JP4141076B2

JP4141076B2 - Method for manufacturing group III nitride semiconductor substrate

Info

Publication number: JP4141076B2
Application number: JP2000032749A
Authority: JP
Inventors: 剛三樹; 正二皿山
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2000-02-04
Filing date: 2000-02-04
Publication date: 2008-08-27
Anticipated expiration: 2020-02-04
Also published as: JP2001217455A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信用半導体レーザや光ディスク用光源などに利用されるＩＩＩ族窒化物半導体基板の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、青色のＬＥＤは、赤色や緑色のＬＥＤに比べて輝度が小さく実用化に難点があったが、近年、一般式ＩｎＡｌＧａＮで表されるＧａＮ系化合物半導体において、低温ＡｌＮバッファー層、あるいは低温ＧａＮバッファー層を用いることによる結晶成長技術の向上と、Ｍｇをドープした低抵抗のｐ型半導体層が得られたことにより、高輝度青色ＬＥＤが実用化され、さらには、実用化には至らないが室温で連続発振する半導体レーザが実現された。
【０００３】
一般に、高品質の半導体層を基板上にエピタキシャル成長させる場合には、基板と半導体層の格子定数や熱膨張係数が同程度である必要がある。しかしながら、ＧａＮ系半導体については、これらを同時に満足する基板が現在世の中には存在しない。
【０００４】
現在、ＧａＮバルク単結晶を作製する試みがなされているが、いまだに数ミリ程度のものしか得られていないのが実状であり、実用化には程遠い状態である。
【０００５】
従って、ＧａＮ系では、一般に、サファイア，ＭｇＡｌ₂Ｏ₄スピネル，ＳｉＣのようなＧａＮ系半導体と格子定数や熱膨張係数の大きく異なる異種基板を用い、結晶成長を行い、レーザ素子を作製している。
【０００６】
しかるに、異種基板を用いる場合には、結晶欠陥，光共振器端面形成，電極形成，放熱性という問題が有り、実用的なレーザ素子を作製することは未だ実現されていない。
【０００７】
以下、これらの問題を簡単に説明する。結晶欠陥に関しては、サファイア，ＭｇＡｌ₂Ｏ₄スピネル，ＳｉＣのようなＧａＮ系半導体とは格子定数や熱膨張係数の大きく異なる異種基板を用いて結晶成長を行なうと、格子不整合により導入される転位密度が１０⁸〜１０¹⁰ｃｍ^-2と非常に大きく、また、異種基板とＧａＮ系半導体との熱膨張係数との違いにより、歪みやクラックが発生するなど、実用的な半導体レーザを作製するのに必要な品質を有する結晶成長は困難であった。
【０００８】
また、光共振器端面形成に関しては、異種基板とＧａＮ系化合物半導体のへき開面は必ずしも一致しているわけではないので、従来のＡｌＧａＡｓ系等のレーザのように、へき開法で平行かつ平滑な光共振器端面を形成することが困難であった。
【０００９】
従って、ＧａＮ系では、ドライエッチングや、サファイア等の基板を薄く研磨し、基板をへき開することで、ＧａＮ系結晶を割るなどの方法で、光共振器端面を作製している。
【００１０】
ここで、ドライエッチングを使用する方法では、作製プロセスにおいて、ドライエッチング用マスクの形成，ドライエッチング，マスク除去等の工程が必要とされ、複雑化していた。さらには、ＧａＮ系化合物半導体のドライエッチング技術は未だ確立されていないため、形成された共振器ミラーには、縦筋状の凹凸が生じ、また、テーパー状に形成されるなど、その平滑性，平行性，垂直性は未だ十分ではなかった。また、ドライエッチングで共振器ミラーを形成した場合には、共振器ミラー端面の前方に基板がテラスとして残るため、このテラスによって光が反射され、ビーム形状が単峰にならなかった。
【００１１】
また、サファイア等の基板を薄く研磨し、基板をへき開することで、ＧａＮ系結晶を割るなどの方法で、光共振器端面を形成する方法では、ＧａＮ系結晶と基板とのへき開面のずれから、光共振器端面は凹凸が大きく平滑にはならないので、レーザーのしきい値電流の増加を招いていた。
【００１２】
また、電極形成に関しては、一般的に使用されているサファイア基板が絶縁性であるため、基板裏面から電極をとることができなかった。そのため、電極は素子表面に形成されることになり、従来のＡｌＧａＡｓ系等のレーザーのように基板裏面に電極を形成しダイボンディングするような実装ができず、さらには、電極のスペースの分だけチップ面積が大きくなるといった問題もあった。また、ｎ側の電極形成のために、ｎ型層を露出するためのドライエッチングが必要とされるので、レーザ素子の作製工程が複雑化していた。
【００１３】
また、放熱性に関しては、一般的に使用されているサファイア基板の熱伝導性の悪さから、高温動作あるいは大出力動作では、寿命は極端に短かった。
【００１４】
以上の問題点を解決するため、低欠陥密度の高品質ＧａＮ厚膜によってＧａＮ基板を作製する技術が開発されている。
【００１５】
例えば、特開平１０−３２６９１２号公報，特開平１０−３２６７５１号公報，特開平１０−３１２９７１号公報，特開平１１−４０４８号公報には、異種基板上にマスクを用いてＧａＮを選択成長し、さらに結晶成長を続けることで、マスクを埋め込み、基板全面に平坦なＧａＮ厚膜を形成する技術が開示されている。
【００１６】
図５は特開平１０−３１２９７１号公報に示されているＧａＮ厚膜基板の作製方法を説明するための図である。
【００１７】
図５を参照すると、先ず、サファイア等の異種基板１１に、ＧａＮ等のIII−Ｖ族化合物半導体膜１２を積層し、その上に、ＳｉＯ₂等からなる数μｍ幅のマスク１４を作製し、ＧａＮ等のIII−Ｖ族化合物半導体を選択成長させる成長領域１３を形成する（図５（ａ））。
【００１８】
次いで、成長領域１３にＧａＮ等のIII−Ｖ族化合物半導体を選択成長させファセット構造１５を作製する（図５（ｂ））。
【００１９】
III−Ｖ族化合物半導体の成長をさらに続けると、ファセット１５は横方向に成長し、マスク１４上を覆う（図５（ｃ））。
【００２０】
さらに成長を続けると、隣接するIII−Ｖ族化合物半導体１５は合体し、溝が埋まる（図５（ｄ））。
【００２１】
さらに成長を続けると、III−Ｖ族化合物半導体１５の表面は平坦化し、基板全面に平坦なIII−Ｖ族化合物半導体厚膜が形成される（図５（ｅ））。
【００２２】
上述の各公報に示されている技術によれば、異種基板上に選択成長した部分の結晶層には、基板界面で発生した貫通転位の密度が高いが、マスク上を横方向にラテラル成長した部分では貫通転位の密度は激減し高品質の結晶となっている。さらに、この上に選択成長とラテラル成長を繰り返すことで、ウエハー全面で、転位の少ない高品質のＧａＮ厚膜が形成することが出来る。また、この技術によれば、１００μｍ以上の厚いＧａＮを成長しても、熱膨張係数差に起因するクラックが入らないので、異種基板を除去しても基板として利用できる厚さのＧａＮ厚膜を成長することが出来る。
【００２３】
そして、上述の各公報の技術では、光共振器端面，電極形成，放熱性の問題の解決のため、最終的に、異種基板とマスクを除去し、ＧａＮ基板を形成している。異種基板とマスク材料の除去は、研磨あるいは熱衝撃を利用する方法によっている。
【００２４】
特開平１０−３１２９７１号公報，特開平１１−４０４８号公報には、異種基板とマスク材料を除去したＧａＮ基板上に、レーザ構造を積層して作製したＧａＮ系半導体レーザが開示されている。
【００２５】
図６は特開平１１−４０４８号公報に示されている半導体レーザを示す図である。図６において、窒化物半導体基板（ＧａＮ基板）４０は、図５に示した工程と同様に、サファイア基板上に、選択成長マスクを介して、ＳｉをドープしたＧａＮを厚く成長した後、サファイア基板，選択成長マスクを研磨して除去し、ＳｉドープＧａＮ基板のみとし、作製している。
【００２６】
そして、図６の半導体レーザでは、このＧａＮ基板４０の上に、レーザ構造となる窒化物半導体層を成長させている。レーザの積層構造は、ｎ型ＧａＮからなる第２のバッファー層４１、ｎ型Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎからなるクラック防止層４２、ｎ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ／ＧａＮ超格子からなるｎ側クラッド層４３、ｎ型ＧａＮからなるｎ側光ガイド層４４、Ｉｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ／Ｉｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ多重量子井戸構造の活性層４５、ｐ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎからなるｐ側キャップ層４６、ｐ型ＧａＮからなるｐ側光ガイド層４７、ｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ／ＧａＮ超格子からなるｐ側クラッド層４８、ｐ型ＧａＮからなるｐ側コンタクト層４９を順次積層して形成されている。
【００２７】
そして、ｐ側コンタクト層４９，ｐ側クラッド層４８の一部をドライエッチングして、幅４μｍのリッジストライプを形成する。リッジストライプを形成する位置は、選択成長マスクがあった直上の結晶部分である。この位置合わせは、サファイア基板と選択成長マスクが除去されているため、窒化物半導体素子成長前に起点となる目印をＧａＮ基板側に入れて行っている。リッジストライプ上にはＮｉ／Ａｕからなるｐ側電極５１が形成され、ｎ型ＧａＮ基板の裏面には、Ｔｉ／Ａｌからなるｎ側電極５３が形成されている。そして、レーザー共振器端面は、ｎ型ＧａＮ基板のＭ面をへき開することで形成されている。
【００２８】
その他のＧａＮ厚膜基板の作製技術としては、例えば特開平７−２０２２６５号公報、特開平７−１６５４９８号公報に示されている技術が知られており、この技術は、サファイア基板の上にＺｎＯよりなるバッファ層を形成し、その上にＧａＮ系半導体を成長させた後、バッファ層を溶解除去し、基板とＧａＮ系半導体を分離して作製するものである。
【００２９】
また、特開平１０−２２９２１８号公報には、第１の基板上にＧａＮ系半導体が形成された第１のウエハーと第２の基板上にＧａＮ系半導体が形成された第２のウエハーとを用意し、前記第１と第２のウエハーとをそれぞれのＧａＮ系半導体同士が密着するようにして接着した後、第１の基板と第２の基板とを研磨除去する方法が示されている。
【００３０】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、低温バッファー層の技術や、選択成長とラテラル成長の組み合わせによる低欠陥基板の作製技術により、サファイア等の異種基板上への高品質ＧａＮ系化合物半導体の結晶成長が可能となり、ＧａＮ系半導体レーザの室温近傍での低出力動作時の長寿命化が図られている。さらには、ＧａＮ基板が作製され、この基板を用いることによりＧａＮ系半導体レーザの特性の改善が見込まれつつある。
【００３１】
しかしながら、工業的に実用できる大面積，高品質のＧａＮ基板は、未だ実現されていないのが実状である。その結果、高出力動作する実用的なレーザーも未だ実現されていない。
【００３２】
また、特開平１０−３２６９１２号公報、特開平１０−３２６７５１号公報、特開平１０−３１２９７１号公報、特開平１１−４０４８号公報に示されているＧａＮ基板の作製方法では、厚いＧａＮを成長してもクラックは発生しないが、ＧａＮと異種基板との熱膨張係数差により、ウエハーに反りが生じる。このため、直径２インチ程度の異種基板を全面均一に研磨することは困難であり、たとえ、直径２インチ程度の基板上に高品質のＧａＮ厚膜を成長しても、異種基板研磨のためには、１０ｍｍ程度に分割する必要が有り、大型のＧａＮ基板は作製できなかった。すなわち、従来のような基板の研磨除去の方法では、大面積のＧａＮ基板を作製することは困難である。また、この反りのために、異種基板研磨の過程でＧａＮ層に欠陥が導入されるなどして、結晶性が悪くなり、その上に作製した半導体レーザのしきい電流密度が増加するなど、半導体レーザの特性は必ずしも良いものではない。
【００３３】
また、第１と第２のウエハーとをそれぞれのＧａＮ系半導体同士が密着するようにして接着した後、第１の基板と第２の基板とを除去する特開平１０−２２９２１８号公報に示されている方法では、基板とＧａＮ系半導体との熱膨張係数の違いによって、ＧａＮを厚く成長するとウエハーが反るため、大面積のウエハーでは、ウエハー全面でＧａＮ系半導体同士が完全に密着しないこともある。また、密着の過程でクラックが入る場合もある。さらに、第１の基板と第２の基板を研磨除去するため、１枚のＧａＮ基板を作製するのに２枚の高価な基板を使うことになり高コストになるなどの問題もある。
【００３４】
また、基板の研磨除去を要しないＧａＮ基板を作製する特開平７−２０２２６５号公報、特開平７−１６５４９８号公報に示されている技術では、薄膜のＺｎＯよりなるバッファ層を溶解除去するのに非常に長時間を要し、実用化は難しい。
【００３５】
一方、熱衝撃を利用して異種基板を分離する方法においても、熱衝撃による欠陥の導入の問題は研磨の場合と同様であり、高品質のＧａＮ基板を作製することは困難である。
【００３６】
本発明は、これら従来のＧａＮ系半導体基板の作製方法の問題点を解決し、結晶欠陥の少ない高品質かつ大面積のＩＩＩ族窒化物半導体基板の製造方法を提供することを目的としている。
【００３７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層が選択的に成長する領域とＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層が選択的に成長しない領域とが混在して形成されているエピタキシャル成長用基板上にＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層を形成する工程と、
前記ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層と前記エピタキシャル成長用基板とを、エピタキシャル成長用基板のＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層が選択的に成長する領域上で、エピタキシャル成長用基板と前記ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層との間にあるＩｎＮ層において、該 InN 層が分解する温度でアニールすることにより分離する工程と、
前記ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層を前記エピタキシャル成長用基板から取り外す工程とを有することを特徴としている。
【００４５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００４６】
本発明の実施形態では、III族窒化物（例えばＧａＮ）のエピタキシャル層が選択的に成長する領域とIII族窒化物のエピタキシャル層が選択的に成長しない領域とが混在して形成されているエピタキシャル成長用基板上に、III族窒化物のエピタキシャル層を形成して半導体基板を作製するようになつており、この際、エピタキシャル成長用基板のIII族窒化物エピタキシャル層が選択的に成長する領域に成長したIII族窒化物エピタキシャル層とエピタキシャル成長用基板とが分離されるように半導体基板を作製することを特徴としている。
【００４７】
本発明の実施形態では、III族窒化物エピタキシャル層は、III族窒化物のエピタキシャル層が選択的に成長する領域とIII族窒化物エピタキシャル層が選択的に成長しない領域とが混在して形成されたエピタキシャル成長用基板上に成膜される。ここで、III族窒化物が選択的に成長する領域とは、エピタキシャル成長用基板の原子配列によるポテンシャルに基づき膜の原子配列が決定し、III族窒化物エピタキシャル層がエピタキシャル成長用基板に対して垂直に成長する領域である。一方、III族窒化物エピタキシャル層の選択成長しない領域とは、III族窒化物エピタキシャル層が全く結晶成長しないか、基板の原子配列によるポテンシャルに無関係に３次元成長する領域である。
【００４８】
このように、III族窒化物のエピタキシャル層が選択的に成長する領域とIII族窒化物エピタキシャル層が選択的に成長しない領域とが混在して形成されたエピタキシャル成長用基板上に、III族窒化物エピタキシャル層のエピタキシャル成長を開始させると、III族窒化物結晶は、エピタキシャル成長用基板上の選択成長する領域に、エピタキシャル成長用基板に対し垂直方向に成長し、しだいに選択的に成長しない領域上へ横方向にも成長し始め、やがてエピタキシャル成長用基板表面を被覆する。垂直方向に成長したIII族窒化物エピタキシャル層の部位は、エピタキシャル成長用基板全体に直接成長した結晶と同様の欠陥密度であるが、横方向に成長しているIII族窒化物エピタキシャル層の部位では欠陥は結晶表面には貫通せず、垂直方向に成長しているIII族窒化物エピタキシャル層の部位よりも結晶表面の欠陥密度が低減している。しかし、エピタキシャル成長用基板とIII族窒化物エピタキシャル層とが異種材料である場合には、熱膨張率の差などの影響によりエピタキシャル成長用基板とIII族窒化物エピタキシャル層との間には応力が発生する。
【００４９】
本発明の実施形態では、エピタキシャル成長用基板とIII族窒化物エピタキシャル層とを分離することにより、この応力を緩和するようにしている。なお、ここでいう分離とは、物理的に２つの構成要素に分けること（すなわち基板からIII族窒化物のエピタキシャル層を取り外すこと）のみを表すのではなく、異種界面による応力緩和等の力学的な意味での分離を含んでおり、形態として、エピタキシャル成長用基板とIII族窒化物エピタキシャル層とが一体であるか否かによるものではない。また、分離のための機構は、成長中，成長後，アニール中等の何れのタイミングで発現しても良い。
【００５０】
本発明の実施形態によれば、エピタキシャル成長用基板とIII族窒化物エピタキシャル層とが分離されることにより、熱膨張率の差などの影響によりエピタキシャル成長用基板とIII族窒化物エピタキシャル層との間の応力が解放され、エピタキシャル成長用基板の反り等の応力に起因する不具合を解消することができる。
【００５１】
図１は本発明の実施形態の半導体基板の具体的な作製工程例を示す図である。図１を参照すると、先ず、Ａｌ₂Ｏ₃基板１０１を用意する（図１（ａ））。なお、基板１０１の方位はｃ−面を用いているが、他の面方位でも良い。
【００５２】
次いで、基板１０１上にＭＯＣＶＤ法によりＧａＮの低温バーファー層（図示せず）を積層後、Ｓｉドープのｎ−ＧａＮ膜１０２（膜厚が１μｍ）を成膜する（図１（ｂ））。次いで、ｎ−ＧａＮ膜１０２上にＳｉＯ₂マスク層１０３（層厚が１．５μｍ）を成膜する（図１（ｃ））。
【００５３】
しかる後、フォトレジスト１０４を塗布し、フォトリソグラフィーにより所望のパターンにパターニングを施す（図１（ｄ））。次いで、バッファードフッ酸によりＳｉＯ₂マスク層１０３をエッチングする（図１（ｅ））。
【００５４】
しかる後、ＭＯＣＶＤ法によりＳｉＯ₂マスク開口部１１０にＳｉドープｎ−ＧａＮエピタキシャル層１０５（層厚が１μｍ）を選択成長し、引き続き、ＩｎＮ層１０６（層厚が２００ｎｍ）を形成する（図１（ｆ））。このようにしてエピタキシャル成長用基板を作製する。
【００５５】
しかる後、ＭＯＣＶＤ法によりＳｉドープｎ−ＧａＮエピタキシャル層１０７を選択成長しマスク開口面を被覆し、横方向への成長を行なう（図１（ｇ））。
【００５６】
さらに、選択成長を続けることにより、基板全体のＧａＮエピタキシャル層１０７が合体し、合体したＧａＮエピタキシャル層１０７によって単一のＧａＮ基板１０８が形成される（図１（ｈ））。
【００５７】
しかる後、窒素雰囲気でＩｎＮ層１０６が分解する温度でアニールする。アニール温度からの冷却時に生じる熱応力により、ＧａＮ層１０８／ＳｉＯ₂マスク層１０３の異種界面において選択的に応力緩和が起こり、反りのない異種基板上に成長したＧａＮ基板１０８が得られる（図１（ｉ））。
【００５８】
このように、図１の作製工程例では、エピタキシャル成長用基板のIII族窒化物エピタキシャル層が選択的に成長する領域に成長したIII族窒化物エピタキシャル層とエピタキシャル成長用基板とが分離されており、エピタキシャル成長用基板とIII族窒化物エピタキシャル層との間に分離のための構造を設けることで、異種材料基板上にIII族窒化物エピタキシャル層を形成するに当たり従来問題となっていた異種材料基板との間の熱膨張係数の差による応力を緩和することができ、応力による歪み等を低減することができて、高品質かつ大面積のIII族窒化物半導体基板を提供できる。すなわち、残存歪みの低減により、反りやクラックのない大面積結晶化のIII族窒化物半導体基板が得られるとともに、転位の進展，増殖等の挙動が緩和された高品質のIII族窒化物半導体基板が得られる。
【００５９】
なお、層構成や各層の組成等の構成およびプロセスの詳細は、上述の例に限定されるものではなく、後述のように超格子構造による分離などの他の構成，プロセスを取ることも可能である。
【００６０】
また、上述の例では、ＧａＮ系薄膜をＭＯＣＶＤ法により成膜したが、ＭＢＥ法を用いれば、ＧａＮ系の薄膜に限らず、すべての層，膜の構成を形成可能であり、またＨＶＰＥ法，昇華法を用いれば、ＩｎＮ層１０６以降の層，膜の構成を形成可能である。また、マスク層１０３の材料も、ＳｉＯ₂膜に限らず、ＳｉＮ_X膜などを用いることができる。
【００６１】
また、上述した作製工程例は、ＧａＮ系半導体基板に限らず、熱膨張係数の違いの大きな系での基板の作製全般に適用可能である。
【００６２】
さらに、図１（ｈ），（ｉ）のアニール工程において、アニール条件によってはアニール工程後にＧａＮ基板１０８を分離することのできないこともあるが、この場合でも、マスク層１０３に対してエッチングすることによりＧａＮ基板１０８を分離することが可能であり、本発明はこの場合にも適用可能である。
【００６３】
また、上述した本発明の実施形態の作製方法において、エピタキシャル成長用基板とエピタキシャル成長用基板上に成長するIII族窒化物エピタキシャル層との分離には、超格子構造を用いることができる。超格子構造は、薄膜の異種材料を重ね合わせることにより構成されており、その異種界面は同一結晶内よりもより小さな剪断応力に対し応力緩和挙動を示す。従って、エピタキシャル成長用基板とIII族窒化物エピタキシャル層の格子不整合と熱膨張係数の差による応力は、マスク材とエピタキシャル層との異種界面と超格子構造の異種界面とで選択的に緩和が進展する。
【００６４】
図２は、エピタキシャル成長用基板とエピタキシャル成長用基板上に成長するIII族窒化物エピタキシャル層との分離に、超格子構造を用いる場合の半導体基板の作製工程例を示す図である。図２を参照すると、先ず、Ａｌ₂Ｏ₃基板２０１を用意する（図２（ａ））。なお、基板２０１の方位はｃ−面を用いているが、他の面方位でも良い。
【００６５】
次いで、基板２０１上にＭＯＣＶＤ法によりＧａＮの低温バーファー層（図示せず）を積層後、Ｓｉドープのｎ−ＧａＮ膜２０２（膜厚が１μｍ）を成膜する（図２（ｂ））。次いで、ｎ−ＧａＮ膜２０２上にＳｉＯ₂マスク層２０３（層厚が１．５μｍ）を成膜する（図２（ｃ））。
【００６６】
しかる後、フォトレジスト２０４を塗布し、フォトリソグラフィーにより所望のパターンにパターニングを施す（図２（ｄ））。次いで、バッファードフッ酸によりＳｉＯ₂マスク層２０３をエッチングする（図２（ｅ））。
【００６７】
しかる後、ＭＯＣＶＤ法によりＳｉＯ₂マスク開口部２１０にＳｉドープｎ−ＧａＮエピタキシャル層２０５（層厚が１μｍ）を選択成長し、これによりエピタキシャル成長用基板が作製される。
【００６８】
しかる後、ＩｎＧａＮ（厚さ２０ｎｍ）／ＧａＮ（厚さ２０ｎｍ）の超格子構造２０６を形成する（図２（ｆ））。
【００６９】
しかる後、ＭＯＣＶＤ法によりＳｉドープｎ−ＧａＮエピタキシャル層２０７を選択成長しマスク開口面を被覆し、横方向への成長を行なう（図２（ｇ））。
【００７０】
さらに、選択成長を続けることにより、基板全体のＧａＮエピタキシャル層２０７が合体し、合体したＧａＮエピタキシャル層２０７によって単一のＧａＮ基板２０８が形成される（図２（ｈ））。
【００７１】
この場合、成長温度からの冷却時に生じる熱応力により、ＧａＮ層２０８／ＳｉＯ₂マスク層２０３との界面、および、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子構造２０６の異種界面において、選択的に応力緩和が起こり、反りのない異種基板上のＧａＮ基板２０８が得られる。
【００７２】
このように、図２の作製工程例では、エピタキシャル成長用基板とエピタキシャル成長用基板上に成長するIII族窒化物エピタキシャル層（２０７，２０８）とが格子不整合であり、かつ、エピタキシャル成長用基板とIII族窒化物エピタキシャル層（２０７，２０８）とが超格子構造２０６により分離されていることにより、高品質かつ大面積のIII族窒化物半導体基板を提供できる。すなわち、格子歪み系の材料での基板作製にあたり、格子歪みに起因する高密度の転位は選択成長により低減し、また、エピタキシャル成長用基板との熱膨張係数の差による応力をエピタキシャル成長用基板とIII族窒化物エピタキシャル層との間に設けた超格子構造の異種材料間での選択的な格子緩和により低減することができる。超格子構造による格子緩和は、成長中，成長後を問わず、超格子構造の層面に対して平行な剪断応力に対してこれを緩和するように働く。この方向は格子歪みにより生じる応力の働く方向であり、また、熱膨張率の差による応力の働く方向でもある。従って、より小さな剪断応力に対して格子緩和挙動を示すように超格子構造を設計することにより、より残存歪みの小さな高品質かつ大面積の半導体結晶，すなわちIII族窒化物半導体基板を得ることができる。
【００７３】
なお、層構成や各層の組成等の構成およびプロセスの詳細は上述の例に限定されるものではなく、他の構成，プロセスを取ることも可能である。
【００７４】
また、上述の例では、ＧａＮ系薄膜をＭＯＣＶＤ法により成膜したが、ＭＢＥ法を用いれば、ＧａＮ系薄膜に限らず、すべての層，膜の構成を形成可能であり、ＨＶＰＥ法，昇華法を用いれば、超格子構造２０６以降の層，膜の構成を形成可能である。また、マスク層２０３の材料も、ＳｉＯ₂膜に限らず、ＳｉＮ_X膜などを用いることができる。
【００７５】
また、上述した作製工程例は、ＧａＮ系半導体基板に限らず、格子不整合系の基板の作製全般に適用可能である。
【００７６】
また、超格子構造による分離を行なう上述の半導体基板の作製方法において、超格子構造を作製するまでの成膜方法と、超格子構造作製後の成膜方法とを異ならせることもできる。すなわち、上述の作製工程において、超格子構造までの作製工程では比較的成長条件が遅く、各層の厚み等の制御が容易なＭＯＣＶＤ法やＭＢＥ法が適していると考えられる。しかし、超格子構造の作製後は、成膜速度が速く安価な成膜方法を採用することにより、より安価に半導体基板を作製することが可能となる。
【００７７】
図３は超格子構造を作製するまでの成膜方法と超格子構造作製後の成膜方法とを異ならせる場合の半導体基板の作製工程例を示す図である。
【００７８】
図３を参照すると、先ず、Ａｌ₂Ｏ₃基板３０１を用意する（図３（ａ））。なお、基板３０１の方位はｃ−面を用いているが、他の面方位でも良い。次いで、基板３０１上にＭＯＣＶＤ法によりＧａＮの低温バーファー層（図示せず）を積層後、Ｓｉドープのｎ−ＧａＮ膜３０２（膜厚が１μｍ）を成膜する（図３（ｂ））。次いで、ｎ−ＧａＮ膜３０２上にＳｉＮ_xマスク層３０３（膜厚が１．５μｍ）を成膜する（図３（ｃ））。
【００７９】
しかる後、フォトレジスト３０４を塗布し、フォトリソグラフィーにより所望のパターンにパターニングを施す（図３（ｄ））。次いで、ＲＩＥを用いＣＦ₄によりＳｉＮ_xマスク層３０３をエッチングする（図３（ｅ））。
【００８０】
しかる後、ＭＯＣＶＤ法によりＳｉＯ₂マスク開口部３１０にＳｉドープｎ−ＧａＮエピタキシャル層３０５（１μｍ）を選択成長し、これによりエピタキシャル成長用基板が作製される。
【００８１】
しかる後、ＩｎＧａＮ（厚さ２０ｎｍ）／ＧａＮ（厚さ２０ｎｍ）の超格子構造３０６を形成する（図３（ｆ））。
【００８２】
しかる後、ＭＯＣＶＤ法によりＳｉドープｎ−ＧａＮエピタキシャル層３０７を選択成長しマスク開口面を被覆し、横方向への成長を行う（図３（ｇ））。
【００８３】
しかる後、ＨＶＰＥ法により１００μｍ／ｈ程度の速度でＳｉドープｎ−ＧａＮエピタキシャル層３０７の高速成長を行い、単一のＧａＮ基板３０８が形成される（図３（ｈ））。
【００８４】
このように、図３の作製工程例では、超格子構造を作製するまでの成膜方法と、超格子構造作製後の成膜方法とを相違させることで（超格子構造を作製するまでの工程を成長速度が遅く、膜厚の制御が容易な方法により成膜し、超格子構造を作製以降の成膜をより成膜速度の速い安価な成膜方法により成膜することで）、高品質かつ大面積の半導体結晶，すなわちIII族窒化物半導体基板をより低コストで得ることができる。
【００８５】
なお、層構成や各層の組成等の構成およびプロセスの詳細は、上述の例に限定されるものではなく、他の構成，プロセスを取ることも可能である。例えば、フラックス法においては成長条件の制御による結晶の形態制御が可能であり、板状の結晶を得ることができることから、上述の例のようにマスク開口部３１０の単位面積当たりの密度を下げることにより、より応力緩和の容易な異種基板上のＧａＮ系基板３０８が得られる。
【００８６】
また、超格子構造３０６を作製後の成膜方法については、結晶成長速度の速い他の成長方法を用いることも可能である。
【００８７】
また、上述の例では、ＧａＮ系薄膜をＭＯＣＶＤ法により成膜したが、ＭＢＥ法により形成することも可能である。
【００８８】
本発明の半導体基板は、上述したように、エピタキシャル成長用基板とエピタキシャル成長用基板上に成長するIII族窒化物エピタキシャル層とが分離されている。ここで、分離とは、異種界面による応力の緩和等の力学的な意味での分離を表している。すなわち、エピタキシャル成長用基板とIII族窒化物エピタキシャル層との間の応力は緩和されており、反りや応力に起因する転位の導入は解消されている。しかし、III族窒化物エピタキシャル層は、基板から取り外されていないため、III族窒化物エピタキシャル層とエピタキシャル成長用基板とは一体のものとして取り扱いが可能であり、この場合には、エピタキシャル成長用基板による全体の強度確保が可能となる。
【００８９】
すなわち、III族窒化物エピタキシャル層とエピタキシャル成長用基板とが一体である場合には、結晶成長工程やデバイス作製工程において、半導体基板の取り扱いが容易となり、かつ、反りの無い大面積の低コストの半導体基板を提供することができる。すなわち、III族窒化物エピタキシャル層を成長後、格子緩和し歪みが低減された状態のIII族窒化物エピタキシャル層とエピタキシャル成長用基板とを一体のままとすることで、反りのない大面積の基板を得るとともに、デバイス形成プロセス中、エピタキシャル成長用基板をIII族窒化物エピタキシャル層の支持基板とすることができ、取り扱いが容易となる。また、支持基板があることで、III族窒化物エピタキシャル層の厚みを薄くすることも可能となり、より低コストな半導体基板を得ることができる。
【００９０】
また、これとは反対に、III族窒化物エピタキシャル層をエピタキシャル成長用基板から取り外して、半導体基板とすることもできる。この場合には、半導体基板は、エピタキシャル成長用基板上に厚膜のIII族窒化物エピタキシャル層を選択成長させ、かつ、エピタキシャル成長用基板とIII族窒化物エピタキシャル層とを分離した構成となる。なお、この場合、分離とは、前述した異種界面での応力緩和のための分離の意味に加え、エピタキシャル成長用基板から取り外した後、厚膜のIII族窒化物エピタキシャル層自体の剛性により、III族窒化物エピタキシャル層単体を半導体基板として用いることを意味している。
【００９１】
このように、III族窒化物エピタキシャル層をエピタキシャル成長用基板から取り外して半導体基板とすることにより、エピタキシャル成長用基板とIII族窒化物エピタキシャル層とが物理的に分離され、応力が緩和されて、大面積のIII族窒化物半導体基板が得られる。また、エピタキシャル成長用基板とIII族窒化物エピタキシャル層全体で格子緩和が進展することから、エピタキシャル成長用基板からIII族窒化物エピタキシャル層を容易に取り外すことが可能となる。これにより、高品質かつ大面積のＧａＮ系半導体基板を提供することができる。
【００９２】
なお、上述した各例の半導体基板において、III族窒化物エピタキシャル層は少なくともＧａを含むIII族窒化物で構成でき、また、超格子構造はＧａ，Ｉｎ，Ａｌの窒化物若しくはその混晶により構成できる。
【００９３】
図４はIII族窒化物エピタキシャル層が少なくともＧａを含むIII族窒化物で構成され、また、超格子構造がＧａ，Ｉｎ，Ａｌの窒化物若しくはその混晶により構成され場合の半導体基板の作製工程例を示す図である。
【００９４】
図４を参照すると、先ず、Ａｌ₂Ｏ₃基板４０１を用意する（図４（ａ））。なお、基板４０１の方位はｃ−面を用いているが、他の面方位でも良い。
【００９５】
次いで、基板４０１上にＭＯＣＶＤ法によりＧａＮの低温バーファー層（図示せず）を積層後、Ｓｉドープのｎ−ＧａＮ膜４０２（膜厚が１μｍ）を成膜する（図４（ｂ））。次いで、ｎ−ＧａＮ膜４０２上にＳｉＯ₂マスク層４０３（層厚が１．５μｍ）を成膜する（図４（ｃ））。
【００９６】
しかる後、フォトレジスト４０４を塗布し、フォトリソグラフィーにより所望のパターンにパターニングを施す（図４（ｄ））。次いで、バッファードフッ酸によりＳｉＯ₂マスク層４０３をエッチングする（図４（ｅ））。
【００９７】
しかる後、ＭＯＣＶＤ法によりＳｉＯ₂マスク開口部４１０にＳｉドープｎ−ＧａＮエピタキシャル層４０５（層厚が１μｍ）を選択成長し、これによりエピタキシャル成長用基板が作製される。
【００９８】
しかる後、ＡｌＧａＮ（厚さ１０ｎｍ）／ＧａＮ（厚さ２０ｎｍ）の超格子構造４０６を形成する（図４（ｆ））。
【００９９】
しかる後、ＭＯＣＶＤ法によりＳｉドープｎ−ＧａＮエピタキシャル層４０７を選択成長しマスク開口面を被覆し、横方向への成長を行なう（図４（ｇ））。
【０１００】
さらに、選択成長を続けることにより、基板全体のＧａＮエピタキシャル層４０７が合体し、合体したＧａＮエピタキシャル層４０７によって単一のＧａＮ基板４０８が形成される（図４（ｈ））。
【０１０１】
この場合、成長温度からの冷却時に生じる熱応力により、ＧａＮ層４０８／ＳｉＯ₂マスク層４０３との界面、および、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子構造４０６の異種界面において、選択的に応力緩和が起こり、反りのない異種基板上のＧａＮ基板４０８が得られる。
【０１０２】
このように、III族窒化物エピタキシャル層は少なくともＧａを含む窒化物よりなり、超格子構造はＧａ，Ｉｎ，Ａｌの窒化物若しくはその混晶により構成されていれば良く、この場合、ＧａＮ系材料の高品質かつ大面積の基板が得られる。すなわち、超格子構造の組成を含む層構成を変えることで、Ａｌを含む基板についても、高品質かつ大面積の基板が得られる。
【０１０３】
なお、層構成や各層の組成等の構成およびプロセスの詳細は、上述の例に限定されるものではなく、他の構成，プロセスを取ることも可能である。
【０１０４】
また、上述の例では、ＧａＮ系薄膜をＭＯＣＶＤ法により成膜したが、ＭＢＥ法を用いればＧａＮ系薄膜に限らず、すべての層，膜の構成を形成可能であり、また、ＨＶＰＥ法，昇華法を用いれば、超格子構造以降の層，膜の構成を形成可能である。また、マスク層の材料もＳｉＯ₂膜に限らず、ＳｉＮ_X膜などを用いることができる。
【０１０５】
本発明は、ＧａＮ系基板全般に適用可能である。ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子の構成については、よりＡｌ組成を大きくして歪みを大きくすることで、より小さな剪断応力によって格子緩和を進展させることができる。
【０１０６】
また、上述の各作製工程例により作製された本発明の半導体基板上に発光素子を形成することができる。なお、この場合、本発明は、発光素子の構造および製造方法に限定されるものではない。
【０１０７】
この半導体基板上に作製された発光素子では、結晶欠陥密度が低くかつ反りのない大面積の半導体基板により、発光素子の長寿命化が可能となるとともにコストダウンが可能となる。また、III族窒化物エピタキシャル層をエピタキシャル成長用基板から取り外したものを半導体基板として用いる場合、この半導体基板は、導電性を有してので、裏面に電極を形成することが可能となり、フェースダウン実装が可能となることから、放熱性に優れ、長寿命の半導体レーザーを低コストで提供することができる。
【０１０８】
【発明の効果】
以上に説明したように、請求項１記載の発明によれば、ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層が選択的に成長する領域とＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層が選択的に成長しない領域とが混在して形成されているエピタキシャル成長用基板上にＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層を形成する工程と、
前記ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層と前記エピタキシャル成長用基板とを、エピタキシャル成長用基板のＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層が選択的に成長する領域上で、エピタキシャル成長用基板と前記ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層との間にあるＩｎＮ層において、該 InN 層が分解する温度でアニールすることにより分離する工程と、
前記ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層を前記エピタキシャル成長用基板から取り外す工程とを有するので、異種材料基板上にＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層を形成するに当たり従来問題となっていた異種材料基板との間の熱膨張係数の差による応力が解放され、高品質かつ大面積のＩＩＩ族窒化物半導体基板を提供できる。すなわち、応力が解放されることにより、反りやクラックのない大面積結晶化のＩＩＩ族窒化物半導体基板が得られるとともに、転位の進展，増殖等の挙動が緩和された高品質のＩＩＩ族窒化物半導体基板が得られる。
【０１１０】
また、請求項３記載の発明によれば、超格子構造を作製するまでの成膜方法と超格子構造作製後の成膜方法とが異なることで（超格子構造を作製するまでの工程を成長速度が遅く、膜厚の制御が容易な方法により成膜し、超格子構造を作製以降の成膜をより成膜速度の速い安価な成膜方法により成膜することで）、高品質かつ大面積の半導体結晶，すなわちIII族窒化物半導体基板をより低コストで得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る半導体基板の作製工程例を示す図である。
【図２】エピタキシャル成長用基板とエピタキシャル成長用基板上に成長するIII族窒化物エピタキシャル層との分離に、超格子構造を用いる場合の半導体基板の作製工程例を示す図である。
【図３】超格子構造を作製するまでの成膜方法と超格子構造作製後の成膜方法とを異ならせる場合の半導体基板の作製工程例を示す図である。
【図４】エピタキシャル成長用基板とエピタキシャル成長用基板上に成長するIII族窒化物エピタキシャル層との分離に、超格子構造を用いる場合の半導体基板の作製工程例を示す図である。
【図５】従来の半導体基板の作製方法を説明するための図である。
【図６】従来の半導体レーザーを示す図である。
【符号の説明】
１０１Ａｌ₂Ｏ₃基板
１０２Ｓｉドープのｎ−ＧａＮ膜
１０３ＳｉＯ₂マスク層
１０４フォトレジスト
１０５Ｓｉドープｎ−ＧａＮエピタキシャル層
１０６ＩｎＮ層
１０７Ｓｉドープｎ−ＧａＮエピタキシャル層
１０８ＧａＮ基板
２０１Ａｌ₂Ｏ₃基板
２０２Ｓｉドープのｎ−ＧａＮ膜
２０３ＳｉＯ₂マスク層
２０４フォトレジスト
２０５Ｓｉドープｎ−ＧａＮエピタキシャル層
２０６超格子構造
２０７Ｓｉドープｎ−ＧａＮエピタキシャル層
２０８ＧａＮ基板
３０１Ａｌ₂Ｏ₃基板
３０２Ｓｉドープのｎ−ＧａＮ膜
３０３ＳｉＯ_xマスク層
３０４フォトレジスト
３０５Ｓｉドープｎ−ＧａＮエピタキシャル層
３０６超格子構造
３０７Ｓｉドープｎ−ＧａＮエピタキシャル層
３０８ＧａＮ基板
４０１Ａｌ₂Ｏ₃基板
４０２Ｓｉドープのｎ−ＧａＮ膜
４０３ＳｉＯ₂マスク層
４０４フォトレジスト
４０５Ｓｉドープｎ−ＧａＮエピタキシャル層
４０６超格子構造
４０７Ｓｉドープｎ−ＧａＮエピタキシャル層
４０８ＧａＮ基板[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  The present invention is used for a semiconductor laser for optical communication, a light source for an optical disk, and the like.Method for manufacturing group III nitride semiconductor substrateAbout.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, blue LEDs have lower brightness than red and green LEDs and have had difficulties in practical use. However, in recent years, in a GaN-based compound semiconductor represented by a general formula InAlGaN, a low-temperature AlN buffer layer or a low-temperature GaN High-brightness blue LED has been put into practical use by improving the crystal growth technique by using a buffer layer and obtaining a low-resistance p-type semiconductor layer doped with Mg. A semiconductor laser that oscillates continuously at room temperature has been realized.
[0003]
In general, when a high-quality semiconductor layer is epitaxially grown on a substrate, the lattice constant and the thermal expansion coefficient of the substrate and the semiconductor layer must be approximately the same. However, for GaN-based semiconductors, there are no substrates in the world that satisfy these requirements at the same time.
[0004]
At present, attempts have been made to produce a GaN bulk single crystal, but only a few millimeters are still available, and it is far from practical use.
[0005]
Therefore, in GaN systems, sapphire, MgAl are generally used.₂O_FourA laser device is manufactured by crystal growth using a dissimilar substrate having a lattice constant and a thermal expansion coefficient that are significantly different from those of GaN-based semiconductors such as spinel and SiC.
[0006]
However, in the case of using different substrates, there are problems of crystal defects, optical resonator end face formation, electrode formation, and heat dissipation, and it has not been realized to produce a practical laser element.
[0007]
Hereinafter, these problems will be briefly described. For crystal defects, sapphire, MgAl₂O_FourWhen crystal growth is performed using a dissimilar substrate having a lattice constant or a thermal expansion coefficient that is significantly different from that of a GaN-based semiconductor such as spinel or SiC, the dislocation density introduced by lattice mismatch is 10⁸-10^Tencm^-2It is difficult to grow crystals with the quality necessary to produce practical semiconductor lasers, such as distortion and cracks due to the difference in thermal expansion coefficient between different types of substrates and GaN-based semiconductors. Met.
[0008]
In addition, regarding the formation of the end face of the optical resonator, the cleavage planes of the heterogeneous substrate and the GaN compound semiconductor do not necessarily coincide with each other, so that the parallel and smooth light can be obtained by the cleavage method as in the case of a conventional AlGaAs laser or the like. It was difficult to form the resonator end face.
[0009]
Therefore, in the GaN system, the end face of the optical resonator is manufactured by dry etching, thinly polishing a substrate such as sapphire, and cleaving the substrate to break the GaN crystal.
[0010]
Here, in the method using dry etching, steps such as formation of a mask for dry etching, dry etching, and mask removal are required in the manufacturing process, which is complicated. Furthermore, since the dry etching technology for GaN-based compound semiconductors has not been established yet, the formed resonator mirror has vertical streaks and is formed into a tapered shape. Parallelism and perpendicularity were still not sufficient. Further, when the resonator mirror was formed by dry etching, the substrate remained as a terrace in front of the end face of the resonator mirror, so that light was reflected by this terrace and the beam shape did not become a single peak.
[0011]
In addition, the method of forming the optical resonator end face by, for example, cracking the GaN-based crystal by thinly polishing a substrate of sapphire or the like and cleaving the substrate, the shift of the cleavage plane between the GaN-based crystal and the substrate Since the end face of the optical resonator has large irregularities and does not become smooth, the threshold current of the laser is increased.
[0012]
Moreover, regarding the electrode formation, since a commonly used sapphire substrate is insulative, it was not possible to take an electrode from the back surface of the substrate. Therefore, the electrode is formed on the element surface, and it is impossible to mount the electrode by forming the electrode on the back surface of the substrate and die-bonding as in the case of a conventional AlGaAs-based laser. There was also a problem that the chip area was increased. Further, since the dry etching for exposing the n-type layer is required for forming the n-side electrode, the manufacturing process of the laser element is complicated.
[0013]
As for heat dissipation, the lifetime was extremely short in high temperature operation or high output operation due to the poor thermal conductivity of a commonly used sapphire substrate.
[0014]
In order to solve the above problems, a technique for producing a GaN substrate with a high-quality GaN thick film having a low defect density has been developed.
[0015]
For example, in JP-A-10-326912, JP-A-10-326751, JP-A-10-312971, and JP-A-11-4048, GaN is selectively grown on a heterogeneous substrate using a mask, Further, a technique for embedding a mask and forming a flat GaN thick film on the entire surface of the substrate by continuing crystal growth is disclosed.
[0016]
FIG. 5 is a diagram for explaining a method of manufacturing a GaN thick film substrate disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 10-312971.
[0017]
Referring to FIG. 5, first, a III-V group compound semiconductor film 12 such as GaN is stacked on a heterogeneous substrate 11 such as sapphire, and an SiO 2 layer is formed thereon.₂A mask 14 having a width of several μm and the like is formed, and a growth region 13 for selectively growing a III-V group compound semiconductor such as GaN is formed (FIG. 5A).
[0018]
Next, a III-V group compound semiconductor such as GaN is selectively grown in the growth region 13 to produce the facet structure 15 (FIG. 5B).
[0019]
When the growth of the III-V compound semiconductor is further continued, the facet 15 grows in the lateral direction and covers the mask 14 (FIG. 5C).
[0020]
When the growth is further continued, adjacent III-V compound semiconductors 15 merge and fill the groove (FIG. 5D).
[0021]
As the growth continues, the surface of the III-V compound semiconductor 15 is flattened, and a flat III-V compound semiconductor thick film is formed on the entire surface of the substrate (FIG. 5E).
[0022]
According to the techniques disclosed in the above-mentioned publications, the density of threading dislocations generated at the interface of the substrate is high in the crystal layer selectively grown on the heterogeneous substrate, but laterally grown on the mask laterally. In the portion, the density of threading dislocations is drastically reduced, resulting in high quality crystals. Further, by repeating selective growth and lateral growth on this, a high quality GaN thick film with few dislocations can be formed on the entire wafer surface. In addition, according to this technique, even when a thick GaN of 100 μm or more is grown, cracks due to the difference in thermal expansion coefficient do not occur. Therefore, a GaN thick film having a thickness that can be used as a substrate even if a different substrate is removed. Can grow.
[0023]
In the techniques of the above-mentioned publications, in order to solve the problems of the optical resonator end face, electrode formation, and heat dissipation, the heterogeneous substrate and the mask are finally removed to form a GaN substrate. The removal of the heterogeneous substrate and the mask material is performed by a method using polishing or thermal shock.
[0024]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-312971 and Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-4048 disclose a GaN-based semiconductor laser manufactured by laminating a laser structure on a GaN substrate from which a heterogeneous substrate and a mask material are removed.
[0025]
FIG. 6 is a view showing a semiconductor laser disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-4048. In FIG. 6, a nitride semiconductor substrate (GaN substrate) 40 is formed on a sapphire substrate after a GaN doped with Si is grown thickly on a sapphire substrate through a selective growth mask, as in the step shown in FIG. , The selective growth mask is polished and removed, and only the Si-doped GaN substrate is produced.
[0026]
In the semiconductor laser shown in FIG. 6, a nitride semiconductor layer having a laser structure is grown on the GaN substrate 40. The laminated structure of the laser is that the second buffer layer 41 made of n-type GaN, n-type In_0.1Ga_0.9Crack prevention layer 42 made of N, n-type Al_0.2Ga_0.8N-side cladding layer 43 made of N / GaN superlattice, n-side light guide layer 44 made of n-type GaN, In_0.05Ga_0.95N / In_0.2Ga_0.8N multiple quantum well structure active layer 45, p-type Al_0.3Ga_0.7P-side cap layer 46 made of N, p-side light guide layer 47 made of p-type GaN, p-type Al_0.2Ga_0.8A p-side cladding layer 48 made of an N / GaN superlattice and a p-side contact layer 49 made of p-type GaN are sequentially stacked.
[0027]
Then, the p-side contact layer 49 and a part of the p-side cladding layer 48 are dry-etched to form a ridge stripe having a width of 4 μm. The position where the ridge stripe is formed is the crystal portion immediately above where the selective growth mask was present. Since the sapphire substrate and the selective growth mask are removed, this alignment is performed by placing a mark as a starting point on the GaN substrate side before the growth of the nitride semiconductor element. A p-side electrode 51 made of Ni / Au is formed on the ridge stripe, and an n-side electrode 53 made of Ti / Al is formed on the back surface of the n-type GaN substrate. The end face of the laser resonator is formed by cleaving the M-plane of the n-type GaN substrate.
[0028]
As other GaN thick film substrate manufacturing techniques, for example, the techniques disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 7-202265 and 7-165498 are known. A buffer layer is formed, and a GaN-based semiconductor is grown thereon. Then, the buffer layer is dissolved and removed, and the substrate and the GaN-based semiconductor are separated.
[0029]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-229218 provides a first wafer in which a GaN-based semiconductor is formed on a first substrate and a second wafer in which a GaN-based semiconductor is formed on a second substrate. In this method, the first and second wafers are bonded to each other so that the GaN-based semiconductors are in close contact with each other, and then the first substrate and the second substrate are polished and removed.
[0030]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, high-quality GaN-based compound semiconductor crystals can be grown on sapphire and other dissimilar substrates using low-temperature buffer layer technology and low-defect substrate fabrication technology using a combination of selective growth and lateral growth. The lifetime of a semiconductor laser is extended during low output operation near room temperature. Furthermore, a GaN substrate is manufactured, and using this substrate is expected to improve the characteristics of the GaN semiconductor laser.
[0031]
However, in reality, a large-area, high-quality GaN substrate that can be used industrially has not yet been realized. As a result, a practical laser that operates at a high output has not been realized yet.
[0032]
Further, in the method of manufacturing a GaN substrate disclosed in Japanese Patent Laid-Open Nos. 10-326912, 10-326751, 10-312971, and 11-4048, thick GaN is grown. Even though cracks do not occur, the wafer is warped due to the difference in thermal expansion coefficient between GaN and the different substrate. For this reason, it is difficult to polish a heterogeneous substrate having a diameter of about 2 inches uniformly over the entire surface. Even if a high quality GaN thick film is grown on a substrate having a diameter of about 2 inches, it is necessary to polish the heterogeneous substrate. Needed to be divided into about 10 mm, and a large GaN substrate could not be produced. In other words, it is difficult to produce a large-area GaN substrate by the conventional method for removing the substrate by polishing. In addition, due to this warpage, defects are introduced into the GaN layer in the process of polishing different substrates, resulting in poor crystallinity and an increase in the threshold current density of the semiconductor laser fabricated on the semiconductor. Laser characteristics are not always good.
[0033]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-229218 removes the first substrate and the second substrate after bonding the first and second wafers so that the respective GaN-based semiconductors are in close contact with each other. In this method, due to the difference in the thermal expansion coefficient between the substrate and the GaN-based semiconductor, the wafer is warped when GaN is grown thick. is there. In some cases, cracks may occur during the adhesion process. Further, since the first substrate and the second substrate are polished and removed, two expensive substrates are used to produce one GaN substrate, resulting in a high cost.
[0034]
Further, in the technique disclosed in Japanese Patent Laid-Open Nos. 7-202265 and 7-165498 for producing a GaN substrate that does not require polishing and removal of the substrate, a buffer layer made of ZnO in a thin film is dissolved and removed. It takes a very long time and is difficult to put into practical use.
[0035]
On the other hand, in the method of separating different types of substrates using thermal shock, the problem of introducing defects due to thermal shock is the same as in the case of polishing, and it is difficult to produce a high-quality GaN substrate.
[0036]
  The present invention solves the problems of these conventional methods for producing a GaN-based semiconductor substrate, and has high quality and large area with few crystal defectsMethod for manufacturing group III nitride semiconductor substrateThe purpose is to provide.
[0037]
[Means for Solving the Problems]
  In order to achieve the above object, the invention according to claim 1 is formed by mixing a region where the group III nitride epitaxial layer is selectively grown and a region where the group III nitride epitaxial layer is not selectively grown. Forming a group III nitride epitaxial layer on the epitaxial growth substrate,
The group III nitride epitaxial layer and the epitaxial growth substrate.In the InN layer between the epitaxial growth substrate and the group III nitride epitaxial layer on the region where the group III nitride epitaxial layer of the epitaxial growth substrate is selectively grown, InN By annealing at a temperature where the layer decomposesSeparating, and
And removing the group III nitride epitaxial layer from the epitaxial growth substrate.
[0045]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0046]
In the embodiment of the present invention, an epitaxial growth in which a group III nitride (for example, GaN) epitaxial layer is selectively grown and a region in which a group III nitride epitaxial layer is not selectively grown is mixed. A semiconductor substrate is formed by forming a group III nitride epitaxial layer on the substrate for growth, and at this time, the group III nitride epitaxial layer of the substrate for epitaxial growth has grown to a region where it is selectively grown. The semiconductor substrate is fabricated such that the group III nitride epitaxial layer and the epitaxial growth substrate are separated.
[0047]
In the embodiment of the present invention, the group III nitride epitaxial layer is formed by mixing a region where the group III nitride epitaxial layer is selectively grown and a region where the group III nitride epitaxial layer is not selectively grown. A film is formed on the epitaxial growth substrate. Here, the region where the group III nitride is selectively grown is determined by the atomic arrangement of the film based on the potential due to the atomic arrangement of the epitaxial growth substrate, and the group III nitride epitaxial layer is perpendicular to the epitaxial growth substrate. It is a growing area. On the other hand, the region where the group III nitride epitaxial layer does not grow selectively is a region where the group III nitride epitaxial layer does not grow at all, or grows three-dimensionally regardless of the potential due to the atomic arrangement of the substrate.
[0048]
Thus, the group III nitride is formed on the epitaxial growth substrate formed by mixing the region where the group III nitride epitaxial layer is selectively grown and the region where the group III nitride epitaxial layer is not selectively grown. When the epitaxial growth of the epitaxial layer is started, the group III nitride crystal grows in a direction perpendicular to the epitaxial growth substrate in a selective growth region on the epitaxial growth substrate, and gradually in a lateral direction on a region that does not grow selectively. Then, the surface of the epitaxial growth substrate is coated. The portion of the group III nitride epitaxial layer grown in the vertical direction has the same defect density as the crystal grown directly on the entire epitaxial growth substrate, but the portion of the group III nitride epitaxial layer grown in the lateral direction has defects. Does not penetrate the crystal surface, and the defect density on the crystal surface is lower than the portion of the group III nitride epitaxial layer growing in the vertical direction. However, when the epitaxial growth substrate and the group III nitride epitaxial layer are made of different materials, stress is generated between the epitaxial growth substrate and the group III nitride epitaxial layer due to the difference in thermal expansion coefficient, etc. .
[0049]
In the embodiment of the present invention, this stress is relieved by separating the epitaxial growth substrate and the group III nitride epitaxial layer. The term “separation” as used herein does not only refer to physically dividing into two components (that is, removing the III-nitride epitaxial layer from the substrate), but also mechanical such as stress relaxation by a heterogeneous interface. In this sense, the separation does not depend on whether the epitaxial growth substrate and the group III nitride epitaxial layer are integrated. The mechanism for separation may be expressed at any timing such as during growth, after growth, or during annealing.
[0050]
According to the embodiment of the present invention, the epitaxial growth substrate and the group III nitride epitaxial layer are separated, so that the difference between the coefficients of thermal expansion and the like causes an influence between the epitaxial growth substrate and the group III nitride epitaxial layer. The stress is released and problems caused by stress such as warpage of the epitaxial growth substrate can be solved.
[0051]
FIG. 1 is a diagram showing a specific example of a manufacturing process of a semiconductor substrate according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, first, Al₂O_ThreeA substrate 101 is prepared (FIG. 1A). The c-plane is used as the orientation of the substrate 101, but other orientations may be used.
[0052]
Next, after depositing a low-temperature GaN buffer layer (not shown) on the substrate 101 by MOCVD, a Si-doped n-GaN film 102 (having a thickness of 1 μm) is formed (FIG. 1B). Next, SiO is deposited on the n-GaN film 102.₂A mask layer 103 (with a layer thickness of 1.5 μm) is formed (FIG. 1C).
[0053]
Thereafter, a photoresist 104 is applied, and a desired pattern is patterned by photolithography (FIG. 1D). Next, SiO2 was added with buffered hydrofluoric acid₂The mask layer 103 is etched (FIG. 1E).
[0054]
After that, SiO is formed by MOCVD.₂A Si-doped n-GaN epitaxial layer 105 (layer thickness is 1 μm) is selectively grown in the mask opening 110, and then an InN layer 106 (layer thickness is 200 nm) is formed (FIG. 1 (f)). In this manner, an epitaxial growth substrate is produced.
[0055]
Thereafter, the Si-doped n-GaN epitaxial layer 107 is selectively grown by the MOCVD method to cover the mask opening surface and grow in the lateral direction (FIG. 1 (g)).
[0056]
Furthermore, by continuing the selective growth, the GaN epitaxial layers 107 of the entire substrate are united, and the united GaN epitaxial layer 107 forms a single GaN substrate 108 (FIG. 1 (h)).
[0057]
Thereafter, annealing is performed at a temperature at which the InN layer 106 is decomposed in a nitrogen atmosphere. Due to the thermal stress that occurs during cooling from the annealing temperature, the GaN layer 108 / SiO 2₂Stress relaxation occurs selectively at the heterogeneous interface of the mask layer 103, and a GaN substrate 108 grown on the heterogeneous substrate without warping is obtained (FIG. 1 (i)).
[0058]
As described above, in the manufacturing process example of FIG. 1, the group III nitride epitaxial layer grown in the region where the group III nitride epitaxial layer of the epitaxial growth substrate is selectively grown is separated from the substrate for epitaxial growth. By providing a structure for separation between the substrate for use and the group III nitride epitaxial layer, it is difficult to form the group III nitride epitaxial layer on the substrate for different materials. It is possible to relieve stress due to the difference in thermal expansion coefficient between them, reduce strain due to stress, etc., and provide a high-quality, large-area group III nitride semiconductor substrate. That is, a high-quality group III nitride semiconductor substrate having a large area crystallized group III nitride semiconductor substrate free from warpage and cracks and a reduced behavior of dislocation progress, proliferation, etc. is obtained by reducing residual strain. Is obtained.
[0059]
The details of the structure and process, such as the layer structure and the composition of each layer, are not limited to the above-mentioned examples, and other structures and processes such as separation by a superlattice structure can be taken as described later. is there.
[0060]
In the above example, the GaN-based thin film is formed by the MOCVD method. However, if the MBE method is used, not only the GaN-based thin film but also all layers and film configurations can be formed. If the sublimation method is used, the structure of the layers and films after the InN layer 106 can be formed. The material of the mask layer 103 is also SiO.₂Not only film but SiN_XA film or the like can be used.
[0061]
The above-described manufacturing process example is not limited to a GaN-based semiconductor substrate, and can be applied to general manufacturing of a substrate in a system having a large difference in thermal expansion coefficient.
[0062]
Further, in the annealing process of FIGS. 1H and 1I, the GaN substrate 108 may not be separated after the annealing process depending on the annealing conditions. Even in this case, the mask layer 103 is etched. The GaN substrate 108 can be separated by the above, and the present invention is also applicable to this case.
[0063]
In the manufacturing method according to the embodiment of the present invention described above, a superlattice structure can be used for separating the epitaxial growth substrate and the group III nitride epitaxial layer grown on the epitaxial growth substrate. The superlattice structure is formed by superposing thin films of different materials, and the different interfaces exhibit stress relaxation behavior with respect to a smaller shear stress than in the same crystal. Therefore, the stress due to the difference in lattice mismatch and thermal expansion coefficient between the epitaxial growth substrate and the group III nitride epitaxial layer is selectively relaxed at the heterogeneous interface of the mask material and the epitaxial layer and the heterogeneous interface of the superlattice structure. To do.
[0064]
FIG. 2 is a diagram showing a manufacturing process example of a semiconductor substrate in the case where a superlattice structure is used for separation of an epitaxial growth substrate and a group III nitride epitaxial layer grown on the epitaxial growth substrate. Referring to FIG. 2, first, Al₂O_ThreeA substrate 201 is prepared (FIG. 2A). Although the c-plane is used as the orientation of the substrate 201, other orientations may be used.
[0065]
Next, after depositing a low-temperature GaN buffer layer (not shown) on the substrate 201 by MOCVD, an Si-doped n-GaN film 202 (film thickness is 1 μm) is formed (FIG. 2B). Next, SiO on the n-GaN film 202 is formed.₂A mask layer 203 (with a layer thickness of 1.5 μm) is formed (FIG. 2C).
[0066]
Thereafter, a photoresist 204 is applied, and a desired pattern is patterned by photolithography (FIG. 2D). Next, SiO 2 was added with buffered hydrofluoric acid.₂The mask layer 203 is etched (FIG. 2E).
[0067]
After that, SiO is formed by MOCVD.₂A Si-doped n-GaN epitaxial layer 205 (with a layer thickness of 1 μm) is selectively grown in the mask opening 210, thereby producing an epitaxial growth substrate.
[0068]
Thereafter, a superlattice structure 206 of InGaN (thickness 20 nm) / GaN (thickness 20 nm) is formed (FIG. 2F).
[0069]
Thereafter, the Si-doped n-GaN epitaxial layer 207 is selectively grown by the MOCVD method to cover the mask opening surface, and is grown in the lateral direction (FIG. 2G).
[0070]
Furthermore, by continuing the selective growth, the GaN epitaxial layers 207 of the entire substrate are combined, and a single GaN substrate 208 is formed by the combined GaN epitaxial layers 207 (FIG. 2H).
[0071]
In this case, the GaN layer 208 / SiO 2 is caused by the thermal stress generated during cooling from the growth temperature.₂Stress relaxation occurs selectively at the interface with the mask layer 203 and the heterogeneous interface of the InGaN / GaN superlattice structure 206, and the GaN substrate 208 on the heterogeneous substrate without warping is obtained.
[0072]
Thus, in the example of the manufacturing process of FIG. 2, the epitaxial growth substrate and the group III nitride epitaxial layer (207, 208) grown on the epitaxial growth substrate are lattice mismatched, and the epitaxial growth substrate and the group III Since the nitride epitaxial layers (207, 208) are separated by the superlattice structure 206, a high-quality, large-area group III nitride semiconductor substrate can be provided. In other words, in the production of a substrate using a lattice strain-based material, high-density dislocations due to lattice strain are reduced by selective growth, and stress due to the difference in thermal expansion coefficient between the epitaxial growth substrate and the epitaxial growth substrate and the group III This can be reduced by selective lattice relaxation between different types of materials having a superlattice structure provided between the nitride epitaxial layer and the nitride epitaxial layer. The lattice relaxation by the superlattice structure works to relax the shear stress parallel to the layer surface of the superlattice structure during and after the growth. This direction is a direction in which stress caused by lattice distortion acts, and is also a direction in which stress is caused by a difference in thermal expansion coefficient. Therefore, by designing the superlattice structure so as to exhibit lattice relaxation behavior with respect to smaller shear stress, it is possible to obtain a high-quality and large-area semiconductor crystal with a smaller residual strain, that is, a group III nitride semiconductor substrate. it can.
[0073]
Note that the details of the configuration and process, such as the layer configuration and the composition of each layer, are not limited to the above-described example, and other configurations and processes may be employed.
[0074]
In the above example, the GaN-based thin film is formed by the MOCVD method. However, if the MBE method is used, not only the GaN-based thin film but also all layers and film configurations can be formed, and the HVPE method and the sublimation method. Can be used to form layers and films after the superlattice structure 206. The material of the mask layer 203 is also SiO.₂Not only film but SiN_XA film or the like can be used.
[0075]
The above-described manufacturing process examples are not limited to GaN-based semiconductor substrates, but can be applied to general manufacturing of lattice mismatched substrates.
[0076]
In the above-described method for manufacturing a semiconductor substrate in which separation is performed using a superlattice structure, the film formation method until the superlattice structure is manufactured can be different from the film formation method after the superlattice structure is manufactured. That is, in the above manufacturing process, it is considered that the MOCVD method or the MBE method in which the growth conditions are relatively slow in the manufacturing process up to the superlattice structure and the thickness of each layer can be easily controlled is suitable. However, after the superlattice structure is manufactured, a semiconductor substrate can be manufactured at a lower cost by employing an inexpensive film forming method with a high film forming speed.
[0077]
FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a manufacturing process of a semiconductor substrate in a case where a film forming method until a superlattice structure is manufactured and a film forming method after the superlattice structure is manufactured are different.
[0078]
Referring to FIG. 3, first, Al₂O_ThreeA substrate 301 is prepared (FIG. 3A). Although the c-plane is used as the orientation of the substrate 301, other orientations may be used. Next, after depositing a low-temperature GaN buffer layer (not shown) on the substrate 301 by MOCVD, an Si-doped n-GaN film 302 (film thickness is 1 μm) is formed (FIG. 3B). Next, on the n-GaN film 302, SiN_xA mask layer 303 (having a thickness of 1.5 μm) is formed (FIG. 3C).
[0079]
Thereafter, a photoresist 304 is applied, and a desired pattern is patterned by photolithography (FIG. 3D). Then, using RIE, CF_FourSiN_xThe mask layer 303 is etched (FIG. 3E).
[0080]
After that, SiO is formed by MOCVD.₂A Si-doped n-GaN epitaxial layer 305 (1 μm) is selectively grown in the mask opening 310, thereby producing an epitaxial growth substrate.
[0081]
Thereafter, a superlattice structure 306 of InGaN (thickness 20 nm) / GaN (thickness 20 nm) is formed (FIG. 3F).
[0082]
Thereafter, a Si-doped n-GaN epitaxial layer 307 is selectively grown by MOCVD, covering the mask opening surface, and growing in the lateral direction (FIG. 3G).
[0083]
Thereafter, high-speed growth of the Si-doped n-GaN epitaxial layer 307 is performed at a rate of about 100 μm / h by the HVPE method, and a single GaN substrate 308 is formed (FIG. 3 (h)).
[0084]
As described above, in the example of the manufacturing process in FIG. 3, the film formation method until the superlattice structure is manufactured is different from the film formation method after the superlattice structure is manufactured (the process until the superlattice structure is manufactured). High quality by forming a film by a method with a slow growth rate and easy film thickness control, and forming a superlattice structure after the film formation by an inexpensive film formation method with a higher film formation speed) In addition, a semiconductor crystal having a large area, that is, a group III nitride semiconductor substrate can be obtained at a lower cost.
[0085]
Note that the details of the configuration and process, such as the layer configuration and the composition of each layer, are not limited to the above-described examples, and other configurations and processes can be adopted. For example, in the flux method, the crystal form can be controlled by controlling the growth conditions, and a plate-like crystal can be obtained. Therefore, the density per unit area of the mask opening 310 is lowered as in the above example. As a result, a GaN-based substrate 308 on a dissimilar substrate that is easier to relax is obtained.
[0086]
In addition, as a film formation method after the superlattice structure 306 is manufactured, another growth method having a high crystal growth rate can be used.
[0087]
In the above example, the GaN-based thin film is formed by the MOCVD method, but it can also be formed by the MBE method.
[0088]
In the semiconductor substrate of the present invention, as described above, the epitaxial growth substrate and the group III nitride epitaxial layer grown on the epitaxial growth substrate are separated. Here, the separation represents separation in a mechanical sense such as stress relaxation by a heterogeneous interface. That is, the stress between the epitaxial growth substrate and the group III nitride epitaxial layer is relaxed, and the introduction of dislocations due to warping and stress is eliminated. However, since the group III nitride epitaxial layer is not removed from the substrate, the group III nitride epitaxial layer and the epitaxial growth substrate can be handled as a single unit. In this case, the entire epitaxial growth substrate is used. It is possible to ensure the strength of the.
[0089]
That is, when the group III nitride epitaxial layer and the substrate for epitaxial growth are integrated, the semiconductor substrate can be easily handled in the crystal growth process and the device manufacturing process, and a low-cost semiconductor with a large area without warping. A substrate can be provided. That is, after growing the group III nitride epitaxial layer, the group III nitride epitaxial layer and the substrate for epitaxial growth in a state where the lattice relaxation and strain are reduced are kept integrated, so that a large-area substrate without warping can be obtained. In addition, during the device formation process, the substrate for epitaxial growth can be used as a supporting substrate for the group III nitride epitaxial layer, which facilitates handling. In addition, since the supporting substrate is provided, the thickness of the group III nitride epitaxial layer can be reduced, and a lower-cost semiconductor substrate can be obtained.
[0090]
On the contrary, the group III nitride epitaxial layer can be removed from the epitaxial growth substrate to form a semiconductor substrate. In this case, the semiconductor substrate has a structure in which a thick group III nitride epitaxial layer is selectively grown on the epitaxial growth substrate, and the epitaxial growth substrate and the group III nitride epitaxial layer are separated. In this case, in addition to the meaning of separation for stress relaxation at the heterogeneous interface described above, the separation means that the group III nitride epitaxial layer itself is removed from the epitaxial growth substrate, and the rigidity of the thick group III nitride epitaxial layer itself. This means that a single nitride epitaxial layer is used as a semiconductor substrate.
[0091]
Thus, by removing the group III nitride epitaxial layer from the epitaxial growth substrate to form a semiconductor substrate, the epitaxial growth substrate and the group III nitride epitaxial layer are physically separated, the stress is relaxed, and the large area A group III nitride semiconductor substrate is obtained. In addition, since the lattice relaxation proceeds in the entire epitaxial growth substrate and the group III nitride epitaxial layer, the group III nitride epitaxial layer can be easily removed from the epitaxial growth substrate. Thereby, a high-quality and large-area GaN-based semiconductor substrate can be provided.
[0092]
In the semiconductor substrate of each example described above, the group III nitride epitaxial layer can be composed of a group III nitride containing at least Ga, and the superlattice structure is composed of a nitride of Ga, In, Al or a mixed crystal thereof. it can.
[0093]
FIG. 4 shows a manufacturing process of a semiconductor substrate in which a group III nitride epitaxial layer is composed of a group III nitride containing at least Ga and a superlattice structure is composed of a nitride of Ga, In, Al or a mixed crystal thereof. It is a figure which shows an example.
[0094]
Referring to FIG. 4, first, Al₂O_ThreeA substrate 401 is prepared (FIG. 4A). Although the c-plane is used as the orientation of the substrate 401, other plane orientations may be used.
[0095]
Next, after depositing a low-temperature GaN buffer layer (not shown) on the substrate 401 by MOCVD, an Si-doped n-GaN film 402 (film thickness is 1 μm) is formed (FIG. 4B). Next, SiO on the n-GaN film 402₂A mask layer 403 (layer thickness is 1.5 μm) is formed (FIG. 4C).
[0096]
Thereafter, a photoresist 404 is applied, and a desired pattern is patterned by photolithography (FIG. 4D). Next, SiO 2 was added with buffered hydrofluoric acid.₂The mask layer 403 is etched (FIG. 4E).
[0097]
After that, SiO is formed by MOCVD.₂A Si-doped n-GaN epitaxial layer 405 (with a layer thickness of 1 μm) is selectively grown in the mask opening 410, thereby producing an epitaxial growth substrate.
[0098]
Thereafter, a superlattice structure 406 of AlGaN (thickness 10 nm) / GaN (thickness 20 nm) is formed (FIG. 4F).
[0099]
Thereafter, a Si-doped n-GaN epitaxial layer 407 is selectively grown by MOCVD to cover the mask opening surface and grow in the lateral direction (FIG. 4G).
[0100]
Furthermore, by continuing the selective growth, the GaN epitaxial layers 407 of the entire substrate are combined, and a single GaN substrate 408 is formed by the combined GaN epitaxial layers 407 (FIG. 4H).
[0101]
In this case, GaN layer 408 / SiO₂Stress relaxation occurs selectively at the interface with the mask layer 403 and the heterogeneous interface of the AlGaN / GaN superlattice structure 406, and a GaN substrate 408 on the heterogeneous substrate without warping is obtained.
[0102]
Thus, the group III nitride epitaxial layer is made of a nitride containing at least Ga, and the superlattice structure only needs to be composed of a nitride of Ga, In, Al or a mixed crystal thereof. In this case, a GaN-based material High quality and large area substrate can be obtained. That is, by changing the layer structure including the composition of the superlattice structure, a high-quality and large-area substrate can be obtained even for substrates containing Al.
[0103]
Note that the details of the configuration and process, such as the layer configuration and the composition of each layer, are not limited to the above-described examples, and other configurations and processes can be adopted.
[0104]
In the above-described example, the GaN-based thin film is formed by the MOCVD method. However, if the MBE method is used, not only the GaN-based thin film but also all layers and film configurations can be formed. By using this method, it is possible to form layers and films after the superlattice structure. The material of the mask layer is also SiO₂Not only film but SiN_XA film or the like can be used.
[0105]
The present invention is applicable to all GaN-based substrates. With respect to the configuration of the AlGaN / GaN superlattice, lattice relaxation can be advanced by a smaller shear stress by increasing the Al composition and increasing the strain.
[0106]
In addition, a light-emitting element can be formed over the semiconductor substrate of the present invention manufactured through each of the above manufacturing process examples. In this case, the present invention is not limited to the structure and manufacturing method of the light emitting element.
[0107]
In a light-emitting element manufactured over this semiconductor substrate, a semiconductor substrate with a low crystal defect density and no warpage can extend the life of the light-emitting element and reduce the cost. In addition, when a semiconductor substrate obtained by removing the group III nitride epitaxial layer from the epitaxial growth substrate is used, the semiconductor substrate has conductivity, so that an electrode can be formed on the back surface, and face-down mounting. Therefore, it is possible to provide a semiconductor laser with excellent heat dissipation and long life at low cost.
[0108]
【The invention's effect】
  As explained above, the claims1According to the invention described above, the group III nitride is formed on the epitaxial growth substrate formed by mixing the region where the group III nitride epitaxial layer is selectively grown and the region where the group III nitride epitaxial layer is not selectively grown. Forming a nitride epitaxial layer;
The group III nitride epitaxial layer and the epitaxial growth substrate.In the InN layer between the epitaxial growth substrate and the group III nitride epitaxial layer on the region where the group III nitride epitaxial layer of the epitaxial growth substrate is selectively grown, InN By annealing at a temperature where the layer decomposesSeparating, and
And removing the group III nitride epitaxial layer from the epitaxial growth substrate, so that thermal expansion between the heterogeneous material substrate, which has conventionally been a problem when forming the group III nitride epitaxial layer on the heterogeneous material substrate, is performed. Stress due to the difference in coefficients is released, and a high-quality and large-area group III nitride semiconductor substrate can be provided. That is, by releasing the stress, a large-area crystallized group III nitride semiconductor substrate free from warpage and cracks can be obtained, and high-quality group III nitride in which the behavior such as dislocation progress and growth is relaxed A semiconductor substrate is obtained.
[0110]
According to the invention described in claim 3, the film forming method until the superlattice structure is manufactured and the film forming method after the superlattice structure are manufactured are different (the process until the superlattice structure is manufactured is grown). High-quality and large-scale by forming a film by a method with low speed and easy control of film thickness, and forming a superlattice structure after film formation by an inexpensive film formation method with a higher film formation speed) A semiconductor crystal having a large area, that is, a group III nitride semiconductor substrate can be obtained at a lower cost.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing an example of a manufacturing process of a semiconductor substrate according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing an example of a manufacturing process of a semiconductor substrate when a superlattice structure is used for separation between an epitaxial growth substrate and a group III nitride epitaxial layer grown on the epitaxial growth substrate.
FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a manufacturing process of a semiconductor substrate in a case where a film formation method until a superlattice structure is manufactured and a film formation method after the superlattice structure is manufactured are different.
FIG. 4 is a diagram showing an example of a manufacturing process of a semiconductor substrate when a superlattice structure is used for separation between an epitaxial growth substrate and a group III nitride epitaxial layer grown on the epitaxial growth substrate.
FIGS. 5A and 5B are diagrams for explaining a conventional method for manufacturing a semiconductor substrate. FIGS.
FIG. 6 is a diagram showing a conventional semiconductor laser.
[Explanation of symbols]
101 Al₂O_Threesubstrate
102 Si-doped n-GaN film
103 SiO₂Mask layer
104 photoresist
105 Si-doped n-GaN epitaxial layer
106 InN layer
107 Si-doped n-GaN epitaxial layer
108 GaN substrate
201 Al₂O_Threesubstrate
202 Si-doped n-GaN film
203 SiO₂Mask layer
204 photoresist
205 Si-doped n-GaN epitaxial layer
206 Superlattice structure
207 Si-doped n-GaN epitaxial layer
208 GaN substrate
301 Al₂O_Threesubstrate
302 Si-doped n-GaN film
303 SiO_xMask layer
304 photoresist
305 Si-doped n-GaN epitaxial layer
306 Superlattice structure
307 Si-doped n-GaN epitaxial layer
308 GaN substrate
401 Al₂O_Threesubstrate
402 Si-doped n-GaN film
403 SiO₂Mask layer
404 photoresist
405 Si-doped n-GaN epitaxial layer
406 Superlattice structure
407 Si-doped n-GaN epitaxial layer
408 GaN substrate

Claims

ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層が選択的に成長する領域とＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層が選択的に成長しない領域とが混在して形成されているエピタキシャル成長用基板上にＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層を形成する工程と、
前記ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層と前記エピタキシャル成長用基板とを、エピタキシャル成長用基板のＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層が選択的に成長する領域上で、エピタキシャル成長用基板と前記ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層との間にあるＩｎＮ層において、該 InN 層が分解する温度でアニールすることにより分離する工程と、
前記ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層を前記エピタキシャル成長用基板から取り外す工程とを有することを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体基板の製造方法。A group III nitride epitaxial layer is formed on an epitaxial growth substrate in which a region where a group III nitride epitaxial layer is selectively grown and a region where a group III nitride epitaxial layer is not selectively grown are mixed. Process,
The group III nitride epitaxial layer and the epitaxial growth substrate are disposed between the epitaxial growth substrate and the group III nitride epitaxial layer on a region where the group III nitride epitaxial layer of the epitaxial growth substrate is selectively grown. in some InN layer, and separating by the InN layer is annealed at decomposes temperature,
Removing the group III nitride epitaxial layer from the substrate for epitaxial growth. A method for manufacturing a group III nitride semiconductor substrate.