JP4165030B2

JP4165030B2 - 窒化物半導体から成る単体基板の製造方法

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Publication number: JP4165030B2
Application number: JP2001132670A
Authority: JP
Inventors: 満宏野中; 孝典原田
Original assignee: Nichia Corp
Current assignee: Nichia Corp
Priority date: 2001-04-27
Filing date: 2001-04-27
Publication date: 2008-10-15
Anticipated expiration: 2021-04-27
Also published as: JP2002329665A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光ダイオード、レーザダイオード等の発光素子、あるいは太陽電池、光センサー等の受光素子、又は電子デバイスなどに使用される窒化物半導体（Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ、０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）を有する窒化物半導体基板の製造方法に関し、特に窒化物半導体から異種基板を除去した単体の窒化物半導体基板を得る製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、窒化物半導体基板を用いた青色から紫外域にかけての短波長、また白色発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザ（ＬＤ）が注目されている。その中で、ＬＤは、ＤＶＤなど、大容量・高密度の情報記録・再生が可能なディスクシステムへの利用に対する要求が高まりを見せている。そのため、このようなＬＥＤ及びＬＤ等への利用、その他に受光素子、電子デバイスへの応用が期待される窒化物半導体基板を単結晶で得る方法が種々検討されている。
【０００３】
この窒化物半導体基板として例えば窒化ガリウムをバルク単結晶で得る方法には高圧法などがあるものの、実用化には至っていない。そのため、窒化物半導体とは異なるサファイア等の異種基板を用い、この異種基板上に窒化物半導体を成長させることで窒化物半導体基板としＬＥＤやＬＤ、電子デバイスに利用されている。
【０００４】
サファイア等のような窒化物半導体とは異なる異種基板を用い、窒化物半導体基板とするには、基板と窒化物半導体との格子定数差から、基板上に窒化物半導体を直接成長させると、貫通転位密度が単位面積あたり１０^１０個ｃｍ^−２と多く発生するため、このような結晶性の悪い窒化物半導体基板上にＬＥＤやＬＤ等の半導体素子を成長させた場合は、寿命特性や素子特性が低下する。そのため結晶性を向上させるために基板上に９００℃以下の低温で窒化物半導体から成るバッファ層を成長させる方法が用いられている。このバッファ層を成長させることにより、貫通転位を１０^８個ｃｍ^−２まで低減し、平坦で鏡面となる窒化物半導体基板の成長が可能となった。
【０００５】
また、成長速度が速く厚膜成長が可能な気相エピタキシャル成長法としてハイドライド気相エピタキシャル成長（Hydride Vapor Phase Epitaxy）法がある。このハイドライド気相エピタキシャル成長法は、他の有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法などに比べて成長速度が速く数十〜数百μｍの厚みをもつバルク単結晶が得られる特徴を持つ。そのため、ハイドライド気相エピタキシャル成長法により厚膜成長を行い、窒化物半導体の表面に発生する貫通転位を均一に低減させた基板が期待される。
【０００６】
さらに、窒化物半導体基板を単体で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。そのため、後工程において異種基板を除去する方法が検討されている。具体例としては、異種基板であるサファイア基板上に厚膜の窒化ガリウムを成長させ、その後、異種基板を研磨で除去することによる単結晶の製造方法が報告されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、サファイア基板等は、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、研磨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。また、ハイドライド気相成長法等の厚膜成長させた窒化物半導体であって、具体的には１００μｍ以上の膜厚を成長させた場合には、研磨時に、このような欠けや割れ等の問題が顕著に現れていた。
【０００８】
一方、研磨以外の窒化ガリウム等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、サファイアと窒化ガリウムとが接している共有面で分離し、窒化ガリウムから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、窒化ガリウムとサファイアが接触している共有面で窒化ガリウムがレーザ光を吸収して窒化ガリウムの分解が生じ、窒化ガリウムからサファイアを分離することができるものである。この方法によれば、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面にあると、例えばマイクロクラックなどの微細な割れが発生する場合がある。このマイクロクラックが発生すると、発光素子などにおいては寿命特性などの素子特性の低下や、歩留まりの低下等を引き起こすことが考えられる。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、上記問題に鑑み、異種基板上に窒化物半導体を成長させた窒化物半導体基板から異種基板を除去することにより窒化物半導体の単体基板を得る製造方法を提供することである。さらに、ここで得られる窒化物半導体の単体基板は、ホール移動度を大きくすることによる電気的特性の向上を目的とした低転位であり、厚膜の窒化物半導体である。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的は、下記（１）〜（７）の構成により達成することができる。
（１）基板上に気相エピタキシャル成長法により成長させた窒化物半導体基板を切断して窒化物半導体から成る単体基板を製造する方法において、前記基板上に窒化物半導体を２段階成長させることにより成長界面を形成して、該成長界面を互いの接触面とする第１及び第２の窒化物半導体を有する前記窒化物半導体基板を形成する第１の工程と、前記第１の工程で得られた窒化物半導体基板を、ワイヤーソーで、前記成長界面に対して平行方向に、且つ前記成長界面又は前記成長界面付近で切断する第２の工程と、を備え、前記成長界面は、前記第１の窒化物半導体の表面に形成された多角錐形状、又は円錐形状の窪みにより、水平面に対して高低差を有することを特徴とする窒化物半導体から成る単体基板の製造方法。
（２）基板上に気相エピタキシャル成長法により成長させた窒化物半導体基板を切断して窒化物半導体から成る単体基板を製造する方法において、前記基板上に窒化物半導体を２段階成長させることにより成長界面を形成して、該成長界面を互いの接触面とする第１及び第２の窒化物半導体を有する前記窒化物半導体基板を形成する第１の工程と、前記第１の工程で得られた窒化物半導体基板を、ワイヤーソーで、前記成長界面に対して平行方向に、且つ前記成長界面又は前記成長界面付近で切断する第２の工程と、を備え、前記成長界面は、前記第１の窒化物半導体の表面に形成された波形状、又はドット状の凸部により、水平面に対して高低差を有することを特徴とする窒化物半導体から成る単体基板の製造方法。
（３）前記第１の工程において、前記第１及び第２の窒化物半導体は不純物がドープされ、前記第１の窒化物半導体と前記第２の窒化物半導体との不純物ドープ量を変えるか、又は異なる不純物をドープして前記成長界面の高低差を形成する（１）又は（２）に記載の窒化物半導体から成る単体基板の製造方法。
（４）前記第１の工程において、前記第２の窒化物半導体の成長速度を前記第１の窒化物半導体の成長速度よりも遅くして前記成長界面の高低差を形成する（１）乃至（３）のいずれかに記載の窒化物半導体から成る単体基板の製造方法。
（５）前記第１の工程において、前記窒化物半導体基板に前記成長界面を少なくとも２つ以上形成する（１）乃至（４）のいずれかに記載の窒化物半導体から成る単体基板の製造方法。
（６）前記第２の工程において、前記成長界面を少なくとも２つ以上形成した窒化物半導体基板を、前記各成長界面に対して同時に複数のワイヤーソーで切断する（５）に記載の窒化物半導体から成る単体基板の製造方法。
（７）前記第２の工程における前記窒化物半導体基板の切断は、窒化物半導体表面をワックス、メタル、又はエポキシ樹脂により土台に固定させてから行う（１）乃至（６）のいずれかに記載の窒化物半導体から成る単体基板の製造方法。
【００１１】
つまり、本発明は異種基板上に窒化物半導体を成長させた窒化物半導体基板において、窒化物半導体内にある成長界面、又は成長界面付近でワイヤーソーにより切断させ、単体の窒化物半導体を形成するものである。また、ワイヤーソーでの切断は、厚膜成長させたことで成長界面を複数有する窒化物半導体基板に対し、同時に複数のワイヤーソーで切断することで、窒化物半導体の単体基板を量産することができる。
【００１２】
本発明におけるワイヤーソーとは、高速走行するワイヤー列に加工物を押し当てると共に、砥粒を混合した加工液であるスラリーを供給して、このスラリーのラッピング効果により切断していくものである。ここで、本発明における加工物とは窒化物半導体基板であり、ワイヤーにはピアノ線等を用いることができる。また、窒化物半導体基板は切断時に土台に固定させるのに、ワックスやメタル、その他にエポキシ樹脂等を用いる。このワイヤーソーの太さとしては、８０μｍ〜２００μｍである。このワイヤーソーが細すぎれば、ワイヤーソーの劣化が早く、ワイヤーの断線が起こる。また、ワイヤーソーが太くなれば、その分、切断時に除去される窒化物半導体の量が多くなり、厚膜の窒化物半導体を得ることが困難となる。そのため、上記範囲内の太さでワイヤーソーを用いるのが好ましい。このワイヤーソーは一度に多くの単体基板を得ることができ、量産には好ましい。
【００１３】
また、窒化物半導体基板の切断方法にはブレードを用いる方法がある。この方法は、窒化物半導体内に形成された成長界面に対し、平行に回転する切断刃により切断させ、単体基板を得るものである。このブレードによる切断は精度がよく、短時間で単体基板を得ることができる。
【００１４】
本発明における窒化物半導体内に形成された成長界面とは、異種基板上に成長させる第１の窒化物半導体３の表面にクレーター、又は凸型の斜面を形成した後、２段階成長として第２の窒化物半導体４を成長させることにより成長界面を形成した窒化物半導体基板である。この成長界面である凸型の斜面は連続して存在するものであってもよい。
【００１５】
本発明におけるクレーターとは、第１の窒化物半導体３成長後に表面の平面上に形成される多角錐形状、又は円錐形状の窪みのことである。この窪みの大きさ、及び深さは、特に限定されないが、窪みの大きさ、及び深さは５μｍ以上１００μｍ以下であれば好ましい。また、この深さは同一成長界面における成長界面の高低差となる。この成長界面の高低差は連続して形成されていてもよい。また、成長界面付近とは成長界面の高低差１００μｍの範囲を成長界面とし、その上下に３００μｍ、好ましくは１００μｍの範囲を成長界面付近とする。
【００１６】
また、本発明における凸型の斜面とは、第１の窒化物半導体３を成長後に形成される第１の窒化物半導体の表面が水平面に対して高低差を有する表面形状のことである。この凸型の斜面は、水平面に対して波形状やドット状の凸部を有するものであってもよい。
【００１７】
上記に示す２段階成長により成長界面の形成条件としては、第１の窒化物半導体と第２の窒化物半導体との成長速度を変えるものである。この成長速度差により、窒化物半導体内に成長界面を形成する。第１の窒化物半導体の成長速度としては０．２ｍｍ／ｈｏｕｒ以上、好ましくは０．５ｍｍ／ｈｏｕｒ以上とする。第２の窒化物半導体の成長速度としては、特に限定されないが、好ましくは第１の窒化物半導体の成長速度を第２の窒化物半導体の成長速度よりも速くすることである。また、第１の窒化物半導体は異種基板上に下地層を介して成長させてもよい。また、上記に示すような高速成長に好ましい成長方法としては、短時間で厚膜成長が可能なハイドライド気相成長法が挙げられる。
【００１８】
また、その他の成長界面を形成する条件としては、窒化物半導体内にｎ型不純物やｐ型不純物をドープさせることが挙げられる。第１の窒化物半導体と第２の窒化物半導体との不純物ドープ量を変えるか、又は異なる不純物をドープさせる。例えば、第１の窒化物半導体にはｎ型不純物としてＳｉをドープさせることで、縦方向の成長を促進させる。次に第２の窒化物半導体にはｐ型不純物としてＭｇをドープして横方向の成長を促進させる。このように成長方向を変化させることにより、成長界面を形成することができると同時に転位の低減効果もある。また、上記に示す成長速度の条件と不純物ドープの条件を合わせて成長界面を形成することもできる。
【００１９】
以上のような条件で成長界面を形成すると、第２の窒化物半導体との接触面となる第１の窒化物半導体の界面付近で貫通転位がループを作ることができる。これは成長界面が高低差を有することにより、成長界面の表面は水平面に対して斜面であるため、貫通転位の進行方向を変えることができるためである。この進行方向を曲げられた貫通転位は図６に示すように、曲げられた貫通転位同士が転位ループを形成し、その後、収束することで窒化物半導体の成長途中で貫通転位を減少させることができる。これにより、その成長界面には単位面積当たりの転位密度を単位面積あたり１×１０^７個／ｃｍ^２以下まで低減することができる。このように窒化物半導体内に形成された成長界面は結晶性が弱く、一様な結晶的に不均一な界面となり、応力緩和され、異種基板上に窒化物半導体の厚膜成長が可能となる。また、ワイヤーソーでの切断を行うには、結晶性が弱い成長界面や成長界面付近では容易に行うことができ、好ましい。
【００２０】
ここで、下地層とは、結晶性を向上させるために異種基板上に９００℃以下の低温で成長させる窒化物半導体から成るバッファ層である。この下地層はＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ等であり、膜厚は１００Å〜５０μｍで成長する。また、異種基板によっては省略することも可能である。図１、及び図３では、下地層２を介して窒化物半導体を成長させた模式図を示している。また、図２、及び図４には下地層２ではなく、核として成長させた窒化物半導体を介して窒化物半導体を成長させた模式図を示している。
【００２１】
また、窒化物半導体内に成長界面を形成する工程を繰り返し行うことで成長界面を複数形成し、さらに貫通転位を低減させることができる。具体例としては、成長界面を２つ有する窒化物半導体基板では単位面積あたりの貫通転位密度を１×１０^６個／ｃｍ^２以下、好ましくは７×１０^５個／ｃｍ^２とすることができる。この窒化物半導体基板は、選択的に結晶性のいい領域を形成するのではなく、窒化物半導体基板の表面全体を均一に低転位とすることができるため、安定した低転位基板を提供することができる。又、成長界面を複数（２つ以上）有することによりサファイア等の異種基板と窒化物半導体との間に生じる応力を異種基板と窒化物半導体との界面だけでなく、数段階で分散することができる。この応力は熱膨張係数差であり、異種基板と窒化物半導体との成長界面だけでは、この応力を十分に緩和させることができない。そのため、窒化物半導体基板に反りを生じ、さらには窒化物半導体内に割れや欠けを生じる。そこで、成長界面を窒化物半導体内に少なくとも２つ形成することで、このような問題を解決させることもできる。
【００２２】
上記に示すように厚膜成長させ、成長界面を窒化物半導体内に複数有することは、ワイヤーソーでの切断を同時に成長界面の数だけ行うことができる。そのため、窒化物半導体の単体基板を一度に量産することができる。
【００２３】
ここで、異種基板とは窒化物半導体と異なる基板であればよい。この異種基板にはＣ面、Ｒ面、及びＡ面のいずれかを主面とするサファイアやＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃ）、スピネル、ＺｎＳ、ＺｎＯ、Ｓｉ、ＧａＡｓ等がある。又、窒化ガリウムのように一般式Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ＋ｙ}Ｎ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｘ＋Ｙ≦１）で示される窒化物半導体を基板とすることもできる。また、異種基板の大きさは特に限定されないが、１〜５インチφのウェハーが用いられており、基板の厚みも劈開やダイシングによるチップ化が可能な範囲であればよい。具体的には異種基板の厚みは０．１ｍｍ以上とする。これらの異種基板は表面が平坦なものを使用するが、窒化物半導体から成る核、又は層を成長させることができれば、窒化物半導体の成長面に、例えばエッチング等により細かい荒れを有するものや、異種基板の窒化物半導体の成長面に凹凸、斜面、階段形状を有するものや、異種基板の窒化物半導体の成長面に対し裏面に凹凸、溝等を有するものであってもよい。
【００２４】
以上に示すように成長界面を窒化物半導体内に有することで、ワイヤーソーでの切断が可能となる。窒化物半導体内に成長界面がなければ、ワイヤーソーでの切断は異種基板上に直接成長させた窒化物半導体を切断するものであるため、歪みが大きく、切断時に異種基板のみならず、窒化物半導体も割れていた。そのため、このワイヤーソーでの切断により窒化物半導体の単体基板を得るのは困難であった。そこで、本発明では上記に示す条件でワイヤーソーでの切断が可能な成長界面を有する窒化物半導体基板とした。また、この成長界面を窒化物半導体内に複数（２つ以上）有することで、異種基板との格子定数差や熱膨張係数差から生じる応力を緩和させることができる。そのため、異種基板上に窒化物半導体はワイヤーソーの太さよりも厚膜である必要があるが、３００μｍ以上の厚膜で成長させることが可能となる。そのため、ワイヤーソーでの切断に必要な厚膜成長が可能となり、ワイヤーソーでの切断が行うことができる。また、窒化物半導体内に成長界面を複数（２つ以上）有することで、一度に成長界面と同じ数のワイヤーソーで切断させることができ、窒化物半導体の単体を量産することができる。
【００２５】
このように本発明は、異種基板上に成長条件の異なる窒化物半導体を成長させることで、窒化物半導体内に結晶的不均一を有する成長界面を形成し、ワイヤーソーで切断するものである。このようにワイヤーソーで切断する時に生じる窒化物半導体への応力により発生する割れや欠け等が異種基板から窒化物半導体まで影響を及ぼさず、容易に異種基板の除去が可能となり、膜厚が１００μｍ以上の窒化物半導体から成る単体基板を形成することができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
本発明における窒化物半導体から成る単体基板は、異種基板上の窒化物半導体内にクレーター、又は凸型の斜面を有する成長界面を備えた窒化物半導体基板をワイヤーソーを用いて成長界面で切断することにより形成される。以下、本発明の実施形態について図１をもとに製造工程をもとに説明する。
【００２７】
第１の工程としては、異種基板１上に下地層２を成長させ、次に、２段階成長により、第１の窒化物半導体３を成長させ、その上に、第２の窒化物半導体４を成長させることにより、第１の窒化物半導体３と第２の窒化物半導体４との間に成長界面を有する窒化物半導体基板を形成する。
【００２８】
本発明における異種基板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やＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃ）、スピネル、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、Ｓｉ、又は窒化物半導体等が基板として挙げられる。好ましい異種基板１としては、サファイア、ＳｉＣ、スピネルである。また、基板をオフアングルしていてもよく、この場合ステップ状にオフアングルした基板を用いると窒化物半導体からなる下地層２の成長が結晶性よく成長する傾向にあり好ましい。この時のオフ角としては、０°〜０．５°、好ましくは０．１°〜０．２°とする。これらの異種基板は表面が平坦なものを使用するが、窒化物半導体から成る核、又は層を成長させることができれば、例えばエッチング等により細かい荒れを有するものや、基板に凹凸、斜面、階段形状を有するものであってもよい。
【００２９】
次に下地層２を異種基板１上に気相成長法により成長させる。この下地層２はバッファー層としての効果があり、異種基板１と窒化物半導体との格子定数不整合を緩和させることができる。例えば、窒化ガリウムとサファイアとの格子不整合は約１５％と非常に大きいため、表面モフォロジーの良好な結晶性を有する基板を得るのは困難であった。下地層２にはこの格子定数の違いを緩和させる効果があり、具体例としては、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦Ｘ≦１）、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦Ｘ≦１）、及びＩｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１）が挙げられる。製造方法としてはキャリアガスに水素、原料ガスにはトリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、トリメチルインジウム等を用い、３００℃以上９００℃以下の温度、１０オングストローム以上１０μｍ以下の膜厚で成長させる。また、ｎ型不純物やｐ型不純物をドープしてもよい。尚、この下地層２は複数層であってもよく、また省略することもできる。
【００３０】
この下地層が２層構造である場合には、例えば、核や薄膜から成る窒化物半導体を第１の下地層として成長させ、次に第２の下地層を第１の下地層上に成長させることによりＣ軸配向特性の優れた下地層２とすることができる。
【００３１】
この下地層を２層で成長させる場合の成長条件としては、例えばＭＯＣＶＤ法を用い第１の下地層と第２の下地層とを同様のキャリアガスを用い、キャリアガスには水素を用いる。原料ガスにはトリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、トリメチルインジウム等を用いて、第１の下地層と第２の下地層との組成を変えることができる。第１の下地層を３００℃以上９００℃以下の低温で、薄膜を１０オングストローム以上０．５μｍ以下の膜厚で成長させた後、第２の下地層は成長温度を９００℃〜１１００℃として第１の下地層より高温で成長させる。この第２の下地層は、核として成長させるものは途中で成長を止め核とし、層とするものは更に成長を続けることで表面をミラー形成し、第２の下地層は膜厚を５μｍ以下とする。このような２層構造として表面をミラー形成するには、結晶の核密度の均一性や配向特性、及び大きさ、層の厚みの制御が容易であるＭＯＣＶＤ法を用いるのが好ましいが、他の気相成長法を用いることもできる。このように異種基板１上に下地層を９００℃以下の温度で成長させることにより異種基板上に成長させる窒化物半導体との格子定数不正を緩和させることができる。例えば、窒化ガリウムとサファイアとの格子不整合は約１４％と非常に大きいが、この下地層を成長させることにより、表面モフォロジーの良好な結晶性を有する窒化物半導体基板を得ることができる。下地層２としては窒化物半導体から成る核、または層であり組成式としては特に限定されず、一般式Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ＜１）によって表すことができる。下地層を核として成長させる場合は途中で成長を止め、また層として成長させる場合はさらに成長を続けることでミラーを形成した窒化物半導体層とする。なお、下地層は異種基板の種類等により省略することもできる。
【００３２】
次に、下地層２を成長させた異種基板１上に、第１の窒化物半導体３と第２の窒化物半導体４とを成長させる。第１の窒化物半導体３としては、成長界面がクレーター、又は凸型の斜面となるものであり、好ましくはこの凸型の斜面は連続して形成されているものである。また、この界面の高低差が好ましくは５μｍ〜１００μｍ、より好ましくは５μｍ〜５０μｍであれば、貫通転位の成長方向を斜面成長方向に曲げることができるため、第２の窒化物半導体４の成長時にこの貫通転位同士を接合させ、貫通転位を集束させることができる。この窒化物半導体基板は３０μｍ以上の膜厚で成長させても成長界面を有することにより応力緩和をすることができ、成長界面の形成により貫通転位を集束させることもできるが、さらに厚膜成長させることにより貫通転位を低減させる効果も有する。
【００３３】
さらに、このような成長界面を２つ形成するには、第２の窒化物半導体４上に第３の窒化物半導体５、その上に第４の窒化物半導体６を成長させる。これにより、第１の窒化物半導体３と、第２の窒化物半導体４との間に成長界面を形成し、第３の窒化物半導体５と、第４の窒化物半導体６との間に成長界面を形成することができる。
【００３４】
このような成長界面の形成条件としては、第１の窒化物半導体、及び第３の窒化物半導体の成長条件である成長速度を０．２ｍｍ／ｈｏｕｒ以上、好ましくは０．５ｍｍ／ｈｏｕｒ以上とし、上限は１００ｍｍ／ｈｏｕｒ以下とする。この成長速度で第１の窒化物半導体を成長させれば、表面にクレーターや凸型の斜面を連続して形成することができ、その上に成長させる第２の窒化物半導体や第４の窒化物半導体との間に成長界面を形成ことができる。このような窒化物半導体基板を得る条件としては、第１の窒化物半導体の成長速度（Ｒ１）と、第２の窒化物半導体の成長速度（Ｒ２）との比（Ｒ１／Ｒ２）が１以上であること、つまり第２の窒化物半導体の成長速度を第１の窒化物半導体の成長速度よりも遅くすることが好ましい。これは、第３の窒化物半導体と第４の窒化物半導体とについても同様であり、第３の窒化物半導体の成長速度（Ｒ３）と、第４の窒化物半導体の成長速度（Ｒ４）との比（Ｒ３／Ｒ４）が１以上とし、第４の窒化物半導体の成長速度を第３の窒化物半導体の成長速度よりも遅くすることが好ましい。
【００３５】
また、その他の成長界面を形成する条件としては、第１〜第４の窒化物半導体にｎ型不純物やｐ型不純物をドープさせることが挙げられる。第１の窒化物半導体と第２の窒化物半導体との不純物ドープ量を変えるか、又は異なる不純物をドープさせる。例えば、第１の窒化物半導体や第３の窒化物半導体にはｎ型不純物としてＳｉをドープさせることで、縦方向の成長を促進させて、クレーター、や凸型の斜面を形成させることができる。次に第２の窒化物半導体や第４の窒化物半導体にはｐ型不純物としてＭｇをドープして横方向の成長を促進させる。また、ｎ型不純物とｐ型不純物を同時ドープさせてもよい。このように成長方向を変化させることにより、成長界面を形成することができると同時に転位の低減効果もある。さらに、上記に示す成長速度の条件と不純物ドープの条件を合わせて成長界面を形成することもできる。ここでｎ型不純物としてはＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎ及びＳ等の少なくとも１種類をドープしたもの、ｐ型不純物としてはＭｇ、Ｂｅ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃａ、Ｚｎ等を用いることができる。また、成長界面を形成するためには、その他の反応条件として第１の窒化物半導体と第２の窒化物半導体との成長温度差を設けるなども考えられる。
【００３６】
以上より、成長界面を形成すれば、後工程でのワイヤーソーでの切断が容易にできる。また、異種基板上に格子定数や熱膨張係数の違う窒化物半導体を厚膜で成長させることが可能となる。さらに、クレーターや凸型の斜面を形成することにより貫通転位を多方向に曲げることで、多方向に曲げられた貫通転位は貫通転位同士が接合しループを形成して集束するために、貫通転位を減少した窒化物半導体基板とすることができる。第１の窒化物半導体上に第１の窒化物半導体よりも成長速度が遅い第２の窒化物半導体を積層することにより、欠陥の減少を促進させ、鏡面で平坦性を有する低欠陥である窒化物半導体基板を得ることができる。
【００３７】
この第１の窒化物半導体の膜厚としては特に限定されないが、好ましくは２０μｍ〜１ｍｍ、より好ましくは５０μｍ〜２００μｍであり、圧力条件としては常圧、又は微減圧で成長させる。第２、第４の窒化物半導体は、第１、第３の窒化物半導体と同温、又はそれ以上の温度で成長させるのが好ましく、１０００℃以上とする。ただし、第１の窒化物半導体３と第２の窒化物半導体４との温度差が大きければ基板に反りが発生するため成長温度差が少ない方が好ましい。また、第２の窒化物半導体４の膜厚としては、最上面が鏡面になれば特に限定されず、第１の窒化物半導体にあるクレーターや凸型斜面の高低差が埋まる範囲の膜厚であればよい。そのため、第２の窒化物半導体は膜厚を３０μｍ程度の成長が可能な気相成長法であればＭＯＣＶＤ法やＭＢＥ法等でも行うことができる。
【００３８】
第１〜第４の窒化物半導体の組成式としては、特に限定されず、一般式Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ＜１）によって表すことができる。但し、第１の窒化物半導体３と第２の窒化物半導体４に限らず、それぞれの組成は互いに異なるものであってもよい。これらの窒化物半導体には、アンドープの窒化物半導体、ｎ型不純物としてＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎ及びＳ等の少なくとも一種類をドープした窒化物半導体、又はｐ型不純物としてはＭｇ、Ｂｅ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃａ、Ｚｎ等をドープした窒化物半導体を用いることができる。
【００３９】
このように下地層２の上に成長させる第１の窒化物半導体３と第２の窒化物半導体４とを成長速度を速く、厚膜で成長させる場合にはハイドライド気相エピタキシャル成長法であるのが好ましい。成長界面を有する窒化物半導体基板であれば、基板に発生する応力を緩和させ、３００μｍ以上の厚膜の窒化物半導体を成長させた窒化物半導体基板を得ることが可能となる。
【００４０】
以下にＨＶＰＥ装置を用いた場合の成長条件を示す。
本発明において、第１〜第４の窒化物半導体の成長方法はハイドライド気相エピタキシャル成長法を用いることができる。このハイドライド気相エピタキシャル成長法とは、ガリウム、アルミニウム、インジウム等の３族元素と、塩化水素等のハロゲンガスとを反応させて、３族元素の塩化物、臭化物、ヨウ化物などのハロゲン化物を得て、そのハロゲン化物をアンモニア、ヒドラジン等のＮ源と高温で反応させて窒化物半導体を得る方法である。
【００４１】
窒化物半導体として窒化ガリウムを成長させるには、ＨＶＰＥ装置内において、ガリウムメタルを入れた石英ボートを設置し、さらに石英ボートから離れた位置に異種基板であるウェハーを設置する。次にガリウムメタルと反応させるハロゲンガスの供給管と、ハロゲンガス供給管とは別に、Ｎ源供給管を設ける。このハロゲンガスとしてはＨＣｌ等があり、キャリアガスと共にハロゲンガス管より導入される。このハロゲンガスとガリウム等の金属が反応することにより３族元素のハロゲン化物を生成させ、さらに、Ｎ源供給管より流したアンモニアガスと反応することにより第１〜第４の窒化物半導体層とを下地層を介した異種基板上に成長させる。また、窒化物半導体にｎ型不純物をドープする場合には、例えばＳｉであればジクロロシラン、トリクロロシラン、モノシランを原料ガスに用いることができる。
【００４２】
以上により形成した窒化物半導体基板において、第２の窒化物半導体４としては、第１の窒化物半導体３との成長界面に結晶的な不均一を有するものである。また、この成長界面で転位密度が大幅に異なるものが好ましい。第１の窒化物半導体と第２の窒化物半導体との界面に転位密度差を有することにより、後の工程においてのワイヤーソーでの切断時に第２の窒化物半導体に割れを生じることなく容易に異種基板を除去することができる。
【００４３】
第２の工程では、第１の工程において形成した成長界面を窒化物半導体内に有する窒化物半導体基板を第２の窒化物半導体の最上面を土台に貼り付けて固定させる。次に、高速走行するワイヤーソーによりスラリーを供給し、このスラリーのラッピング効果により成長界面付近で切断する。このスラリーとは、砥粒を混合した加工液である。得られる窒化物半導体の単体基板は膜厚が５０μｍ以上、好ましくは１００μｍ以上とする。
【００４４】
ここで、土台に固定させるための貼り合わせに用いる共晶材料としてはワックスやメタルが挙げられる。このメタルにはＡｕ合金があり、具体例としてＡｕ−Ｓｎ、Ａｕ−ＳｉやＡｕ−Ｇｅ、その他にＺｎを用いることができ、さらに治具などで加圧することにより基板の反りを抑制させる。その他に窒化物半導体基板の固定にはエポキシ樹脂等も用いることができる。
【００４５】
得られた第２の窒化物半導体の切断された面を研磨することにより平坦、かつ鏡面とし、さらに上記で使用した共晶材料を加熱除去し、酸洗浄することにより窒化物半導体の単体基板として得ることができる。得られた単体基板は、膜厚５０μｍ以上であり、単位面積あたりの転位数が１×１０^７個／ｃｍ^２以下の低転位密度である窒化物半導体となる。
【００４６】
【実施例】
以下、本発明における実施例について図面を参照して説明する。
［実施例１］
図１に示すように、異種基板１として、Ｃ面を主面、オリフラ面をＡ面とするサファイア基板を用い、ＭＯＣＶＤ装置にセットし、温度１０５０℃で１０分間のサーマルクリーニングを行い水分や表面の付着物を除去した。
【００４７】
次に、温度を５１０℃にして、キャリアガスに水素、原料ガスにアンモニアとトリメチルガリウムを用い、ＧａＮより成る第１の下地層を２００オングストロームの膜厚で成長させた。
【００４８】
その後、第１の下地層上に第２の下地層としてＧａＮから成り平坦性を有する層を成長温度１０５０℃において膜厚２．５μｍで形成した。本実施例では、成長時のキャリアガスとして水素を２０．５Ｌ／分、原料ガスとしてアンモニアを５Ｌ／分、トリメチルガリウムを２５ｃｃ／分間、流した。
【００４９】
第２の下地層を成長後、ハイドライド気相エピタキシャル成長装置にセットし、Ｇａメタルを石英ボートに用意し、ハロゲンガスにＨＣｌガスを用いることによりＧａＣｌ_３を生成し、次に、Ｎガスであるアンモニアガスと反応させ、ＧａＮよりなる第１の窒化物半導体層３を成長させた。第１の窒化物半導体層３の成長温度としては１０００℃であり、成長速度を０．２ｍｍ／ｈｏｕｒとして、膜厚１００μｍで成長させる。
【００５０】
次に、第１の窒化物半導体層３上に、第２の窒化物半導体層４をハイドライド気相エピタキシャル成長法装置において成長させる。この時の成長条件としては、成長温度を第１の窒化物半導体層３と同温とし、第２の窒化物半導体層４の成長速度を５０μｍ／ｈｏｕｒで膜厚は５０μｍで成長させる。ここで得られた第２の窒化物半導体層４の表面は平坦かつ鏡面となり、ＣＬ観察によると貫通転位密度は約７×１０^５個／ｃｍ^２となる。
【００５１】
次に、上記窒化物半導体の最上面である第２の窒化物半導体面を共晶材料にＡｕ−Ｓｎを用い土台となるサファイア基板に貼り合わせ、１６０μｍのワイヤーソーにより切断することで反りを緩和させた単体基板を得ることができる。その後、窒化物半導体のサファイア基板側から研磨加工を行うことにより、サファイア基板を除去した。研磨時に発生するＧａＮのＣ面方向の層状の割れは第１の窒化物半導体と第２の窒化物半導体との界面で抑制されるため、サファイア基板を取り除いた後、さらに研磨を行い第１の窒化物半導体を除去することにより、第２の窒化物半導体の第１の窒化物半導体との界面側（以下、第２の窒化物半導体の第２面と示す。）を平坦化し鏡面を得ることができる。
【００５２】
［実施例２］
実施例１において、図３に示すように成長界面の形成工程を繰り返し行う。第２の窒化物半導体４上に、第１の窒化物半導体３と同様の条件で第３の窒化物半導体５、その上に第２の窒化物半導体４と同様の条件で第４の窒化物半導体６を成長させ、窒化物半導体内に成長界面を２つ形成した窒化物半導体基板を形成する。その他は、実施例１と同様の条件で成長させ窒化物半導体基板を得る。その後、ワイヤーソーにより成長界面で切断することにより、単体基板を２つ得ることができる。得られる窒化物半導体は、実施例１と同様に単位面積あたりの結晶欠陥が１×１０^６個／ｃｍ^２以下の低欠陥である窒化物半導体の単体基板である。
【００５３】
［実施例３］
実施例１において、図２に示すようにＣ面を主面としたサファイア基板１上に下地層２を核として膜厚を０．５μｍで成長させた他は第１の窒化物半導体３、及び第２の窒化物半導体４を実施例１と同様の条件で成長させ窒化物半導体基板を得る。
【００５４】
次に、得られた窒化物半導体基板を土台に貼り合わせ、ワイヤーソーにより切断することにより、実施例１と同様に第２面も鏡面を有する単体基板が得られる。得られる窒化物半導体の単体基板は、結晶欠陥が４×１０^６／ｃｍ^２程度の低欠陥である窒化物半導体となる。
【００５５】
［実施例４］
実施例１において、窒化物半導体の切断方法にブレードを用いる以外は同様の条件で窒化物半導体基板を成長させ、単体基板を得る。この方法においても、膜厚５０μｍである窒化物半導体を得ることができる。
【００５６】
［実施例５］
実施例１において、第１の窒化物半導体層３の成長速度を０．２ｍｍ／ｈｏｕｒとして、膜厚２００μｍで成長させ、その後、第２の窒化物半導体層４の成長速度を５０μｍ／ｈｏｕｒで膜厚は３００μｍで成長させることにより、実施例１と同様の結晶性であり、膜厚が２００μｍである窒化物半導体の単体基板を得ることができる。
【００５７】
【発明の効果】
以上に示すように本発明では、異種基板全面の貫通転位を低減した窒化物半導体から成る単体基板を提供することができる。また、本発明によれば、この単体基板は厚膜とすることが可能であり、一度に複数の単体基板を量産することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態を示す窒化物半導体の模式断面図である。
【図２】本発明の一実施の形態を示す窒化物半導体の模式断面図である。
【図３】本発明の一実施の形態を示す窒化物半導体の模式断面図である。
【図４】本発明の一実施の形態を示す窒化物半導体の模式断面図である。
【図５】本発明より形成される単体の窒化物半導体の模式断面図である。
【図６】本発明の成長界面における貫通転位の成長方向を示す模式断面図である。
【符号の簡単な説明】
１・・・異種基板
２・・・下地層
３・・・第１の窒化物半導体
４・・・第２の窒化物半導体
５・・・第３の窒化物半導体
６・・・第４の窒化物半導体

Claims

基板上に気相エピタキシャル成長法により成長させた窒化物半導体基板を切断して窒化物半導体から成る単体基板を製造する方法において、
前記基板上に窒化物半導体を２段階成長させることにより成長界面を形成して、該成長界面を互いの接触面とする第１及び第２の窒化物半導体を有する前記窒化物半導体基板を形成する第１の工程と、
前記第１の工程で得られた窒化物半導体基板を、ワイヤーソーで、前記成長界面に対して平行方向に、且つ前記成長界面又は前記成長界面付近で切断する第２の工程と、を備え、
前記成長界面は、前記第１の窒化物半導体の表面に形成された多角錐形状、又は円錐形状の窪みにより、水平面に対して高低差を有することを特徴とする窒化物半導体から成る単体基板の製造方法。
基板上に気相エピタキシャル成長法により成長させた窒化物半導体基板を切断して窒化物半導体から成る単体基板を製造する方法において、
前記基板上に窒化物半導体を２段階成長させることにより成長界面を形成して、該成長界面を互いの接触面とする第１及び第２の窒化物半導体を有する前記窒化物半導体基板を形成する第１の工程と、
前記第１の工程で得られた窒化物半導体基板を、ワイヤーソーで、前記成長界面に対して平行方向に、且つ前記成長界面又は前記成長界面付近で切断する第２の工程と、を備え、
前記成長界面は、前記第１の窒化物半導体の表面に形成された波形状、又はドット状の凸部により、水平面に対して高低差を有することを特徴とする窒化物半導体から成る単体基板の製造方法。
前記第１の工程において、前記第１及び第２の窒化物半導体は不純物がドープされ、
前記第１の窒化物半導体と前記第２の窒化物半導体との不純物ドープ量を変えるか、又は異なる不純物をドープして前記成長界面の高低差を形成する請求項１又は２に記載の窒化物半導体から成る単体基板の製造方法。
前記第１の工程において、前記第２の窒化物半導体の成長速度を前記第１の窒化物半導体の成長速度よりも遅くして前記成長界面の高低差を形成する請求項１乃至３のいずれか１項に記載の窒化物半導体から成る単体基板の製造方法。
前記第１の工程において、前記窒化物半導体基板に前記成長界面を少なくとも２つ以上形成する請求項１乃至４のいずれか１項に記載の窒化物半導体から成る単体基板の製造方法。
前記第２の工程において、前記成長界面を少なくとも２つ以上形成した窒化物半導体基板を、前記各成長界面に対して同時に複数のワイヤーソーで切断する請求項５に記載の窒化物半導体から成る単体基板の製造方法。
前記第２の工程における前記窒化物半導体基板の切断は、窒化物半導体表面をワックス、メタル、又はエポキシ樹脂により土台に固定させてから行う請求項１乃至６のいずれか１項に記載の窒化物半導体から成る単体基板の製造方法。