(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に湿式エッチング可能な第１層を形成し、
前記第１層上に、低温成長により形成した下層と、結晶性の良い第１の窒化ガリウム系化合物半導体から成る上層とから成る第２層を形成し、
その第２層の上に、第２層の露出部が散在するように、点状、ストライプ状又は格子状の島状態に、窒化ガリウム系化合物半導体がその上にエピタキシャル成長しない第３層を形成し、
前記第３層で覆われていない前記第２層の露出部を核として、エピタキシャル成長させ、前記第３層の上部では、横方向にエピタキシャル成長させることで第２の窒化ガリウム系化合物半導体から成る第４層を形成し、
前記第１層をエッチングする溶液を用いた湿式エッチングにより、前記基板から剥離させて窒化ガリウム系化合物半導体基板を形成することを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体基板の製造方法。
【請求項２】
前記第２層の下層は、アモルファス又は微結晶が混在した状態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系化合物半導体基板の製造方法。
【請求項３】
前記第２層の下層は、GaInNから成ることを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化ガリウム系化合物半導体基板の製造方法。
【請求項４】
前記第１層は、酸化亜鉛（ZnO)であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体基板の製造方法。
【請求項５】
前記第３層は、二酸化シリコン(SiO2)から成ることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体基板の製造方法。
【請求項６】
前記第３層は、高融点を有した金属又は非晶質のシリコン(Si)から成ることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体基板の製造方法。
【請求項７】
前記基板は、サファイア、シリコン、又は、炭化珪素であることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体基板の製造方法。
【請求項８】
前記第４層の厚さは、50〜100μｍであることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体基板の製造方法。
【請求項９】
前記第４層の上に、素子を形成する第３の窒化ガリウム系化合物半導体からなる複数の層を形成し、その後に、前記第１層をエッチングして素子の形成された基板を得ることを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体基板の製造方法。
【請求項１０】
前記基板上の各層を、基板の両面に形成し、基板の両面に形成された前記第１層をエッチングして除去することで、１枚の基板を用いて２枚の窒化ガリウム系化合物半導体基板を得ることを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体基板の製造方法。
【請求項１１】
基板上に湿式エッチング可能な第１層を形成し、
前記第１層上に、第１の窒化ガリウム系化合物半導体から成る第２層を形成し、
その第２層の上に、第２層の露出部が散在するように、点状、ストライプ状又は格子状の島状態に、窒化ガリウム系化合物半導体がその上にエピタキシャル成長しない第３層を形成し、
前記第３層で覆われていない前記第２層の露出部を核として、エピタキシャル成長させ、前記第３層の上部では、横方向にエピタキシャル成長させることで第２の窒化ガリウム系化合物半導体から成る第４層を形成し、
前記第１層をエッチングする溶液を用いた湿式エッチングにより、前記基板から剥離させて窒化ガリウム系化合物半導体基板を形成するものであり、
前記基板上の各層を、基板の両面に形成し、基板の両面に形成された前記第１層をエッチングして除去することで、１枚の基板を用いて２枚の窒化ガリウム系化合物半導体基板を得ることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は窒化ガリウム系化合物半導体のエピタキシャル基板を得るための方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
本発明は、一般式AlxGayIn1-x-yN(0≦x≦1,0≦y≦1,0≦x+y≦1)の窒化ガリウム系化合物半導体基板の製造方法に関する。
【０００３】
【従来の技術】
窒化ガリウム系化合物半導体は、発光スペクトルが紫外から赤色の広範囲に渡る直接遷移型の半導体であり、発光ダイオード(LED)やレーザダイオード(LD)等の発光素子に応用されている。この窒化ガリウム系化合物半導体では、通常、サファイア上に形成している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術では、サファイア基板上に窒化ガリウム系化合物半導体を形成すると、サファイアと窒化ガリウム系化合物半導体との熱膨張係数差により、半導体層にクラック、そりが発生し、ミスフットにより転位が発生し、このため素子特性が良くないという問題がある。さらに、サファイアは絶縁性であるので、基板に対して同一面側に両電極を形成する必要があり、そのために基板に近い側にあるｎ層までのエッチングをする必要があるために製造効率がよくないという問題がある。又、同一面側に両電極を形成するために、素子サイズが増大する。また、両電極に対してワイヤボンディングを必要とすると共に、ｎ層において横方向の電流路が形成され電流路が長くなるため駆動電圧が若干増加するという問題がある。加えて、基板と半導体層とが異種の物質で構成されているので、レーザダイオードでは良好なへき開が困難である。
【０００５】
従って、本発明の目的は、上記課題に鑑み、結晶性の良い窒化ガリウム系半導体基板を容易に得ることである。また、その良質な基板を用いることで、素子特性を向上させることである。
【０００６】
【課題を解決するための手段及び作用効果】
請求項１の発明は、基板上にウエットエッチング可能な第１層を形成し、第１層上に、低温成長により形成した下層と、結晶性の良い第１の窒化ガリウム系化合物半導体から成る上層とから成る第２層を形成し、その第２層の上に、第２層の露出部が散在するように、点状、ストライプ状又は格子状の島状態に、窒化ガリウム系化合物半導体がその上にエピタキシャル成長しない第３層を形成し、第３層で覆われていない第２層の露出部を核として、エピタキシャル成長させ、第３層の上部では、横方向にエピタキシャル成長させることで第２の窒化ガリウム系化合物半導体から成る第４層を形成し、第１層をエッチングする溶液を用いた湿式エッチングにより、基板から剥離させて窒化ガリウム系化合物半導体基板を形成することを特徴とする。
【０００７】
尚、ここでいう横方向とは、基板の面方向を意味する。第４層として、第２の窒化ガリウム系化合物半導体を成長させる時、第３層の上部領域にはエピタキシャル成長せず、第２層の露出領域における第１の窒化ガリウム系化合物半導体を核として上方向及び横方向に成長する。この結果、第１の窒化ガリウム系化合物半導体内に存在する貫通転位は第２の窒化ガリウム系化合物半導体において第２層の露出領域の上にだけ存在し、横方向に成長した第３層の上部では縦方向の貫通転位が存在しない。よって、第２の窒化ガリウム系化合物半導体の縦方向の貫通転位の面密度が極めて小さくなり、結晶性が向上する。また、第３層とその上の第４層を形成する第２の窒化ガリウム系化合物半導体とは化学的に接合していないので、第４層のそりが防止されると共に応力歪みがその層に入ることが抑制される。
【０００８】
このようにして、窒化ガリウム系化合物半導体が形成された後に、第１層を湿式エッチングにより除去して、窒化ガリウム系化合物半導体基板を得ることができる。
請求項２に記載の発明は、第２層の下層は、アモルファス又は微結晶が混在した状態であることを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、第２層の下層は、GaInNから成ることを特徴とする。
【０００９】
請求項４の発明は、第１層を、酸化亜鉛（ZnO)としたことである。酸化亜鉛の格子定数はサファイアと窒化ガリウム系化合物半導体との格子定数に近い。よって、酸化亜鉛はサファイア基板上に形成でき、その酸化亜鉛の上に結晶性の良い第２層としての第１の窒化ガリウム系化合物半導体を形成することができる。また、酸化亜鉛のみ、フッ酸によりエッチングすることができ、基板の剥離が容易である。
【００１０】
請求項５の発明は、第３層を、二酸化シリコン(SiO2)としたことである。この場合には、第４層をAlを含まない窒化ガリウム系化合物半導体とすることで、第４層は第３層の上にはエピタキシャルせずに、横方向のエピタキシャル成長により第４層を結晶性良く得ることができる。
【００１１】
請求項６の発明は、第３層を、高融点を有した金属又は非晶質のシリコン(Si)としたことを特徴とする。これらの層を用いても、第４層としての第２の窒化ガリウム系化合物半導体を第３層の上に直接エピタキシャル成長させずに、横方向のエピタキシャル成長により得ることができる。また、第３層が導電性を有するので、第３層を残した窒化ガリウム系化合物半導体基板において面に垂直方向に電流を流すことができる。よって、素子の電極を両端面に形成することが可能となる。尚、高融点を有した金属とは2000℃以上の融点を有する金属であり、例えば、Nb,Mo,Ru,Hf,Ta,Wが上げられる。
【００１２】
請求項７の発明は、基板を、サファイア、シリコン、又は、炭化珪素としたことである。そられの基板上で得られる第４層としての第２の窒化ガリウム系化合物半導体の結晶性を向上させることができる。
【００１３】
請求項８の発明は、第４層の厚さを、50〜100μｍとしたことである。この厚さとすることで、面に垂直な方向に成長する転位が消失し、無転位の結晶を得ることができる。
【００１４】
請求項９の発明は、第４層の上に、素子を形成する第３の窒化ガリウム系化合物半導体からなる複数の層を形成し、その後に、第１層をエッチングして素子の形成された基板を得ることを特徴とする。これにより、第４層を基底層とし、その上の層を機能層とすることができ、結晶性の良い素子を得ることができる。
【００１５】
請求項１０及び請求項１１の発明は、基板上の各層を、基板の両面に形成し、基板の両面に形成された第１層をエッチングして除去することで、１枚の基板を用いて２枚の窒化ガリウム系化合物半導体基板を得ることを特徴とする。基板の両面に窒化ガリウム系化合物半導体を成長させるので、そりがなく、また、一度に、２枚の窒化ガリウム系化合物半導体基板が得られるので、生産効率が高くなる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。
図１〜図４は、本発明はGaN基板を製造する方法を示した工程図である。
図１に示すように、(0001)方向の面方位を有するサファイア基板１を準備し、そのサファイア基板１をメタノール等の有機薬品で洗浄した。その後、サファイア基板１をＲＦスパッタリング装置のチャンバー内にセットして、チャンバーを真空に排気した。その後、アルゴン・酸素の混合ガスにより図１に示すように、サファイア基板１の上面に厚さ100ｎｍで、ZnOから成る第１層２を形成した。この第１層２はｃ軸方向への配向度が強いものであった。
【００１７】
次に、この第１層２の上に、次の方法により窒化ガリウム系化合物半導体を成長させた。この半導体は、スパッタリング法及び有機金属気相成長法（以下「MOVPE」と略す）により製造された。MOVPEで用いられたガスは、アンモニア(NH3)、キャリアガス(H2,N2)、トリメチルガリウム(Ga(CH3)3)（以下「TMG」と記す）、トリメチルアルミニウム(Al(CH3)3)（以下「TMA」と記す)、トリメチルインジウム（In(CH3)3）（以下「TMI」と記す)である。
【００１８】
まず、第１層２の表面をフッ酸系溶液(HF:H2O=1:1)を用いて洗浄した後、基板１をＭＯＶＰＥ装置の反応室に載置されたサセプタに装着する。次に、常圧でH2を流速2liter/分で約10分間反応室に流しながら温度1150℃で第１層２をベーキングした。
【００１９】
この後、基板１の温度を500℃に保持し、N2又はH2を10liter/分、NH3を10liter/分、TMGを1.0×10-4モル／分、TMIを5.0×10-4モル／分、図２に示すように、膜厚約500Å、Ga0.8In0.2Nから成る第２層の下層３１を形成した。この層は、低温成長によりアモルファス又は微結晶が混在した状態のバッファ層、即ち、ZnOとGaNとの格子定数を緩和する層として機能する。
【００２０】
層３１の形成後、層３１上にMOVPE法により基板１の温度を1100℃にしてN2又はH2を20liter/分、NH3を10liter/分、TMGを2.0×10-4モル／分、H2ガスにより0.86ppmに希釈されたシランを20×10-8モル／分で供給して、GaNを形成し、膜厚約３μｍの第２層の上層３２を形成した。本実施例では、層３１と層３２の２層構造により第２層３を形成している。
【００２１】
次に、層３２上にSiO2をスパッタリングにより膜厚約2000Åに形成した後、レジストの塗布、及び、フォトリソグラフィにより、図３に示すように、幅ａが約５μｍ、露出領域Ｂの間隔ｂが約５μｍのストライプ状（図５）又は格子状（図６）の第３層４を形成した。
【００２２】
次に、第２層の上層３２の露出領域Ｂ上及び第３層４の上部領域Ａ上に膜厚約80μｍのGaNから成る第４層５を形成する。このとき、GaNは、層３２の露出部ＢのGaNを核として、面に垂直方向に成長する。そして、SiO2の第３層４の上部領域Ａでは、層３２の露出部Ｂ上に成長したGaNを核として、GaNが横方向にエピタキシャル成長する。このようにして、本実施例では、GaNがGaNを核として縦方向にも横方向にもエピタキシャル成長するので、結晶性の高いGaNが得られる。
【００２３】
次に、このように各層の形成されたサファイア基板１を塩酸系エッチャントに浸し、エッチャントの温度を６０℃にした。そして、約１０分間超音波洗浄器にかけて、第１層２のエッチングを行った。これにより、主として、GaNの第４層５から成る窒化ガリウム系化合物半導体基板を得ることができた。
【００２４】
尚、上記実施例において、ストライプ状又は格子状に形成された第３層４の幅ａを約５μｍとしたが、第３層４の幅ａが10μｍを超えると横方向の成長に長時間必要となり、第３層４の幅ａが１μｍ未満になると、後にフッ酸等でのSiO2膜の除去が困難となるので、望ましくは１〜10μｍの範囲が良い。又、上記実施例では第２層の上層３２の露出領域Ｂの間隔ｂを５μｍとしたが、露出領域Ｂの間隔ｂが10μｍを超えると転位発生の確率が増大し、露出領域Ｂの間隔ｂが１μｍ未満になると良好なGaNから成る第４層５の形成が困難となるので、望ましくは１〜10μｍの範囲が良い。また、第４層５の結晶性の点から幅の割合ａ／ｂは１〜10が望ましい。
【００２５】
上記実施例において、第４層５の厚さは、50〜100μｍとすると、無転位の結晶が得られるので望ましい。Ga0.8In0.2Nから成る第２層の下層３１を低温成長によるバッファ層にしているが、さらに、この層の上に、高温成長による単結晶のAl0.15Ga0.85Nを形成して、その層の上にGaNの層３２を形成しても良い。
【００２６】
尚、本実施例では、第２層の下層３１の組成をGa0.8In0.2Nとしたが、任意組成比の一般式AlxGayIn1-x-yN(0≦x≦1,0≦y≦1,0≦x+y≦1)の窒化ガリウム系化合物半導体を用いることができる。また、第２層の上層３２をGaNとしたが、これも一般式AlxGayIn1-x-yN(0≦x≦1,0≦y≦1,0≦x+y≦1)の窒化ガリウム系化合物半導体を用いることができる。また、第２層を２層構造としたが、１層、３層以上としても良い。
【００２７】
また、第４層５をGaNとしているが、任意組成比のGaInNを用いても良い。Alが含まれる窒化ガリウム系化合物半導体は、SiO2層上に堆積するので、Alを含まない方が望ましい。しかし、ストライプ状又は格子状に形成される第３層４をSiO2に代えて、タングステン(W)など高融点の金属や、アモルファスSiなどを用いてもよい。このように、第３層４を金属又は非晶質Siで構成することにより、第３層４に電流が流れるので、GaN化合物半導体の厚さ方向に均一に電流をより良好に流すことができる。タングステン(W)など高融点の金属や、アモルファスSiを用いた場合には、任意組成比の一般式AlxGayIn1-x-yN(0≦x≦1,0≦y≦1,0≦x+y≦1)の窒化ガリウム系化合物半導体は、その上にエピタキシャル成長しないので、一般式AlxGayIn1-x-yNを第４層５として用いることができる。第４層５と第２層３とは、同一組成比であっても、異なる組成比であっても良い。
【００２８】
又、図７に示すように層４と層５の形成を２回繰り替えしても良い。この時、層４を構成する下層４１と上層４２のパターンは、上から見て層３２が見えないようなパターンに形成されている。即ち、層４２は層４１が存在しない上部領域に形成される。これにより、層５を構成する下層５１において、下層４１の形成されていない部分Ｂ１の縦方向の貫通転位がその上方に存在する上層４２により遮断され、上層４２の上部領域Ａ２は横方向成長のため層５を構成する上層５２の縦方向貫通転位は存在しない。又、上層５２の上層４２の存在しない領域Ｂ２は、下層４１の上部領域Ａ１の延長領域であるので、縦方向の貫通転位は存在しない。よって、上層５２の貫通転位は極めて減少し、これにより、層５の結晶性を無転位結晶とすることができ、結晶性を著しく改善することができる。
尚、層４と層５の繰り返し回数は２回の他、任意回数繰り返しても良い。その時に、複数の層４のパターンをずらせて、全体として、上から見た時に、層３２が見えない状態にすれば良い。勿論、層４を複数段に形成する場合にも、タングステン(W)など高融点の金属や、アモルファスSi等を用いることができ、各段毎にSiO2を含めてその材料を変化させても良い。
【００２９】
上記実施例では、基板１にサファイアを用いたが、シリコン、炭化珪素等の他の基板を用いることができる。また、基板１の上面にだけ各層を形成したが、基板の上面と下面の両側に対称に各層を形成することで、基板のそりが防止できると共に、一度に２枚の窒化ガリウム系化合物半導体基板が得られるので製造効率が向上する。
【００３０】
このようにして得られた窒化ガリウム系化合物半導体基板上に、さらに、良く知られたように、窒化ガリウム系化合物半導体から成る、ガイド層、クラッド層、ＭＱＷ又はＳＱＷ構造の活性層がヘテロ接合された発光ダイオード、レーザ素子を形成しても良い。これらの素子を構成する各機能層は、第４層５を基底層として、その上に形成した後、第４層５等の基板を第１層２のエッチングにより基板１から剥離させても良い。このような方法により、レーザダイオードを形成した場合には、第４層５の基底層から素子の各機能層までが、窒化ガリウム系化合物半導体で形成されているので、共振器の端面が容易にへき開により形成できる。これによりレーザの発振効率を向上させることができる。また、第４層５を導電性に形成することで、基板面に垂直な方向に電流を流すことかでき、電極形成工程が簡略化されると共に、電流路の断面積が広く且つ長さが短くなるので駆動電圧を低下させることができる。
【００３１】
また、第１層２としてZnOを用いたが、窒化ガリウム系化合物半導体のバッファ層が形成でき、第１層２のみをエッチングできれば良い。
上記の実施例において、MOVPE法は常圧雰囲気中で行われたが、減圧成長下で行っても良い。また、常圧、減圧の組み合わせで行なって良い。本発明で得られたGaN系化合物半導体は、ＬＥＤやＬＤの発光素子に利用可能であると共に受光素子及び電子ディバイスにも利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の具体的な一実施例に係るGaN基板の製造方法を示した断面図。
【図２】  同じく製造工程を示した断面図。
【図３】  同じく製造工程を示した断面図。
【図４】  同じく製造工程を示した断面図。
【図５】  第３層の形状を示した平面図。
【図６】  第３層の他の形状を示した平面図。
【図７】  第３層を複数回用いた他の実施例に係る製造工程を示した断面図。
【符号の説明】
１…サファイア基板
２…第１層(ZnO)
３…第２層
３１…第２層の下層(Ga0.8In0.2N)
３２…第２層の上層(GaN)
４…第３層(SiO2)
５…第４層(GaN)
【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】
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