(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
サファイア基板上に窒化物半導体層を形成し、前記サファイア基板から分離した前記窒化物半導体層を用いて自立した窒化物半導体基板を作製する窒化物半導体基板の製造方法において、
分離された前記窒化物半導体層の表裏面の欠陥密度差に起因する反りによる前記窒化物半導体層のＣ軸の半径方向内方への傾きを相殺するように、予め前記サファイア基板表面の全面におけるＣ軸には半径方向外方に傾きを持たせたことを特徴とする窒化物半導体基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体基板の製造方法に関し、更に詳しくは、窒化物半導体、例えば（ＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ、０≦Ｘ、０≦Ｙ、０≦Ｘ＋Ｙ≦１）からなる、オフ角ばらつきの小さい自立基板を製造できる窒化物半導体基板の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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）等の窒化物系半導体材料は、禁制帯幅が大きく、バンド間遷移も直接遷移型であるため、可視光及び紫外光用途の短波長発光素子への展開が進んでいる。
【０００３】
窒化物半導体基板は、窒素の蒸気圧が非常に高いために融液からのバルク状結晶成長が極めて困難である。この理由により、窒化物半導体基板の主に用いられている製造方法としては、図４に示すように、サファイア基板やシリコン基板あるいはガリウム砒素基板などの窒化物半導体とは異なる異種基板２１上に、主に気相成長法を用いて窒化物半導体層２２をヘテロエピタキシャル成長させた後（図４（ａ））、剥離や研磨あるいはエッチング等の手法を用いて異種基板２１を除去し（図４（ｂ））、異種基板２１上に形成した前記窒化物半導体層２２の表裏面を研磨等することで、いわゆる「自立基板」を得ている（図４（ｃ））。なお、図４における矢印は、結晶の主たる面方位、例えば、サファイア、ＧａＮなどではＣ軸を示している。
このようにして、自立基板を作製する具体的な方法としては、例えば特許文献１に記載の方法などが知られている。
【０００４】
窒化物半導体層の成長方法については、上述したように窒化物半導体とは異なる異種基板上に窒化物半導体層をヘテロエピタキシャル成長させるため、大きな格子定数差により、成長初期に大きく結晶が歪み、１０9〜１０10ｃｍ-2もの転位密度が入ってしまう。これらの欠陥は、ＬＤ（Laser diode）やＬＥＤ（Light emitted diode）などの発光デバイスの信頼性を著しく低下させてしまうため、転位密度を低減させる必要がある。
【０００５】
近年、このような欠陥の密度を低減する方法として、ＥＬＯ（epitaxial lateral overgrowth）や、ＦＩＥＬＯ（facet initiated epitaxial lateral overgrowth）、ペンデオエピタキシーといった成長技術が報告された。これらの成長技術は、サファイア等の基板上に成長させたＧａＮ上に、ＳｉＯ2等でパターニングされたマスクを形成し、マスクの窓部からさらにＧａＮ結晶を選択的に成長させて、マスク上をＧａＮがラテラル成長で覆うようにすることで、下地結晶からの転位の伝播を防ぐものである。これらの成長技術の開発により、ＧａＮ中の転位密度は１０7ｃｍ-2台程度にまで、飛躍的に低減させることができるようになった。
【０００６】
更に、サファイア基板等の異種基板上に転位密度を低減したＧａＮ層を厚くエピタキシャル成長させ、成長後に下地から剥離して、ＧａＮ層を自立したＧａＮ基板として用いる方法が種々提案されている。例えば、前述のＥＬＯ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。
また、ＶＡＳ（Void-assisted Separation：例えば、非特許文献１）法や、ＤＥＥＰ（Dislocation Elimination by the Epi-growth with inverted-Pyramidal pits：例えば、非特許文献２）法などが公開されている。ＶＡＳは、サファイア等の基板上で、網目構造のＴｉＮ薄膜を介してＧａＮを成長することで、下地基板とＧａＮ層の界面にボイドを形成し、ＧａＮ基板の剥離と低転位化を同時に可能にしたものである。また、ＤＥＥＰは、エッチング等で除去が可能なＧａＡｓ基板上にパターニングしたＳｉＮ等のマスクを用いてＧａＮを成長させ、結晶表面に故意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で、その他の領域を低転位化するものである。
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−５７１１９号公報
【非特許文献１】Y.Oshima et.al., Jpn.J.Appl.Phys., Vol.42(2003), pp.L1-L3
【非特許文献２】K.Motoki et.al., Jpn.J.Appl.Phys., Vol.40(2001), pp.L140-L143
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上述した従来方法で作製した窒化物半導体層２２には、表裏面に欠陥密度差が存在することから、結晶格子が歪み内部応力が生じて、下地基板２１から剥離した後の窒化物半導体層２２は、どのようにしても裏面２２ｂが裏面側に凸形状（中心部が出っ張る形状）になるように反ってしまう（図４（ｂ））。このように反った窒化物半導体層２２は、研磨などで平坦な加工を施したとしても、表面２２ａの面内の各位置で面方位が一様な方向に向いていないため、窒化物半導体自立基板２３のオフ角が面内でばらついてしまうという問題が発生する（図４（ｃ））。ここでいう「オフ角」とは、「表面の各位置の法線の、主たる面方位からのずれの角度」（あるいは「表面と、主たる結晶面とのなす角度」）のことであり、「オフ角がばらつく」というのは、「表面の各位置の法線の、主たる面方位からずれの角度が一様にならず、面内の位置によって、ずれの角度が異なってしまう」ことである。
面内のオフ角がばらつくと、その上に形成した発光素子デバイスの発光波長のばらつきに大きな影響を与え、著しく歩留まりを低下させてしまう。
さらに面内でオフ角がばらついている窒化物半導体自立基板２３（図４（ｃ））を種結晶として、その上にエピタキシャル成長しても、配向性は引き継がれるので、エピタキシャル層を厚く成長してスライスして得られる自立基板も、結局オフ角がばらついてしまうことになる。また、面方位が一様に揃っている窒化物半導体基板上に成長しても、貫通転位の減少などによる表裏面の欠陥密度差により、再び反ってしまうため、オフ角ばらつきの原因となる。
【０００９】
本発明は、上記課題を解決し、オフ角ばらつきの小さい、窒化物半導体基板を製造することができる窒化物半導体基板の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明は次のように構成されている。
本発明の第１の態様は、サファイア基板上に窒化物半導体層を形成し、前記サファイア基板から分離した前記窒化物半導体層を用いて自立した窒化物半導体基板を作製する窒化物半導体基板の製造方法において、分離された前記窒化物半導体層の表裏面の欠陥密度差に起因する反りによる前記窒化物半導体層のＣ軸の半径方向内方への傾きを相殺するように、予め前記サファイア基板表面の全面におけるＣ軸には半径方向外方に傾きを持たせたことを特徴とする窒化物半導体基板の製造方法である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、オフ角ばらつきの小さい窒化物半導体自立基板が得られる。また、得られた窒化物半導体自立基板上にＬＥＤやＬＤなどの半導体発光素子を作製した場合の歩留りを著しく向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明に係る窒化物半導体基板の製造方法の実施形態を図面を用いて説明する。
【００１３】
図１は、本実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法の工程を概略的に示す工程図である。
本実施形態の窒化物半導体基板の製造方法は、まず、下地基板としてＣ面サファイア基板１を準備し、Ｃ面サファイア基板上１に窒化物半導体層２を形成する（図１（ａ））。
窒化物半導体層２は、例えば、ＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ（０≦Ｘ、０≦Ｙ、０≦Ｘ＋Ｙ≦１）層などである。窒化物半導体層２の形成方法には、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）やハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）、或いはこれらを組み合わせた気相成長法などが用いられる。
【００１４】
次に、サファイア基板１上に形成した窒化物半導体層２を、サファイア基板１から分離する（図１（ｂ））。分離方法（除去方法）は、剥離（図示例）のほか、研磨、エッチングなどの方法を用いてもよい。
【００１５】
最後に、分離された窒化物半導体層２の表面２ａ及び裏面２ｂを研磨し（図１（ｂ）の破線部分を残し）、洗浄処理などすることで、自立した窒化物半導体基板３を作製する（図１（ｃ））。なお、図１における矢印は、Ｃ軸（結晶の主たる面方位）である。
自立した窒化物半導体基板３は、分離された窒化物半導体層２から１枚のみ取得しても、窒化物半導体層３を厚くエピタキシャル成長させてスライスすることにより複数枚の窒化物半導体自立基板を取得してもよい。なお、窒化物半導体の「自立基板」は、搬送などの基板処理が可能な強度を有する基板であって、基板の厚さは、例えば２００μｍ以上が好ましい。
【００１６】
上記実施形態の製造方法で特徴とするところは、窒化物半導体層２を形成するための下地となるサファイア基板１の表面におけるＣ軸の傾きの方向と大きさを所定範囲に規定したことにある。
【００１７】
従来用いられているサファイア基板の表面（Ｃ面）は、図４（ａ）に示すように、オフ角が小さくＣ軸が表面にほぼ垂直に揃っており、このサファイア基板上にエピタキシャル成長される窒化物半導体層も配向性が引き継がれてＣ軸が一様に揃って形成される。しかし、サファイア基板上に形成される窒化物半導体層は、その表面の欠陥密度が小さく、裏面の欠陥密度が大きいため、必ず窒化物半導体層の表面が凹形状に反るように内部応力が働く。このため、分離された窒化物半導体層は、図４（ｂ）に示すように、欠陥密度差に起因した内部応力により歪んで表面が凹形状に反ってしまい、研磨などで平坦な加工を施した窒化物半導体自立基板は、図４（ｃ）に示すように、Ｃ軸が半径方向内方に傾き、オフ角が面内でばらついてしまう。
【００１８】
そこで、本実施形態では、分離された窒化物半導体層２の表裏面の欠陥密度差に起因する反りによる窒化物半導体層２のＣ軸の半径方向内方への傾きを見込んで、このＣ軸の半径方向内方への傾きを相殺して分離後の窒化物半導体層２中のＣ軸がほぼ一様に揃うように、予めサファイア基板１表面のＣ軸を半径方向外方に傾きを持たせるようにしている。
すなわち、図１に示すように、サファイア基板１のＣ軸の傾きが、分離後の窒化物半導体層２の欠陥密度差に起因した反りによるＣ軸の傾きをキャンセルする向きに同程度に傾いていれば、分離後の窒化物半導体層２に反りが生じても、Ｃ軸はほぼ一様に揃い、凹形状の窒化物半導体層２表面を研磨することにより、窒化物半導体自立基板３の面内のオフ角のばらつきは小さくなる。このように、サファイア基板１のＣ軸のオフ角の方向と大きさを規定することによって、分離後の窒化物半導体層２のＣ軸の傾きのばらつきを制御し、結果としてオフ角ばらつきの小さい、Ｃ軸の一様に揃った窒化物半導体自立基板３が得られる。
窒化物半導体層２の成長条件にもよるが、窒化物半導体層２が欠陥密度差によって生じるＣ軸の傾き（半径方向内方）のばらつきは、０.３°〜０.７°程度あり、これに対してサファイア基板１のオフ角ばらつきを反対方向（基板の半径方向外方）に０.３°〜１°傾けてやることにより、窒化物半導体基板３のオフ角ばらつきを実用上問題のない、０.３°以下に制御することが可能になる。
【００１９】
分離後の窒化物半導体層２の欠陥密度差に起因した反りによる半径方向内方のＣ軸の傾きは、窒化物半導体層２の中心部では小さく、外周部に行くほど大きくなる。
従って、分離後の窒化物半導体層２のＣ軸が一様に揃うようにするためには、サファイア基板１表面の半径の半分よりも内側では、サファイア基板１のＣ軸の半径方向外方への傾きが、０.３°より小さいことが好ましい。また、サファイア基板１表面の半径の半分を含む外側では、サファイア基板１のＣ軸の傾きが半径方向外方に傾いているのが好ましく、更には、サファイア基板１表面の半径の半分を含む外側では、サファイア基板１のＣ軸の半径方向外方への傾きが外側に行くほど大きくなるのが好ましい。
【実施例】
【００２０】
次に、本発明の実施例を説明する。
［実施例１］
ボイド形成剥離法（Void-assisted Separation Method：ＶＡＳ法）を用いてサファイア基板上にＧａＮエピタキシャル層を成長させ、その後、サファイア基板を除去することにより、自立したＧａＮ基板を得て、その評価を行った。
ＶＡＳ法は、サファイア基板とＧａＮ成長層との間に網目構造を有する窒化チタンの薄膜を挟み込んで結晶成長を行う方法であるが、その詳細は、例えば上記の非特許文献１に記載されている。
【００２１】
以下に、本実施例のＧａＮ自立基板の製造方法について説明する。
まず、直径２インチのサファイアＣ面基板上に、ＭＯＶＰＥ法により、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）とＮＨ3を原料として、アンドープＧａＮ層を３００ｎｍの厚さに成長させた。次に、このＧａＮエピタキシャル基板上に、Ｔｉ薄膜を２０ｎｍの厚さに蒸着し、これを電気炉に入れて、２０％のＮＨ3と８０％のＨ2の混合ガスの雰囲気中にて、１０５０度で２０分間熱処理を施した。その結果、アンドープＧａＮ層の一部がエッチングされて高密度の空隙（ボイド）が発生してボイド形成ＧａＮ層に変化するとともに、Ｔｉ薄膜が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穴形成ＴｉＮ層に変化した。
この基板をＨＶＰＥ炉に入れ、ＧａＮを全体で８００μｍの厚さに堆積させた。Ｇａメタルのボートは９００℃に加熱し、基板側は１１００℃とし、キャリアガスとして水素５％と窒素９５％の混合ガスを用いた。原料ガスとしてＨＣｌガスとＧａを反応させてＧａＣｌを生成させ、同時にアンモニアガスを供給し、成長の開始時にはＶ／III比が１０になるように流量を調整した。
この条件で、ＧａＮの核がＴｉＮ層上に３次元の島状に成長し、次いで結晶同士が横方向に成長して互いに結合し、表面の平坦化が進行していった。この様子は、成長時間を変えて炉外に取り出した基板表面及び断面を顕微鏡観察することにより確認した。さらに成長時間を延ばして成長を続けた。ＧａＮ結晶成長の終了後、ＨＶＰＥ装置を冷却する過程で、ＧａＮ層はボイド層を境にサファイアの下地基板から自然に剥離し、８００μｍ厚さのＧａＮ自立基板が得られた。
【００２２】
このＧａＮ自立基板の作製を、従来用いられている通常のサファイア基板（オフ角のばらつきは０.１°以下）と、実施例のサファイア基板とについて行った。
実施例のサファイア基板は、サファイア基板表面の各点におけるＣ軸の半径方向外方への傾きの最大値と最小値との差であるＣ軸の傾きのばらつき（半径方向外方へのオフ角のばらつき）が、０.３°以上１°以下であって、サファイア基板表面の半径の半分よりも内側では、サファイア基板のＣ軸の半径方向外方への傾きが、０.３°より小さく、サファイア基板表面の半径の半分を含む外側では、サファイア基板のＣ軸の傾きが半径方向外方に傾き、且つＣ軸の半径方向外方への傾きが外側に行くほど大きくなっているサファイア基板を用いた。
用いるサファイア基板のオフ角のばらつきが異なる以外は、全て上記した同一の製造条件でＧａＮ自立基板を作製し、得られたＧａＮ自立基板のオフ角のばらつきを測定した。
その結果、通常のサファイア基板（オフ角のばらつき０.１°以下）を用いた場合には、ＧａＮ自立基板のオフ角のばらつきは０.４５°であり、本実施例のサファイア基板を用いた場合には、ＧａＮ自立基板のオフ角のばらつきは、０.２３°以下であった。
ここで、オフ角のばらつきを、基板面内の複数点のオフ角のうち、「オフ角の最大値−オフ角の最小値」と定義し、基板面内のオフ角のばらつきを求めた。具体的には、オフ角の測定にはＸ線回折装置を用い、図２に示すように、２インチ（５０.８ｍｍ）の基板の中心を通る直線上にある５ｍｍ間隔の１０点の位置におけるオフ角を測定して、オフ角のばらつきを求めた。
成長条件によって、サファイア基板のＣ軸のオフ角のばらつきを適時、選択しなければならないが、サファイア基板のオフ角のばらつき（半径方向の外向き）が０.３°以上〜１°以下に入っていれば、大多数の成長条件に対して、成長した窒化物半導体基板のオフ角のばらつきを実用上問題のない、０.３°以内に抑え込めることが分かった。
【００２３】
［実施例２］
実施例１で作製したＧａＮ基板上に、次に示す発光素子構造の成長層を形成した。図３は、本実施例２に係わる窒化物系半導体発光素子を示す構造断面図である。
本実施例２の半導体層には、量子井戸構造を有している。発光ダイオード用の多層膜は、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により作製した。有機金属原料として、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2Ｍｇ）を用いた。ガス原料として、アンモニア（ＮＨ3）、シラン（ＳｉＨ4  ）を用いた。また、キャリアガスとして、水素及び窒素を用いた。
【００２４】
本実施例の半導体発光素子は、次のようにして製造した。
まず、上記の実施例１により得られたＧａＮ自立基板（オフ角のばらつきを異にする）１１を用いて、ＧａＮ自立基板１１上に、１０５０℃にて、Ｓｉをキャリア濃度１×１０19ｃｍ-3ドープしたｎ型ＧａＮ層１２を４μｍの膜厚で成長させた。
次に８００℃で、活性層として、厚さ１０ｎｍのＧａＮ障壁層１３（４層）と、厚さ３ｎｍのＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ井戸層１４（３層）とが交互に積層された多重量子井戸構造（ＭＱＷ）を有するＩｎＧａＮ系活性層１５を成長させた。その上部に、ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層１６と、ｐ型ＧａＮコンタクト層１７とをこの順で形成した。
更に、ｐ型ＧａＮコンタクト層１７上に正電極１９、ＧａＮ自立基板１１裏面に負電極１８を形成した後、チップ化して作製した。
その後、図２に示す上記オフ角の測定箇所と同じ１０点の箇所からチップを選んで、ＥＬ（Electro Luminescence）測定により、各チップの発光波長を測定し、基板面内の発光波長のばらつきを求めた。ここで、「発光波長の最大値−発光波長の最小値」を発光波長のばらつきと定義した。
【００２５】
本実施例で作製した全サンプルについて、発光波長のばらつきを測定した結果を表１に示す。表１に示すように、オフ角のばらつきの小さいサンプルでは、発光波長のばらつきが小さくなる結果が得られた。
【表１】
0005488562.tif 000002
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法の工程を概略的に示す工程図である。
【図２】基板面内のオフ角のばらつきを説明するための基板の平面図である。
【図３】実施例において作製されたＧａＮ自立基板を用いて形成した窒化物半導体発光素子の断面構造を示す概略図である。
【図４】従来の異種基板上に窒化物半導体自立基板を作製する製造工程を模式的に示す工程図である。
【符号の説明】
【００２７】
１  サファイア基板（Ｃ面サファイア基板）
２  窒化物半導体層
３  窒化物半導体基板（窒化物半導体自立基板）
１１  ＧａＮ自立基板
１５  ＩｎＧａＮ系活性層
【図１】
0005488562.tif 000003
【図２】
0005488562.tif 000004
【図３】
0005488562.tif 000005
【図４】
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