(57)【要約】【課題】  簡便なプロセスにより下地基板からの剥離を容易にでき、比較的結晶性のよいＩＩＩ族窒化物半導体自立基板を低コストで製造することができる自立基板の製造方法を提供する。【解決手段】  ＩＩＩ族窒化物半導体からなる自立基板を製造する自立基板の製造方法であって、基板上に４００〜６００℃の成長温度でＩＩＩ族窒化物半導体層からなる低温バッファ層を８０〜１０００ｎｍの厚さでエピタキシャル成長させた後、成長させた前記低温バッファ層の上に前記低温バッファ層の成長温度よりも高温でＩＩＩ族窒化物半導体層をエピタキシャル成長させて、該高温で成長させたＩＩＩ族窒化物半導体層を前記基板から剥離させることにより、高温で成長させたＩＩＩ族窒化物半導体からなる自立基板を製造することを特徴とする自立基板の製造方法。【選択図】  図１
2017218347.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＩＩＩ族窒化物半導体からなる自立基板を製造する自立基板の製造方法であって、
基板上に４００〜６００℃の成長温度でＩＩＩ族窒化物半導体層からなる低温バッファ層を８０〜１０００ｎｍの厚さでエピタキシャル成長させた後、成長させた前記低温バッファ層の上に前記低温バッファ層の成長温度よりも高温でＩＩＩ族窒化物半導体層をエピタキシャル成長させて、該高温で成長させたＩＩＩ族窒化物半導体層を前記基板から剥離させることにより、高温で成長させたＩＩＩ族窒化物半導体からなる自立基板を製造することを特徴とする自立基板の製造方法。
【請求項２】
前記低温バッファ層および前記高温で成長させたＩＩＩ族窒化物半導体層を、ＨＶＰＥ法で成長させることを特徴とする請求項１に記載の自立基板の製造方法。
【請求項３】
前記低温バッファ層および前記高温で成長させたＩＩＩ族窒化物半導体層を、ＧａＮからなる層とすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の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、自立基板の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物半導体材料は、禁制帯幅が充分大きく、バンド間遷移も直接遷移型であるため、短波長発光素子への適用が盛んに検討されている。また、電子の飽和ドリフト速度が大きいこと、ヘテロ接合による２次元キャリアガスの利用が可能なこと等から、電子素子への応用も期待されている。
【０００３】
これらの素子を構成する窒化物半導体層は、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ：Ｍｅｔａｌ−Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｖａｐｏｒ  Ｐｈａｓｅ  Ｅｐｉｔａｘｙ）、分子線気相成長法（ＭＢＥ：Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ：Ｈｙｄｒｉｄｅ  Ｖａｐｏｒ  Ｐｈａｓｅ  Ｅｐｉｔａｘｙ）等の気相成長法を用いて、下地基板上にエピタキシャル成長を行うことにより得られる。
【０００４】
ところが、この窒化物半導体層と格子定数の整合する下地基板が存在しないため、良質の成長層を得ることが困難であり、得られる窒化物半導体層中には多くの結晶欠陥が含まれていた。この結晶欠陥は、素子特性の向上を阻害する要因となることから、これまで、窒化物半導体層中の結晶欠陥を低減する検討が盛んに行われてきた。
【０００５】
結晶欠陥の比較的少ないＩＩＩ族元素窒化物系結晶を得るための方法として、サファイア等の異種基板上に低温堆積緩衝層（バッファ層）を形成し、その上にエピタキシャル成長層を形成する方法が知られている。この低温堆積緩衝層を用いた結晶成長法では、まず、サファイア等の基板上にＡｌＮ又はＧａＮを５００℃付近で堆積させ、アモルファス状の膜ないし一部多結晶を含む連続膜を形成する。これを１０００℃付近に昇温することで一部を蒸発させ、また結晶化することで、密度の高い結晶核を形成する。これを成長の核として比較的結晶性のよいＧａＮ膜が得られる。
【０００６】
しかしながら、低温堆積緩衝層を形成する方法を用いても、貫通転位や空孔などの結晶欠陥が存在し、現在望まれているような高性能の素子を得るには不充分であった。
【０００７】
例えば、特許文献１では、ＥＬＯ技術を用いて転位が少ないＧａＮ層をサファイア基板上に形成した後、サファイア基板をエッチング等により除去し、ＧａＮ自立基板を得ることが提案されている。
【０００８】
また別の技術として、特許文献２には、空隙を利用してＧａＮ自立基板を得る手法が開示されている。この手法では、サファイアＣ面（（０００１）面）基板上にＧａＮ層を形成した後、その上にチタン膜を形成する。次いで水素ガス又は水素含有化合物ガスを含む雰囲気中で基板を熱処理してＧａＮ層中に空隙を形成する。その後、ＧａＮ層上に新たに厚膜のＧａＮ層を形成することによって反りの少ない良質のＧａＮ自立基板を得ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平１１−２５１２５３号公報
【特許文献２】特開２００３−１７８９８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上述したような従来技術で、結晶性のよいＧａＮ等のＩＩＩ族窒化物半導体の自立基板が得られるようになったが、サファイア等の異種基板を除去・剥離したり、金属膜やパターン形成等の複雑な工程が必要となり、製造コストが高くなるという問題があった。このため、現状では、ＩＩＩ族窒化物半導体の自立基板、例えばＧａＮの自立基板はＧａＮ系半導体レーザーダイオード等に用いられ、特に付加価値が高いデバイスにしか採用されていない。
【００１１】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、簡便なプロセスにより下地基板からの剥離を容易にでき、比較的結晶性のよいＩＩＩ族窒化物半導体自立基板を低コストで製造することができる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】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明は、ＩＩＩ族窒化物半導体からなる自立基板を製造する自立基板の製造方法であって、基板上に４００〜６００℃の成長温度でＩＩＩ族窒化物半導体層からなる低温バッファ層を８０〜１０００ｎｍの厚さでエピタキシャル成長させた後、成長させた前記低温バッファ層の上に前記低温バッファ層の成長温度よりも高温でＩＩＩ族窒化物半導体層をエピタキシャル成長させて、該高温で成長させたＩＩＩ族窒化物半導体層を前記基板から剥離させることにより、高温で成長させたＩＩＩ族窒化物半導体からなる自立基板を製造することを特徴とする自立基板の製造方法を提供する。
【００１３】
このように低温バッファ層を８０ｎｍ以上の厚さでエピタキシャル成長することで、その上に高温で成長させるＩＩＩ族窒化物半導体層を基板から容易に剥離させることができる。また、低温バッファ層を１０００ｎｍ以下の厚さでエピタキシャル成長することで、低温バッファ層の成長時間が必要以上に長くなることを防止できる。これらにより、簡便なプロセスにより下地基板からの剥離を容易にでき、比較的結晶性のよいＩＩＩ族窒化物半導体自立基板を低コストで製造することができる。
【００１４】
このとき、前記低温バッファ層および前記高温で成長させたＩＩＩ族窒化物半導体層を、ＨＶＰＥ法で成長させることが好ましい。
【００１５】
このように上記の２つの層をＨＶＰＥ法で成長させることで、成長装置を変えることなく全ての成長を高速で行うことができるため、生産性を向上できコストをより低減させることができる。
【００１６】
このとき、前記低温バッファ層および前記高温で成長させたＩＩＩ族窒化物半導体層を、ＧａＮからなる層とすることが好ましい。
【００１７】
このように上記の２つの層としてＧａＮを好適に用いることができる。
【発明の効果】
【００１８】
以上のように、本発明の自立基板の製造方法によれば、低温バッファ層を８０ｎｍ〜１０００ｎｍの厚さで形成することで、高温で成長させたＩＩＩ族窒化物半導体層を基板から容易に剥離させることができる。これにより、簡便なプロセスにより下地基板からの剥離が容易にでき、比較的結晶性のよいＩＩＩ族窒化物半導体自立基板を低コストで製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の自立基板の製造方法の実施形態の一例を示す工程断面図である。
【図２】高温で成長させたＩＩＩ族窒化物半導体層を下地基板から剥離する際に発生する多数の割れ、クラックを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明について、実施態様の一例として、図を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００２１】
前述したように、窒化物半導体材料は電子素子への応用が期待されており、これらの素子を構成する窒化物半導体層は下地基板上にエピタキシャル成長を行うことにより得られる。しかしながら、この窒化物半導体層と格子定数の整合する下地基板が存在しないため、得られる窒化物半導体層中には多くの結晶欠陥が含まれており、これまで、窒化物半導体層中の結晶欠陥を低減する検討が盛んに行われてきた。前述のように、サファイア基板をエッチングしてＧａＮ自立基板を得ることが提案されている。また、空隙を利用して反りの少ない良質のＧａＮ自立基板を得る手法が開示されている。
【００２２】
上述したような従来技術で、結晶性のよいＧａＮ等のＩＩＩ族窒化物半導体の自立基板が得られるようになったが、サファイア等の異種基板を除去・剥離したり、金属膜やパターン形成等の複雑な工程が必要となり、製造コストが高くなるという問題があった。
【００２３】
本発明者らは、簡便なプロセスにより下地基板からの剥離が容易にでき、比較的結晶性のよいＩＩＩ族窒化物半導体自立基板を低コストで製造することができる自立基板の製造方法について鋭意検討した。その結果、高温で成長させるＩＩＩ族窒化物半導体層を形成する前に形成する低温バッファ層を８０ｎｍ〜１０００ｎｍの厚さで形成することで、その後に高温で成長させたＩＩＩ族窒化物半導体層を基板から容易に剥離させることができることに想到した。これによって、簡便なプロセスにより下地基板からの剥離が容易にでき、比較的結晶性のよいＩＩＩ族窒化物半導体自立基板を低コストで製造することができることを見出し、本発明を完成させた。
【００２４】
まず、本発明の自立基板の製造方法について、図１を参照しながら説明する。
【００２５】
図１（ａ）に示すように、まず、基材となる基板１を準備する。準備する基板１としては、低温バッファ層が成長可能であれば、特に限定されず、例えばサファイア基板１を準備することができる。
【００２６】
次に、図１（ｂ）に示すように、準備した基板１上に低温バッファ層２を成長させる。この低温バッファ層２としては、例えばＧａＮやＡｌＮ等をＨＶＰＥ法等で成長させることができる。低温バッファ層２の成長条件としては、成長温度は４００〜６００℃、厚さは８０〜１０００ｎｍとする。なお、低温バッファ層２の厚さは３００ｎｍ以上とすることが好ましく、５００ｎｍ以上とすることが更に好ましいが、１０００ｎｍ近傍では結晶性及び剥離性が若干悪化するため厚くし過ぎるのは好ましくない。
このように、低温バッファ層２を８０ｎｍ以上の厚さで形成することで、その上に形成する高温で成長させたＩＩＩ族窒化物半導体層を基板１から容易に剥離させることができる。また、低温バッファ層２を１０００ｎｍ以下の厚さで形成することにで、低温バッファ層２の成長時間を必要以上に長くすることを防止できる。
従来、このような低温バッファ層は、せいぜい５０ｎｍ以下の厚さしか成長させなかった。これはコストの問題のみならず、バッファ層である以上薄い方が歪み等が発生せず、好ましいと考えられていたからである。
【００２７】
このとき、低温バッファ層２を、ＧａＮからなる層とすることが好ましい。低温バッファ層２としてＧａＮを好適に用いることができる。
【００２８】
また、従来は低温バッファ層２の成長を行う前に１０００℃程度の温度で水素を流しながら高温クリーニングを行っていたが、本発明ではこれに限定されず、この高温クリーニングは行わないことが好ましい。このような条件とすることで自然剥離がより起こり易くなる。
【００２９】
次に、図１（ｃ）に示すように、成長させた低温バッファ層２上に、低温バッファ層２の成長温度より高温でＩＩＩ族窒化物半導体層３をエピタキシャル成長させる。この高温成長の温度としては、６００℃〜１１００℃が好ましく、特には８００℃〜１０５０℃がより好適である。
【００３０】
このとき、高温で成長させるＩＩＩ族窒化物半導体層３としては、特には限定されず、ＡｌＧａＮやＡｌＮ等からなる層とすることができるが、ＧａＮからなる層とすることが好ましい。本発明の自立基板の製造方法であれば、製造が困難で、付加価値の高い、結晶性が比較的良質なＧａＮの自立基板を低コストで製造することができるため、ＧａＮからなる層とすることが好適である。
【００３１】
このとき、高温で成長させるＩＩＩ族窒化物半導体層３を成長させる方法としては、特に限定されないが、ＨＶＰＥ法で成長させることが好ましい。ＨＶＰＥ法であれば、厚膜のＩＩＩ族窒化物半導体層を効率的に成長させることができるため、剥離して自立基板を製造するのに好適である。
【００３２】
また、低温バッファ層２および高温で成長させたＩＩＩ族窒化物半導体層３をともに、ＨＶＰＥ法で成長させることが好ましい。このように上記の２つの層をＨＶＰＥ法で成長させることで、成長装置を変えることなく全ての成長を高速で行うことができるため、生産性を向上できコストをより低減させることができる。
【００３３】
次に、図１（ｄ）に示すように、高温で成長させたＩＩＩ族窒化物半導体層３を基板１から剥離させることにより、ＩＩＩ族窒化物半導体からなる自立基板４を製造する。このとき、高温のＩＩＩ族窒化物半導体層成長後の降温時に基板１から自然剥離するか、又は降温時に基板１から自然剥離しなかった場合でも、降温後でも容易に基板１から剥離させることができる。なお、図１（ｄ）においては、剥離後の自立基板４の底面に低温バッファ層２の一部が残っていない場合を示したが、剥離後の自立基板４の底面に低温バッファ層２の一部が残っている場合もあることは言うまでもない。低温バッファ層が自立基板に一部残ったとしても、その後、エッチングや研削等の処理で容易に除去することができる。
【００３４】
このように、本発明の自立基板の製造方法においては、低温バッファ層２を８０〜１０００ｎｍと比較的厚く成長させることで、ＩＩＩ族窒化物半導体からなる低温バッファ層２が剥離層として機能するため、従来のような金属膜の形成やパターン形成等の複雑な工程が不要であり、上記のように単結晶上に比較的結晶性良く成長した高温成長のＩＩＩ族窒化物半導体層を容易に剥離させることができるため、高品質のＩＩＩ族窒化物半導体の自立基板を簡便な方法で効率的に得ることができる。
【００３５】
以上のような本発明の自立基板の製造方法により製造されたＩＩＩ族窒化物半導体自立基板であれば、安価で比較的結晶性の良いＩＩＩ族窒化物半導体自立基板となる。
【実施例】
【００３６】
以下、実施例及び比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００３７】
（実施例１）
まず基板１としてサファイア基板を準備し、ＨＶＰＥ装置に装着した。温度を１０００℃に上げて水素を流しながら高温クリーニングを行った。次に温度を５００℃としてＧａＮからなる低温バッファ層２を８０ｎｍの厚さで成長させた。ここで、ＨＶＰＥ装置中ではＩＩＩ族元素のハロゲン化物であるＧａＣｌと、Ｖ族元素としてのＮＨ３とを原料ガスとし、Ｖ／ＩＩＩ比を１０とした。
次に、１０５０℃に温度を上げて自立基板となるＧａＮ層を４００μｍの膜厚で成長させた。温度を下げて高温でＧａＮ層を成長させたウェーハをＨＶＰＥ装置から取り出した。ウェーハの外周部に剥離しない部分も一部あったが、ウェーハのほぼ全面についてサファイア基板１と厚膜ＧａＮ層３を自然剥離することができた。
【００３８】
（実施例２）
高温クリーニングを行わなかったことを除き、実施例1と同じ方法でＧａＮ自立基板を製造したところ、ウェーハ全面についてサファイア基板１と厚膜ＧａＮ層３を自然剥離することができた。
【００３９】
（実施例３）
低温バッファ層２を５００ｎｍの厚さとしたことを除き、実施例１と同じ条件でＧａＮ自立基板を製造したところ、ウェーハ全面についてサファイア基板１と厚膜ＧａＮ層３を自然剥離することができた。
【００４０】
（実施例４）
低温バッファ層２を１０００ｎｍの厚さとしたことを除き、実施例１と同じ条件でＧａＮ自立基板を製造したところ、ウェーハの外周部に剥離しない部分も一部あり、結晶欠陥（転位）も若干多かったが、ウェーハのほぼ全面についてサファイア基板１と厚膜ＧａＮ層３を自然剥離することができた。
【００４１】
（比較例）
低温バッファ層２を５０ｎｍの厚さとしたことを除き、実施例１と同じ条件でＧａＮ自立基板を製造したところ、サファイア基板１と厚膜ＧａＮ層３とを剥離する際に、図２に示すようにサファイア基板ともども面内多数の割れ、クラックが発生した。
【００４２】
実施例１〜４、比較例におけるＧａＮ自立基板４の結晶性、および厚膜ＧａＮ層３のサファイア基板１からの剥離の容易さを表１に示す。
【００４３】
【表１】
2017218347.tif 000003
【００４４】
表１からわかるように、低温バッファ層２の膜厚を８０ｎｍ〜１０００ｎｍとした実施例１〜４では、低温バッファ層２の膜厚を５０ｎｍとした比較例に対して、厚膜ＧａＮ層３のサファイア基板１からの剥離が容易になっている。
【００４５】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
【符号の説明】
【００４６】
１…基板（サファイア基板）、  ２…低温バッファ層、
３…高温で成長させるＩＩＩ族窒化物半導体層（厚膜ＧａＮ層）、  ４…自立基板。
【図１】
2017218347.tif 000004
【図２】
2017218347.tif 000005