(57)【要約】【課題】セラミック基板上にIII族窒化物系化合物半導体層を接合する。【解決手段】窒化ガリウム基板１０は、ガリウム極性のｃ面１０Gaと窒素極性のｃ面１０Nを有する（１．Ａ）。１０N側から水素イオンを注入して変質層（変質領域）１９を形成した。変質層（変質領域）１９を有する窒化ガリウム基板１０’は、変質層（変質領域）１９により薄膜部１０ｆと残部である厚膜部１０ｒとに分けられた（１．Ｂ）。薄膜部１０ｆの表面に、誘電体層３１を形成した（１．Ｃ）。支持基板となるセラミック基板２０−１を加熱と共に加圧接合した（１．Ｄ）。更に加熱して、変質層（変質領域）１９を破壊し、厚膜部１０ｒが分離され、支持基板であるセラミック基板２０−１とそれに接合した誘電体層３１とその上に接合した厚さ薄膜部１０ｆの構成の、ウエハ（テンプレート基板）１００−１が得られた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持基板上にIII族窒化物系化合物半導体層が設けられたウエハであって、
前記支持基板は、その表面にIII族窒化物系化合物半導体がエピタキシャル成長しない異種基板から成り、
前記異種基板の表面に接合した誘電体層と、
前記誘電体層の上に接合したIII族窒化物系化合物半導体からなる少なくとも１つの層を有することを特徴とするウエハ。
【請求項２】
支持基板上にIII族窒化物系化合物半導体層が設けられたウエハであって、
前記支持基板はセラミック焼結体から成るセラミック基板であり、
前記セラミック基板の表面に接合した、前記セラミック基板を構成する化合物とは異なる無機酸化物又は無機窒化物からなる誘電体層と、
前記誘電体層の上に接合したIII族窒化物系化合物半導体からなる少なくとも１つの層を有することを特徴とするウエハ。
【請求項３】
前記セラミック基板は、窒化アルミニウム焼結体、炭化ケイ素焼結体、酸化マグネシウム焼結体又は酸化アルミニウム焼結体から成り、
前記誘電体層は酸化ケイ素又は窒化ケイ素から成ることを特徴とする請求項２に記載のウエハ。
【請求項４】
支持基板上に設けられたIII族窒化物系化合物半導体素子であって、
前記支持基板は、その表面にIII族窒化物系化合物半導体がエピタキシャル成長しない異種基板から成り、
前記異種基板の表面に接合した誘電体層と、
前記誘電体層の上に接合したIII族窒化物系化合物半導体からなる少なくとも１つの層を有することを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体素子。
【請求項５】
III族窒化物系化合物半導体の、エピタキシャル成長された積層構造の総膜厚は２μｍ以下であることを特徴とする請求項４に記載のIII族窒化物系化合物半導体素子。
【請求項６】
支持基板上に設けられたIII族窒化物系化合物半導体素子であって、
前記支持基板はセラミック焼結体から成るセラミック基板であり、
前記セラミック基板の表面に接合した、前記セラミック基板を構成する化合物とは異なる無機酸化物又は無機窒化物からなる誘電体層と、
前記誘電体層の上に接合したIII族窒化物系化合物半導体からなる少なくとも１つの層を有することを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体素子。
【請求項７】
III族窒化物系化合物半導体の、エピタキシャル成長された積層構造の総膜厚は２μｍ以下であることを特徴とする請求項６に記載のIII族窒化物系化合物半導体素子。
【請求項８】
前記セラミック基板は、窒化アルミニウム焼結体、炭化ケイ素焼結体、酸化マグネシウム焼結体又は酸化アルミニウム焼結体から成り、
前記誘電体層は酸化ケイ素又は窒化ケイ素から成ることを特徴とする請求項６又は請求項７に記載のIII族窒化物系化合物半導体素子。
【請求項９】
前記セラミック基板は、熱伝導率が２０Ｗｍ-1Ｋ-1以上であることを特徴とする請求項６乃至請求項８のいずれか１項に記載のIII族窒化物系化合物半導体素子。
【請求項１０】
電界効果トランジスタであることを特徴とする請求項９に記載のIII族窒化物系化合物半導体素子。
【請求項１１】
前記セラミック基板は、光散乱性の白色基板であることを特徴とする請求項６乃至請求項８のいずれか１項に記載のIII族窒化物系化合物半導体素子。
【請求項１２】
発光素子であることを特徴とする請求項１１に記載のIII族窒化物系化合物半導体素子。
【請求項１３】
請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のウエハの製造方法において、
板状のIII族窒化物系化合物半導体結晶の一方の主面から所望の深さに水素イオン又は希ガスイオンをイオン注入して、薄膜状の変質領域を形成するイオン注入工程と、
前記支持基板の表面に前記誘電体層を形成する支持基板面誘電体層形成工程と、
前記板状のIII族窒化物系化合物半導体結晶の前記主面と、前記支持基板上の前記誘電体層とを接合する接合工程と、
前記変質領域を分断することにより前記板状のIII族窒化物系化合物半導体結晶の大部分を取り外して、前記支持基板上の前記誘電体層と接合した前記III族窒化物系化合物半導体結晶の薄膜を有するウエハを得る分離工程とを有することを特徴とするウエハの製造方法。
【請求項１４】
請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のウエハの製造方法において、
板状のIII族窒化物系化合物半導体結晶の一方の主面から所望の深さに水素イオン又は希ガスイオンをイオン注入して、薄膜状の変質領域を形成するイオン注入工程と、
前記板状のIII族窒化物系化合物半導体結晶の前記主面上に前記誘電体層を形成する結晶面誘電体層形成工程と、
前記板状のIII族窒化物系化合物半導体結晶の上の前記誘電体層と、前記支持基板とを接合する接合工程と、
前記変質領域を分断することにより前記板状のIII族窒化物系化合物半導体結晶の大部分を取り外して、前記支持基板上の前記誘電体層と接合した前記III族窒化物系化合物半導体結晶の薄膜を有するウエハを得る分離工程とを有することを特徴とするウエハの製造方法。
【請求項１５】
請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のウエハの製造方法において、
板状のIII族窒化物系化合物半導体結晶の一方の主面から所望の深さに水素イオン又は希ガスイオンをイオン注入して、薄膜状の変質領域を形成するイオン注入工程と、
前記板状のIII族窒化物系化合物半導体結晶の前記主面上に前記誘電体層を形成する結晶面誘電体層形成工程と、
前記支持基板の表面に前記誘電体層を形成する支持基板面誘電体層形成工程と、
前記板状のIII族窒化物系化合物半導体結晶の前記誘電体層と、前記支持基板上の前記誘電体層とを接合する接合工程と、
前記変質領域を分断することにより前記板状のIII族窒化物系化合物半導体結晶の大部分を取り外して、前記支持基板上の前記誘電体層と接合した前記III族窒化物系化合物半導体結晶の薄膜を有するウエハを得る分離工程とを有することを特徴とするウエハの製造方法。
【請求項１６】
前記板状のIII族窒化物系化合物半導体結晶の前記主面は、窒素極性側のｃ面であることを特徴とする請求項１３乃至請求項１５のいずれか１項に記載のウエハの製造方法。
【請求項１７】
請求項４乃至請求項１２のいずれか１項に記載のIII族窒化物系化合物半導体素子の製造方法であって、
請求項１３乃至請求項１６のいずれか１項に記載のウエハの製造方法によって得られたウエハを用い、
前記支持基板上の前記誘電体層と接合した前記III族窒化物系化合物半導体結晶の薄膜表面を平滑化又は洗浄したのちに、所望の組成及び膜厚の複数層のIII族窒化物系化合物半導体層をエピタキシャル成長により積層して形成する工程を有することを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体素子の製造方法。
【請求項１８】
支持基板上にIII族窒化物系化合物半導体層が設けられたウエハの製造方法であって、
板状のIII族窒化物系化合物半導体結晶の一方の主面から所望の深さに水素イオン又は希ガスイオンをイオン注入して、薄膜状の変質領域を形成するイオン注入工程と、
前記板状のIII族窒化物系化合物半導体結晶の前記主面と、前記支持基板の表面の少なくとも一方に、誘電体層を形成する誘電体層形成工程と、
前記板状のIII族窒化物系化合物半導体結晶と前記支持基板とを前記誘電体層を介して接合する接合工程と、
前記変質領域を分断することにより前記板状のIII族窒化物系化合物半導体結晶の大部分を取り外して、前記支持基板上に前記誘電体層を介して接合した前記III族窒化物系化合物半導体結晶の薄膜を有するウエハを得る分離工程とを有することを特徴とするウエハの製造方法。
【請求項１９】
III族窒化物系化合物半導体素子の製造方法であって、
請求項１８に記載のウエハの製造方法によって得られたウエハを用い、
前記支持基板上の前記誘電体層と接合した前記III族窒化物系化合物半導体結晶の薄膜表面を平滑化又は洗浄したのちに、所望の組成及び膜厚の複数層のIII族窒化物系化合物半導体層をエピタキシャル成長により積層して形成する工程を有することを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体素子の製造方法。
【請求項２０】
前記エピタキシャル成長により形成されるIII族窒化物系化合物半導体層の総膜厚は、２μｍ以下であることを特徴とする請求項１７又は請求項１９に記載のIII族窒化物系化合物半導体素子の製造方法。
【請求項２１】
支持基板上に設けられた半導体素子であって、
前記支持基板はセラミック焼結体から成るセラミック基板であり、
前記セラミック基板の表面に接合した、前記セラミック基板を構成する化合物とは異なる無機酸化物又は無機窒化物からなる誘電体層と、
前記誘電体層の上に接合した半導体単結晶からなる少なくとも１つの層を有することを特徴とする半導体素子。
【請求項２２】
支持基板上に半導体単結晶層が設けられたウエハの製造方法であって、
前記支持基板はセラミック焼結体から成るセラミック基板であり、
板状の半導体単結晶の一方の主面から所望の深さに水素イオン又は希ガスイオンをイオン注入して、薄膜状の変質領域を形成するイオン注入工程と、
前記板状の半導体単結晶の前記主面と、前記支持基板の表面の少なくとも一方に、誘電体層を形成する誘電体層形成工程と、
前記板状の半導体単結晶と前記支持基板とを前記誘電体層を介して接合する接合工程と、
前記変質領域を分断することにより前記板状の半導体単結晶の大部分を取り外して、前記支持基板上に前記誘電体層を介して接合した前記半導体単結晶の薄膜を有するウエハを得る分離工程とを有することを特徴とするウエハの製造方法。
【請求項２３】
請求項２１に記載の半導体素子の製造方法であって、
請求項２２に記載のウエハの製造方法によって得られたウエハを用い、
前記支持基板上の前記誘電体層と接合した前記半導体単結晶の薄膜表面を平滑化又は洗浄したのちに、所望の組成及び膜厚の複数層の半導体層をエピタキシャル成長により積層して形成する工程を有することを特徴とする半導体素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は支持基板上にIII族窒化物系化合物半導体薄膜を形成したウエハ、III族窒化物系化合物半導体素子、及びそれらの製造方法に関する。本発明は特に、厚膜の窒化ガリウム基板を支持基板に接合させたのち、薄層を支持基板に残して残余の厚膜の窒化ガリウム基板分離する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
緑色、青色乃至紫色及び紫外線発光素子、並びにＨＥＭＴその他のトランジスタ素子としてIII族窒化物系化合物半導体素子が広く開発されている。これらの半導体素子は、エピタキシャル成長により積層構造を形成することで製造される。この際、エピタキシャル成長基板として使用されているものとしては、サファイア基板、窒化ガリウム（ＧａＮ）基板、炭化ケイ素（ＳｉＣ）基板、シリコン（Ｓｉ）基板が挙げられる。
【０００３】
サファイア基板はIII族窒化物系化合物半導体発光素子のエピタキシャル成長基板として既に汎用されているが、熱伝導性が低く、放熱性が悪いと言う問題がある。このため、大電流トランジスタ等のパワー素子への展開が困難となっている。
窒化ガリウム（ＧａＮ）基板や炭化ケイ素（ＳｉＣ）基板をエピタキシャル成長基板として用いる場合は、取り扱いが容易な程度に大面積で高品質の単結晶基板が必要となるが、そのような基板は未だに高価であって、入手が容易とは言えない。
シリコン（Ｓｉ）基板は、シリコン（Ｓｉ）とIII族窒化物系化合物半導体中の窒素との化学反応や、エピタキシャル成長させたIII族窒化物系化合物半導体層との格子定数及び熱膨張係数に大きな差があるために、最終的に得られるIII族窒化物系化合物半導体層にクラックが生じやすい。このため、高品質なエピタキシャル成長が期待できず、半導体の素子特性の向上が困難となっている。
更には、サファイア等の透明基板をエピタキシャル成長基板として使用した場合、III族窒化物系化合物半導体結晶の屈折率よりもエピタキシャル成長基板の屈折率が小さく、それら屈折率の差が大きいと光取り出し効率も制約される。これは、以下の理由による。得るべき発光波長の光に対し、III族窒化物系化合物半導体結晶とエピタキシャル成長基板との界面での全反射の臨界角が大きくなる。そして、発光層から放射された光の多くがエピタキシャル成長基板との界面で反射され、再びIII族窒化物系化合物半導体結晶へ戻ってしまい、III族窒化物系化合物半導体結晶内での光吸収によるロスや、電極等での光吸収によるロスを生じることとなる。これは、光取り出し方向を上方向として、サファイア基板を上側に、III族窒化物系化合物半導体積層構造を下側にして使用する、いわゆるフリップチップタイプの発光素子の場合にも、サファイア基板を下側に、III族窒化物系化合物半導体積層構造を上側にして使用する、いわゆるフェイスアップタイプの発光素子の場合にも問題となる。
【０００４】
そこで、シリコン（Ｓｉ）素子におけるＳＯＩ基板形成の技術（特許文献１）を、III族窒化物系化合物半導体素子に適用する技術がある（特許文献２）。
特許文献１は、酸化被膜を形成した第１のシリコンウエハ内部に水素イオン等を打ち込んで微小気泡層を形成し、第２のシリコンウエハと酸化被膜を介して接合させたのち、加熱により微小気泡層を破壊して第１のシリコンウエハの大部分を取り除き、第２のシリコンウエハ上に酸化被膜とシリコン薄膜とを残すことで、ＳＯＩ基板を得るものである。
特許文献２においては、内部に水素イオン等を打ち込んだ窒化ガリウム基板をサファイア基板と直接接合し、水素イオン打ち込み部分を破壊して窒化ガリウム基板の大部分を取り除き、サファイア基板上に窒化ガリウム薄膜を残すことで、エピタキシャル成長用のいわゆるテンプレート基板を得るものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３０４８２０１号公報
【特許文献２】特開平２００８−０１０７６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献２においては、ｃ面を主面とする窒化ガリウム基板の、窒素極性側の主面をサファイア基板に接合させ、最終的に得られるテンプレート基板の窒化ガリウム薄膜の表面が、ガリウム極性側のｃ面となるようにしている。実際、エピタキシャル成長の際にはガリウム極性側のｃ面にIII族窒化物系化合物半導体層が成長しやすく、窒素極性側のｃ面には成長しにくい。しかし、窒化ガリウム基板の、窒素極性側の主面は、機械研磨のみでは平滑な面とならない。そこで特許文献２においては、窒化ガリウム基板の窒素極性側の主面を塩素ガスによりエッチングし、平均表面粗さが０．７ｎｍの、数原子層レベルまで平滑化した上で単結晶であるサファイア基板と接合している。実際、特許文献２によると、窒化ガリウム基板の窒素極性側のｃ面は、平均表面粗さが極めて小さいことが必要であり、平均表面粗さが大きいと、貼り合わせが失敗する確率が高くなる。
【０００７】
ところで上述の通り、サファイア基板は熱伝導性が低く、放熱性が悪いために大電流トランジスタ等のパワー素子への使用が困難となっている。また、サファイアを、発光素子を製造するためのエピタキシャル成長基板として用いた場合には、光取り出し効率が制約されている。
そこで本発明者らは、熱伝導率が大きく、パワー素子を形成可能な熱伝導率の高い支持基板、或いは、発光素子の光取り出し効率が良くなる支持基板を用いることで、全く新しいウエハ（テンプレート基板）を得る方法を発明した。この際、窒化ガリウム基板表面を数原子層レベルまで平滑化すること無しに確実に支持基板と接合させる方法を発明した。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１に係る発明は、支持基板上にIII族窒化物系化合物半導体層が設けられたウエハであって、支持基板は、その表面にIII族窒化物系化合物半導体がエピタキシャル成長しない異種基板から成り、異種基板の表面に接合した誘電体層と、誘電体層の上に接合したIII族窒化物系化合物半導体からなる少なくとも１つの層を有することを特徴とするウエハである。
本発明に係るウエハは、テンプレート基板とも呼ばれるものであり、III族窒化物系化合物半導体層の表面を平滑化及び清浄化することでエピタキシャル成長に用いることができるものを言うものとする。
ここで、「支持基板は、その表面にIII族窒化物系化合物半導体がエピタキシャル成長しない異種基板から成る」とは、バッファ層を介し又は介さないで基板の結晶方位と、その表面に成長するIII族窒化物系化合物半導体の結晶方位の関係が確立するような全ての基板が排除されることを言うものとする。例えば単結晶サファイア、単結晶シリコン、単結晶炭化ケイ素（ＳｉＣ）、単結晶酸化亜鉛（ＺｎＯ）、単結晶スピネル（ＭｇＡｌＯ4）の適当な面の上にはIII族窒化物系化合物半導体をエピタキシャル成長できるので、これら単結晶サファイア、単結晶シリコン、単結晶炭化ケイ素（ＳｉＣ）、単結晶酸化亜鉛（ＺｎＯ）、単結晶スピネル（ＭｇＡｌＯ4）は、請求項１乃至請求項１６に係る発明においては「その表面にIII族窒化物系化合物半導体がエピタキシャル成長しない異種基板」に含まれない。
尚、本発明においてIII族窒化物系化合物半導体層が窒化アルミニウムでない場合には、異種基板の材料には窒化アルミニウムを選択できるものとし、III族窒化物系化合物半導体層が窒化アルミニウム単結晶である場合にも、異種基板には単結晶でない窒化アルミニウム基板、例えば窒化アルミニウム焼結体からなるセラミック基板を選択できるものとする。これは例えば窒化アルミニウム焼結体からなり、直径が１ｃｍを越えるセラミック基板上にはIII族窒化物系化合物半導体の単結晶をエピタキシャル成長させることが実質的に不可能だからである。本願における焼結体の定義については後述する。
本発明において誘電体層とは、必ずしも絶縁体から成るもののみを言うものではなく、誘電性の大きな半導体から成るものを含みうるものとする。例えば酸化亜鉛（ＺｎＯ）は薄膜では誘電体の性質である圧電性を有するので、本願各請求項に言う誘電体層に含まれる。
また、誘電体層は材料の異なる２層以上であってもよい。この場合、最下層がウエハ（テンプレート基板）の支持基板と、最上層がIII族窒化物系化合物半導体層と接合することとなる。最下層がウエハ（テンプレート基板）の支持基板との接着性が良いもの、最上層がIII族窒化物系化合物半導体層と接着性が良いもの、且つ材料の異なる隣り合う誘電体層が互いに接着性が良いものが好ましい。
III族窒化物系化合物半導体とは一般式ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮ（ｘ，ｙ，ｘ＋ｙはいずれも０以上１以下）で示されるものであり、導電性を増加させる他所望の目的で任意のドーパントを添加したものが当然に含まれる。更には、III族窒化物系化合物半導体には、上記一般式におけるIII族元素（１３族元素）の組成の一部をホウ素（Ｂ）、タリウム（Ｔｌ）で置換したものや窒素の組成の一部を他のＶ族元素（１５族元素）であるリン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）で置換したものも含まれるものとする。
【０００９】
請求項２に係る発明は、支持基板上にIII族窒化物系化合物半導体層が設けられたウエハであって、支持基板はセラミック焼結体から成るセラミック基板であり、セラミック基板の表面に接合した、セラミック基板を構成する化合物とは異なる無機酸化物又は無機窒化物からなる誘電体層と、誘電体層の上に接合したIII族窒化物系化合物半導体からなる少なくとも１つの層を有することを特徴とする。
ここでセラミック焼結体とは、粒状、粉状又は微粒子状の無機化合物を高温の熱処理によって焼き固めた焼結体を言う。また、セラミック焼結体には、原料の溶融工程やゾルゲル法で形成されるガラスを含まないものとする。本願明細書において化合物名のあとに焼結体と付す際も、当該化合物の粒状、粉状又は微粒子状の無機化合物を高温の熱処理によって焼き固めた焼結体を言うものとし、いわゆる単結晶や溶融工程やゾルゲル法で形成されるものを含まないものとする。
請求項３に係る発明は、セラミック基板は、窒化アルミニウム焼結体、炭化ケイ素焼結体、酸化マグネシウム焼結体又は酸化アルミニウム焼結体から成り、誘電体層は酸化ケイ素又は窒化ケイ素から成ることを特徴とする。
【００１０】
請求項４に係る発明は、支持基板上に設けられたIII族窒化物系化合物半導体素子であって、支持基板は、その表面にIII族窒化物系化合物半導体がエピタキシャル成長しない異種基板から成り、異種基板の表面に接合した誘電体層と、誘電体層の上に接合したIII族窒化物系化合物半導体からなる少なくとも１つの層を有することを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体素子である。
請求項５に係る発明は、III族窒化物系化合物半導体の、エピタキシャル成長させた積層構造の総膜厚は２μｍ以下であることを特徴とする。
ここに言う総膜厚には、エピタキシャル成長前にウエハ（テンプレート基板）が有していたIII族窒化物系化合物半導体層の厚さを含めない厚さを言うものとする。他の請求項に係る発明においては、エピタキシャル成長によるIII族窒化物系化合物半導体層の膜厚に限定した上で、ウエハ（テンプレート基板）が有していたIII族窒化物系化合物半導体層の厚さを含めない厚さを言う場合がある。
【００１１】
請求項６に係る発明は、支持基板上に設けられたIII族窒化物系化合物半導体素子であって、支持基板はセラミック焼結体から成るセラミック基板であり、セラミック基板の表面に接合した、セラミック基板を構成する化合物とは異なる無機酸化物又は無機窒化物からなる誘電体層と、誘電体層の上に接合したIII族窒化物系化合物半導体からなる少なくとも１つの層を有することを特徴とする。
請求項７に係る発明は、III族窒化物系化合物半導体の積層構造の総膜厚は２μｍ以下であることを特徴とする。
請求項８に係る発明は、セラミック基板は、窒化アルミニウム焼結体、炭化ケイ素焼結体、酸化マグネシウム焼結体又は酸化アルミニウム焼結体から成り、誘電体層は酸化ケイ素又は窒化ケイ素から成ることを特徴とする。
請求項９に係る発明は、セラミック基板は、熱伝導率が２０Ｗｍ-1Ｋ-1以上であることを特徴とする。より好ましくは熱伝導率は１２０Ｗｍ-1Ｋ-1以上である。
請求項１０に係る発明は、電界効果トランジスタであることを特徴とする。
請求項１１に係る発明はセラミック基板は、光散乱性の白色基板であることを特徴とする。
請求項１２に係る発明は、発光素子であることを特徴とする。
【００１２】
請求項１３に係る発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のウエハの製造方法において、板状のIII族窒化物系化合物半導体結晶の一方の主面から所望の深さに水素イオン又は希ガスイオンをイオン注入して、薄膜状の変質領域を形成するイオン注入工程と、支持基板の表面に誘電体層を形成する支持基板面誘電体層形成工程と、板状のIII族窒化物系化合物半導体結晶の主面と、支持基板上の誘電体層とを接合する接合工程と、変質領域を分断することにより板状のIII族窒化物系化合物半導体結晶の大部分を取り外して、支持基板上の誘電体層と接合したIII族窒化物系化合物半導体結晶の薄膜を有するウエハを得る分離工程とを有することを特徴とするウエハの製造方法である。
ここで板状のIII族窒化物系化合物半導体結晶とは、厚さが一定であることの他、底面積と厚さの比率には特段に制限を設けるものではない。得るべきウエハの支持基板の径よりも厚い、棒状のIII族窒化物系化合物半導体結晶を用いる場合を本願は積極的に排除するものではない。
また、支持基板面誘電体層形成工程で形成する誘電体層については、材料の異なる複数層で形成しても良い。それら複数層の各誘電体層のうち、最も支持基板に近い層は当該支持基板との接着性が良いものが好ましく、材料の異なる隣り合う誘電体層は互いに接着性が良いものが好ましい。
【００１３】
請求項１４に係る発明は、請求項１３に係る発明の支持基板の表面に誘電体層を形成する支持基板面誘電体層形成工程を除き、板状のIII族窒化物系化合物半導体結晶の主面上に誘電体層を形成する結晶面誘電体層形成工程を設けて、接合工程においては板状のIII族窒化物系化合物半導体結晶の上の誘電体層と、支持基板とを接合するものである。
ここにおいて、イオン注入工程と、結晶面誘電体層形成工程の順序は、いずれを先にしたものも本願発明に包含される。
また、結晶面誘電体層形成工程で形成する誘電体層については、材料の異なる複数層で形成しても良い。それら複数層の各誘電体層のうち、最もIII族窒化物系化合物半導体結晶に近い層はIII族窒化物系化合物半導体結晶との接着性が良いものが好ましく、材料の異なる隣り合う誘電体層は互いに接着性が良いものが好ましい。
請求項１５に係る発明は、請求項１３に係る発明の支持基板の表面に誘電体層を形成する支持基板面誘電体層形成工程と、請求項１４に係る発明の板状のIII族窒化物系化合物半導体結晶の主面上に誘電体層を形成する結晶面誘電体層形成工程を共に有し、接合工程においては板状のIII族窒化物系化合物半導体結晶の誘電体層と、支持基板上の誘電体層とを接合するものである。
ここにおいて、イオン注入工程と、結晶面誘電体層形成工程の順序は、いずれを先にしたものも本願発明に包含される。
更に、支持基板面誘電体層形成工程で形成する誘電体層と結晶面誘電体層形成工程で形成する誘電体層は同じ化合物を用いても良く、或いは異なる化合物を用いても良い。異なる化合物を用いる場合はそれらからなる２つの誘電体層は互いに接着性が良いものが好ましい。
また、各誘電体層は材料の異なる複数層で形成しても良い。支持基板面誘電体層形成工程で形成する誘電体層については、最も支持基板に近い層は当該支持基板との接着性が良いものが好ましく、材料の異なる隣り合う誘電体層は互いに接着性が良いものが好ましい。結晶面誘電体層形成工程で形成する誘電体層については、最もIII族窒化物系化合物半導体結晶に近い層はIII族窒化物系化合物半導体結晶との接着性が良いものが好ましく、材料の異なる隣り合う誘電体層は互いに接着性が良いものが好ましい。
【００１４】
請求項１６に係る発明は、板状のIII族窒化物系化合物半導体結晶の主面は、窒素極性側のｃ面であることを特徴とする。これにより、分離工程の後に得られるウエハ（テンプレート基板）の最上面は、平滑化及び清浄化により、III族窒化物系化合物半導体層のガリウム極性側のｃ面を得ることが可能となる。このため、この上にIII族窒化物系化合物半導体層をエピタキシャル成長させることが極めて容易となる。
【００１５】
請求項１７に係る発明は、請求項４乃至請求項１２のいずれか１項に記載のIII族窒化物系化合物半導体素子の製造方法であって、請求項１３乃至請求項１６のいずれか１項に記載のウエハの製造方法によって得られたウエハを用い、支持基板上の誘電体層と接合したIII族窒化物系化合物半導体結晶の薄膜表面を平滑化又は洗浄したのちに、所望の組成及び膜厚の複数層のIII族窒化物系化合物半導体層をエピタキシャル成長により積層して形成する工程を有することを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体素子の製造方法である。
【００１６】
請求項１８に係る発明は、支持基板上にIII族窒化物系化合物半導体層が設けられたウエハの製造方法であって、板状のIII族窒化物系化合物半導体結晶の一方の主面から所望の深さに水素イオン又は希ガスイオンをイオン注入して、薄膜状の変質領域を形成するイオン注入工程と、板状のIII族窒化物系化合物半導体結晶の主面と、支持基板の表面の少なくとも一方に、誘電体層を形成する誘電体層形成工程と、板状のIII族窒化物系化合物半導体結晶と支持基板とを誘電体層を介して接合する接合工程と、変質領域を分断することにより板状のIII族窒化物系化合物半導体結晶の大部分を取り外して、支持基板上に誘電体層を介して接合したIII族窒化物系化合物半導体結晶の薄膜を有するウエハを得る分離工程とを有することを特徴とするウエハの製造方法である。
ここにおいて、誘電体層形成工程が板状のIII族窒化物系化合物半導体結晶の主面に誘電体層を形成する工程を含む場合には、イオン注入工程と、当該誘電体層形成工程の順序は、いずれを先にしたものも本願発明に包含される。
請求項１８に係る発明の特徴は、最終的に得るべきウエハ（テンプレート基板）の支持基板について、何ら限定が無いことである。例えばサファイア基板を用い、誘電体層として窒化アルミニウムや酸化亜鉛を用いる場合は請求項１８に係る発明に包含される。
請求項１９に係る発明は、III族窒化物系化合物半導体素子の製造方法であって、請求項１８に記載のウエハの製造方法によって得られたウエハを用い、支持基板上の誘電体層と接合したIII族窒化物系化合物半導体結晶の薄膜表面を平滑化又は洗浄したのちに、所望の組成及び膜厚の複数層のIII族窒化物系化合物半導体層をエピタキシャル成長により積層して形成する工程を有することを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体素子の製造方法である。
【００１７】
請求項２０に係る発明は、エピタキシャル成長により形成されるIII族窒化物系化合物半導体層の総膜厚は、２μｍ以下であることを特徴とする。請求項２０に係る発明においては、エピタキシャル成長前の、ウエハ（テンプレート基板）に設けられたIII族窒化物系化合物半導体薄膜の膜厚は上記総膜厚に含まれないものとする。
請求項２１以下に係る発明の特徴は、最終的に得るべきウエハ（テンプレート基板）の半導体について、何ら限定が無いことである。
請求項２１に係る発明は、支持基板上に設けられた半導体素子であって、支持基板はセラミック焼結体から成るセラミック基板であり、セラミック基板の表面に接合した、セラミック基板を構成する化合物とは異なる無機酸化物又は無機窒化物からなる誘電体層と、誘電体層の上に接合した半導体単結晶からなる少なくとも１つの層を有することを特徴とする半導体素子である。
請求項２２に係る発明は、支持基板上に半導体単結晶層が設けられたウエハの製造方法であって、支持基板はセラミック焼結体から成るセラミック基板であり、板状の半導体単結晶の一方の主面から所望の深さに水素イオン又は希ガスイオンをイオン注入して、薄膜状の変質領域を形成するイオン注入工程と、板状の半導体単結晶の主面と、支持基板の表面の少なくとも一方に、誘電体層を形成する誘電体層形成工程と、板状の半導体単結晶と支持基板とを誘電体層を介して接合する接合工程と、変質領域を分断することにより板状の半導体単結晶の大部分を取り外して、支持基板上に誘電体層を介して接合した半導体単結晶の薄膜を有するウエハを得る分離工程とを有することを特徴とするウエハの製造方法である。
請求項２３に係る発明は、請求項２１に記載の半導体素子の製造方法であって、請求項２２に記載のウエハの製造方法によって得られたウエハを用い、支持基板上の誘電体層と接合した半導体単結晶の薄膜表面を平滑化又は洗浄したのちに、所望の組成及び膜厚の複数層の半導体層をエピタキシャル成長により積層して形成する工程を有することを特徴とする半導体素子の製造方法である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば接合面に誘電体層を設けたので、接合させる板状のIII族窒化物系化合物半導体結晶と、テンプレート基板の支持基板のいずれかの表面の凹凸が激しい場合でも、これらの接合が容易となる。好ましくは、表面の凹凸が激しく、接合に適さない側の表面に誘電体層を形成すると良い。誘電体層は言わば接着層であるので、加熱やプラズマ処理等による表面活性化により、板状のIII族窒化物系化合物半導体結晶と、テンプレート基板（ウエハ）の支持基板とのいずれにも容易に接合するものが好ましい。この点で、無機酸化物又は無機窒化物は他の無機材料等と容易に接合可能である。
本発明により、板状のIII族窒化物系化合物半導体結晶の例えば窒素極性側であるｃ面が表面処理によっても平滑化しないような場合でも、或いは例えばセラミック焼結体のように表面の凹凸を表面の化学変化無しには容易には抑制できないような材料をテンプレート基板（ウエハ）の支持基板に用いる場合でも、これらの接合が容易となる。これにより支持基板上にIII族窒化物系化合物半導体の薄膜を有するウエハ（テンプレート基板）の製造が容易となる。
また、変質領域を破壊して取り除かれた厚膜の板状のIII族窒化物系化合物半導体結晶は本発明を繰り返してウエハ製造に用いることができるが、その際、変質領域が形成されていた窒素極性側のｃ面の平滑度を、特別に平滑にしないまま本発明を繰り返すことも可能となる。即ち、変質領域を破壊して取り除かれた厚膜の板状のIII族窒化物系化合物半導体結晶に本発明を繰り返してウエハ製造を実施する際、変質領域が形成されていた窒素極性側のｃ面は誘電体層を介して支持基板に接合されるため、平滑化を簡略化することができるので、製造時間の短縮を図ることができる。
【００１９】
支持基板にセラミック焼結体から成るセラミック基板を用いた場合には、高信頼性デバイスを実現できる。例えば、デバイス特性の経時変化を抑制し、信頼性を向上させるためには、熱伝導率が２０Ｗｍ-1Ｋ-1以上４００Ｗｍ-1Ｋ-1以下であるセラミック基板、より好ましくは熱伝導率は１２０Ｗｍ-1Ｋ-1以上３００Ｗｍ-1Ｋ-1以下であるセラミック基板を用いると良い。例えば窒化アルミニウム焼結体やＳｉＣ焼結体を用いると良い。発光素子において光取り出し効率を向上させるためには酸化アルミニウム焼結体や酸化マグネシウム焼結体から成る光散乱性の白色セラミック基板を用いると良い。この場合、最上層に設ける例えばｐ電極を透光性電極とした、いわゆるフェイスアップタイプの発光素子とすると良い。
【００２０】
ウエハ（テンプレート基板）にエピタキシャル成長させるIII族窒化物系化合物半導体層の総膜厚は２μｍ以下とすると良い。２μｍを越えると、異種基板との熱膨張係数の差により、エピタキシャル成長中及び素子製造後の反り、クラックや剥離が生じやすくなり、最終的に得られる半導体素子の歩留まりが悪くなる。
更に本発明は、III族窒化物系化合物半導体薄膜を任意の半導体に拡張することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明に係るウエハ１００−１の製造方法を示す工程図（断面図）。
【図２】本発明に係る別のウエハ１００−２の製造方法を示す工程図（断面図）。
【図３】本発明に係る更に別のウエハ１００−３の製造方法を示す工程図（断面図）。
【図４】本発明に係る製造方法によって得られたIII族窒化物系化合物半導体素子（緑色発光ダイオード）２００の構成を示す断面図。
【図５】本発明に係る製造方法によって得られたIII族窒化物系化合物半導体素子（ＨＥＭＴ）３００の構成を示す断面図。
【図６】本発明に係る製造方法によって得られたIII族窒化物系化合物半導体素子（緑色発光ダイオード）４００の構成を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
ウエハ（テンプレート基板）に設けられた半導体単結晶薄膜又はIII族窒化物系化合物半導体の薄膜の母体となる、半導体単結晶又はIII族窒化物系化合物半導体結晶は、例えば厚さ１００μｍ以上、好ましくは厚さ１ｍｍ以上、更に好ましくは厚さ１０ｍｍ以上の厚膜基板を用意すると良い。支持基板に貼り合わせる半導体単結晶薄膜又はIII族窒化物系化合物半導体の薄膜は、エピタキシャル成長の起点となるのであり、結晶性が良いことが好ましい。ドーパントの有無は任意である。その母体となる半導体単結晶又はIII族窒化物系化合物半導体結晶は、ドナーやアクセプタがドープされていないものの方が安価に入手できる。
ウエハ（テンプレート基板）に設けられた半導体単結晶薄膜又はIII族窒化物系化合物半導体の薄膜の組成は任意である。例えば安価に入手できるシリコン基板や窒化ガリウム基板を母体として、シリコン薄膜や窒化ガリウム薄膜を用いると良い。
【００２３】
ウエハ（テンプレート基板）の支持基板は基本的には任意に選択できる。例えば、サファイア基板、スピネル基板、シリコン基板などの単結晶基板を用いることもできるが、安価で所望の特性を選択できる点でセラミック焼結体から成るセラミック基板を用いると好適である。熱伝導率が２０Ｗｍ-1Ｋ-1以上４００Ｗｍ-1Ｋ-1以下であるセラミック基板、より好ましくは熱伝導率は１２０Ｗｍ-1Ｋ-1以上３００Ｗｍ-1Ｋ-1以下であるセラミック基板を用いると良い。
熱伝導率の代表値は、Ｗｍ-1Ｋ-1を単位として、窒化アルミニウム焼結体が１７０、炭化ケイ素焼結体が１５０、窒化ホウ素焼結体が６０、アルミナ焼結体が２０である。
セラミック基板は基本的に平均表面粗さが小さくないが、平均表面粗さＲａが０．５μｍ以下、望ましくは０．２μｍ以下のものを用いると、本発明の誘電体層をセラミック基板側に設けず、半導体単結晶又はIII族窒化物系化合物半導体結晶側に設けるのみで、支持基板と半導体結晶との接合が容易に可能となる。
【００２４】
誘電体層の形成方法は、選択した誘電体毎に、ＣＶＤ、熱酸化その他公知の任意の手段により形成できる。酸化ケイ素や窒化ケイ素であれば、汎用の半導体装置で形成可能である。誘電体層は、ウエハ（テンプレート基板）製造時においては支持基板と厚膜の半導体単結晶又はIII族窒化物系化合物半導体結晶を強固に接着する必要がある。また、ウエハ（テンプレート基板）を用いた半導体素子を形成する際においても支持基板と薄膜の半導体単結晶又は薄膜のIII族窒化物系化合物半導体層を強固に接着する必要がある。ここにおいて、支持基板との接着性と半導体又はIII族窒化物系化合物半導体との接着性が必要であるばかりでなく、例えば所望の半導体特にIII族窒化物系化合物半導体のエピタキシャル成長時の環境に耐えるものでなければならない。即ち少なくとも１０００℃に対する耐熱性と、原料ガスとして用いる有機金属、アンモニア、場合によっては塩素ガス等にも十分な耐性が必要とされる。
誘電体層を設けたのち、当該誘電体層表面の凹凸を減じる必要がある場合がある。例えば上記セラミック基板の凹凸が極めて激しい場合、セラミック基板表面に誘電体層を設けたのみでは、誘電体層の表面に大きな凹凸が残る場合である。この場合、誘電体層を形成してから研磨して平均表面粗さＲａを小さくする。研磨方法は機械研磨でも良く、メカノケミカルポリッシングでも良く、或いはウエットエッチング、ドライエッチング、更にはプラズマ処理等から選択できる。
誘電体層の厚さは０．１μｍ以上１ｍｍ以下で設計すると良い。より好ましくは１μｍ以上１００μｍ以下である。誘電体層を形成したのち誘電体層表面の凹凸を減じる必要がある場合は、誘電体層の厚さは比較的厚くする必要があり、例えば１０μｍ以上１００μｍ以下とする。誘電体層を形成したのち誘電体層表面の凹凸を減じる必要がない場合は、誘電体層の厚さは比較的薄くすれば良く、例えば１μｍ以上２０μｍ以下とする。
【００２５】
板状の半導体単結晶又はIII族窒化物系化合物半導体結晶において所望の深さに変質領域を形成する基本的手段は、イオン注入による。水素イオン注入の場合、特許文献１及び２にもある通り、ドーズ量を１０15乃至１０18ｃｍ-2として、照射エネルギーは１ｋｅＶ〜１０ＭｅＶとする。深さを１００ｎｍ程度とする場合、ドーズ量を１０16乃至１０17ｃｍ-2とし、照射エネルギーは１０ｋｅＶ〜１００ｋｅＶとする。照射エネルギーは、変質領域を形成すべき深さに応じて調整する。ドーズ量の最低値は、分離工程において変質領域の破壊が容易に生じるように決定すると良い。ドーズ量の最大値は、変質領域形成の際に、半導体単結晶又はIII族窒化物系化合物半導体結晶の特に異種基板に接合させる薄膜の結晶性が悪化しない範囲で決定すると良い。
【００２６】
本発明により得られるウエハ（テンプレート基板）において、変質領域を破壊して露出した半導体単結晶又はIII族窒化物系化合物半導体の薄膜表面は、のちの結晶成長工程前に表面を浄化する処理を行うと良い。この場合、任意のドライエッチングや機械研磨を用いることができる。これにより、変質領域に由来して残存した非晶質部分を除去することができる。
【実施例１】
【００２７】
図１は本発明の具体的な一実施例に係るウエハ（テンプレート基板）１００−１の製造方法を示す工程図（断面図）である。
主面がｃ面である厚さ１ｍｍの板状の窒化ガリウム基板１０を用意した。窒化ガリウム基板１０の２つの主面は、一方がガリウム極性のｃ面１０Gaであり、他方が窒素極性のｃ面１０Nである（図１．Ａ）。
この、窒素極性のｃ面１０N側から水素イオンを注入して、深さ０．２μｍ付近に変質層（変質領域）１９を形成した。こうして厚さ１ｍｍの板状の窒化ガリウム基板１０は、変質層（変質領域）１９を有する窒化ガリウム基板１０’となった。窒化ガリウム基板１０’は、変質層（変質領域）１９により厚さ約０．２μｍの薄膜部１０ｆと、残部である厚膜部１０ｒとに分けられた。変質層（変質領域）１９はこの状態では完全には破壊されておらず、変質層（変質領域）１９を介して厚さ約０．２μｍの薄膜部１０ｆと、残部である厚膜部１０ｒとは一体的に接合されている。また、厚さ約０．２μｍの薄膜部１０ｆの表面は、窒素極性のｃ面１０Nである（図１．Ｂ）。
次に、変質層（変質領域）１９を有する窒化ガリウム基板１０’の厚さ約０．２μｍの薄膜部１０ｆの表面である窒素極性のｃ面１０Nに、厚さ３μｍの酸化ケイ素（ＳｉＯ2）から成る誘電体層３１を形成した（図１．Ｃ）。
次に、支持基板となる、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）焼結体から成るセラミック基板２０−１を、変質層（変質領域）１９を有する窒化ガリウム基板１０’の酸化ケイ素（ＳｉＯ2）から成る誘電体層３１側に接合させた。この際、約２００℃の加熱と共に加圧接合した（図１．Ｄ）。
次に、５００℃に加熱して、変質層（変質領域）１９を破壊した。こうして、窒化ガリウム基板１０’の残部である厚膜部１０ｒが分離され、支持基板である酸化マグネシウム（ＭｇＯ）焼結体から成るセラミック基板２０−１とそれに接合した酸化ケイ素（ＳｉＯ2）から成る誘電体層３１とその上に接合した厚さ約０．２μｍの窒化ガリウムからなる薄膜部１０ｆの構成の、ウエハ（テンプレート基板）１００−１が得られた（図１．Ｅ）。
ウエハ（テンプレート基板）１００−１の厚さ約０．２μｍの窒化ガリウムからなる薄膜部１０ｆは結晶性が良好なまま誘電体層３１を介してセラミック基板２０−１と接合されていた。以下の実施例４に示す通り、ウエハ（テンプレート基板）１００−１の窒化ガリウムからなる薄膜部１０ｆ上にIII族窒化物系化合物半導体層が良好にエピタキシャル成長できた。
また、窒化ガリウム基板１０’の残部である厚膜部１０ｒは、変質層（変質領域）１９が形成されていた窒素極性のｃ面１０Nを簡易に洗浄することで、再び他のウエハ（テンプレート基板）を製造するための板状の窒化ガリウム基板１０として用いられた（図１．Ｅ）。
【００２８】
〔比較例１〕
上記実施例で、変質層（変質領域）１９を有する窒化ガリウム基板１０’の厚さ約０．２μｍの薄膜部１０ｆに、酸化ケイ素（ＳｉＯ2）から成る誘電体層３１を形成せずに、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）焼結体から成るセラミック基板２０−１を接合させた。その後、変質層（変質領域）１９を破壊したが、この時、セラミック基板２０−１上に厚さ約０．２μｍの窒化ガリウムからなる薄膜部１０ｆが形成されたウエハ（テンプレート基板）の歩留まりは５０％を下回った。
【実施例２】
【００２９】
図２は本発明の具体的な一実施例に係るウエハ（テンプレート基板）１００−２の製造方法を示す工程図（断面図）である。
主面がｃ面である厚さ１ｍｍの板状の窒化ガリウム基板１０を用意した。窒化ガリウム基板１０の２つの主面は、一方がガリウム極性のｃ面１０Gaであり、他方が窒素極性のｃ面１０Nである（図２．Ａ）。
この、窒素極性のｃ面１０N側から水素イオンを注入して、深さ０．２μｍ付近に変質層（変質領域）１９を形成した。こうして厚さ１ｍｍの板状の窒化ガリウム基板１０は、変質層（変質領域）１９を有する窒化ガリウム基板１０’となった。窒化ガリウム基板１０’は、変質層（変質領域）１９により厚さ約０．２μｍの薄膜部１０ｆと、残部である厚膜部１０ｒとに分けられた。変質層（変質領域）１９はこの状態では完全には破壊されておらず、変質層（変質領域）１９を介して厚さ約０．２μｍの薄膜部１０ｆと、残部である厚膜部１０ｒとは一体的に接合されている。また、厚さ約０．２μｍの薄膜部１０ｆの表面は、窒素極性のｃ面１０Nである（図２．Ｂ）。
次に、支持基板となる、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）焼結体から成るセラミック基板２０−２を用意し、その表面に厚さ３μｍの窒化ケイ素（ＳｉＮx）から成る誘電体層３２を形成した（図２．Ｃ）。
次に、変質層（変質領域）１９を有する窒化ガリウム基板１０’の厚さ約０．２μｍの薄膜部１０ｆの表面である窒素極性のｃ面１０Nに、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）焼結体から成るセラミック基板２０−２を窒化ケイ素（ＳｉＮx）から成る誘電体層３２を介して接合させた。この際、約２００℃の加熱と共に加圧接合した（図２．Ｄ）。
次に、５００℃に加熱して、変質層（変質領域）１９を破壊した。こうして、窒化ガリウム基板１０’の残部である厚膜部１０ｒが分離され、支持基板である窒化アルミニウム（ＡｌＮ）焼結体から成るセラミック基板２０−２とそれに接合した窒化ケイ素（ＳｉＮx）から成る誘電体層３２とその上に接合した厚さ約０．２μｍの窒化ガリウムからなる薄膜部１０ｆの構成の、ウエハ（テンプレート基板）１００−２が得られた（図２．Ｅ）。
ウエハ（テンプレート基板）１００−２の厚さ約０．２μｍの窒化ガリウムからなる薄膜部１０ｆは結晶性が良好なまま誘電体層３２を介してセラミック基板２０−２と接合されていた。以下の実施例５に示す通り、ウエハ（テンプレート基板）１００−２の窒化ガリウムからなる薄膜部１０ｆ上にIII族窒化物系化合物半導体層が良好にエピタキシャル成長できた。
また、窒化ガリウム基板１０’の残部である厚膜部１０ｒは、変質層（変質領域）１９が形成されていた窒素極性のｃ面１０Nを簡易に洗浄することで、再び他のウエハ（テンプレート基板）を製造するための板状の窒化ガリウム基板１０として用いられた（図２．Ｅ）。
【００３０】
〔比較例２〕
上記実施例で、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）焼結体から成るセラミック基板２０−２に、窒化ケイ素（ＳｉＮx）から成る誘電体層３２を形成せずに、変質層（変質領域）１９を有する窒化ガリウム基板１０’の厚さ約０．２μｍの薄膜部１０ｆを接合させた。その後、変質層（変質領域）１９を破壊したが、この時、セラミック基板２０−２上に厚さ約０．２μｍの窒化ガリウムからなる薄膜部１０ｆが形成されたウエハ（テンプレート基板）の歩留まりは５０％を下回った。
【実施例３】
【００３１】
図３は本発明の具体的な一実施例に係るウエハ（テンプレート基板）１００−３の製造方法を示す工程図（断面図）である。
主面がｃ面である厚さ１ｍｍの板状の窒化ガリウム基板１０を用意した。窒化ガリウム基板１０の２つの主面は、一方がガリウム極性のｃ面１０Gaであり、他方が窒素極性のｃ面１０Nである（図３．Ａ）。
この、窒素極性のｃ面１０N側から水素イオンを注入して、深さ０．２μｍ付近に変質層（変質領域）１９を形成した。こうして厚さ１ｍｍの板状の窒化ガリウム基板１０は、変質層（変質領域）１９を有する窒化ガリウム基板１０’となった。窒化ガリウム基板１０’は、変質層（変質領域）１９により厚さ約０．２μｍの薄膜部１０ｆと、残部である厚膜部１０ｒとに分けられた。変質層（変質領域）１９はこの状態では完全には破壊されておらず、変質層（変質領域）１９を介して厚さ約０．２μｍの薄膜部１０ｆと、残部である厚膜部１０ｒとは一体的に接合されている。また、厚さ約０．２μｍの薄膜部１０ｆの表面は、窒素極性のｃ面１０Nである（図３．Ｂ）。
次に、変質層（変質領域）１９を有する窒化ガリウム基板１０’の厚さ約０．２μｍの薄膜部１０ｆの表面である窒素極性のｃ面１０Nに、厚さ３μｍの酸化ケイ素（ＳｉＯ2）から成る誘電体層３１を形成した（図３．Ｃ）。
次に、支持基板となる、透光性（緑色付近で透過率約６５％）の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）焼結体から成るセラミック基板２０−３を用意し、その表面に厚さ３μｍの窒化ケイ素（ＳｉＮx）から成る誘電体層３２を形成した（図３．Ｄ）。
次に、変質層（変質領域）１９を有する窒化ガリウム基板１０’と、セラミック基板２０−３とを、各々に形成した酸化ケイ素（ＳｉＯ2）から成る誘電体層３１と窒化ケイ素（ＳｉＮx）から成る誘電体層３２とを向かい合わせて接合させた。この際、約２００℃の加熱と共に加圧接合した（図３．Ｅ）。
次に、５００℃に加熱して、変質層（変質領域）１９を破壊した。こうして、窒化ガリウム基板１０’の残部である厚膜部１０ｒが分離され、支持基板である窒化アルミニウム（ＡｌＮ）焼結体から成るセラミック基板２０−３と、それに接合した窒化ケイ素（ＳｉＮx）から成る誘電体層３２と、それに接合した酸化ケイ素（ＳｉＯ2）から成る誘電体層３１と、その上に接合した厚さ約０．２μｍの窒化ガリウムからなる薄膜部１０ｆの構成の、ウエハ（テンプレート基板）１００−３が得られた（図３．Ｆ）。
ウエハ（テンプレート基板）１００−３の厚さ約０．２μｍの窒化ガリウムからなる薄膜部１０ｆは結晶性が良好なまま誘電体層３１及び３２を介して透光性のセラミック基板２０−３と接合されていた。ウエハ（テンプレート基板）１００−３の厚さ約０．２μｍの窒化ガリウムからなる薄膜部１０ｆ上にIII族窒化物系化合物半導体層が良好にエピタキシャル成長できた。
また、窒化ガリウム基板１０’の残部である厚膜部１０ｒは、変質層（変質領域）１９が形成されていた窒素極性のｃ面１０Nを簡易に洗浄することで、再び他のウエハ（テンプレート基板）を製造するための板状の窒化ガリウム基板１０として用いられた（図３．Ｆ）。
【実施例４】
【００３２】
図４は本発明の具体的な一実施例に係るIII族窒化物系化合物半導体素子（緑色発光ダイオード）２００の構成を示す断面図である。図４のＬＥＤ２００は、実施例１で得られたウエハ（テンプレート基板）１００−１の窒化ガリウムからなる薄膜部１０ｆ上にIII族窒化物系化合物半導体の積層構造４０をエピタキシャル成長させて製造された。
即ち、実施例１で得られたウエハ（テンプレート基板）１００−１の厚さ約０．２μｍの窒化ガリウムからなる薄膜部１０ｆをエッチングにより洗浄した。こうして窒化ガリウムからなる薄膜部１０ｆの厚さは約０．１μｍとなった。こうして、表面を洗浄された窒化ガリウムからなる薄膜部１０ｆ上に、ＭＯＣＶＤ法を用いて、次の構成のIII族窒化物系化合物半導体の積層構造４０を形成した。
積層構造４０は、下から、厚さ１．２μｍのｎ型ＧａＮから成るｎコンタクト層４１、厚さ０．２μｍのｎ型Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎから成るｎクラッド層４２、Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎから成る井戸層とＧａＮから成る障壁層の多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有する厚さ０．１μｍの発光層４３、厚さ０．２μｍのｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎから成るｐクラッド層４４、厚さ０．１μｍのｐ型ＧａＮから成るｐコンタクト層４５から成る。
エピタキシャル成長させた積層構造４０の総膜厚は１．８μｍであり、ウエハ（テンプレート基板）１００−１の窒化ガリウムからなる薄膜部１０ｆの厚さ約０．１μｍと合わせても１．９μｍである。
こののち、積層構造の一部をエッチングしてｎコンタクト層４１を露出させた。露出したｎコンタクト層４１にｎ電極８１を、ｐコンタクト層４５に透光性のｐ電極８２を形成した。
このようにして、白色基板である酸化マグネシウム焼結体から成る支持基板２０−１を有するIII族窒化物系化合物半導体素子（緑色発光ダイオード）２００が得られた。III族窒化物系化合物半導体素子（緑色発光ダイオード）２００は、透光性のｐ電極８２から光を取り出すフェイスアップタイプの発光素子である。
サファイア基板を用い低温バッファ層を介して上記と同様の積層構造と電極構成の緑色発光ダイオードを製造して発光強度を比較したところ、本発明の白色基板である酸化マグネシウム焼結体から成る支持基板２０−１を有するIII族窒化物系化合物半導体素子（緑色発光ダイオード）２００の発光強度は約１．５倍であった。これは光散乱性の白色基板を支持基板としたウエハ（テンプレート基板）１００−１を用いた効果である。
【実施例５】
【００３３】
図５は本発明の具体的な一実施例に係るIII族窒化物系化合物半導体素子（ＨＥＭＴ）３００の構成を示す断面図である。図５のＨＥＭＴ３００は、実施例２で得られたウエハ（テンプレート基板）１００−２の窒化ガリウムからなる薄膜部１０ｆ上にIII族窒化物系化合物半導体の積層構造５０をエピタキシャル成長させて製造された。
即ち、実施例２で得られたウエハ（テンプレート基板）１００−２の厚さ約０．２μｍの窒化ガリウムからなる薄膜部１０ｆをエッチングにより洗浄した。こうして窒化ガリウムからなる薄膜部１０ｆの厚さは約０．１μｍとなった。こうして、表面を洗浄された窒化ガリウムからなる薄膜部１０ｆ上に、ＭＯＣＶＤ法を用いて、次の構成のIII族窒化物系化合物半導体の積層構造５０を形成した。
積層構造５０は、下から、厚さ１．５μｍのアンドープＧａＮから成るチャネル形成層５１と、厚さ０．０３μｍのアンドープＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎから成る障壁層５２とから成る。
エピタキシャル成長させた積層構造５０の総膜厚は１．５３μｍであり、ウエハ（テンプレート基板）１００−２の窒化ガリウムからなる薄膜部１０ｆの厚さ約０．１μｍと合わせても１．６３μｍである。
こののち、障壁層５２にオーミックコンタクトとなるソース電極９１とドレイン電極９３を形成した。また、障壁層５２にショットキーゲートとなるゲート電極９２を形成した。こうして、ＨＥＭＴ３００を形成し、動作確認を行ったところ、長時間の大電流動作に対しても特性の変化が小さかった。これは、ＨＥＭＴ３００が熱伝導率の高い窒化アルミニウム焼結体から成る支持基板としたウエハ（テンプレート基板）１００−２上に形成されたことによる効果である。
本実施例では高熱伝導率の窒化アルミニウム焼結体から成る支持基板としたウエハ（テンプレート基板）１００−２の窒化ガリウムからなる薄膜部１０ｆ上にエピタキシャル成長によりＨＥＭＴを形成したが、高熱伝導率のセラミック焼結体から成る支持基板としたウエハ（テンプレート基板）を用いて大電流発光素子を形成しても良い。具体的には高出力ＬＥＤやレーザ（ＬＤ）を形成することができる。これを実施例６に示す。
【実施例６】
【００３４】
図６は本発明の具体的な一実施例に係るIII族窒化物系化合物半導体素子（緑色発光ダイオード）４００の構成を示す断面図である。図６のＬＥＤ４００は、実施例３で得られた、透光性（緑色付近で透過率約６５％）の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）焼結体から成るセラミック基板２０−３を用いたウエハ（テンプレート基板）１００−３の窒化ガリウムからなる薄膜部１０ｆ上にIII族窒化物系化合物半導体の積層構造６０をエピタキシャル成長させて製造された。
即ち、実施例３で示した製造方法により得られた窒化アルミニウム（ＡｌＮ）焼結体から成るセラミック基板２０−３を用いたウエハ（テンプレート基板）１００−３の厚さ約０．２μｍの窒化ガリウムからなる薄膜部１０ｆをエッチングにより洗浄した。こうして窒化ガリウムからなる薄膜部１０ｆの厚さは約０．１μｍとなった。こうして、表面を洗浄された窒化ガリウムからなる薄膜部１０ｆ上に、ＭＯＣＶＤ法を用いて、次の構成のIII族窒化物系化合物半導体の積層構造６０を形成した。
積層構造６０は、下から、厚さ１．２μｍのｎ型ＧａＮから成るｎコンタクト層６１、厚さ０．２μｍのｎ型Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎから成るｎクラッド層６２、Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎから成る井戸層とＧａＮから成る障壁層の多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有する厚さ０．１μｍの発光層６３、厚さ０．２μｍのｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎから成るｐクラッド層６４、厚さ０．１μｍのｐ型ＧａＮから成るｐコンタクト層６５から成る。
エピタキシャル成長させた積層構造６０の総膜厚は１．８μｍであり、ウエハ（テンプレート基板）１００−３の窒化ガリウムからなる薄膜部１０ｆの厚さ約０．１μｍと合わせても１．９μｍである。
こののち、積層構造の一部をエッチングしてｎコンタクト層６１を露出させた。露出したｎコンタクト層６１にｎ電極８６を、ｐコンタクト層６５に高反射性のｐ電極８７を形成した。
このようにして、透光性（緑色付近で透過率約６５％）の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）焼結体から成るセラミック基板２０−３を有するIII族窒化物系化合物半導体素子（緑色発光ダイオード）４００が得られた。III族窒化物系化合物半導体素子（緑色発光ダイオード）４００は、透光性のセラミック基板２０−３から光を取り出すフリップチップタイプの発光素子である。
サファイア基板を用い低温バッファ層を介して上記と同様の積層構造と電極構成の緑色発光ダイオードを製造して長時間の大電流発光実験を行ったところ、本発明の透光性（緑色付近で透過率約６５％）の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）焼結体から成るセラミック基板２０−３を有するIII族窒化物系化合物半導体素子（緑色発光ダイオード）４００の方が特性の経時変化が小さかった。これは、ＬＥＤ４００が熱伝導率の高い窒化アルミニウム焼結体から成る支持基板としたウエハ（テンプレート基板）１００−３上に形成されたことによる効果である。
【００３５】
更に本発明は、III族窒化物系化合物半導体素子を任意の半導体素子に拡張することが可能である。
即ち、上記各実施例で、支持基板に貼り合わせる厚膜のIII族窒化物系化合物半導体結晶を任意の半導体単結晶に置き換えれば良い。この際、半導体単結晶に変質領域を形成する方法は例えば特許文献１に記載の技術やそれから派生した公知の任意の技術を用いることができる。
更に本発明の応用としては、支持基板に、III族窒化物系化合物半導体素子をエピタキシャル成長可能なサファイアその他の異種基板の薄膜を貼り付けたのち、当該支持基板上の異種基板薄膜上に所望のIII族窒化物系化合物半導体をエピタキシャル成長させる技術とすることも可能である。
この場合異種基板に上記と同様な変質領域をイオンドープにより形成しても良い。或いは、異種基板をレーザスポットで改質して、薄膜を支持基板に貼り付けたまま厚膜基板である残部を取り除くようにしても良い。この際、レーザの照射方向は、異種基板の主面に垂直としても良く、異種基板の主面に平行としても良い。いずれにせよ、レーザスポットによりμｍオーダーの改質部を膜状の領域に多数形成し、それらを起点としてクラックを異種基板の主面に平行な面状に形成する。レーザスポットによるμｍオーダーの改質部は５〜５０μｍ間隔で形成すれば良く、このようなレーザ加工を容易に実現する装置が販売されている。
【符号の説明】
【００３６】
１００−１、１００−２、１００−３：ウエハ（テンプレート基板）
１０：板状のIII族窒化物系化合物半導体結晶（窒化ガリウム基板基板）
１０ｆ：薄層部
１０ｒ：残部である厚膜部
１０Ga：ガリウム極性であるｃ面
１０N：窒素極性であるｃ面
１９：変質層（変質領域）
２０−１：酸化マグネシウム焼結体から成る白色セラミック基板
２０−２：窒化アルミニウム焼結体から成る熱伝導率の高いセラミック基板
２０−３：透光性の窒化アルミニウム焼結体から成る熱伝導率の高いセラミック基板
３１、３２：誘電体層
【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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