(57)【要約】【課題】結晶を複数片に分離する際の断面の歪の導入を低減し、窒化物半導体結晶の利用効率を上げることが可能な窒化物半導体結晶構造及び窒化物半導体自立基板の製造方法を提供する。【解決手段】窒化物半導体結晶１０から板状の結晶片を分離し、分離した前記板状の結晶片から窒化物半導体自立基板を作製するための窒化物半導体結晶構造において、レーザー光の照射による加熱分解で前記板状の結晶片に分離すべく、前記窒化物半導体結晶１０内に、該窒化物半導体結晶１０の成長時にバンドギャップの異なる組成の光吸収層２を単層または複数層形成したものである。【選択図】図１
2012012233.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化物半導体結晶から板状の結晶片を分離し、分離した前記板状の結晶片から窒化物半導体自立基板を作製するための窒化物半導体結晶構造において、
レーザー光の照射による加熱分解で前記板状の結晶片に分離すべく、前記窒化物半導体結晶内に、該窒化物半導体結晶の成長時にバンドギャップの異なる組成の光吸収層を単層または複数層形成したことを特徴とする窒化物半導体結晶構造。
【請求項２】
前記窒化物半導体自立基板を構成する窒化物半導体は、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮのいずれかである請求項１に記載の窒化物半導体結晶構造。
【請求項３】
窒化物半導体結晶から板状の結晶片を分離し、分離した前記板状の結晶片の表面を研磨して窒化物半導体自立基板を作製する窒化物半導体自立基板の製造方法において、
前記窒化物半導体結晶の成長時に、バンドギャップの異なる組成の光吸収層を単層または複数層形成し、その成長後に、前記窒化物半導体結晶にレーザー光を照射して前記光吸収層を加熱分解して前記板状の結晶片に分離し、分離した該板状の結晶片の表面を研磨することを特徴とする窒化物半導体自立基板の製造方法。
【請求項４】
前記窒化物半導体自立基板を構成する窒化物半導体は、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮのいずれかである請求項３に記載の窒化物半導体自立基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、青色、緑色、紫外発光ダイオードおよびレーザーダイオード、あるいは、電子デバイスなどの結晶成長に用いられる窒化物半導体自立基板を作製するための窒化物半導体結晶構造及び窒化物半導体自立基板の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
窒化物半導体は、青、緑および紫外発光デバイス材料として、また、高出力用途の電子デバイス材料として注目されている。
【０００３】
従来デバイス応用が報告されている窒化物半導体は、そのほとんど全てが、例えばサファイアや４Ｈ−ＳｉＣなどの異種基板上に、低温ＧａＮ層、ＡｌＮバッファ層や高温ＡｌＮバッファ層を介して窒化物半導体層を成長させることで実現されている。しかしながら、これらの異種基板上に窒化物半導体層を成長させた場合には、異種基板と窒化物半導体層の間の格子定数の違いや、熱膨張率の違いにより、窒化物半導体層には高密度の転位が導入される。窒化物半導体中の転位は、非発光再結合中心や、不純物の拡散経路として働くため、このような高密度の転位を持った窒化物半導体を用いて作製した発光デバイスや電子デバイスでは、所望の特性が得られない、あるいは特性の劣化が早いといった問題が生じる。
【０００４】
窒化物半導体からなる自立した単結晶基板（窒化物半導体自立基板）を用いた場合には、上記のような格子不整合や熱膨張係数の不整合に起因する問題を回避することができ、実際に窒化物半導体からなる青紫色レーザーダイオード（ＬＤ）や青色ＬＤなどが、ＧａＮ自立基板を用いて実用化されている。
【０００５】
現在、最も広く用いられている窒化物半導体自立基板の製造方法としては、サファイア、ＳｉＣ、ＧａＡｓやＳｉなどの窒化物半導体とは異なる結晶から成る種結晶基板上に、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）やハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）、あるいは、安熱合成法などを用いて、窒化物半導体層を数１００μｍ〜数ｃｍの厚さで成長させるという方法が採られている。例えば、非特許文献１では、Ｃ面を表面とするサファイア基板上のＧａＮ薄膜表面にＴｉを蒸着し、これを熱処理することでＧａＮのボイド構造を形成し、その上にＨＶＰＥ法によりＣ面を表面とするＧａＮを数１００μｍの厚さで成長させ、上記のボイド部分よりサファイア基板を剥離する方法（Ｖｏｉｄ−Ａｓｓｉｓｔｅｄ  Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ、ＶＡＳ法）が開示されている。
【０００６】
通常、自立基板として求められる基板厚さは、基板強度なども考慮し、直径２インチの基板で２００〜５００μｍ程度である。上記手法などにより、１ｍｍ厚の結晶を形成し、ワイヤーソーや、内周刃を用いてスライスすることで、結晶を複数片に分離し、それらを両面研磨することにより複数枚の基板を作製することが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−２７７１３６号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Ｙｕｉｃｈｉ  ＯＳＨＩＭＡ  ｅｔ  ａｌ．Ｊａｐａｎｅｓｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｖｏｌ．４２（２００３）ｐｐ．Ｌ１−Ｌ３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、ワイヤーソーや内周刃を用いてスライスする場合は、スライス断面に大きな結晶歪を導入してしまうため、それを取り除くための十分な研磨厚さを確保する必要があり、たとえば、１ｍｍ厚さの結晶からは、２枚程度の基板の取得が限度となり、結晶の利用効率が悪くなる。
【００１０】
そこで本発明は、結晶を複数片に分離する際の断面の歪の導入を低減し、窒化物半導体結晶の利用効率を上げることが可能な窒化物半導体結晶構造及び窒化物半導体自立基板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】
上記目的を達成すべく本発明は、窒化物半導体結晶から板状の結晶片を分離し、分離した前記板状の結晶片から窒化物半導体自立基板を作製するための窒化物半導体結晶構造において、レーザー光の照射による加熱分解で前記板状の結晶片に分離すべく、前記窒化物半導体結晶内に、該窒化物半導体結晶の成長時にバンドギャップの異なる組成の光吸収層を単層または複数層形成した窒化物半導体結晶構造である。
【００１２】
また、本発明は、窒化物半導体結晶から板状の結晶片を分離し、分離した前記板状の結晶片の表面を研磨して窒化物半導体自立基板を作製する窒化物半導体自立基板の製造方法において、前記窒化物半導体結晶の成長時に、バンドギャップの異なる組成の光吸収層を単層または複数層形成し、その成長後に、前記窒化物半導体結晶にレーザー光を照射して前記光吸収層を加熱分解して前記板状の結晶片に分離し、分離した該板状の結晶片の表面を研磨する窒化物半導体自立基板の製造方法である。
【００１３】
窒化物半導体自立基板を構成する窒化物半導体は、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮのいずれかであることが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、窒化物半導体自立基板を作製する工程で、ワイヤーソーや内周刃加工などの機械的ストレスを加えることなく、結晶を分離することが可能となり、窒化物半導体自立基板製造のスループットを大幅に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施の形態に係る窒化物半導体結晶構造を示す図である。
【図２】図１の窒化物半導体結晶から結晶片を分離する方法を説明する図である。
【図３】本発明に係る窒化物半導体自立基板の製造工程を示す図である。
【図４】本発明の他の実施の形態に係る窒化物半導体結晶構造を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の好適な一実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００１７】
本発明者は、結晶片を複数片に分離する際、特にその断面に導入される結晶歪を低減することで、必要となる研磨厚さを薄くし、窒化物半導体結晶の利用効率を上げる、という上記課題に対して鋭意検討を行った結果、窒化物半導体結晶の成長中に、バンドギャップの異なる組成の窒化物半導体光吸収層（光吸収層）を形成し、完成した窒化物半導体結晶に、上記光吸収層で吸収されるが、それ以外の窒化物半導体結晶部での吸収が低い波長のレーザを照射することにより、光吸収層を断面とした結晶片の分離を可能とする窒化物半導体基板の製造方法、および、それを実現するための窒化物半導体結晶構造を見出した。この過程を以下に述べる。
【００１８】
図１に示すように、厚さＤ１（約１ｍｍ）のＧａＮ結晶１０をＨＶＰＥ法により形成する際に、結晶表面１０ａおよび裏面１０ｂからともに距離Ｄ２（約５００μｍ）程度の位置に、厚さ２μｍ程度のＩｎＧａＮ光吸収層２を形成した。Ｉｎの組成は約２０％（Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ）となるよう、炉内に導入するトリメチルインジウム（ＴＭＩ）流量を調整した。
【００１９】
次に、このＩｎＧａＮ光吸収層２が形成されたＧａＮ結晶１０を用い、図２に示すように、ＧａＮ結晶１０の表面１０ａ側より、波長４０５ｎｍの青紫レーザを照射した。厚さがＤ２である表面１０ａ側のＧａＮ結晶部３は、バンドギャップ（Ｅｇ）が約３．４ｅＶであり、４０５ｎｍ（エネルギー約３．１ｅＶ）のレーザー光は透過するが、厚さＤ３のＩｎＧａＮ光吸収層２は、Ｉｎが約２０％含まれており、バンドギャップは約２．８ｅＶと推定され、波長４０５ｎｍのレーザに対しては吸収が起こる。レーザー光を表面１０ａ側で２次元的に走査し、表面１０ａ側のＧａＮ結晶部３を裏面１０ｂ側のＧａＮ結晶部３から分離し、ＧａＮ結晶片とすることに成功した。
【００２０】
以上の知見により得られた本発明は、窒化物半導体結晶から板状の結晶片をスライスにより分離し、分離したその板状の結晶片から窒化物半導体自立基板を作製するための窒化物半導体結晶構造において、レーザー光の照射による加熱分解で板状の結晶片に分離すべく、窒化物半導体結晶内に、窒化物半導体結晶の成長時にバンドギャップの異なる組成の光吸収層を単層または複数層形成した窒化物半導体結晶構造である。
【００２１】
本窒化物半導体自立基板を構成する窒化物半導体としては、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮのいずれかであるのが好ましい。
【００２２】
ここで、窒化物半導体自立基板結晶内の光吸収層は、その上下に形成される窒化物半導体結晶部よりも０．３ｅＶ以上のバンド端エネルギー差を有し、結晶片の分離には、光吸収層のバンド端エネルギーよりも大きなエネルギーを持つレーザー光を照射することが望ましい。バンド端エネルギー差が０．３ｅＶ未満では、光吸収層での光エネルギーの吸収が不十分となり、結晶片に分離するのが困難である。
【００２３】
通常、半導体表面から光を照射した場合、表面から深さ方向に指数関数的に光が吸収されるので、もし、上記の光吸収層が薄すぎた場合、十分な光が吸収されず、光エネルギーが十分に結晶片の分離に利用さない可能性がある。ただし、たとえばＧａＮ結晶内に、ＩｎＧａＮ光吸収層を形成する場合、ＩｎＧａＮ光吸収層はＧａＮ結晶部に対して歪を拡大させる要因となるので、結晶品質という観点からは、薄い方が良好である。窒化物半導体結晶部に対するバンド端エネルギー差が０．３ｅＶ以上の光吸収層を用いる場合、その膜厚は、０．１μｍ以上〜７μｍ以下、好ましくは０．５μｍ以上〜３μｍ以下とするのが好ましい。
【００２４】
また、レーザー光としては、高出力レーザであれば、平行光でも上記結晶片の分離が可能である。従来の技術（例えば特許文献１）では、レーザーを集光する必要があるが、本発明に係る窒化物半導体結晶構造によれば、元々多光子吸収しやすい層を光吸収層として形成しているので、レーザー出力が高ければ集光する必要はない。ただし、低出力レーザの場合には、集光した方が好ましいと考える。基板（窒化物半導体結晶部）の剥離には、ある程度のレーザー光密度が必要と考えられるからである。
【００２５】
次に、本発明に係る窒化物半導体自立基板の製造方法について、ここでは窒化物半導体としてＧａＮを、窒化物半導体光吸収層（光吸収層）の材料として、ＩｎＧａＮを用いて説明する。
【００２６】
ＧａＮ結晶は、例えば、ＶＡＳ法により作製する。図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、（ａ）サファイア基板３１上にＭＯＶＰＥ法などで成長させたＧａＮ薄膜表面にＴｉを蒸着し（ＴｉＮナノネット３２）、これを熱処理することでＧａＮをボイド化してボイド３３を形成し、（ｂ）その上にＨＶＰＥ法によりＧａＮ厚膜（ＧａＮ結晶部）３を成長させ、その上にＩｎＧａＮ薄膜（光吸収層）２を成長させ、さらにその上にＧａＮ厚膜（ＧａＮ結晶部）３を成長させた後、（ｃ）ボイド３３部分よりサファイア基板３１を剥離して、ＧａＮ結晶１０を得る。
【００２７】
ＨＶＰＥ法によるＧａＮやＩｎＧａＮの成長条件（温度、圧力、成長速度など）や、ＧａＮ結晶１０の原料となるＩＩＩ族原料ガス、Ｖ族原料ガス、またキャリアガスなどについては、最適なものを適宜選択できる。
【００２８】
こうして得られたＧａＮ結晶１０に対し、上述したようにレーザー光の照射を結晶上部表面側から２次元的に走査して行うことで、光吸収層２に優先的にエネルギーが吸収されて加熱分解（融解）が促され、ＧａＮ結晶１０からＧａＮ結晶片を分離できる。
【００２９】
本発明では、このように、窒化物半導体結晶内にバンドギャップの異なる組成の光吸収層を単層または複数層形成し、その成長後に、窒化物半導体結晶にレーザー光を照射して光吸収層を加熱分解して複数の結晶片に分離する（つまり、断面の歪の導入を極力減らす条件で窒化物半導体結晶をスライスする）ので、窒化物半導体結晶の利用効率を上げることができる。すなわち、本発明によれば、窒化物半導体自立基板を作製する工程で、ワイヤーソーや内周刃加工などの機械的ストレスを加えることなく結晶を分離することが可能となり、結晶片から自立基板を作製する際の研磨厚さを従来より薄くすることができるので、自立基板製造のスループットを大幅に向上させることが可能となる。
【００３０】
さらに、同様の効果は、図４に示す本発明の他の実施例のように、ＩｎＧａＮ光吸収層２を複数層形成したＧａＮ結晶４０の結晶構造においても得られる。また、光吸収層が形成された窒化物半導体結晶からの結晶片の分離は、窒化物半導体結晶及び光吸収層を構成する窒化物半導体の組成を変更しても同様に行うことができる。
【００３１】
本発明は、ＨＶＰＥ装置を用いた場合にのみ限定されるものでは無く、同様の手法は、窒化物半導体層を有機金属気相成長法あるいは分子線エピタキシー法などの他の気相成長法で成長させた窒化物半導体結晶に対しても有効である。
【００３２】
また、本発明は、気相成長法を用いた場合にのみ限定されるものでは無く、高圧合成法、Ｎａフラックス法、昇華法や安熱合成法といった閉鎖系での結晶成長法により、窒化物半導体層を成長させた結晶にも有効である。
【００３３】
本発明の窒化物半導体自立基板は、ＬＥＤやＬＤなどの光デバイス、および、パワーアンプ、インバータ等の電子デバイスに適用できる。
【実施例】
【００３４】
本発明を以下の実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はそれらに限定されるものではない。
【００３５】
（実施例１）
本実施例では、非特許文献１に記載のＶＡＳ法により、表面がＧａ極性のＣ面に近い面であるＧａＮ結晶を製作した。Ｃ軸は、Ａ軸方向に、０〜１°の範囲で傾く基板を用いた。図３で説明したように、種結晶基板としては、サファイア基板上にＭＯＶＰＥ法などで成長させた厚さ３００ｎｍ程度のＧａＮ薄膜表面にＴｉを蒸着し、これを熱処理することでＧａＮ層をボイド化した。その上に、ＨＶＰＥ法によりＧａＮ結晶部を５００μｍ程度成長させた。
【００３６】
ＨＶＰＥ法によるＧａＮの成長条件としては、例えば、基板温度１１００℃、常圧で、２００μｍ／ｈｒの成長速度でＧａＮ結晶部を成長させた。ＩＩＩ族原料としては、ＨＶＰＥ装置内で８００℃に加熱した金属ガリウムに塩酸を吹き付けて生成したＧａＣｌガスを用いた。また、Ｖ族原料ガスとしてはＮＨ3ガスを用いた。また、キャリアガスとしては、水素、窒素の混合ガスを用いた。
【００３７】
このＧａＮ結晶部上に、ＩｎＧａＮ光吸収層を形成した。ＩｎＧａＮ光吸収層のＧａおよびＮ原料は上記と同じで、Ｉｎは固体ＴＭＩに窒素キャリアガスを流して形成した。さらにその上に約５００μｍのＧａＮ結晶部を成長させ、全厚が約１ｍｍの光吸収層付きのＧａＮ結晶を作製した。
【００３８】
上記ＧａＮ結晶の成長においては２．５インチ径のボイド基板上に形成したが、ＧａＮ結晶の分離実験には、直径２．５インチの結晶を約３ｍｍ角にダイシングしたサンプルを準備した。本サンプルを用いて、波長４０５ｎｍ、出力１５０ｍＷのレーザを用い、上部表面より照射し、結晶を２次元方向に自動プログラミングで移動させることで、レーザを結晶内に走査した。
【００３９】
ＩｎＧａＮ光吸収層のＩｎ組成を２０％としたときの、光吸収層厚さ（Ｄ３）に対する、結晶分離の可否を表１に示す。
【００４０】
【表１】
2012012233.tif 000003
【００４１】
Ｄ３厚さを０．１μｍ〜１０μｍの範囲で検討したが、Ｄ３が１０μｍの場合、照射を長時間行っても、分離ができなかった。これは、光吸収層を厚くすることにより、上部表面側のＧａＮ結晶部に欠陥が増大し、上部ＧａＮ結晶部でもある程度の光吸収が発生し、光吸収層にレーザが十分伝わらず、Ｉｎ、Ｇａ、Ｎが融解しづらくなったためと考えられる。この場合、ＧａＮ結晶の下面を研磨し、下面でのレーザー光の反射や拡散を抑える加工を施して、ＧａＮ結晶下部からレーザー光を入射することにより、結晶分離することは可能となる。ただし、上部結晶の結晶性を良好にするためにも、光吸収層は薄い構造で作製することが望ましい。
【００４２】
次に、表２に光吸収層厚さ（Ｄ３）を０．５μｍに固定したときの、Ｉｎ組成に対する、結晶分離の可否を示す。
【００４３】
【表２】
2012012233.tif 000004
【００４４】
想定どおり、レーザー波長のエネルギーよりも大きなバンドギャップとなるＩｎ組成８％、１０％は、結晶分離不可であった。Ｉｎ組成１２％は、光吸収層で吸収が起きているはずであるが、０．５μｍと薄いため、十分な吸収とならなかったと考える。Ｉｎ組成１５％以上の光吸収層を形成した場合は、十分な光吸収が得られ、結晶分離に成功した。
【００４５】
（実施例２）
実施例１と同様の実験を、窒化物半導体結晶としてＡｌＧａＮ結晶、光吸収層としてＩｎＧａＮ層となる、結晶構造を用い、波長４０５ｎｍのレーザを照射して実験を行ったが、実施例１とほぼ同様の結果が得られた。
【００４６】
（実施例３）
実施例１と同様の実験を、窒化物半導体結晶としてＧａＮよりもバンドギャップの大きい組成のＡｌＩｎＧａＮ結晶、光吸収層としてＩｎＧａＮ層となる、結晶構造を用い、波長４０５ｎｍのレーザを照射して実験を行ったが、実施例１とほぼ同様の結果が得られた。
【００４７】
（実施例４）
実施例１と同様の実験を、窒化物半導体結晶としてＡｌＧａＮ結晶、光吸収層としてＧａＮ層となる、結晶構造を作製し、レーザー光としてＹＡＧレーザの第３高調波（３５５ｎｍ）を照射して実験を行ったが、ＧａＮ光吸収層で結晶分離できるという、実施例１の表１とほぼ同様の結果が得られた。
【００４８】
（実施例５）
図４に示したように２つのＩｎＧａＮ光吸収層を含む、ＧａＮ結晶を作製し、実施例１と同様の実験を試みた。表面側のＧａＮ結晶部（表面層）側からレーザを照射し、実施例１とほぼ同様の条件でＧａＮ結晶中間部分のＧａＮ結晶部（中間層）と表面層の結晶分離が確認された。次に、中間層表面を鏡面研磨してから、実施例１と同様にレーザー光を中間層側から照射することで、実施例１とほぼ同様の結晶分離が確認できた。同様に、光吸収層を複数含む構造にすることにより、より多くの結晶片に分離可能となる。
【符号の説明】
【００４９】
２  光吸収層（ＩｎＧａＮ光吸収層）
３  窒化物半導体結晶部（ＧａＮ結晶部）
１０  窒化物半導体結晶（ＧａＮ結晶）
【図１】
2012012233.tif 000005
【図２】
2012012233.tif 000006
【図３】
2012012233.tif 000007
【図４】
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