JP2002329665A - 窒化物半導体から成る単体基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】異種基板上に窒化物半導体を厚膜成長させ、貫
通転位を低減させた窒化物半導体を得ることを目的とす
る。 【解決手段】異種基板上に窒化物半導体を成長させ、窒
化物半導体内に成長界面を形成し、その後、ワイヤーソ
ーにより単体の窒化物半導体を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【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
れる窒化物半導体素子（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ＬＥ
Ｄ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） 異種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から異種基板を除去するこ
とにより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、異種基板上に窒化物半導体を２段階成長させ
ることにより窒化物半導体内に成長界面を有する窒化物
半導体基板を形成する工程と、成長界面を形成した後、
窒化物半導体基板をワイヤーソーで成長界面に対して平
行方向に切断することにより異種基板を除去する工程
と、を備える窒化物半導体から成る単体基板の製造方
法。 （２） 前記窒化物半導体基板をワイヤーソーで切断す
る工程は、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）に
記載の窒化物半導体から成る単体基板の製造方法。 （３） 前記成長界面を形成する工程において、窒化物
半導体基板は成長界面を少なくとも２つ以上形成する
（１）に記載の窒化物半導体から成る単体基板の製造方
法。 （４） 前記異種基板を除去する工程において、窒化物
半導体基板は窒化物半導体内の成長界面で切断すること
により単体基板とする（１）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
化物半導体基板に対して、ワイヤーソーでの切断は成長
界面に対して平行方向に２カ所以上である（３）に記載
の窒化物半導体から成る単体基板の製造方法。 （６） 前記窒化物半導体の切断方法には、ブレードを
用いる（１）に記載の窒化物半導体から成る単体基板の
製造方法。 （７） 前記気相エピタキシャル成長法はハイドライド
気相エピタキシャル成長法である（１）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〜２０
０μｍ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、短時間で短期版を得るこ
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３
００μｍ、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Ａ
ｌＮ、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（６
Ｈ、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Ｉ
ｎ_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Ｓ
ｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃ）、スピネル、ＺｎＳ、Ｚｎ
Ｏ、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_ｘ
Ｇａ_１−ｘＮ（０≦Ｘ≦１）、Ｉｎ_ｘＧａ_{１− ｘ}Ｎ（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
アガスには水素ヲ用いる。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Ｍ
ＯＣＶＤ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〜１
００μｍ、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。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、Ｇ
ｅ、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Ａ
ｕ−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１０５
０℃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／ｈｏｕ
ｒ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３
００μｍ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

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｓ 5/323 ６１０ Ｈ０１Ｓ 5/323 ６１０ Ｆターム(参考） 5F041 CA34 CA40 CA46 CA65 CA77 5F045 AA02 AA04 AB09 AB14 AC01 AC08 AC19 AD14 AD15 AD16 AD17 AD18 AF02 AF04 AF09 AF12 AF13 BB12 DA53 DA67 GH08 5F052 DA04 DB01 GC06 GC07 GC10 HA03 JA07 KA02 5F073 BA05 BA06 CA17 CB02 CB05 DA05 DA07 EA29

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 異種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から異種基板を除去
   することにより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、 異種基板上に窒化物半導体を２段階成長させることによ
   り窒化物半導体内に成長界面を有する窒化物半導体基板
   を形成する工程と、 成長界面を形成した後、窒化物半導体基板をワイヤーソ
   ーで成長界面に対して平行方向に切断することにより異
   種基板を除去する工程と、を備える窒化物半導体から成
   る単体基板の製造方法。
2. 【請求項２】 前記窒化物半導体基板をワイヤーソーで
   切断する工程は、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に記載の窒化物半導体から成る単体基板の製造
   方法。
3. 【請求項３】 前記成長界面を形成する工程において、
   窒化物半導体基板は成長界面を少なくとも２つ以上形成
   する請求項１に記載の窒化物半導体から成る単体基板の
   製造方法。
4. 【請求項４】 前記異種基板を除去する工程において、
   窒化物半導体基板は窒化物半導体内の成長界面で切断す
   ることにより単体基板とする請求項１に記載の窒化物半
   導体から成る単体基板の製造方法。
5. 【請求項５】 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に対して、ワイヤーソーでの切断
   は成長界面に対して平行方向に２カ所以上である請求項
   ３に記載の窒化物半導体から成る単体基板の製造方法。
6. 【請求項６】 前記窒化物半導体の切断方法には、ブレ
   ードを用いる請求項１に記載の窒化物半導体から成る単
   体基板の製造方法。
7. 【請求項７】 前記気相エピタキシャル成長法はハイド
   ライド気相エピタキシャル成長法である請求項１に記載
   の窒化物半導体から成る単体基板の製造方法。