その後、窒化物半導体のサファイア基板側から研磨加工を行うことにより、サファイア基板を除去した。研磨時に発生するＧａＮのＣ面方向の層状の割れは第１の窒化物半導体と第２の窒化物半導体との界面で抑制されるため、サファイア基板を取り除いた後、さらに研磨を行い第１の窒化物半導体を除去することにより、第２の窒化物半導体の第１の窒化物半導体との界面側（以下、第２の窒化物半導体の第２面と示す。）を平坦化し鏡面を得ることができた。この第２の窒化物半導体の第２面のＣＬ観察図を図４に示す。
【００３５】
［実施例２］
実施例１において、図１に示すようにＣ面を主面としたサファイア基板１上に下地層２を核として膜厚を０．５μｍで成長させた他は第１の窒化物半導体３、及び第２の窒化物半導体４を実施例１と同様の条件で成長させ窒化物半導体基板を得た。
得られた窒化物半導体基板はＣＬ方法により観察すると、実施例１と同様に結晶欠陥が４×１０^６／ｃｍ^２程度の低欠陥である窒化物半導体基板となる。
【００３６】
次に、得られた窒化物半導体基板を土台に貼り合わせ、サファイア基板側から研磨を行うことにより、実施例１と同様に第２面も鏡面を有する単体基板が得られる。
【００３７】
【発明の効果】
以上より本発明の単体基板の製造方法では、窒化物半導体に滑りを生じることなく、低欠陥かつ厚膜である単体基板を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態を示す窒化物半導体の模式断面図である。
【図２】本発明の一実施の形態を示す窒化物半導体の模式断面図である。
【図３】本発明の実施例１におけるＣＬ写真である。
【図４】本発明の実施例１におけるＣＬ写真である。
【符号の簡単な説明】
１・・・異種基板
２・・・下地層
３・・・第１の窒化物半導体
４・・・第２の窒化物半導体

Claims

第１の面と第２の面とを有し窒化物半導体と異なる材料から成る異種基板の第１の面上に、窒化物半導体から成る第１の窒化物半導体を成長させる第１の工程と、前記第１の工程後、前記第１の窒化物半導体上に第２の窒化物半導体を成長させる第２の工程と、を備える窒化物半導体基板の製造方法において、
前記第１の窒化物半導体の成長速度が０．５ｍｍ／時間以上、１００ｍｍ／時間以下であり、
且つ前記第１の窒化物半導体の成長速度（Ｒ１）と、第２の窒化物半導体の成長速度（Ｒ２）と、の比（Ｒ１／Ｒ２）が１より大きいと共に、
第１の窒化物半導体が、窒化物半導体の下地層を介して成長させ、
前記第１の窒化物半導体と第２の窒化物半導体との界面が不均一で、第２の窒化物半導体の表面が平坦であり、
前記下地層と第１の窒化物半導体の膜厚がそれぞれ０．５μｍ〜２０μｍ、３０μｍ以上であり、
前記第２の工程後、前記異種基板の第２の面を研磨して異種基板を除去する第３の工程を備えることを特徴とする窒化物半導体基板の製造方法。
前記第１の窒化物半導体と第２の窒化物半導体との欠陥密度の差が２桁以上であ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の製造方法。
前記第２の窒化物半導体における欠陥密度が５×１０^６個／ｃｍ^２以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
前記第１の窒化物半導体、及び／又は第２の窒化物半導体は、ハイドライド気相成長法によって成長させることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
前記下地層は、異種基板上に成長させた、ＡｌＮ，ＧａＮ，ＡｌＧａＮ , ＩｎＧａＮのいずれかからなるバッファ層上に成長させることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の窒化物半導体基板の製造方法。