(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化物半導体とは異種の単結晶基板と、
前記基板との間に相互連通して一つに一体化した連続的な空洞が定義されるよう、前記基板と接触する複数個の脚部及び前記脚部から延びて連続に形成されており前記基板と平行な上面部を含み、前記基板と同一の結晶構造に結晶化した無機物薄膜と、を含み、
前記単結晶基板と無機物薄膜との組み合わせが、
前記単結晶基板がサファイアであって、無機物薄膜がアルミナである組み合わせ、または、前記単結晶基板がシリコンであって、無機物薄膜がＡｌＮである組み合わせである基板構造。
【請求項２】
前記脚部が、中空のパイプ状であることを特徴とする請求項１に記載の基板構造。
【請求項３】
前記脚部が占める面積よりも前記空洞が占める面積が大きいことを特徴とする請求項１に記載の基板構造。
【請求項４】
窒化物半導体とは異種の単結晶基板と、
前記基板との間に相互連通して一つに一体化した連続的な空洞が定義されるよう、前記基板と接触する複数個の脚部及び前記脚部から延びて連続に形成されており前記基板と平行な上面部を含み、前記基板と同一の結晶構造に結晶化した無機物薄膜と、
前記無機物薄膜の上から形成された窒化物半導体層と、を含む半導体積層構造。
【請求項５】
前記窒化物半導体層が、前記一体化した空洞の上における結晶化した無機物薄膜の上から成長して合体したことを特徴とする請求項４に記載の半導体積層構造。
【請求項６】
窒化物半導体とは異種の単結晶基板の上にホールタイプの犠牲層パターンを形成する段階と、
前記犠牲層パターンの上に無機物薄膜を形成する段階と、
前記基板と無機物薄膜とで定義され、相互連通して一つに一体化した空洞が形成されるよう、前記無機物薄膜が形成された前記基板から前記犠牲層パターンを除去する段階と、前記基板と同一の結晶構造に前記無機物薄膜を結晶化させる段階と、を含む基板構造の形成方法。
【請求項７】
前記無機物薄膜を形成する段階は、ＡＬＤによって行われることを特徴とする請求項６に記載の基板構造の形成方法。
【請求項８】
前記犠牲層パターンを除去する段階は、酸素雰囲気下における熱処理または有機溶媒を用いる湿式除去で行われることを特徴とする請求項６に記載の基板構造の形成方法。
【請求項９】
前記犠牲層パターンを除去する段階は、酸素雰囲気下における熱処理により行われ、前記無機物薄膜を結晶化させる段階は、それよりも高い温度の熱処理により行われることを特徴とする請求項６に記載の基板構造の形成方法。
【請求項１０】
窒化物半導体とは異種の単結晶基板の上にホールタイプの犠牲層パターンを形成する段階と、
前記犠牲層パターンの上に無機物薄膜を形成する段階と、
前記基板と無機物薄膜とで定義され、相互連通して一つに一体化した空洞が形成されるよう、前記無機物薄膜が形成された前記基板から前記犠牲層パターンを除去する段階と、前記基板と同一の結晶構造に前記無機物薄膜を結晶化させる段階と、
前記空洞の上における前記結晶化した無機物薄膜の上から窒化物半導体層を成長させる段階と、を含む半導体積層構造の形成方法。
【請求項１１】
窒化物半導体とは異種の単結晶基板の上にホールタイプの犠牲層パターンを形成する段階と、
前記犠牲層パターンの上に無機物薄膜を形成する段階と、
前記基板と無機物薄膜とで定義され、相互連通して一つに一体化した空洞が形成されるよう、前記無機物薄膜が形成された前記基板から前記犠牲層パターンを除去する段階と、
前記基板と同一の結晶構造に前記無機物薄膜を結晶化させる段階と、
前記空洞の上における前記結晶化した無機物薄膜の上から窒化物半導体層を成長させる段階と、
前記基板と前記窒化物半導体層とを分離する段階と、をさらに含む窒化物半導体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化ガリウム（ＧａＮ）またはガリウムと相異なる金属の混合窒化物からなる半導体層及びその形成方法に関する。また、本発明は、このような層を含む電子または光電子素子（ｏｐｔｏ−ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  ｄｅｖｉｃｅ）、窒化物半導体基板及びその製造方法に関する。本発明の技術分野は、結晶欠陥が少ない高品質の窒化物半導体層を形成するための基板構造及びその形成方法と広く定義することができる。
【背景技術】
【０００２】
窒化ガリウムのような窒化物半導体素子としては、ＬＥＤが代表的である。ＬＥＤ市場は、携帯電話などの携帯型通信機器や小型家電製品のキーパッド、液晶ディスプレー（ＬＣＤ）のバックライトユニットなどに用いられる低出力ＬＥＤを基盤として成長した。最近は、屋内照明、屋外照明、自動車内外装用、大型ＬＣＤのバックライトユニットなどに用いられる高出力、高効率の光源の必要性が高まるにつれ、ＬＥＤ市場も高出力の製品中心に移している。
【０００３】
窒化物半導体を用いる素子のうち、窒化物半導体層の成長のために最もよく用いられる基板は、サファイア、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）、シリコンのような「異種」の基板である。ところが、これらの異種基板物質は、窒化物との格子定数の不一致及び熱膨脹係数の差から、異種基板に成長させた窒化物半導体層は、転位（ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ）などの結晶欠陷を多量で含んでいる。このような欠陷は、ＬＥＤ性能を劣る主要因に作用する。
【０００４】
サファイア基板は、窒化物半導体層よりも熱膨脹係数が大きいため、窒化物半導体層を高温で成長させた後に冷却させれば、窒化物半導体層に圧縮応力がかかる。シリコン基板は窒化物半導体層よりも熱膨脹係数が小さいため、窒化物半導体層を高温で成長させた後に冷却させれば、窒化物半導体層に引張応力がかかる。このため、基板の反りが現れ、かかる基板の反りを抑制するためには基板の厚さも厚くしなくてはならないという不具合がある。厚い基板を用いることは、表面的な現象を減少させる役割を果すだけで、薄膜の応力自体を減少させる技術ではない。薄膜の応力自体を減少できるなら、薄い基板を用いることができるため、有利となる。また、ＬＥＤの製作後、チップの分離のために基板を１００μｍ厚くらいを残して削らなければならない実情に鑑みれば、薄い基板の使用が可能となれば、ＬＥＤの生産面で大きな利点を得ることができる。
【０００５】
必要に応じては、異種基板の上に形成された窒化物半導体層を異種基板から分離しなければならない場合があり、従来技術としてはレーザーリフトオフ（ｌａｓｅｒ  ｌｉｆｔ  ｏｆｆ）が提案されている。しかし、レーザーリフトオフ法を用いる場合も、サファイア基板と窒化物半導体との熱膨脹係数の差などの原因で、基板の反りが発生するか、半導体層が損傷するという問題が発生する。また、レーザービームによる衝撃によってエピ層にクラックなどの欠陷が発生しやすく、延いては、エピ層が割れやすいことから、工程が不安定となる。また、レーザーリフトオフ法は、窒化物半導体の熱的・機械的変形及び分解を伴う。したがって、既に成長させた薄膜の損失のみならず、エネルギー面でも効率的ではない。
【０００６】
また、ＬＥＤにおける最大の問題点は、低い発光効率である。一般的に、発光効率は、光の生成効率（内部量子効率）と、素子の外に放出される効率（外部光抽出効率）、及び蛍光体によって光が増幅する効率によって決定される。ＬＥＤの高出力化のためには、内部量子効率面で活性層特性を向上させる方法が重要であり、実際発生した光の外部光抽出効率を増加させることも重要である。
【０００７】
サファイア基板にパターンを形成したＰＳＳ（ｐａｔｔｅｒｎｅｄ  ｓａｐｐｈｉｒｅ  ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）は、窒化物半導体層の成長時に発生する欠陷を減らして内部量子効率を増加させることができ、内部全反射を減らして外部光抽出効率を増加させることができると知られている。
図１は、既存のＰＳＳを用いて窒化物半導体層を成長させる場合を説明するための図である。
図１の（ａ）を参照すれば、既存のＰＳＳ１０においては、基板の底面で窒化物半導体層２０の成長が始まり、横方向エピタキシャル成長（Ｅｐｉｔａｘｉａｌ  Ｌａｔｅｒａｌ  Ｏｖｅｒｇｒｏｗｔｈ：ＥＬＯ）によってＰＳＳレンズ１５の上部を覆う形態に成長する。これによって、図１の（ｂ）のように転位が発生した領域の間に転位密度の低い領域が形成される最終窒化物半導体層２５構造を得ることができる。
【０００８】
窒化物半導体層がＧａＮである場合、ＧａＮの成長は１１００℃以下となる。この温度においては、図１の（ａ）のように非等方性の強い成長モードによって底面にのみ主にＧａＮ成長が起こり、（ｂ）のようにＥＬＯが発生する領域では転位密度が減少するので結晶品質を改善できる。
ところが、窒化物半導体層がＡｌＮである場合は、そうではない問題がある。ＡｌＮの成長は、ＧａＮよりも高温である１３００℃以上である。この温度では、等方性の強い成長モードを有する。これに係わり、図１の（ｃ）を参照すれば、ＰＳＳ１０の底面のみならず、レンズ１５の表面においてもＡｌＮ３０が活発に成長する。これによって、底面を満たし切る前にＡｌＮエピ層が併合（ｍｅｒｇｅ）される確率が非常に高く、結局、図１の（ｄ）のようにＡｌＮ  エピ層３５の内部にボイド４０（ｖｏｉｄ）が生成する。このようなボイド４０は結晶品質を低下させる。
【０００９】
このような問題点からＡｌＮエピ層を成長させる際、ＰＳＳを適用しにくいため、結晶品質が劣化するという問題がある。さらに、ＧａＮよりも成長温度が１００℃以上高いため、熱膨脹係数の差による応力発生、基板の反りなどの現象がＡｌＮの場合にさらに深刻となる。
したがって、高信頼性の基板分離方法や高品質の窒化物半導体基板、窒化物半導体素子または窒化物半導体層のような窒化物半導体をその物質種類にかかわらず得ることができる方法が求められる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、窒化物半導体層の成長時、窒化物半導体層にかかる応力を減少させ、高品質の窒化物半導体層を形成できるだけでなく、基板との分離を容易にする基板構造及びその形成方法、これを用いた半導体積層構造及びその形成方法、並びにこれを用いた窒化物半導体の製造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】
【００１１】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、本発明による基板構造は、窒化物半導体とは異種の単結晶基板と、前記基板との間に一体化した空洞（ｃａｖｉｔｙ）が定義されるよう、前記基板と接触する脚部及び前記脚部から延びて前記基板と平行な上面部を含み、前記基板と同一の結晶構造に結晶化した無機物薄膜と、を含む。
【００１２】
前記脚部が、中空のパイプ状であり得る。望ましい実施例において、前記脚部が複数個であり、前記上面部が複数個の脚部から延びて連続に形成されている。前記脚部が占める面積よりも前記空洞が占める面積が大きいことが望ましい。
【００１３】
本発明による半導体積層構造は、このような基板構造を用いて、前記無機物薄膜の上に形成された窒化物の半導体層をさらに含む。上記窒化物半導体層は、二層以上の膜とすることができる。上記基板と前記窒化物半導体層との熱膨張係数が相違しても、前記一体化した空洞が前記窒化物半導体層により圧縮するか伸び得るため、前記窒化物半導体層にかかる応力は減少する。
【００１４】
本発明による基板構造の形成方法においては、窒化物半導体とは異種の単結晶基板の上にホールタイプ（ｈｏｌｅ  ｔｙｐｅ）の犠牲層パターンを形成した後、前記犠牲層パターンの上に無機物薄膜を形成する。前記基板と無機物薄膜とで定義される一体化した空洞が形成されるよう、前記無機物薄膜が形成された前記基板から前記犠牲層パターンを除去する。その後、前記基板と同一の結晶構造に前記無機物薄膜を結晶化させる。
【００１５】
前記犠牲層パターンは、多様な方法により形成することができる。前記基板の上に感光膜を塗布した後、フォトリソグラフィによって形成するか、前記基板の上にナノインプリント用樹脂を塗布した後、ナノインプリント方法で形成することができる。
【００１６】
前記無機物薄膜を形成する段階は、前記犠牲層パターンが変形しない温度範囲内で行うことが望ましい。前記無機物薄膜の形成段階は、ＡＬＤによって行うことができる。また、前記犠牲層パターンを除去する段階は、酸素雰囲気下における熱処理または有機溶媒を用いる湿式除去で行われ得る。前記空洞は、前記犠牲層パターンが除去されてなくされた部分である。
【００１７】
本発明による半導体積層構造の形成方法においては、かかる基板構造の形成方法を行った後、または、本発明による基板の構造を用いて、前記結晶化した無機物薄膜の上に窒化物半導体層を形成する段階を行う。
【００１８】
高品質の窒化物半導体層、これを含む素子や基板を製造するための望ましい実施例において、本発明による半導体積層構造の形成方法の結果物、または本発明による半導体積層構造において、前記基板と前記窒化物半導体層とを分離する段階を行うことで、垂直型または水平型ＬＥＤ、任意の基板に転写もしくは移転したＬＥＤまたは自由起立（ｆｒｅｅ−ｓｔａｎｄｉｎｇ）の窒化物半導体基板のような窒化物半導体を製造することもできる。
【００１９】
本発明による基板構造及びその形成方法、半導体積層体及びその形成方法、並びに窒化物半導体の製造方法を用いれば、紫外線光検出器、弾性表面波素子、ＬＥＤ、ＬＤ、マイクロ波電子素子などを製造でき、延いては、その素子を用いるモジュール、システムなどに適用できる。これに加えて、自由起立の窒化物半導体基板を製造することもできる。その他の実施例の具体的事項は、詳細な説明及び図面に示されている。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、基板構造は一体化した空洞を定義する無機物薄膜を含み、この無機物薄膜は、基板との接触面を最小化しながら含まれ得る。このような基板構造に窒化物半導体層を形成すれば、空洞の存在により窒化物半導体層の全体応力が減少する。したがって、基板と窒化物半導体層との熱膨脹係数の差によって窒化物半導体層に応力が発生しても局部的な応力が緩み、これによる基板の反りが減少できる。これによって、大面積の基板においても相対的に薄い基板を用いることが可能となる。
【００２１】
本発明による半導体積層構造において、窒化物半導体層は一体化した空洞の上における結晶化した無機物薄膜の上に形成される。結晶化無機物薄膜は、その上で成長する窒化物半導体層と応力を分けて解消でき、本発明によれば、窒化物半導体層は欠陥密度が小さい高品質に成長する。したがって、欠陥密度が小さい高品質の窒化物半導体層を形成することができ、窒化物半導体結晶の欠陷密度の減少から内部量子効率を増大させることができる。等方性成長モードが優勢なＡｌＮの場合にも不規則なボイドの発生なく高品質に形成することができる。
【００２２】
特に、本発明による基板構造及び半導体積層構造の形成方法において、ホールタイプの犠牲層パターンの形成時、フォトリソグラフィまたはナノインプリントのような制御された方法で形成するため、一体化した空洞が不規則的またはランダムに形成されることなく、制御された方法で形成されるので、再現性が良く、素子の均一性に優れている。
【００２３】
このような結果から、優れた物性を有する窒化物半導体エピ層を成長させることができるため、高効率かつ高信頼性を有する光電子素子を具現することができる。
【００２４】
特に、本発明による基板構造及び半導体積層構造は、一体化した空洞を含むことにより、基板と窒化物半導体層との接触が少なく、その間が、ある程度物理的に分離しているようになる。これによって、窒化物半導体層の成長後に冷却する過程で自然に、或いはレーザーのような大きいエネルギーを加えることなく小さい物理的な力や衝撃によって窒化物半導体層と基板とを分離することができる。したがって、レーザーリフトオフを用いなくても基板から窒化物半導体層を分離することが容易となり、垂直型または水平型のＬＥＤ、任意の基板に転写または移転したＬＥＤまたは自由起立の窒化物半導体基板の製造が容易となり、高品質の窒化物半導体の製造が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】既存のＰＳＳを用いて窒化物半導体層を成長させる場合を説明するための図である。
【図２】本発明による基板構造と半導体積層構造及びその形成方法、並びに窒化物半導体の製造方法を説明するための工程別の斜視図である。
【図３】図２の線III−III'に沿って見た各段階別の断面図である。
【図４】本発明による方法のうちホールタイプの犠牲層パターンを形成できる多様な方法を説明するための図である。
【図５】本発明による方法のうちホールタイプの犠牲層パターンを形成できる多様な方法を説明するための図である。
【図６】本発明による結晶化した無機物薄膜をさらに見やすく示した図である。
【図７】本発明によってより小さい力で窒化物半導体層と基板とを分離できることを見せる図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明を具体的な実施例を挙げて説明する。しかし、本発明による実施例は多くの他の形態に変形されることができ、本発明の範囲が後述する実施例に限定されると解釈されてはならない。本発明の実施例は当業界で平均的な知識を有する者に本発明をより完全に説明するために提供されるものである。したがって、図面における構成要素の形状及び大きさなどは、より明確な説明のために誇張または省略され得、図面において同じ符号で示した要素は同じ要素を意味する。
【００２７】
図２は、本発明による基板構造と半導体積層構造及びその形成方法、並びに窒化物半導体の製造方法を説明するために示した工程別の斜視図であり、図３は、図２の線III−III'に沿って見た各段階別の断面図である。
【００２８】
まず、図２の（ａ）及び図３の（ａ）に示したように、窒化物半導体とは異種の単結晶基板１００の上にホールタイプ（ｈｏｌｅ  ｔｙｐｅ）の犠牲層パターン１１０を形成する。犠牲層パターン１１０は、ホール（Ｈ）を有するように形成される。ホールＨは、基板１００の底面を露出させる開口部である。
【００２９】
このような犠牲層パターン１１０は、多様な方法によって形成することができ、図４及び図５は、本発明による方法のうちホールタイプの犠牲層パターンを形成できる多様な方法を説明するための図である。
【００３０】
先ず、フォトリソグラフィ（ｐｈｏｔｏ  ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）により形成することができる。例えば、図４の（ａ）のように、基板１００の上に感光膜ＰＲを塗布する。感光膜ＰＲは、スピンコーティング（ｓｐｉｎ  ｃｏａｔｉｎｇ）、ディップコーティング（ｄｉｐ  ｃｏａｔｉｎｇ）、スプレーコーティング（ｓｐｒａｙ  ｃｏａｔｉｎｇ）、溶液滴下（ｄｒｏｐｐｉｎｇ）、ディスペンシング（ｄｉｓｐｅｎｓｉｎｇ）の方法から選択して基板１００に塗布でき、コーティング膜の均一性のためにはスピンコーティング方法が望ましい。
【００３１】
その後、図４の（ｂ）のように、適切な遮光パターン１１１を有するフォトマスク１１２を用いて感光膜ＰＲを露光する（Ｅ）。遮光パターン１１１以外の領域を透過した光は、感光膜ＰＲ中の一部を露光し、露光された部分ＥＡが生ずる。その後、露光された部分ＥＡを現像して除去すれば、図４の（ｃ）のようにホールＨを有する感光膜パターンＰＲ'を残すことができる。ここで、感光膜ＰＲは、露光された部分が除去されるポジティブタイプのものを例に挙げたが、露光された部分が除去されないネガティブタイプの感光膜も用いることができ、その場合、フォトマスクの遮光パターンの位置などが変更されて適用されるということは当業者であれば、分かるだろう。
【００３２】
遮光パターン１１１は、半導体製造工程の設計技術により規則的な開口部の形状及び大きさ、間隔などを制御して形成できるため、これにより形成できる感光膜パターンＰＲ'のホールも、その形状、大きさ、２次元的な配列を調節することができ、このような感光膜パターンＰＲ'をホールタイプの犠牲層パターン１１０として用いることができる。必要であれば、感光膜パターンＰＲ'の形状を変形するためのリフローのような工程をさらに行うこともできる。
【００３３】
なお、ホールタイプの犠牲層パターン１１０は、ナノインプリント（ｎａｎｏ−ｉｍｐｒｉｎｔ）方法により形成することができる。図５の（ａ）を参照して基板１００の上にナノインプリント用の樹脂Ｒを塗布する。ナノインプリント用の樹脂Ｒも、スピンコーティング、ディップコーティング、スプレーコーティング、溶液滴下、ディスペンシングの方法から選択して基板１００に塗布できる。適切な凹凸構造のパターン１１３を有するナノインプリントスタンプ１１４を準備する。ナノインプリントスタンプ１１４は、通常の製造方法で製造されたシリコンまたは石英材質のマスターモールドであってもよく、このマスターモールドを複製した有機物モールドであってもよい。
【００３４】
その後、ナノインプリントスタンプ１１４を、図５の（ｂ）のようにナノインプリント用の樹脂Ｒの上に押圧する。これによって、ナノインプリントスタンプ１１４のパターン１１３の間にナノインプリント用の樹脂Ｒが充填される。押圧するとともに加熱及び／または紫外線照射をすれば、ナノインプリント用の樹脂Ｒが硬化する。その後、ナノインプリントスタンプ１１４を分離すれば、図５の（ｃ）のように硬化したナノインプリント用の樹脂Ｒ'が基板１００の上に残り、これをホールタイプの犠牲層パターン１１０として使用できるようになる。
【００３５】
凹凸構造のパターン１１３は、ホールを形成するために柱状になるよう形成して、ノインプリント方法の設計によって規則的な形状と大きさ、間隔などを制御して形成できるため、これによって形成できる硬化したナノインプリント用の樹脂Ｒ'のホールの形状、大きさ、２次元的な配列も調節することができる。必要であれば、追加の加熱または紫外線照射などにより、硬化したナノインプリント用の樹脂Ｒ'の形状を変形することもできる。
【００３６】
その他にも、凹凸構造のパターンは、レーザー干渉露光工程（Ｌａｓｅｒ  Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ  Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）などによって製作することもできる。レーザー干渉露光工程は、２つ以上のレーザー光源が作り出す２次元または３次元の干渉現象を用いて周期的なパターンを形成する方法であって、１μｍ以下の微細なパターンも容易に具現できるという長所がある。
【００３７】
このように、本発明によれば、ホールタイプの犠牲層パターン１１０を形成する方法が比較的簡単であり、既存のＰＳＳのような技術における基板をエッチングする場合に比べれば、基板の損傷程度が相対的に小さく、かつ工程を単純化させることができる。
【００３８】
このように多様なホールタイプの犠牲層パターン１１０が形成される基板１００は、サファイア、シリコン、ＳｉＣ、ＧａＡｓ基板など、窒化物半導体層の異種エピ薄膜成長に用いられる全ての異種単結晶基板を用いることができ、望ましい実施例としてはサファイア基板の場合を例に挙げて説明する。
【００３９】
図２の（ａ）及び図３の（ａ）のように犠牲層パターン１１０を形成した後、図２の（ｂ）及び図３の（ｂ）を参照して犠牲層パターン１１０の上に無機物薄膜１３０を形成する。無機物薄膜１３０は、後続して基板１００との間に一体化した空洞を定義するものであって、無機物薄膜１３０を形成に際し、犠牲層パターン１１０が変形しない温度範囲内で行うことが望ましい。無機物薄膜１３０は、犠牲層パターン１１０が除去された後、構造物が本来の形状を安定的に維持できる厚さにする。無機物薄膜１３０を形成するための工程は、原子層蒸着（Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＡＬＤ）、湿式合成（ｗｅｔ  ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ）、金属薄膜形成後の酸化工程（ｍｅｔａｌ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｏｘｉｄａｔｉｏｎ）、スパッタリングなどの多様な方法を用いることができ、金属薄膜を蒸着する過程で窒素を気体やプラズマ状態で供給して金属窒化物を形成することもできる。無機物薄膜１３０は、シリカ（ＳｉＯ２）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、チタニア（ＴｉＯ２）、ジルコニア（ＺｒＯ２）、イットリア（Ｙ２Ｏ３）−ジルコニア、酸化銅（ＣｕＯ、Ｃｕ２Ｏ）及び酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）などの酸化物や窒化物より選択される少なくともいずれか一種であり、サファイア基板を用いる望ましい実施例では、無機物薄膜がアルミナであることが望ましい。シリコン基板を用いる実施例では、無機物薄膜がＡｌＮであることが望ましい。このような無機物薄膜１３０の組成、強度及び厚さの少なくともいずれか一つを調節すれば、後続にこれを用いた基板構造上に形成される窒化物半導体層にかかる応力を調節することができる。無機物薄膜１３０は、図示したように犠牲層パターン１１０を覆いながら基板１００の上に全面的に形成される。
【００４０】
実施例として、無機物薄膜１３０をＡＬＤによって形成すれば、薄い厚さの膜を非常に均一な厚さに蒸着することができ、断面である図３の（ｂ）からよく分かるように、無機物薄膜１３０がホールＨの中を満たさずホールＨの内壁と底に塗布され、犠牲層パターン１１０の上面を覆う形状となる。このような場合、基板１００と後続工程で形成する窒化物半導体層とを連結する支持構造としての無機物薄膜のうち、基板１００に略垂直な部分である脚部は、ホールＨの内壁と底に形成された無機物薄膜の部分であって、中空のパイプ状となる。ＡＬＤ以外の方法によるか、ＡＬＤによってもホールＨの直径が小さすぎる場合、ホールＨの中が無機物薄膜１３０により全て満たされ得る。このような場合、脚部は中実の柱状となる。
【００４１】
大体、ホールＨの直径は、２μｍ以下であることが望ましく、これは、ＥＬＯを用いる窒化物半導体層の形成時、ホールＨの上部を適切に覆うためである。ホールＨの間のピッチは２μｍ以上であることが望ましい。パイプや柱のような脚部の密度を最小化するには、ピッチを極大化することが望ましい。
【００４２】
望ましい実施例において、アルミナはＡＬＤのような蒸着方法によって基板１００と犠牲層パターン１１０の形状に倣って均一な厚さで形成することができる。蒸着方法の代りに、湿式溶液を用いた湿式合成の方法も可能である。湿式溶液を基板１００とホールタイプの犠牲層パターン１１０の形状に倣って均一にコーティングした後、加熱、乾燥、若しくは化学反応によりアルミナを合成できる。例えば、アルミニウムクロライド（ＡｌＣｌ３）のようなアルミニウム前駆体粉末をテトラクロロエチレン（Ｃ２Ｃｌ４）のような溶媒に混合した後、ホールタイプの犠牲層パターン１１０が形成された基板１００に適用してコーティングし、酸素雰囲気下で加熱して反応させれば、アルミナ薄膜を覆うことができる。または、金属Ａｌ薄膜をスパッタリングなどの方法により蒸着した後、酸化工程を行ってアルミナを形成することもできる。このようなアルミナは非晶質または微小粒子の多結晶からなる状態に形成される。
【００４３】
無機物薄膜１３０の形成後は、図２の（ｃ）及び図３の（ｃ）のように基板１００から犠牲層パターン１１０を選択的に除去する。犠牲層パターン１１０は、図４及び図５を参照して説明したように、感光膜またはナノインプリント用の樹脂のようなポリマーであるため、これの容易な除去方法は加熱となる。自然発火点が通常６００℃付近である感光膜は、熱によって除去されやすい。さらに、酸化方式により容易に燃焼させて除去するためには、酸素を含むガスとの化学反応を追加することができる。酸素雰囲気下で高温に加熱すれば、所謂アッシング（ａｓｈｉｎｇ）と呼ばれる熱分解工程によってポリマー成分を容易に除去できるのである。酸素雰囲気の熱処理が適切でない場合、例えば、基板１００がシリコン基板であることから酸化物の生成が憂慮される場合であれば、有機溶媒を用いた湿式除去を用いることもできる。
【００４４】
犠牲層パターン１１０を除去してからは、図２の（ｃ）及び図３の（ｃ）に示したように、基板１００と無機物薄膜１３０とで定義される一体化した空洞Ｃを形成することができる。無機物薄膜１３０によって定義される空洞Ｃは、犠牲層パターン１１０が反転した形状を有する。即ち、犠牲層パターン１１０が互いに離隔した複数個のホールＨを有するように形成された場合、無機物薄膜１３０は、そのような複数個のホールＨを介して基板１００と連結される。空洞Ｃは、無機物薄膜１３０が基板１００と連結された部分を除いた残りの部分であり、ホールＨが互いに離隔した不連続の空間であれば、空洞Ｃは相互連通する、一つに一体化した連続的な空間である。空洞Ｃが互いに分離した複数個の不連続の空間である場合に対し、一体化した連続の空間である場合、その体積がさらに大きい。言い換えれば、連続の空洞Ｃを形成することによって基板１００とその上に形成される構造物は、最小の接触面積を有することができる。
【００４５】
形成された直後の状態（ａｓ−ｄｅｐｏｓｉｔｅｄ）の無機物薄膜１３０は通常、非晶質であるか、非常に小さい粒子からなる多結晶を有することが一般的なである。高温に温度を高めて非晶質または多結晶無機物薄膜１３０を緻密化して結晶化できるように熱処理を行うことが望ましい。
【００４６】
基板１００がサファイア基板であり、無機物薄膜１３０がアルミナである場合のように、無機物薄膜１３０が基板１００と同一の組成の物質である場合や、基板１００がシリコン基板であり、無機物薄膜１３０がＡｌＮである場合のように無機物薄膜１３０が基板１００と組成の異なる物質である場合も、例えば、１０００℃付近に加熱すれば、熱処理によって無機物薄膜１３０は図２の（ｄ）  及び図３の（ｄ）に示したように、基板１００と同一の結晶構造に結晶化した無機物薄膜１３０'となる。これによって、結晶化した無機物薄膜１３０'と基板１００との界面（図面においては点線で表示）はなくなる。その理由は、高温の熱処理の間、基板１００と直接接触して、無機物薄膜１３０の部分で固相エピ成長（ｓｏｌｉｄ  ｐｈａｓｅ  ｅｐｉｔａｘｙ）が起こり、基板１００の結晶方向に沿って結晶化するためである。固相エピタクシは、基板１００と無機物薄膜１３０との界面から始まり、無機物薄膜１３０が非晶質からなる場合、最終的に結晶化した無機物薄膜１３０'は多結晶になるか、微細な多結晶はその大きさがさらに大きくなるか、さらに望ましい場合は、基板１００と同一の単結晶に変わるようになる。このような結晶化は、無機物薄膜１３０全体にわたって起こるようにすることが望ましく、特に、一体化した空洞Ｃの上における結晶化した無機物薄膜１３０'部分、即ち、基板１００と後続工程で形成する窒化物半導体層とを連結する支持構造としての無機物薄膜１３０'のうち、基板１００に略平行な部分である上面部は、後で窒化物半導体エピ層の成長時、シード部分として働くようになるため、必ず結晶化していることが望ましい。
【００４７】
図６は、本発明による結晶化した無機物薄膜１３０'をさらに見やすく示した図である。図６を参照すれば、結晶化した無機物薄膜１３０'は、基板１００と接触する脚部１３０ａと、脚部１３０ａから延びて基板１００と平行な上面部１３０ｂと、を含む。結晶化した無機物薄膜１３０'によって基板１００との間に一体化した空洞Ｃが定義される。脚部１３０ａは複数個であり、上面部１３０ｂは複数個の脚部１３０ａから延びて連続に形成されている。望ましい実施例において、脚部１３０ａが占める面積よりも空洞Ｃが占める面積がさらに大きい。無機物薄膜１３０'は基板１００との間に一体化した空洞Ｃを定義しながら、後続してその上に成長される窒化物半導体層のシード層及び支持部の役割を果すため、本発明において非常に重要な構成となる。
【００４８】
以上で詳述のように、本発明による基板構造は、基板１００と、基板１００との間に一体化した空洞Ｃが定義されるように基板１００と接触する脚部１３０ａ及び脚部１３０ａから延びて基板１００と平行な上面部１３０ｂを有し、基板１００と同一の結晶構造に結晶化した無機物薄膜１３０'と、を含む。
【００４９】
既存のＰＳＳに対し、本発明によるかかる基板構造は、ＣＥＳ（Ｃａｖｉｔｙ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄ  Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）と定義する。次に説明する工程からはこのようなＣＥＳを用いた半導体積層構造及びその形成方法、並びに窒化物半導体の製造方法に関する。
【００５０】
続いて、図２の（ｅ）及び図３の（ｅ）のように結晶化した無機物薄膜１３０'の上に窒化物半導体層１５０をさらに形成する。窒化物半導体層１５０は、適切なバッファー層を含み、多層構造に形成できる。窒化物半導体層１５０は、  ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮまたはこれらの組合せであるＧａｘＡｌｙＩｎｚＮ（０＜ｘ，ｙ，ｚ＜１）などの全ての窒化物半導体物質を含む。窒化物半導体層１５０の物質種類に応じてバンドギャップが調節され、紫外線、可視光線、赤外線領域の光を放出するようにすることができる。この際、窒化物半導体層１５０は、基板１００の上から成長することではなく、一体化した空洞Ｃの上における結晶化した無機物薄膜１３０'部分、特に、その中でも上面部１３０ｂからシードが成長し、成長条件に応じてそこから成長した部分が合体しながら最終的には図２の（ｆ）及び図３の（ｆ）のように連結された薄膜形態の窒化物半導体層１５５を成すようになる。このように、本発明においては、窒化物半導体層１５５が基板１００からではなく、一体化した空洞Ｃの上における結晶化した無機物薄膜１３０'部分から成長するため、ＥＬＯ方法とは全く異なる方式で窒化物半導体層１５５が形成される。
【００５１】
このように本発明によるＣＥＳにおけるの結晶成長は、図３の（ｅ）及び（ｆ）から確実に分かるように、無機物薄膜１３０'の上部平坦面、即ち、上面部１３０ｂで窒化物半導体層１５０の成長が始まり、脚部１３０ａ、即ち、ホール形態の上部を覆う形態に成長する。上面部１３０ｂから成長が始まった窒化物半導体層１５０は、横方向に連結されて結晶欠陷の少ない窒化物半導体層１５５に形成される。
本発明によって結晶化した無機物薄膜１３０'は、その上で成長する窒化物半導体層１５５と応力を分けて解消できるため、順応（ｃｏｍｐｌｉａｎｔ  ｌａｙｅｒ）の役割を果すようになり、転位を発生させ得る応力が解消されながら成長するため、欠陥密度の小さい高品質に成長する。
【００５２】
基板と薄膜との物理的差による応力は、界面において弾性エネルギーに変換されて転位を生成する駆動力（ｄｒｉｖｉｎｇ  ｆｏｒｃｅ）となる。通常の場合は、基板の厚さが薄膜に比べて非常に厚いため変形が困難でなり、そのため、薄膜に転位が生成されながら応力が解消される。この際、臨界厚さ（ｃｒｉｔｉｃａｌ  ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ）という一定厚さ以上の薄膜が成長するとき、界面における弾性エネルギーが転位の生成エネルギーよりも大きくなり、転位が発生し始める。
しかし、本発明の場合は、無機物薄膜１３０'が窒化物半導体層１５５よりも薄い場合、臨界厚さがさらに大きいため、窒化物半導体層１５５の転位発生が低下する。このように、無機物薄膜１３０'が窒化物半導体層１５５よりも充分薄ければ、通常の場合の基板と薄膜との役割が変わったと言うことができ、窒化物半導体層１５５は、転位が少なく発生する状態で成長するようになる。したがって、欠陥密度が小さい高品質の窒化物半導体層１５５を形成することができ、窒化物半導体の結晶欠陷密度が減少するため、ＬＥＤへの製造時、内部量子効率を増大させることができる。
【００５３】
このような方法で形成した本発明による半導体積層構造は、図２の（ｆ）及び図３の（ｆ）に示したように、窒化物半導体とは異種の単結晶基板１００と、結晶化した無機物薄膜１３０'と、を含む。基板１００と無機物薄膜１３０'との間には、一体化した空洞Ｃが定義されている。また、基板構造は、一体化した空洞Ｃの上における結晶化した無機物薄膜１３０'の上から成長し合体した窒化物半導体層１５５を含む。
【００５４】
一体化した空洞Ｃは、形成方法のうち、ホールタイプの犠牲層パターン１１０が除去されてなくされた部分である。一体化した空洞Ｃが存在するため、基板１００とその上に形成する窒化物半導体層１５５との熱膨脹係数差があれば、一体化した空洞Ｃが面方向に延長または圧縮する形態で局部的な変形を起こし、応力エネルギーを消耗することができる。これによって、窒化物半導体層１５５にかかる熱応力を減少させることができ、したがって、基板１００の反りを減少させることができる。これによって、基板１００が大面的であるとしも相対的に薄い厚さを用いることが可能となる。
【００５５】
特に、このような一体化した空洞Ｃは、ホールタイプの犠牲層パターンの形状、大きさ、２次元配列などを調節して制御することができ、ホールタイプの犠牲層パターン１１０の形成時、フォトリソグラフィまたはナノインプリントのような制御された方法で形成するため、一体化した空洞Ｃが不規則的またはランダムに形成されることなく、制御された方法に形成されるため、再現性が良く、素子の均一性に優れている。
【００５６】
このような結果から、優れた物性を有する窒化物半導体層１５５をエピ成長させることができるため、高効率、高信頼性を有する光電子素子を具現することができる。また、光抽出効率の増加による高出力ＬＤ及びＬＥＤを具現することができる。
【００５７】
一方、一体化した空洞Ｃは、基板１００と窒化物半導体層１５５との連結を最小化した構造を可能にする。基板１００と窒化物半導体層１５５とは、ある程度物理的に分離しているため、応力発生はより抑制されている状態であり、窒化物半導体層１５５の成長後、冷却する過程で自然に、若しくはレーザーのような大きいエネルギーを加えることなく小さい物理的な力や衝撃によって図２の（ｇ）及び図３の（ｇ）のように窒化物半導体層１５５と基板１００とを分離することができる。
【００５８】
特に望ましい実施例において、脚部１３０ａが占める面積よりも空洞Ｃの占める面積がさらに大きい。したがって、レーザーリフトオフを用いなくても、基板１００から窒化物半導体層１５５を分離することが容易となる。また、自然に分離されるか、小さい力によっても分離されるため、窒化物半導体層１５５の反りまたはクラックまたは割れの発生なく、分離することができる。したがって、基板１００と窒化物半導体層１５５の分離が必要な応用分野、例えば、垂直型ＬＥＤまたは水平型ＬＥＤ、任意の基板に移転されたＬＥＤの製造に非常に有利であり、基板１００をリサイクルしやすい。さらに、窒化物半導体層１５５を厚膜として形成し基板１００から分離すれば、自由起立の窒化物半導体基板としても活用できるため、優れた窒化物半導体成長のための同種基板としての窒化物半導体基板の製造が容易となる。
【００５９】
以上、詳述したように、本発明においては、窒化物半導体層１５５と基板１００との連結部分を最小化するために、線ではなく点として基板１００と窒化物半導体層１５５とを連結する。即ち、点で連結された部分が無機物薄膜１３０'の脚部１３０ａとなり、望ましくは、中空のパイプ状である。このようなパイプ状の脚部１３０ａの形成のために、本発明の望ましい実施例においては、ホールタイプの犠牲層パターン１２０とＡＬＤによる無機物薄膜１３０の形成を用いる。このような犠牲層パターン１２０を除去して得られた最終構造物は、連続に連結された一体化した空洞Ｃを有するようになる。
【００６０】
このように一体化した空洞Ｃによって、レーザーを用いない物理的なリフトオフが容易となる。
【００６１】
図７は、窒化物半導体層１５５と基板１００とを連結する脚部１３０ａ、即ち、柱の面積が（ａ）から（ｄ）に行くほど小くなり、より小さい力で窒化物半導体層１５５と基板１００とを分離できることを示す図である。本発明よる最も望ましい実施例は、中空の柱状構造、即ち、（ｄ）のようなパイプ状となるようにして、窒化物半導体層１５５と基板１００との直接的な連結を最小化するのである。このように本発明においては、内部が空いているパイプ状の脚部１３０ａを有する無機物薄膜１３０'を用いて窒化物半導体層１５５を支持する構造を用いる。
【００６２】
本発明によれば、脚部１３０ａ、即ち、ホールの上部にのみ転位が生成されるように誘導することができ、ＰＳＳとは違ってＡｌＮを成長させる場合でも結晶品質を優秀にすることができる。さらに、ストレスを吸収できる一体化した空洞Ｃの特性を用いて、熱膨脹係数差による反りを防止することができる。
【００６３】
本発明は上述した特定の望ましい実施例に限定されず、請求範囲で請求する本発明の要旨から外れることなく当該発明が属する技術分野における通常の知識を持つ者であれば、だれでも多様な変形できることは言うまでもなく、かかる変形は請求範囲内に含まれる。
【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（ａ）】
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【図７（ｂ）】
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【図７（ｃ）】
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【図７（ｄ）】
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