JP4862442B2 - Iii−v族窒化物系半導体基板の製造方法及びiii−v族窒化物系デバイスの製造方法 - Google Patents

Iii−v族窒化物系半導体基板の製造方法及びiii−v族窒化物系デバイスの製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、III-V族窒化物系半導体基板の製造方法及びIII-V族窒化物系デバイスの製造方法に関し、特に、結晶性が良好で高品質なAlN層及びこれに類する高熱伝導率の層を表面に有するIII-V族窒化物系半導体基板の製造方法及びIII-V族窒化物系デバイスの製造方法に関するものである。
窒化ガリウム(GaN)、窒化インジウムガリウム(InGaN)、窒化ガリウムアルミニウム(GaAlN)等のIII-V族窒化物系化合物半導体は、禁制帯幅が充分大きく、バンド間遷移も直接遷移型であるため、短波長発光素子、特に青色発光ダイオード(LED)の製造に用いられている。また、最近では、更に短波長の紫外LEDや、これらLEDと蛍光体を組み合わせた白色LEDが実用化され始めている。さらに、III-V族窒化物系化合物半導体は耐熱性や耐環境性が良いという特徴を有するため、電子デバイスやパワーデバイスへの応用開発も始まっている。
半導体のデバイスを作製する場合、その下地基板にはエピタキシャル成長する結晶と格子定数や線膨張係数の同じ基板を使用する、いわゆるホモエピタキシャル成長を行うのが一般的である。例えば、GaAsやAlGaAsのエピタキシャル成長を行うための基板には、GaAs単結晶基板が用いられている。
しかし、III-V族窒化物系半導体結晶に限っては、これまでに実用に足るサイズ、特性のIII-V族窒化物系半導体基板を製造することができなかった。このため、これまでに実用化されている窒化物系発光ダイオードは、そのほとんどが格子定数の近いサファイア基板上に、有機金属気相成長(MOVPE)法を用いてIII-V族窒化物系半導体結晶をヘテロエピタキシャル成長させることにより製造されている。従って、ヘテロ成長であることに起因した様々な問題が発生していた。
例えば、サファイア基板とGaNの線膨張係数の違いに起因して、エピタキシャル成長後の基板が大きく反ってしまうという問題が生じていた。これは、エピタキシャル成長後のフォトリソグラフィ工程やチップ加工工程において、基板の割れを生じさせるなど、歩留り低下の原因となる。
また、サファイア基板とGaNでは、格子定数が異なるため、窒化物結晶を単結晶成長させるために、一旦本来の結晶成長温度よりも低い温度でバッファ層を堆積させる必要があり、これが結晶成長の工程時間を延ばす要因になっている。更に、サファイア基板上の成長では、サファイアとGaNの格子定数差に起因して、GaNエピ層中に10から10個/cm−2もの多量の転位が発生してしまう。この転位は、発光素子の出力や信頼性を阻害する要因となる。従来の青色系のLEDでは、これまで転位が問題とされることは少なかったが、今後、より高出力化が求められるようになり、また、紫外LEDの実現に向けて短波長化が促進されると、デバイス特性に及ぼす転位の影響が大きくなってくることが予想されており、何らかの対策が必要となっている。
これらの問題を解決するため、近年、GaN単結晶の自立基板が開発されてきた。GaN自立基板の製造方法としては、例えば、下地基板に開口部を有するマスクを形成し、開口部からラテラル成長させることにより転位の少ないGaN層を得る技術、いわゆるELO(Epitaxial Lateral Overgrowth)技術を用いてサファイア基板上にGaN層を形成した後、サファイア基板をエッチング等により除去し、GaN自立基板を得ることが提案されている(例えば、特許文献1参照)。
また、ELO法をさらに発展させた方法として、FIELO(Facet-Initiated Epitaxial Lateral Overgrowth)法が開発されている(例えば、非特許文献1参照)。FIELO法は、酸化シリコンマスクを用いて選択成長を行う点でELO法と共通するが、選択成長の際にマスク開口部にファセットを形成する点で相違している。ファセットを形成することにより、転位の伝搬方向を変え、エピタキシャル成長層の上面に至る貫通転位を低減する。FIELO法を用いて、例えばサファイア等の下地基板上に厚膜のGaN層を成長させ、その後下地基板を除去すれば、結晶欠陥の比較的少ない良質のGaN自立基板を得ることができる。
上記以外にも、低転位のGaN自立基板を得る方法として、DEEP(Dislocation Elimination by the Epi-growth with Inverted-Pyramidal Pits)法が開発されている(例えば、非特許文献2、特許文献2参照)。DEEP法は、GaAs基板上にパターニングした窒化珪素等のマスクを用いてGaNを成長させることにより、結晶表面に意図的にファセット面で囲まれたピットを複数形成し、前記ピットの底部に転位を集積させることにより、その他の領域を低転位化するものである。
また、転位密度の低いGaN基板の製造方法として、サファイアC面((0001)面)基板上にGaN層を形成し、その上にチタン膜を形成後、水素ガスまたは水素含有化合物ガスを含む雰囲気中で基板を熱処理してGaN層中に空隙を形成し、更に、GaN層上にGaN半導体層を形成する方法が開示されている(例えば、特許文献3参照)。
これらELO法やDEEP法等の方法を用いて異種基板上にHVPE法でGaN膜を成長し、その後、下地基板からGaN層を剥離して得られたGaN自立基板は、特に低転位結晶の必要なレーザーダイオード(LD)の開発に主に用いられているが、最近では、LED用の基板としても使われるようになってきている。
従来用いられてきたサファイア基板の熱伝導率0.42W/(cm・k)に対して、GaN基板のそれは1.98W/(cm・k)と高く、放熱効率が向上したことから、発熱量の大きい高出力の発光デバイスやパワーデバイスの開発に拍車がかかってきている。
そこで、次の期待として、GaNよりも更に熱伝導率の高いAlN(理論値では、3.2W/(cm・k))の自立基板に対する要求が高まっている。このため、GaN基板を成長させるのに用いられているHVPE法を用いて、Alを含むIII-V族窒化物系半導体結晶を成長させる研究開発が行われている(例えば、非特許文献3、4参照)。
また、GaN基板上に、AlGaN層として、Si−Al0.05Ga0.95N層を10μm程度成長させたGaN積層基板(特許文献4参照)、及びGaN下部基板上に厚さ300μm以上400μm以下のAl0.15Ga0.85N上部基板を形成したAlGaN系複合基板(特許文献5参照)も開示されている。
特開平11−251253号公報 特開2003−165799号公報 特開2003−178984号公報 特開2005−191306号公報 特開2005−277015号公報 Akira Usui et. al.,「Thick GaN Epitaxial Growth with Low Dislocation Density by Hydride Vapor Phase Epitaxy」, Jpn. J. Appl. Phys. vol. 36(1997) pp. L899-L902 Kensaku Motoki et. al.,「Preparation of Large Freestanding GaN Substrates by Hydride Vapor Phase Epitaxy Using GaAs as a Starting Substrate」, Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 40(2001)pp. L140-L143 Andrey Nikolaev et. al.,「AlN Wafers Fabricated by Hydride Vapor Phase Epitaxy」, MRS Internet J. Nitride Semicond. Res. Volume 5S1 Published 2000, W6.5. Y. Kumagai et. al.,「Hydride vapor phase epitaxy of AlN: thermodynamic analysis of aluminum source and its application to growth」, Phys. Stat. Sol. (c), Vol. 0, No. 7, 2003, pp. 2498-2501.
しかしながら、非特許文献3、4のようにHVPE法でAlNを成長させると、原料として用いる塩化アルミニウムが成長条件によっては炉を構成する石英部材と反応して、これを侵食してしまうという問題があった。このため、AlNの厚膜成長を必要とする場合は、それだけ石英部材の損耗が激しくなり、部品交換の手間やコストがかかるだけでなく、石英部材が結晶成長中に割れるといった危険も伴うことになる。
また、AlNのバルク結晶成長は難しく、高品質なAlN基板を再現良く生産する技術は、未だ実現できていないのが現状である。
更に、特許文献4、5のように、予め製造されたGaN基板上にAlGaNを別工程で付ける場合では、一旦GaN基板を大気中に取り出しているので、GaN表面に自然酸化膜が発生したり、ハンドリング時の汚染などによって成長界面が清浄でなくなったりする。また、GaN表面に昇降温サイクルが加わることで、GaN表面の熱変性といった問題も生じる。その結果、GaN/AlGaN界面に欠陥を多く含む層が生じたり、場合によってはAlGaN結晶層にクラックが多数生じたりするおそれがあった。
従って、本発明の目的は、上記従来技術の問題点を解決し、結晶性が良好で高品質なAlN層及びこれに類する高熱伝導率の層を表面に有するIII-V族窒化物系半導体基板の製造方法及びIII-V族窒化物系デバイスの製造方法を提供することにある。
本発明者は、既に高品質な単結晶基板の成長技術が確立されているGaN層の製造技術を応用し、GaNとAlNとを同一炉内で連続的に成長させて複合基板を作製し、更にデバイス構造まで形成した後、バックラップにより複合基板の下層となるGaN層の裏面からAlN層に到達するまでGaN層を除去することにより、あたかも結晶性が良好なAlN基板上にデバイスを作製したのと同等のデバイス性能が得られることを見出し、かかる知見に基づき本発明を完成させた。
即ち、本発明のIII-V族窒化物系半導体基板の製造方法は、異種基板上にIII-V族窒化物系半導体膜を成長させた後、金属膜を堆積する工程と、該金属膜を堆積した基板を水素ガス又は水素化物ガスを含む雰囲気中で熱処理し、前記III-V族窒化物系半導体膜中に空隙を形成する工程と、その上にGaN単結晶からなる第1の層をHVPE法により堆積する工程と、更にその上に直接、又は他の層を介してAl x Ga 1-x N(0.9<x≦1)で表されるIII-V族窒化物系半導体単結晶からなる第2の層をHVPE法により堆積する工程と、前記第1の層及び前記第2の層を残して前記異種基板を除去し、III-V族窒化物系半導体基板を得る工程と、前記第2の層の露出面である前記基板の表面及び前記第1の層の露出面である前記基板の裏面を研磨して平担面とする工程と、を備えることを特徴とする。
前記第1の層と前記第2の層との間に、組成がGaNからAlGa1−xN(0.9<x≦1)へと連続的に変化する遷移層を介在させることもできる。
前記基板は、直径が50mm以上の円形であり、厚さが200μm以上であることが好ましく、前記基板表面における転位密度は1×10cm−2以下とすることが望ましい。また、前記第2の層は、厚さが50μm以上であることが好ましい。更に、前記基板を自立基板とすることができる。
前記第1の層と前記第2の層は、同一炉内で連続的に成長させることが好ましい
また、本発明のIII-V族窒化物系デバイスの製造方法は、異種基板上にIII-V族窒化物系半導体膜を成長させた後、金属膜を堆積する工程と、該金属膜を堆積した基板を水素ガス又は水素化物ガスを含む雰囲気中で熱処理し、前記III-V族窒化物系半導体膜中に空隙を形成する工程と、その上にGaN単結晶からなる第1の層をHVPE法により堆積する工程と、更にその上にAl x Ga 1-x N(0.9<x≦1)で表されるIII-V族窒化物系半導体単結晶からなる第2の層をHVPE法により堆積する工程と、前記第1の層及び前記第2の層を残して前記異種基板を除去し、III-V族窒化物系半導体基板を得る工程と、前記第2の層の露出面である前記基板の表面及び前記第1の層の露出面である前記基板の裏面を研磨して平担面とする工程と、前記基板上に、デバイス構造を有するエピタキシャル成長層を形成する工程と、前記基板の裏面側から研磨して前記第1の層を除去し、前記第2の層を露出させることにより、前記第2の層上に前記デバイス構造を設けたIII-V族窒化物系デバイスを製造する工程と、を備えることを特徴とする
本発明のIII-V族窒化物系半導体基板によれば、AlGa1−xN(0.9<x≦1)層を有するので、この基板上にデバイス構造を形成した後、AlGa1−xN(0.9<x≦1)層に至るまでバックラップすることにより、あたかも結晶性の良好なAlN基板上にデバイスを作製したのと同等のデバイス性能を得ることができる。
また、本発明のIII-V族窒化物系デバイスによれば、熱伝導率に優れたAlGa1−xN(0.9<x≦1)層を用いているので、放熱性が良好となり、発熱量の大きい高出力の発光デバイスやパワーデバイスに好適に用いることができる。
更に、本発明のIII-V族窒化物系半導体基板及びIII-V族窒化物系デバイスの製造方法によれば、III-V族窒化物系半導体基板及びIII-V族窒化物系デバイスを安価に再現性良く製造できる。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図1に、本発明の一実施形態に係る複合自立基板を示す。
この複合自立基板10は、GaN層11上に、AlN層12を形成したものであり、AlN層12の表面及びGaN層11の裏面は平坦に研磨されている。発光デバイスは、この複合自立基板10上にデバイス構造を形成した後、バックラップによりGaN層11の裏面からAlN層12に到達するまでGaN層11を除去することにより形成される。以下、更に詳しく説明する。
(自立基板)
まず、自立基板(自立した基板)とは、自らの形状を保持できるだけでなく、ハンドリングに不都合が生じない程度の強度を有する基板をいう。このような強度を有するためには、自立基板の厚さを200μm以上とするのが好ましい。
(基板寸法)
基板寸法としては、直径が50mm以上の円形であり、基板の厚さは、200μm以上であることが望ましい。発光素子、特にLEDは、民生品に多用される汎用素子であり、量産できることが実用化、普及に不可欠な案件である。基板の直径を50mm以上とすれば、先行するGaAs基板などで既に量産用のプロセス装置が開発されており、量産ラインへの適用が容易になる。また、基板の厚さを200μm以上とするのは、200μmよりも薄いと、ピンセット等のハンドリング時に基板が割れる危険が急激に高まるためである。
(GaN層)
複合自立基板10の下層としては、エピタキシャル成長が容易であり、ある程度の大口径でかつ厚みの厚い結晶を容易に得ることができるためGaN層11としている。GaN層11の表面の結晶方位は(0001)のIII族面であることが望ましい。III族窒化物系の結晶は極性が強く、III族面の方がV族面(窒素面)より化学的及び熱的に安定だからである。
(AlN層の形成)
AlN層12は、下地のGaN層11と同一炉内で連続的に成長された層であることが望ましい。これは、成長にかかる時間を短縮できるという工程上のメリットだけでなく、GaN層11とAlN層12との間に、酸化膜などが介在することを抑制し、AlN層12の結晶中に欠陥が発生するのを防ぐと同時に、層間に電気的な障壁となる層が発生することも防止するためである。GaN層からAlN層への移行は、間に組成が連続的に変化する遷移層を介在させて行っても良い。
図2は、この介在層を有する他の実施形態に係る複合自立基板を示すものであり、複合自立基板20は、GaN層21及びAlN層23の間に、GaN22aからAlN22bまで組成を連続的に変化させたAlGa1−pN(pが0から1へ漸次変化)遷移層22を介在させている。なお、図1及び図2の複合自立基板において、AlN層の導電型は目的とするデバイスに合わせて適宜制御すべきであり、一律に決めることはできない。
(AlN層の厚さ)
複合自立基板に求められる特性としては、その上に成長したデバイスからの発熱を、基板を通じて外部に放熱することのできる十分に小さな熱抵抗を有していること以外に、デバイス構造を形成するためのエピタキシャル成長工程や、その後の半導体プロセス工程において、ハンドリング時などに割れないよう、十分な強度を有することが求められる。そのために最低でも200μm以上の基板厚さが要求される。しかし、実際にデバイスが使用される際には、基板は裏面からバックラップで除去されて、最終的には100μm程度の厚さしか残存しないことになる。即ち、デバイスの放熱特性を左右するのは、基板の表面近傍100μm程度の結晶の熱抵抗であり、その下の領域は、作業時に、基台として作用すればことが足りる。このため、AlN層12(23)の厚さは、最終的に50μm以上であることが望ましい。これは、バックラップでGaN層11(21)を除去した後に、デバイスチップの強度を保つために必要な膜厚である。バックラップでは、GaN層11(21)だけを選択的に除去することは困難であり、通常AlN層12(23)も10〜20μmは除去されてしまう。このため、形成したAlN層12(23)が50μmよりも薄いと、実際のデバイスではAlN層12(23)が30μm以下にまで薄くなってしまい、チップをマウントする際やワイヤボンディングする際にチップが割れるなどの不具合が生じる可能性が高まってしまう。
(AlN層の組成)
また、AlN層12(23)に代えて、熱伝導率が極端に低下しない程度の組成のAlGaN層としても良い。具体的には、AlNも含めて、AlGa1−xN(0.9<x≦1)で表す層とすることができる。ここで、Al組成が0.9を超えることとしたのは、Al組成が0.9以下となりGa組成が0.1を超えると、熱伝導率がAlNの1/10以下と大幅に低下してしまい、放熱特性が悪化してしまうためである。
(AlN層の表面)
一般に、アズグロウンのAlN層12(23)表面には、ヒロック等の大きな凹凸や、ステップバンチングによって現れると思われる微少な凹凸が多数存在している。これを平坦に研磨加工するのは、その上にエピを成長させたときのモフォロジや、膜厚、組成等を不均一にする要因を排除し、更には、デバイス作製プロセスにおいても、フォトリソグラフィ工程の加工精度を落とすことなく、デバイスの作製歩留りを向上させるためである。
(GaN層の裏面)
複合自立基板10(20)下部のGaN層11(21)裏面も平坦に研磨加工される。裏面を平坦に研磨加工するのは、基板にエピ成長を行う際に、基板とサセプタとの密着性を良くするためである。基板の裏面全面が、サセプタと均等に接触していないと、サセプタからの熱伝導が不均一になって、エピ成長中の基板温度が面内で不均一になってしまう。基板温度の面内ばらつきは、結晶成長速度や組成、不純物濃度のばらつきとなって現れるため、特性の面内均一性の高いエピを成長することができなくなってしまう。エピの成長装置には、基板の裏面をサセプタと密着させない、フェイスダウン方式も存在するが、この場合も、基板の裏面に均熱板と呼ぶ平板を置くことが一般的であり、基板の裏面と均熱板との距離にばらつきがあれば、前述の温度ばらつきが生じ、特性の均一性に支障を来たす結果になる。裏面は、エピ成長時のサセプタとの密着性が問題なく得られる程度に平坦であれば良く、必ずしも鏡面になっている必要はない。即ち、ラップ面や研削面、あるいはこれに歪除去のための処理(エッチング等)を施した面であっても構わない。
(基板の転位密度)
基板の表面における転位密度は、1×10cm−2以下であることが望ましい。基板上に成長されるエピタキシャル成長層中には、下地基板からの転位が引き継がれることが判明しており、上記転位密度を超えるエピ層中の転位は、デバイスの特性を阻害し、信頼性を低下させる要因となるからである。
(複合自立基板の製造方法)
本実施形態の複合自立基板は、異種基板上にGaN層及AlN層単結晶を成長した後、異種基板を剥離除去することにより得られる。GaN層及AlN層単結晶は、HVPE法(ハイドライド気相成長)により成長することが望ましい。これは、HVPE法は結晶成長速度が速く、厚膜成長を必要とする基板の作製に適するからである。
(HVPE炉の構造)
図3に、本実施例で使用するHVPE反応炉の例を示す。
このHVPE反応炉30は、横長の石英反応管31の外側にヒータ32を設けて加熱するホットウォール式であり、石英反応管31の図面左側(上流側)には、V族原料のNHガスを導入するNH導入管33、III族原料のAlClを形成するためのHClガスを導入するHClガス導入管34、III族原料のGaClを形成するためのHClガスを導入するHClガス導入管35、及び導電性制御のためのドーパントガスを導入するドーピングガス導入管36を備えている。また、HClガス導入管34はアルミナ製であり、その途中にパイロリティックグラファイト(PG)製のボート34aが設けられて金属アルミニウム34bが収容される。HClガス導入管35は石英製であり、その途中に石英製のボート35aが設けられて金属ガリウム35bが収容される。一方、石英反応管31内の図面右側(下流側)には、下地基板38が配置される基板ホルダ37が回転軸37aによって支持され、この回転軸37aを中心として回転自在に設けられている。また、ヒータ32は、金属アルミニウム34bが収容されるボート34a部分を加熱するAl原料加熱部32a、金属ガリウム35bが収容されるボート35a部分を加熱するGa原料加熱部32b、下地基板38部分を加熱する結晶成長領域加熱部32cの3つのゾーンを備えている。なお、石英反応管31の内壁には、結晶成長中にアルミニウム原料と反応して石英が侵食されるのを防止するため、また、成長中の堆積物と石英との熱膨張率の違いにより炉体冷却時に反応管が割れるのを防止するために、パイロリティック窒化ホウ素(PBN)製のライナ39が挿入されている。なお、石英反応管31の下流側端部には、排気管31aが設けられている。
(成長方法)
このHVPE反応炉30を用いて下地基板38上にGaN層及びAlN層を順に成長させる方法について説明する。
まず、基板ホルダ37上にサファイア等の下地基板38を配置し、ボート34aに金属アルミニウム34bを、ボート35aに金属ガリウム35bを収容する。次に、Al原料加熱部32a、Ga原料加熱部32bをそれぞれ、500℃、800℃に加熱し、金属アルミニウム34b及び金属ガリウム35bを溶解させて融液とする。また、結晶成長領域加熱部32cを1000℃に加熱しておく。その後、NHガス導入管33からV族原料となるNHガスを、HClガス導入管35からIII族原料となるHClガスを導入する。なお、反応性の制御の点から、原料ガスであるHClガス及びNHガスは、Hガスなどのキャリアガスと混合して用いられる。
HClガス導入管35では、途中で、HClガスが、融液状態となった金属ガリウム35bと接触して、Ga+HCl→GaCl+(1/2)Hという反応が起こり塩化ガリウムGaClを生成する。
このGaClガスとHキャリアガスの混合ガス、及びNHとHキャリアガスの混合ガスが石英反応管31内の空間内を矢印方向に運ばれ、基板ホルダ37に設けられた下地基板38上で、GaCl+NH→GaN+HCl+Hの反応が起こり、下地基板38上にGaNが堆積される。なお、石英反応管31内に導入されたガスは、下流の排気管31aによって除害設備に導かれ、無害化処理を施された後、大気に排出される。
なお、GaN層形成時にドーピングガス導入管36からドーパント成分を含むガスを流すことにより、GaN層にドーパントをドープすることもできる。
その後、NHガス導入管33からV族原料となるNHガスを、HClガス導入管34からIII族原料となるHClガスを導入する。なお、反応性の制御の点から、原料ガスであるHClガス及びNHガスは、Hガスなどのキャリアガスと混合して用いられる。
HClガス導入管34では、途中で、HClガスが、融液状態となった金属アルミニウム34bと接触して、Al+3HCl→AlCl+(3/2)Hという反応が起こり三塩化アルミニウムAlClを生成する。
このAlClガスとHキャリアガスの混合ガス、及びNHとHキャリアガスの混合ガスが石英反応管31内の空間内を矢印方向に運ばれ、基板ホルダ37に設けられた基板38上で、AlCl+NH→AlN+3HClの反応が起こり、AlN層が堆積される。なお、石英反応管31内に導入されたガスは、下流の排気管31aによって除害設備に導かれ、無害化処理を施された後、大気に排出される。
(剥離方法)
このようにして下地基板38上にGaN層及びAlN層を成長させた後、下地基板38を剥離することにより、図1に示すようなGaN層11及びAlN層12からなる複合自立基板10とする。剥離する方法としては、ボイド形成剥離法(VAS法)を用いることができる。VAS法は、大口径の基板を再現良く剥離することが可能で、かつ、低転位で特性の均一なGaN系自立基板を得ることができるという点で優れている。
(本実施形態の効果)
(1)AlNは、GaNに較べて成長が難しく、従って結晶欠陥が多く結晶性が悪いという問題があるが、本実施形態によれば、欠陥密度の少ない高品質なGaN結晶上にAlNをエピタキシャル成長させれば良くなるため、下地の結晶性を引き継いで、AlN層の結晶性も向上させることができる。
(2)AlNは、GaNに較べて成長が難しく、従って結晶性を損なわずに成長速度を上げること難しいという問題があるが、本実施形態によれば、高速で成長したGaNの表面だけにAlNを成長させれば良くなり、トータルで必要な成長時間が短くて済み、生産性が飛躍的に向上する。
(3)HVPE法でAlNを成長する際に、原料として用いる塩化アルミニウムは、成長条件によっては炉を構成する石英部材と反応して、これを侵食してしまうという問題があるが、本実施形態によれば、AlNの成長が必要最小限に抑えられるため、このような問題も大幅に軽減することが可能となる。
(4)GaN上にAlNを別工程で付ける場合、一旦大気中に取り出すと、GaN表面に自然酸化膜が発生したり、ハンドリング時の汚染などによって成長界面が清浄でなくなったりする。また、GaN表面に昇降温サイクルが加わることで、GaN表面の熱変性といった問題も生じることになり、場合によってはAlNの結晶層にクラックが多数生じたりする結果になる。これに対して、本実施形態では、GaN層とAlN層を、同一炉内で、成長温度を大きく変えずに連続で成長させることができるため、クラックが無く、GaN/AlN界面の清浄な複合自立基板とすることができる。
(5)本実施形態では、予め基台として膜厚の大きなGaN層を形成しているため、デバイス構造のエピタキシャル成長においても、既に実用化が始まっているGaNの基板上に結晶成長を行うのと同様の方法で、エピタキシャル成長が可能である。また、半導体プロセスにおいても、従来技術をそのまま使うことができ、基板の割れや欠けといった問題も起こりにくい。このため、AlN基板上にデバイス構造を、容易に、再現性良く製造することが可能になる。
(6)本実施形態では、既に実用化されているラッピング技術や研削技術を使って、デバイス構造作製後に基板の裏面からGaN層を除去することで、あたかも結晶性の良好なAlN基板上にデバイスを作製したのと同等の構造を得ることができる。従って、このデバイスを実装すれば、デバイスでの発熱はAlN層だけになった基板を介して放熱することができるため、デバイスの特性が熱によって阻害されることを大幅に軽減することができ、信頼性も向上する。
以下、本発明を以下の実施例によってさらに詳細に説明するが、本発明はそれらに限定されるものではない。
(図1に示す複合自立基板の製造)
図4に示す製造工程により、図1に示す複合自立基板を製造した。
まず、直径2インチ径のC面ジャストサファイア基板41上に、MOVPE法で、20nmの低温成長GaNバッファ層(図示せず)を介してSiドープGaN層43を0.5μm成長させた(a)。成長条件は、圧力を常圧とし、バッファ層成長時の基板温度を600℃、エピ層成長時の基板温度を1100℃とした。原料は、III族原料としてトリメチルガリウム(TMG)を、V族原料としてアンモニア(NH)を、ドーパントとしてモノシランを用いた。キャリアガスは、水素と窒素の混合ガスである。結晶の成長速度は4μm/hとした。エピ層のキャリア濃度は、2×1018cm−3とした。
次に、このSiドープGaN層43上に、金属Ti薄膜45を20nmの厚さに蒸着した(b)。こうして得られた基板を電気炉に入れ、20%のNHを含有するH気流中において1050℃で20分間熱処理した。その結果、GaN層43の一部がエッチングされて高密度の空隙層(ボイド層)46が発生し、またTi薄膜45は窒化されて表面にサブミクロンの微細な穴が高密度に形成されたTiN層47に変化した(c)。
この基板を図3に示したHVPE炉に入れ、キャリアガス中に9×10−3atmのGaCl及び5.3×10−2atmのNHからなる原料ガスを含有する供給ガスを用いて、GaN層48を400μmの厚さに成長させた(d)。ここで、キャリアガスは、Hを5%含有するNガスを用いた。GaN層48の成長条件は常圧及び1000℃の基板温度とした。
GaNの成長が終了した後、続けてキャリアガス中に2.2×10−3atmの三塩化アルミニウム(AlCl)と4.8×10−2atmのNHからなる原料ガスを含有するガスを供給して、AlN層49を150μmの厚さに成長させた(d)。AlN層49成長時のキャリアガスは、窒素ガスとした。
成長が終了した後、HVPE装置を冷却する過程で、GaN層48及びAlN層49はボイド層46を境にサファイア基板41から自然に剥離し、複合自立基板が得られた。
得られた複合自立基板は、裏面側にやや凸向きに反りを生じており、表面は、裏面の反りの形状を反映したわずかな凹面形状になっていたが(e)、クラックなどの目立った欠陥は観察されなかった。
次に、得られた複合自立基板の表裏面を、ダイヤモンドスラリーにて金属定盤上でラップ研磨して平坦化し、複合自立基板10とした。ここで、表面は、更に細かい砥粒のダイヤモンドスラリーにて鏡面にポリッシングした。研磨による表面、裏面の除去量は、それぞれ約50μm、約70μmとした。研磨終了後、基板の表面に、加工歪層を除去する目的でドライエッチングを施し、表面を約1μm除去した(f)。
基板の厚さをダイヤルゲージで測定したところ、基板のどの位置においても430±2μmであった。従って、得られた基板のGaN層11は330μm、表面のAlN層12は100μmの厚さとなった。
この基板の表面のAlN層12の(0001)回折によるX線ロッキングカーブの半値幅は、185secであった。また、この基板の転位密度を評価するために、AlN層12上にMOVPE法でSiドープGaN層を1μmエピタキシャル成長し、カソードルミネッセンスを用いてその表面におけるダークスポットの密度を評価した。その結果、複合自立基板10の中央部で4.4×10cm−2、面内9点の平均で5.3×10cm−2という値が得られた。
(図2に示す複合自立基板の製造)
図5に示す製造工程により、図2に示す複合自立基板を製造した。
まず、m軸方向に0.25°のオフを有する市販の直径2.5インチ径の単結晶C面サファイア基板51上に、MOVPE法で、アンドープGaN層53を300nm成長させた(a)。成長条件は、圧力を常圧とし、エピ層成長時の基板温度を1100℃とした。原料は、III族原料としてトリメチルガリウム(TMG)を、V族原料としてアンモニア(NH)を用いた。キャリアガスは、水素と窒素の混合ガスである。結晶の成長速度は4μm/hとした。
次に、このアンドープGaN層53上に、金属Ti薄膜55を25nmの厚さに蒸着した(b)。こうして得られた基板を電気炉に入れ、20%のNHを含有するH気流中において1000℃で25分間熱処理した。その結果、GaN層53の一部がエッチングされて高密度の空隙層(ボイド層)56が発生し、またTi薄膜55は窒化されて表面にサブミクロンの微細な穴が高密度に形成されたTiN層57に変化した(c)。
この基板を図3に示したHVPE炉に入れ、その上にGaN層58を400μm堆積した(d)。成長条件は、常圧、基板温度1040℃である。成長に用いた原料はアンモニアと塩化ガリウムで、キャリアガスは、成長の初期は水素を5%混ぜた窒素ガスを用い、GaNが約120μm成長した辺りから水素ガスの混合を減らして、窒素ガスだけに切り替えた。HVPEの結晶成長速度は、約120μm/hであった。GaNが400μm成長したところで、炉内に導入する塩化ガリウムの量を徐々に減らし、逆に三塩化アルミニウムを徐々に導入して、最終的に三塩化アルミニウムとアンモニアだけになるように調整した。この間、アンモニアの流量は変化させず、V/III比は、常に12となるように保持した。こうして、AlGa1−pN遷移層59が約20μm成長する間にその組成をGaNからAlNへと連続的に変化させ、その後AlN層60を更に150μm成長させた(d)。
成長が終了した後、HVPE装置を冷却する過程で、GaN層58、AlGa1−pN遷移層59及びAlN層60はボイド層56を境にサファイア基板51から自然に剥離した(e)。成長終了後のAlN層60表面は、クラック等の目立った欠陥も無く、目視で鏡面に見える程度にきれいなモフォロジを有していた。
得られた基板の裏面を、ダイヤモンド砥石の研削機を用いて平坦化し、加工歪を除去するために、加熱した水酸化カリウム溶液中に浸して裏面をわずかにエッチングした。また、面取り機を使って、基板の外径をφ50.8mmに整形した。また、その表面は、ダイヤモンドスラリーにて金属定盤上でラップ研磨し、更に細かい砥粒のダイヤモンドスラリーにて鏡面にポリッシングした。研磨による表面、裏面の除去量は、それぞれ70μm、100μmとして、複合自立基板20を得た(f)。
基板の厚さをダイヤルゲージで測定したところ、基板のどの位置においても400±2μmであった。従って、得られた基板のGaN層21は300μm、AlGaNの遷移層であるAlGa1−pN層22は20μm、表面のAlN層23は80μmの厚さとなった。
この基板の表面のAlN層23の(0001)回折によるX線ロッキングカーブの半値幅は、195secであった。また、この基板の転位密度を評価するために、AlN層23上にMOVPE法でSiドープGaN層を1μmエピタキシャル成長し、カソードルミネッセンスを用いてその表面におけるダークスポットの密度を評価した。その結果、基板の中央部で4.6×10cm−2、面内9点の平均で5.0×10cm−2という値が得られた。
(AlN層を用いた青色LEDの作製)
実施例2で得られた複合自立基板上に、減圧MOVPE法を用いて、青色LED用エピタキシャル層を成長させて青色LEDを作製した。
図6に、作製した青色LEDの層構成を示す。この青色LEDは、図2に示す複合自立基板の上層であるAlN層61上に順に、Siドープn型GaN層62、InGaN-SQW層63、Mgドープp型Al0.15GaN層64、Mgドープp型Al0.10GaN層65及びMgドープp型GaN層66を成長させ、フォトリソプロセスを用いて電極パターンを形成した後、複合自立基板の裏面を研削機を用いて330μm研削除去して70μmの厚さのAlN層61だけとし、更に、このLEDエピタキシャルウェハを1mm×1mmのサイズにダイシングし、Siドープn型GaN層62上にTi/Alからなるn型電極67、Mgドープp型GaN層66上にNi/Auからなるp型電極68を形成して得られたものである。
このチップを、銀ペーストを用いてAlのステムにマウントし、発光出力を測定したところ、50mA通電時で25mWという高出力が得られた。また、加速試験から予想されたLEDの寿命は、2万時間以上であった。
[比較例]
(GaN層を用いた青色LEDの作製)
図7に、比較例に係る青色LEDを作製した例を示す。
この青色LEDは、実施例2と同様の方法でGaN層71のみを成長して得られたGaN自立基板の表面に、実施例3と同様の構造の青色LEDを作製したものである。
実施例3と同条件で発光出力を測定したところ、50mA通電時で19mWまでしか出力が上がらなかった。また、加速試験を実施したところ、10素子中、2素子が通電後数時間で急速に劣化し、光らなくなってしまった。更に残りの8素子も、120時間経過後に、平均16%の駆動電圧の上昇が見られた。
以上の結果より、AlN層を用いることで、デバイスからの放熱特性が向上し、高出力LEDの発光出力向上と信頼性の向上につながることが確認できた。
[他の実施形態]
以上、本発明を実施例に基づいて詳細に説明したが、これらは例示であり、それらの各プロセスの組合せ等にいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。たとえば、実施例においてはHVPE法でAlNを結晶成長したが、別工程のMOVPE法によって成長しても良い。
また、結晶成長の初期又は途中の段階で、結晶成長界面に複数の凹凸を出しながら成長を行わせるために、SiO等のマスクを用いる周知のELO技術を組合せて用いても良い。
また、実施例では下地基板にサファイア基板を用いたが、GaAsやSi、ZrB、ZnO等のように、従来GaN系エピタキシャル層用基板として報告例のある基板は、すべて適用が可能である。
更に、実施例ではアンドープの基板の製造方法を例示したが、適切なドーパント、例えばSiやMg、Fe、S、O、Zn、Ni、Cr、Se等をドープした複合自立基板に適用することもできる。
また、実施例ではGaN層上にAlN層を積層した構造を採っているが、GaN層に代えてAlGaN層上にAlN層を積層した構造とする変形例も可能である。
更に、これを応用すれば、InGaNを有する自立基板や、GaN、AlGaN、InGaN等の多層構造を有する自立基板の製造も可能である。
また、本発明は、III-V族窒化物系半導体の自立基板に適用されるが、本発明の技術的思想はサファイアなどの異種の下地基板をつけたままのIII-V族窒化物系エピタキシャル基板(テンプレート)にも応用が可能である。
本発明の一実施形態に係る複合自立基板を示す断面図である。 本発明の他の実施形態に係る複合自立基板を示す断面図である。 実施例で用いるHVPE反応炉の構造を示す模式図である。 実施例1に係る複合自立基板の製造方法を示す模式図である。 実施例2に係る複合自立基板の製造方法を示す模式図である。 実施例3に係るLEDの構造を示す断面図である。 比較例に係るLEDの構造を示す断面図である。
符号の説明
10,20 複合自立基板
11,21 GaN層
12 AlN層
22 AlGa1−pN遷移層
22a GaN
22b AlN
30 HVPE炉
31 石英反応管
31a 排気管
32 ヒータ
32a Al原料加熱部
32b Ga原料加熱部
32c 結晶成長領域加熱部
33 NHガス導入管
34 HClガス導入管
34a 金属アルミニウム
35 HClガス導入管
35b 金属ガリウム
36 ドーピングガス導入管
37 基板ホルダ
37a 回転軸
38 下地基板
39 ライナ
41,51 サファイア基板
43,53 SiドープGaN層
45,55 Ti薄膜
46,56 ボイド層
47,57 TiN層
48,58 GaN層
49,60 AlN層
59 AlGa1−pN遷移層
61 AlN層
62 Siドープn型GaN層
63 InGaN−MQW層
64 Mgドープp型Al0.15GaN層
65 Mgドープp型Al0.10GaN層
66 Mgドープp型GaN層
67 n型電極
68 p型電極
71 GaN層

Claims (8)

  1. 異種基板上にIII-V族窒化物系半導体膜を成長させた後、金属膜を堆積する工程と、
    該金属膜を堆積した基板を水素ガス又は水素化物ガスを含む雰囲気中で熱処理し、前記III-V族窒化物系半導体膜中に空隙を形成する工程と、
    その上にGaN単結晶からなる第1の層をHVPE法により堆積する工程と、
    更にその上に直接、又は他の層を介してAlxGa1-xN(0.9<x≦1)で表されるIII-V族窒化物系半導体単結晶からなる第2の層をHVPE法により堆積する工程と、
    前記第1の層及び前記第2の層を残して前記異種基板を除去し、III-V族窒化物系半導体基板を得る工程と、
    前記第2の層の露出面である前記基板の表面及び前記第1の層の露出面である前記基板の裏面を研磨して平担面とする工程と、
    を備えることを特徴とするIII-V族窒化物系半導体基板の製造方法。
  2. 前記第1の層と前記第2の層とを同一炉内で連続的に成長させることを特徴とする請求項記載のIII-V族窒化物系半導体基板の製造方法。
  3. 前記他の層は、組成がGaNからAl x Ga 1-x N(0.9<x≦1)へと連続的に変化する遷移層であることを特徴とする請求項1記載のIII-V族窒化物系半導体基板の製造方法。
  4. 前記基板は、直径が50mm以上の円形であり、厚さが200μm以上であることを特徴とする請求項1記載のIII-V族窒化物系半導体基板の製造方法。
  5. 前記基板の表面における転位密度が1×10 8 cm -2 以下であることを特徴とする請求項1記載のIII-V族窒化物系半導体基板の製造方法。
  6. 前記第2の層は、厚さが50μm以上であることを特徴とする請求項1記載のIII-V族窒化物系半導体基板の製造方法。
  7. 前記基板が自立基板であることを特徴とする請求項1記載のIII-V族窒化物系半導体基板の製造方法。
  8. 異種基板上にIII-V族窒化物系半導体膜を成長させた後、金属膜を堆積する工程と、
    該金属膜を堆積した基板を水素ガス又は水素化物ガスを含む雰囲気中で熱処理し、前記III-V族窒化物系半導体膜中に空隙を形成する工程と、
    その上にGaN単結晶からなる第1の層をHVPE法により堆積する工程と、
    更にその上にAl x Ga 1-x N(0.9<x≦1)で表されるIII-V族窒化物系半導体単結晶からなる第2の層をHVPE法により堆積する工程と、
    前記第1の層及び前記第2の層を残して前記異種基板を除去し、III-V族窒化物系半導体基板を得る工程と、
    前記第2の層の露出面である前記基板の表面及び前記第1の層の露出面である前記基板の裏面を研磨して平担面とする工程と、
    前記基板上に、デバイス構造を有するエピタキシャル成長層を形成する工程と
    前記基板の裏面側から研磨して前記第1の層を除去し、前記第2の層を露出させることにより、前記第2の層上に前記デバイス構造を設けたIII-V族窒化物系デバイスを製造する工程と、
    を備えることを特徴とするIII-V族窒化物系デバイスの製造方法。
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