(57)【要約】  本発明は、窒化物半導体エピタキシャル層を成長させる方法に関し、第１の窒化物半導体エピタキシャル層の上に第２の窒化物半導体エピタキシャル層を第１の温度で成長させる第１の段階と、第２の窒化物半導体エピタキシャル層の上に第３の窒化物半導体エピタキシャル層を第２の温度で成長させる第２の段階と、第２の温度より高い第３の温度に昇温して第２の窒化物半導体エピタキシャル層から窒素を放出する第３の段階と、を含む窒化物半導体エピタキシャル層を成長させる方法を提供し、これにより基板の反りおよび格子欠陥密度を低減することができる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の窒化物半導体エピタキシャル層の上に第２の窒化物半導体エピタキシャル層を第１の温度で成長させる第１の段階と、
第２の窒化物半導体エピタキシャル層の上に第３の窒化物半導体エピタキシャル層を第２の温度で成長させる第２の段階と、
第２の温度より高い第３の温度に昇温して第２の窒化物半導体エピタキシャル層から窒素を放出する第３の段階と、を含むことを特徴とする窒化物半導体エピタキシャル層を成長させる方法。
【請求項２】
第１及び第３の窒化物半導体エピタキシャル層が、第２の窒化物半導体エピタキシャル層に比べて窒素の平衡蒸気圧の低い物質からなる、ことを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体エピタキシャル層を成長させる方法。
【請求項３】
第２の窒化物半導体エピタキシャル層を第３の段階において金属層に転化させる、ことを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体エピタキシャル層を成長させる方法。
【請求項４】
窒素を放出した後、第３の窒化物半導体エピタキシャル層の上に第４の窒化物半導体エピタキシャル層を成長させる第４の段階をさらに含む、ことを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体エピタキシャル層を成長させる方法。
【請求項５】
第２の窒化物半導体エピタキシャル層がＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０．５＜ｘ≦１）から構成される、ことを特徴とする請求項１に記載の半導体エピタキシャル層を成長させる方法。
【請求項６】
第１及び第３の窒化物半導体エピタキシャル層がＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）から構成される、ことを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体エピタキシャル層を成長させる方法。
【請求項７】
第１の段階の第１の温度が３００℃以上８００℃以下である、ことを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体エピタキシャル層を成長させる方法。
【請求項８】
第２の段階の第２の温度が３００℃以上８００℃以下である、ことを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体エピタキシャル層を成長させる方法。
【請求項９】
第３の窒化物半導体エピタキシャル層の厚さが１nm以上１００nm以下である、ことを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体エピタキシャル層を成長させる方法。
【請求項１０】
第３の段階の第３の温度が９００℃以上である、ことを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体エピタキシャル層を成長させる方法。
【請求項１１】
第１の窒化物半導体エピタキシャル層を基板の上に成長させる、ことを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体エピタキシャル層を成長させる方法。
【請求項１２】
第１の窒化物半導体エピタキシャル層が、低温で成長させるバッファ層とその上にエピタキシャル成長させるドーピングしないＧａＮとを含む、ことを特徴とする請求項１１に記載の窒化物半導体エピタキシャル層を成長させる方法。
【請求項１３】
第３の段階の前に、第３の窒化物半導体エピタキシャル層をパターニングする段階をさらに含む、ことを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体エピタキシャル層を成長させる方法。
【請求項１４】
第１の窒化物半導体エピタキシャル層と第３の窒化物半導体エピタキシャル層とを分離する段階をさらに含む、ことを特徴とする請求項３に窒化物半導体エピタキシャル層を成長させる方法。
【請求項１５】
基板上にバッファ層とドーピングしないＧａＮ層とをエピタキシャル成長させる段階と、
ドーピングしないＧａＮ層上にＩｎＮ層をエピタキシャル成長させる段階と、
ＩｎＮ層の上にＧａＮ層を成長させる段階と、
ＩｎＮ層を金属層に転化させる段階と、
ＧａＮ層の上にＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）層を成長させる段階と、をさらに含む、ことを特徴とする窒化物半導体エピタキシャル層を成長させる方法。
【請求項１６】
インジウムを含有する第１の窒化物半導体エピタキシャル層を第１の温度で成長させる第１の段階と、
第１の窒化物半導体エピタキシャル層の上に、窒素の平衡蒸気圧が第１の窒化物半導体エピタキシャル層より大きい第２の窒化物半導体エピタキシャル層を第２の温度で成長させる第２の段階と、
第１の窒化物半導体エピタキシャル層を金属層に転化させるように、第２の温度より高い第３の温度に昇温して第１の窒化物半導体エピタキシャル層から窒素を放出する第３の段階と、を含む、ことを特徴とする窒化物半導体エピタキシャル層を成長させる方法。
【請求項１７】
第１の窒化物半導体エピタキシャル層を基板上に成長させる、ことを特徴とする請求項１６に記載の窒化物半導体エピタキシャル層を成長させる方法。
【請求項１８】
第１の窒化物半導体エピタキシャル層を、基板の上に成長させる化合物半導体エピタキシャル層の上に成長させる、ことを特徴とする請求項１６に記載の窒化物半導体エピタキシャル層を成長させる方法。
【請求項１９】
第１の窒化物半導体エピタキシャル層がＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０．５＜ｘ≦１）であり、第２の窒化物半導体エピタキシャル層がＧａＮである、ことを特徴とする請求項１７に記載の窒化物半導体エピタキシャル層を成長させる方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体エピタキシャル層を成長させる方法に関し、より詳しくは、基板を使用して、反り（warpage）が発生せず、また格子欠陥密度の低い、高効率の光デバイス及び電子デバイスの製造に有利な窒化物半導体エピタキシャル層を成長させる方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
基板に成長させる窒化物半導体エピタキシャル層には、格子常数の不一致と熱膨張係数の差により、多くの結晶欠陥が発生するとともに、内部応力により基板の反りが生じやすい。この基板の反りは、大面積基板の作製に大きな妨害要因となっている。
【０００３】
基板と窒化物半導体エピタキシャル層との間の格子定数の不一致を解消するために、米国特許第４の，８５５，２４９号は、サファイア基板上にＡｌＮバッファ層を低温で成長させた後、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）層を成長させる技術を開示している。米国特許第５，２９０，３９３号は、サファイア基板上に２００℃〜９００℃の温度でＡｌ１−ｘＧａｘＮ（０＜ｘ≦１）バッファ層を成長させた後、９００℃〜１１５０℃でＡｌ１−ｘＧａｘＮ（０＜ｘ≦１）層を成長させる技術を開示している。
【０００４】
また、米国特許第６，０５１，８４７号は、サファイア基板上にインジウムを含有するバッファ層を成長させた後、その上にＧａＮ系化合物半導体層を成長させる過程で、バッファ層に含有されていたインジウムをＧａＮ系化合物半導体層に拡散する技術を開示している。
【０００５】
一方、このような格子定数の不一致を解消するために、ＧａＮ基板を使用する技術が知られているが、ＧａＮバルクの成長の困難さと高いコストが原因でＧａＮ基板を使用する発光デバイスは商用化段階には達していないのが現状である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、高効率の窒化物系光デバイス及び電子デバイスを作製するために低欠陥の窒化物半導体エピタキシャル層を成長させる際、応力による基板の反りを低減することができる窒化物半導体エピタキシャル層を成長させる方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記目的のために、本発明は、第１の窒化物半導体エピタキシャル層上に第２の窒化物半導体エピタキシャル層を第１の温度で成長させる第１の段階と、第２の窒化物半導体エピタキシャル層上に第３の窒化物半導体エピタキシャル層を第２の温度で成長させる第２の段階と、第２の温度より高い第３の温度に昇温させて第２の窒化物半導体エピタキシャル層から窒素を放出する第３の段階と、を含む窒化物半導体エピタキシャル層を成長させる方法を提供する。
【０００８】
また、本発明は、第１及び第３の窒化物半導体エピタキシャル層が、第２の窒化物半導体エピタキシャル層に比べて窒素の平衡蒸気圧の低い物質からなる、窒化物半導体エピタキシャル層を成長させる方法を提供する。
【０００９】
また、本発明は、第１の窒化物半導体エピタキシャル層と第３の窒化物半導体エピタキシャル層とを分離する段階をさらに含む、窒化物半導体エピタキシャル層を成長させる方法を提供する。
【００１０】
また、本発明は、インジウムを含有する第１の窒化物半導体エピタキシャル層を第１の温度で成長させる第１の段階と、第１の窒化物半導体エピタキシャル層上に、窒素の平衡蒸気圧が第１の窒化物半導体エピタキシャル層より大きい第２の窒化物半導体エピタキシャル層を第２の温度で成長させる第２の段階と、第１の窒化物半導体エピタキシャル層が金属層に転化されるように、第２の温度より高い第３の温度に昇温させて第１の窒化物半導体エピタキシャル層から窒素を放出させる第３の段階と、を含む窒化物半導体エピタキシャル層を成長させる方法を提供する。
ここで、第１の窒化物半導体エピタキシャル層の下に置かれ、第１の窒化物半導体エピタキシャル層を成長させる層は、基板、あるいは窒化物半導体エピタキシャル層であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によると、基板と窒化物半導体エピタキシャル層との間の応力が金属層により吸収され、窒化物半導体エピタキシャル層にかかる応力を相対的に低減し、エピタキシャル層の欠陥密度を低減して基板の反りを抑えることができる。
【００１２】
また、本発明によると、金属層を含む窒化物半導体エピタキシャル層を成長させた後、金属層を除去して、窒化物半導体エピタキシャル層を成長させるためのＧａＮ系基板を提供することができる。
【００１３】
また、本発明によると、インジウムを含有する金属層を有することで、基板の反りを減少させることができ、２インチ以上の大面積基板を製造するための新しい方向を提示する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、添付図面を参照して本発明を詳細に説明する。
【００１５】
図１〜図４は、本発明の第１の実施形態による窒化物半導体エピタキシャル層の成長方法を説明するための断面図であり、図５は、窒化物半導体エピタキシャル層中の窒素の平衡蒸気圧の温度による変化を示す図である。
【００１６】
まず、図１を参照して説明する。基板１００の上に窒化物半導体エピタキシャル層１１０を成長させる。基板１００としては、半導体基板、酸化物系基板、あるいはホウ化物系基板など、様々な種類の基板を使用することができる。好ましくは、基板１００はＡｌ２Ｏ３基板である。さらに、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、又はＺｒＢ２基板であることができる。基板１００は、窒化物系半導体エピタキシャル層を成長させることができる単結晶基板であればよく、ここに列挙したものに限られない。窒化物半導体エピタキシャル層１１０は、ガリウムとアルミニウムのうち、少なくとも１つを含有する窒化物半導体からなり、好ましくはＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなり、厚さ１μｍ以上のものにすることができる。好ましい実施形態において、窒化物半導体エピタキシャル層１１０は、低温バッファ層の成長に引き続き、高温成長が行われる２段階の成長を行って得られるＧａＮである。しかしながら、他の適当な窒化物半導体も基板１００上に成長させることができることは言うまでもない。
【００１７】
次に、図２を参照して説明する。窒化物半導体エピタキシャル層１１０の上に、昇温させると金属相に転化することができる窒化物半導体エピタキシャル層１２０を成長させる。窒化物半導体エピタキシャル層１２０はインジウムを含有する窒化物半導体からなり、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０．５＜ｘ≦１）であることが好ましい。このような窒化物半導体エピタキシャル層１２０の成長は、３００℃〜８００℃の比較的低温で行うことも可能である。したがって、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）から構成される窒化物半導体エピタキシャル層１１０を成長させた後、温度を下げて低温で窒化物半導体エピタキシャル層１２０、好ましくはＩｎＮ層を成長させる。
【００１８】
引き続き、窒化物半導体エピタキシャル層１２０が保持された状態、例えば窒化物半導体エピタキシャル層１２０を成長させる段階の成長温度範囲と近似する温度範囲で、本実施形態においては３００℃〜８００℃の温度で、窒化物半導体エピタキシャル層１２０の上に窒化物半導体エピタキシャル層１３０を成長させる。窒化物半導体エピタキシャル層１３０は、ガリウム及びアルミニウムのうち、少なくとも１つを含有する窒化物半導体で構成され、好ましくはＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）から構成され、本実施形態においてはＧａＮに成長させる。窒化物半導体エピタキシャル層１２０の金属層への転化は、窒化物半導体エピタキシャル層１２０中と窒化物半導体エピタキシャル層１１０、１３０中との窒素の平衡蒸気圧差を利用して、窒化物半導体エピタキシャル層１２０から窒素を放出することにより転化される。
【００１９】
窒化物半導体エピタキシャル層１２０の厚さが薄すぎると、窒化物半導体エピタキシャル層１２０の上下に形成される窒化物半導体エピタキシャル層１１０、１３０との相互拡散による応力緩和に必要な金属層が形成できなくなることがある。逆に窒化物半導体エピタキシャル層１２０の厚さが厚すぎると、窒化物半導体エピタキシャル層１２０自身による応力及び欠陥の発生が問題となる。したがって、後続して厚い窒化物半導体エピタキシャル層を成長させる際、金属層を形成させるのに十分な厚さを有する窒化物半導体エピタキシャル層１２０を成長させる必要である。
【００２０】
窒化物半導体エピタキシャル層１３０は、後続して形成される窒化物半導体エピタキシャル層のシードとしての役割をする。窒化物半導体エピタキシャル層１３０の厚さが薄すぎると、後続工程において窒化物半導体エピタキシャル層１２０を金属相に転化する際、結晶の質の劣化、金属層との相互拡散による格子常数の変化などにより、シードとしての役割を十分に果たせないおそれがある。そして、窒化物半導体エピタキシャル層１３０の厚さが厚すぎると、窒化物半導体エピタキシャル層１２０からの窒素の放出が遅れて、金属層への転化が遅くなる可能性がある。このような点を考慮して、窒化物半導体エピタキシャル層１３０は、厚さが約１nm〜１００nmのものに成長させる。
【００２１】
次に、図３を参照して説明する。窒化物半導体エピタキシャル層１２０が金属相に転化されるように昇温させる。前述したように、窒素の平衡蒸気圧差を利用すると、ＩｎｘＧａ１−ｘＮから構成される窒化物半導体エピタキシャル層１２０からのみ窒素が放出され、窒化物半導体エピタキシャル層１２０が金属層１２０ａに転化される。温度は約９００℃以上に昇温させるとよい。図５を参照して説明すると、例えばＩｎＮ層からなる窒化物半導体エピタキシャル層１２０は、平衡蒸気圧の差によって９００℃以上になると、Ｉｎ金属相に変わる。Ｉｎ金属の融点は約１５６．６℃であり、Ｉｎ金属相に転化された後は、液体状態となっている。また、Ｉｎ金属の沸点は、約２０７４℃であり、後続する成長段階の温度でも沸騰せず、液体状態のまま保持される。一方、ＧａＮを用いて形成した窒化物半導体エピタキシャル層１１０、１３０は、ＩｎＮに比べて窒素の平衡蒸気圧が低くて窒素が放出されず、固体相に保持される。
【００２２】
ここで、窒化物半導体エピタキシャル層１３０が窒化物半導体エピタキシャル層１２０の全面を覆っている状態で窒化物半導体エピタキシャル層１２０を金属層１２０ａに転化させてもよいが、窒化物半導体エピタキシャル層１３０を適当なパターンを有するようにパターニングをした後、窒化物半導体エピタキシャル層１２０を金属層１２０ａに転化させることもできる。窒化物半導体エピタキシャル層１３０を適当なパターンを有するようにパターニングすると、下部の窒化物半導体エピタキシャル層１２０の表面が成長チャンバーの環境下に露出されるので、窒素の放出が速やかに行われて金属層への転化過程を速く進行させることができる。
【００２３】
次に、図４を参照すると、成長時に発生する応力を金属層１２０ａを介して緩和させながら窒化物エピタキシャル層１４０を窒化物半導体エピタキシャル層１３０をシード層にして成長させる。窒化物半導体エピタキシャル層１２０から転化されて生成された金属層１２０ａは応力を吸収し、後続する高温成長段階において窒化物半導体エピタキシャル層の反りを低減させる。
【００２４】
図６及び図７は本発明の第２の実施形態による窒化物半導体エピタキシャル層の成長方法を説明するための断面図である。
【００２５】
図６及び図７を参照して説明する。図４の段階まで進行した後、窒化物半導体エピタキシャル層１４０の上にキャリア基板１５０を取り付けて機械的強度を確保した後、酸溶液を加えて中間の金属層１２０ａを除去することによって、基板１００と窒化物半導体エピタキシャル層１４０とを分離する。従来、基板を分離するためにレーザー照射による分離工程及び／又は機械的研磨のような複雑な工程を利用しなければならなかったが、本発明によると、酸溶液中で中間の金属層のみを選択的にエッチングして容易に基板を分離することができる。そして、金属層１２０ａと窒化物半導体エピタキシャル層１３０との界面が原子層の水準のものである場合、基板の分離後、別途の化学的機械研磨（ＣＭＰ）を施す必要はない。ここで、分離された窒化物半導体エピタキシャル層１４０を新しい基板として利用することができる。
【００２６】
キャリア基板１５０を使用せずに、単に金属層１２０ａのみを選択的にエッチングすることによって自立（free standing）基板に分離することができる。
【００２７】
図８は、本発明の他の実施形態を説明する図であり、金属層１２０ａが窒化物半導体エピタキシャル層１１０上ではなく、基板１００の上に直接形成されている。窒化物半導体エピタキシャル層１１０の成長を省略したことを除いては、図２の実施形態と同一な方法で金属層１２０ａが形成され、引き続き窒化物半導体エピタキシャル層１３０の上に他の窒化物半導体エピタキシャル層を成長させることができる。本実施形態においても、窒化物半導体エピタキシャル層１２０はインジウムを含有する窒化物半導体からなっており、好ましくはＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０．５＜ｘ≦１）、さらに好ましくはＩｎＮからなっており、窒化物半導体エピタキシャル層１３０はガリウム及びアルミニウムのうち少なくとも１つを含む窒化物半導体からなり、好ましくはＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）から構成されるが、さらに好ましくはＧａＮからなる。
【００２８】
以上で、本発明を好ましい実施形態を例に挙げて詳しく説明したが、本発明は、前記実施形態に限定されるのではなく、本発明の技術的思想内で当該分野における通常の知識を有する者によって多様に変形する可能であることは明らかである。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明は、金属層の上部に電子と正孔の再結合により光を放出する活性層を含む複数の窒化物半導体層をエピタキシャル成長させることにより、発光ダイオードやレーザーダイオードのような発光デバイスに利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の第１の実施形態による窒化物半導体エピタキシャル層成長方法を説明するための断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態による窒化物半導体エピタキシャル層成長方法を説明するための断面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態による窒化物半導体エピタキシャル層成長方法を説明するための断面図である。
【図４】本発明の第１の実施形態による窒化物半導体エピタキシャル層成長方法を説明するための断面図である。
【図５】窒化物半導体エピタキシャル層中の窒素の平衡蒸気圧の温度による変化を示す図である。
【図６】本発明の第２の実施形態による窒化物半導体エピタキシャル層の成長方法を説明するための断面図である。
【図７】本発明の第２の実施形態による窒化物半導体エピタキシャル層の成長方法を説明するための断面図である。
【図８】本発明の他の実施形態による窒化物半導体エピタキシャル層成長方法を説明するための断面図である。
【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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【手続補正書】
【提出日】平成18年3月7日(2006.3.7)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１６】
インジウムを含有する第１の窒化物半導体エピタキシャル層を第１の温度で成長させる第１の段階と、
第１の窒化物半導体エピタキシャル層の上に、窒素の平衡蒸気圧が第１の窒化物半導体エピタキシャル層より小さい第２の窒化物半導体エピタキシャル層を第２の温度で成長させる第２の段階と、
第１の窒化物半導体エピタキシャル層を金属層に転化させるように、第２の温度より高い第３の温度に昇温して第１の窒化物半導体エピタキシャル層から窒素を放出する第３の段階と、を含む、ことを特徴とする窒化物半導体エピタキシャル層を成長させる方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
また、本発明は、インジウムを含有する第１の窒化物半導体エピタキシャル層を第１の温度で成長させる第１の段階と、第１の窒化物半導体エピタキシャル層上に、窒素の平衡蒸気圧が第１の窒化物半導体エピタキシャル層より小さい第２の窒化物半導体エピタキシャル層を第２の温度で成長させる第２の段階と、第１の窒化物半導体エピタキシャル層が金属層に転化されるように、第２の温度より高い第３の温度に昇温させて第１の窒化物半導体エピタキシャル層から窒素を放出させる第３の段階と、を含む窒化物半導体エピタキシャル層を成長させる方法を提供する。
ここで、第１の窒化物半導体エピタキシャル層の下に置かれ、第１の窒化物半導体エピタキシャル層を成長させる層は、基板、あるいは窒化物半導体エピタキシャル層であることが好ましい。
【国際調査報告】
2007528587.tif 000011
2007528587.tif 000012