JP5026946B2 - 窒化物半導体単結晶基板製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、高品質な窒化物半導体単結晶基板を製造する方法に関する。

半導体デバイスを製造するにあたっては、基板材料として、成長させるエピタキシャル層と同じ物質のバルク結晶を用いることが望ましい。しかし、窒化ガリウム（ＧａＮ）の結晶は、窒素の解離圧が高いため、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）のように融液から大きなバルク結晶を得ることができず、工業的に利用できる大きさの単結晶を製造することが困難である。

このため、ＧａＮ半導体基板は、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）を用いて製造されている。具体的には、サファイア基板上またはＧａＡｓ基板上にＨＶＰＥ法などを用いてＧａＮ層を成長させた後に基板からＧａＮ層を分離することによって、半導体デバイス製造用のＧａＮ単結晶基板を製造している。

ここで、サファイア基板からＧａＮ層を分離する方法として、紫外パルスレーザーを用いたレーザーリフトオフ法が提案されている（特許文献１参照）。レーザーリフトオフ法による場合には、金属であるＧａが４０℃程度の加熱で溶融状態となることを利用している。具体的には、図１６に示すように、サファイア基板２上にＧａＮ層３を成長させた後に、ヒーター４上に設置してからレーザーＬｙ４を照射しＧａＮ層３をＧａとＮ_２に分解し、Ｇａを過熱し溶融することで、ＧａＮ層とサファイア基板とを分離している。また、ＧａＡｓ基板からＧａＮ層を分離する方法として、王水を用いてＧａＡｓを除去するケミカルリフトオフ法が提案されている（特許文献２参照）。

特開２００２−５７１１９号公報 特開２０００−１２９００号公報

しかしながら、特許文献１記載の方法においては、レーザー照射中に転位などの欠陥が生じやすく、また、分離後にＧａＮ層が破損することが多い。そして、特許文献１に記載の方法においては、ＧａＮ層の分離面は、成長面と比較して荒れているため、半導体デバイス用の基板として使用するためには機械研磨処理をさらに行なわざるを得ず、製造コストが増加してしまうという問題がある。

また、特許文献２記載の方法においては、破損を抑制しつつＧａＮ層の分離が可能となるものの、ＧａＮ層内にＧａＡｓ基板からＡｓが不純物として混入してしまい、Ａｓが混入したＧａＮ層を電子デバイス用の基板として使用した場合には、不純物であるＡｓによって電気的特性を悪化させる可能性があるという問題があった。

また、特許文献１記載の方法および特許文献２記載の方法においては、格子定数差および熱膨張係数差のある異種基板上にＧａＮ層を成長させるヘテロエピタキシャル成長を行なうため、ＧａＮ層内の転位密度が高く高品質なＧａＮ単結晶基板を得ることが困難であるという問題があった。

さらに、特許文献１記載の方法および特許文献２記載の方法においては、基板から分離したＧａＮ層を自立基板として使用できるために強度を確保する必要があることから、３００μｍ以上のＧａＮ層をＨＶＰＥ法で積層しなければならず、このように厚く積層したＧａＮ層にそりやクラックが発生してしまう場合が多かった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、高品質な窒化物半導体単結晶基板を簡易な方法で製造する方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、この発明にかかる窒化物半導体単結晶基板製造方法は、第１の窒化物半導体層上に第２の窒化物半導体層をエピタキシャル成長させる第１の成長工程と、前記第１の窒化物半導体層と前記第２の窒化物半導体層とを前記第１の窒化物半導体層と前記第２の窒化物半導体層との間で分離する分離工程と、前記分離工程において分離された第２の窒化物半導体層を種結晶として第３の窒化物半導体層をエピタキシャル成長によって形成する第２の成長工程と、を含むことを特徴とする。

また、この発明にかかる窒化物半導体単結晶基板製造方法は、前記第１の成長工程は、前記第１の窒化物半導体層上に所定エネルギーの吸収によって相分離する分離層を形成した後に前記第２の窒化物半導体層をエピタキシャル成長させ、前記分離工程は、前記所定エネルギーに対応する波長のレーザーを前記分離層に照射して前記第１の窒化物半導体層と前記第２の窒化物半導体層とを分離することを特徴とする。

また、この発明にかかる窒化物半導体単結晶基板製造方法は、前記第２の窒化物半導体層上にタングステン、モリブデン、タンタル、ニオブまたはイリジウムによって形成される支持金属層を形成する支持金属層形成工程をさらに含み、前記分離工程は、前記支持金属層形成工程後に前記前記第１の窒化物半導体層と前記第２の窒化物半導体層とを分離することを特徴とする。

また、この発明にかかる窒化物半導体単結晶基板製造方法は、前記分離層は、ＩｎＧａＮ層であることを特徴とする。

また、この発明にかかる窒化物半導体単結晶基板製造方法は、前記ＩｎＧａＮ層は、Ｉｎ組成が０．３以上であることを特徴とする。

また、この発明にかかる窒化物半導体単結晶基板製造方法は、前記第１の窒化物半導体層、前記第２の窒化物半導体層および第３の窒化物半導体層は、ＧａＮ、ＡｌＮ、または、ＧａＮとＡｌＮからなる混晶のいずれかであることを特徴とする。

また、この発明にかかる窒化物半導体単結晶基板は、エピタキシャル成長によって形成された前記第１の窒化物半導体層と前記第２の窒化物半導体層とを前記第１の窒化物半導体層と前記第２の窒化物半導体層との間で分離し、該分離した第２の窒化物半導体層を種結晶としてエピタキシャル成長によって第３の窒化物半導体層を形成して製造されることを特徴とする。

また、この発明にかかる窒化物半導体単結晶基板の製造用基板は、第１の窒化物半導体層と、前記第１の窒化物半導体層上に形成され、所定エネルギーの吸収によって相分離する分離層と、前記分離層上に形成された前記第２の窒化物半導体層と、を備えたことを特徴とする。

本発明は、エピタキシャル成長によって形成された第１の窒化物半導体層と前記第２の窒化物半導体層とを前記第１の窒化物半導体層と前記第２の窒化物半導体層との間で分離し、分離した表面状態のよい成長最表面側の第２の窒化物半導体層を種結晶として新たな第３の窒化物半導体層をエピタキシャル成長によって形成するという簡易な方法によって高品質な窒化物半導体単結晶基板を製造することができる。

以下、図面を参照して、この発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。図面の記載において、同一部分には同一の符号を付している。さらに、図面は模式的なものであり、各層の厚みと幅との関係、各層の比率などは、現実のものとは異なることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている。

まず、本実施の形態にかかる窒化物半導体単結晶基板製造方法として、図１〜図６を参照して、ＧａＮ単結晶基板を製造する方法を説明する。まず、図１に示すように、サファイア基板１１上に、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）を用いて、第１のＧａＮ層１２、分離層として機能するＩｎＧａＮ層１３、第２のＧａＮ層１４を順次積層するＧａＮ層形成工程を行なう。

この窒化物半導体層形成工程においては、原料ガスとして、トリメチルガリウム、トリメチルインジウムおよびアンモニアを用いる。第１のＧａＮ層１２および第２のＧａＮ層１４の成長温度は、約１０００℃である。また、第１のＧａＮ層１２および第２のＧａＮ層１４の膜厚は、それぞれ５μｍ程度とする。なお、ＧａＮ層は、１０μｍ以上の厚さで成長させるとクラックおよび大きな反りが発生してしまうため、第１のＧａＮ層１２および第２のＧａＮ層１４の膜厚は、ＧａＮ層にクラックおよび大きな反りが発生しない厚さであれば５μｍに限らない。また、ＩｎＧａＮ層１３の膜厚は、１００〜２００ｎｍ程度であり、ＩｎＧａＮ層１３のＩｎ組成は、０．３以上であることが望ましく、たとえば０．５程度とする。

次いで、図２に示すように、第２のＧａＮ層１４上にスパッタ法を用いて支持金属層１５を蒸着する支持金属層形成工程を行なう。この支持金属層１５は、後述する分離工程において分離した第２のＧａＮ層１４を簡易に取り扱えるようにするため形成される。また、この支持金属層１５が一方の面に形成された窒化物半導体層は、後述するＧａＮ層の再成長工程で基板として使用するため、ＧａＮ層の成長温度よりも高い融点を持つことを要する。このため、支持金属層１５の材料として、ＧａＮ層の成長温度よりも高い融点を持つタングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、タンタル（Ｔａ）、ニオブ（Ｎｂ）、イリジウム（Ｉｒ）が適している。そして、支持金属層１５は、基板として使用されるとともに次以降の工程において分離したＧａＮ層に対する搬送処理などの取扱いを容易にするため、および、基板の反りを防ぐため、５０μｍ以上の膜厚であることが望ましい。

この分離工程の後、図３に示すように、第１のＧａＮ層１２と第２のＧａＮ層１４とをレーザーリフトオフ法を用いて分離する分離工程を行なう。この分離工程では、分離層として機能するＩｎＧａＮ層１３にレーザーＬｙを照射する。このレーザーＬｙの照射によってＩｎＧａＮ層１３の温度が上昇した結果、ＩｎＧａＮ層１３は相分離し、Ｉｎが析出する。そして、このＩｎの析出によって、第１のＧａＮ層１２および第２のＧａＮ層１４を分離することができる。すなわち、図３の矢印Ｙ１に示すように第２のＧａＮ層１４を含む成長最表面側部分２０１と、矢印Ｙ２に示すように第１のＧａＮ層１２を含む基板側部分１６とに分離する。この分離工程において分離された第２のＧａＮ層１４を含む成長最表面側部分２０１と第１のＧａＮ層１２を含む基板側部分１６とのうち、第１のＧａＮ層１２を含む基板側部分１６は、デバイス製造用の基板として使用できる。

そして、分離された第２のＧａＮ層１４を含む成長最表面側部分２０１と第１のＧａＮ層１２を含む基板側部分１６とのうち、成長最表面側部分２０１をＧａＮ再成長用基板（新種結晶）として、ＧａＮ層をＭＯＣＶＤ法によって形成するＧａＮ層再形成工程を行なう。図４に示すように、このＧａＮ層再形成工程は、図１に示すＧａＮ層形成工程と同様の積層条件および組成条件を用いて、新種結晶である成長最表面側部分２０１の第２のＧａＮ層１４上に、第１のＧａＮ層１２１、分離層として機能するＩｎＧａＮ層１３１、第２のＧａＮ層１４１を順次積層する。なお、新種結晶である成長最表面側部分２０１の第２のＧａＮ層１４上に、第１のＧａＮ層１２１を積層せず、直接ＩｎＧａＮ層１３１を積層して、後述する分離工程を行なうことも可能である。次いで、図５に示すように、図２に示す支持金属層形成工程と同様の積層条件で、第２のＧａＮ層１４１上に支持金属層１５を蒸着する。

つぎに、図６に示すように、図３と同様に、分離層であるＩｎＧａＮ層１３１にレーザーＬｙを照射して第１のＧａＮ層１２１と第２のＧａＮ層１４１とを分離する分離工程を行なう。この結果、図６の矢印Ｙ３に示すように第２のＧａＮ層１４１を含む成長最表面側部分２０２と、矢印Ｙ４に示すように第１のＧａＮ層１２１を含む部分２１６とに分離する分離工程を行なう。この分離工程において分離された第２のＧａＮ層１４１を含む成長最表面側部分２０２と第１のＧａＮ層１２１を含む部分２１６とのうち、第１のＧａＮ層１２１を含む部分２１６は、図３に示す基板側部分１６と同様に、デバイス製造用の基板として使用できる。また、分離された第２のＧａＮ層１４１を含む成長最表面側部分２０２と第１のＧａＮ層１２１を含む部分２１６とのうち、成長再表面側部分２０１と同様に、成長最表面側部分２０２をＧａＮ再成長用基板（新種結晶）として使用でき、図４から図６に示す処理と同様の処理を行なって、さらに新種結晶とデバイス製造用の基板とを製造することができる。したがって、必要となる新種結晶とデバイス製造用の基板の枚数回分、この図４から図６に示す各処理を繰り返すことによって、必要となる枚数の新種結晶とデバイス製造用の基板とを取得することができる。

このように、実施の形態にかかるＧａＮ単結晶基板製造方法においては、エピタキシャル成長によって形成された窒化物半導体層を該窒化物半導体層の層内で分離し、分離した窒化物半導体層のうち表面状態のよい成長最表面側の窒化物半導体層を種結晶として新たな窒化物半導体層をエピタキシャル成長によって形成するという簡易な方法によって高品質なＧａＮ単結晶基板を製造することができる。

本実施の形態においては、図４に示すＧａＮ層再形成工程は、同種基板上にＧａＮ層を再形成するホモエピタキシャル成長を行なうため、ヘテロエピタキシャル成長のように格子定数差や熱膨張係数差を起因とする欠陥がＧａＮ層に生成せず、欠陥密度の低い高品質な第１のＧａＮ層１２１および第２のＧａＮ層１４１を形成することができる。

また、実施の形態にかかるＧａＮ単結晶基板製造方法においては、分離工程において分離された部分２１６などの種結晶側をデバイス用基板として使用し、成長再表面側部分２０１，２０２などの再成長側を新たな種結晶として使用するため、ＧａＮ単結晶基板に無駄が発生することなく、コスト的にも無駄をなくすことができる。

また、半導体デバイスの活性層として必要なＧａＮ層は、厚くとも１０μｍ程度であるところ、分離工程において分離された部分２１６などの種結晶側であってデバイス用基板として使用される部分には、必要な厚さのＧａＮ層がすでに積層されているため、新たに厚いＧａＮ層を積層せずともそのまま使用可能であることから、厚いＧａＮ層を積層していた従来と比較し、製造コストを低減することができる。

次いで、第１のＧａＮ層と第２のＧａＮ層との間に分離層として形成するＩｎＧａＮ層について詳細に説明する。図７は、Ｉｎ_０．３７Ｇａ_０．６３ＮのＸ線回折結果を示す図である。図７に示すように、ＩｎＧａＮは、所定エネルギー供給によって、Ｉｎ組成０．３７でＩｎＮ相とＧａＮ相に相分離が起こる旨が報告されている。さらに、ＩｎＧａＮは、ＩｎＧａＮは、Ｉｎ組成０．３以下である場合には相分離が起こりにくいものの、Ｉｎ組成が０．３と低い組成であってもＩｎＮ相とＧａＮ相とに相分離可能である（Ｊ．Ａｐｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．８４巻 １３８９ページ（１９９８発行）参照）。ＩｎＧａＮ相は、Ｉｎ組成が高いほど、ＩｎＮ相とＧａＮ相に分離しやすい。このため、分離層として形成するＩｎＧａＮ相のＩｎ組成を、ＩｎＮ相とＧａＮ相に分離可能である０．３以上とする必要がある。なお、エピタキシャル成長によって形成するＩｎＧａＮは、Ｉｎ組成が低い方が結晶性が高く転位も少ない。このため、ＩｎＧａＮ相のＩｎ組成を０．３に近い組成とした場合には、転位が少ない結晶性の高いＩｎＧａＮ相を分離相として形成することができ、分離工程におけるレーザー照射に起因する第１のＧａＮ層および第２のＧａＮ層における転位発生を抑制することができる。また、ＩｎＧａＮは、Ｉｎ組成が０．５よりも大きい場合には、下層の欠陥を核としてさらに欠陥が発生する。ＩｎＧａＮ層で転位を核とするＶ字型の形状を持つ欠陥が発生する。この欠陥は、該ＩｎＧａＮ層上に積層されるＧａＮにも継承されてしまい、高品質な単結晶を形成することができない。したがって、ＩｎＧａＮのＩｎ組成の上限は、Ｖ型欠陥が発生しない０．５が上限となる。

また、ＩｎＧａＮは、ＧａＮとＩｎＮとの混晶である。ＩｎＧａＮを構成するＩｎＮは、ＧａＮ（エネルギーギャップ：３．４ｅＶ）よりも狭いエネルギーギャップ（０．８ｅＶ）を示す。したがって、ＩｎＮは、ＧａＮよりも光エネルギーの吸収率が高く、ＧａＮよりも低い光エネルギーで分解可能である。

ＩｎＮにおいては、図８に示すＩｎＮにおける光エネルギーと吸収係数との関係にあるように、約３．２ｅＶ程度の光エネルギーで確実に分解可能となる吸収率（約１．５×１０^５ｃｍ^−１）まで達し、２．５ｅＶ程度の光エネルギーで分解可能となる吸収率（約１．０×１０^５ｃｍ^−１）まで達する。なお、図８中における黒丸、塗りつぶし三角、白抜三角で示す各種点は、それぞれ異なる製造条件によって製造されたＩｎＮに対応するものである。

一方、ＧａＮは、ＩｎＮよりもエネルギーギャップが広いため、図９に示すＧａＮにおける光エネルギーと吸収係数との関係にあるように、約４．５ｅＶもの光エネルギーを用いなければ、確実に分解可能となる吸収率（約１．５×１０^５ｃｍ^−１）まで達することができない。したがって、従来のようにＧａＮ層をサファイア基板から分離させる場合には、波長２６６ｎｍと短波長であるＹＡＧレーザーの第４高周波（ＹＡＧ−ＦＨＧ）を用いる必要があった。しかしながら、従来においては、サファイア基板上に直接成長させたＧａＮ層に、光エネルギー量の高いＹＡＧ−ＦＨＧを照射してＧａＮ層をサファイア基板から分離していたため、ＧａＮ層に欠陥が導入されてしまいＧａＮ層が大きく損傷する上に、分離面の荒れも発生してしまい、半導体デバイス用の基板として使用するためには機械研磨処理をさらに行なわざるを得なかった。

ここで、本実施の形態において分離層として機能するＩｎＧａＮのエネルギーギャップは、ベガード則を適用するとＩｎ組成が０．３である場合（Ｉｎ_０．３Ｇａ_０．７Ｎ）である場合には２．３８ｅＶとなり、また、Ｉｎ組成が０．５である場合（Ｉｎ_０．５Ｇａ_０．５Ｎ）である場合には２．１０ｅＶとなり、ＧａＮよりもエネルギーバンドギャップが狭い。したがって、ＩｎＧａＮは、ＧａＮよりも光エネルギーの吸収率が高く、ＧａＮよりも低い光エネルギーで分解可能であることから、ＩｎＧａＮを分解するには、ＧａＮ層を分解するよりも光エネルギーの低い長波長のレーザーを使用することが可能である。実際に、ＩｎＧａＮのＩｎ組成が０．３程度と低い場合には、図８の領域Ａ３に該当する光エネルギー、すなわち波長３５５ｎｍのＹＡＧレーザーの第３高周波（ＹＡＧ−ＴＨＧ）で、ＩｎＧａＮを分解できる。さらに、ＩｎＧａＮのＩｎ組成が０．５とさらに高い場合には、図８の領域Ａ２に該当する光エネルギー、すなわち波長５２２ｎｍのＹＡＧレーザーの第２高周波（ＹＡＧ−ＳＨＧ）で、ＩｎＧａＮを十分に分解可能である。

ＩｎＧａＮ層を分解するためには、ＧａＮを分解するよりエネルギー量の低いＹＡＧ−ＳＨＧまたはＹＡＧ−ＴＨＧで十分であるため、ＩｎＧａＮ層の分解によって分離される第１のＧａＮ層および第２のＧａＮ層の破損および第１のＧａＮ層および第２のＧａＮ層への欠陥の導入を低減できる。したがって、本実施の形態にかかるＧａＮ単結晶基板製造方法によればＹＡＧ−ＦＨＧでサファイア基板からＧａＮ層を分離していた従来のＧａＮ単結晶基板製造方法と比較し、第１のＧａＮ層および第２のＧａＮ層の損傷を小さくでき、分離面も良好な状態を保持することができる。

このため、本実施の形態にかかるＧａＮ単結晶基板製造方法においては、分離層であるＩｎＧａＮを介して分離した第１のＧａＮ層および第２のＧａＮ層を研磨しなくとも、各ＧａＮ層に対しそのままＧａＮ層の再成長を行なうことができ、また、そのまま半導体デバイス用の基板に使用することができ、従来と比較し製造コストを低減することができる。

また、本実施の形態にかかるＧａＮ単結晶基板製造方法においては、ＧａＡｓ基板を使用しないためＧａＮ層内にＡｓなどの不純物が混入することもなく、本実施の形態にかかるＧａＮ単結晶基板製造方法によって製造したＧａＮ単結晶基板を用いても、不純物混入に起因する電気的特性の悪化が発生することはない。

また、本実施の形態においては、第２のＧａＮ層上に支持金属層１５を蒸着することによって強度を確保しており、分離したＧａＮ層を自立基板として使用することが可能である。この支持金属層１５の材料としては、図１０に示すように、ＧａＮ層の成長温度よりも高い融点Ｔｍを持つ枠Ｆ１内のタングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、タンタル（Ｔａ）、ニオブ（Ｎｂ）、イリジウム（Ｉｒ）が適している。さらに、図１０の枠Ｆ２，Ｆ３に示すように、第２のＧａＮ層１４を構成するＧａＮの線膨張係数（５．１１×１０^−６Ｋ^−１）に近い値の線膨張係数を持つＴａ（熱膨張係数α：６．６×１０^−６Ｋ^−１）およびＭｏ（熱膨張係数α：５．４３×１０^−６Ｋ^−１）を支持金属層１５の材料と選択することによって、熱処理によるそりやクラックなどの発生をさらに低減することができる。なお、コバール（ＦｅＮｉＣｏ合金）も、ＧａＮの線膨張係数に近い値を持つため、図４に示すＧａＮ再形成工程において分解しない場合には、支持金属層１５の材料として採用可能である。

また、支持金属層１５の膜厚について説明する。図１１は、ＧａＮと支持金属層（Ｍｏ）の２層構造をＧａＮの成長温度まで上昇させたときの基板の湾曲係数の演算結果を示す図である。実際の反り量は、ウエファ径やＧａＮ層厚さ、電極厚さに依存するため、湾曲係数で比較を行なう。図１１に示すように、支持金属層１５であるＭｏが２０μｍと薄いほど、湾曲係数が低くなりものの、取扱いが困難になる。これに対し、支持金属層１５であるＭｏが厚いほど取扱いは容易になるものの、図１１に示すように、Ｍｏを１００μｍと厚くした場合には、５００μｍのＳｉ基板と同程度の湾曲係数となってしまい、反り発生が予想される。そして、支持金属層１５であるＭｏが５０μｍの場合には、湾曲係数も低く、さらに基板の取扱いも容易となる。したがって、支持金属層１５がＭｏである場合には、支持金属層１５の厚さは、５０μｍ程度が適している。

また、本実施の形態にかかるＧａＮ単結晶基板製造方法においては、図４に示すＧａＮ層再形成工程と図６に示す分離工程を繰り返すことによって、ＧａＮ層内の欠陥密度（特に貫通転位密度）が漸減し、高品質なＧａＮ単結晶基板を得ることができる。ＧａＮ層の再成長によって、符号の異なるバーガースベクトルを持つ転位が対消滅するからである。

たとえば、図１２に示すように、サファイア基板１１に形成された第１のＧａＮ層１２にＴ１〜Ｔ６の転位があった場合、領域Ｓ１で転位Ｔ２と転位Ｔ３とが対消滅し、第２のＧａＮ層１４においては、転位が転位Ｔ１，Ｔ２ａ，Ｔ４，Ｔ５，Ｔ６に減る。

分離工程後、このように転位が減った第２のＧａＮ層１４を含む成長再表面側部分２０１を種結晶として第１のＧａＮ層１２１，ＩｎＧａＮ層１３１，第２のＧａＮ層１４１を再成長させた場合には、図１３に示すように、領域Ｓ２で転位Ｔ６と転位Ｔ５が対消滅し、領域Ｓ３で転位Ｔ４と転位Ｔ２ａとが対消滅する。この結果、第２のＧａＮ層１４１においては、転位が転位Ｔ１，Ｔ２ｂ，Ｔ５ａにまで減り、種結晶であった成長再表面側部分２０１よりも転位密度が低くなる。

そして、分離工程後、このように転位密度が低くなった第２のＧａＮ層１４１を含む成長最表面側部分２０２を種結晶として、図１４に示すように、第１のＧａＮ層１２２，ＩｎＧａＮ層１３２，第２のＧａＮ層１４２を再成長させた場合には、領域Ｓ４において転位Ｔ１と転位Ｔ２ｃが対消滅し、領域Ｓ５で転位Ｔ２ｄと転位Ｔ５ａとが対消滅する。この結果、第２のＧａＮ層１４２においては、転位が転位Ｔ１ａ，Ｔ２ｅにまで減り、種結晶であった成長最表面側部分２０２よりも転位密度が低くなる。

次いで、分離工程後、さらに転位密度が低くなった第２のＧａＮ層１４２を含む成長最表面側部分２０３を種結晶として、図１５に示すように、第１のＧａＮ層１２３，ＩｎＧａＮ層１３３，第２のＧａＮ層１４３を再成長させた場合には、領域Ｓ６において転位Ｔ１ａと転位Ｔ２ｅが対消滅する。この結果、第２のＧａＮ層１４３においては、転位は転位Ｔ１ｂのみとなり、種結晶であった成長再表面側部分２０３よりもさらに転位密度が低くなる。

このように、本実施の形態にかかるＧａＮ単結晶基板製造方法においては、図４に示すＧａＮ層再形成工程と図６に示す分離工程を十分な回数繰り返すことによって、図１５の成長最表面側部分２０４のように無転位に近いＧａＮ単結晶基板を得ることも可能になる。

なお、本実施の形態にかかるＧａＮ単結晶基板製造方法においては、ＭＯＣＶＤ法を用いてＧａＮ層およびＩｎＧａＮ層を形成した場合を例に説明したが、もちろんこれに限らず、ＨＶＰＥ法や分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法を用いて形成してもよい。

また、本実施の形態にかかるＧａＮ単結晶基板製造方法においては、図１に示すように、サファイア基板１１上に第１のＧａＮ層１２を形成した場合を例に説明したが、ＧａＮ層が形成できれば足りることから、サファイア基板１１に限らずＳｉＣ基板やＳｉ基板を用いることもできる。このうちＳｉＣ基板上にＧａＮ層を形成した場合には、サファイア基板にＧａＮ層を形成した場合よりも低転位密度のＧａＮ層が得られるため、さらに転位密度の低い高品質なＧａＮ単結晶基板を製造することができる。

また、本実施の形態においては、ＧａＮ単結晶基板を製造する方法について説明したが、これに限らず、ＩｎＧａＮよりもエネルギーバンドギャップが広いＡｌＮ基板、または、ＧａＮとＡｌＮとからなる混晶基板に対する製造方法についても同様に適用することができる。たとえば、ＡｌＮ基板を製造する場合には、第１のＧａＮ層および第２のＧａＮ層に代えて、第１のＡｌＮ層および第２のＡｌＮ層を形成し、ＩｎＧａＮ層を分離層として形成する。また、ＧａＮとＡｌＮとからなる混晶基板を製造する場合には、第１のＧａＮ層および第２のＧａＮ層に代えて、第１のＧａＡｌＮ層および第２のＧａＡｌＮ層を形成し、ＩｎＧａＮ層を分離層として形成する。

また、本実施の形態においては、特許請求の範囲における第１の窒化物半導体層、第２の窒化物半導体層および第３の窒化物半導体層に対応する第１のＧａＮ層１２，１２１，１２２，１２３、第２のＧａＮ層１４，１４１，１４２，１４３を全て同一の半導体材料層であるＧａＮ層で形成した場合を例に説明したが、もちろんこれに限らず、第１のＧａＮ層１２，１２１，１２２，１２３、第２のＧａＮ層１４，１４１，１４２，１４３を、それぞれ異なる半導体材料層で形成してもよい。この場合、該基板の使用対象であるデバイスに対応させて、ＧａＮ、ＡｌＮ、または、ＧａＮとＡｌＮからなる混晶のいずれかを第１のＧａＮ層１２，１２１，１２２，１２３、第２のＧａＮ層１４，１４１，１４２，１４３として設定すればよい。また、第１のＧａＮ層１２は、この第１のＧａＮ層１２条の分離層として機能するＩｎＧａＮ層を形成できれば足りるため、必ずしもエピタキシャル成長によって形成しなくともよい。同様に、第２のＧａＮ層１４も使用対象のデバイスが形成できれば足りるため、必ずしもエピタキシャル成長によって形成しなくともよい。

また、実施の形態にかかる窒化物半導体基板製造方法においては、分離工程において分離された基板側部分１６および部分２１６などの種結晶側をデバイス用基板として使用するが、このデバイス基板上に形成されるデバイスとして、発光ダイオード、レーザーダイオードまたは光検出素子などの光デバイスが挙げられる。また、このデバイス基板上に形成されるデバイスとして、トランジスタ、ダイオードまたはサイリスタなどの電子デバイスが挙げられる。

実施の形態にかかるＧａＮ単結晶基板製造方法を説明する図である。 実施の形態にかかるＧａＮ単結晶基板製造方法を説明する図である。 実施の形態にかかるＧａＮ単結晶基板製造方法を説明する図である。 実施の形態にかかるＧａＮ単結晶基板製造方法を説明する図である。 実施の形態にかかるＧａＮ単結晶基板製造方法を説明する図である。 実施の形態にかかるＧａＮ単結晶基板製造方法を説明する図である。 Ｉｎ_０．３７Ｇａ_０．６３ＮのＸ線回折結果を示す図である。 ＩｎＮにおける光エネルギーと吸収係数との関係を示す図である。 ＧａＮにおける光エネルギーと吸収係数との関係を示す図である。 支持金属層の材料として採用可能である各材料の融点および熱膨張係数を示す図である。 ＧａＮと支持金属層（Ｍｏ）の２層構造をＧａＮの成長温度まで上昇させたときの基板の湾曲係数の演算結果を示す図である。 実施の形態おけるＧａＮ層再形成工程での転位減少を説明する図である。 実施の形態おけるＧａＮ層再形成工程での転位減少を説明する図である。 実施の形態おけるＧａＮ層再形成工程での転位減少を説明する図である。 実施の形態おけるＧａＮ層再形成工程での転位減少を説明する図である。 従来技術にかかるＧａＮ単結晶基板製造方法を説明する図である。

符号の説明

１１ サファイア基板
１２，１２１，１２２，１２３ 第１のＧａＮ層
１３，１３１，１３２，１３３ ＩｎＧａＮ層
１４，１４１，１４２，１４３ 第２のＧａＮ層
１５ 支持金属層

Claims (7)

1. 第１の窒化物半導体層上に第２の窒化物半導体層をエピタキシャル成長させる第１の成長工程と、
   前記第１の窒化物半導体層と前記第２の窒化物半導体層とを前記第１の窒化物半導体層と前記第２の窒化物半導体層との間で分離する第１の分離工程と、
   前記第１の分離工程において分離された第２の窒化物半導体層を種結晶として第３の窒化物半導体層をエピタキシャル成長によって形成する第２の成長工程と、
   前記第３の窒化物半導体層上に第４の窒化物半導体層をエピタキシャル成長させる第３の成長工程と、
   前記第３の窒化物半導体層と前記第４の窒化物半導体層とを前記第３の窒化物半導体層と前記第４の窒化物半導体層との間で分離する第２の分離工程と、
   を含み、
   前記第１の成長工程は、前記第１の窒化物半導体層上に第１の所定エネルギーの吸収によって相分離する第１の分離層を形成した後に前記第２の窒化物半導体層をエピタキシャル成長させ、
   前記第１の分離工程は、前記第１の所定エネルギーに対応する波長のレーザーを前記第１の分離層に照射して前記第１の窒化物半導体層と前記第２の窒化物半導体層とを分離し、
   前記第３の成長工程は、前記第３の窒化物半導体層上に第２の所定エネルギーの吸収によって相分離する第２の分離層を形成した後に前記第４の窒化物半導体層をエピタキシャル成長させ、
   前記第２の分離工程は、前記第２の所定エネルギーに対応する波長のレーザーを前記第２の分離層に照射して前記第３の窒化物半導体層と前記第４の窒化物半導体層とを分離する
   ことを特徴とする窒化物半導体単結晶基板製造方法。
2. 第１の窒化物半導体層上に第２の窒化物半導体層をエピタキシャル成長させる第１の成長工程と、
   前記第１の窒化物半導体層と前記第２の窒化物半導体層とを前記第１の窒化物半導体層と前記第２の窒化物半導体層との間で分離する第１の分離工程と、
   前記第１の分離工程において分離された第２の窒化物半導体層を種結晶として第３の窒化物半導体層をエピタキシャル成長によって形成する第２の成長工程と、
   前記第２の窒化物半導体層と前記第３の窒化物半導体層とを前記第２の窒化物半導体層と前記第３の窒化物半導体層との間で分離する第２の分離工程と、
   を含み、
   前記第１の成長工程は、前記第１の窒化物半導体層上に第１の所定エネルギーの吸収によって相分離する第１の分離層を形成した後に前記第２の窒化物半導体層をエピタキシャル成長させ、
   前記第１の分離工程は、前記第１の所定エネルギーに対応する波長のレーザーを前記第１の分離層に照射して前記第１の窒化物半導体層と前記第２の窒化物半導体層とを分離し、
   前記第２の成長工程は、前記第２の窒化物半導体層上に第２の所定エネルギーの吸収によって相分離する第２の分離層を形成した後に前記第３の窒化物半導体層をエピタキシャル成長させ、
   前記第２の分離工程は、前記第２の所定エネルギーに対応する波長のレーザーを前記第２の分離層に照射して前記第２の窒化物半導体層と前記第３の窒化物半導体層とを分離することを特徴とする窒化物半導体単結晶基板製造方法。
3. 前記第２の窒化物半導体層上にタングステン、モリブデン、タンタル、ニオブまたはイリジウムによって形成される支持金属層を形成する支持金属層形成工程をさらに含み、
   前記第１の分離工程は、前記支持金属層形成工程後に前記前記第１の窒化物半導体層と前記第２の窒化物半導体層とを分離す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単結晶基板製造方法。
4. 前記第１の分離層または第２の分離層は、ＩｎＧａＮ層を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の窒化物半導体単結晶基板製造方法。
5. 前記ＩｎＧａＮ層は、Ｉｎ組成が０．３以上、０．５以下であることを特徴とする請求項４に記載の窒化物半導体単結晶基板製造方法。
6. 前記第１の窒化物半導体層、前記第２の窒化物半導体層、第３の窒化物半導体層および第４の窒化物半導体層は、ＧａＮ、ＡｌＮ、または、ＧａＮとＡｌＮからなる混晶のいずれかであることを特徴とする請求項１および請求項１を引用する請求項３〜５のいずれか一つに記載の窒化物半導体単結晶基板製造方法。
7. 前記第１の窒化物半導体層、前記第２の窒化物半導体層および第３の窒化物半導体層は、ＧａＮ、ＡｌＮ、または、ＧａＮとＡｌＮからなる混晶のいずれかであることを特徴とする請求項２および請求項２を引用する請求項３〜５のいずれか一つに記載の窒化物半導体単結晶基板製造方法。

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