(57)【要約】【課題】サファイア基板上に高品質のＧａＮ層を形成し、サファイア基板からＧａＮ層を単純な方法により安定的に剥離する。【解決手段】サファイア基板７１１の上部に、ＳｉドーピングＧａＮ層７１４と、アンドープＧａＮ層７１５と、からなるＧａＮ厚膜を形成する工程と、サファイア基板７１１およびＧａＮ厚膜を冷却することにより、ＧａＮ厚膜中にクラックを発生させ、外力を加えることなしにサファイア基板７１１を分離除去する工程と、を含む、自立ＧａＮ基板の製造方法を提供する。【選択図】      図８
2006173148.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下地基板の上部に、ｎ型不純物を含有するＩＩＩ族窒化物半導体からなる第一の層と、前記第一の層の上部に設けられ、前記第一の層よりも前記ｎ型不純物の含有量の低いＩＩＩ族窒化物半導体からなる第二の層と、を含むＩＩＩ族窒化物半導体膜を形成する工程と、
前記下地基板および前記ＩＩＩ族窒化物半導体膜を冷却する工程と、
前記第一の層の内部または前記第一の層と前記第二の層との界面付近において前記下地基板を含む構造体を分離除去して前記ＩＩＩ族窒化物半導体膜の少なくとも一部を含む自立基板を得る工程と、
を含むことを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体自立基板の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物半導体自立基板の製造方法において、
ＩＩＩ族窒化物半導体膜を冷却する前記工程において外力を加えることなしに前記下地基板を含む構造体を分離除去することを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体自立基板の製造方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載のＩＩＩ族窒化物半導体自立基板の製造方法において、
前記ｎ型不純物がＳｉであることを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体自立基板の製造方法。
【請求項４】
請求項１乃至３いずれかに記載のＩＩＩ族窒化物半導体自立基板の製造方法において、
前記ＩＩＩ族窒化物半導体膜を形成する工程は、
ハイドライド気相成長法により前記ＩＩＩ族窒化物半導体膜を形成する工程を含む
ことを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体自立基板の製造方法。
【請求項５】
請求項１乃至４いずれかに記載のＩＩＩ族窒化物半導体自立基板の製造方法により得られることを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体自立基板。
【請求項６】
ｎ型不純物を含有するＩＩＩ族窒化物半導体からなる第一の層と、
前記第一の層の一方の側に設けられた、ＩＩＩ族窒化物半導体からなる第二の層と、
を備え、
前記第一の層は、前記第二の層よりも前記ｎ型不純物の含有量が高く、
前記第一の層は、凹凸表面を有する
ことを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体自立基板。
【請求項７】
請求項６に記載のＩＩＩ族窒化物半導体自立基板において、
前記ｎ型不純物がＳｉであることを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体自立基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＩＩＩ族窒化物半導体自立基板およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスを作製するにあたっては、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。窒化ガリウム（ＧａＮ）系結晶のバルク結晶作製の試みは多くの研究機関で行なわれている。しかしながら、ＧａＮのような結晶では、窒素の解離圧が高いことにより、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難しく、工業的に利用できる大きさのＧａＮ系バルク結晶の作製は非常に困難である。
【０００３】
このため、ＧａＮ半導体基板の作製には、ＨＶＰＥ（ｈｙｄｒｉｄｅ  ｖａｐｏｒ  ｐｈａｓｅ  ｅｐｉｔａｘｙ）を用いて気相で作製する手法が主に用いられている。すなわち、サファイア（Ａｌ2Ｏ3）基板上にＭＯＣＶＤ装置を用いてＧａＮ薄膜（膜厚：約２μｍ）を形成し、このＧａＮ薄膜上にＨＶＰＥ装置を用いてＧａＮ層（膜厚：約４００μｍ）を成長させ、あるいはサファイア基板上に直接ＧａＮのＨＶＰＥ成長を行うことで、ＧａＮ厚膜−サファイア基板からなる構造体（以下、適宜サファイア／ＧａＮ構造体と呼ぶ）を得る。最後に、サファイア／ＧａＮ構造体からＧａＮ層を分離することで半導体デバイス作製用のＧａＮ半導体基板を得る。
【０００４】
特許文献１には、サファイア／ＧａＮ構造体からＧａＮ層を分離する方法として、サファイア基板上にＧａＮ層を成長させ、その後レーザー光を照射してサファイア基板からＧａＮ層を剥離する方法が開示されている。しかし、サファイア／ＧａＮ構造体には熱膨張係数差に起因する熱歪みが加わっているため、この方法では剥離の最中に転位などの欠陥が生じやすく、またＧａＮ層が破損することが多い。
【０００５】
一方、特許文献２には、サファイアに代わる基板材料としてＧａＡｓを用いてＧａＮ層を成長させ、その後エッチングによりＧａＡｓを除去する方法が開示されている。この方法によれば、破損を抑制しつつＧａＮ層を得ることができる。しかし、ＧａＡｓは分解温度が低いのでＧａＮ層成長中にＧａＡｓが分解されてＧａＮ層の中にＡｓが不純物として混入し、ＧａＮ半導体基板の品質を悪化させる場合がある。また、毒性の強いＡｓを取り扱うため安全性の面で好ましくない。
【０００６】
また、特許文献３には、サファイア基板上に結晶欠陥または空隙を含むＡｌＧａＮ層またはＩｎＧａＮ層からなるリフトオフ層を成長させ、リフトオフ層上にＧａＮ層を成長させ、結晶欠陥または空隙を含むリフトオフ層によって、サファイア基板からＧａＮ層を剥離する方法が開示されている。
【０００７】
しかし、ＡｌＧａＮ層またはＩｎＧａＮ層からなるリフトオフ層に多数の微細な空隙または結晶欠陥を安定して形成するためには、１）キャリアガスの水素（Ｈ2）と窒素（Ｎ2）との割合、２）アンモニア（ＮＨ3）と塩化ガリウム（ＧａＣｌ）の割合（Ｖ／ＩＩＩ比）、３）アルミニウム（Ａｌ）またはインジウム（Ｉｎ）の供給量、４）成長温度の各条件を精緻にコントロールする必要がある。そのため、制御安定性の面でさらなる改善の余地があった。また、微細な空隙または結晶欠陥を有するリフトオフ層上に形成されるＧａＮ層の結晶性を向上させることは困難である。そのため、ＧａＮ基板の品質の面でも課題を有していた。
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−５７１１９号公報
【特許文献２】国際公開第ＷＯ９９／２３６９３号パンフレット
【特許文献３】特開２００４−１１２０００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述のように、従来は、フリースタンディング（自立）ＧａＮ基板は、サファイアなどの下地基板の上にＧａＮ単結晶を成長させ、その後下地基板を除去して作製されてきた。しかし、いずれの方法によっても、ＧａＮ基板に与えるダメージを抑制しつつ、下地基板を除去することが困難であった。
【００１０】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、損傷の少ない高品質のＩＩＩ族窒化物半導体自立基板を安定的に提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明によれば、下地基板の上部に、ｎ型不純物を含有するＩＩＩ族窒化物半導体からなる第一の層と、第一の層の上部に設けられ、第一の層よりもｎ型不純物の含有量の低いＩＩＩ族窒化物半導体からなる第二の層と、を含むＩＩＩ族窒化物半導体膜を形成する工程と、下地基板およびＩＩＩ族窒化物半導体膜を冷却する工程と、第一の層の内部または第一の層と第二の層との界面付近において下地基板を含む構造体を分離除去してＩＩＩ族窒化物半導体膜の少なくとも一部を含む自立基板を得る工程と、を含むＩＩＩ族窒化物半導体自立基板の製造方法が提供される。
【００１２】
この方法によれば、温度の降下により、ｎ型不純物を高濃度に含有する第一の層の内部または第一の層と第二の層との界面付近において、外力を加えることなくクラックが生じる。このため、下地基板からＩＩＩ族窒化物半導体膜を剥離することが容易となるので、損傷の少ない高品質のＩＩＩ族窒化物半導体自立基板が安定的に得られる。
【００１３】
また、本発明によれば、ｎ型不純物を含有するＩＩＩ族窒化物半導体からなる第一の層と、第一の層の一方の側に設けられた、ＩＩＩ族窒化物半導体からなる第二の層と、を備え、第一の層は、第二の層よりもｎ型不純物の含有量が高く、第一の層は、凹凸表面を有するＩＩＩ族窒化物半導体自立基板が提供される。
【００１４】
この構成を備えるＩＩＩ族窒化物半導体自立基板は、上記の製造方法により製造可能である。このため、損傷の少ない高品質のＩＩＩ族窒化物半導体自立基板として安定的に得られる。また、凹凸表面を有し、高濃度のｎ型不純物を含有する第一の層を備えるため、電極などとのコンタクト性に優れる。そのため、このような構成からなるＩＩＩ族窒化物半導体自立基板は、半導体レーザ素子などの半導体装置の基板として用いることができる。
【００１５】
なお、本発明において、下地基板とは、ＩＩＩ族窒化物膜の結晶成長の下地となる基板を意味するものとする。また、本発明において、構造体とは、１以上の層構造を含む立体構造体を意味するものとする。また、本発明において、層とは、全面に均一に設けられている膜構造に限定されないものとする。
【発明の効果】
【００１６】
本願発明によれば、特定の構成からなる構造体を冷却することにより、下地基板を剥離除去できるので、損傷の少ない高品質のＩＩＩ族窒化物半導体自立基板を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明においては、ＩＩＩ族窒化物半導体膜を冷却する上記の工程において、以下の理由により外力を加えることなしに下地基板を分離除去することができる。すなわち、下地基板の上部に形成されており、ｎ型不純物を含有するＩＩＩ族窒化物半導体からなる第一の層と、第一の層の上部に設けられ、第一の層よりもｎ型不純物の含有量の低いＩＩＩ族窒化物半導体からなる第二の層と、を含むＩＩＩ族窒化物半導体膜を冷却すると、第一の層の内部または第一の層と第二の層との界面付近にクラックが生じる。このため、特に外力を加えることなくＩＩＩ族窒化物半導体膜を分離して下地基板を除去することができる。
【００１８】
上記のＩＩＩ族窒化物半導体膜は、第一の層の下部に、第一の層よりもｎ型不純物の含有量の低い第三のＩＩＩ族窒化物層をさらに含む構成とすることができる。この構成によれば、冷却により、ｎ型不純物の含有量の低い第二のＩＩＩ族窒化物層および第三のＩＩＩ族窒化物層に挟まれている、ｎ型不純物の含有量の高い第一の層の内部または第一の層と第二の層との界面付近において、クラックを生じやすい。このため、第一の層の内部または第一の層と第二の層との界面付近において、外力を加えることなしに下地基板を除去できる。
【００１９】
また、上記のｎ型不純物はＳｉが好ましい。この構成によれば、冷却により外力を加えることなしに第一の層の内部または第一の層と第二の層との界面付近において、下地基板を除去しやすくなる。
【００２０】
なお、本発明において、アンドープＧａＮ層とは、ＧａＮ成膜時に意図的にＳｉなどの不純物をドープしていないＧａＮ層を意味し、意図せずに混入した少量の不純物を含んでいても良い。
【００２１】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００２２】
<実施形態１>
図１は、実施形態１に係るＧａＮ基板の製造方法を示す工程断面図である。
【００２３】
まず、本実施形態においてＧａＮ層の成長に用いる気相成長装置について説明する。図２は、実施形態１および２に係るＧａＮ基板の製造に用いる気相成長装置の構造を示す断面図である。
【００２４】
この成膜工程での使用に特に適する気相成長装置は、図２で示すようなハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ）装置である。なお、実施形態１に係るＧａＮ基板は、ＭＯＣＶＤ装置などによっても成膜可能であるが、以下、図２を用いて、ＨＶＰＥ装置の場合を代表例として説明する。
【００２５】
ＨＶＰＥ装置１２０は、反応管１２１と、反応管１２１内に設けられている基板ホルダ１２３を備える。また、ＨＶＰＥ装置１２０は、ＩＩＩ族原料ガスを反応管１２１内に供給するＩＩＩ族原料ガス供給部１３９と、窒素原料ガスを反応管１２１内に供給する窒素原料ガス供給部１３７と、ドーピングガスを反応管１２１内に供給するガス供給管１２５とを備える。さらに、ＨＶＰＥ装置１２０は、ガス排出管１３５と、ヒータ１２９、１３０とを備える。
【００２６】
基板ホルダ１２３は、反応管１２１の下流側に回転軸１３２により回転自在に設けられている。ガス排出管１３５は、反応管１２１のうち基板ホルダ１２３の下流側に設けられている。
【００２７】
ＩＩＩ族原料ガス供給部１３９は、ガス供給管１２６とソースボート１２８とＧａ原料１２７と反応管１２１のうち遮蔽板１３６の下の層とを含む。
【００２８】
窒素原料ガス供給部１３７は、ガス供給管１２４と反応管１２１のうち遮蔽板１３６の上の層（ガス供給管１２５およびその内部は除く）とを含む。
【００２９】
ガス供給管１２５は、反応管１２１内へのジクロロシラン（ＳｉＨ2Ｃｌ2）ガス（ドーピングガス）の供給を行う。
【００３０】
ＩＩＩ族原料ガス供給部１３９は、ＧａＣｌを生成し、これを基板ホルダ１２３上のウエハ１３３表面に供給する。ＩＩＩ族原料ガス供給部１３９は、ガス供給管１２６およびＧａ原料１２７を収容するソースボート１２８を含んでいる。
【００３１】
ガス供給管１２６の供給口は、ＩＩＩ族原料ガス供給部１３９内の上流側に配置されている。このため、供給されたＨＣｌガスは、ＩＩＩ族原料ガス供給部１３９内でソースボート１２８中のＧａ原料１２７と接触するようになっている。
【００３２】
これにより、ガス供給管１２６から供給されるハロゲン含有ガスは、ソースボート１２８中のＧａ原料１２７の表面または揮発したＧａと接触し、Ｇａを塩化してＧａ塩化物を含むＩＩＩ族原料ガスを生成する。なお、このＩＩＩ族原料ガス供給部１３９の周囲にはヒータ１２９が配置され、ＩＩＩ族原料ガス供給部１３９内は、たとえば８００〜９００℃程度の温度に維持される。
【００３３】
反応管１２１の上流側は、遮蔽板１３６により２つの層に区画されている。図中の遮蔽板１３６の上側に位置する窒素原料ガス供給部１３７中を、ガス供給管１２４から供給されたアンモニアが通過し、熱により分解が促進される。なお、この窒素原料ガス供給部１３７の周囲にはヒータ１２９が配置され、窒素原料ガス供給部１３７内は、たとえば８００〜９００℃程度の温度に維持される。
【００３４】
図中の右側に位置する成長領域１２２には、ウエハ１３３を保持する基板ホルダ１２３が配置され、この成長領域１２２内でＧａＮの成長が行われる。この成長領域１２２の周囲にはヒータ１３０が配置され、成長領域１２２内は、たとえば１０００〜１２００℃程度の温度に維持される。
【００３５】
なお、基板ホルダ１２３は１個であってもよいし、２個以上であってもよい。また、このＨＶＰＥ装置は、横型であってもよいが、縦型であってもよい。
【００３６】
以下、本実施形態に係るＧａＮ自立基板の製造方法の工程について、詳細に説明する。
【００３７】
図３は、実施形態１および２に係るＧａＮ基板の製造方法におけるＧａＮ層の成長温度プロファイルを示すグラフである。まず、図１（ａ）に示すように、有機溶剤とリン酸と硫酸の混合液を用いて表面洗浄した（０００１）面から０．２°傾斜した上面を有する、厚さ４３０μｍの２インチサファイア基板１０１（サファイア基板）を用意する。
【００３８】
次に、サファイア基板１０１を、図２に示すように、ＨＶＰＥ装置１２０の反応管１２１内の基板ホルダ１２３にセットする。このサファイア基板１０１を図中ウェハ１３３として表示する。
【００３９】
そして、ガス供給管１２５、１２６よりＮ2ガスをパージガスとして供給して反応管１２１内をパージする。反応管１２１内に供給したパージガスは、ガス排出管１３５より排出される。反応管１２１内を十分パージした後、ガス供給管１２５、１２６から導入するガスを、Ｈ2ガス（キャリアガス）に切替えて、ヒータ１２９およびヒータ１３０により反応管１２１を昇温する。
【００４０】
成長領域１２２の温度が５００℃に到達した時点で、ガス供給管１２５よりキャリアガスにＮＨ3ガスを加えて供給する。引続き、図３に示すように、Ｇａ原料１２７の温度が８５０℃、成長領域１２２の温度が１０４０℃になるまで昇温を続ける。それぞれの温度が安定してから、ガス供給管１２６よりキャリアガスにＨＣｌガスを加えて供給し、Ｇａ原料１２７と反応させ、塩化ガリウム（ＧａＣｌ）を生成し成長領域１２２に輸送する。
【００４１】
成長領域１２２では、ＮＨ3ガスとＧａＣｌガスとが反応して、サファイア基板１０１上に低不純物濃度ＧａＮ層１０３が成長する。
【００４２】
低不純物濃度ＧａＮ層１０３の厚さが所定の膜厚となった時点で、ガス供給管１２６からＳｉＨ2Ｃｌ2ガス（ドーピングガス）の供給を行う。成長領域１２２では、ＮＨ3ガスとＧａＣｌガスとＳｉＨ2Ｃｌ2ガスとが反応して、低不純物濃度ＧａＮ層１０３上に高濃度ＳｉドーピングＧａＮ層１０５が成長する。
【００４３】
高濃度ＳｉドーピングＧａＮ層１０５の厚さが所定の膜厚となった時点で、ガス供給管１２６からＳｉＨ2Ｃｌ2ガスの供給を停止する。その後、成長領域１２２では、ＮＨ3ガスとＧａＣｌガスとが反応して、高濃度ＳｉドーピングＧａＮ層１０５上に低不純物濃度ＧａＮ層１０７が成長する。
【００４４】
低不純物濃度ＧａＮ層１０７の厚さが所定の膜厚となった時点で、ガス供給管１２６からのＨＣｌガスの供給を停止し、ヒータ１２９、１３０の電源を遮断して、反応管１２１を降温する。
【００４５】
そして、成長領域１２２の温度が５００℃前後に低下するまで、ガス供給管１２４からＮＨ3ガスの供給を続け、２００℃前後まで低下後、ガス供給管１２４からのＮＨ3ガスの供給をＮ2ガスなどのパージガスに切替える。
【００４６】
この降温中に、高濃度ＳｉドーピングＧａＮ層１０５の内部または隣接する低不純物濃度ＧａＮ層１０７との界面付近において、外力を加えることなくサファイア基板１０１を剥離することができる。
【００４７】
すなわち、ＨＶＰＥ−ＧａＮ厚膜１０９は、高濃度ＳｉドーピングＧａＮ層１０５内の剥離箇所１１１において分離する。この上下の分離は外力を付加することなく生じる。剥離した高濃度ＳｉドーピングＧａＮ層１０５の一部および低不純物濃度ＧａＮ層１０７からなるＧａＮ自立基板の凹凸表面を研磨することで、最終的に平坦化したＧａＮ自立基板を作製することができる。
【００４８】
なお、上述のＧａＮ厚膜のうち、低不純物濃度ＧａＮ層１０３の厚さは、５０μｍ以上１００μｍ以下とする。また、低不純物濃度ＧａＮ層１０３の不純物濃度は、１×１０18ｃｍ-3未満とする。また、低不純物濃度ＧａＮ層１０３の成長速度は、一定の速度とする。そのため、成長時間を制御することで、低不純物濃度ＧａＮ層１０３の膜厚も精度よく制御できる。なお、低不純物濃度ＧａＮ層１０３を設けることなく、サファイア基板１０１上に直接高濃度ＳｉドーピングＧａＮ層１０５を形成してもよい。
【００４９】
高濃度ＳｉドーピングＧａＮ層１０５の厚さは、例えば１００μｍ以上５００μｍ以下とする。また、高濃度ＳｉドーピングＧａＮ層１０５の不純物濃度は、１×１０18ｃｍ-3以上であり、特に好ましくは２×１０18ｃｍ-3以上であり、最も好ましくは４×１０18ｃｍ-3以上である。高濃度ＳｉドーピングＧａＮ層１０５の不純物濃度が、これらの値以上であれば、高濃度ＳｉドーピングＧａＮ層１０５内部または高濃度ＳｉドーピングＧａＮ層１０５と低不純物濃度ＧａＮ層１０７との界面付近で、冷却過程において特に外力を加えなくても全面剥離が生じやすい。また、この不純物濃度は、上限は特に設けないが、特に好ましくは１×１０20ｃｍ-3以下である。高濃度ＳｉドーピングＧａＮ層１０５の成長速度は、一定の速度とする。そのため、成長時間を制御することで、高濃度ＳｉドーピングＧａＮ層１０５の膜厚も精度よく制御できる。
【００５０】
低不純物濃度ＧａＮ層１０７の厚さは、３００μｍ以上とする。また、低不純物濃度ＧａＮ層１０７の不純物濃度は、１×１０18ｃｍ-3未満とする。なお、低不純物濃度ＧａＮ層１０７の成長速度は、一定の速度とする。そのため、成長時間を制御することで、低不純物濃度ＧａＮ層１０７の膜厚も精度よく制御できる。また、ＨＣｌガスおよびＮＨ3ガスの供給量および分圧は、上記と同様である。
【００５１】
なお、ＨＶＰＥ−ＧａＮ厚膜１０９全体の厚さは、６００μｍ以上９００μｍ以下とする。
【００５２】
また、上記のＨＶＰＥ装置によるＧａＮ層成長後の降温速度については、図３に示すように、約８分間で１０４０℃から５００℃まで降温する。そして、約１０分間で５００℃から２００℃まで降温する。このとき、ＨＶＰＥ−ＧａＮ厚膜は、８００℃〜室温（２５℃）の範囲の温度で、高濃度ＳｉドーピングＧａＮ層１０５の内部または隣接する低不純物濃度ＧａＮ層１０７との界面付近においてクラックが生じやすい。
【００５３】
以上説明したように、本実施形態では、ＨＶＰＥ装置によるＧａＮ層の成長後の冷却過程で、高濃度ＳｉドーピングＧａＮ層１０５の内部または隣接する低不純物濃度ＧａＮ層１０７との界面付近にクラックを発生させ、サファイア基板１０１からＧａＮ層を剥離させる方式を採用している。このように温度の降下により外力を加えることなくサファイア基板１０１を剥離除去するため、損傷の少ない高品質のＧａＮ自立基板を安定的に得ることができる。また、本実施形態の方法によれば、２インチを超える大口径の自立ＧａＮ基板についても、上記と同様、損傷の少ない高品質を実現することができる。
【００５４】
<実施形態２>
図４は、実施形態２に係るサファイア基板−ＧａＮ厚膜からなる構造体の構成を模式的に示す断面図である。なお、実施形態２に係るＧａＮ基板の製造方法は、基本的には、実施形態１と同様の方法であるが、ＦＩＥＬＯ法ではなく、ＥＬＯ法により、アンドープＧａＮ層の間に、Ｓｉ高濃度ドープＧａＮ層を形成する点で異なっている。
【００５５】
上記の構造体は、サファイア基板１４１（下地基板）と、ＧａＮ厚膜と、を備える。このＧａＮ厚膜は、サファイア基板１４１の上部に設けられており、ｎ型不純物としてＳｉ元素を含有するＳｉドープＧａＮ層１４５（第一の層）を含む。また、このＧａＮ厚膜は、ＳｉドープＧａＮ層１４５の上部に設けられている、ＳｉドープＧａＮ層１４５よりもＳｉ元素の含有量の低いアンドープＧａＮ層１４７（第二の層）を含む。そして、本実施形態に係るＧａＮ自立基板は、この構造体を冷却し、ＳｉドープＧａＮ層１４５の内部またはＳｉドープＧａＮ層１４５とアンドープＧａＮ層１４７との界面付近にクラック１４６を形成することにより、サファイア基板１４１と分離して得られる。
【００５６】
この構造体を冷却すると、ＧａＮ厚膜の成膜後の温度の降下の過程で、ｎ型不純物を高濃度に含有するＳｉドープＧａＮ層１４５またはＳｉドープＧａＮ層１４５とアンドープＧａＮ層１４７との界面付近に外力を加えることなくクラック１４６が生じて、サファイア基板１４１が剥離除去される。
【００５７】
このため、サファイア基板１４１およびＧａＮ厚膜の冷却という単純な方法により、ＧａＮ基板の破損を抑制しつつ、サファイア基板１４１からＥＬＯ法により形成された結晶欠陥の少ない高品質なＧａＮ自立基板を安定的に得ることができる。
【００５８】
以下、本実施形態に係るＧａＮ自立基板の製造方法の工程について、詳細に説明する。
【００５９】
図５は、実施形態２に係るＧａＮ基板の製造方法を示す工程断面図である。まず、図５（ａ）に示すように、有機溶剤とリン酸と硫酸の混合液を用いて表面洗浄した（０００１）面から０．２°傾斜した、厚さ４３０μｍの２インチサファイア基板１４１（サファイア基板）を用意する。
【００６０】
次いで、ＭＯＣＶＤ成長装置の反応管内の基板サセプタ上にサファイア基板１４１をセットする。そして、サファイア基板１４１上に、１．５μｍ以上２μｍ以下程度の膜厚を有するアンドープＧａＮ層１４２を、ＭＯＣＶＤ法により形成する。
【００６１】
次いで、ＭＯＣＶＤ成長装置から取り出したサファイア基板１４１上のアンドープＧａＮ層１４２表面に、電子ビーム（ＥＢ）蒸着法を用いて２μｍの厚さのＳｉＯ2膜を形成する。そして、リソグラフィ技術を用いて開口部の巾が３μｍ、ＳｉＯ2膜の巾が７μｍとなるようストライプ状のＳｉＯ2マスク１４４を形成する。さらに、ＳｉＯ2マスク１４４を形成したアンドープＧａＮ層１４２表面を有機洗剤および硝酸の混合液、またはリン酸および硫酸の混合液を用いて洗浄する。
【００６２】
アンドープＧａＮ層１４２、ＳｉＯ2マスク１４４を形成したサファイア基板１４１を、図２に示すＨＶＰＥ装置の反応管１２１内の基板ホルダ１２３にセットする。このサファイア基板１４１を図中ではウェハ１３３と表示する。
【００６３】
そして、ガス供給管１２５、１２６よりＮ2ガスをパージガスとして供給して反応管１２１内をパージする。反応管１２１内に供給したパージガスは、ガス排出管１３５より排出される。反応管１２１内を十分パージした後、ガス供給管１２５、１２６から導入するガスを、Ｎ2ガスからＨ2ガス（キャリアガス）に切替えて、ヒータ１２９およびヒータ１３０により反応管１２１を昇温する。
【００６４】
成長領域１２２の温度が５００℃前後に到達した時点で、ガス供給管１２５よりキャリアガスにＮＨ3ガスを加えて供給する。引続き、図３に示すように、Ｇａ原料１２７の温度が８５０℃、成長領域１２２の温度が１０４０℃になるまで昇温を続ける。それぞれの温度が安定してから、ガス供給管１２６よりキャリアガスにＨＣｌガスを加えて供給し、Ｇａ原料１２７と反応させ、塩化ガリウム（ＧａＣｌ）を生成し成長領域１２２に輸送する。
【００６５】
成長領域１２２では、ＮＨ3ガスとＧａＣｌガスとが反応して、アンドープＧａＮ層１４２およびＳｉＯ2マスク１４４上にアンドープＧａＮ層１４３が成長する。このとき、本実施形態では、アンドープＧａＮ層１４３がファセット状に成長するＦＩＥＬＯ法ではなく、ファセットが形成されないＥＬＯ法によりアンドープＧａＮ層１４３を成長させる。具体的には、ＦＩＥＬＯ法の場合とは、Ｖ／ＩＩＩ比を変えたり、成膜温度を変えたりすることにより、ＥＬＯ法を行う。
【００６６】
アンドープＧａＮ層１４３の厚さが、図５（ｂ）に示すように、所定の膜厚となった時点で、ガス供給管１２５からＳｉＨ2Ｃｌ2ガス（ドーピングガス）の供給を行う。成長領域１２２では、ＮＨ3ガスとＧａＣｌガスとＳｉＨ2Ｃｌ2ガスとが反応して、図５（ｃ）に示すように、アンドープＧａＮ層１４３上にＳｉドープＧａＮ層１４５が成長する。
【００６７】
この際、ＳｉＨ2Ｃｌ2は低い温度でも分解してＳｉに変化する。このため、ＳｉＨ2Ｃｌ2ガスは、ＨＶＰＥ気相成長装置の上流で分解してＳｉのパーティクルとして落下して導入管内壁に付着しやすい。そこで、以下の実験例では、ＳｉＨ2Ｃｌ2ガス（３０００ｐｐｍ）にＨＣｌガスを加えて用いている。こうすることにより、ＳｉＨ2Ｃｌ2の分解が抑制され、サファイア基板上まで到達しやすくなる。
【００６８】
ＳｉドープＧａＮ層１４５の厚さが所定の膜厚となった時点で、ガス供給管１２５からＳｉＨ2Ｃｌ2ガスの供給を停止する。その後、成長領域１２２では、ＮＨ3ガスとＧａＣｌガスとが反応して、図５（ｃ）に示すように、ＳｉドープＧａＮ層１４５上にアンドープＧａＮ層１４７が成長する。
【００６９】
アンドープＧａＮ層１４７の厚さが、所定の膜厚となった時点で、ガス供給管１２６からのＨＣｌガスの供給を停止し、ヒータ１２９、１３０の電源を遮断して、反応管１２１を降温する。
【００７０】
そして、成長領域１２２の温度が５００℃前後に低下するまで、ガス供給管１２４からＮＨ3ガスの供給を続け、２００℃前後まで低下後、ガス供給管１２４からのＮＨ3ガスの供給をＮ2ガスなどのパージガスに切替える。
【００７１】
図６は、実施形態２に係るＧａＮ基板の製造方法を示す工程断面図である。
【００７２】
この降温中に、図６（ｄ）に示すように、ＳｉドーピングＧａＮ層１４５の内部または隣接するアンドープＧａＮ層１４７との界面付近においてクラック１４６が発生する。
【００７３】
そして、ＨＶＰＥ−ＧａＮ厚膜は、図６（ｅ）に示すように、クラック１４６により上下のＳｉドープＧａＮ層１４５ａ、１４５ｂに分離できる。この上下の分離は冷却により外力を加えることなく生じる。
【００７４】
その結果、図６（ｆ）に示すように、サファイア基板１４１から剥離した、ＳｉドープＧａＮ層１４５ａおよびアンドープＧａＮ層１４７からなるＧａＮ基板が得られる。なお、このＧａＮ基板の剥離された側の表面を研磨することでＳｉドープＧａＮ層１４５ａを除去し、最終的に平坦化したアンドープＧａＮ層１４７からなるＧａＮ自立基板を作製することができる。
【００７５】
上記のＧａＮ層厚において、アンドープＧａＮ層１４３の厚さは、５０μｍ以上１００μｍ以下とする。なお、アンドープＧａＮ層１４３には、Ｓｉはドープしないが、微量にＳｉが意図せず含まれる場合はある。また、アンドープＧａＮ層１４３の成長速度は、一定の速度とする。そのため、成長時間を制御することで、アンドープＧａＮ層１４３の膜厚も精度よく制御できる。なお、アンドープＧａＮ層１４３を設けることなく、サファイア基板１４１上に直接ＳｉドープＧａＮ層１４５を形成してもよい。
【００７６】
また、ＳｉドープＧａＮ層１４５の厚さは、例えば１００μｍ以上５００μｍ以下とする。また、ＳｉドープＧａＮ層１４５の不純物濃度は、例えば１×１０18ｃｍ-3以上であり、特に好ましくは２×１０18ｃｍ-3以上であり、最も好ましくは４×１０18ｃｍ-3以上である。この不純物濃度の値がこれらの値以上であれば、冷却過程において、特に外力を加えることなく全面剥離が生じやすい。また、不純物濃度の上限については、特に限定されないが、例えば１×１０20ｃｍ-3以下の濃度で充分な効果が得られる。なお、ＳｉドープＧａＮ層１４５の成長速度は、一定の速度とする。そのため、成長時間を制御することで、ＳｉドープＧａＮ層１４５の膜厚も精度よく制御できる。
【００７７】
不純物濃度の値がこれらの値以上であれば、冷却過程において、特に外力を加えることなく全面剥離が生じやすい理由は、以下の通りであると想定される。すなわち、ＧａＮ層中にＳｉをドープした場合、Ｓｉドープ量を増加するに伴って、サファイア／ＧａＮ構造体を成膜装置から取出した際の降温過程において、ＳｉドープＧａＮ層の全体にわたって欠陥が発生しやすくなる。その結果、冷却過程において、ＳｉドープＧａＮ層の全体にわたって生じた欠陥により、特に外力を加えることなく全面剥離が生じやすくなると想定される。
【００７８】
アンドープＧａＮ層１４７の厚さは、３００μｍ以上とする。アンドープＧａＮ層１４７の不純物濃度は、１×１０18ｃｍ-3未満とする。また、アンドープＧａＮ層１４７の成長速度は、一定の速度とする。そのため、成長時間を制御することで、アンドープＧａＮ層１４７の膜厚も精度よく制御できる。このとき、ＨＣｌガスおよびＮＨ3ガスの供給量および分圧は、特に変更は不要である。
【００７９】
なお、アンドープＧａＮ層１４３とＳｉドープＧａＮ層１４５とアンドープＧａＮ層１４７とからなるＨＶＰＥ−ＧａＮ厚膜全体の厚さは、例えば５００μｍ以上の膜厚とする。ＳｉドープＧａＮ層１４５はＧａＮ厚膜の中心部に対してサファイア基板１４１の側に設けられている。
【００８０】
<実施形態３>
図７は、実施形態３に係るサファイア基板−ＧａＮ厚膜からなる構造体の構成を模式的に示す断面図である。なお、実施形態３に係るＧａＮ自立基板の製造方法は、基本的には、実施形態２と同様の方法であるが、ＳｉＯ2マスク７１３上に直接ＳｉドープＧａＮ層７１４を設ける点で異なっている。
【００８１】
上記の構造体は、サファイア基板７１１（下地基板）と、ＧａＮ厚膜と、を備える。このＧａＮ厚膜は、サファイア基板７１１の上部に設けられており、ｎ型不純物としてＳｉ元素を含有するＳｉドープＧａＮ層７１４（第一の層）を含む。また、このＧａＮ厚膜は、ＳｉドープＧａＮ層７１４の上部に設けられている、ＳｉドープＧａＮ層７１４よりもＳｉ元素の含有量の低いアンドープＧａＮ層７１５（第二の層）を含む。そして、本実施形態に係るＧａＮ自立基板は、この構造体を冷却し、ＳｉドープＧａＮ層７１４の内部またはＳｉドープＧａＮ層７１４とアンドープＧａＮ層７１５との界面付近にクラックを形成することにより、サファイア基板７１１と分離して得られる。
【００８２】
この構造体を冷却すると、ＧａＮ厚膜の成膜後の温度の降下の過程で、ｎ型不純物を高濃度に含有するＳｉドープＧａＮ層７１４またはＳｉドープＧａＮ層７１４とアンドープＧａＮ層７１５との界面付近に外力を加えることなくクラックが生じて、サファイア基板７１１が剥離除去される。
【００８３】
このため、サファイア基板７１１およびＧａＮ厚膜の冷却という単純な方法により、ＧａＮ基板の破損を抑制しつつ、サファイア基板７１１からＦＩＥＬＯ法により形成された結晶欠陥の少ない高品質なＧａＮ自立基板を安定的に剥離できる。
【００８４】
以下、本実施形態に係るＧａＮ自立基板の製造方法の工程について、詳細に説明する。
【００８５】
図８は、実施形態３に係るＧａＮ自立基板の製造方法を示す工程断面図である。まず、図８（ａ）に示すように、有機溶剤とリン酸と硫酸との混合液を用いて表面洗浄した（０００１）面から０．２°傾斜した、厚さ４３０μｍの２インチサファイア基板７１１（サファイア基板）を用意する。
【００８６】
次いで、ＭＯＣＶＤ成長装置の反応管内の基板サセプタ上にサファイア基板７１１をセットする。そして、サファイア基板７１１上に、１．５μｍ以上２μｍ以下程度の膜厚を有するアンドープＧａＮ層７１２を、ＭＯＣＶＤ法により形成する。
【００８７】
次いで、ＭＯＣＶＤ成長装置から取り出したサファイア基板７１１上のアンドープＧａＮ層７１２表面に、電子ビーム（ＥＢ）蒸着法を用いて２μｍの厚さのＳｉＯ2膜を形成する。そして、リソグラフィ技術を用いて開口部の巾が３μｍ、ＳｉＯ2膜の巾が７μｍとなるようストライプ状のＳｉＯ2マスク７１３を形成した。さらに、ＳｉＯ2マスク７１３を形成したアンドープＧａＮ層７１２表面を有機洗剤および硝酸の混合液、またはリン酸および硫酸の混合液を用いて洗浄する。
【００８８】
アンドープＧａＮ層７１２、ＳｉＯ2マスク７１３を形成したサファイア基板７１１を、図２に示すＨＶＰＥ装置の反応管１２１内の基板ホルダ１２３にセットする。このサファイア基板７１１を図中ではウェハ１３３と表示する。
【００８９】
そして、ガス供給管１２５、１２６よりＮ2ガスをパージガスとして供給して反応管１２１内をパージする。反応管１２１内に供給したパージガスは、ガス排出管１３５より排出される。反応管１２１内を十分パージした後、ガス供給管１２５、１２６から導入するガスを、Ｈ2ガス（キャリアガス）に切替えて、ヒータ１２９およびヒータ１３０により反応管１２１を昇温する。
【００９０】
成長領域１２２の温度が５００℃前後に到達した時点で、ガス供給管１２５よりキャリアガスにＮＨ3ガスを加えて供給する。引続き、図３に示すように、Ｇａ原料１２７の温度が８５０℃、成長領域１２２の温度が１０４０℃になるまで昇温を続ける。それぞれの温度が安定してから、ガス供給管１２６よりキャリアガスにＨＣｌガスを加えて供給し、Ｇａ原料１２７と反応させ、塩化ガリウム（ＧａＣｌ）を生成し成長領域１２２に輸送する。また、このとき、ガス供給管１２５からＳｉＨ2Ｃｌ2ガス（ドーピングガス）の供給を行う。
【００９１】
成長領域１２２では、ＮＨ3ガスとＧａＣｌガスとＳｉＨ2Ｃｌ2ガスとが反応して、アンドープＧａＮ層７１２およびＳｉＯ2マスク７１３上にＳｉドープＧａＮ層７１４が成長する。このとき、本実施形態では、ＳｉドープＧａＮ層７１４がファセット状に成長するＦＩＥＬＯ法によりＳｉドープＧａＮ層７１４を成長させる。
【００９２】
この際、ＳｉＨ2Ｃｌ2は低い温度でも分解してＳｉに変化する。このため、ＳｉＨ2Ｃｌ2ガスは、ＨＶＰＥ気相成長装置の上流で分解してＳｉのパーティクルとして落下して導入管内壁に付着しやすい。そこで、以下の実験例では、ＳｉＨ2Ｃｌ2ガス（３０００ｐｐｍ）にＨＣｌガスを加えて用いている。こうすることにより、ＳｉＨ2Ｃｌ2の分解が抑制され、サファイア基板上まで到達しやすくなる。
【００９３】
ＳｉドープＧａＮ層７１４の厚さが所定の膜厚となった時点で、ガス供給管１２５からＳｉＨ2Ｃｌ2ガスの供給を停止する。その後、成長領域１２２では、ＮＨ3ガスとＧａＣｌガスとが反応して、図８（ｃ）に示すように、ＳｉドープＧａＮ層７１４上にアンドープＧａＮ層７１５が成長する。
【００９４】
アンドープＧａＮ層７１５の厚さが、所定の膜厚となった時点で、ガス供給管１２６からのＨＣｌガスの供給を停止し、ヒータ１２９、１３０の電源を遮断して、反応管１２１を降温する。
【００９５】
そして、成長領域１２２の温度が５００℃前後に低下するまで、ガス供給管１２４からＮＨ3ガスの供給を続け、２００℃前後まで低下後、ガス供給管１２４からのＮＨ3ガスの供給をＮ2ガスなどのパージガスに切替える。
【００９６】
この降温中に、ＳｉドープＧａＮ層７１４の内部または隣接するアンドープＧａＮ層７１５との界面付近においてクラックが発生する。
【００９７】
そして、ＨＶＰＥ−ＧａＮ厚膜は、図８（ｄ）に示すように、クラックにより上下のＳｉドープＧａＮ層７１４ａ、７１４ｂに分離できる。この上下の分離は冷却により外力を加えることなく生じる。
【００９８】
その結果、サファイア基板７１１から剥離した、ＳｉドープＧａＮ層７１４ａおよびアンドープＧａＮ層７１５からなるＧａＮ自立基板が得られる。なお、このＧａＮ自立基板の剥離された側の表面を研磨することでＳｉドープＧａＮ層７１４ａを除去し、最終的に平坦化したアンドープＧａＮ層７１５からなるＧａＮ自立基板を作製することができる。
【００９９】
上記のＧａＮ厚膜においてＳｉドープＧａＮ層７１４の厚さは、例えば１００μｍ以上５００μｍ以下とする。また、ＳｉドープＧａＮ層７１４の不純物濃度は、例えば２×１０18ｃｍ-3以上であり、特に好ましくは４×１０18ｃｍ-3以上である。この不純物濃度の値がこれらの値以上であれば、冷却過程において、特に外力を加えることなく全面剥離が生じやすい。また、この不純物濃度は、特に限定を設けないが、特に好ましくは１×１０20ｃｍ-3以下である。なお、ＳｉドープＧａＮ層７１４の成長速度は、一定の速度とする。そのため、成長時間を制御することで、ＳｉドープＧａＮ層７１４の膜厚も精度よく制御できる。
【０１００】
アンドープＧａＮ層７１５の厚さｄは、３００μｍ以上とする。アンドープＧａＮ層７１５の不純物濃度は、１×１０18ｃｍ-3未満とする。また、アンドープＧａＮ層７１５の成長速度は、一定の速度とする。そのため、成長時間を制御することで、アンドープＧａＮ層７１５の膜厚も精度よく制御できる。このとき、ＨＣｌガスおよびＮＨ3ガスの供給量および分圧は、特に変更は不要である。
【０１０１】
なお、ＳｉドープＧａＮ層７１４とアンドープＧａＮ層７１５とからなるＨＶＰＥ−ＧａＮ厚膜全体の厚さＤは、例えば５００μｍ以上の膜厚とする。ＳｉドープＧａＮ層７１４はＧａＮ厚膜の中心部に対してサファイア基板７１１の側に設けられている。
【０１０２】
本実施形態に係るＧａＮ自立基板の製造方法によれば、実施形態１の場合と同様に、本実施形態では、以下の作用効果が得られる。すなわち、ＨＶＰＥ装置によるＧａＮ層の成長後の冷却過程で、ＳｉドープＧａＮ層７１４の内部または隣接するアンドープＧａＮ層７１５との界面付近にクラックを発生させ、サファイア基板７１１からＧａＮ層を剥離させる方式を採用している。このように温度の降下により外力を加えることなくサファイア基板７１１を剥離除去するため、損傷の少ない高品質のＧａＮ自立基板を安定的に得ることができる。
【０１０３】
以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。
【０１０４】
上記の実施形態では、ＳｉＯ2マスクの方向をサファイア基板などの下地基板の（１−１００）方向に形成したが、（１１−２０）方向に形成しても同様な効果が得られる。
【０１０５】
さらに、上記の実施形態では、サファイア基板は４３０μｍの厚さを用いたが、成長するＧａＮ層の厚さと関係で、冷却過程において、高濃度Ｓｉドープ層に最も応力がかかるように、サファイア基板の厚さを適宜設定することができる。
【０１０６】
さらに、上記の実施形態では、下地基板にサファイア基板を用いたが、他にもＳｉＣやシリコン基板などの異種材料基板を好適に用いることができる。
【０１０７】
また、上記の実施形態では、冷却により外力を付加することなしにクラックが形成され下地基板が全面剥離する態様について説明したが、必ずしも冷却過程で全面剥離しなくてもよい。この場合においても、剥離のために付与する外力を最小限にすることができ、損傷の少ない高品質のＧａＮ自立基板を安定的に得ることができる。
【０１０８】
また、上記の実施形態では、特定の膜厚の半導体膜を、特定の製造条件で形成したが、特に限定する趣旨ではない。すなわち、上記の膜厚および製造条件は単なる例示に過ぎず、形成する半導体膜の構造または組成に応じて適宜変更が可能である。
【０１０９】
また、上記のＳｉＯ2マスク１４４近傍のアンドープＧａＮ層１４３は、実際にはある程度Ｓｉ拡散して、微量の不純物を含むと考えられる。しかし、アンドープＧａＮ層１４３およびアンドープＧａＮ層１４７のＳｉ元素濃度が、１×１０18ｃｍ-3未満であれば、ＳｉドープＧａＮ層１４５とのＳｉ元素濃度の濃度差を充分に大きく確保することが可能である。このため、冷却により、ＳｉドープＧａＮ層１４５内部または隣接するアンドープＧａＮ層１４７との界面付近に、クラック１４６が外力を加えることなく発生し、ＧａＮ厚膜が上下に全面剥離しやすくなる。
【０１１０】
また、上記実施形態では、ドーピング原料ガスとして、ＳｉＨ2Ｃｌ2ガスを用いたが、Ｓｉ元素およびハロゲン元素を含む化合物を含有するガスであってもよい。この中でも、Ｓｉ元素およびＣｌ元素を含む化合物を含有するガスを用いることが好ましい。
【０１１１】
また、上記実施形態では、ドーピング原料ガスとして、ＳｉＨ2Ｃｌ2ガスを用いたが、ＳｉＨxＣｌ4-X（ｘ＝１、２、３）またこれらの混合物でもよく、またＳｉドーピングを行う窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体が、ＩｎxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）、ＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）またはＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ＋ｙ≦１）のいずれの窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体でもよく、それらが層状構造になったものでもよい。
【０１１２】
また、上記実験例では、サファイア基板−ＧａＮ厚膜からなる構造体を作製し、この構造体を冷却する過程で高濃度ＳｉドープＧａＮ層中にクラックを発生させ、下地基板を剥離除去することにより、サファイア基板を除去してＧａＮ基板を得る方法について説明したが、このような方法に限定する趣旨ではない。
【０１１３】
サファイア基板−ＧａＮ厚膜からなる構造体上に半導体レーザや、発光ダイオード等の発光素子、さらには電界効果トランジスタ等の電子デバイスを作製した後に、これらを冷却する過程で高濃度ＳｉドープＧａＮ層中に下地基板を除去することにより、サファイア基板を除去して電子デバイスを得る方法も本発明の範囲に含まれる。
【実施例】
【０１１４】
サファイア基板上にＧａＮ厚膜を成長させ、冷却によりＧａＮ厚膜中にクラックを生じさせ、サファイア基板を剥離除去することにより、下記の実験例におけるＧａＮ自立基板を作製して、剥離具合を評価した。
【０１１５】
以下、まずは実験サンプルの作製方法および評価方法について説明した後、各々の実験例について詳しく説明する。
【０１１６】
<実験例１〜３のサンプル作製方法>
実験例１〜３に用いるサンプルを作製するための、サファイア基板上へのＧａＮ厚膜の成長は、実施形態２で説明した方法を用いて行った。具体的な成長条件を以下に説明する。
【０１１７】
サファイア基板としては、ＳｉＯ2ストライプマスク付きサファイア／ＧａＮ構造体（厚さ４３０μｍ）を用いた。そして、図２に示したようなＨＶＰＥ気相成長装置を用いて、以下のＧａＮ厚膜の成長を行った。
【０１１８】
図３に示すような温度プロファイルにより、気相成長装置内を室温から１０４０℃まで上昇させ、サファイア基板上にアンドープＧａＮ層を形成した。さらに、同じ温度で高濃度ＳｉドープＧａＮ層を形成した。そして、同じ温度でアンドープＧａＮ層を形成した。この際、成長時間を所定の時間とすることで、それぞれの膜厚を制御した。
【０１１９】
具体的には、Ｇａ上ＨＣｌガスの流量を８０ｃｃ／ｍｉｎ、分圧０．０１〜０．０１５ａｔｍとし、ＮＨ3ガスの流量を１２００ｃｃ／ｍｉｎ、分圧０．１５ａｔｍとし、Ｈ2ガスの流量を６８００ｃｃ／ｍｉｎ以下として、ＨＶＰＥ法によるＧａＮ層の成長を行った。
【０１２０】
また、高濃度ＳｉドープＧａＮ層の成長の際には、ＨＣｌガスをキャリアガスとして、ＳｉＨ2Ｃｌ2ガス（３０００ｐｐｍ）を、流量２〜４ｃｃ／ｍｉｎ、分圧７．５×１０-7〜４×１０-6ａｔｍとしてＨＶＰＥ法によりＧａＮ層にＳｉをドープした。なお、その結果、高不純物濃度層（Ｓｉドープ層）の不純物濃度を２〜３×１０18ｃｍ-3程度あるいはそれ以上に制御できた。一方、低不純物濃度層（アンドープ層）の不純物濃度を０．５〜１×１０18ｃｍ-3あるいはそれ以下、実際には１×１０16ｃｍ-3以上１×１０17ｃｍ-3以下程度に制御できた。
【０１２１】
この際、ＨＶＰＥ法によるＧａＮ層の成長速度を１００μｍ／ｈ以下として、ＧａＮ層厚（全厚さ）が６５０〜８５０μｍとなるまで気相成長を続けた。ＧａＮ層厚が５００μｍ未満では剥離が生じにくいためである。
【０１２２】
上記の成膜によりサファイア基板上にＧａＮ厚膜を形成した後、図３の温度プロファイルに示すように、気相成長装置内を１０４０℃から冷却し、高濃度ＳｉドープＧａＮ層の内部または界面でクラックを生じさせた。冷却により生じたクラックを用いて下地基板を剥離除去した。
【０１２３】
そして、上側の剥離されたＧａＮ層の様子を観察し、サファイア基板上に残った下側のＧａＮ層の様子を観察し、下側のＧａＮ層の厚みを測定して、剥離具合を評価した。
【０１２４】
<実験例１の評価結果>
図９は、実験例１の評価結果を説明するために示す残存ＧａＮ層の膜厚測定結果を示すグラフおよびＧａＮ厚膜の断面図である。
【０１２５】
図９（ｂ）は、ＧａＮ厚膜のそれぞれのＧａＮ層の厚みを模式的に示す断面図である。
【０１２６】
実験例１では、ＳｉＯ2ストライプマスク付きサファイア／ＧａＮ構造体上に、ＨＶＰＥ装置により、アンドープＧａＮ層５１μｍ、Ｓｉドープｎ+ＧａＮ層２５５μｍ、アンドープＧａＮ層３５８μｍを順に形成した。成長ＧａＮ厚膜全体の厚さは、６６４μｍとした。
【０１２７】
そして得られたサファイア／ＧａＮ構造体を冷却したところ、ＧａＮ層にクラックが生じ、サファイア基板が全面にわたって剥離除去された。
【０１２８】
図９（ａ）は、クラックにより分離されたサファイア基板側の残存ＧａＮ層（ＨＶＰＥ−ＧａＮ層）の厚さの測定結果を示すグラフである。図９（ａ）の横軸は、ＧａＮ基板の中心からの距離（ｍｍ）を表し、縦軸は、ＧａＮ層厚（μｍ）を表す。
【０１２９】
図９（ａ）に示すように、サファイア基板側に残存するＧａＮ厚さの計算による平均値は、約１３３μｍであり、高濃度ＳｉドープＧａＮ層中にクラックが形成されることにより、サファイア基板が剥離除去されていた。
【０１３０】
<実験例２の評価結果>
図１０は、実験例２の評価結果を説明するために示す残存ＧａＮ層の膜厚測定結果を示すグラフおよびＧａＮ厚膜の断面図である。
【０１３１】
図１０（ｂ）は、ＧａＮ厚膜のそれぞれのＧａＮ層の厚みを模式的に示す断面図である。
【０１３２】
実験例２では、ＳｉＯ2ストライプマスク付きサファイア／ＧａＮ構造体上に、ＨＶＰＥ装置により、アンドープＧａＮ層５２μｍ、Ｓｉドープｎ+ＧａＮ層１５７μｍ、アンドープＧａＮ層４７１μｍを順に形成した。
【０１３３】
そして、得られたサファイア／ＧａＮ構造体を冷却したところ、ＧａＮ層にクラックが生じ、サファイア基板が全面にわたって剥離除去された。
【０１３４】
図１０（ａ）は、クラックが生じた箇所により分離されたサファイア基板側の残存ＧａＮ層（ＨＶＰＥ−ＧａＮ層）の厚さの測定結果を示すグラフである。なお、図１０（ａ）の横軸は、ＧａＮ基板の中心からの距離（ｍｍ）を表し、縦軸は、ＧａＮ層厚（μｍ）を表す。
【０１３５】
また、図１０（ａ）に示すように、サファイア基板側に残存するＧａＮ厚さの計算による平均値は、約１３３μｍであり、高濃度ＳｉドープＧａＮ層中にクラックが形成されることにより、サファイア基板が剥離除去されていた。
【０１３６】
<実験例３の評価結果>
図１１は、実験例３の評価結果を説明するために示す残存ＧａＮ層の膜厚測定結果を示すグラフおよびＧａＮ厚膜の断面図である。
【０１３７】
図１１（ｂ）は、ＧａＮ厚膜のそれぞれのＧａＮ層の厚みを模式的に示す断面図である。
【０１３８】
実験例３では、ＳｉＯ2ストライプマスク付きサファイア／ＧａＮ構造体上に、ＨＶＰＥ法により、アンドープＧａＮ層５２μｍ、Ｓｉドープｎ+ＧａＮ層１５６μｍ、アンドープＧａＮ層６２６μｍを順に形成した。
【０１３９】
そして、得られたサファイア／ＧａＮ構造体を冷却したところ、ＧａＮ層にクラックが生じ、サファイア基板が全面にわたって剥離除去された。
【０１４０】
図１１（ａ）は、クラックが生じた箇所において分離されたサファイア基板側の残存ＧａＮ層（ＨＶＰＥ−ＧａＮ層）の厚さの測定結果を示すグラフである。なお、図１１（ａ）の横軸は、ＧａＮ基板の中心からの距離（ｍｍ）を表し、縦軸は、ＧａＮ層厚（μｍ）を表す。
【０１４１】
また、図１１（ａ）に示すように、サファイア基板側に残存するＧａＮ厚さの計算による平均値は、約２１８μｍであり、高濃度ＳｉドープＧａＮ層とその上のアンドープＧａＮ層との界面を超えて、界面近傍のアンドープＧａＮ層側に形成されていた。なお、クラックが生じた箇所のうち一部は、高濃度ＳｉドープＧａＮ層とその上のアンドープＧａＮ層との界面を超え、界面近傍の高濃度ＳｉドープＧａＮ層中に形成されていた。
【０１４２】
<実験例４のサンプル作製方法>
実験例４に用いるサンプルを作製するための、サファイア基板上へのＧａＮ厚膜の成長は、実施形態３で説明した方法を用いて行った。具体的な成長条件を以下に説明する。
【０１４３】
サファイア基板としては、ＳｉＯ2ストライプマスク付きサファイア／ＧａＮ構造体（厚さ４３０μｍ）を用いた。そして、図２に示したようなＨＶＰＥ気相成長装置を用いて、気相成長装置内を室温から１０４０℃まで上昇させ、ＳｉＯ2ストライプマスク付きサファイア／ＧａＮ構造体上に、直接高濃度ＳｉドープＧａＮ層を形成した。そして、同じ温度でアンドープＧａＮ層を形成した。この際、成長時間を所定の時間とすることで、それぞれの膜厚を制御した。
【０１４４】
具体的には、Ｇａ上ＨＣｌガスの流量を８０ｃｃ／ｍｉｎ、分圧０．０１〜０．０１５ａｔｍとし、ＮＨ3ガスの流量を１２００ｃｃ／ｍｉｎ、分圧０．１５ａｔｍとし、Ｈ2ガスの流量を６８００ｃｃ／ｍｉｎ以下として、ＨＶＰＥ法によるＧａＮ層の成長を行った。
【０１４５】
また、高濃度ＳｉドープＧａＮ層の成長の際には、ＨＣｌガスをキャリアガスとして、ＳｉＨ2Ｃｌ2ガス（３０００ｐｐｍ）を、流量２〜４ｃｃ／ｍｉｎ、分圧７．５×１０-7〜４×１０-6ａｔｍとしてＨＶＰＥ法によりＧａＮ層にＳｉをドープした。なお、その結果、高不純物濃度層（Ｓｉドープ層）の不純物濃度を２〜３×１０18ｃｍ-3程度あるいはそれ以上に制御できた。一方、低不純物濃度層（アンドープ層）の不純物濃度を０．５〜１×１０18ｃｍ-3あるいはそれ以下、実際には１×１０16ｃｍ-3以上１×１０17ｃｍ-3以下程度に制御できた。
【０１４６】
この際、ＨＶＰＥ法によるＧａＮ層の成長速度を１００μｍ／ｈ以下として、ＧａＮ層厚（全厚さＤ）が６００〜１５００μｍとなるまで気相成長を続けた。ＧａＮ層厚（全厚さＤ）が５００μｍ未満では剥離が生じにくいためである。
【０１４７】
上記の成膜によりサファイア基板上にＧａＮ厚膜を形成した後、気相成長装置内を１０４０℃から冷却し、高濃度ＳｉドープＧａＮ層の内部または界面付近でクラックを生じさせた。冷却により生じたクラックを用いて下地基板を剥離除去した。
【０１４８】
サンプルのバリエーションとしては、上記の実験サンプルの作製方法により、ＳｉドープＧａＮ層７１４の膜厚を３５０μｍとし、ＳｉドープＧａＮ層７１４上に形成されるアンドープＧａＮ層７１５の膜厚ｄを可変として、様々なＧａ厚膜の全体膜厚Ｄ（ＳｉドープＧａＮ層７１４の膜厚３５０μｍ＋アンドープＧａＮ層７１５の膜厚ｄ）からなるサンプルを作製した。
【０１４９】
そして、上側の剥離されたＧａＮ層の様子を観察し、サファイア基板上に残った下側のＧａＮ層の様子を観察し、下側のＧａＮ層の厚みを測定して、剥離具合を評価した。
【０１５０】
<実験例４の評価結果>
図１２は、実験例４によりサファイア／ＧａＮ構造体からサファイア基板７１１を剥離除去した結果を示すグラフである。横軸は、Ｇａ厚膜の全体膜厚Ｄ（ｍｍ）を示す。縦軸は、サファイア／ＧａＮ構造体からサファイア基板を剥離除去した後にサファイア基板７１１上に残るＧａＮ層の残膜厚（ｍｍ）を示す。
【０１５１】
上記の実験例の結果からわかるように、Ｇａ厚膜の全体膜厚Ｄ（ｍｍ）が増加するのにしたがって、残膜厚（ｍｍ）も増加する傾向があることがわかる。また、剥離が生じる層は、ＳｉドープＧａＮ層７１４の内部またはＳｉドープＧａＮ層７１４とアンドープＧａＮ層７１５との界面付近であることがわかる。
【０１５２】
また、図示しないが、このように、ＳｉドープＧａＮ層７１４とアンドープＧａＮ層７１５との界面付近で剥離したサンプルの剥離面は、いずれも剥離表面における割れの発生が抑制されていた。また、ＨＶＰＥ装置からサンプルを取り出した際の冷却過程において、特に外力を加えることなく、全面にわたってサファイア基板７１１を剥離除去することができた。
【０１５３】
すなわち、本実験例によれば、サファイア基板７１１上に、高濃度ＳｉドープＧａＮ層７１４、アンドープＧａＮ層７１５、を順に含むＧａＮ厚膜を成長させ、得られたサファイア／ＧａＮ構造体を冷却すると、高濃度ＳｉドープＧａＮ層７１４内部、または高濃度ＳｉドープＧａＮ層７１４とその上のアンドープＧａＮ層７１５との界面付近において、クラックが発生する。その結果、特に大きな外力を加えることなく、クラックが生じた箇所でサファイア基板を剥離除去することができる。このため、高品質なＧａＮ自立基板を安定的に得ることができる。
【０１５４】
以上、本発明を実験例に基づいて説明した。この実験例はあくまで例示であり、種々の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。
【０１５５】
例えば、上記の実験例では、ＳｉドープＧａＮ層７１４の膜厚を３５０μｍとしたが、本発明に用いるサファイア／ＧａＮ構造体のＳｉドープＧａＮ層７１４の膜厚は、この値に限定されない。
【０１５６】
また、上記の実験例では、ＧａＮ厚膜の全体膜厚を０．６ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲としてサンプルの評価を行ったが、本発明に用いるサファイア／ＧａＮ構造体のＧａＮ厚膜の全体膜厚は、この範囲に限定されない。すなわち、サファイア／ＧａＮ構造体のＧａＮ厚膜の全体膜厚は、特に上限はなく、１．５ｍｍを超えてもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１５７】
【図１】実施形態１に係るＧａＮ基板の製造方法を示す工程断面図である。
【図２】実施形態１および２に係るＧａＮ基板の製造に用いる気相成長装置の構造を示す断面図である。
【図３】実施形態１および２に係るＧａＮ基板の製造方法におけるＧａＮ層の成長温度プロファイルを示すグラフである。
【図４】実施形態２に係るサファイア／ＧａＮ構造体の構成を模式的に示す断面図である。
【図５】実施形態２に係るＧａＮ基板の製造方法を示す工程断面図である。
【図６】実施形態２に係るＧａＮ基板の製造方法を示す工程断面図である。
【図７】実施形態３に係るサファイア／ＧａＮ構造体の構成を模式的に示す断面図である。
【図８】実施形態３に係るＧａＮ基板の製造方法を示す工程断面図である。
【図９】実験例１に用いたサファイア／ＧａＮ構造体の断面図およびそのサファイア／ＧａＮ構造体からサファイア基板を剥離除去した結果を示すグラフである。
【図１０】実験例２に用いたサファイア／ＧａＮ構造体の断面図およびそのサファイア／ＧａＮ構造体からサファイア基板を剥離除去した結果を示すグラフである。
【図１１】実験例３に用いたサファイア／ＧａＮ構造体の断面図およびそのサファイア／ＧａＮ構造体からサファイア基板を剥離除去した結果を示すグラフである。
【図１２】実験例４によりサファイア／ＧａＮ構造体からサファイア基板を剥離除去した結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【０１５８】
１０１  サファイア基板
１０３  低不純物濃度ＧａＮ層
１０５  高濃度ＳｉドーピングＧａＮ層
１０７  低不純物濃度ＧａＮ層
１０９  ＨＶＰＥ−ＧａＮ厚膜
１１１  剥離箇所
１１３  剥離方向
１２０  ＨＶＰＥ装置
１２１  反応管
１２２  成長領域
１２３  基板ホルダ
１２４  ガス供給管
１２５  ガス供給管
１２６  ガス供給管
１２７  Ｇａ原料
１２８  ソースボート
１２９  ヒータ
１３０  ヒータ
１３２  回転軸
１３３  ウエハ
１３５  ガス排出管
１３６  遮蔽板
１３７  窒素原料ガス供給部
１３９  ＩＩＩ族原料ガス供給部
１４１  サファイア基板
１４２  アンドープＧａＮ層
１４３  アンドープＧａＮ層
１４４  ＳｉＯ2マスク
１４５  ＳｉドープＧａＮ層
１４６  クラック
１４７  アンドープＧａＮ層
７１１  サファイア基板
７１２  アンドープＧａＮ層
７１３  ＳｉＯ2マスク
７１４  ＳｉドープＧａＮ層
７１５  アンドープＧａＮ層
ｄ  アンドープＧａＮ層の膜厚
Ｄ  ＧａＮ厚膜の全体膜厚
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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