(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持基板上に、周期的なストライプ状、格子状、又は島状の窓部を有する保護膜を形成する工程と、前記支持基板露出部より保護膜上に第１の窒化物半導体を横方向成長させて前記保護膜を覆わない状態で止めることにより周期配列されたＴ字状断面を有する第１の窒化物半導体を形成する工程と、前記保護膜を第１の窒化物半導体のＴ字の柱部分の両側には残して、前記支持基板が露出するまで除去することにより横方向成長した第１の窒化物半導体の下部に空間を形成する工程と、第１の窒化物半導体の上面、又は上面及び横方向成長部分である側面より第２の窒化物半導体を成長させて支持基板全面を覆う工程と、支持基板を分離除去する工程と、を備えたことを特徴とする窒化物半導体基板の製造方法。
【請求項２】
前記第２の窒化物半導体上に第３の窒化物半導体を成長させることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
【請求項３】
前記第３の窒化物半導体の膜厚が３００μｍ以上であることを特徴とする請求項２に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
【請求項４】
前記保護膜を除去する方法は、エッチングであることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
【請求項５】
前記保護膜は、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸化チタン、酸化ジルコニウム、これらの多層膜、又は１２００℃以上の融点を持つ高融点金属膜であることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
【請求項６】
前記支持基板は、異種基板上にバッファ層を有することを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
【請求項７】
前記バッファ層は、窒化ガリウム層、又は窒化インジウムガリウム層であることを特徴とする請求項６に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
【請求項８】
前記第３の窒化物半導体は、ｎ型不純物がドープされていることを特徴とする請求項２又は３に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は窒化物半導体（ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ、０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）の成長方法に係り、特に単体基板となり得る窒化物半導体の成長方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、サファイア、スピネル、炭化ケイ素のような窒化物半導体と格子定数の異なる異種基板上に、窒化物半導体を成長させ、その後、異種基板を除去することで得られる窒化物半導体から成る単体基板が注目されている。窒化物半導体から成る単体基板が異種基板を有する窒化物半導体基板に比べて、反りが少なく劈開が容易にできるためである。
【０００３】
例えば、異種基板であるサファイア基板上に窒化ガリウム等を成長させ、その後、異種基板をラッピングで除去することによる単体基板の製造方法がある。また、ラッピング以外の窒化物半導体とサファイアとを分離する方法としては、サファイア側からＫｒｆパルスエキシマレーザを照射して、サファイアと窒化物半導体との接している共有面で分離し、サファイアを分離する方法が報告されている。この方法は、レーザ照射によりサファイアが接触している共有面で窒化物半導体がレーザ光を吸収して窒化物半導体の分解が生じ、サファイアを分離することができるものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記に示す研磨除去の方法であれば、サファイア基板等の異種基板上に窒化物半導体を成長させた場合には、サファイア基板は硬度が高いため研磨時に大きな応力がはたらく。そのため、ラッピング時の応力で窒化物半導体にも欠けや割れが生じるため窒化ガリウム等の窒化物半導体の単体基板を形成するのは困難であった。
【０００５】
また、ハイドライド気相成長法や有機金属気相成長法等の気相成長法により基板上に窒化物半導体を成長させる場合、具体的には１００μｍ以上の膜厚を成長すれば歪みが大きくなり窒化物半導体に欠けや割れ等が発生するため厚膜成長をさせるのが困難であった。
【０００６】
レーザ照射による基板の除去方法であれば、例えば、窒化ガリウムの単体基板を形成する場合に窒化ガリウムの分解によって発生する窒素ガスのガス圧によりサファイアが割れ、この割れが原因でサファイアと接触している窒化ガリウム面に欠陥が生じる。このような欠陥傷が窒化ガリウム等の表面にあるとマイクロクラックと呼ばれる微小な割れなどが発生する場合がある。このような割れが発生すると窒化物半導体基板上に形成した発光素子の寿命特性や歩留まりの低下等を引き起こすことが考えられる。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、横方向成長を利用して作製された窒化物半導体基板において、窒化物半導体の厚膜成長を可能とし、さらに、支持基板上に成長させた窒化物半導体に割れや欠けを発生させることなく容易に支持基板を除去することで単体基板を提供することである。また、ここで得られる窒化物半導体の単体基板は、低転位であり結晶性のよい窒化物半導体とすることも目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明の目的は、以下（１）〜（８）に示す本発明の構成によって達成することができる。
（１）支持基板上に、周期的なストライプ状、格子状、又は島状の窓部を有する保護膜を形成する工程と、前記支持基板露出部より保護膜上に第１の窒化物半導体を横方向成長させて前記保護膜を覆わない状態で止めることにより周期配列されたＴ字状断面を有する第１の窒化物半導体を形成する工程と、前記保護膜を第１の窒化物半導体のＴ字の柱部分の両側には残して、前記支持基板が露出するまで除去することにより横方向成長した第１の窒化物半導体の下部に空間を形成する工程と、第１の窒化物半導体の上面、又は上面及び横方向成長部分である側面より第２の窒化物半導体を成長させて支持基板全面を覆う工程と、支持基板を分離除去する工程と、を備えた窒化物半導体基板の製造方法。
（２）前記第２の窒化物半導体上に第３の窒化物半導体を成長させる（１）に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
（３）前記第３の窒化物半導体の膜厚が３００μｍ以上である（２）に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
（４）前記保護膜を除去する方法は、エッチングである（１）に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
（５）前記保護膜は、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸化チタン、酸化ジルコニウム、これらの多層膜、又は１２００℃以上の融点を持つ高融点金属膜である（１）に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
（６）前記支持基板は、異種基板上にバッファ層を有する（１）に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
（７）前記バッファ層は、窒化ガリウム層、又は窒化インジウムガリウム層である（６）に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
（８）前記第３の窒化物半導体は、ｎ型不純物がドープされている（２）又は（３）に記載の窒化物半導体基板の製造方法
【０００９】
本発明の窒化物半導体基板は、支持基板と、前記支持基板表面の周期的なストライプ状、格子状、又は島状の部分を成長起点として横方向成長し、互いに接合する前に横方向成長を停止することにより周期配列されたＴ字状断面を有する第１の窒化物半導体と、前記第１の窒化物半導体の上面、又は上面及び横方向成長した側面を核として成長し、支持基板全面を覆う第２の窒化物半導体と、前記第２の窒化物半導体層上に膜厚が３００μｍ以上の第３の窒化物半導体とを備え、前記第２の窒化物半導体が互いに接合する部分の下に形成されている空間より支持基板を分離除去していることが好ましい。
このように支持基板と接触した第１の窒化物半導体がＴ字状断面を有し、再成長により第２の窒化物半導体で支持基板全面を覆うことにより貫通転位を低減させ、かつ表面を平坦化させることができる。さらに、第３の窒化物半導体をこの上に厚膜成長させることにより単体基板を得ることができる。これは、第１の窒化物半導体と支持基板との接触面積がＴ字の柱部分のみであって、この柱部分は貫通転位が低減されておらず結晶性が悪いためである。このため、第３の窒化物半導体を３００μｍ以上で成長させればラッピングや接触界面に熱衝撃を与えることにより支持基板を除去分離することができる。これは、３００μｍ以上の窒化物半導体を成長させることで、窒化物半導体と支持基板との接触界面に生じる熱膨張差を大きくすることができる。さらに、本発明におけるＴ字状断面の第１の窒化物半導体と支持基板との接触界面はＥＬＯ法により形成した窒化物半導体基板と比較して空間も有し、接触面積も少ない。そのため、ラッピング等により容易に支持基板を除去することが可能となる。第３の窒化物半導体の膜厚が３００μｍ以下であれば、熱膨張差により生じる応力が支持基板を除去するには十分ではない。そのため、ラッピング等の物理的応力に頼らざるを得ないため、窒化物半導体に割れや欠けを発生させてしまう。また、第３の窒化物半導体を１ｍｍ以上で成長させれば窒化物半導体の１０００℃以上の高温成長、及び冷却時に発生する熱膨張の差により自然に支持基板を剥離除去することができる。この剥離除去を行うには窒化物半導体の機械的強度が必要である。そのためには、第３の窒化物半導体を１ｍｍ以上、より好ましくは２ｍｍ以上で成長させる必要がある。
【００１０】
かかる構造を有する窒化物半導体基板は、例えば、支持基板上に、ストライプ状、格子状、又は島状の窓部を有する保護膜を形成し、前記支持基板露出部より保護膜上に第１の窒化物半導体を横方向成長させて前記保護膜を覆わない状態で止め、保護膜を除去することにより横方向成長した第１の窒化物半導体の下部に空間を形成し、その後、第１の窒化物半導体の上面、又は上面及び横方向成長部分である側面より第２の窒化物半導体を成長させることにより製造することができる。
【００１１】
また、支持基板上に保護膜を介して第１の窒化物半導体を成長させる場合、保護膜にストライプ状、格子状又は島状の窓部を形成するが、中でも、格子状又は島状の窓部を形成することが好ましい。窓部を格子状又は島状とすることにより、第１の窒化物半導体の成長方向が多方向となり、支持基板の剥離がより容易となる。また、格子状の窓部を形成して窓部に囲まれた保護膜の形状を多角形又は円形とすることが好ましい。保護膜の形状を多角形又は円形とすることにより、多角形又は円形の保護膜周囲から中心に向かって第２の窒化物半導体が成長するため、第２の窒化物半導体の接合部が保護膜の中心の一点となり、転位の集中する接合部の面積を最小限に抑制することができる。
【００１２】
ここで、前記支持基板は、サファイア等の異種基板であっても、異種基板の全面に窒化物半導体層を成長させたものであっても良い。支持基板としてサファイア等の異種基板を直接用いる場合は、格子不整合を緩和させるために第１の窒化物半導体を成長する前に低温成長バッファ層を異種基板上に成長することが好ましい。具体的にはバッファ層として窒化ガリウム層、又は窒化インジウムガリウム層を用いることができる。これはインジウムを含有する窒化物半導体は比較的柔らかく、そのため窒化物半導体内にクラックが発生するのを抑制する効果を有するためである。
【００１３】
支持基板上に、前記基板表面の周期的なストライプ状又は格子状の部分を成長起点として横方向に成長させた窒化物半導体層を有する窒化物半導体基板において、各成長起点から横方向に成長した窒化物半導体同士が、互いに接合せずに、隙間を有して配列している。このように、保護膜上の横方向成長を、第１の窒化物半導体が互いに接合する前に止め、その後、第２の窒化物半導体を配列している隙間上で成長させて互いに接合させることにより、保護膜を広く形成しても、結晶表面に空隙を形成しない窒化物半導体を成長させることができる。また、第２の窒化物半導体は空間上を進行するため、第２の窒化物半導体を第１の窒化物半導体側面から成長させる時に発生する応力を抑制することができる。さらに保護膜上を進行する場合のような結晶成長面のチルト現象がないため、接合部における転位の集中が緩和される。
【００１４】
第３の窒化物半導体は、ｎ型不純物がドープされていることを特徴とする。支持基板を除去後に支持基板との接触面側の窒化物半導体は表面に凹凸があり、これを研磨により平坦かつ鏡面とする。この平坦化された第３の窒化物半導体にｎ型不純物がドープされていれば、対極面に電極を有する半導体発光素子や受光素子を形成することができる。これにより、効率効率や寿命特性を向上が期待できる。
【００１５】
保護膜に酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸化チタン、酸化ジルコニウム、これらの多層膜、又は１２００℃以上の融点を持つ高融点金属膜を用いる。これらの保護膜材料は、その表面に窒化物半導体が成長しないか、成長しにくい性質を有するため、保護膜上に窒化物半導体を横方向成長させるのに好ましい。
【００１６】
本発明の窒化物半導体基板の製造方法は、支持基板上に、ストライプ状、格子状、又は島状の窓部を有する保護膜を形成し、前記支持基板露出部より保護膜上に第１の窒化物半導体を横方向成長させて前記保護膜を覆わない状態で止め、保護膜を除去することにより横方向成長した第１の窒化物半導体の下部に空間を形成し、その後、第１の窒化物半導体の上面、又は上面及び横方向成長部分である側面より第２の窒化物半導体を成長させて支持基板全面を覆い、その後、前記第２の窒化物半導体上に膜厚が３００μｍ以上の第３の窒化物半導体を成長させ、支持基板を分離除去することが好ましい。
【００１７】
保護膜は第１の窒化物半導体の成長後に除去するが、少なくとも第２の窒化物半導体の接合部下方に空間を形成するように保護膜を除去すればよい。また、保護膜を支持基板が露出するまで除去すれば、ＳｉＯ２等の保護膜が保護膜上に成長する窒化物半導体の成長時に分解することによる問題、即ち、窒化物半導体の異常成長や結晶性の低下等の問題を抑制することができる。
【００１８】
保護膜を除去する方法には、ドライエッチング又はウェットエッチングを用いることができ、どちらの方法も窒化物半導体の結晶性を低下させることなく保護膜を除去することができる。さらに、ドライエッチングは、保護膜を除去する深さを簡単に制御することができる。
【００１９】
即ち、本発明に係る窒化物半導体基板は、横方向成長した窒化物半導体が互いに接合せず、隙間を有して配列しており、再成長させることで空間を有する窒化物半導体層を形成し、その上に厚膜の窒化物半導体を形成した後に支持基板を除去することを特徴とする。本件発明者等は、横方向に成長したＴ字形状である第１の窒化物半導体の両翼、及びその接合部の下部に１０μｍ〜５０μｍ、好ましくは１０μｍ〜３０μｍの幅の空間を有する窒化物半導体基板とすることで、第３の窒化物半導体として３００μｍ以上の厚膜を形成しても割れ等を発生させない。この空間を形成することにより、支持基板と窒化物半導体との接触面積が少なくなるため、接触界面の厚膜成長後にラッピングや自然剥離による支持基板の除去が容易になる。また、この空間がエアーギャップとしての効果を有し、反り等を抑制することができるため厚膜成長が可能となるのである。しかも、転位の集中する接合部のない状態でエピタキシャル成長を開始するため、従来問題となっていた基板昇温時における窒素脱離によるピットの発生がなく、むしろ従来よりも平坦で結晶性に優れた素子層の成長が可能であることを見出した。
【００２０】
また、第３の窒化物半導体は、ハライド気相成長法（以下、「ＨＶＰＥ法」）により厚膜の窒化物半導体層を成長して転位を分散させ、全体に低転位密度な窒化物半導体の単体基板が得られる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図を用いて本発明を更に詳細に説明する。本実施の形態においては、本件第１の発明に係る窒化物半導体基板について説明する。図１（ａ）〜図１（ｆ）は、第１の発明に係る窒化物半導体基板の製造方法の一例を段階的に示した模式図である。
【００２２】
図１（ａ）は支持基板１上に、窒化物半導体を成長させ、さらに保護膜のストライプを形成させる工程を行った模式的断面図である。この支持基板１としては、Ｃ面、Ｒ面、及びＡ面のいずれかを主面とするサファイア、スピネル（ＭｇＡｌ２Ｏ４）のような絶縁性基板、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃ）、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、Ｓｉ、及び窒化物半導体と格子整合する酸化物基板等を用いることができる。これらの支持基板の厚さは特に限定されず、膜厚は１００μｍ以上、好ましくは４００μｍ以上とする。また、支持基板にオフ角を形成した場合には、例えばオフ角を０．０１°〜０．５°とすることができる。
【００２３】
支持基板１上に形成される保護膜２を成長させる前に、支持基板１上にバッファ層（図示されない）を薄膜であれば形成することもできる。バッファ層としては、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ等が用いられる。バッファ層は３００℃〜９００℃の温度で、膜厚１０オングストローム〜５μｍ、好ましくは１０オングストローム〜０．５μｍで成長させる。また、バッファ層を多層膜で成長させてもよい。このバッファ層は支持基板１と第１の窒化物半導体３との格子定数差を緩和する緩衝層の効果がある。そのため、このバッファ層は支持基板と第１の窒化物半導体との間に介して成長すればよく、保護膜を成長し、この保護膜に開口部を形成した後にバッファ層を成長させてもよい。
【００２４】
次に、支持基板１上に部分的に形成される保護膜２としては、保護膜表面に窒化物半導体が成長しないか、若しくは成長しにくい性質を有する材料を選択する。好ましくは、酸化ケイ素（ＳｉＯｘ）、窒化ケイ素（ＳｉｘＮｙ）、酸化チタン（ＴｉＯｘ）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯｘ）等の酸化物、窒化物、またはこれらの多層膜を用いることができる。また、上記以外にも１２００℃以上の融点を有する金属、例えばタングステンやモリブデンなどの材料も用いることができる。
【００２５】
この保護膜の形成方法としては、ＣＶＤ、スパッタリング、及び蒸着法を用い、まず保護膜２を形成し、さらに、レジストを塗布して、フォトリソグラフィにより保護膜を所定の形状であるストライプ状又は格子状等にエッチングする。保護膜をストライプ状又は格子状にエッチングすることにより、保護膜にストライプ状又は島状の窓部が形成される。また逆に、保護膜２を島状に残して保護膜２に格子状の窓部を形成しても良い。所定形状を有する保護膜のストライプ幅及び、格子幅としては、特に限定されないが、ストライプで形成した場合、ストライプ幅は５〜３０μｍであるのが好ましい。また、保護膜２が形成されていない窓部は、ストライプ幅よりも狭くすることが望ましい。保護膜を格子状に形成する場合の格子幅は１０〜２０μｍであるのが好ましい。保護膜２を島状に残して格子状の窓部を形成する場合、島状の保護膜の幅は１０μｍ以下、好ましくは５μｍ以下とし、格子状の窓部の幅を１０〜３０μｍ、好ましくは１０〜２０μｍとするのが望ましい。また、保護膜の幅は、ストライプ幅であれば５〜５０μｍとし、開口部の幅も５〜５０μｍとする。さらに、保護膜は、後工程で第１の窒化物半導体３を成長させた後、除去され、空間となる。そのため、保護膜の膜厚としては、この空間を形成できる膜厚が必要であり、０．０５μｍ〜１０μｍとする。
【００２６】
一方、保護膜２を島状に残して、格子状の窓部を形成した場合、保護膜の形状は多角形（三角形、四角形、六角形等）であっても、円形であっても良い。保護膜２同士は、できるだけ一定の間隔で、かつ、密になるように配列することが好ましい。六角形の保護膜が蜂の巣状に配列されており（各六角形が隣り合う六角形と辺同士が対向するよう配置され、１つの六角形が６つの六角形によって囲まれた配列）、１つの三角形が隣り合う三角形と辺同士が対向するよう配置され、６つの三角形で１つの６角形を構成し、該６角形が蜂の巣状に配列されている。これらの配列によれば、保護膜２同士の間隔（＝窓部の幅）を一定にでき、また、保護膜２の密度を高めることができる。
【００２７】
また、保護膜を島状に残して、格子状の窓部を形成することには、後で成長する第２の窒化物半導体４の接合部が保護膜２の中心１点だけとなるため、比較的転位が集中し易い接合部の面積を最小限に抑制することができる利点がある。
【００２８】
保護膜をストライプ状に形成する場合には、支持基板をサファイア基板とすれば、オリフラ面をサファイアのＡ面とし、このオリフラ面の垂直軸に対して左右どちらかに、θ＝０°〜２°、好ましくはθ＝０．０１°〜１°ずらしてストライプを形成すると、第２の窒化物半導体の成長表面に荒れが生じることなく、成長面がより平坦で良好な結晶が得られる。
【００２９】
図１（ｂ）に示すように、基板１上に形成される第１の窒化物半導体３としては、アンドープ、及びＳｉ、Ｇｅ、ＳｎおよびＳ等のｎ型不純物をドープしたものやＭｇ等のｐ型不純物をドープしたものを用いることができる。この成長温度は、９００℃〜１１００℃で基板上に成長され、膜厚は１．５μｍ以上であると結晶表面にピットの少ない、鏡面を形成できる点で好ましい。また、第１の窒化物半導体として、ＧａＮとＡｌｘＧａ１-ｘＮ（０＜ｘ＜１、好ましくは０＜ｘ≦０．５）との積層、又はＧａＮとＩｎｙＧａ1-ｙＮ（０＜ｙ≦１）との積層を用いても良い。これらを用いることにより、ＧａＮ層とＡｌｘＧａ１-ｘＮ層との間の熱膨張係数差により生ずる応力や、ＩｎｙＧａ1-ｙＮの低い膜強度を利用して、支持基板１の除去を容易にすることができる。この場合のＧａＮ、ＡｌｘＧａ１-ｘＮ又はＩｎｙＧａ1-ｙＮは、アンドープであっても、ｎ型不純物やｐ型不純物をドープしたものであっても良い。第１の窒化物半導体３の好ましい膜厚は、保護膜２の膜厚、大きさによっても異なる。保護膜の表面を横方向に成長させた結晶性のいい部分を有する必要があるため、第１の窒化物半導体３は、保護膜の膜厚に対して少なくとも１．５倍以上であり、１．０〜１０μｍの膜厚で成長させるのが好ましい。支持基板１との接合部である成長起点から第１の窒化物半導体３を成長させる時に、貫通転位は最初は縦方向に成長する。その後、第１の窒化物半導体３のＴ字両翼の成長時に貫通転位も成長方向を変更する。この貫通転位は縦方向以外、好ましくは横方向に成長させることで、貫通転位は成長方向を曲げられ、Ｔ字両翼の側面に達するものとする。
【００３０】
次に、図１（ｃ）に示すように、第１の窒化物半導体３を保護膜２上に横方向成長させ、成長を途中で止めた状態で、保護膜を除去する。この保護膜の除去方法としては、エッチングを用いることができ、エッチング手段としては、特に限定されないが、ドライエッチングまたはウェットエッチングが挙げられる。等方性ドライエッチングであれば、エッチングの制御を容易に行うことができる。
【００３１】
保護膜を除去することにより第１の窒化物半導体の横方向に成長した結晶欠陥の少ない部分の下部に空間を形成することができる。このため、第１の窒化物半導体上に成長させる窒化物半導体において、第１の窒化物半導体の横方向成長により形成された側面からの成長時に保護膜との間に発生する応力を抑制させることができる。保護膜を窒化物半導体が露出するまで完全に除去することにより、基板上に反応素子を成長させる時にＳｉＯ２等の保護膜が、１０００℃以上の温度で分解拡散して保護膜上の窒化物半導体に入ることを防止することができる。したがって、分解したＳｉＯ２が窒化物半導体に入って結晶性を低下させたり、異常成長を引き起こすといった問題点を解決することができる。また、後工程において、第２の窒化物半導体が、第１の窒化物半導体の上面から成長する場合、保護膜を完全に除去しなくても図２や図３に示すように空間を有する保護膜の形状とすれば、第２の窒化物半導体は空間上で接合することとなるため、平坦かつ鏡面である窒化物半導体を形成することができる。図３に示すように、第１の窒化物半導体３のＴ字形状の柱部分の両側に保護膜を残してもよい。この柱部分の両側に保護膜がある場合には、Ｔ字両翼の下部に空間はできるため、上記同様の効果は有する。さらに、この柱側面に残った保護膜は第１の窒化物半導体３の反応時の分解や劣化を抑える土台としての効果も有する。
【００３２】
次に、図１（ｄ）に示すように、保護膜２を除去した第１の窒化物半導体３上に、第１の窒化物半導体３の上面及び側面より第２の窒化物半導体４を成長させる。この第２の窒化物半導体としては、第１の窒化物半導体上の成長であると同時に、空間部上の成長でもある。そのため、保護膜上での連続成長で窒化物半導体の平坦面を形成するＥＬＯ法では選択性が低いために用いることができなかったＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦Ｘ＜１）を用いることもできる。
【００３３】
第２の窒化物半導体４としては、アンドープ、およびＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓ等のｎ型不純物をドープしたＧａＮ、またはＭｇ等のｐ型不純物をドープしたものや、ｎ型不純物とｐ型不純物とを同時ドープしたものを用いることができる。第２の窒化物半導体４は、９００〜１１００℃で成長される。中でも、Ｍｇをドープして第２の窒化物半導体４を成長させると、第２の窒化物半導体が横方向に伸び易くなり、第１の窒化物半導体３の隙間を埋め易くなるため好ましい。他方、アンドープとすると電気的特性が安定する。また、第２の窒化物半導体は空間上を成長するため、保護膜上の成長では選択性が低いために用いることのできなかったＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）を用いることもできる。また、第２の窒化物半導体の膜厚としては、ＧａＮの場合は３〜３０μｍ、好ましくは５〜２０μｍであるのが望ましく、ＡｌｘＧａ１−ｘＮの場合は２〜１５μｍが好ましい。
【００３４】
さらに、第２の窒化物半導体として適当な多層膜を用いてもよい。多層膜の層数及び膜厚は特に限定されず、バルクを２ペア積層したものであっても、多数の薄膜を積層した超格子であっても良い。各層の膜厚は、１０Å〜２μｍが好ましい。
【００３５】
ここで第２の窒化物半導体は、横方向の成長により得られた結晶性のよい第１の窒化物半導体の上面及び側面より成長させるため、保護膜が形成されていた部分上に成長する第２の窒化物半導体は結晶欠陥がなくなり、保護膜の窓部上部に成長した窒化物半導体にのみ結晶欠陥が残る。尚、図１（ｄ）では、第２の窒化物半導体が、第１の窒化物半導体の上面及び横方向成長した側面を核として成長する例を示したが、第２の窒化物半導体を第１の窒化物半導体の上面のみから成長させても良い。第２の窒化物半導体下には、空間が残り結晶欠陥の多い窒化物半導体からの結晶欠陥の伝播を抑えることができる。また保護膜が薄膜で残っていたとしてもＴ字両翼の下部に空間があれば、支持基板と窒化物半導体との歪みを緩和する効果を有する。
【００３６】
次に、図１（ｅ）に示すように第２の窒化物半導体４上に第３の窒化物半導体５を成長させ、その後に支持基板を分離する。さらに、支持基板との分離面を研磨することで平坦かつ鏡面とする。
【００３７】
ここで、第３の窒化物半導体５は厚膜で成長させるため、好ましくはＨＶＰＥ法により成長させる。Ｓｉ等のｎ型不純物をドープしてもよく、膜厚はラッピングを容易にできる３００μｍ以上とする。また、第３の窒化物半導体５の膜厚を１ｍｍ以上、さらに好ましくは２ｍｍ以上とすれば支持基板の自然剥離が可能となる。
【００３８】
第３の窒化物半導体５の厚膜成長を行うことにより、一層転位密度の低い窒化物半導体基板を得ることができる。尚、第３の窒化物半導体は、欠陥をより均一に分散させる観点からも、厚い方が有利である。好ましくは４００μｍ以上であれば欠陥を分散させることができる。
【００３９】
次に、第３の窒化物半導体５を３００μｍ以上であればラッピングにより窒化物半導体基板から支持基板１を除去後に、砥石と基板ウェハーとを回転させながら、お互い押し当てて窒化物半導体基板の支持基板側を研削するものである。前記工程で得られた窒化物半導体基板の第２の窒化物半導体４の表面側を土台に張り合わせ、固定させてからラッピングを行うものである。この張り合わせに用いる接着剤には、ワックスやメタル、エポキシ樹脂等を使用する。
【００４０】
また、第３の窒化物半導体５を膜厚１ｍｍ以上で成長させれば、ラッピング等を必要とせず、支持基板の自然除去をすることができる。
【００４１】
さらに、前記工程で得られた窒化物半導体の単体基板を支持基板を除去した側の窒化物半導体をさらに表面をミラーで平坦な面とするために表面研磨をし、図１（ｆ）に示すように単体基板とする。ここで得られる窒化物半導体の単体基板はＣＬ測定において貫通転位密度が１×１０７個／ｃｍ２以下であり、膜厚は薄膜から２ｍｍ以上の厚膜基板まで得ることができる。本発明によりインゴットの窒化物半導体を単体で得ることも期待できる。
【００４２】
本実施の形態における窒化物半導体基板によれば、窒化物半導体の接合部における転位の集中が緩和されており、接合部の認識が容易で、反りも抑制されているので、半導体レーザなどの窒化物半導体素子の製造が容易となる。さらに、窒化物半導体基板を表面が平坦な単体基板として得ることができれば、劈開が容易にでき、裏面に例えばｎ側電極を形成した発光素子等を提供することができる。半導体レーザ素子を製造する場合、半導体レーザ素子の横モード制御のためのストライプ構造は、電流及び／又は光が閉じ込められる活性領域が第１の窒化物半導体３の成長起点となった領域と、第２の窒化物半導体４の接合部とを避けて、これらの間に位置するように形成することが好ましい（これらの間における欠陥密度は、１×１０７個／ｃｍ２以下とできる）。なぜなら、横方向成長した第１の窒化物半導体４の成長起点となった領域、即ち保護膜の窓部の領域は転位密度が高く、また、第２の窒化物半導体同士が接合する部分も従来よりも転位が大巾に抑制されているとは言え、その他の領域に比べて転位密度が高いためである。例えば、リッジ導波路型半導体レーザの場合にはリッジ部を、埋め込みヘテロ型半導体レーザの場合には埋めこまれたストライプ部を、第１の窒化物半導体３の成長起点となった領域と第２の窒化物半導体４の接合部とを避けて、これらの間に位置するように形成する。尚、第２の窒化物半導体４同士の接合部における転位の集中が従来よりも大巾に緩和されているため、半導体レーザ素子のストライプ構造をより接合部に近い位置に形成することが可能であり、また、レーザ素子の寿命も向上する。
【００４３】
本発明において、窒化物半導体の一般式としては、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦Ｘ＜１、０≦Ｙ＜１、０≦Ｘ＋Ｙ＜１）で表される。また、ＩＩＩ族元素にＢを用いたり、Ｖ族元素であるＮの一部をＡｓ、Ｐで置換した混晶物を用いることができる。
【００４４】
また、窒化物半導体の成長時に用いるｎ型不純物としては、具体的にはＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓ、Ｏ、Ｔｉ、Ｚｒ等のＩＶ族、若しくはＶＩ族元素を用いることができ、ｐ型不純物としては、Ｂｅ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｇ、Ｃａ等が挙げられる。また、第２の窒化物半導体層を成長させるとき、ｎ型導電性を得るには良好なオーミック性を確保する必要がある。それにはｎ型不純物は、５×１０１６／ｃｍ３〜５×１０２１／ｃｍ３の範囲でドープすることが好ましい。
【００４５】
本発明の窒化物半導体基板の製造方法において、バッファ層、第１の窒化物半導体３、及び第２の窒化物半導体４等の窒化物半導体を成長させる方法としては、特に限定されないが、ＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長法）、ＨＶＰＥ（ハライド気相成長法）、ＭＢＥ（分子線エピタキシー法）、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）等の方法を適用できる。
【００４６】
かかる窒化物半導体の製造方法であれば、Ｔ字形状の第１の窒化物半導体において、Ｔ字両翼の成長時に支持基板からの貫通転位を該両翼に曲げることができる。この曲げられた貫通転位はＴ字両翼側面まで進む。そのため、少なくとも曲げられた範囲の貫通転位は縦方向には成長しない。つまり、Ｔ字両翼部分の上部に成長した第２の窒化物半導体には貫通転位が延びないため低転位の領域を形成することになる。さらに、第３の窒化物半導体を３００μｍ以上の厚膜で成長させればラッピングでの支持基板の除去を容易にできる。また、第３の窒化物半導体を１ｍｍ以上で成長させればラッピング等をすることなく、支持基板を自然剥離することができる。また、保護膜除去によりＴ字両翼の下部に空間を有するため、支持基板と窒化物半導体との歪みを緩和し、割れや欠けを発生することなく支持基板を除去することができる。また、第１の窒化物半導体の成長起点である支持基板との接触界面は結晶性が悪く、単結晶と比べてもろい。支持基板上に緩衝層を介して窒化物半導体を成長させたものや、窒化物半導体をＥＬＯ成長させたもの、その他に厚膜成長させたものからラッピングにより支持基板を除去すれば、支持基板と窒化物半導体との界面は全面接着しており、基板の反りが大きいため、その上に成長させた窒化物半導体に応力がかかり割れ等を生じる。このため、ラッピングを継続すれば窒化物半導体から成る単体基板を形成する前に割れが窒化物半導体の表面側まで延び、単体基板が分散してしまう。しかしながら、本発明では、支持基板との接触界面は第１の窒化物半導体のＴ字柱部分のみであり、上記窒化物半導体に比べ、支持基板と窒化物半導体との接着面での応力も少なく、Ｔ字両翼の下部に形成される空間がエアギャップの効果を有し、基板の反りを緩和させ、支持基板の除去を容易にすることができる。
【００４７】
【実施例】
以下に本発明の実施例を示すが本発明はこれに限定されない。
［実施例１］Ｃ面を主面とし、オリフラ面をＡ面とするサファイア基板１を用い、ＭＯＣＶＤ法により、温度を５１０℃、キャリアガスに水素、原料ガスにアンモニアとＴＭＧ（トリメチルガリウム）とを用い、サファイア基板１上にＧａＮよりなるバッファ層を２００オングストロームの膜厚で成長させる。
【００４８】
バッファ層成長後、その上にＣＶＤ法によりＳｉＯ２よりなる保護膜を０．５μｍの膜厚で成膜し、ストライプ状のフォトマスクを形成し、エッチングによりストライプ幅１４μｍ、窓部６μｍのＳｉＯ２よりなる保護膜２を形成する。なお、この保護膜２のストライプ方向はサファイアＡ面に対して垂直な方向とする。
【００４９】
次に、ＭＯＣＶＤ法により、減圧条件で温度を１０５０℃にして、原料ガスにＴＭＧ、アンモニアを用い、ＧａＮよりなる第１の窒化物半導体３を２μｍの膜厚で成長させる。この時、第１の窒化物半導体３は、ＳｉＯ２保護膜の開口部より成長し、この保護膜上に横方向成長させ、第１の窒化物半導体が完全にＳｉＯ２保護膜を覆う前に成長を止める。隣接する第１の窒化物半導体同士の隙間は、約２μｍとする。
【００５０】
次に、ドライエッチングである等方性エッチングにより、温度１２０℃で、エッチングガスに酸素、ＣＦ４を用い、ＳｉＯ２保護膜２を完全に取り除く。
【００５１】
さらに、横方向成長させた第１の窒化物半導体の側面および上面より、常圧でＭＯＣＶＤ法により、温度を１０５０℃にし、原料ガスにＴＭＧ、アンモニアを用い、ＧａＮよりなる第２の窒化物半導体４を１５μｍの膜厚で成長させる。尚、常圧でなく、減圧で第２の窒化物半導体４を成長しても良い。
【００５２】
得られた第２の窒化物半導体４の表面を、ＣＬ（カソードルミネセンス）により観測すると、保護膜の開口部上部には結晶欠陥が見られたが、保護膜が形成されていた上部に成長させた第２の窒化物半導体４の表面には結晶欠陥が殆ど見られず良好な結晶性を有している。結晶欠陥の数は、約６×１０６ｃｍ−２であった。
【００５３】
その後、第２の窒化物半導体４上にＨＶＰＥ法により第３の窒化物半導体５を形成する。まず、ＨＶＰＥ装置内に、Ｇａメタルを入れたボートを設置し、さらにボートから離れた位置に前工程で得られた窒化物半導体基板を設置する。次にＧａメタルと反応させるハロゲンガスであるＨＣｌガスと、ハロゲンガス供給管とは別にＮ源供給管とを設け、Ｎ源としてアンモニアガスを流す。以上によりアンドープのＧａＮを膜厚２ｍｍで形成する。
【００５４】
次に、反応終了後の窒化物半導体基板を冷却させることにより自然剥離で支持基板の剥離除去を行う。以上より、結晶性のよいＧａＮの単体基板を膜厚２ｍｍで得ることができる。
【００５５】
［実施例２］前記実施例１において、基板上にＴＭＧのみ止めて、温度を１０５０℃まで上昇させ、１０５０℃になったら、原料ガスにＴＭＧ、アンモニアを用い、アンドープＧａＮよりなる窒化物半導体の下地層を２．５μｍの膜厚で成長させる。
【００５６】
［実施例３］実施例１において、保護膜を第１の窒化物半導体が露出しない程度でエッチングを止めて、第２の窒化物半導体を成長させる他は同様とする。その結果、実施例１とほぼ同様に良好な結果が得られる。
【００５７】
[実施例４]実施例１において、保護膜２のパターンを図３に示すようなＴ字柱の両側に保護膜を残す他は同様にして窒化物半導体基板を成長させる。この結果、保護膜が形成されていた上部に成長させた第２の窒化物半導体層の表面には、良好な結晶性を有している。
【００５８】
［実施例５］実施例１において、図４に示すように、第２の窒化物半導体をＨＶＰＥで成長させる。この第２の窒化物半導体の膜厚は２ｍｍとする。以上により、支持基板と分離したＧａＮの単体基板を膜厚２ｍｍで得ることができる。
【００５９】
【発明の効果】
本発明の窒化物半導体基板によれば、横方向成長した窒化物半導体層の接合部への転位の集中によるピットの発生を抑制し、また、素子形成工程における接合部の認識を容易にし、さらに、厚膜成長させた窒化物半導体の単体基板を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）〜（ｆ）は、本件第１発明における窒化物半導体基板の製造工程を模式的に示す断面図である。
【図２】図２は、本件第１発明における窒化物半導体基板の別の態様を模式的に示す断面図である。
【図３】図３は、本件第１発明における窒化物半導体基板のさらに別の態様模式的に示す断面図である。
【図４】図４は、本件第１発明における窒化物半導体基板の別の態様を模式的に示す断面図である。
【図１】
0003823775.tif 000002
【図２】
0003823775.tif 000003
【図３】
0003823775.tif 000004
【図４】
0003823775.tif 000005