(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
多結晶セラミック基板とシリコン基板とを直接接合してなる複合基板の前記シリコン基板を薄層化する工程；
前記シリコン基板上に、１３族元素窒化物からなる種結晶膜を気相法によって成膜する工程；および
前記種結晶膜上に窒化ガリウム結晶層をフラックス法によって育成する工程；
を有することを特徴とする、複合基板の製造方法。
【請求項２】
前記１３族元素窒化物が窒化ガリウムであることを特徴とする、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記多結晶セラミック基板が、アルミナあるいは窒化アルミニウムからなる、請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
前記薄層化工程において、前記シリコン基板を、０．２ミクロン以上、８ミクロン以下の厚さに薄層化することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つの請求項に記載の方法。
【請求項５】
多結晶セラミック基板とシリコン基板とを直接接合してなる複合基板の前記シリコン基板を薄層化する工程；
前記シリコン基板上に、１３族元素窒化物からなる種結晶膜を気相法によって成膜する工程；
前記種結晶膜上に窒化ガリウム結晶層をフラックス法によって育成する工程；および
前記窒化ガリウム結晶層上に１３族元素窒化物からなる機能層を気相法によって形成する工程を備えていることを特徴とする、機能素子の製造方法。
【請求項６】
前記機能層が発光機能を有することを特徴とする、請求項５記載の方法。
【請求項７】
前記１３族元素窒化物が窒化ガリウムであることを特徴とする、請求項５または６記載の方法。
【請求項８】
前記多結晶セラミック基板が、アルミナあるいは窒化アルミニウムからなる、請求項５〜７のいずれか一つの請求項に記載の方法。
【請求項９】
前記薄層化工程において、前記シリコン基板を、０．２ミクロン以上、８ミクロン以下の厚さに薄層化することを特徴とする、請求項５〜８のいずれか一つの請求項に記載の方法。
【請求項１０】
多結晶セラミック基板とシリコン基板とを直接接合してなる複合基板の前記シリコン基板を薄層化する工程；および
前記シリコン基板上に、１３族元素窒化物からなる種結晶膜を気相法によって成膜する工程を備えていることを特徴とする、種結晶基板の製造方法。
【請求項１１】
前記１３族元素窒化物が窒化ガリウムであることを特徴とする、請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
前記多結晶セラミック基板が、アルミナあるいは窒化アルミニウムからなる、請求項１０または１１記載の方法。
【請求項１３】
前記シリコン基板は、０．２ミクロン以上、８ミクロン以下の厚さに薄層化されていることを特徴とする、請求項１０〜１２のいずれか一つの請求項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、１３族元素窒化物複合基板の作製方法、この方法で作製されたエピウェハー、および電子デバイスに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
（フラックス法）
液相法の一種であるフラックス法により転位密度の低い窒化物ガリウム単結晶基板を得ることが出来る。フラックス法によるＧａＮ単結晶成長では、一般的に種結晶を用い、そこを起点としてＧａＮを成長させる。成長用の基板はサファイア基板上にＭＯＣＶＤ法やＨＶＰＥ法などの気相法により1〜20μm程度の種結晶層を成長させたウェハー（種結晶基板）を用いる（特許文献１）。【０００３】
（ＭＯＣＶＤ法）
従来のサファイア基板に代わり、シリコン基板上に窒化物半導体を有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により成膜し、パワーデバイス構造やＬＥＤ素子構造を形成するということも盛んに行われるようになってきた。シリコン基板は大きなサイズのウェハーが入手できるメリットがある。【０００４】
（複合基板）
青色ＬＥＤ，青紫色半導体レーザー及びパワー半導体などの半導体デバイスの製作に、窒化ガリウムなどのIII族窒化物からなる基板と下地基板とを貼り合わせた複合基板を用いることができる（特許文献２）。【０００５】
窒化ガリウム薄膜を使ったパワーデバイスやＬＥＤ素子では、素子形成工程後、放熱性を向上させる観点から、シリコン基板やサファイア基板を薄く研磨し、より熱伝導性の高いアルミナやＡｌＮ多結晶基板などに貼り合わせているものが一般的である。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】（MOCVD法によるGaN on Si）：  "High power AlGaN/GaN HFET with a high breakdown voltage of over 1.8kV on 4 inch Si substrates and the suppression of current collapse", Nariaki Ikeda, Syuusuke Kaya, Jiang Li, Yoshihiro Sato, Sadahiro Kato, Seikoh Yoshida, Proceedings of the 20th International Symposium on Power Semiconductor Devices & IC's May 18-22,2008 Oralando, FL", pp.287-290
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】WO2010/084675
【特許文献２】特開２０１２−１２４４７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
シリコン基板を用いた場合、とくにパワーデバイス用途では高耐圧デバイスとするために、GaN,AlGaN,AlNなどを複雑に積層した多層膜構造を形成し、その上にＧａＮ層を厚く成膜する必要がある（非特許文献１）。さらに、シリコン基板上にＭＯＣＶＤ法により形成したＧａＮ薄膜は、転位密度を低減するのが難しい。【０００９】
フラックス法にて大きなサイズのウェハーを得ようとすると、そのウェハーサイズと同じ程度かそれ以上のサイズの種結晶基板が必要である。サファイア基板と比較してシリコン基板は大きなサイズのウェハーを容易かつ安価に入手できるため、シリコン基板上にＭＯＣＶＤ法によりＧａＮ薄膜を形成し種結晶基板とできれば、工業的に有用である。しかしながら、一般にシリコン基板のある種結晶基板を用いると、フラックス法でＧａＮ単結晶を得ることが難しい。その理由は、シリコンがフラックスとして用いられるナトリウムに溶解しやすく、さらにフラックス中のシリコン濃度が上がるとＧａＮ結晶の育成速度が極度に低下し、ほとんどＧａＮ結晶が成長しないためである。実際に、シリコン基板を用いた種結晶基板をフラックス法による単結晶ＧａＮ育成に適用すると、シリコン基板がフラックスに完全に溶融する上、ＧａＮ単結晶の育成も見られない。またシリコンの溶融を極力抑制できるとしても、フラックスにシリコンがわずかでも溶解すれば意図しない不純物としてＧａＮ結晶中に混入するため、ＧａＮ単結晶のキャリア濃度制御が難しいことが容易に想像される。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は以下のものである。
（１）  多結晶セラミック基板とシリコン基板とを直接接合してなる複合基板の前記シリコン基板を薄層化する工程；
前記シリコン基板上に、１３族元素窒化物からなる種結晶膜を気相法によって成膜する工程；および
前記種結晶膜上に窒化ガリウム結晶層をフラックス法によって育成する工程；
を有することを特徴とする、複合基板の製造方法。
（２）  前記１３族元素窒化物が窒化ガリウムであることを特徴とする、（１）の方法。
（３）  前記多結晶セラミック基板が、アルミナあるいは窒化アルミニウムからなる、（１）または（２）の方法。
（４）  前記薄層化工程において、前記シリコン基板を、０．２ミクロン以上、８ミクロン以下の厚さに薄層化することを特徴とする、（１）〜（３）のいずれかの方法。
（５）  多結晶セラミック基板とシリコン基板とを直接接合してなる複合基板の前記シリコン基板を薄層化する工程；
前記シリコン基板上に、１３族元素窒化物からなる種結晶膜を気相法によって成膜する工程；
前記種結晶膜上に窒化ガリウム結晶層をフラックス法によって育成する工程；および
前記窒化ガリウム結晶層上に１３族元素窒化物からなる機能層を気相法によって形成する工程を備えていることを特徴とする、機能素子の製造方法。
（６）  前記機能層が発光機能を有することを特徴とする、（５）の方法。
（７）  前記１３族元素窒化物が窒化ガリウムであることを特徴とする、（５）または（６）の方法。
（８）  前記多結晶セラミック基板が、アルミナあるいは窒化アルミニウムからなる、（５）〜（７）のいずれかの方法。
（９）  前記薄層化工程において、前記シリコン基板を、０．２ミクロン以上、８ミクロン以下の厚さに薄層化することを特徴とする、（５）〜（８）のいずれかの方法。
【００１１】
（１０）  多結晶セラミック基板とシリコン基板とを直接接合してなる複合基板の前記シリコン基板を薄層化する工程；および
前記シリコン基板上に、１３族元素窒化物からなる種結晶膜を気相法によって成膜する工程を備えていることを特徴とする、種結晶基板の製造方法。
（１１）  前記１３族元素窒化物が窒化ガリウムであることを特徴とする、（１０）の方法。
（１２）  前記多結晶セラミック基板が、アルミナあるいは窒化アルミニウムからなる、（１０）または（１１）の方法。
（１３）  前記シリコン基板は、０．２ミクロン以上、８ミクロン以下の厚さに薄層化されていることを特徴とする、（１０）〜（１２）のいずれかの方法。
【発明の効果】
【００１２】
シリコン基板に対して、アルミナやＡｌＮの多結晶セラミック基板を直接接合により貼り合わせ複合化した下地基板を用い、好ましくはこのシリコン基板を薄く加工した後、シリコン面に、１３族元素窒化物からなる種結晶膜を気相法（特にＭＯＣＶＤ法）により成膜する。この基板を種結晶基板とし、フラックス法を適用する。これにより、フラックス法適用時に成長阻害を起こすシリコンがフラックスに接触することなく、ＧａＮ薄膜上に結晶性の良好な液相法ＧａＮが厚く成膜された、ＧａＮテンプレート基板（複合基板）を作成できる。【００１３】
さらに、シリコン基板と多結晶セラミック基板の複合化によって、１３族元素窒化物厚膜成長に際して発生する応力による反りやクラックを抑制できる利点がある。そのため、ＭＯＣＶＤ法にてシリコン基板上に高耐圧パワーデバイスを作製するために厚いＧａＮ層を形成する必要がある場合でも、複雑な多層応力緩和層を大幅に簡略化、あるいは不要とすることができ、生産性を向上させることができる。【００１４】
以上により、安価でサイズの大きいシリコン基板と多結晶セラミック基板を複合化した下地基板上に窒化ガリウムを成長させた種結晶基板を用いて、結晶性の良好なＧａＮテンプレート基板を得ることができる。この結果、通常使用されている高価な単結晶ＳｉＣを使用せずに、ＬＥＤやパワーデバイスの性能を上げ、さらに放熱性を向上させることができる。【００１５】
更にシリコン基板と多結晶セラミック基板を複合化した下地基板のシリコン上に種結晶膜を設けることにより、シリコン基板の両方の主面は多結晶セラミックと種結晶膜によって被覆されるので、フラックス法による結晶育成時において融液によるシリコン基板の溶解を抑制できる。シリコン基板が薄層化加工されていると、一層溶解防止効果が高まる。【００１６】
特にそのシリコン基板を薄層化した場合には、シリコン基板の側面を被覆する必要性なしに、シリコン基板の融液への接触を最小限とすることができるので、製造コストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１（ａ）は、多結晶セラミック基板上にシリコン基板１を形成した状態を示す模式図であり、図１（ｂ）は、下地基板７を示す模式図であり、図１（ｃ）は、種結晶基板８を示す模式図である。
【図２】図２（ａ）は、複合基板９を示す模式図であり、図２（ｂ）は、発光素子１０を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１（ａ）に示すように、多結晶セラミック基板２に対してシリコン基板１を直接接合する。１ｂはシリコン基板の多結晶セラミック基板への接合面であり、１ａは露出した主面であり、７は露出した側面である。次いで、図１（ｂ）に示すように、シリコン基板１を薄層化加工し、薄層化されたシリコン基板１Ａを形成する。１ｃは、薄層化されたシリコン基板の加工面であり、７Ａは露出した側面である。このシリコン基板１Ａと多結晶セラミック基板２とによって下地基板７が形成される。
【００１９】
次いで、図１（ｃ）に示すように、シリコン基板１Ａの加工面１ｃ上に種結晶膜３を形成し、種結晶基板８を得る。
【００２０】
次いで、図２（ａ）に示すように、種結晶膜３上に、フラックス法によって窒化ガリウム結晶層４を形成し、ＧａＮテンプレート基板（複合基板）９を得る。次いで、必要に応じて、ＧａＮテンプレート基板９上に、発光素子構造５を形成し、機能素子１０を得る（図２（ｂ））。
【００２１】
多結晶セラミック基板２としては、アルミナ、窒化アルミニウムなどを例示できる。
【００２２】
多結晶セラミック基板とシリコン基板との接合方法は、例えば両方の基板を研磨し、アルゴンビームを照射し、真空中で研磨面どうしを接触させて荷重を加えることで直接接合できる。
【００２３】
シリコン基板を薄層化加工することで厚さを例えば８μｍ以下に低減することが好ましい。薄層化加工としては、研磨加工が好ましい。薄層化加工後のシリコン基板の厚さは、８μｍ以下が好ましいが、３μｍ以下が更に好ましい。このようにシリコン基板を薄くすることによって、シリコン基板の側面の融液への溶解が顕著に抑制される。
【００２４】
また、薄層化加工の観点からは、薄層化されたシリコン基板の厚さは０．２μｍ以上が通常であり、０．５μｍ以上が好ましい。
【００２５】
シリコン基板を薄層化加工していない場合でも、当初に多結晶セラミック基板と接合する段階のシリコン基板を可能な限り薄くすることで、シリコン基板の側面の融液への接触を抑制することが可能である。こうした場合にも、シリコン基板の厚さは３０μｍ以下であることが好ましい。
【００２６】
また、種結晶膜をシリコン基板上に形成するのに際して、種結晶膜によってシリコン基板の側面も被覆し、シリコン基板の露出を防止することも可能である。
【００２７】
シリコン基板上に、１３族元素窒化物からなる種結晶膜を気相法によって設ける。
種結晶膜は、一層であってよく、あるいは下地基板側にバッファ層を含んでいて良い。種結晶膜の形成方法は気相成長法を好ましい一例として挙げることができ、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ： Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法、ハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ）法、パルス励起堆積（ＰＸＤ）法、ＭＢＥ法、昇華法を例示できる。ＭＯＣＶＤ法が特に好ましい。
【００２８】
１３族元素とは、ＩＵＰＡＣが策定した周期律表による第１３族元素のことである。１３族元素は、具体的にはガリウム、アルミニウム、インジウム、タリウム等である。また、添加剤としては、炭素や、低融点金属（錫、ビスマス、銀、金）、高融点金属（鉄、マンガン、チタン、クロムなどの遷移金属）が挙げられる。低融点金属は、ナトリウムの酸化防止を目的として添加する場合があり、高融点金属は、坩堝を入れる容器や育成炉のヒーターなどから混入する場合がある。また、１３族元素窒化物は、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＧａＡｌＮ、ＧａＩｎＮ、ＡｌＩｎＮ、ＧａＡｌＩｎＮが好ましい。
【００２９】
次いで、種結晶膜上に、フラックス法によって窒化ガリウム結晶層を形成する。この際、フラックスの種類は、窒化ガリウム結晶を生成可能である限り、特に限定されない。好適な実施形態においては、アルカリ金属とアルカリ土類金属の少なくとも一方を含むフラックスを使用し、ナトリウムを含むフラックスが特に好ましい。
【００３０】
フラックスには、ガリウム原料物質を混合し、使用する。ガリウム原料物質としては、ガリウム単体、ガリウム合金、ガリウム化合物を適用できるが、ガリウム単体が取扱いの上からも好適である。
【００３１】
フラックス法における窒化ガリウム結晶の育成温度や育成時の保持時間は特に限定されず、フラックスの組成に応じて適宜変更する。一例では、ナトリウムまたはリチウム含有フラックスを用いて窒化ガリウム結晶を育成する場合には、育成温度を８００〜９５０℃とすることが好ましく、８５０〜９００℃とすることが更に好ましい。
【００３２】
フラックス法では、窒素原子を含む気体を含む雰囲気下で単結晶を育成する。このガスは窒素ガスが好ましいが、アンモニアでもよい。雰囲気の圧力は特に限定されないが、フラックスの蒸発を防止する観点からは、１０気圧以上が好ましく、３０気圧以上が更に好ましい。ただし、圧力が高いと装置が大がかりとなるので、雰囲気の全圧は、２０００気圧以下が好ましく、５００気圧以下が更に好ましい。雰囲気中の窒素原子を含む気体以外のガスは限定されないが、不活性ガスが好ましく、アルゴン、ヘリウム、ネオンが特に好ましい。
【００３３】
こうして得られた複合基板上に機能層を気相法で形成する。
複合基板上に気相法、好ましくはＭＯＣＶＤ法により半導体発光ダイオード（ＬＥＤ）を作製すると、ＬＥＤ内部の転位密度がＧａＮテンプレートのＧａＮ単結晶とほぼ同じ密度となることから、高輝度化やドループ現象の抑制が可能となる。
【００３４】
機能層の成膜温度は、結晶品質の観点から、１０００℃以上が好ましく、１０５０℃以上が更に好ましい。また、窒化ガリウム結晶層の結晶品質を低下させないという観点からは、機能層の成膜温度は、１２００℃以下が好ましく、１１５０℃以下が更に好ましい。
【００３５】
機能層の材質は、１３族元素窒化物が好ましい。１３族元素とは、ＩＵＰＡＣが策定した周期律表による第１３族元素のことである。１３族元素は、具体的にはガリウム、アルミニウム、インジウム、タリウム等である。また、添加剤としては、炭素や、遷移金属（鉄、マンガン、チタン、クロムなど）が挙げられる。
【００３６】
発光素子構造は、例えば、ｎ型半導体層、このｎ型半導体層上に設けられた発光領域およびこの発光領域上に設けられたｐ型半導体層を備えている。例えば、窒化ガリウム結晶層上に、ｎ型コンタクト層、ｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層、ｐ型コンタクト層を形成し、発光素子構造を構成する。
【００３７】
本発明は、高品質であることが要求される技術分野、例えば高演色性の高輝度白色ＬＥＤや高速高密度光ディスク用青紫レーザー、ハイブリッド自動車用のインバータに用いるパワーデバイスなどに用いることができる。
【実施例】
【００３８】
（基板の複合化）
直径４インチ５００μｍ厚の窒化アルミニウムからなる多結晶セラミック基板２を用意し、ダイヤモンド砥粒を用いて研磨することにより平坦化した。研磨した表面を原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）にて１０μｍ□の領域で観察し、表面粗さを計測したところ、二乗平均粗さで０．８ｎｍであった。【００３９】
この研磨した窒化アルミニウムからなる多結晶セラミック基板２と、両面を研磨した直径４インチ３００μｍ厚の（１１１）面シリコン基板１とを真空チャンバー内に入れ、真空中にて、それぞれ研磨した面に対しアルゴンビーム照射を3分間行った。その後、真空チャンバー内にて照射した面を接触させ、常温で１トンの荷重を掛けることで接合し、複合ウェハーとした。【００４０】
複合ウェハー７のシリコン面をダイヤモンド砥粒によって研磨した。シリコンの厚さを５μｍ厚にまで研磨し薄膜化し、次にべべリング工程によりウェハーの外周面取り加工を行った。シリコン面が多結晶セラミックス基板の外周から0.5mm内側に収まるようべべリング加工によりテーパー加工を施した。シリコン面の研磨表面をＡＦＭにて１０μｍ□の領域で観察し表面粗さを計測したところ、二乗平均粗さで０．１ｎｍ以下であった。【００４１】
（種結晶基板作成）
下地基板７に対して、フッ化水素酸／純水＝１／１０（体積比）なる組成の希フッ酸による希フッ酸洗浄により表面酸化膜を除去した状態とし、これをＭＯＣＶＤ装置のリアクタ内サセプターにセットした。この際、シリコン面に成膜されるように、多結晶セラミック基板２側がサセプターに接するようにした。次いで、リアクタ内を水素・窒素混合雰囲気とし、基板温度が初期層形成温度である１０５０℃となるまで加熱した。【００４２】
リアクタ内圧力を１０ｋＰａとし、ＴＭＡバブリングガスを所定の流量比にてリアクタ内に導入し、ＮＨ３とＴＭＡを反応させＡｌＮ膜を１００ｎｍの厚みで形成した。その後、ＮＨ３とＴＭＡとＴＭＧとを反応させ、ＡｌＧａＮ膜を４０ｎｍの厚みで形成した。【００４３】
次に、基板温度を保ち、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）とアンモニアとを原料としてＧａＮ膜３を３μｍの厚さに成長させた。その後、基板温度を室温まで下げ、複合ウェハーを取り出した。【００４４】
（フラックス法）
この複合ウェハーを種結晶基板８としてフラックス法にてＧａＮ結晶層４を育成した。成長に用いた原料は、ガリウム、ナトリウムおよびリチウムである。ＭＯＣＶＤ法により成膜したＧａＮ膜にフラックスが接するように種結晶基板をアルミナるつぼに配置した。このるつぼにガリウム３０ｇ、ナトリウム４４ｇ、リチウム３０ｍｇをそれぞれ充填して、炉内温度９００℃・圧力５ＭＰａにてＧａＮ単結晶を約１０時間育成した。るつぼから種結晶基板８を取り出したところ、基板表面にＧａＮ単結晶が約１００μｍの厚さで堆積していた。【００４５】
このようにして得られた複合基板のＧａＮ単結晶を成長させた面を、ダイヤモンド砥粒を用いて研磨することにより平坦化したところ、クラックのない透明な直径４インチの窒化ガリウム単結晶膜の付いた複合基板９を得た。【００４６】
ＣＬ(カソードルミネッセンス)法にてダークスポット（発光が微弱のため周囲より暗く見える点）を基板表面に現れた転位として計数することにより、窒化ガリウム単結晶膜の転位密度を算出した。ＣＬ法による測定にはカソードルミネッセンス検出器を取付けた日立ハイテクノロジーズ製「S-3400N TypeII」を使用した。その結果、転位密度は７×１０６ｃｍ−２程度であった。【００４７】
（発光素子構造作成）
上記で得られた直径４インチ窒化ガリウム単結晶の複合基板９の上に発光素子構造５を成膜した。【００４８】
複合基板９を再びＭＯＣＶＤ炉内に入れ、水素・窒素混合雰囲気中で基板温度を１１００℃まで上げ、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）とアンモニアとを原料としシランガスをドーパントにしてｎ型ＧａＮ膜を１μｍの厚さに成長させた。【００４９】
次に７５０℃まで温度を低下させ、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ 量子井戸構造を３対形成した。次いで、基板温度を１０５０℃まで上げ、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）とアンモニアとを原料としＣｐ２Ｍｇをドーパントにしてｐ型ＧａＮ膜を０．１μｍの厚さに成長させた。【００５０】
（比較例１、２）
シリコン基板１として直径４インチ３００μｍ厚の（１１１）面を使用するが、薄層化研磨加工は行わず、シリコン基板１上にそのまま種結晶膜３を形成した（比較例１）。また、シリコン基板１として直径４インチ５００μｍ厚の（１１１）面シリコン基板を使用するが、多結晶セラミック基板２を用いず、基板の複合化も行わなかった（比較例２）。その他は上記の実施例と同様にして複合基板の作製を試みた。【００５１】
この結果、比較例１、２のいずれの場合も、フラックス法によるＧａＮ結晶育成工程にて、シリコン基板１とＧａＮ種結晶膜３がなくなっていた。この原因は、シリコン基板１とＧａＮ種結晶膜３がフラックス中に溶解してしまったものと考えられる。そのため、複合基板９が得られなかった。
【図１】
0005805352.tif 000002
【図２】
0005805352.tif 000003