JP2011009268A - 窒化物半導体層の剥離方法、半導体装置の製造方法、及び半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】第１基板から窒化物半導体層を容易に剥離する。
【解決手段】ＳｉＣ基板１０１の表面で単層又は複数層のグラフェン層１１１が成長する工程と、グラフェン層との界面で、共有結合性を有することなく、原子レベルのポテンシャルの規則性のみを用いた結合力を伴って窒化物半導体層１１４が形成される工程と、窒化物半導体層１１４とグラフェン層１１１ａとの間、あるいはグラフェン層相互間１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃのポテンシャルによる接合力以上の力で、窒化物半導体層がＳｉＣ基板から剥離される工程とを備える。また、剥離された窒化物半導体層が第２基板１３０の表面に接合される。
【選択図】図１９

Description

本発明は、窒化物半導体層の剥離方法、半導体装置の製造方法、及び半導体装置に関する。

従来、半導体製造装置に関する技術として、例えば特許文献１に開示されるものがある。特許文献１の技術は、サファイア基板上に、バッファ層、ｎ型窒化物半導体層、活性層、ｐ型窒化物半導体層、ｎ型コンタクト層、をこの順に順次成長する半導体ウェハに関するものである。この技術は、半導体ウェハに窒化物半導体の積層体を形成した側からエッチングを施し、ｎ型コンタクト層、ｐ型窒化物半導体層、活性層の一部を除去し、ｎ型窒化物半導体層を露出させている。蒸着法によって露出したｎ型窒化物半導体層の表面、及びｎ型コンタクト層の表面に、Ａｌ電極を形成し、良好なコンタクト形成のための熱処理を行っている。
このＬＥＤ用半導体エピタキシャル層の結晶成長は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition法）によって行う。この結晶成長方法によれば、高発光効率の優れた窒化物ＬＥＤ（Light Emitting Diode）を製造することができる。

一方、異種材料のＬＥＤや異種機能の半導体デバイスを集積化する観点からは、基板上に結晶成長した、半導体デバイスを形成する半導体層を母材基板から剥離し、別の基板上に接合することが望ましい。
従来から、例えば、成長基板であるサファイア基板の裏面からレーザ光を照射し、サファイア基板に接する近傍の窒化物層を分解して半導体エピタキシャル層をサファイア基板から剥離する、レーザリフトオフ法が提案されている。これはサファイア基板の裏面から照射したレーザ光によって、母材基板と窒化物半導体エピタキシャル層との界面で窒化ガリウムＧａＮがガリウムＧａと窒素Ｎとに分解し、ガリウムＧａの融点が室温近傍であることによって、窒化物半導体エピタキシャル層をサファイア基板から剥離することができる。

特開２００６−１３５３１１号公報

しかしながら、このレーザリフトオフ法によって、窒化物半導体層をエピタキシャルサファイア基板から剥離する剥離方法では、剥離した半導体エピタキシャル層の表面でナノメータオーダの平坦性が得られない。
ところで、剥離した半導体エピタキシャル層を、母材基板と異なる別の基板の表面に分子間力を使って接合するためには、剥離した半導体エピタキシャル半導体層（窒化物半導体層）の表面でナノメータオーダの平坦性があることが望ましい。すなわち、剥離した半導体エピタキシャル半導体層表面でナノメータオーダの平坦性が得られない場合には、実用上十分な分子間力による接合力が得られない。
したがって、安定したナノメータオーダの平坦性が得られないレーザリフトオフ法では、剥離後にさらに剥離表面の平坦性を向上するための表面処理を行う必要性があるという問題があった。

本発明は、前記問題を解決するためになされたものであり、第１基板から窒化物半導体層を容易に剥離することができる窒化物半導体層の剥離方法、半導体装置の製造方法、及び半導体装置を提供することを目的とする。

本発明の窒化物半導体層の剥離方法は、第１基板（ＳｉＣ基板１０１）の表面で単層又は複数層のグラフェン層（１１１）が成長する工程と、前記グラフェン層との界面で、共有結合性を有することなく、原子レベルのポテンシャルの規則性のみを用いた結合力を伴って窒化物半導体層（１１４）が形成される工程と、前記窒化物半導体層と前記グラフェン層との間、あるいは前記グラフェン層相互間のポテンシャルによる接合力以上の力で、前記窒化物半導体層が前記第１基板から剥離される工程とを備えることを特徴とする。

また、本発明の一の手段である半導体装置の製造方法は、前記窒化物半導体層の剥離方法と、前記剥離された前記窒化物半導体層が第２基板（１３０）の表面に接合される工程とを備える。

本発明の他の手段である半導体装置の製造方法は、第１基板（ＳｉＣ基板１０１）の表面で単層又は複数層のグラフェン層（１１１）が成長する工程と、前記グラフェン層との界面で、共有結合性を有することなく、原子レベルのポテンシャルの規則性のみを用いた結合力を伴って窒化物半導体層（１１４）が形成される工程と、前記窒化物半導体層の表面が第２基板（１３０）の表面に接着される工程と、前記窒化物半導体層と前記グラフェン層との間のポテンシャルによる接合力以上の力で、前記窒化物半導体層が前記第１基板から剥離される工程とを備えることを特徴とする。

また、本発明の半導体装置は、単層又は複数層のグラフェン層との界面で、共有結合性を有することなく、原子レベルのポテンシャルの規則性のみを用いた結合力を伴って成長した窒化物半導体層を、前記窒化物半導体層と前記グラフェン層との間、あるいは前記グラフェン層相互間のポテンシャルによる接合力以上の力で、前記窒化物半導体層を前記第１基板から剥離し、前記剥離された前記窒化物半導体層が第２基板の表面に接合されたことを特徴とする。なお、これらにおいて、括弧内の数字は例示である。

これらによれば、ＧａＮなどのグラフェンと対称性が類似した半導体単結晶薄膜（窒化物半導体層）を、グラフェン層による表面ポテンシャルの規則性のみを用いることにより、第１基板／成長層界面に共有結合性を有することの無いエピタキシャル成長が行われる。また、共有結合性を形成しない第１基板／グラフェン層界面あるいはグラフェン層積層界面の結合が、共有結合と比較して結合力が弱いことを使って結晶成長した窒化物半導体層を第１基板から、容易に剥離できる。剥離した窒化物半導体層の表面は、結晶欠陥が無く、ナノメータオーダの平坦性を有するため、第２基板と分子間接合することができる。

本発明の窒化物半導体層の剥離方法、及び半導体装置の製造方法によれば、第１基板から窒化物半導体層を容易に剥離することができる。また、本発明の半導体装置によれば、窒化物半導体層と別の基板との間、あるいはグラフェン層と第２基板との間の平坦性がよく、分子間力で接合することができる。

本発明の一実施形態であるエピタキシャルグラフェン基板の構造図、及びエピタキシャルグラフェン層の構造を示す斜視図である。 本発明の窒化物半導体基板を製造する製造方法を示すフローチャートである。 窒化物半導体層／グラフェン層成長基板の構造図である。 窒化物半導体層の例の構造図である。 窒化物半導体層の他の例の構造図である。 窒化物半導体層のさらに他の例の構造図である。 窒化物半導体層／グラフェン層成長基板に支持体接着層を設けた構造図、及び支持体接着層と支持体とを設けた構造図である。 支持体を引っ張ることにより、複数のグラフェン層の接合面、又は窒化物半導体層とグラフェン層との接合面で剥離する工程を説明するための図である。 窒化物半導体層とグラフェン層との界面の様子を説明するための図である。 真空吸着して剥離する工程を説明するための図である。 窒化物半導体層を別の基板に接合する工程を説明するための図である。 接合層を積層した別の基板の構造図である。 窒化物半導体層を積層した別の基板の構造図である。 接合層を設けた窒化物半導体基板の構造図である。 複数の分離島を形成した窒化物半導体層の平面図である。 複数の分離島を形成した窒化物半導体層の平面図、及びそのＡ−Ａ断面図である。 分離島を形成した窒化物半導体基板の構造図である。 ＳｉＣ基板／エピタキシャルグラフェン層／窒化物半導体層の積層体を別の基板に接合する様子を示した図である。 ＳｉＣ基板を引き上げて、窒化物半導体層とＳｉＣ基板とを剥離する様子を示した図である。

（第１実施形態）
図１乃至図１３は本発明の第１実施形態である半導体薄膜の剥離方法、及び窒化物半導体装置の製造方法を説明するための図である。
図１（ａ）は、エピタキシャルグラフェン層１１０を形成したエピタキシャルグラフェン（Epitaxial Graphene）基板の構成図である。エピタキシャルグラフェン基板２００は、第１基板（半導体基板）であるＳｉＣ基板１０１の表面に、エピタキシャルグラフェン層１１０が形成された基板である。図１（ｂ）は、エピタキシャルグラフェン層１１０の構造図であり、３層のグラフェン層１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃが積層されて形成され、層間は共有結合することなく、ファンデルワールス力等の弱い力で物理結合している。また、各々のグラフェン層１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃは、炭素原子Ｃが蜂の巣状に６角形のネットワークを組んで２次元シートを形成し、例えば、グラフェン層１１１ａは、黒丸炭素原子Ｃから構成され、グラフェン層１１１ｂは、点柄丸炭素原子Ｃから構成され、グラフェン層１１１ｃは、白丸炭素原子Ｃから構成されている。

なお、グラフェンは、マスレスフェルミンオン系として特異なバンド構造を持つ新たな材料であり、筒状構造のカーボンナノチューブ（ＣＮＴ：Carbon Nano-Tube）が持つバリスティック伝導やその他の興味深い電気特性は、ほぼすべて備えている。また、グラフェンは、カーボンナノチューブとは異なり、シート状構造であることから、従来のＬＳＩの微細加工技術が適用でき、集積化が容易であるという特徴を有している。

次に、図２のフローチャートを用いて、ＳｉＣ基板から窒化物半導体層を剥離し、剥離した窒化物半導体層を別の基板に接合する方法の概要を説明する。
まず、ＳｉＣ基板にグラフェン層を成長させ（Ｓ１）、成長したグラフェン層の表面に窒化物半導体層を形成し（Ｓ２）、窒化物半導体層を複数領域に分割し（Ｓ３）、分割された窒化物半導体層をＳｉＣ基板から剥離し（Ｓ４）、剥離した窒化物半導体層を別の基板に接合する（Ｓ５）。ここで、窒化物半導体層、特にＧａＮは、結晶構造が六方晶系であり、表面がグラフェン層と対称性が類似する構造であるので、グラフェン層と物理結合するのみであるので、表面に結晶欠陥が生じることなく、ナノメータオーダの平坦性で剥離することができる。このため、剥離した窒化物半導体層は分子間力により別の基板に接合することができる。

まず、ＳｉＣ基板の表面にエピタキシャルグラフェン層１１０を成長させて、エピタキシャルグラフェン基板２００（図１（ａ））を作製する。エピタキシャルグラフェン層１１０は、ＳｉＣ基板１０１の表面を、高温水素エッチング処理と真空での高温加熱することによって形成される（特開２００９−６２２４７号公報参照）。

次に、図３を用いて、エピタキシャルグラフェン基板２００（図１（ａ））の表面に窒化物半導体薄膜の結晶成長を行う工程（Ｓ２（図２））について説明する。ここでは、ＧａＮ薄膜の結晶成長を具体的に説明する。エピタキシャルグラフェン基板２００をＭＢＥ装置やＭＯＣＶＤ装置などの結晶成長装置に設置し、基板を加熱して、ガリウムＧａ、及び活性窒素を供給する。なお、活性窒素は、電子サイクロン共鳴（ＥＣＲ：Electron Cyclotron Resonance）や高周波励起のラジカル源により供給される。

これにより、ガリウムＧａはグラフェンのハニカム構造の中心に吸着し、６回対称の第１層が形成される。そこに活性窒素が結合することにより、六方晶系のＧａＮ（ｈ−ＧａＮ）の第１層目が形成される。ガリウムＧａはグラフェン層１１１（１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃ）との間に共有結合を持たないため、格子不整合による結晶欠陥は生じない。このため、窒化物半導体層１１４は、結晶欠陥が生じることなく容易に剥離でき、剥離した窒化物半導体層は、ナノメータオーダの平坦性を備えているので、分子間力による接合を別の基板に行うことができる。

第１層目のＧａＮ層の上に第２層目、第３層目、…とＧａＮ層を成長することによって所定の単結晶ＧａＮ層が形成できる。第１層目のＧａＮ層に格子不整合に伴う結晶欠陥が発生しないため、形成した窒化物半導体層１１４は結晶欠陥が少なく極めて高品質な単結晶半導体層となる。前記工程により、図３に示すように、エピタキシャルグラフェン層１１０の表面に所定の構造の窒化物半導体層１１４を形成する。これにより窒化物半導体層／グラフェン層成長基板１５０が形成される。

図４乃至図６は、窒化物半導体層１１４の具体例を示す図である。
図４（ａ）、及び図４（ｂ）は発光素子を構成する窒化物半導体層１１４の例である。
図４（ａ）の窒化物半導体層１１４Ａは、ｎ型ＧａＮ層５０２、ｎ型Ａｌ_ｓＧａ_１−ｓＮ層（１≧ｓ≧０）５０３、多重量子井戸層５０４、ｐ型Ａｌ_ｔＧａ_１−ｔＮ層（１≧ｔ≧０）５０５、及びｐ型ＧａＮ層５０６がこの順番に積層されている。ここで、多重量子井戸層５０４は、例えばＧａ_ｙＩｎ_１−ｙＮ／Ｇａ_ｘＩｎ_１一ｘＮ／・・・／Ｇａ_ｘＩｎ_１−ｘＮ／Ｇａ_ｙＩｎ_ｌ−ｙＮ／Ｇａ_ｘＩｎ_１−ｘＮ（１≧ｙ＞ｘ≧０）である。

図４（ｂ）の窒化物半導体層１１４Ｂは、窒化物半導体層１１４Ａ（図４（ａ））のｎ型ＧａＮ層５０２とエピタキシャルグラフェン層１１０（図３）との間にさらに、少なくともガリウムＧａを含むＡｌＮバッファ層５０１を積層したものである。バッファ層５０１は、例えば、Ｇａ_ｉＩｎ_１−ｉＮ（１≧ｉ≧０）やＡｌ_ｊＧａ_１−ｊＮ（１≧ｊ≧０）が使用される。

図４（ｃ）の窒化物半導体層１１４Ｃは、ＡｌＮバッファ層（例えば、Ｇａ_ｉＩｎ_ｉ−１Ｎ（１≧ｉ≧０）やＡｌ_ｊＧａ_１−ｊＮ（１≧ｊ≧０））６０１、ｎ型ＧａＮ層６０２、Ｇａ_ｘＩｎ_１−ｘＮ（１≧ｘ≧０）層６０３、ｐ型Ａｌ_ｙＧａ_ｌ−ｙＮ（１≧ｙ≧０）層６０４、ｐ型ＧａＮ層６０５がこの順で積層されている。ＡｌＮバッファ層６０１は適宜省略することもできる。

図５、及び図６は、発光素子ではない別の素子を形成するための半導体層の構成例である。
図５（ａ）の窒化物半導体層１１４Ｄは、例えば、フォトダイオードとして、使用されるものであり、バッファ層（例えば、Ｇａ_ｉＩｎ_１−ｉＮ（１≧ｉ≧０）やＡｌ_ｊＧａ_１−ｊＮ（１≧ｊ≧０））７０１、ｎ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（１≧ｘ≧０）層７０２、ｉ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ（１≧ｙ≧０）層７０３、ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（１≧ｘ≧０）層７０４、がこの順で積層されている。バッファ層７０１は適宜省略することもできる。

図５（ｂ）の窒化物半導体層１１４Ｅは、例えば、ＨＢ型フォトトランジスタとして、使用されるものであり、バッファ層８０１（例えば、Ｇａ_ｉＩｎ_１−ｉＮ（１≧ｉ≧０）やＡｌ_ｊＧａ_ｉ−ｊＮ（１≧ｊ≧０））、ｎ^＋型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（１≧ｘ≧０）層８０２、ｎ^一型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ（１≧ｙ≧０）層８０３、ｐ型ＧａＮ層８０４、ｐ^＋型ＧａＮ層８０５がこの順で積層されている。バッファ層８０１は適宜省略することもできる。

図６（ａ）の窒化物半導体層１１４Ｆは、例えばＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor：高電子移動度トランジスタ）に使用されるものであり、アンドープＧａＮ層９０２、アンドープＡｌ_ｘＧａ_ｌ−ｘＮ（１≧ｘ≧０）層９０３、ｎ型ＧａＮ層９０４がこの順で積層されている。

図６（ｂ）の窒化物半導体層１１４Ｇは、例えばＭＥＳＦＥＴ（Meta1 Semiconductor Field Effect Transistor）に使用されるものであり、アンドープＧａＮ層１００２、及びｎ型ＧａＮ層１００３がこの順で積層されている。なお、図６（ａ）、図６（ｂ）においても、アンドープＧａＮ層９０２、アンドープＧａＮ層１００２の下に、適宜バッファ層（例えば、Ｇａ_ｉＩｎ_１−ｉＮ（１≧ｉ≧０）やＡｌ_ｊＧａ_１−ｊＮ（１≧ｊ≧０））を設けることもできる。

次に、窒化物半導体層１１４／エピタキシャルグラフェン層１１０の積層領域を、ＳｉＣ基板１０１から剥離する工程（Ｓ４（図２））について説明する。
まず、図７（ａ）に示すように、ＳｉＣ基板１０１の表面に形成した窒化物半導体層１１４／エピタキシャルグラフェン層１１０の積層構造上に、窒化物半導体層１１４と高い密着性を確保する支持体接着層１２２を形成する。
支持体接着層１２２の表面と窒化物半導体層１１４の表面との接着力（接着強度）は、少なくともグラフェン層１１１との間の分子間力よりも大きいことが望ましい。支持体接着層１２２は、剥離液によって剥離できる有機塗布材料、熱やＵＶなどで剥離性を発現する接着剤などの接着性を有する材料が好適である。

さらに、図７（ｂ）に示すように、支持体接着層１２２の表面上に、ＳｉＣ基板１０１から窒化物半導体層１１４の単層、又は窒化物半導体層１１４／エピタキシャルグラフェン層１１０の積層層を剥離・支持するための支持体１２４を接着する。支持体１２４は、剥離した窒化物半導体層１１４／エピタキシャルグラフェン層１１０を支持する機能があり、支持体接着層１２２との接着力を少なくともグラフェン層１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃ相互間の分子間力よりも大きくすることができる接着面を備えていればよい。支持体１２４は、ガラス基板、セラミックス基板、石英基板、Ｓｉなどの半導体基板が好適である。

図８は、支持体１２４を引き上げ、窒化物半導体層１１４とＳｉＣ基板１０１とを剥離する様子を示した図である（Ｓ４（図２））。
前記のように、支持体１２４／支持体接着層１２２／窒化物半導体層１１４／エピタキシャルグラフェン層１１０を構成した後、図８に示すように、支持体１２４とＳｉＣ基板１０１との間を、少なくともグラフェン層１１１相互間の分子間力よりも大きな張力Ｆで引っ張り、グラフェン層１１１ａと、グラフェン層１１１ｂとの間で剥離する（図８（ａ））。あるいは、窒化物半導体層１１４とエピタキシャルグラフェン層１１０との間の分子間力よりも大きな張力Ｆで引っ張り、窒化物半導体層１１４と、グラフェン層１１１ａとの間で剥離する（図８（ｂ））。
なお。図８（ａ）では、窒化物半導体１１４に一層のグラフェン層１１１ａが付いた状態で剥離するものとしたが、複数のグラフェン層、例えば、グラフェン層１１１ａ，１１１ｂが窒化物半導体１１４に付いた状態で剥離されるものとしてもよい。

図９は、窒化物半導体層１１４とグラフェン層１１１ａとの間の分子間力を説明するための説明図である。図９（ａ）は、窒化物半導体層１１４とグラフェン層１１１ａとの間の界面の状態を示す構造図であり、図９（ｂ）は、例えば、ＳｉＣ基板１０１とグラフェン層１１１ｃとが直接接合した状態を示す構造図である。
窒化物半導体層１１４、特に、窒化ガリウムＧａＮは、六角柱状の結晶構造を持ち、端面の窒素Ｎの原子同士が六角形状に平面的に結合している。また、グラフェン層１１１ａは、炭素Ｃが六角形状に平面的に結合している（図１（ｂ））。このため、図９（ａ）に示すように、炭素Ｃの原子間に窒素Ｎの六角形が配置され、窒化物半導体層１１４とグラフェン層１１１ａとの間は、共有結合することなく、表面のポテンシャルの規則性のみを用いて物理結合する。

図９（ｂ）は、例えば、ＳｉＣ基板１０１とグラフェン層１１１ｃとの接合状態を示しており、ＳｉＣ基板１０１は、正四面体の結晶構造を有するが、２層を一周期として積層すると六方晶系の対称性を有する面が存在する。このため、ＳｉＣ基板１０１は、六角形の対称性を有する点でグラフェン層１１１ｃと類似するが、単層の接合面では、六角形の対称性を有することはない。したがって、ＳｉＣ基板１０１とグラフェン層１１１ｃとの間は共有結合し、ポテンシャルの規則性による弱い結合だけでなく、結合手による強い結合力を有する。

すなわち、窒化物半導体層１１４とグラフェン層１１１ａとの間、及びグラフェン層１１ａ，１１１ｂ相互間は結合が弱く、ＳｉＣ基板１０１とグラフェン層１１１ｃとの間は、結合が強い。なお、窒化物半導体層１１４とグラフェン層１１１ａとの間で変成層ができるため、窒化物半導体層１１４とグラフェン層１１１ａとの間の方が、グラフェン層１１ａ，１１１ｂ相互間よりも結合量が強い。

したがって、例えば、図１０に示すように支持基板１２４を真空吸着して引き上げることにより、結合が弱いグラフェン層１１１ａ，１１１ｂの境界、又は窒化物半導体層１１４とグラフェン層１１１ａとの間で、結晶欠陥を生ずることなく、ナノメータオーダの平坦性で剥がすことができる。

窒化物半導体層１１４／グラフェン層１１０、あるいは、窒化物半導体層１１４をＳｉＣ基板１０１から剥離した後、図１１（図１１（ａ）、図１１（ｂ））に示すように、別の基板（第２基板）１３０の表面に直接密着させ接合し固定する。これにより、第２基板１３０の表面と窒化物半導体層１１４／グラフェン層１１１ａとの間、あるいは、窒化物半導体層１１４の表面との間は、分子間力によって接合される（Ｓ５（図２））。
窒化物半導体層１１４／グラフェン層１１１ａ、あるいは、窒化物半導体層１１４は、図１２に示すように別の基板（第２基板）１３０の表面に形成した接合層１３２の表面に直接密着させ分子間力によって接合してもよい。

分子間力で接合する場合、窒化物半導体層１１４、又はグラフェン層１１１ａの表面は、少なくともナノメータオーダの平坦性を備えていることが好ましい。ここで、ナノメータオーダの平坦性とは、分子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Atomic Force Microscope）で測定した表面粗さ（山−谷の最大高低差：Ｒｒｖ）が１桁の数値のナノメートルであること、すなわち、Ｒｒｖが１０ｎｍより小さい値であることを意味する。より好ましくは、別の基板１３０の表面に形成する接合層の表面のＲｒｖは、３ｎｍ以下であることが好ましい。

別の基板１３０は、例えば、Ｓｉ基板、ＡＩＮ基板などのセラミックス基板、ガラス基板、石英基板、プラスチック基板、金属基板が好適である。また、別の基板１３０の表面に形成する接合層１３２は、例えば、ＳｉＯ_２、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、ＰＳＧ、ＢＳＧ、ＳＯＧ、金属、有機物、から選択される材料である。そして、この接合層１３２は、プラズマＣＶＤ法、ＣＶＤ法、スパッタ法等によって形成することができる。
なお、前記接合は、分子間力による接合の他、接合界面を介した原子の拡散、化合物形成などによる接合であってもよい。

前記のように窒化物半導体層１１４／グラフェン層１１０、あるいは、窒化物半導体層１１４を別の基板１３０の表面に接合し、あるいは別の基板１３０上に形成した接合層１３２の表面に接合した後、図１３に示すように、窒化物半導体層１１４の表面から支持体接着層１２２／支持体１２４を除去する。なお、支持体接着層１２２／支持体１２４をエッチング除去する場合、支持体１２４は、エッチング液に対して耐食性を備えた材料を使用することにより、再利用することができる。

図１３は、窒化物半導体層１１４／グラフェン層１１０、あるいは、窒化物半導体層１１４を別の基板１３０の表面に接合した場合を示した図であり、図１４は、窒化物半導体層１１４／グラフェン層１１０、あるいは、窒化物半導体層１１４を別の基板１３０上に形成した接合層１３２の表面に接合した場合について示している。
なお、支持体接着層１２２／支持体１２４は、支持体接着層１２２の剥離液による剥離、熱による剥離、ＵＶによる剥離などによって除去される。

図１３（ａ）に示す窒化物半導体基板１６０Ａは、窒化物半導体層１１４と別の基板１３０とを分子間力で接合したものであり、図１３（ｂ）に示す窒化物半導体基板１６０Ｂは、グラフェン層１１４ａが積層された窒化物半導体層１１４と別の基板１３０とを分子間力で接合したものである。また、図１４（ａ）の窒化物半導体基板１６０Ｃは、積層された窒化物半導体層１１４に積層したグラフェン層１１１ａと別の基板１３０とを接合層１３２を介して接合したものであり、図１４（ｂ）の窒化物半導体基板１６０Ｄは、窒化物半導体層１１４と別の基板１３０とを接合層１３２を介して接合したものである。グラフェン層１１１ａを積層した窒化物半導体層１１４を別の基板１３０に接合した図１３（ｂ）及び図１４（ａ）の構造は、グラフェントランジスタ等の機能性デバイスを作製することができる。

本実施形態では、ＳｉＣ基板１０１（第１基板）上に成長したエピタキシャルグラフェン層１１０上に窒化物半導体層１１４を結晶成長させ、グラフェン層１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃ相互間の分子間力より大きな力で引き上げ、あるいは、グラフェン層１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃと窒化物半導体層１１４との間の分子間力よりも大きな力で引き上げることにより、窒化物半導体層１１４をＳｉＣ基板１０１から剥離するようにしたので、容易に窒化物半導体層１１４をＳｉＣ基板１０１から容易に剥離することができる。

さらに、剥離した窒化物半導体層／グラフェン層の表面（すなわち、グラフェン層１１１ａの表面）、あるいは窒化物半導体層１１４の表面、は１ナノメートル以下の最大表面粗さが得られるため、窒化物半導体薄膜を第２の基板上へ、分子間力などを使って容易に接合することができる。

（第１実施形態の変形例）
前記支持体接着層１２２は必ずしも分離されておらず支持体１２４と一体の構造であってもよい。

（第２実施形態）
第２実施形態では、少なくとも窒化物半導体層１１４が、所定形状の複数の領域にあらかじめ分離されている点が第１実施形態と異なる。以下、第１実施形態と異なる点を中心に図を参照しながら、第２実施形態について説明する。
第１実施形態と同様に、第１基板であるＳｉＣ基板１０１上にエピタキシャルグラフェン層１１０を成長し、エピタキシャルグラフェン層１１０上に窒化物半導体層１１４を形成する。窒化物半導体層１１４は、第１実施形態で図４，５，６で述べた構成例の窒化物半導体層１１４Ａ，…，１１４Ｇを備える。
窒化物半導体層１１４に所定の素子形状の加工を施して、窒化物半導体層１１４に複数の素子を形成する。

図１５において、窒化物半導体層１１４は、複数の素子形成領域２１４と、素子が形成されていない非素子形成領域２１６とに分割され、複数の素子形成領域２１４は、各々分離島３１４が形成され、非素子形成領域２１６は各素子形成領域２１４を分離する分離溝３１６が形成されている。ここでは、各々の分離島３１４は長方形状に形成され、２段６列に配列されている。

分離溝３１６の形成は、フォトリソ工程、及びドライエッチング工程によって行うことができる。図１６（ａ）は、図１５と同様に複数の分離島３１４、及び分離溝３１６を示した図であり、図１６（ｂ）は、図１６（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
図１６（ｂ）では、分離溝３１６はエピタキシャルグラフェン層１１０の上面に至る溝であるように描いているが、分離溝３１６は例えばＳｉＣ基板１０１まで至る分離溝であってもよく、ＳｉＣ基板１０１内に至る溝であってもよい。また、分離溝の形状も垂直形状に限定されない。

窒化物半導体層の分離島３１４を形成した後に、第１実施形態と同様に支持体接着層１２２と支持体１２４とを形成し、窒化物半導体層１１４を含む分離島３１４を、グラフェン層１１１ａ，１１１ｂ相互間の分子間力を超える力で、ＳｉＣ基板１０１から剥離する（図８（ａ））。あるいは、グラフェン層１１１ａと窒化物半導体層１１４との間の分子間力を超える力で、ＳｉＣ基板１０１から剥離する。すなわち、機械的に分離島３１４をＳｉＣ基板１０１から剥離する（図８（ｂ））。

図１７の窒化物半導体基板１６０Ｅに示すように、剥離した窒化物半導体層１１４を含む分離島３１４を第１実施形態と同様に、別の基板１３０の表面の所定の接合位置に接合する。あるいは、分離島３１４を別の基板１３０上に形成した接合層１３２の表面の所定の接合位置に接合する。図１７は、複数の分離島３１４を別の基板１３０上に形成した接合層１３２の表面に接合した形態を示している。第１実施形態と同様に、ＳｉＣ基板１０１から剥離した分離島３１４の剥離面表面の平坦性、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）で測定した最大表面粗さ（山−谷の高低差）が少なくとも一桁のナノメータ以下の値を示す平坦な表面が得られ、良好な接合状態を実現できる。

分離溝３１６を形成して複数の分離島形状に分離した各窒化物半導体層の分離島３１４が発光素子や電子素子などの素子を形成した形態とは、その形態で素子として動作させることができる形態であることを意味する。また、発光素子や電子素子などの素子を形成する途中の形態とは、素子として完成する途中の形態であることを意味し、素子形態の加工を開始する前の形態も含む。

本発明の第２実施形態では、第１実施形態の工程に加えて窒化物半導体層１１４に分離溝３１６を形成し所定の分離島形状に加工する工程を加えたので、窒化物半導体素子形態あるいは窒化物半導体素子形態を形成する途中の形態を、ＳｉＣ基板１０１から機械的に容易に剥離することができる。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態の半導体装置の製造方法は、第１基板であるＳｉＣ基板１０１の表面に成長したエピタキシャルグラフェン層１１０の表面に窒化物半導体層１１４を形成した窒化物半導体層／グラフェン層成長基板４００の表面、すなわち、グラフェン層１１１ａ側と反対側の窒化物半導体層１１４の表面を、別の基板１３０の表面（、又は別の基板１３０の表面上に形成した接合層４３２の表面）に接合した後に、第１基板であるＳｉＣ基板１０１から窒化物半導体層１１４を剥離する工程を備える点が、第１実施形態、及び第２実施形態と異なる。以下、図１８を参照しながら第３実施形態を説明する。

図１８（ａ）は、第１の基板上にグラフェン層と窒化物半導体層を形成した窒化物半導体層／グラフェン層成長基板４００と、接合層４３２が形成された別の基板１３０とを接合する様子を説明するための図である。接合層４３２は、別の基板１３０と窒化物半導体層１１４とを、別の基板１３０を剥離する力よりも大きな力で接合する機能を有する。

図１８（ｂ）は、窒化物半導体層表面と、接合層４３２とを接合した後の状態を示している。
すなわち、ＳｉＣ基板１０１、エピタキシャルグラフェン層１１０、窒化物半導体層１１４、接合層４３２、別の基板１３０がこの順で積層されている。

図１９（ａ）に示すように、ＳｉＣ基板１０１を、グラフェン層１１１ａ，１１１ｂ相互間の分子間力、あるいはグラフェン層１１１ａと窒化物半導体層１１４との間の分子間力よりも強い力Ｆで引っ張り、別の基板１３０を引き剥がす。
なお、この力Ｆは、ＳｉＣ基板１０１とグラフェン層１１１ｃとの間の接合力よりも小さいとする。

図１９（ｂ）は、別の基板１３０を剥離した後の状態を示す。
窒化物半導体基板１６０Ｆは、別の基板１３０と、接合層４３２と、窒化物半導体層１１４とがこの順に積層されている。窒化物半導体層１１４は、第２実施形態で述べたように複数の領域に分割されていてもよい。また、窒化物半導体層１１４は、発光素子や電子素子の形態を備えていてもよい。

第１基板であるＳｉＣ基板１０１の表面に成長したエピタキシャルグラフェン層１１０の表面に窒化物半導体層１１４を形成した窒化物半導体層／グラフェン層成長基板の表面、すなわち、グラフェン層側と反対側の窒化物半導体層１１４の表面を、別の基板１３０の表面、又は別の基板１３０の表面上に形成した接合層の表面に接合した後に、ＳｉＣ基板１０１から窒化物半導体層１１４を剥離する工程を備えるので、第１実施形態、及び第２実施形態の効果に加えて、新たに、窒化物半導体層を剥離するための支持体を形成する工程を省略することができるという効果が生じる。

１０１ ＳｉＣ基板（第１基板）
１１０ エピタキシャルグラフェン層
１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃ グラフェン層
１１４，１１４Ａ，１１４Ｂ，１１４Ｃ，１１４Ｄ，１１４Ｅ，１１４Ｆ，１１４Ｇ 窒化物半導体層
１２２ 支持体接着層
１２４ 支持体
１３０ 別の基板（第２基板）
１３２，４３２ 接合層
１５０ 窒化物半導体層／グラフェン層成長基板
１６０、１６０Ａ，１６０Ｂ、１６０Ｃ，１６０Ｄ，１６０Ｅ，１６０Ｆ 窒化物半導体基板
２００ エピタキシャルグラフェン基板
２１４ 素子形成領域
２１６ 非素子形成領域
３１４ 分離島
３１６ 分離溝
４００ 窒化物半導体／グラフェン層成長基板
４３２ 接合層
５０１，６０１，７０１，８０１ ＡｌＮバッファ層
５０２，６０２，９０４，１００３ ｎ−ＧａＮ層
５０３ ｎ−ＡｌＧａＮ（Ｓｉ）層
５０４ 多重量子井戸層 （ＩｎＧａＮ／ＧａＮ／・・・・／ＩｎＧａＮ／ＧａＮ／ＩｎＧａＮ層）
５０５，６０４ ｐ−ＡｌＧａＮ（Ｍｇ）層
５０６，６０５ ｐ−ＧａＮ（Ｍｇ）層
６０３ ＩｎＧａＮ層
７０２ ｎ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層
７０３ ｉ−Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ層
７０４ ｐ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層
８０１ ｎ^＋−ＡｌＧａＮ層
８０２ ｎ^＋−ＡｌＧａＮ層
８０３ ｎ^――ＡｌＧａＮ層
８０４ ｐ−ＧａＮ層
８０５ ｎ^＋−ＧａＮ層
９０２，１００２ アンドープＧａＮ層
９０３ アンドープＡｌＧａＮ層

Claims (7)

1. 第１基板の表面で単層又は複数層のグラフェン層が成長する工程と、
   前記グラフェン層との界面で、共有結合性を有することなく、原子レベルのポテンシャルの規則性のみを用いた結合力を伴って窒化物半導体層が形成される工程と、
   前記窒化物半導体層と前記グラフェン層との間、あるいは前記グラフェン層相互間のポテンシャルによる接合力以上の力で、前記窒化物半導体層が前記第１基板から剥離される工程と
   を備えることを特徴とする窒化物半導体層の剥離方法。
2. 請求項１に記載の窒化物半導体層の剥離方法と、
   前記剥離された前記窒化物半導体層が第２基板の表面に接合される工程と、
   を備える半導体装置の製造方法。
3. 前記第１基板は、ＳｉＣ基板であり、
   窒化物半導体層は、少なくとも前記グラフェン層に接合している層が窒化物層である複合層であることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
4. 第１基板の表面で単層又は複数層のグラフェン層が成長する工程と、
   前記グラフェン層との界面で、共有結合性を有することなく、原子レベルのポテンシャルの規則性のみを用いた結合力を伴って窒化物半導体層が形成される工程と、
   前記窒化物半導体層の表面が第２基板の表面に接着される工程と、
   前記窒化物半導体層と前記グラフェン層との間のポテンシャルによる接合力以上の力で、前記窒化物半導体層が前記第１基板から剥離される工程と
   を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
5. 前記窒化物半導体層を複数の領域に分割する工程をさらに備えることを特徴とする請求項２又は請求項４に記載の半導体装置の製造方法。
6. 前記窒化物半導体層は、発光素子あるいは電子素子の一部又は全部の構造を備えていることを特徴とする請求項２乃至請求項５の何れか１項に記載の半導体装置の製造方法。
7. 単層又は複数層のグラフェン層との界面で、共有結合性を有することなく、原子レベルのポテンシャルの規則性のみを用いた結合力を伴って成長した窒化物半導体層を、前記窒化物半導体層と前記グラフェン層との間、あるいは前記グラフェン層相互間のポテンシャルによる接合力以上の力で、前記窒化物半導体層を前記第１基板から剥離し、
   前記剥離された前記窒化物半導体層が第２基板の表面に接合されたことを特徴とする半導体装置。
   

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