(57)【要約】連続的なエピタキシャル結晶成長により実現可能な膜よりも大きな厚みを有する、亀裂のないエピタキシャル膜を形成する方法。このエピタキシャル膜は、デバイスに使用可能であるとともに、さらなるエピタキシーのための基板として使用可能であるか、あるいは初期の基板材料（４０１）から分離させて独立した基板として使用可能である（４０７）。この方法では、エピタキシーにより生じる応力を吸収する欠陥の多い初期層（４０３）と、必要に応じて、結晶成長領域を平坦化する欠陥の少ない別の層とを用い、表面近傍に良質のエピタキシャル領域を設ける。
2004508268.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）基板を用意する工程と、
ｂ）層内の欠陥密度に起因して残留応力の低減された、欠陥の多い第１のエピタキシャル層を成長させる工程と、
ｃ）上記第１の層上に、良質で低欠陥密度の第２の層を成長させる工程と、
を備えた亀裂のないヘテロエピタキシャル層を形成する方法。
【請求項２】
上記第１の層及び上記第２の層の成長をインサイチュー（ｉｎ‐ｓｉｔｕ）でおこない、上記第１の層の成長と上記第２の層の成長との間で１つ以上のプロセス条件を調整することにより上記欠陥の多い第１の層及び上記良質の第２の層の成長を最適化する請求項１記載の方法。
【請求項３】
上記基板と上記第１の層とは、異なる格子定数及び／又は異なる熱膨張率を有する請求項１記載の方法。
【請求項４】
上記基板の材料は、サファイア、ＩＩＩ−Ｖ族基板、ヒ化ガリウム、リン化インジウム、リン化ガリウム、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、シリコン、珪素酸化物、炭化珪素、アルミン酸リチウム、没食子酸リチウム、及び／又は没食子酸リチウムアルミニウムのうち１つ以上からなる群から選択される請求項１記載の方法。
【請求項５】
上記第１の層は、気相エピタキシー（ＶＰＥ）、化学気相成長（ＣＶＤ）、金属有機化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）、又はハイドライド気相エピタキシー（ＨＶＰＥ）により成長させる請求項１記載の方法。
【請求項６】
上記第２の層は、気相エピタキシー（ＶＰＥ）、化学気相成長（ＣＶＤ）、金属有機化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）、又はハイドライド気相エピタキシー（ＨＶＰＥ）により成長させる請求項１記載の方法。
【請求項７】
上記欠陥の多いエピタキシャル層は、その成長パラメータ及び／又は材料組成を調整して結晶小面（ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ　ｆａｃｅｔｓ）を形成することにより作製される請求項１記載の方法。
【請求項８】
上記欠陥の多いエピタキシャル層の欠陥密度は、その材料組成及び／又は成長パラメータを選択することにより決まる請求項１記載の方法。
【請求項９】
上記欠陥の多い第１のエピタキシャル層は、上記良質の第２の層とは組成が異なる請求項１記載の方法。
【請求項１０】
上記第１及び／又は上記第２の層は、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、又はこれらの合金を含有する請求項１記載の方法。
【請求項１１】
上記亀裂のないヘテロエピタキシャル層の厚みは、３５μｍを超える請求項１記載の方法。
【請求項１２】
上記第１のエピタキシャル層の成長後に、上記基板を取り除く請求項１記載の方法。
【請求項１３】
ｄ）上記第１の層を成長させる前に、上記基板上に第３の層を成長させる工程
をさらに備えた請求項１記載の方法。
【請求項１４】
上記第３の層の厚みは、上記第２又は上記第１の層の厚みよりも小さい請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
上記第３の層の全体又は一部は、上記第２及び上記第１のエピタキシャル層よりも低い温度で成長させる請求項１３記載の方法。
【請求項１６】
上記第１、第２及び第３の層のうち２つ以上の成長は、インサイチューでおこなう請求項１３記載の方法。
【請求項１７】
上記第１、第２及び第３の層のうち１つ以上の成長を最適化するために１つ以上の成長パラメータを調整する請求項１６記載の方法。
【請求項１８】
上記基板とエピタキシャル層とは、異なる格子定数及び／又は熱膨張率を有する請求項１３記載の方法。
【請求項１９】
上記基板は、サファイア、ＩＩＩ−Ｖ族基板、ヒ化ガリウム、リン化インジウム、リン化ガリウム、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、シリコン、珪素酸化物、炭化珪素、アルミン酸リチウム、没食子酸リチウム、及び／又は没食子酸リチウムアルミニウムからなる群から選択される１つ以上の材料を含有する請求項１３記載の方法。
【請求項２０】
上記第１の層は、気相エピタキシー（ＶＰＥ）、化学気相成長（ＣＶＤ）、金属有機化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）、又は分子線エピタキシー（ＭＢＥ）により成長させる請求項１３記載の方法。
【請求項２１】
上記第３の層の全体又は一部の材料は、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、これらの合金、酸化亜鉛、又は炭化珪素である請求項１３記載の方法。
【請求項２２】
上記第３の層は２つ以上の副層を包含し、それらの層はそれぞれＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、これらの合金、酸化亜鉛、又は炭化珪素を含有し、隣接する該副層は異なる格子定数を有する請求項１３記載の方法。
【請求項２３】
上記第３の層は２つ以上の層を包含し、該層のうち１つ以上はパターニングされた層である請求項１３記載の方法。
【請求項２４】
上記パターニングされた層は、酸化珪素、窒化珪素、これらの混合物、シリコン、高融点金属、高融点金属の酸化物、高融点金属の窒化物、又はその他の適切な高融点材料を含有する請求項２３記載の方法。
【請求項２５】
上記パターニングされた層は２つ以上の副層を包含し、該副層のうち少なくとも１つは、酸化珪素、窒化珪素、これらの混合物、シリコン、高融点金属、高融点金属の酸化物、高融点金属の窒化物、又はその他の適切な高融点材料を含有する請求項２３記載の方法。
【請求項２６】
上記第１又は第２の層の成長後に、上記基板を取り除く請求項１３記載の方法。
【請求項２７】
上記第１の層は、起伏のある表面を有する請求項１記載の方法。
【請求項２８】
上記第２の層は、平坦な表面を有する請求項１記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（技術分野）
本発明は、熱的な及び／又は格子的な不整合基板上への、良質で、エピタキシャルな、亀裂のない、低欠陥密度の膜のヘテロエピタキシャル堆積に関する。具体的には、本発明は、さらなる堆積のための基板として後に使用する、化合物半導体材料からなる厚い層のヘテロエピタキシャル成長に関する。より具体的には、本発明は、デバイスの構造をさらに形成するための基板材料として使用する、窒化ガリウム（ＧａＮ）、その他のＩＩＩ族窒化物（ＡｌＮ、ＩｎＮ）及びこれらの合金からなる厚膜の堆積に関する。
【０００２】
（発明の背景）
窒化ガリウム（ＧａＮ）は、大きな可能性を有する工業材料として認識されている。例えば、ＧａＮは、青色発光ダイオード、半導体レーザー、及びその他のオプトエレクトロニクスデバイスの製造、並びに高温電子デバイスの製作に用いられている。
【０００３】
ＧａＮをベースとしたデバイスを大量生産する上での大きな難問の１つは、適切な天然のＧａＮの基板あるいは平坦で厚いＧａＮの層がないことである。ＧａＮは自然界では発見できないし、適度な圧力でその理論上の融解温度が解離温度を超えるため、シリコン、ヒ化ガリウム、サファイア等のように融解させてボウルから引き上げることができない。しかしながら、電子デバイスに用いる、ＧａＮやそれに関連する合金からなる極めて高い結晶性の薄層を形成するには、これらの層を現存するＧａＮの表面上にホモエピタキシャル堆積させる必要がある。このような良質のデバイス層は、本発明の範囲外の理由によりそのままヘテロエピタキシャル成長させることができない。
【０００４】
良質のＧａＮ層及びそれに関連する層を形成するために現在用いられている技術には、適切だが理想的ではない基板上へのＧａＮデバイス層のヘテロエピタキシャル堆積が含まれる。今日、このような基板の材料としては、サファイア、シリコン、炭化珪素、及びヒ化ガリウム等が挙げられる（ただし、これらの材料に限られない）。全ての現存するヘテロエピタキシャル基板では、格子的な及び熱的な不整合のため、良質なＧａＮの堆積が困難である。格子不整合は、異種の結晶内での原子間の間隔が異なることにより生じる。熱的不整合は、温度の上昇及び下降に伴ない、結合された異種物質の間で熱膨張率（ＣＴＥ）が異なることにより生じる。
【０００５】
ＧａＮの堆積に最も一般的に用いられているヘテロエピタキシャル基板は、ＧａＮとの熱的不整合と格子不整合とが共に大きいサファイア（Ａｌ２Ｏ３）である。本発明の範囲とは無関係な理由により、サファイアは、他の点においてはヘテロ基板として優れた特性を有する。しかしながら、格子不整合が大きいと、デバイス製造の観点から特に望ましくなく、とりわけ転位の形であらわれる欠陥の密度の極めて高い膜が形成される。他のエピタキシャル結晶成長プロセスと同様に、デバイス用の良質な層の形成に先立ち、サファイアの表面上にＧａＮのバッファ層を成長させることが必要となる。バッファ層は、転位に対するデバイスの許容範囲、特別な成長技術（例えば、マスクパターンを用いる成長、低温バッファ層の使用等）を用いるか否か、並びにその他の要因に応じて変更される。通常、このＧａＮバッファの厚みは数ミクロンである。しかし、主に転位の形であらわれる欠陥の密度が高いと（〜１０１０ｃｍ−２）、デバイスの質を落とす結果となる。また、サファイア基板は導電性ではなく、熱伝導率が低いため、その放熱性が制限され、さらにデバイスの性能を低下させるとともにデバイスのプロセスを複雑化させる。
【０００６】
この問題に対する容易な解決策は、基板との界面からの距離が増すに従って転位密度が低下することを見込んでＧａＮのバッファ層の厚みを大きくすることである。また、厚みのあるＧａＮバッファ層は、電気的及び熱的特性を向上させるため、デバイスの設計及びプロセスの点でも有用である。これらの厚みが非常に大きいＧａＮバッファ層は、「仮基板」と呼ばれている。十分な厚みのＧａＮバッファ層をサファイア上に成長させ、その後のデバイス用の良質な層の成長のための仮基板として機能させることが困難なのは、熱的不整合の影響が原因となっている。通常、ＧａＮは、１０００ないし１１００℃の温度でサファイア上に堆積するが、サンプルが室温まで冷却される際に熱膨張（収縮）率の差異が２つの材料間の界面において高レベルの応力を発生させる。サファイアはＧａＮよりも高い熱膨張率（ＣＴＥ）を有するため、冷却に伴ない、界面での不整合によりＧａＮは圧縮される状態に、サファイアは張力を受ける状態に置かれる。ある程度まで、応力量は堆積されたＧａＮの厚みと直接的に関係するため、膜厚が大きいほど応力は大きくなる。膜厚が約１０ミクロンを上回ると、応力のレベルはＧａＮの破損の限界点を超え、膜の亀裂及び剥離が生じる。この層の亀裂は、高い転位密度よりもさらに望ましくないものであり、後工程の間にデバイス層に壊滅的に伝播する危険があるため、回避しなければならない。
【０００７】
図面を参照すると、図１（ａ）及び１（ｂ）は、サファイア上へのＧａＮからなる厚い層の堆積が要求される場合の従来技術を概略的に示している。図１（ａ）において、サファイア基板１０１上には、厚い（１０ミクロンを超える）ＧａＮの膜１０２が１０００ないし１１００℃の範囲内の成長温度で堆積されている。実際の堆積方法については、本発明とは無関係である。上記温度において、基板上でＧａＮの膜の核生成が起こるため、熱応力は存在しない。図１（ｂ）は、サンプルを室温まで冷却する際の大きな温度変化による影響を示している。同図において、サファイア基板１０１は、目下引張り応力を受ける状態にあり、堆積された膜に対して凹状に湾曲している。応力が十分に大きくなると、基板に亀裂１０３が生じる場合がある。エピタキシャルＧａＮ層１０２は、圧縮応力を受ける状態にあり、亀裂が生じることに加え、基板１０１から剥離するか、さもなければ基板１０１との界面を劣化させる可能性もある。
【０００８】
図２は、従来の熱的及び／又は格子的不整合基板上に厚い層を形成する方法に含まれる一連の工程を概略的に示している。ステップ２０１では、準備済みの基板を用意する。この準備済み基板は、例えば、使用前に化学的に洗浄された平坦なサファイアであってもよい。ステップ２０２では、厚く、平坦で、良質の層を成長させるためのプロセスパラメータ及び成長条件を設定する。ステップ２０３では、準備済み基板上に厚い層を堆積する。この層の厚みは、１０ないし４００ミクロンの範囲内であることが好ましい。ステップ２０４では、サンプルを室温まで冷却し、そのまま反応器から取り出す。ウェーハは、エピタキシャル層と基板との熱的不整合により生じる残留応力に起因して湾曲する。この応力は、厚い層及び基板に多数の亀裂を発生させる原因にもなる。
【０００９】
従って、熱的及び／又は格子的不整合基板上に堆積させた、任意の厚みの、良質で、エピタキシャルな、亀裂のない、低欠陥密度の膜、及びこれらの膜を堆積する方法に関する技術が求められている。
【００１０】
（発明の要約）
本発明は、ＧａＮ、又は関連するＩＩＩ−Ｖ族化合物あるいは合金からなる、任意の厚さの、亀裂のない層をヘテロエピタキシャル基板上に成長させる方法を提供する。さらに、本発明の別の目的は、ＧａＮ膜とヘテロエピタキシャル基板との界面よりも欠陥の存在が著しく少ない上面を有する膜を成長させる方法を提供することである。また、本発明の別の目的は、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ又はこれらの合金からなる独立した基板を形成する方法を提供することである。
【００１１】
本発明の別の目的は、基本的に応力のない、欠陥の多い、第１のヘテロエピタキシャル層を形成し、その後第１の層上に結晶性が非常に高い第２のホモエピタキシャル層を形成する方法を提供することである。
【００１２】
本発明の別の目的は、基本的に応力のない、欠陥の多い、第１のヘテロエピタキシャル層を形成し、その後第１の層上に結晶性が非常に高い第２のホモエピタキシャル層をインサイチューで作製する方法を提供することである。
【００１３】
本発明の別の目的は、極めて欠陥の多い、応力が緩和された第１の層１）を形成し、その後第１の層上に第２の層２）を堆積し、層２）が層１）の欠陥を覆い、隔離してその影響を排除するようにする方法を示すことである。
【００１４】
これらの及びその他の本発明の目的、利点、そして特徴はその一部が以下の説明において記載されており、当業者には、下記の検討によりある程度明らかであるか、又は付記した特許請求の範囲で特に示したように実現及び達成可能である。
【００１５】
（好ましい実施例の詳細な説明）
例証を目的として、本発明では主に、ハイドライド気相エピタキシー（ＨＶＰＥ）等の適切な成長技術を用いた、サファイア基板上への厚いＧａＮ層の形成に関して説明する。尚、本発明は、他の堆積技術（金属有機化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）、スパッタリング、蒸着等）を用いてサファイア以外の基板上にＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ及び／又はこれらの合金を含む材料を堆積する場合、さらにこれらを任意に組み合わせた場合にも適用可能である。例示を目的として、以下の実施形態ではＧａＮ基板に関して説明しているが、本発明はＧａＮ基板のみに限定されない。当業者であれば、本方法がその他のＩＩＩ族窒化物及びその他のＩＩＩ−Ｖ族化合物の基板の形成にも同様に適用可能あることを理解できる。
【００１６】
第１の実施形態
図３（ａ）ないし３（ｃ）は、本発明の第１の実施形態に係る、サファイア上への厚く、亀裂のないＧａＮ等のＩＩＩ族窒化物からなる層の成長を概略的に示している。図３（ａ）では、ＶＰＥあるいは他の関連する技術（例えば、ＨＶＰＥ、ＭＯＣＶＤ等）を用いて基板３０１上に厚く、欠陥の多い又は起伏（凹凸）の多い第１のＧａＮ層３０４を成長させている。基板３０１は、サファイア、ＩＩＩ−Ｖ族基板、ヒ化ガリウム、リン化インジウム、リン化ガリウム、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、シリコン、珪素酸化物、炭化珪素、アルミン酸リチウム、没食子酸リチウム、及び／又は没食子酸リチウムアルミニウムで構成されてもよい。ＧａＮ層３０４は、結晶小面３０２を形成するために、例えば、成長時に成長パラメータ又は材料組成を調整して成長させてもよい。その後、図３（ｂ）に示すように、ＨＶＰＥにより第１のＧａＮ層３０４上に良質な又は極めて平坦な第２のＧａＮ層３０５を成長させる。この第２の成長後、ウェーハを室温まで冷却する。第１のＧａＮ層３０４が第２のエピタキシャルＧａＮ層３０５と基板３０１との間の残留応力を緩和するため、冷却時に熱的不整合に起因する亀裂は生じない。第１の層３０４と第２の層３０５とは、ヘテロエピタキシャル層３２０を形成する。層３２０は、通常、約３５μｍよりも大きな厚みを有する。基板３０１は、図３（ｃ）に示すように、研磨あるいはその他の技術を用いて取り除いてもよい。
【００１７】
図４は、本発明の第１の実施形態に係る、熱的及び／又は格子的不整合基板上に厚い層を形成する方法に含まれる一連の工程を概略的に示している。ステップ４０１では、準備済みの基板を用意する。ステップ４０２では、第１の層を成長させるためのプロセスパラメータを設定する。参照を簡単にするため、全てのプロセスパラメータ及び成長条件を一組にまとめて、〔Ｃ１〕で示す。プロセスパラメータ〔Ｃ１〕は、第１の層、即ち層３０２を堆積するための成長条件に関する全ての関連パラメータを含む。〔Ｃ１〕は、この厚い層の堆積に用いられる反応器の圧力、反応器の構造、反応器の温度、反応器の温度勾配、基板温度、ガス流速等のプロセス条件を含む。これらのばらつきには、例えば、基板又は反応器の温度、圧力、ガス流速あるいはガス流量、そして反応器の構造における変化が含まれる場合があるが、これらの変化に限定されない。ステップ４０３では、準備済み基板上に欠陥の多い又は起伏のある第１の層を成長させる。この層の厚みは、１０ないし３００ミクロンの範囲内であることが好ましい。条件〔Ｃ１〕は、堆積材料が高い欠陥密度又は表面粗さを有しながらも、性質上、基本的にエピタキシャルなままであるように設定される。典型的なパラメータ〔Ｃ１〕は、通常、以下の通りである。層３０２の成長速度は、通常約５０ないし２００ミクロン／ｈｒ、好ましくは約１００ミクロン／ｈｒである。基板３０１の温度は、通常約１０００℃ないし約１０７０℃、好ましくは約１０３０℃である。ＩＩＩ族材料に対するＶ族材料の流量の比は、ここではＶ／ＩＩＩ比として示し、通常約５０ないし約２５０、好ましくは約１２５である。反応器の圧力は、通常約０．９気圧ないし１．５気圧、好ましくは１気圧を僅かに上回る気圧である（１気圧は海面においてほぼ１４．７ｌｂｓ／ｉｎ２に相当）。
【００１８】
ステップ４０４では、成長条件を〔Ｃ２〕に変更し、温度、圧力、反応器の構造、流速等に関する点で〔Ｃ１〕と異ならせてもよい。使用する材料及び成長用の装置の種類に応じて、層３０４等の欠陥の多い又は起伏のある層の堆積用の反応器と同様の反応器において使用するパラメータの組〔Ｃ１〕と、低欠陥密度の又は平坦な第２の層の堆積に用いるパラメータ〔Ｃ２〕とは異なる。ステップ４０５では、成長条件〔Ｃ２〕に基づいて、第１の層３０２上に層３０５等の良質で、欠陥の少ない又は平坦な第２の層を堆積する。典型的なパラメータ〔Ｃ２〕は、通常、以下の通りである。層３０５の成長速度は、通常約５ないし５０ミクロン／ｈｒ、好ましくは約２５ミクロン／ｈｒである。基板温度は、通常約１０００℃ないし約１０７０℃、好ましくは約１０３０℃である。反応器の圧力は、通常約０．９気圧ないし１．５気圧、好ましくは１気圧を僅かに上回る気圧である。Ｖ／ＩＩＩ比は、通常約５０ないし約２５０、好ましくは約１２５である。
【００１９】
この第２の層が第１の層を覆うことにより、欠陥は埋め隠されて隔離されるので成長時に上方へ伝播しない。また、横方向のエピタキシャル成長を促進する条件下で第２の層を成長させてもよく、その場合、第１の層の表面の凹凸を平坦にして埋める成長となる。この第２の層の厚みは、１０ないし３００ミクロンの範囲内であることが好ましい。ステップ４０６では、厚いエピタキシャル層又は基板に亀裂を発生させることなくサンプルを室温まで冷却するが、第１の層の効果により残留応力は最小限度に抑制される。良質で且つ高応力に対応した成長条件に基づいて成長されているため、膜上面のエピタキシャル性は非常に高い。堆積した膜は熱応力を十分に低下させているが、熱応力は下方の第１の層の欠陥及び／又は粗さによって軽減されている。その結果、例えばサファイア上にＧａＮを堆積するという具合に、熱的及び／又は格子的不整合基板上に低応力の、亀裂のない材料の厚い層を堆積することができる。場合によっては、図４のステップ４０７に示すように、冷却後にサファイア基板を取り除いて、例えばヘテロエピタキシャル層３２０を独立したＧａＮ基板として残す。
【００２０】
上記実施形態で説明した工程は、本発明の範囲を逸脱することなく変更することが可能である。選択的な工程においては、成長速度を一定に保ち、基板３０１の温度を起伏のある膜を成長させる状態から平坦な膜を成長させる状態へ上昇させることもできる。別の選択肢は、２つの「極端な手段」を組み合わせたもので、成長速度を低下させ、基板温度を僅かに上昇させる。
【００２１】
以下の本発明の実施形態において、欠陥の多い又は起伏のある厚い層を成長させ、その後に良質な又は平坦な層を成長させることが、亀裂のない、良質の厚いエピタキシャル層を形成するための共通の工程である。以下の実施形態では、この共通の目標の達成のために用いる方法に対して新たに加える工程又は変更に重点を置いている。
【００２２】
第２の実施形態
図５（ａ）ないし図５（ｄ）は、本発明の第２の実施形態に係る、サファイア上への厚く、亀裂のないＧａＮの層の成長を概略的に示している。図５（ａ）において、金属有機化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）又はハイドライド気相エピタキシー（ＨＶＰＥ）等の気相エピタキシー技術を用い、基板５０１上に例えばＧａＮからなる極めて薄いバッファ層５０６を成長させることができる。この基板は、図３の基板３０１と共通の特徴を有してもよく、同様の種類の材料で構成されてもよい。通常、バッファの厚みは５０ｎｍ程度であり、その後のＨＶＰＥによる成長時よりも低い温度で成長させる。バッファは、ＡｌＮ、ＩｎＮ、又はＡｌＮ、ＧａＮ及び／又はＩｎＮの合金、ＺｎＯ、若しくはＭｇＯで構成されてもよい。単一のバッファ層に代えて、異なる組成の複数の層を使用することもできる。その場合、バッファ層は、５０ｎｍを超える厚みを有してもよいし、ＭＯＣＶＤによりそれぞれ異なる温度で成長させた複数の層で構成されてもよい。例えば、１つ以上の層からなるバッファを低温で成長させた後に、それよりも高い温度で１つ以上の層を新たに成長させ、場合によっては低温でさらに層を成長させることも本発明の範囲内に含まれる。バッファは、格子的及び／又は熱的不整合により生じる界面応力の低減の促進に利用することも可能であるが、その後のＧａＮ層の核生成及び成長の促進に利用することもできる。バッファの成長後、図５（ｂ）に示すように、厚く、欠陥の多い又は起伏の多い、ＨＶＰＥによる第２の層５０７を堆積する。その後、図５（ｃ）に示すように、ＨＶＰＥによる第２のＧａＮ層５０７上に、良質な又は極めて平坦な、ＨＶＰＥによる第３のＧａＮ層５０８を成長させる。この第３の成長後、ウェーハを室温まで冷却する。第２のＧａＮ層５０７が第３のエピタキシャルＧａＮ層５０８とサファイア基板５０１との間の残留応力を緩和するため、冷却時に熱的不整合に起因する亀裂は生じない。サファイア基板１は、図５（ｄ）に示すように、研磨あるいはその他の技術を用いて取り除いてもよい。そして、層５０６、５０７、及び５０８は独立的な基板５２０を形成する。
【００２３】
図６は、本発明の第２の実施形態に係る、熱的及び／又は格子的不整合基板上に厚い層を形成する方法に含まれる一連の工程を概略的に示している。ステップ６０１では、準備済みの基板を用意する。ステップ６０２においては、バッファ層（又は層）を成長させるためのプロセスパラメータを設定し、ここでは〔Ｃ１’〕で示す。上述したように、〔Ｃ１’〕には、バッファ層（又は層）を堆積するための成長条件に関する全ての関連パラメータが含まれる。複数の層からなるバッファの場合、プロセス条件の組〔Ｃ１’〕を複数の独自の下位の組で構成してもよく、各下位の組はバッファ構造の各層に対してそれぞれ設けられる。典型的なパラメータ〔Ｃ１’〕は、通常、以下の通りである。バッファ層５０６の厚みは、通常約５ないし１００ｎｍ、好ましくは約３０ｎｍである。バッファ層５０６の成長速度は、通常約０．１ないし１．０ミクロン／ｈｒ、好ましくは約０．４ミクロン／ｈｒである。基板温度は、通常約４００℃ないし約７００℃、好ましくは約５００℃である。反応器の圧力は、通常約０．９気圧ないし１．５気圧、好ましくは１気圧を僅かに上回る気圧である。Ｖ／ＩＩＩ比は、通常約４０００ないし約７０００、好ましくは約５５００である。
【００２４】
ステップ６０３では、準備済み基板上にバッファ層（又は層）を成長させ、全体の厚みを５０ｎｍ程度にする。ステップ６０４では、成長条件を〔Ｃ２’〕に変更する。この変更は、ステップ６０３で用いられたものとは異なる成長技術の使用を伴なってもよく、場合によっては、サンプルの搬出及び搬入のために新たに一連の工程が必要となるかもしれない別の成長用の装置の使用を伴なうことになってもよい。ステップ６０５では、バッファ層上に欠陥の多い又は起伏のある第２の層を成長させる。この層の厚みは、１０ないし３００ミクロンの範囲内であることが好ましい。条件〔Ｃ２’〕は、堆積材料が高い欠陥密度又は表面粗さを有しながらも、性質上、基本的にエピタキシャルなままであるように設定される。プロセス条件〔Ｃ２’〕は、通常、図４に関して説明した条件の組〔Ｃ１〕において設定されたものと同様の範囲内に設定される。ステップ６０６では、成長条件を〔Ｃ３〕に設定し、温度、圧力、反応器の構造、流速等に関する点で〔Ｃ２’〕と異ならせてもよい。ステップ６０７では、成長条件〔Ｃ３〕に基づき、第２の層５０６上に層５０８のような良質の、欠陥の少ない又は平坦な第３の層を堆積する。プロセス条件〔Ｃ３〕は、通常、図４に関して説明した条件の組〔Ｃ２〕において設定されたものと同様の範囲内に設定される。この第３の層が第２の層を覆うことにより、欠陥は埋め隠されて隔離されるので成長時に上方へ伝播しない。また、横方向のエピタキシャル成長を促進する条件下で第３の層を成長させてもよく、その場合、第２の層の表面の凹凸を平坦にして埋める成長となる。この第３の層の厚みは、１０ないし３００ミクロンの範囲内であることが好ましい。
【００２５】
ステップ６０８では、厚いエピタキシャル層又は基板に亀裂を発生させることなくサンプルを室温まで冷却するが、第２の層の効果により残留応力は最小限度に抑制される。良質で且つ高応力に対応した成長条件に基づいて成長されているため、膜上面のエピタキシャル性は非常に高い。堆積した膜は熱応力を十分に低下させているが、熱応力は下方の第２の層の欠陥及び／又は粗さによって軽減されている。その結果、例えばサファイア上にＧａＮを堆積するという具合に、熱的及び／又は格子的不整合基板上に低応力の、亀裂のない材料の厚い層を堆積することができる。場合によっては、図６のステップ６０９に示すように、冷却後にサファイア基板５０１を取り除いて、例えば基板５２０のような独立したＧａＮ基板を得る。
【００２６】
第３の実施形態
図７（ａ）ないし７（ｄ）は、本発明の第３の実施形態に係る、サファイア上への厚く、亀裂のないＧａＮ層の成長を概略的に示している。図７（ａ）では、図３に関して説明したタイプの基板７０１上にバッファ層構造７０２が形成されている。バッファ層構造７０２は、通例、下層のＧａＮ層７０９と、二酸化珪素（ＳｉＯ２）等からなる、パターニングされたマスク層７１０と、エピタキシャル横方向成長（ＥＬＯＧ）による層７１１とを備えている。マスク材料は、ＧａＮの成長を抑制するため、成長はマスクされていない領域においてのみ起こる。これにより、ＥＬＯＧ層７１１の横方向の成長が促進されるとともに、この層及びその後のエピタキシャル層から基板が部分的に分離される。このような分離は、エピタキシャル層に残留する熱的及び／又は格子的不整合による応力を低減するものであり、基板とエピタキシャル層との間の有効な接触面積を削減することで実現する。
【００２７】
通常、これら２つのＧａＮ層はＭＯＣＶＤ又はＨＶＰＥ等の気相エピタキシー技術を用いて成長させ、バッファ構造全体の厚みを１ミクロン程度にするが、その他の成長プロセス及びバッファ構造の厚みも本発明の範囲内に含まれる。この構造の各層は異なる組成を有してもよく、例えば層７０９及び７１１はＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、又はこれらの構成要素からなる合金でそれぞれ構成することが可能である。パターニングされたマスク層７１０は、ＳｉＯ２、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）、ポリシリコン、高融点金属、又はこれらの構成要素を任意に組み合わせたもので構成することが可能である。これらは単に例として挙げただけであり、本発明の実施形態の範囲を限定することを意図していないので、同様の効果を得るためにその他の適切な材料も使用できる。また、各層は１組の副層で構成されてもよい。残留応力のレベルをさらに低減するため、あるいは横方向の成長を促進するために、層７０９、７１０、及び／又は７１１を組成の異なる２つ以上の層でそれぞれ構成してもよい。通常、下層の層７０９の厚みは１ミクロン程度、パターニングされたマスク層７１０の厚みは５００ｎｍ程度、ＥＬＯＧ層７１１の厚みは１ないし４ミクロン程度である。残留応力の低減、あるいは層７１１の核生成又は横方向成長の向上に有用な、これら以外の層の厚みも本発明の実施形態の範囲内に含まれる。
【００２８】
バッファ層構造７０２の成長後、図７（ｂ）に示すように、厚く、欠陥の多い又は起伏の多い、ＨＶＰＥによる層７１２を堆積する。その後、図７（ｃ）に示すように、ＨＶＰＥによる第３のＧａＮ層７１２上に、良質な又は極めて平坦なＨＶＰＥによるＧａＮ層７１３を成長させる。層７１３の成長後、ウェーハを室温まで冷却する。以下の２つの補完的な効果により、冷却時に熱的不整合に起因する亀裂は生じない。本発明の第１の実施形態において説明したように、第３のＧａＮ層７１２は第４のエピタキシャルＧａＮ層７１３とサファイア基板７０１との間の残留応力を低減する。また、パターニングされたマスク層７１０及び横方向成長層７１１は、厚いＨＶＰＥ層７１２及び７１３をサファイア基板７０１から機械的に分離する役割を果たす。図７（ｄ）に示すように、基板７０１とバッファ層構造７０２の一部とは、研磨あるいはその他の技術を用いて除去することもできる。通常、パターニングされた層と横方向成長層７１１の一部とは取り除かれる。ＥＬＯＧ層７１１の残留部分と層７１２及び７１３とは、独立したＩＩＩ族窒化物基板７２０を形成する。
【００２９】
図８は、本発明の第３の実施形態に係る、熱的及び／又は格子的不整合基板上に厚い層を形成する方法に含まれる一連の工程を概略的に示している。ステップ８０１では、準備済みの基板を用意する。ステップ８０２では、第１のバッファ層（又は層）を成長させるためのプロセスパラメータを設定し、ここでは〔Ｃ１’’〕で示す。プロセスパラメータの組〔Ｃ１’’〕には、層７０９等の第１のバッファ層（又は層）を堆積するための成長条件に関する全ての関連パラメータが含まれる。プロセスパラメータ〔Ｃ１’’〕は、通常、図６に関して説明した〔Ｃ１’〕において設定されたものと同様の範囲内に設定される。ステップ８０３では、準備済み基板上に第１のバッファ層（又は層）を成長させ、全体の厚みを１ミクロン程度にする。ステップ８０４では、サンプルを冷却して反応器から取り出す。ステップ８０５では、サンプル上に適切なマスク材料を堆積し、その後リソグラフィやエッチング等の適切な方法を用いてパターニングを施す。ステップ８０６では、成長条件をＥＬＯＧ層７１１等のＥＬＯＧ層（又は層）を成長させるための〔Ｃ２’’〕に変更する。パラメータの組〔Ｃ２’’〕には、サンプルを成長用の反応器内へ再搬入する工程も含めることができる。ステップ８０７では、ＥＬＯＧ層（又は層）を通常の１ないし１０ミクロンの厚みに成長させる。パラメータ〔Ｃ２’’〕は、通常、以下の通りである。ＥＬＯＧ層７１１をＨＶＰＥにより高い成長速度で成長させる場合、〔Ｃ２’’〕には図４に関して説明したパラメータ〔Ｃ１〕等の起伏のある層のためのパラメータを含めてもよい。ＥＬＯＧ層７１１をＭＯＣＶＤ法により成長させる場合、パラメータの組〔Ｃ２’’〕を以下のようにすることも可能である。基板温度は、約９７０℃ないし約１０７０℃としてもよい。反応器の圧力は、通常１気圧よりも低い気圧、好ましくは約０．１気圧とする。ＥＬＯＧ層７１１の成長速度は、約０．５ミクロン／ｈｒないし約５ミクロン／ｈｒとしてもよいが、好ましくは約２ミクロン／ｈｒとする。Ｖ／ＩＩＩ比は、通常約５００ないし約５０００、好ましくは約１５００とする。ＥＬＯＧ層をその下のマスク層を通してマスク層上に成長させるため、エピタキシャル成長層とサファイア基板との間の有効な接触面積が削減される。ＥＬＯＧ層７１１は、パターニングされた層７１０の上面に到達すると、次に横方向へ拡大する。横方向の成長は、通常、サファイアとＧａＮとの界面からの垂直方向の欠陥の伝播を阻止する。本発明において、第２のバッファ層は、基板７０１とバッファ層構造７０２との界面における亀裂も促進する。
【００３０】
ステップ８０８では、成長条件を〔Ｃ３’〕に変更するが、ステップ８０６で用いたものとは異なる成長技術の使用や、場合によっては、サンプルの搬出及び搬入のために新たに一連の工程が必要となるかもしれない別の成長用の装置の使用を伴なうことになってもよい。ステップ８０９では、バッファ層上に、層７１２等の欠陥の多い又は起伏のある第３の層を成長させる。この層の厚みは、１０ないし３００ミクロンの範囲内であることが好ましい。〔Ｃ３’〕のパラメータは、通常、図４の〔Ｃ１〕に関して説明したものと同様の範囲内に設定される。条件〔Ｃ３’〕は、堆積材料が高い欠陥密度又は表面粗さを有しながらも、性質上、基本的にエピタキシャルなままであるように設定される。
【００３１】
ステップ８１０では、成長条件を〔Ｃ４〕に設定し、温度、圧力、反応器の構造、流速等に関する点で〔Ｃ３’〕と異ならせてもよい。ステップ８１１では、成長条件〔Ｃ４〕に基づいて、第３の層上に、層７１３等の良質で、欠陥の少ない又は平坦な第４の層を堆積する。〔Ｃ４〕のパラメータは、通常、図４の〔Ｃ２〕に関して説明したものと同様の範囲内に設定される。この第４の層が第３の層を覆うことにより、欠陥は埋め隠されて隔離されるので成長時に上方へ伝播しない。また、横方向のエピタキシャル成長を促進する条件下で第４の層を成長させてもよく、その場合、第３の層の表面の凹凸を平坦にして埋める成長となる。この第４の層の厚みは、１０ないし３００ミクロンの範囲内であることが好ましい。ステップ８１２では、厚いエピタキシャル層又は基板に亀裂を発生させることなくサンプルを室温まで冷却する。本発明の第１の実施形態において説明したような第３の層の効果、並びに基板と厚いエピタキシャル層との接触部分を削減する、マスク層及びそれを通して成長させる層の効果の両方により残留応力は最小限度に抑制される。良質で且つ高応力に対応した成長条件に基づいて成長されているため、膜の上面のエピタキシャル性は非常に高く、サファイア基板の影響から無事に隔離されている。その結果、例えばサファイア上にＧａＮを堆積するという具合に、低応力の、亀裂のない材料による厚い層を熱的及び／又は格子的不整合基板上に堆積することができる。場合によっては、図８のステップ８１３に示すように、冷却後にサファイア基板を取り除いて、独立した基板７２０等の独立したＧａＮ基板を得る。
【００３２】
第４の実施形態
図９（ａ）ないし９（ｃ）は、本発明の第４の実施形態に係る、厚く、亀裂のない独立したＧａＮ基板の成長を概略的に示している。図９（ａ）では、ＨＶＰＥによりサファイア基板９０１上に厚く、欠陥の多い又は起伏の多い第１のＧａＮ層９０４を成長させる。この層の成長後、サンプルを室温まで冷却して反応器から取り出すが、サファイア基板９０１は図９（ｂ）に示すように研磨あるいはその他の技術を用いて取り除く。欠陥の多い又は起伏の多いＧａＮ層９０４は亀裂を発生させることなく応力に対処できるため、冷却時に熱的不整合に起因する亀裂が生じない。その後、目下独立しているＧａＮ層を反応器内に再搬入し、図９（ｃ）に示すように、ＨＶＰＥにより第１のＧａＮ層９０４上に良質な又は極めて平坦な第２のＧａＮ層９０５を成長させる。この第２の層９０５はホモエピタキシャル成長させるので、サファイア基板９０１により課せられる熱的及び格子的不整合の制約から開放されており、冷却時に亀裂を生じないか又は熱応力を受けない。その結果、良質の独立したＧａＮ基板９２０が得られる。
【００３３】
図１０は、本発明の第４の実施形態に係る、厚く、亀裂のない独立したＧａＮ基板を形成する方法に含まれる一連の工程を概略的に示している。ステップ１００１では、準備済みの基板を用意する。ステップ１００２においては、層９０４等の第１のＩＩＩ−Ｖ族層を成長させるためのプロセスパラメータを設定し、ここでは〔Ｃ１’’’〕で示す。既に述べたように、〔Ｃ１’’’〕には、第１の層を堆積するための成長条件に関する全ての関連パラメータが含まれる。ステップ１００３では、準備済み基板上に、欠陥の多い又は起伏のある第１の層を成長させる。この層の厚みは、２０ないし３００ミクロンの範囲内であることが好ましい。条件〔Ｃ１’’’〕は、堆積材料が高い欠陥密度又は起伏の多い表面を有しながらも、性質上、基本的にエピタキシャルなままであるように設定される。〔Ｃ１’’’〕のパラメータは、通常、図４の〔Ｃ１〕に関して説明したものと同様の範囲内に設定される。ステップ１００４では、亀裂を発生させることなくサンプルを室温まで冷却するが、欠陥の多い又は起伏のある第１の層の効果により残留応力は最小限度に抑制される。ステップ１００５では、サファイア基板を取り除いて、起伏のある又は欠陥の多い、独立したＧａＮ層を得る。この独立した層は単結晶であるが、その欠陥密度及び／又は起伏によりデバイスに適用するＧａＮ基板としては不適当である。ステップ１００６では、サンプルを反応器内へ再搬入するための一連の工程を含む〔Ｃ２’’’〕に成長条件を変更する。ステップ１００７では、成長条件〔Ｃ２’’’〕に基づいて、第１の層上に層９０５等の良質で、欠陥の少ない又は平坦な第２の層を堆積する。〔Ｃ２’’’〕のパラメータは、通常、図４の〔Ｃ２〕に関して説明したものと同様の範囲内に設定される。この第２の層が第１の層を覆うことにより、欠陥は埋め隠されて隔離されるので成長時に上方へ伝播しない。また、横方向のエピタキシャル成長を促進する条件下で第２の層を成長させてもよく、その場合、第１の層の表面の凹凸を平坦にして埋める成長となる。この第２の層の厚みは、１０ないし３００ミクロンの範囲内であることが好ましい。ステップ１００８では、亀裂を発生させることなくサンプルを室温まで冷却するが、独立した基板９２０の形成のためにステップ１００５でサファイア基板が除去されて存在しないため、熱的不整合はない。
【００３４】
第５の実施形態
図１１（ａ）ないし１１（ｄ）は、本発明の第５の実施形態に係る、厚く、亀裂のない独立したＧａＮ基板の成長を概略的に示している。図１１（ａ）において、ＭＯＣＶＤ又はＨＶＰＥ等の気相エピタキシー技術を用いて、基板１１０１上にＧａＮの薄いバッファ層１１０６を成長させることができる。通常、バッファの厚みは５０ｎｍ程度であり、その後のＨＶＰＥによる成長時よりも低い温度で成長させる。バッファは、ＡｌＮ、ＩｎＮ、又はＡｌＮ、ＧａＮ及び／又はＩｎＮの合金、ＺｎＯ、若しくはＭｇＯで構成することもできる。単一のバッファ層に代えて、組成の異なる複数の層を使用することもできる。その場合、バッファ層は、５０ｎｍを上回る厚みを有してもよいし、ＭＯＣＶＤにより異なる温度で成長させた複数の層で構成されてもよい。例えば、１つ以上の層からなるバッファを低温で成長させた後に、それよりも高い温度で新たに１つ以上の層を成長させ、低温でさらに最後の層を成長させることも本発明の範囲内に含まれる。バッファは、格子的及び／又は熱的不整合に起因する界面応力を低減するために利用することも可能であるが、その後のＧａＮ層の核生成及び成長の促進に利用してもよい。バッファの成長後、図１１（ｂ）に示すように、厚く、欠陥の多い又は起伏の多い、ＨＶＰＥによる第２の層１１０７を堆積する。この層の成長後、図１１（ｃ）に示すように、サンプルを室温まで冷却して反応器から取り出し、サファイア基板１１０１を研磨あるいはその他の技術により除去する。欠陥の多い又は起伏の多い第２のＧａＮ層１１０７は、亀裂を発生させることなく応力に対処できるため、冷却時に熱的不整合に起因する亀裂が生じない。その後、目下独立しているＧａＮ層を反応器内に再搬入し、図１１（ｄ）に示すように、ＨＶＰＥにより第２のＧａＮ層１１０７上に、良質な又は極めて平坦な第３のＧａＮ層１１０８を成長させる。この第３の層１１０８はホモエピタキシャル成長させるので、サファイア基板１１０１により課せられる熱的及び格子的不整合の制約から開放されており、冷却時に亀裂を生じることがないか又は熱応力を受けることがない。その結果、良質の独立したＧａＮ基板１１２０が得られる。
【００３５】
図１２は、本発明の第４の実施形態に係る、厚く、亀裂のない独立したＧａＮ基板を形成する方法に含まれる一連の工程を概略的に示している。ステップ１２０１では、準備済みの基板を用意する。ステップ１２０２においては、バッファ層（又は層）を成長させるためのプロセスパラメータを設定し、ここでは〔Ｃ１’’’’〕で示す。パラメータの組〔Ｃ１’’’’〕には、バッファ層（又は層）を堆積するための成長条件に関する全ての関連パラメータが含まれる。複数の層からなるバッファの場合、プロセス条件の組〔Ｃ１’’’’〕を複数の独自の下位の組で構成してもよく、各下位の組はバッファ構造の各層に対してそれぞれ設けられる。ステップ１２０３では、準備済み基板上に層１１０６等のバッファ層（又は層）を成長させ、全体の厚みを５０ｎｍ程度にする。〔Ｃ１’’’’〕のパラメータは、通常、図６の〔Ｃ１’〕に関して説明したものと同様の範囲内に設定される。ステップ１２０４では、成長条件を〔Ｃ２’’’’〕に変更する。この変更は、ステップ１２０３で用いられたものとは異なる成長技術の使用を伴なってもよく、場合によっては、サンプルの搬出及び搬入のために新たに一連の工程が必要となるかもしれない別の成長用の装置の使用を伴なうことになってもよい。ステップ１２０５では、バッファ層上に、層１１０７等の欠陥の多い又は起伏のある第２の層を成長させる。この層の厚みは、２０ないし３００ミクロンの範囲内であることが好ましい。〔Ｃ２’’’’〕のパラメータは、通常、図４の〔Ｃ１〕に関して説明したものと同様の範囲内に設定される。条件〔Ｃ２’’’’〕は、堆積材料が高い欠陥密度又は起伏の多い表面を有しながらも、性質上、基本的にエピタキシャルなままであるように設定される。ステップ１２０６では、亀裂を発生させることなくサンプルを室温まで冷却するが、欠陥の多い又は起伏のある第２の層の効果により残留応力は最小限度に抑制される。ステップ１２０７では、サファイア基板を取り除いて、起伏のある又は欠陥の多い独立したＧａＮ層を得る。この独立した層は単結晶であるが、その欠陥密度及び／又は起伏によりデバイスに適用するＧａＮ基板としては不適当である。ステップ１２０８では、サンプルを反応器内へ再搬入するための一連の工程を含む〔Ｃ３’’〕に成長条件を変更する。ステップ１２０９では、成長条件〔Ｃ３’’〕に基づいて、第２の層上に層１１０８等の良質で、欠陥の少ない又は平坦な第３の層を堆積する。〔Ｃ３’’〕のパラメータは、通常、図４の〔Ｃ２〕に関して説明したものと同様の範囲内に設定される。この第３の層が第１の層を覆うことにより、欠陥は埋め隠されて隔離されるので成長時に上方へ伝播しない。また、横方向のエピタキシャル成長を促進する条件下で第３の層を成長させてもよく、その場合、第２の層の表面の凹凸を平坦にして埋める成長となる。この第３の層の厚みは、１０ないし３００ミクロンの範囲内であることが好ましい。ステップ１２１０では、亀裂を発生させることなくサンプルを室温まで冷却するが、独立した基板１１２０の形成のためにステップ１２０７でサファイア基板が除去されて存在しないため、熱的不整合はない。
【００３６】
第６の実施形態
図１３（ａ）ないし１３（ｄ）は、本発明の第６の実施形態に係る、厚く、亀裂のない独立したＧａＮ基板の成長を概略的に示している。図１３（ａ）において、バッファ層構造は、下層のＧａＮ層１３０９と、二酸化珪素（ＳｉＯ２）からなる、パターニングされたマスク層１３１０と、上層のＧａＮ層１３１１とを備えて構成されている。マスク材料はＧａＮの成長を抑制するため、成長はマスクされていない領域においてのみ起こる。これにより、上層のＧａＮ層１３１１の横方向の成長が促進されるとともに、この層及びその後のエピタキシャル層から基板が部分的に分離される。このような分離は、エピタキシャル層に残留する熱的及び／又は格子的不整合による応力を低減するものであり、基板とエピタキシャル層との間の有効な接触面積を削減することで実現する。
【００３７】
通常、これら２つのＧａＮ層は、ＭＯＣＶＤ又はＨＶＰＥ等の気相エピタキシー技術を用いて成長させ、バッファ構造全体の厚みを１ミクロン程度にするが、その他の成長プロセス及びバッファ構造の厚みも本発明の範囲内に含まれる。この構造の各層は異なる組成を有してもよい。例えば、層１３０９及び１３１１はＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、又はこれらの構成要素からなる合金でそれぞれ構成することが可能であり、層１３１０はＳｉＯ２、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）、ポリシリコン、高融点金属、又はこれらの構成要素を任意に組み合わせたもので構成することが可能である。これらは単に例として挙げただけで、本発明の実施形態の範囲を限定することを意図しないため、同様の効果を得るためにその他の適切な材料も使用可能である。また、各層は１組の副層で構成されてもよく、残留応力のレベルをさらに低減するため又は横方向の成長を促進するために、層１３０９、１３１０、及び／又は１３１１を異なる組成を有する２つ以上の層でそれぞれ構成することもできる。通常、下層のＧａＮ層１３０９の厚みは１ミクロン程度、パターニングされたマスク層１３１０の厚みは５００ｎｍ程度、上層のＧａＮ層１３１１の厚みは１ないし１０ミクロン程度である。残留応力の低減、あるいは層１３１１の核生成又は横方向成長の向上に有用な、これら以外の層の厚みも本発明の実施形態の範囲内に含まれる。
【００３８】
バッファ層構造の成長後、図１３（ｂ）に示すように、厚く、欠陥の多い又は起伏の多い、ＨＶＰＥによる第３の層１３１２を堆積する。この層の成長後、サンプルを室温まで冷却して反応器から取り出し、図１３（ｃ）に示すように、サファイア基板１を研磨あるいはその他の技術を用いて取り除く。以下の２つの補完的な効果により、冷却時に熱的不整合に起因する亀裂は生じない。本発明の第４の実施形態において説明したように、第３のＧａＮ層１３１２はサファイア基板１により生じる残留応力に対処する。また、パターニングされたマスク層１３１０及び横方向成長層１３１１は、厚いＨＶＰＥ層１３１２を基板１３０１から分離する役割を果たす。その後、目下独立しているＧａＮ層を反応器内に再搬入し、図１３（ｄ）に示すように、ＨＶＰＥにより第３のＧａＮ層１３１２上に良質な又は極めて平坦な第４のＧａＮ層１３１３を成長させる。この第４の層１３１３はホモエピタキシャル成長させるので、サファイア基板１３０１により課せられる熱的及び格子的不整合の制約から開放されており、冷却時に亀裂を生じないか又は熱応力を受けない。その結果、良質の独立したＧａＮ基板１３２０が得られる。
【００３９】
図１４は、本発明の第６の実施形態に係る、厚く、亀裂のない独立したＧａＮ基板を形成する方法に含まれる一連の工程を概略的に示している。ステップ１４０１では、準備済みの基板を用意する。ステップ１４０２においては、第１のバッファ層（又は層）を成長させるためのプロセスパラメータを設定し、ここでは〔Ｃ１’’’’’〕で示す。パラメータの組〔Ｃ１’’’’’〕には、バッファ層（又は層）を堆積するための成長条件に関する全ての関連パラメータが含まれる。〔Ｃ１’’’’’〕のパラメータは、通常、図６の〔Ｃ１’〕に関して説明したものと同様の範囲内に設定される。ステップ１４０３では、準備済み基板上に層１３０９等のバッファ層（又は層）を成長させ、全体の厚みを１ミクロン程度にする。ステップ１４０４では、サンプルを冷却して反応器から取り出す。ステップ１４０５では、サンプル上に適切なマスク材料を堆積し、その後、リソグラフィやエッチング等の適切な方法を用いてパターニングを施すことにより層１３１０等のパターニングされた層を形成する。ステップ１４０６では、層１３１１等のＥＬＯＧによる層（又は層）を成長させるための〔Ｃ２’’’’’〕に成長条件を変更する。パラメータの組〔Ｃ２’’’’’〕には、サンプルを成長用の反応器内へ再搬入する工程も含めることができる。ステップ１４０７では、ＥＬＯＧによる層（又は層）を通常の１ないし１０ミクロンの厚みに成長させる。〔Ｃ２’’’’’〕のパラメータは、通常、図８の〔Ｃ２’’〕に関して説明したものと同様の範囲内に設定される。ＥＬＯＧ層をその下のマスク層を通してマスク層上に成長させるため、エピタキシャル成長層とサファイア基板との間の有効な接触面積が削減される。ステップ１４０８では、成長条件を〔Ｃ３’’’〕に変更するが、ステップ１４０６で用いたものとは異なる成長技術の使用や、場合によっては、サンプルの搬出及び搬入のために新たに一連の工程が必要となるかもしれない別の成長用の装置の使用を伴なうことになってもよい。ステップ１４０９では、バッファ層上に、層１３１２等の欠陥の多い又は起伏のある第３の層を成長させる。この層の厚みは、２０ないし３００ミクロンの範囲内であることが好ましい。〔Ｃ３’’’〕のパラメータは、通常、図４の〔Ｃ１〕に関して説明したものと同様の範囲内に設定される。条件〔Ｃ３’’’〕は、堆積材料が高い欠陥密度又は起伏の多い表面を有しながらも、性質上、基本的にエピタキシャルなままであるように設定される。ステップ１４１０では、亀裂を発生させることなくサンプルを室温まで冷却する。欠陥の多い又は起伏のある第２の層の効果、並びにバッファ構造にマスク及び第２の層を成長させることによるエピタキシャル層と基板との分離の効果に起因して、残留応力は最小限度に抑制される。ステップ１４１１では、サファイア基板を取り除いて、起伏のある又は欠陥の多い独立したＧａＮ層を得る。この独立した層は単結晶であるが、その欠陥密度及び／又は起伏によりデバイスに適用するＧａＮ基板としては不適当である。ステップ１４１２では、サンプルを反応器内へ再搬入するための一連の工程を含む〔Ｃ４〕に成長条件を変更する。ステップ１４１３では、成長条件〔Ｃ４〕に基づいて、第３の層上に、良質で、欠陥の少ない又は平坦な第４の層を堆積する。この第４の層が第３の層を覆うことにより、欠陥は埋め隠されて隔離されるので成長時に上方へ伝播しない。また、横方向のエピタキシャル成長を促進する条件下で第４の層を成長させてもよく、その場合、第３の層の表面の凹凸を平坦にして埋める成長となる。この第４の層の厚みは、１０ないし３００ミクロンの範囲内であることが好ましい。ステップ１４１４では、亀裂を発生させることなくサンプルを室温まで冷却するが、独立した基板１３２０の形成のためにステップ１４１１でサファイア基板が除去されて存在しないため、熱的不整合はない。
【００４０】
上述の実施形態は例であり、本発明を限定するものとして解釈されるべきではない。本発明による教示は、別の種類の装置及び方法にも適用可能である。本発明の説明は、例示的であることを意図しており、付記した特許請求の範囲を限定することを意図しない。また、本方法に対する変更及び改変は当業者には明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】
１（ａ）及び１（ｂ）は、従来の（従来技術による）サファイア上への厚いＧａＮのヘテロエピタキシャル成長を概略的に示す断面図である。
【図２】
従来の厚いＧａＮをヘテロエピタキシャル成長させるための工程を概略的に示す。
【図３】
３（ａ）ないし３（ｃ）は、本発明の第１の実施形態に係る、厚い及び／又は独立したＧａＮのヘテロエピタキシャル成長を概略的に示す断面図である。
【図４】
本発明の第１の実施形態の厚い及び／又は独立したＧａＮをヘテロエピタキシャル成長させるための工程を概略的に示す。
【図５】
５（ａ）ないし５（ｄ）は、本発明の第２の実施形態に係る、厚い及び／又は独立したＧａＮのヘテロエピタキシャル成長を概略的に示す断面図である。
【図６】
本発明の第２の実施形態の厚い及び／又は独立したＧａＮをヘテロエピタキシャル成長させるための工程を概略的に示す。
【図７】
７（ａ）ないし７（ｄ）は、本発明の第３の実施形態に係る、厚い及び／又は独立したＧａＮのヘテロエピタキシャル成長を概略的に示す断面図である。
【図８】
本発明の第３の実施形態の厚い及び／又は独立したＧａＮをヘテロエピタキシャル成長させるための工程を概略的に示す。
【図９】
９（ａ）ないし９（ｃ）は、本発明の第４の実施形態に係る、厚い及び／又は独立したＧａＮのヘテロエピタキシャル成長を概略的に示す断面図である。
【図１０】
本発明の第４の実施形態の厚い及び／又は独立したＧａＮをヘテロエピタキシャル成長させるための工程を概略的に示す。
【図１１】
１１（ａ）ないし１１（ｄ）は、本発明の第５の実施形態に係る、厚い及び／又は独立したＧａＮのヘテロエピタキシャル成長を概略的に示す断面図である。
【図１２】
本発明の第５の実施形態の厚い及び／又は独立したＧａＮをヘテロエピタキシャル成長させるための工程を概略的に示す。
【図１３】
１３（ａ）ないし１３（ｄ）は、本発明の第６の実施形態に係る、厚い及び／又は独立したＧａＮのヘテロエピタキシャル成長を概略的に示す断面図である。
【図１４】
本発明の第６の実施形態の厚い及び／又は独立したＧａＮをヘテロエピタキシャル成長させるための工程を概略的に示す。
【図１】
2004508268.tif 000003
【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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【図１３】
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【図１４】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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