(57)【要約】【課題】本発明は、窒化ガリウム膜製造方法に関し、より詳細には、成長する窒化ガリウム膜内の欠陥を減らすことができる窒化ガリウム膜製造方法に関する。【解決手段】このために、本発明は、基板上に、外周面に周方向溝を有する窒化ガリウムナノロッド（ＧａＮ  ｎａｎｏ  ｒｏｄ）を成長させる窒化ガリウムナノロッド成長ステップ；及び、前記窒化ガリウムナノロッド上に窒化ガリウム膜を成長させる窒化ガリウム膜成長ステップ；を含むことを特徴とする窒化ガリウム膜製造方法を提供する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、外周面に周方向溝を有する窒化ガリウムナノロッド（ＧａＮ  ｎａｎｏ  ｒｏｄ）を成長させる窒化ガリウムナノロッド成長ステップ；及び
前記窒化ガリウムナノロッド上に窒化ガリウム膜を成長させる窒化ガリウム膜成長ステップ；
を含むことを特徴とする窒化ガリウム膜製造方法。
【請求項２】
前記窒化ガリウム膜製造方法は、
前記窒化ガリウム膜成長ステップの後、前記窒化ガリウム膜が成長した基板を冷却して、前記窒化ガリウムナノロッドを、溝を基準に自動分離する分離ステップ；
をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の窒化ガリウム膜製造方法。
【請求項３】
前記基板は、サファイア、Ｓｉ、ＳｉＣ、及びＧａＡｓより選択されたいずれか一つからなることを特徴とする、請求項１に記載の窒化ガリウム膜製造方法。
【請求項４】
前記窒化ガリウムナノロッドの長さ及び直径は、１０〜１０００ｎｍであることを特徴とする、請求項１に記載の窒化ガリウム膜製造方法。
【請求項５】
前記窒化ガリウムナノロッド成長ステップは、５００〜７００℃の温度で行われることを特徴とする、請求項１に記載の窒化ガリウム膜製造方法。
【請求項６】
前記窒化ガリウムナノロッド成長ステップは、
第１の窒化ガリウムナノロッドを成長させるステップ；
前記第１の窒化ガリウムナノロッドの上端部をエッチングするステップ；及び
前記エッチングされた第１の窒化ガリウムナノロッドの上端部に第２の窒化ガリウムナノロッドを再成長させるステップ；
からなることを特徴とする、請求項１に記載の窒化ガリウム膜製造方法。
【請求項７】
前記第１の窒化ガリウムナノロッド上端部のエッチングは、ＨＣｌを使用して行われることを特徴とする、請求項６に記載の窒化ガリウム膜製造方法。
【請求項８】
前記窒化ガリウムナノロッド成長ステップは、
前記窒化ガリウムナノロッドの成長中にガリウムと窒素の比を調節して、成長する前記窒化ガリウムナノロッドにノッチ（ｎｏｔｃｈ）形態の溝を形成させることを特徴とする、請求項１に記載の窒化ガリウム膜製造方法。
【請求項９】
前記窒化ガリウム膜成長ステップは、
前記窒化ガリウムナノロッドの上端部に、窒化ガリウムを横方向に（ｌａｔｅｒａｌ）成長させて前記窒化ガリウム膜を成長させることを特徴とする、請求項１に記載の窒化ガリウム膜製造方法。
【請求項１０】
前記窒化ガリウム膜成長ステップは、９００℃以上の温度で行われることを特徴とする、請求項１に記載の窒化ガリウム膜製造方法。
【請求項１１】
前記窒化ガリウム膜成長ステップは、前記窒化ガリウムナノロッド成長ステップよりも高い温度で行われることを特徴とする、請求項１に記載の窒化ガリウム膜製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化ガリウム膜製造方法に関し、より詳細には、成長する窒化ガリウム膜内の欠陥を減らすことができる窒化ガリウム膜製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザーダイオード（ＬＤ：Ｌａｓｅｒ  Ｄｉｏｄｅ）等といった先端素子の材料として、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）といった窒化物半導体に関する活発な研究が進められている。
【０００３】
特に、窒化ガリウム（Ｇａｌｌｉｕｍ  Ｎｉｔｒｉｄｅ）は、非常に大きな直接遷移型のエネルギーバンドギャップを有しており、ＵＶから青色に至る領域まで光を出すことができるため、次世代ＤＶＤの光源として用いられる青色ＬＤ、照明用市場の代替のための白色ＬＥＤ、高温・高出力電子素子の分野等における核心素材として使用される次世代光電子材料である。
【０００４】
このような化合物半導体は、実用的な同種の基板がないため、異種基板（Ｓａｐｐｈｉｒｅ，ＳｉＣ，Ｓｉ，ＧａＡｓ等）に水素気相蒸着法（ＨＶＰＥ法：Ｈｙｄｒｉｄｅ  Ｖａｐｏｒ  Ｐｈａｓｅ  Ｅｐｉｔａｘｙ）、分子ビームエピタキシー（ＭＢＥ：Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ）、アモノサーマル（Ａｍｍｏｎｏｔｈｅｒｍａｌ）、Ｎａ  Ｆｌｕｘ法等の方法によって成長されることになる。
【０００５】
特に、水素気相蒸着法は、アンモニア、水素、及び各種塩化物ガスを利用して基板上に比較的厚い数十〜数百マイクロメートルの厚さの化合物半導体を成長させる技術であり、成長速度が速いという利点を持ち、最も多く使われている技術である。
【０００６】
水素気相蒸着法によって成長される化合物半導体基板は、成長中及び成長後の冷却過程において、異種基板との熱膨張係数の差によって化合物半導体基板の内部に残留応力が発生するようになり、この力によって化合物半導体基板は反り（Ｂｅｎｄｉｎｇ）を有する。
【０００７】
また、残留応力が化合物半導体基板の降伏応力（ｙｉｅｌｄ  ｓｔｒｅｎｇｔｈ）を超える場合、化合物半導体基板にクラック（Ｃｒａｃｋ）が発生することになり、このクラックが、劈開（ｃｌｅａｖａｇｅ）面に沿って基板中心から同心円方向に伝播されるようになる。
【０００８】
かかる反りやクラックは、化合物半導体基板の欠陥及び耐久性の悪化をもたらすことになる。
【０００９】
特に、異種基板のうちサファイア（Ｓａｐｐｈｉｒｅ）基板は、窒化ガリウムと同じ六方晶系の構造であり、価格が低廉で、かつ高温において安定するため多く使用されているが、サファイア基板と窒化ガリウムとの間の格子定数差（１３．８％）及び熱膨張係数差（２５．５％）によって反り及びクラック等が発生することになる。
【００１０】
図１は、窒化ガリウムの熱膨張係数を１としたときにおける、サファイア、ＳｉＣ、ＧａＡｓの熱膨張係数比を示したグラフであり、図２は、窒化ガリウム層の成長時における、サファイア基板１０と窒化ガリウム層２０の熱膨張係数差による反りを示した断面図であり、図３は、成長した窒化ガリウム層の冷却時における、サファイア基板１０と窒化ガリウム層２０の熱膨張係数差による反りを示した断面図である。図１〜図３を参照すると、サファイア基板と窒化ガリウムとの間の熱膨張係数差によって、窒化ガリウム層の成長時及び冷却時に窒化ガリウム層にストレスが加わり、窒化ガリウム層が反ることが分かる。
【００１１】
かかる反り及びクラックの発生を解決するために多くの技術が提案、採択されており、たとえば、応力を緩和させるバッファ層（ｂｕｆｆｅｒ  ｌａｙｅｒ）を使用したり、熱膨張による反りを除去するために自然分離の技術が使用されたりしている。
【００１２】
しかし、このような方法よるとしても、異種基板と窒化ガリウムとの間の大きな熱膨張係数差及び格子定数差によって、成長及び冷却の際にクラックや反りが発生することになり、また、異種基板と窒化ガリウム層を分離させる追加工程においても、窒化ガリウム層の内部に残留していた応力が緩和されるに伴ってクラックが発生するという短所がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、上述したところのような従来技術の問題点を解決するために案出されたものであり、本発明の目的は、歪みによる欠陥とクラックの発生を抑制する窒化ガリウム膜の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
このために、本発明は、基板上に、外周面に周方向溝を有する窒化ガリウムナノロッド（ＧａＮ  ｎａｎｏ  ｒｏｄ）を成長させる窒化ガリウムナノロッド成長ステップ；及び、前記窒化ガリウムナノロッド上に窒化ガリウム膜を成長させる窒化ガリウム膜成長ステップ；を含むことを特徴とする窒化ガリウム膜製造方法を提供する。
【００１５】
また、前記窒化ガリウム膜製造方法は、前記窒化ガリウム膜成長ステップの後、前記窒化ガリウム膜が成長した基板を冷却して、前記窒化ガリウムナノロッドを、溝を基準に自動分離する分離ステップ；をさらに含んでよい。
【００１６】
ここで、前記基板は、サファイア、Ｓｉ、ＳｉＣ、及びＧａＡｓより選択されたいずれか一つからなってよい。
【００１７】
そして、前記窒化ガリウムナノロッドの長さ及び直径は、１０〜１０００ｎｍであってよい。
【００１８】
また、前記窒化ガリウムナノロッド成長ステップは、５００〜７００℃の温度で行われてよい。
【００１９】
そして、前記窒化ガリウムナノロッド成長ステップは、第１の窒化ガリウムナノロッドを成長させるステップ；前記第１の窒化ガリウムナノロッドの上端部をエッチングするステップ；及び、前記エッチングされた窒化ガリウムナノロッドの上端部に第２の窒化ガリウムナノロッドを再成長させるステップ；からなってよい。
【００２０】
ここで、前記第１の窒化ガリウムナノロッド上端部のエッチングは、ＨＣｌを使用してよい。
【００２１】
若しくは、前記窒化ガリウムナノロッド成長ステップは、前記窒化ガリウムナノロッドの成長中にガリウムと窒素の比を調節して、成長する前記窒化ガリウムナノロッドにノッチ（ｎｏｔｃｈ）形態の溝を形成させることにより行われてよい。
【００２２】
また、前記窒化ガリウム膜成長ステップは、前記成長した窒化ガリウムナノロッドの上端部に、窒化ガリウムナノロッドを横方向に（ｌａｔｅｒａｌ）成長させて窒化ガリウム膜を成長するステップからなってよい。
【００２３】
そして、前記窒化ガリウム膜成長ステップは、９００℃以上の温度で行われてよい。
【００２４】
前記窒化ガリウム膜成長ステップは、前記窒化ガリウムナノロッド成長ステップよりも高い温度で行われてよい。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、窒化ガリウム膜成長後、冷却過程における応力を効果的に溝に集中させて、窒化ガリウム膜の分離を容易にすることができる。
【００２６】
また、窒化ガリウム膜製造工程を簡素化させることができ、窒化ガリウム膜の製造収率を向上させることができる。
【００２７】
また、成長する窒化ガリウム膜内の欠陥密度を減らすことができ、成長した窒化ガリウム膜の分離の際、クラックの発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】窒化ガリウムの熱膨張係数を１としたときにおける、サファイア、ＳｉＣ、ＧａＡｓの熱膨張係数比を示したグラフである。
【図２】窒化ガリウム層の成長時における、サファイア基板と窒化ガリウム層の熱膨張係数差による反りを示した断面図である。
【図３】成長した窒化ガリウム層の冷却時における、サファイア基板と窒化ガリウム層の熱膨張係数差による反りを示した断面図である。
【図４】本発明の一実施例による窒化ガリウム膜製造方法の概略的なフロー図である。
【図５】本発明の一実施例による窒化ガリウム膜製造方法を示した概略的な概念図である。
【図６】本発明の一実施例による窒化ガリウム膜製造方法を示した概略的な概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下では、添付された図面を参照しつつ、本発明の実施例による窒化ガリウム膜製造方法について詳細に説明する。
【００３０】
なお、本発明を説明するにあたり、関連する公知の機能或いは構成についての具体的な説明が本発明の要旨を不必要に曖昧にし得ると判断される場合、その詳細な説明は省略する。
【００３１】
本発明の一実施例による窒化ガリウムナノロッドは、直径変化を有してよい。たとえば、隣接部位よりも直径が小さいネック（ｎｅｃｋ）を有し、このネックを中心に窒化ガリウムナノロッドが分離されてよい。
【００３２】
図４は、本発明の一実施例による窒化ガリウム膜製造方法の概略的なフロー図である。
【００３３】
図４を参照すると、本発明による窒化ガリウム膜製造方法は、溝を有する窒化ガリウムナノロッド成長ステップ、及び窒化ガリウム膜成長ステップを含んでなってよい。
【００３４】
窒化ガリウム膜を製造するために、まず異種基板上に溝を有する窒化ガリウムナノロッドを成長させる（Ｓ１１０）。
異種基板は、サファイア、Ｓｉ、ＳｉＣ、及びＧａＡｓより選択されたいずれか一つからなってよいが、これらに限られず、当業界において通常的に使用される多様な材質からなってよい。
【００３５】
窒化ガリウムナノロッドの成長は、異種基板が配置された反応器内にガリウムやアンモニア（ＮＨ３）ガス等が含まれた反応ガスを注入して、窒化ガリウムを垂直上方に成長させることにより行われてよい。
【００３６】
より具体的に、反応ガスの分圧と温度を調節して反応ガスの分圧が飽和状態になると、化学蒸着形態が異種核化モードから同種核化モードへと変化するようになり、異種基板上にナノ粒子が成長することになる。かかるナノ粒子から焼結過程（ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ  ｐｒｏｃｅｓｓ）が施され、再結晶化がなされて種子層が形成される。
【００３７】
一方、焼結過程に代えて、種子層形成のための熱処理過程（ａｎｎｅａｌｉｎｇ  ｐｒｏｃｅｓｓ）が施されてもよい。種子層の形成温度及び時間に応じて、ナノ粒子のサイズ及び決定境界（ｇｒａｉｎ  ｂｏｕｎｄａｒｙ）のサイズを制御することができる。
【００３８】
かかる種子層を基盤として、自発的にナノロッドが垂直上方に形成され、窒化ガリウムナノロッドが成長することになる。
【００３９】
このとき、窒化ガリウムナノロッドの成長温度は、５００〜７００℃であることが好ましいであろう。５００℃未満の場合、ナノ粒子の焼結過程が円滑でなく、ナノロッドがきちんと形成されないことがあり、７００℃を超える場合は、ナノロッドが形成されずに薄膜形態で蒸着され得るためである。
【００４０】
このとき、成長する窒化ガリウムナノロッドの長さ及び直径は、１０〜１０００ｎｍであることが好ましいであろう。
【００４１】
外周面に周方向溝を有する窒化ガリウムナノロッドは、図５に示されたところのように、基板上に第１の窒化ガリウムナノロッドを成長させた後（Ｓ２１０）、第１の窒化ガリウムナノロッドの上端部をエッチングして尖らせるように表面加工した後（Ｓ２２０）、尖った上端部に第２の窒化ガリウムナノロッドを再成長させることにより（Ｓ２３０）製造してよい。
【００４２】
ここで、第１の窒化ガリウムナノロッド上端部のエッチングは、ＨＣｌガスを使用してよい。
【００４３】
若しくは、外周面に周方向溝を有する窒化ガリウムナノロッドは、図６に示されたところのように、基板上への窒化ガリウムナノロッドの成長中（Ｓ３１０）、ガリウムと窒素の比を調節して窒化ガリウムナノロッドにノッチ形態の溝を形成させることにより（Ｓ３２０）製造してよい。窒素／ガリウムの比が高いと直径が薄くなり、窒素／ガリウムの比が低いと直径が厚くなる。
【００４４】
すなわち、ガリウムと窒素の反応比に応じて成長する窒化ガリウムナノロッドの厚みが変化するようになるが、これを利用することにより、窒化ガリウムナノロッドの外周面にノッチ（ｎｏｔｃｈ）形態の溝が形成された窒化ガリウムナノロッドを製造してよい。
【００４５】
このように、窒化ガリウムナノロッドが外周面に周方向溝を有することにより、窒化ガリウム膜成長後の冷却過程における応力を効果的に溝に集中させて、窒化ガリウム膜の分離を容易にすることができる。
【００４６】
すなわち、溝を有さない窒化ガリウムナノロッドの場合、窒化ガリウム膜の成長及び冷却後、窒化ガリウム膜を分離するために別途の分離工程を経たり、又は窒化ガリウム膜の厚みを厚く成長させて窒化ガリウムナノロッドにストレスを多く蓄積させ、窒化ガリウムナノロッドを切断したりする方法を採っていた。
【００４７】
しかし、本発明の場合、窒化ガリウムナノロッドに溝を形成して溝に応力を集中させることにより、溝を有さない窒化ガリウムナノロッドの場合よりも窒化ガリウム膜の厚みを薄く成長させても、窒化ガリウムナノロッドが溝を基準に自動分離される。
【００４８】
最後に、溝を有する窒化ガリウムナノロッド上に、従来の方法によって窒化ガリウム膜を成長させることにより、窒化ガリウム膜を製造してよい（Ｓ１２０）。溝を有する窒化ガリウムナノロッドの上端部に、窒化ガリウムナノロッドが横方向に（ｌａｔｅｒａｌ）成長されることで窒化ガリウム膜が得られる。
【００４９】
窒化ガリウム膜成長ステップは、９００℃以上の温度で行われてよい。
【００５０】
このように、従来の異種基板上に窒化ガリウム膜を成長させる方法と異なり、構造的欠陥がなく、かつ効果的に応力を緩和することができる窒化ガリウムナノロッド上に窒化ガリウム膜を成長させることにより、成長する窒化ガリウム膜内の欠陥密度を減らすことができる。また、成長した窒化ガリウム膜の分離の際、窒化ガリウム膜のストレスが緩和されてクラックの発生を抑制することができる。
【００５１】
また、本発明の窒化ガリウム膜製造方法は、窒化ガリウム膜成長ステップの後、窒化ガリウム膜が成長した基板を常温で冷却することにより、上述したように、窒化ガリウムナノロッドの溝に応力を集中させて、溝を基準に窒化ガリウムナノロッドを自動分離する分離ステップをさらに含んでよい。（Ｓ２６０、Ｓ３５０）
【００５２】
窒化ガリウムナノロッドが自動分離されることにより、従来のレーザーリフトオフ（Ｌａｓｅｒ  Ｌｉｆｔ  Ｏｆｆ）工程を経る必要がないため、窒化ガリウム膜の製造工程を簡素化させることができ、レーザー分離工程において収率が低下することを防止することができる。
【００５３】
以上のように、本発明は限定された実施例と図面によって説明されたが、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、本発明が属する分野における通常の知識を有する者であれば、こうした記載から、多様な修正及び変形が可能である。
【００５４】
それゆえに、本発明の範囲は、説明された実施例に限定されて定められてはならず、後述する特許請求の範囲だけでなく、特許請求の範囲と均等なものによって定められなければならない。
【符号の説明】
【００５５】
１０：サファイア基板
２０：窒化ガリウム層
２００：基板
３００：窒化ガリウムナノロッド
【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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