JP2009038344A - 格子整合基板上への窒化物系光電子／電子デバイス構造体の形成 - Google Patents

Abstract

【課題】スペーサ層の使用を不要にし、しかも低い転移密度を有するＡｌＩｎＧａＮ系の電子または光電子デバイスを提供する。
【解決手段】ＡｌＩｎＧａＮ合金層３は窒化物基板２上にエピタキシャル成長により製膜される。そして上記ＡｌＩｎＧａＮ合金層３はその成長の土台であった前記窒化物基板２から分離される。この結果得られる電子または光電子デバイス構造体は、高い品質のエピタキシャル層及び低い転移密度を有する基板となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般的には、窒化物系半導体デバイスの製造に関する。具体的には、本発明は、窒化物基板上へ窒化アルミニウムインジウムガリウム（ＡｌＩｎＧａＮ）合金系デバイス構造体を形成する方法、及びこのような方法により成長される電子及び光電子デバイス構造体及びデバイス前駆構造体に関する。

窒化アルミニウムインジウムガリウム（ＡｌＩｎＧａＮ）及び関連のＩＩＩ−Ｖ窒化物合金は、光電子工学（例えば、青色及びＵＶ発光ダイオード及びレーザダイオードの製造）及び高周波、高温及び高出力電子工学にアプリケーションを有するワイドバンドギャップ半導体材料である。高性能デバイスの製造は、典型的には、基板上での高品質エピタキシャル膜の成長を含む。

ＡｌＩｎＧａＮ合金系の電子及び光電子デバイスは、典型的には、サファイア及び炭化珪素（ＳｉＣ）等の異種（ヘテロエピタキシャル）基板上に成長される。このようなデバイス成長のための基板の選択における主たる考慮事項は、基板の格子構造とその上に成長される合金層との適合度である。非ネイティブ基板とその上に成長されるデバイス層との格子構造及び／または熱膨張特性の実質的相違は、このようなデバイス層に高い欠陥密度（「転位密度」）を保有させる可能性があり、これによりデバイスパフォーマンスに悪影響が出る。

デバイスパフォーマンスを向上させるために、基板と、基板上にエピタキシャル成長されるアクティブ層との間にスペーサまたはバッファ層を入れるという１つの手法が存在する。このようなスペーサによる分離は、アクティブ領域を高転位密度の基板インタフェース領域から離隔し、そして転位欠陥がアクティブ領域に与えるパフォーマンス上の影響を低減させる働きをする。

光電子デバイスの機能性をさらに向上させるためには、このようなスペーサ層の使用を不要にし、しかも低い転位密度を有するＡｌＩｎＧａＮ系デバイスを生み出すことが望ましいと思われる。このＡｌＩｎＧａＮ系デバイスには、短い波長出力を供給するようになっているデバイスが含まれる。

当該技術分野では、現在、ＡｌＩｎＧａＮ系デバイスの成長用に典型的には窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板が使用される。低転位密度のＡｌＮ基板上に成長されるＡｌＩｎＧａＮ合金系のエピタキシャル層は、結果的に短波長デバイスになり、その転位密度はサファイアまたはＳｉＣ上に成長されるものより低い。しかしながら、低転位密度のデバイスを製造できるようにする追加の基板を開発することは望ましいと思われる。

当該技術分野には依然として、ＩＩＩ族窒化物合金系（例えば、ＡｌＩｎＧａＮ）の電子及び光電子デバイス構造体を製造するための成長テンプレートとして機能する代替基板及びその製造方法に対するニーズが存在する。このようなデバイス構造体は、望ましくは低い転位密度を有するべきである。また当該技術分野には、低い転位密度を有する高効率の電子及び光電子デバイス及びその製造方法に対するニーズも存在する。本発明の様々な実施形態は、これらのニーズに対処して追加の優位点を提供する。

本発明は、電子及び光電子デバイス構造体及びＡｌＩｎＧａＮ合金系の電子及び光電子デバイス構造体の製造方法に関し、本方法では、ＡｌＩｎＧａＮ合金層は窒化物基板上に製膜され、そしてその基板は続いて除去される。この結果得られるデバイス構造体は、高いエピタキシャル層品質及び基板の転位密度に一致する転位密度を有する。

一つの側面において、本発明は、電子または光電子デバイス構造体の製造方法に関し、この製造方法は、１つまたは複数のＡｌＩｎＧａＮ合金層を窒化物基板上にエピタキシャル成長させ、複合半導体デバイスを形成するステップと、前記複合半導体デバイスから前記基板を取り除き、結果的に電子または光電子デバイス構造体を形成するステップとを備える。したがって、この電子または光電子デバイス構造体には、成長の土台であった前記窒化物基板が存在しない。

別の側面では、本発明は、前記方法によって形成された電子または光電子デバイス構造体に関する。この電子または光電子デバイス構造体はnativeの窒化物基板上で成長させられるというメリットを有するが、前記電子または光電子デバイス構造体はもはや前記基板を有していない。

さらに別の側面では、本発明は、電子または光電子デバイス構造体の製造方法に関し、この製造方法は、１つまたは複数のＡｌＩｎＧａＮ合金層を格子整合基板上にエピタキシャル成長させ、複合半導体デバイスを形成するステップと、前記複合半導体デバイスから前記基板を取り除き、結果的に電子または光電子デバイス構造体を形成するステップとを備える。したがって、結果として得られた前記電子または光電子デバイス構造体には成長の土台であった前記基板は存在しない。

本発明は、電子及び光電子デバイス構造体の改良された製造方法に関する。本方法は、窒化物基板上に１つまたは複数のＡｌＩｎＧａＮ層を成長させることを含み、この基板は、基板上に成長されるデバイス層の成長に続いて除去される。任意選択として、基板は再使用されてもよい。また本発明は、本発明による方法により製造される電子及び光電子デバイス構造体にも関する。

ある実施形態では、電子または光電子デバイス構造体の製造方法は、ＡｌＩｎＧａＮ合金の１つまたは複数の層を窒化物基板上にエピタキシャル成長させ、複合半導体デバイスを製造するステップと、複合半導体デバイスから基板を除去し、電子または光電子デバイス構造体を形成するステップとを含む。この電子または光電子デバイス構造体には、成長の土台であった窒化物基板が存在しない。

別の実施形態では、電子または光電子デバイス構造体は、ＡｌＩｎＧａＮ合金の１つまたは複数の層を窒化物基板上にエピタキシャル成長させ、複合半導体デバイスを製造することと、複合半導体デバイスから基板を除去し、電子または光電子デバイス構造体を形成することを含む方法によって形成される。この電子または光電子デバイス構造体には、成長の土台であった窒化物基板が存在しない。

さらに別の実施形態は、ＡｌＩｎＧａＮ合金の１つまたは複数の層を格子整合基板上にエピタキシャル成長させ、複合半導体デバイスを製造することと、複合半導体デバイスから基板を除去し、電子または光電子デバイス構造体を形成することを含む電子または光電子デバイス構造体の製造方法に関する。この電子または光電子デバイス構造体には、成長の土台であった格子整合基板が存在しない。

本明細書で使用している「窒化物基板」という用語は、その少なくともかなりの部分がＧａＮで構成される基板、例えば少なくとも６０重量パーセント（「ｗｔ％」）のＧａ、少なくとも７０ｗｔ％のＧａ、少なくとも７５ｗｔ％のＧａ、少なくとも８０ｗｔ％のＧａ、少なくとも９０ｗｔ％のＧａ、少なくとも９５ｗｔ％のＧａ、少なくとも９９ｗｔ％のＧａまたは１００ｗｔ％のＧａで構成される基板を指す。このような基板は、ＧａＮを様々に含むものであってもよく、また、ＧａＮで構成されてもよく、あるいは、事実上ＧａＮで構成されてもよい。基板は、性質に合わせてドープされても、されなくてもよい。様々な実施形態では、基板は、主要部分であるＧａＮに加えて他の非ＧａＮ ＩＩＩ−Ｖ窒化物成分を含む。これらは、後述する化学量論的制約に従ってＡｌＮ、ＡｌＩｎＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＮ、ＩｎＧａＮまたはＡｌＩｎＧａＮ等である。基板の非ＧａＮ部分は、基板内に１つまたは複数の層の形式で存在する場合もあれば、基板材料内の不連続領域または介在物として存在する場合もある。或いは、基板は配合されるＧａＮ及び非ＧａＮ成分と同種であってもよい。さらに他の代替例として、基板は、基板製品の１つまたは複数の方向に傾斜した組成性質を有してもよい。

本明細書で使用している「窒化ガリウム」または「ＧａＮ」という用語は、ドープされた（例えば、ｎ型またはｐ型）窒化ガリウムまたは非ドープの窒化ガリウムの何れかを指す。

本明細書で使用しているように、「ＡｌＩｎＧａＮ合金」という用語はＩＩＩ族の金属から選択される窒化物合金を指す。ＡｌＩｎＧａＮ合金は、概して、（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ）ＮまたはＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ、但し０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１及びｘ＋ｙ≦１、で表される。本明細書において一般式ＡｌＩｎＧａＮで特定される場合、「ＡｌＩｎＧａＮ合金」は、ＡｌＩｎＧａＮの安定した合金形態を生み出すための各成分の他の成分に対する化学量論的に適切な任意の割合または量（即ち、化学量論的係数ｘとｙの変動）のいかなるものをも包含するものと解釈されることを意図している。同様に、本明細書で使用しているＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮまたはＡｌＩｎＮは、上述の式に下付けされた化学量論的に適切な組成比を有する合金を指す。具体的には、ＡｌＧａＮはＡｌとＧａを含む窒化物合金を指し、ＩｎＧａＮはＩｎとＧａを含む窒化物合金を指し、ＡｌＩｎＮはＡｌとＩｎを含む窒化物合金を指す。ｘ及びｙの値は、整数である必要はない。このようなＩＩＩ族の窒化物合金の例には、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮ、Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ｎ、Ａｌ_０．８５Ｉｎ_０．１５Ｎ、Ｉｎ_０．１Ｇａ_０．９Ｎ及びＡｌ_０．１Ｉｎ_０．１Ｇａ_０．８Ｎ等の合金が含まれるが、この限りではない。本明細書において別段の指摘のない限り、「ＡｌＩｎＧａＮ合金」という用語は、ＡｌＩｎＧａＮ合金混合物、ドープ物質（例えば、ｎ型またはｐ型もしくは補償型）及び非ドープ物質も含む。

本発明の広範な実施において基板上に形成されるデバイスは、基板との関連性においてホモエピタキシャルであってもヘテロエピタキシャルであってもよく、デバイス構造体及び基板は、任意選択として間に１つまたは複数の層を有してもよい。これらの層は、基板及びデバイス構造体に適合する任意の適切な材料製の中間層として保有されてもよい。

本明細書で使用しているように、「エピタキシャル」という用語は結晶基板上の規則正しい結晶成長を指す。成長される結晶が基板の結晶と同じである場合、成長は「ホモエピタキシャル」であり、成長される結晶が基板の結晶と異なる場合、成長は「ヘテロエピタキシャル」である。本明細書で言及するエピタキシは、任意の既知のエピタキシャル製膜法であってもよく、化学気相成長法（ＣＶＤ）、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、原子層エピタキシ、分子ビームエピタキシ（ＭＢＥ）、気相エピタキシ、ハイドライド気相エピタキシ（ＨＶＰＥ）、スパッタリング及びこれらに類似するものが含まれるがこの限りではない。本明細書では、エピタキシャル法により生成される結晶層を「エピタキシャル層」または「エピタキシャルウェーハ」と呼ぶ。（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ）Ｎ層の形成方法は、米国特許第５，６７９，１５２号、米国特許第６，１５６，５８１号、米国特許第６，５９２，０６２号、米国特許第６，４４０，８２３号及び米国特許第６，９５８，０９３号に記述されている。これらは全て、参照により本明細書に含まれる。

本発明の方法によって形成することのできる「電子」または「光電子」デバイス構造体には、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオード（ＬＤ）、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）、金属半導体電界効果トランジスタ（ＭＥＳＦＥＴ）、ショットキダイオード、ｐｎ接合ダイオード、ピンダイオード、パワートランジスタ、紫外光検出器、圧力センサ、温度センサ及び表面弾性波デバイス、並びに本発明による方法を使用して窒化物基板上へ効果的に作製することのできる他の電子及び／または光電子デバイスが含まれるが、この限りではない。本発明の一実施形態では、電子または光電子デバイス構造体はエミッタダイオードに具現される。エミッタダイオードは、ＵＶレンジ内の波長を放射してもよい。本発明の別の実施形態では、電子または光電子デバイス構造体は非発光型の電子デバイスに具現される。

本明細書が提供する方法により形成される電子または光電子デバイス構造体は、好適には半導体を備える。半導体は、電界、光、圧力及び／または熱に曝露されると半導電性を示す。本発明の方法により形成される電子または光電子デバイス構造体は、好適には「活性」領域を含む。この領域は、１つまたは複数のＡｌＩｎＧａＮ合金層を含む。

従来の電子または光電子デバイス構造体は、エピタキシャル蒸着により形成されるアクティブ材料の層を含んでもよく、まずは、基板上に成長テンプレートとして機能する層が蒸着される。結果的に得られる多層エピタキシャル構造体を含むウェーハは、次に、様々なパターニング、エッチング、パッシベーション及びメタライゼーション技術に曝露されて動作可能デバイスが形成されてもよく、ウェーハは個々の半導体チップに仕切られてもよい。このようなチップは、さらなる処理ステップを受けてもよく、例えば、ＬＥＤダイ（チップ）は、典型的には、１つまたは複数のワイヤボンド、反射体及び封止材と共にパッケージされる。

複合半導体デバイスの基板及びエピタキシャル層の材料の選択に当たっては、格子定数及び転位または他の結晶体の傷の形成の可能性が考慮されなければならない。転位密度が低い電子または光電子デバイス構造体は概して望ましいが、これは、高パフォーマンス動作を有効化することに起因する。転位密度が低い電子または光電子デバイス構造体を達成するためには、このような構造体を格子整合した低転位密度の基板上に成長させることが望ましい。このような基板は製造が難しく、入手コストが高い。本発明は、転位密度が低い窒化物基板上に低転位密度を有する電子または光電子デバイス構造体を製造する方法に関する。本発明の方法に使用される窒化物基板は続いて除去され、実質的に無傷で除去される場合は再使用されてもよい。

低転位密度の基板上にエピタキシャル成長される層は、基板に格子整合されるべきである。基板と、エピタキシャル成長される層との格子定数の整合は重要である。これは、格子定数が相違すると層内に歪が生じ、形成される複合半導体デバイス内に傷が入る結果となるためである。さらに、よく整合した格子構造を有する合金は、層間のバンドギャップが変化する低転位密度複合半導体デバイスの形成を有効化する。

本発明の実施形態は、基板とエピタキシャル形成される層との間の歪が最小である電子または光電子デバイス構造体を製造するための有効なソリューションを提供する。ある実施形態は、低転位密度の窒化物基板を使用して高度に格子整合された複合半導体デバイスを構築する方法に関する。この複合半導体デバイスは、窒化物基板と、ＡｌＮ基板上にこのようなエピタキシャル層を形成する場合に比べて歪が最小限に抑えられた低転位密度のＡｌＩｎＧａＮ合金エピタキシャル層とを含む。これに続く窒化物基板（僅か約３．３７ｅＶのバンドギャップを有し、約３６５ｎｍより短い波長を有する放射線を積極的に吸収する）の除去は、短波長光の吸収を防止する。これは、この光電子デバイス構造体の広い範囲のアプリケーションにおける使用を可能にする。窒化物基板は、電子デバイスのパフォーマンスを向上させるように効果的に除去することができる。例えば、基板の除去により、垂直デバイスの全体的な電圧降下が低減され、伝熱距離の短縮により冷却が促進され得る。

本発明の一実施形態では、エピタキシャル形成される層において使用される物質は、ＡｌＩｎＧａＮ合金で構成される。ＡｌＩｎＧａＮ合金は、バンドギャップ及び格子定数特性を変えることができる点で多用性をもたらす。同様に、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ及びＩｎＧａＮも本発明の方法における使用にとって望ましい。さらに別の実施形態では、エピタキシャル層材料はＡｌＮ及びＩｎＮから選択される。

ある実施形態では、本発明は電子または光電子デバイス構造体の製造方法に関し、本方法は、
窒化物基板上に１つまたは複数のＡｌＩｎＧａＮ層をエピタキシャル成長させて複合半導体デバイスを製造するステップと、
複合半導体デバイスから基板を除去し、電子または光電子デバイス構造体を製造するステップと
を備え、
この電子または光電子デバイス構造体には、実質的に、成長の土台であった窒化物基板が存在しない。

図１は、本明細書に記述している電子または光電子デバイス構造体の製造方法に従って製造された複合半導体デバイス１を示す略断面図である。具体的には、複合半導体デバイス１は、低転位密度のＧａＮ基板２と、少なくとも１つのＡｌＩｎＧａＮ合金エピタキシャル層３とを備える。少なくとも１つのエピタキシャル層の成長に続いて、ＧａＮ基板は処理の一部として除去され、もとの基板が存在しない機能的な電子または光電子デバイス構造体が製造される。

本発明の一実施形態では、少なくとも１つのＡｌＩｎＧａＮ合金エピタキシャル層はＡｌＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＩｎＧａＮ、ＧａＮ、ＡｌＮ及びＩｎＮから独立的に選択される。

ある実施形態では、窒化物基板は、エピタキシャル層の付加に先立って処理されてもよい。このような処理は、例えば、基板表面へのグレーディング層つまり傾斜層の添加を含んでもよい。ある実施形態では、ＡｌＩｎＧａＮ合金グレーディング層が窒化物基板へ付加される。別の実施形態では、グレーディング層はＡｌＧａＮを含む。このようなグレーディング層の包含は、基板とエピタキシャル層との間に遷移をもたらす。

ある実施形態では、窒化物基板は低い転位密度、好適には約５×１０^７ｃｍ^−２以下、より好適には約１×１０^７ｃｍ^−２以下、より好適には約５×１０^６ｃｍ^−２以下、かつさらにより好適には約１×１０^６ｃｍ^−２以下の転位密度を有する。

ある実施形態では、電子または光電子デバイス構造体は、ダイオード、トランジスタ、検出器、集積回路、抵抗器及びキャパシタのうちの何れかを備える。さらに別の実施形態では、本デバイスは発光ダイオードまたはレーザダイオードを備える。このようなエミッタダイオードは、紫外（ＵＶ）、可視または赤外（ＩＲ）スペクトル内の波長で発光してもよい。ある好適な実施形態では、本発明の方法に従って製造されるＵＶ ＬＥＤ等のＵＶエミッタは、約４００ｎｍ以下の波長を放出するようになっている。

本発明のさらに別の実施形態では、電子または光電子デバイス構造体はＨＥＭＴを備える。ＨＥＭＴまたはＨＥＭＹ前駆構造体の成長の土台であった窒化物基板の除去は、先に述べたような利点をもたらす。これらの利点には、伝熱性の向上及び／または垂直デバイスにおける電圧降下の低減が含まれる。

さらに別の実施形態では、電子または光電子デバイス構造体は、具体的にはこのような構造体のアクティブ領域において、好適には約５×１０^７ｃｍ^−２以下、より好適には約１×１０^７ｃｍ^−２以下、より好適には約５×１０^６ｃｍ^−２以下かつさらにより好適には約１×１０^６ｃｍ^−２以下の転位密度を有する。

本発明の様々な実施形態によれば、基板は基板上に形成された複合半導体デバイスから除去される。基板の除去は、本明細書では基板の分離または分割と呼ばれる場合もある。基板の除去、分離または分割は、望ましくは、基板とＡｌＩｎＧａＮ合金エピ層との間のインタフェースを修正することによって実行されてもよい。このような修正は、インタフェースの加熱、インタフェースへのレーザビーム及び／または集束光の衝撃、分割を促進する中間層または分割層の使用、界面物質の分解、インタフェースでのガス発生、インタフェースの音響エネルギーへの曝露、インタフェースのｅビーム照射、インタフェースへの高周波（ｒｆ）結合、湿式または乾式エッチング、インタフェース物質の選択的弱化、インタフェース物質の選択的脆化、インタフェース領域における横方向破砕及びこれらに類似するものの何れかを含む、但しこの限りではない幾つかの方法の何れかで実行されてもよい。従って、本発明による方法における使用が企図される分割方法は任意の効果的な光子的、音響的、物理的、化学的、熱的またはエネルギー的プロセスあるいはそれらの組み合わせを含み、結果的に電子または光電子デバイス構造体からの基板の分離をもたらす。

化学的な分割プロセスは、感光性界面物質の光分解を含んでもよく、これは、光励起状態下で遊離基を解放して界面分解反応を触媒する。または前記プロセスは化学エッチングを含んでもよく、この場合、界面物質は選好的に、複合半導体デバイスの周辺に導入されるエッチング剤に影響されやすい。イオンインプランテーションは、複合半導体デバイス内に破砕用の弱化された領域を生成するために使用されてもよい。

ある実施形態では、基板の除去方法は湿式または乾式エッチングを含む。除去がエッチングによって実行される場合、基板を食刻するエッチング剤または蒸着される「エッチ」層が使用されてもよい。このようなエッチ層の使用は、このエッチ層のエッチングを可能にし、基板及びデバイスを少なくとも実質的に無傷で残す。さらに、基板上には、少なくとも１つのＡｌＩｎＧａＮ合金層の形成に先立ってまず中間のエッチ停止層が形成されてもよく、エッチング剤がデバイス層の除去を実行することが防止される。このようなエッチ停止層は、その後のエッチングを完全に停止する場合もあれば、エッチングの速度を遅くする場合もある。

ある実施形態では、基板の除去方法は、イオンインプランテーションと後続の熱処理との組み合わせを含む。このような方法によれば、イオンインプランテーションプロセスを介してイオン（例えば、水素イオン）を注入されている複合半導体層は上昇温度分離ステップを受けてもよい。このステップでは、注入されるイオンは注入層における、または注入層に近い原位置で圧力を形成し、基板上に形成される電子または光電子デバイス構造体から基板を破砕させ、これにより、電子または光電子デバイス構造体を生み出させる。基板除去のためのこのようなインプランテーションプロセスに使用される他のイオンにはヘリウムイオンが含まれてもよいが、これに限定されない。

当業者には、ＡｌＩｎＧａＮ合金から基板を分ける広範な方法が明らかであろう。分割方法は、単独で使用されても、組み合わせて使用されてもよい。分割方法は、米国特許第５，６７９，１５２号、米国特許第６，１５６，５８１号、米国特許第６，５９２，０６２号、米国特許第６，４４０，８２３号及び米国特許第６，９５８，０９３号にも記述されている。これらは全て、参照により本明細書に含まれる。

本発明の好適な一実施形態では、基板の除去方法は、グラインディング、湿式エッチング、乾式エッチング、光学的分離及び高速熱アニーリング（ＲＴＡ）と組み合わせたイオンインプランテーションの何れかを含む。選択される除去技術は、成長されるデバイスのタイプに依存してもよい。

基板上に成長されるデバイスからの基板の除去に関連して本明細書で使用している「除去」という用語は、基板の完全な除去、または基板の部分的な除去の何れかを指す。好適には、実質的に全ての基板が除去される。ある実施形態では、基板除去は、デバイス上に１０ミクロン未満の基板が残るように実行される。別の実施形態では、基板除去は、デバイス上に１ミクロン未満の基板が残るように実行される。

ある実施形態では、基板とＡｌＩｎＧａＮ合金層との間のインタフェースは化学反応性にされ、よって基板インタフェースは、インタフェース上に蒸着される層から容易に分割されることが可能である。

本発明による方法の様々な実施形態では、基板と基板上に存在するＡｌＩｎＧａＮ合金層との間に分割層が設けられてもよい。ある実施形態では、分割層はＩｎＧａＮを含む。例２において詳述する実施形態では、複合半導体デバイスは光子に曝露されてもよく、結果的に光子はＩｎＧａＮ層により吸収されるが基板またはエピタキシャル層には吸収されない。様々な層のバンドギャップ特性は、各層による吸収に影響する。任意選択として、複合半導体デバイスはキャリアも含んでもよく、この場合、光子曝露はキャリアとは反対の複合半導体デバイス側面から実行されてもよい。このような分割層としては、追加の窒化物合金が使用されてもよい。

グラインディング（研削）を介するＬＥＤからの機械的な基板除去（例１）、複合体の光子衝突を介するＬＥＤからの基板の光学的分離（例２）及びイオンインプランテーション後のＲＴＡを介するＬＥＤからの基板除去（例３）を含む本発明の例示的な方法については、後に述べる。

本発明を、歪緩和または基板分離を促進する場合のある任意選択の中間層を含む窒化物基板及びＡｌＩｎＧａＮ合金層を特に参照して説明してきたが、本発明はこれらに限定されない。また、本発明による電子または光電子デバイス構造体は、窒化物基板の分離を実行する界面処理を除外しない限り、さらなるエピタキシャル層、デバイス構造体、デバイス前駆物質、他の蒸着物質またはこのような材料から製造されるデバイスを含んでもよい。前述の層、構造体、前駆物質及び材料は、電子または光電子デバイス構造体の最終用途にとって必要かつ／または適切であれば、分割が実行される前または後に蒸着されてもよい。これらの構造体を含むシステムも、本発明の広範な実施において企図されている。

基板除去によってもたらされる優位点は、基板上に形成される電子または光電子デバイス構造体のタイプに依存してもよい。このような優位点には、吸収層の除去に起因する発光の増大、熱管理の改良、光路変更による光の抽出または分布の増大、より厚くドープされてもよい、またはより狭いバンドギャップを有する接触エピ層から発生する導電性の向上及び／または垂直デバイスにおける電圧降下の低減が含まれてもよいが、この限りではない。

別の実施形態では、電子または光電子デバイス構造体はキャリアウェーハに付着される薄いＬＥＤを備える。このようなキャリアウェーハは、電子または光電子デバイス構造体に添加されてもよい。キャリアは、基板分離の前に、複合半導体デバイス上のエピタキシャル層の上に添加されてもよい。或いはキャリアウェーハは、基板分離の後に添加されてもよい。ある特定の実施形態では、電子または光電子デバイス構造体は薄いＬＥＤを備え、キャリアウェーハは、基板除去より前に複合半導体デバイスのエピタキシャル層の上に添加される。このようなキャリアウェーハは、デバイス層が薄く（約≦５０ミクロン）かつウェーハの面積が大きい（直径約＞２インチ）場合に特に効果的である。添加されたキャリアウェーハは続いて除去されてもよく、またはキャリアウェーハはいつまでも、デバイス処理が完了して個々のダイが製造された後もデバイス層に添加されたままであってもよい。

電子または光電子デバイス構造体の成長の土台であった基板の除去に続いて結果として得られる電子または光電子デバイス構造体は、好適には機能デバイスである。本発明の一実施形態におけるある方法は、基板除去の後に電子または光電子デバイス構造体を処理し、またはさらに加工して、例えばパフォーマンスを最適化することをさらに含む。この処理は、インプラント分割後のアニーリング、化学的洗浄、表面を粗くするグラインディング、分割による損傷を除去して表面を平滑にする研磨、キャリアの添加、１つまたは複数のチップへの切断及び適切なパッケージへの結合の何れかを含んでもよい。結果として得られる電子または光電子デバイス構造体がＬＥＤを備えていれば、ＬＥＤは１つまたは複数の蛍光体と組み合わされてもよく、放出される光を通す物質を組み込んでもよい。ある実施形態では、電子または光電子デバイス構造体はＵＶ発光ダイオード（ＬＥＤ）を備える。

電子または光電子デバイス構造体の成長の土台であった窒化物基板が除去されると、本デバイスは続いて基板に取り付けられてもよく、または他の方法で付着されてもよい。付着されるこのような基板は、電子または光電子デバイス構造体のパフォーマンスに、このパフォーマンスの最適化、強化によって、または低下によってすら影響を与えてもよい。ある実施形態では、このような基板には、シリコン、ダイヤモンド、サファイア、ガラス、銅、ＡｌＮ及びＧａＮの何れが含まれてもよい。別の実施形態では、付着される基板は、デバイスの成長の土台であった基板より低品質である。付着されるキャリアウェーハまたは新たに付着される基板は、例えば熱除去または導電性を促進するものであってもよい。

本発明の一実施形態では、除去された基板は、除去ステップの後も実質的に無傷である。従って、低転位密度の窒化物基板は、エピタキシャル層成長における再使用にされてもよい。低転位密度、高品質のＧａＮ含有窒化物基板は製造が困難でありかつ入手は高価であることから、再使用は好適である。

本発明の別の実施形態では、複合半導体デバイスは製造中に処理されてもよい。このような処理は、電子または光電子デバイス構造体のパフォーマンスを操作する働きをするものであってもよい。

別の実施形態では、分割層は、窒化物基板とその上に成長されるデバイスのエピタキシャル層またはデバイス前駆物質との間の半導体デバイスに添加されてもよい。ある実施形態では、分割層はＡｌＩｎＧａＮ合金を含む。さらなる実施形態では、分割層はＩｎＧａＮまたはＡｌＧａＮを含む。

さらに別の実施形態では、基板は、除去プロセスと同時に薄くされてもよい。

電子または光電子デバイス構造体の処理は、バイアの形成を含んでもよい。このような処理は、電子または光電子デバイス構造体に改良された（即ち、低減された）ダイオード電圧降下をもたらす。

さらに別の実施形態では、本発明は電子または光電子デバイス構造体の製造方法に関し、本方法は、
格子整合基板上に１つまたは複数のＡｌＩｎＧａＮ合金層をエピタキシャル成長させ、複合半導体デバイスを製造するステップと、
複合半導体デバイスから基板を除去し、電子または光電子デバイス構造体を製造するステップと
を備え、
この電子または光電子デバイス構造体には、成長の土台であった基板が存在しない。

ある実施形態では、本発明は、低転位密度のＵＶ ＬＥＤの形成方法に関する。このような方法は、ホモエピタキシャル窒化物基板上に１つまたは複数のＡｌＩｎＧａＮ合金層をエピタキシャル成長させて基板上にＵＶ ＬＥＤを製造することと、前記ＵＶ ＬＥＤから前記窒化物基板を分離することを含む。分離されるＵＶ ＬＥＤは、成長の土台であった窒化物基板が存在しない完全に機能的な低転位密度ＵＶ ＬＥＤである。

下記の例は、例示を目的とするものであり、本発明を限定しない。

例１
＜ＧａＮ基板上に成長されるＵＶ ＬＥＤとグラインディング（研削）による基板除去＞

ＵＶ ＬＥＤは、ＧａＮからＡｌＧａＮまでのグレーディングを伴う低転位密度のＧａＮ基板上にＡｌ_ｘＧａ_ｙＮ（但し、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１及びｘ＋ｙ＝１）層をエピタキシャル成長させ、複合半導体デバイスを形成することによって製造されてもよい。Ａｌ_ｘＧａ_ｙＮ合金の化学量論は、エミッタの波長に一致するように選ばれる。続いて、ＧａＮは、ＡｌＩｎＧａＮ層に達するまで研削されてもよい。このデバイスは、ＧａＮ基板がなく、ＵＶ ＬＥＤとして有益な光電子デバイス構造体である。

ＧａＮ基板を除去する前の第１の複合半導体デバイスの略断面図を図２に示す。具体的には、複合半導体デバイス１１は低転位密度の窒化ガリウム基板１２と、ＡｌＧａＮグレーディング層１３と、少なくとも１つのＡｌＧａＮエピタキシャル層１４とを備え、電子または光電子デバイス構造体のアクティブ領域を形成する。

例２
＜ＧａＮ基板上に成長されるＵＶ ＬＥＤと光子曝露による基板除去＞

ＵＶ ＬＥＤは、ＡｌＩｎＧａＮグレーディング層及びＩｎＧａＮ分割層を伴う低転位密度のＧａＮ基板上にＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層をエピタキシャル成長させ、複合半導体デバイスを形成することによって製造されてもよい。これに続いて、複合体は光子に、複合体の前または後から曝露される。ＡｌＧａＮ層の上部にキャリアウェーハが使用されていれば、光子照射はキャリアウェーハとの付着に先行しなければならないか、キャリアウェーハが光子を通すものでなければならない。或いは、（ＧａＮ基板及びＩｎＧａＮ分割層の場合のように）分割層が基板及びグレーディング層より小さいバンドギャップを有することを条件として、光子曝露は複合体の背後からであってもよい。光子は、ＩｎＧａＮ分割層により吸収されるが、ＧａＮ基板またはＡｌＩｎＧａＮグレーディング層には吸収されず、ＧａＮ基板とＬＥＤデバイス構造体はＩｎＧａＮ分割層において分離されることになる。

ＧａＮ基板を除去する前の第１の複合半導体デバイスの略断面図を図３に示す。具体的には、複合半導体デバイス２１は低転位密度の窒化ガリウム基板２２と、ＡｌＩｎＧａＮグレーディング層２３と、ＩｎＧａＮの分割層２４と、少なくとも１つのＡｌＧａＮエピタキシャル層２５とを備え、電子または光電子デバイス構造体のアクティブ領域を形成する。本図は、光子曝露を複合体の前から（即ち、層２５を介して）または任意選択として複合体の背後から（即ち、層２２を介して）受ける複合体を示す。

例３
＜ＧａＮ基板上に成長されるＵＶ ＬＥＤとイオンインプランテーション及びＲＴＡによる基板除去＞

ＵＶ ＬＥＤは、ＡｌＧａＮグレーディング層を伴う低転位密度のＧａＮ基板上にＡｌＩｎＧａＮ合金層をエピタキシャル成長させ、複合半導体デバイスを形成することによって製造されてもよい。続いて複合体は、単一エネルギーのＨ^＋イオンで衝突され、これらのイオンが複合体のＡｌＧａＮ層の予め決められた深さに注入されてもよい。任意選択として、複合半導体デバイスのエピタキシャル層上部にはキャリアが添加されてもよい。複合体は、ＲＴＡを使用してＨ^＋の平均注入深度のラインに沿って破砕されてもよく、ＬＥＤからのＧａＮ基板の除去が許容される。ＬＥＤの裏側は洗浄され、所望されれば粗くされて基板に取り付けられてもよい。付着される基板は、ＬＥＤの成長の土台であった基板とは異なる。取り付けられると、ＬＥＤ及び付着された基板はアニーリングによって先行プロセスからの損傷を除去されてもよい。除去されたＧａＮ基板は、追加のエピタキシャル層成長プロセス用に研磨され、再使用されてもよい。

例３の方法の略図を図４Ａ−４Ｄに示す。これらの図は、本例のステップの実行において形成される構造体（中間生成物を含む）を示す略断面図である。具体的には、図４Ａは、低転位密度のＧａＮ基板３２と、ＡｌＧａＮ傾斜層３３と、ＬＥＤ４０を形成する少なくとも１つのＡｌＩｎＧａＮ合金エピタキシャル層３４とを備える複合半導体デバイス３１を示し、図４Ｂは、複合半導体デバイス３１へのＨ^＋イオンのインプランテーションを示し、図４Ｃは、ＡｌＧａＮ層３３内へ注入されたＨ^＋イオンの平均注入深度３５及び添加されたキャリア層３６を有する複合半導体デバイス３１を示し、図４Ｄは、ＡｌＧａＮ層３３内の平均注入深度３５に沿って複合半導体デバイス３１が部分３３Ａ及び３３Ｂに破砕され、機能的なＬＥＤデバイス３７と、再使用可能な低転位密度ＧａＮ基板３８とが形成されることを示す。

例４
＜ＧａＮ基板上に成長されるＨＥＭＴとグラインディングによる基板除去及びこれに続くダイヤモンドへの取付け＞

ＨＥＭＴは、低転位密度の導電性ＧａＮ基板上に成長されてもよい。ＨＥＭＴは数ミクロンの非ドープＧａＮで構成され、例えば３０ｎｍの３０％ＡｌＧａＮでキャップされる。ＨＥＭＴ構造体は、技術上周知である一連の従来的デバイス製造ステップを使用して形成可能であり、これらの製造ステップには、例えばパターニング、エッチング、金属蒸着、誘電蒸着及びクリーニングが含まれる。ＨＥＭＴの成長に続いて、ＧａＮは、先に論じた他の任意の適切な技術によって研削または除去され、かつダイヤモンド等の絶縁かつ伝熱性の基板に再度取付けられてもよい。結果的に得られるＨＥＭＴは、成長の土台であったＧａＮ基板がない低転位密度のゲート漏れが低減されたＨＥＭＴであり、高出力及び高周波数で動作することができる。

以上、上述の例を参照して本発明を説明したが、種々の修正及び変形が本発明の精神及び範囲に包含されることは理解されるであろう。従って、本発明は唯一添付のクレームによって限定される。

本明細書に記述している電子または光電子デバイス構造体の製造方法に従って製造された第１の複合半導体デバイスを示す概略断面図である。 本明細書の例１に記述している電子または光電子デバイス構造体の製造方法に従って製造された第２の複合半導体デバイスを示す概略断面図である。 本明細書の例２に記述している電子または光電子デバイス構造体の製造方法に従って製造された第３の複合半導体デバイスを示す概略断面図である。 本明細書の例３に関連して記述している本発明による方法ステップを実行することによって製造された構造体を示す概略断面図である。 本明細書の例３に関連して記述している本発明による方法ステップを実行することによって製造された構造体を示す概略断面図である。 本明細書の例３に関連して記述している本発明による方法ステップを実行することによって製造された構造体を示す概略断面図である。 本明細書の例３に関連して記述している本発明による方法ステップを実行することによって製造された構造体を示す概略断面図である。

Claims (33)

1. 電子または光電子デバイス構造体の製造方法であって、
   １つまたは複数のＡｌＩｎＧａＮ合金層を窒化物基板上にエピタキシャル成長させ、複合半導体デバイスを形成することと、
   前記複合半導体デバイスから前記基板を取り除き、結果的に電子または光電子デバイス構造体を形成することと
   を備え、
   前記ＡｌＩｎＧａＮ合金と前記窒化物基板とは異なる物質を含み、前記電子または光電子デバイス構造体には成長の土台であった前記窒化物基板が存在しない方法。
2. 前記電子または光電子デバイス構造体には、ダイオード、トランジスタ、検出器、集積回路、抵抗器及びキャパシタの何れかが含まれる、請求項１記載の方法。
3. 前記電子または光電子デバイス構造体はダイオードを備え、かつ約４００ｎｍ以下の波長を発するようになっている、請求項２記載の方法。
4. 前記ダイオードはＵＶ発光ダイオード（ＬＥＤ）である、請求項３記載の方法。
5. 前記電子または光電子デバイス構造体は高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）を備える、請求項１記載の方法。
6. 前記複合半導体デバイスは、さらに分離層を備える、請求項１記載の方法。
7. 前記基板は研削、エッチング、光学的分離または破砕の何れかによって除去される、請求項１記載の方法。
8. 前記基板は破砕によって除去され、前記破砕はイオンインプランテーション及びＲＴＡによって実行される、請求項７記載の方法。
9. 前記除去された基板は実質的に無傷であり、再使用されるようになっている、請求項１記載の方法。
10. 前記電子または光電子デバイス構造体を前記基板の除去後にアニールすることをさらに含む、請求項１記載の方法。
11. 前記電子または光電子デバイス構造体を前記基板の除去後に化学洗浄することをさらに含む、請求項１記載の方法。
12. 前記電子または光電子デバイス構造体へ基板を付着することをさらに含み、前記付着される基板は前記１つまたは複数のＡｌＩｎＧａＮ合金層をその上で成長させた基板とは異なる、請求項１記載の方法。
13. 前記付着される基板は、シリコン、ダイヤモンド、サファイア、ガラス、銅または他の金属、ＡｌＮ及びＧａＮの何れかを含む、請求項１２記載の方法。
14. 前記電子または光電子デバイス構造体にキャリアを付着することをさらに含む、請求項１記載の方法。
15. 前記キャリアはシリコン、ダイヤモンド、サファイア、ガラス及び銅の何れかを含む、請求項１４記載の方法。
16. 前記キャリアは、前記１つまたは複数のＡｌＩｎＧａＮ層をその上で成長させた基板の除去に先行して付加される、請求項１４記載の方法。
17. 前記キャリアは前記エピタキシャル成長層へ付加される、請求項１４記載の方法。
18. 前記デバイス構造体内にバイアを画定することをさらに含む、請求項１記載の方法。
19. 請求項１記載の方法によって形成される電子または光電子デバイス構造体。
20. 電子または光電子デバイス構造体であって、
    １つまたは複数のＡｌＩｎＧａＮ合金層を窒化物基板上に、または窒化物基板を覆ってエピタキシャル成長させ、複合半導体デバイスを形成することと、
    前記複合半導体デバイスから前記基板を取り除き、結果的に電子または光電子デバイス構造体を形成することと
    を備え、
    前記ＡｌＩｎＧａＮ合金と前記窒化物基板とは異なる物質を含み、前記電子または光電子デバイス構造体には成長の土台であった前記窒化物基板が存在しない方法、
    によって形成される電子または光電子デバイス構造体。
21. 前記ＡｌＩｎＧａＮ合金はＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ、但し０≦ｘ≦１及び０≦ｙ≦１、である、請求項１記載の方法または請求項２０記載の電子または光電子デバイス構造体。
22. 前記ＡｌＩｎＧａＮ合金はＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＮ及びＩｎＮの何れかから選択される、請求項１記載の方法または請求項２０記載の電子または光電子デバイス構造体。
23. 前記窒化物基板はＧａＮを含む、請求項１記載の方法または請求項２０記載の電子または光電子デバイス構造体。
24. 前記窒化物基板及び前記電子または光電子デバイス構造体の何れかは、約５×１０^７ｃｍ^−２以下の転位密度を有する、請求項１記載の方法または請求項２０記載の電子または光電子デバイス構造体。
25. 前記窒化物基板及び前記電子または光電子デバイス構造体の何れかは、約１×１０^７ｃｍ^−２以下の転位密度を有する、請求項１記載の方法または請求項２０記載の電子または光電子デバイス構造体。
26. 前記窒化物基板及び前記電子または光電子デバイス構造体の何れかは、約５×１０^６ｃｍ^−２以下の転位密度を有する、請求項１記載の方法または請求項２０記載の電子または光電子デバイス構造体。
27. 前記窒化物基板及び前記電子または光電子デバイス構造体の何れかは、約１×１０^６ｃｍ^−２以下の転位密度を有する、請求項１記載の方法または請求項２０記載の電子または光電子デバイス構造体。
28. 前記電子または光電子デバイス構造体はダイオード、トランジスタ、検出器、集積回路、抵抗器及びキャパシタの何れかを含む、請求項１９または２０の何れか１つに記載の電子または光電子デバイス構造体。
29. エミッタダイオードに具現される、請求項１９または２０の何れか１つに記載の電子または光電子デバイス構造体。
30. 前記エミッタダイオードはＵＶ ＬＥＤである、請求項２９記載の電子または光電子デバイス構造体。
31. 非発光型の電子デバイスに具現される、請求項１９または２０の何れか１つに記載の電子または光電子デバイス構造体。
32. 電子または光電子デバイス構造体の製造方法であって、
    １つまたは複数のＡｌＩｎＧａＮ合金層を格子整合基板上にエピタキシャル成長させ、複合半導体デバイスを形成することと、
    前記複合半導体デバイスから前記基板を取り除き、結果的に電子または光電子デバイス構造体を形成することと
    を備え、
    前記電子または光電子デバイス構造体には成長の土台であった前記基板が存在しない方法。
33. 前記格子整合基板はＧａＮを含む、請求項４０記載の方法。

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