説明

III族窒化物半導体基板形成用基板およびその製造方法

【課題】手間を要さずにIII族窒化物半導体基板を得ることができるIII族窒化物半導体基板形成用基板およびその製造方法を提供する。
【解決手段】III族窒化物半導体基板形成用基板1は、下地基板11と、この下地基板11上に設けられ、炭化アルミニウム、炭化チタン、炭化ジルコニウム、炭化ハフニウム、炭化バナジウムまたは炭化タンタルから選択される炭化物層を窒化した層12と、炭化物層を窒化した層12上に設けられたIII族窒化物半導体膜13とを備える。III族窒化物半導体基板形成用基板1は、III族窒化物半導体膜13上に、III族窒化物半導体層を成長させ、下地基板11を除去し、III族窒化物半導体基板を得るために使用されるものである。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、III族窒化物半導体基板形成用基板およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、窒化ガリウム(GaN)結晶等のIII族窒化物半導体のバルク結晶を、青紫色レーザや白色発光ダーオード作製用の基板に使用する試みが行なわれている。しかしながら、GaNのようなIII族窒化物半導体の結晶では、窒素の解離圧が高いことにより、GaAsのように溶液から大きなバルク結晶を得ることが難しく、工業的に利用できるバルクIII族窒化物半導体結晶の作製は非常に困難である。
【0003】
このため、たとえば、GaN半導体基板の作製には、HVPE(hydride vapor phase epitaxy)法が主に用いられている。
特許文献1には、HVPE法を用いたGaN半導体基板の製造方法が開示されている。この製造方法では、サファイア(Al23)基板上に、ストライプ状に配置された断面矩形形状の被覆部および被覆部間に形成された開口部を有するマスクを形成する。このマスクの被覆部は、サファイア基板の<11−20>、GaN半導体の<1−100>方向に延在する。
マスク形成後、その開口部からGaN半導体層を成長させ、前記マスクの被覆部上面を、完全には覆わない状態で成長を止める。次に、マスクをドライエッチングにより除去し、GaN半導体層上にさらにGaN半導体層を成長させる。その後、サファイア基板をそのまま剥離し、GaN半導体基板を得る。
ところが、従来のGaN半導体基板の製造方法では、GaN半導体層からサファイア基板を剥離する際、GaN半導体層が損傷を受けることが多く、ひどい場合にはGaN半導体層が粉々に割れてしまうことがあった。
【0004】
そこで、このような課題を解決するために、サファイア基板を剥離する様々な方法が提案されている。
サファイア基板を剥離する従来の方法としては、たとえば、特許文献2に記載の方法が挙げられる。この方法では、GaN半導体層を加熱しながらサファイア基板側からレーザ光を照射する。レーザ光としては、波長が355nmのYAGレーザを用いる。レーザ光はGaN半導体層で吸収され、これによってサファイア基板とGaN半導体層との界面近傍のGaNは熱分解され、剥離が起こる。
【0005】
また、サファイア基板を剥離する従来の方法として、特許文献3に記載された方法もあげられる。
この方法では、サファイア基板上に、金属膜(たとえば、アルミニウム膜)を堆積させ、この金属膜上にGaNを成長させ、GaN半導体層を形成する。そして、金属膜をエッチングすることにより、GaN半導体層からサファイア基板を剥離する。
【特許文献1】特開2003−55097号公報
【特許文献2】特開2002−57119号公報
【特許文献3】特開2002−284600号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかしながら、特許文献2に記載された技術では、剥離のための高額なレーザ照射装置が必要であり、レーザ光を走査しながらサファイア基板を剥離しなければならないため、サファイア基板の剥離に手間を要する。
同様に、特許文献3に記載された技術においても剥離のためのエッチング設備が必要であり、エッチング液がサファイア基板とGaN膜の界面に浸透しにくく、特に大きな面積の金属膜を完全にエッチングで除去するには長時間を必要とする。
【0007】
本発明の目的は、III族窒化物半導体基板を得るにあたり上述した問題を解消し、手間を要さずにIII族窒化物半導体基板を得ることができるIII族窒化物半導体基板形成用基板およびその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明によれば、下地基板と、この下地基板上に設けられ、炭化アルミニウム層を窒化した層と、前記炭化アルミニウム層を窒化した層上に設けられたIII族窒化物半導体膜とを備えるIII族窒化物半導体基板形成用基板が提供される。
【0009】
本発明のIII族窒化物半導体基板形成用基板は、III族窒化物半導体基板を得るために使用されるものであり、III族窒化物半導体膜上にIII族窒化物半導体層を積層させ、下地基板を除去することで、III族窒化物半導体基板が得られる。
【0010】
本発明においては、前記炭化アルミニウム層を窒化した層は、炭化アルミニウムと、窒化アルミニウムと、炭素とを含有する。
ここで、III族窒化物半導体基板形成用基板を使用したIII族窒化物半導体基板の形成方法について説明する。
III族窒化物半導体基板形成用基板のIII族窒化物半導体膜上にIII族窒化物半導体層を形成する過程において、炭化アルミニウム層を窒化した層中に、III族窒化物半導体から供給される窒素原子が拡散し、炭化アルミニウムから窒化アルミニウムと、炭素とが生成される。
そして、III族窒化物半導体層を形成する間にAlNはIII族窒化物半導体と混晶を形成し、最終的にIII族窒化物半導体基板形成用基板の下地基板との境界面にCが濃縮したIII族窒化物半導体層が形成される。
CはIII族窒化物半導体層や下地基板に対して不活性であるため、Cが濃縮した境界面では、III族窒化物半導体層と下地基板との結合強度が低下し、極めて小さな応力で下地基板を分離することが可能となる。
従って、本発明のIII族窒化物半導体基板形成用基板を使用することで、容易にIII族窒化物半導体基板を得ることができる。
【0011】
以上の原理をより詳細に説明すると以下のようである。
炭化アルミニウムは窒化によって(1)式に示すようにAlNとCHを生成する。炭化アルミニウムを窒化すると下地基板と接する部分にはAlが残り、その上にはAlの結晶情報を引き継いだAlNを有する、窒化された炭化アルミニウム層が形成される。
【0012】
AlからAlNへの結晶情報の引継ぎは、炭化物と窒化物の結晶構造が同一で、格子不整合が小さいため極めて良好である。さらに、Al、AlNの結晶構造が六方晶に属するため、III族窒化物半導体膜を成長させるのに適している。
【0013】
Al+4NH→4AlN+3CH4・・・(1)式
【0014】
窒化された炭化アルミニウム層の上部にIII族窒化物半導体膜を成長させる過程においては、式(1)に示したように、AlN上にIII族窒化物半導体を成長させることとなるが、下地基板上に残ったAlは、III族窒化物半導体から供給される窒素原子がAlNを介して拡散し、(2)式で示す窒化反応が進行する。
【0015】
Al+4N→4AlN+3C・・・・・・・・・・・・(2)式
【0016】
従って、本発明の形成用基板の炭化アルミニウム層を窒化した層は、炭化アルミニウムと、窒化アルミニウム、と、炭素とを含有する構成となる。
この形成用基板を使用し、III族窒化物半導体層を成長させると、AlNはIII族窒化物半導体と混晶を形成し、最終的に下地基板との境界面にCが濃縮したIII族窒化物半導体層が形成される。
【0017】
CはIII族窒化物半導体や下地基板に対して不活性であるため、Cが濃縮した境界面では、III族窒化物半導体層と下地基板との結合強度が低下し、極めて小さな応力で下地基板を分離することが可能となる。
【0018】
従って、本発明によれば、従来のように手間をかけることなくIII族窒化物半導体層から、下地基板を容易に除去することができ、III族窒化物半導体基板の製造方法が簡便なものとなる形成用基板を提供することができる。
なお炭化アルミニウムは、定比組成でC/Mモル比(Mは、Al)3/4であるが、定比組成に限定せず、主成分として炭化アルミニウムが形成されていればよい。
【0019】
この際、前記III族窒化物半導体膜の厚みが、20nm以上、50μm以下であることが好ましい。
【0020】
前記III族窒化物半導体膜の厚みを、20nm以上とすることで、炭化アルミニウム層を窒化した前記層を、確実に炭化アルミニウムと、窒化アルミニウムと、炭素とを含有するものとすることができる。これにより、III族窒化物半導体層を成長させた後、下地基板を分離除去することが容易となる。
なお、III族窒化物半導体膜の厚みが20nm未満の場合には、炭化アルミニウム層を窒化した層を炭素を含むものとすることが困難となり、III族窒化物半導体層を成長させた後、下地基板を分離除去することが困難となる可能性がある。
また、III族窒化物半導体膜の厚みを50μm以下とすることで、炭化アルミニウム層を窒化した層を、確実に、炭化アルミニウムと、窒化アルミニウムと、炭素とを含有するものとすることができる。これにより、III族窒化物半導体層を成長させた後、下地基板を分離除去することが容易となる。
なお、III族窒化物半導体膜の厚みが50μmを超える場合には、炭化アルミニウム層を窒化した層と、下地基板との界面全面に炭素の層が形成されてしまう可能性があり、下地基板が剥離してしまうおそれがある。
【0021】
さらに、前記炭化アルミニウム層を窒化した層の厚みが20nm以上、140nm以下であることが好ましい。
前記炭化アルミニウム層を窒化した層の厚みを20nm以上とすることで、III族窒化物半導体基板を形成する過程において、炭化アルミニウムがほとんど窒化アルミニウムとなり、III族窒化物半導体膜が下地基板と密着してしまい、下地基板が分離除去されにくくなってしまうことを抑制することができる。
また、炭化アルミニウム層を窒化した層の厚みを140nm以下とすることで、III族窒化物半導体基板を形成する過程において、下地基板が分離除去されにくくなってしまうことを抑制することができる。
すなわち、炭化アルミニム層を窒化した層の厚みを140nmを超えるものとした場合には、III族窒化物半導体基板形成用基板上にIII族窒化物半導体層を形成した際においても炭化アルミニウム層が残留し、炭化アルミニウム層により、下地基板とIII族窒化物半導体層とが強固に結合するため、下地基板を分離することが困難となる場合がある。
また、炭化アルミニウム層を窒化した層の厚みを140nm以下とすることで、III族窒化物半導体基板形成用基板を用いて作成されるIII族窒化物半導体基板の結晶性を良好なものとすることができる。
【0022】
さらに、前記炭化アルミニウム層を窒化した層は、炭化アルミニウムと、窒化アルミニウムと、炭素とを含むことが好ましい。
このようにすることで、本発明にかかるIII族窒化物半導体基板形成用基板上にIII族窒化物半導体層を形成した際において、下地基板の剥離性を良好なものとすることができる。
【0023】
さらに、前記下地基板と、前記炭化アルミニウム層を窒化した層との界面に炭素の層が形成されておらず、前記炭化アルミニウム層を窒化した層中に炭素が分散していることが好ましい。
このようにすることで、III族窒化物半導体基板形成用基板において下地基板からIII族窒化物半導体膜が剥離してしまうことを抑制することができる。
【0024】
また、本発明によれば、上述したIII族窒化物半導体基板形成用基板の製造方法を提供することができる。
すなわち、本発明によれば、下地基板と、炭化アルミニウム層を窒化した層と、前記炭化アルミニウム層を窒化した層上に設けられたIII族窒化物半導体膜とを備えるIII族窒化物半導体基板形成用基板の製造方法であって、前記下地基板上に、炭化アルミニウム層を形成する工程と、前記炭化アルミニウム層を窒化する工程と、窒化された前記炭化アルミニウム層の上にIII族窒化物半導体膜を設ける工程と、を含むIII族窒化物半導体基板形成用基板の製造方法が提供される。
【0025】
この際、前記炭化アルミニウム層を窒化する工程では、前記下地基板と、前記炭化アルミニウム層との界面に炭素の層が析出しない程度に前記炭化アルミニウム層を窒化することが好ましい。
さらには、III族窒化物半導体膜を設ける前記工程では、前記III族窒化物半導体膜を300℃以上、1050℃以下、10分以上、40分以下で成長させることが好ましい。
このようにすることで、下地基板がIII族窒化物半導体膜から分離されず、かつ、III族窒化物半導体層を形成した際に、下地基板を分離することができるIII族窒化物半導体基板形成用基板を提供することができる。
【発明の効果】
【0026】
本発明によれば、手間を要さずにIII族窒化物半導体基板を得ることができるIII族窒化物半導体基板形成用基板およびその製造方法が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【0027】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
はじめに、本実施形態の概要について説明する。
図1に示すように、本実施形態のIII族窒化物半導体基板形成用基板1は、下地基板11と、この下地基板11上に設けられ、炭化アルミニウム層を窒化した層12と、炭化アルミニウム層を窒化した層12上に設けられたIII族窒化物半導体膜13とを備える。
このIII族窒化物半導体基板形成用基板1は、III族窒化物半導体膜13上に、III族窒化物半導体層を成長させ、下地基板11を除去し、III族窒化物半導体基板を得るために使用されるものである。このIII族窒化物半導体基板形成用基板1は、III族窒化物半導体基板形成用のいわゆるテンプレートとして使用されるものである。
【0028】
次に、本実施形態のIII族窒化物半導体基板形成用基板1について詳細に説明する。
下地基板11は、サファイア基板、ZnO基板、SiC基板、GaAs基板、Ga2O3基板、スピネル基板等である。
炭化アルミニウム層を窒化した層12は、下地基板11上に設けられている。
【0029】
この炭化アルミニウム層を窒化した層12は、金属炭化物である炭化アルミニウムと、金属窒化物である窒化アルミニウムと、炭素とを含有する。
この層12は、炭化アルミニウム、窒化アルミニウム、炭素を含有する第一層121と、この第一層121上に設けられた窒化アルミニウム層である第二層122とを有する。
なお、ここでは、層12が第一層121と第二層122とで構成されるとしたが、これに限らず、層12は2層に明確に分離していない状態であってもよい。
炭素は、第一層121中に分散して析出しており、下地基板11と第一層121との界面全面を覆っていない。換言すると、第一層121と下地基板11との間には炭素の層が形成されていない。
この層12の厚みは、20nm以上、140nm以下であることが好ましい。
なかでも、20nm以上、70nm以下であることがとくに好ましい。
【0030】
III族窒化物半導体膜13は、たとえば、GaxAl1-xN(0≦x≦1)、GaIn1-xN(0≦x≦1)である。なかでもIII族窒化物半導体膜13はGaNであることが好ましい。
このIII族窒化物半導体膜13は、20nm以上、50μm以下であることが好ましい。なかでも、70nm以上、50μm以下であることが特に好ましい。
【0031】
このようなIII族窒化物半導体基板形成用基板1は以下のようにして製造することができる。図2を参照して説明する。
はじめに、III族窒化物半導体基板形成用基板1の製造方法の概要について説明する。
(i)下地基板11上に、炭化アルミニウム層14を形成する工程と、
(ii)炭化アルミニウム層14を窒化し、窒化された炭化アルミニウム層15を形成する工程と、
(iii)窒化された炭化物層15の上にIII族窒化物半導体膜13を設ける工程と、
を含む。
【0032】
以下、III族窒化物半導体基板形成用基板1の製造方法について、詳述する。
(炭化アルミニウム層の形成工程)
まず、下地基板11上に、炭化アルミニウム層14を形成する(図2(A))。炭化アルミニウム層14は、有機アルミニウムガス(例えば、トリメチルアルミニウム)を原料ガスとして形成される。
炭化アルミニウム層14の成膜条件は、例えば以下のようにする。
【0033】
成膜方法:有機金属気相成長(MOVPE)法
原料ガス:トリメチルアルミニウム(TMAl)、水素(H2)ガス、窒素(N2)ガス
成膜温度:300℃〜1000℃
成膜時間:5分〜60分
膜厚:20nm〜140nm
【0034】
キャリアガスとしては、水素、窒素、アルゴンなどトリメチルアルミニウムと反応し難いガスを選択すればよいが、ここでは水素ガスまたは/および窒素ガスをキャリアガスとして使用している。
キャリアガスとして窒素ガスを使用する場合、窒素ガスのモル分圧をTMAlのモル分圧に対して一定以上にすると、炭化アルミニウムでなく、窒化アルミニウム(AlN)が形成されてしまうことがある。そのため、窒素ガスのモル分圧をTMAlのモル分圧に対して所定値以下にする必要がある。本実施形態では、TMAlのモル分圧に対する窒素ガスのモル分圧比を1.8×10以下としている(TMAl、18℃)。好ましくはキャリアガスとして水素ガスのみを使用すればAlNの形成は起こらない。
また、炭化アルミニウム層14の成膜温度は、300℃〜1000℃であればよいが、400℃以上であることが好ましく、600℃以下であることが好ましい。
【0035】
(炭化アルミニウム層を窒化する工程)
次に、図2(B)に示すように、炭化アルミニウム層14を300℃〜900℃の雰囲気下で窒化し、窒化した炭化アルミニウム層15を形成する。
炭化アルミニウム層14の窒化条件は、例えば以下のようにする。
【0036】
窒化ガス:アンモニア(NH)ガス、Hガス、Nガス
窒化温度:300℃〜900℃
窒化時間:5分〜60分
なお、窒化温度は500℃以上700℃以下であることがより好ましく、特に好ましくは550℃以下である。550℃より高温にすると、(5)式に示すとおりCHが分解してCが析出し、CがAlNに混入することでIII族窒化物半導体層の結晶性が低下する場合がある。Cの析出を抑制するには、水素の導入やアンモニア分圧を高めるのが有効である。
CH→C+2H・・・・・・・・・・・・・・・・(5)式
また、窒化時間は、30分以下であることがより好ましい。窒化時間を30分程度とすることで、炭化アルミニウム層14を適度に窒化することができる。
【0037】
なお、炭化アルミニウム層14を窒化する際の反応ガスとしては、アンモニアが好ましい。反応ガスとしてアンモニア以外に窒素を使用してもAlNを形成できるが、(6)式で示すようにAlNとCが生成し、AlNにCが混入した場合にはIII族窒化物半導体基板の結晶品質に影響を与える可能性がある。
Al+2N→4AlN+3C・・・・・・・・・・・(6)式
炭化アルミニウム層14の窒化は、MOVPE装置内で炭化アルミニウム層の形成工程から連続で行うことができる。
なお、図2(B)に示す符号151は、炭化アルミニウムの層を示し、符号152は、窒化アルミニウムの層を示している。すなわち、基板11と接する部分にはAlが残り、その上にはAlの結晶情報を引き継いだAlN層が形成されていることを示している。
この窒化工程では、下地基板11と層151との界面全面を炭素が覆わず、さらに、この界面に炭素の層が形成されない程度に炭化アルミニウム層14を窒化する。
【0038】
(III族窒化物半導体膜13の形成工程)
次に、窒化した炭化アルミニウム層15上に、III族窒化物半導体膜13を設ける(図1参照)。
III族窒化物半導体膜13は、たとえば、GaNであり、成膜条件は、たとえば、以下のようにすることができる。
【0039】
成膜方法:MOVPE法
成膜温度:300℃〜1050℃
成膜ガス:トリメチルガリウム(TMG)ガス、H2ガス、N2ガス、NH3ガス
膜厚:20nm〜50μm
成膜時間:10分〜40分
なお、III族窒化物半導体膜13の形成は、MOVPE装置内で炭化アルミニウム層を窒化する工程から連続で行うことができる。
このIII族窒化物半導体膜13の形成工程において、 III族窒化物半導体膜13の膜厚が増加していく過程で炭化アルミニウムの層151はIII族窒化物半導体膜13から供給される窒素原子で窒化され、窒化アルミニウムとカーボンを生成する。従って、図1に示したように、炭素、炭化アルミニウム、窒化アルミニウムを含む層121と、窒化アルミニウム層122とが形成されることとなる。これが、炭化物層を窒化した層12に該当する。
ここで、III族窒化物半導体膜13の形成は、下地基板11が炭化物層を窒化した層12から剥離しない程度、すなわち、下地基板11と、層12との界面に炭素の層が析出せず、界面全面を炭素が覆わない程度に行う必要がある。たとえば、300℃で成膜する場合には、成膜時間を40分とし、700℃で成膜する場合には、成膜時間を15分とする。さらに、1000℃で成膜する場合には、成膜時間を11分とし、1050℃で成膜する場合には、成膜時間を10分とする。
このようにして製造されたIII族窒化物半導体基板形成用基板1は、常温まで冷却されるが、この冷却工程において、下地基板11が剥離してしまうことはない。
以上の工程はMOVPE装置の中で一貫して行うことが可能であるため、大気に浮遊する微粒子やガスによる汚染がなく短時間でかつ簡便にIII族窒化物半導体基板形成用基板1の製造が可能である。
【0040】
次に、図3を参照し、以上のようにして製造されたIII族窒化物半導体基板形成用基板1を用いたIII族窒化物半導体基板の製造方法について説明する。
はじめに、図3(A)に示すように、III族窒化物半導体膜13上にIII族窒化物半導体層21をエピタキシャル成長させる。
III族窒化物半導体層21は、III族窒化物半導体膜13と同じIII族窒化物であり、たとえば、GaNである。
III族窒化物半導体層21の成長条件は、たとえば、以下のようにすることができる。
【0041】
成膜方法:HVPE(hydride vapor phase epitaxy)法
成膜温度:1000℃〜1050℃
成膜時間:30分〜270分
膜厚:250μm〜2000μm
HVPE装置(図示略)中には、Gaソースが配置され、このGaソースに対し、HClガスを供給する。HClガスと、Gaソースを反応させ、GaClをIII族窒化物半導体膜13近傍の領域に輸送する。III族窒化物半導体膜13近傍の領域には、NH3ガスも供給されているので、NH3ガスと、GaClが反応してGaNが成長し、III族窒化物半導体層21が形成されることとなる。III族窒化物半導体層21の膜厚が増加していく過程で窒化アルミニウム122はGaNと混晶を形成する。炭化アルミニウム121はGaNから供給される窒素原子で窒化され、窒化アルミニウムとカーボンを生成する。窒化アルミニウムはGaNと混晶を形成するため、最終的に図3(A)に示すように、下地基板11との境界面にCが濃縮したGaN半導体層が生成する。なお、図3(A)において、符号16は、Cの濃縮部である炭素の層を示している。
【0042】
(下地基板の剥離工程)
次に、図3(B)に示すように、下地基板11との境界面にCが濃縮したGaN半導体層から、下地基板11を剥離して除去する。
具体的には、GaN半導体層を形成したHVPE装置の温度を降温し、前記GaN半導体層を常温まで、冷却する。
この冷却中に、前記GaN半導体層と下地基板11の熱膨張係数の違いからこれらの積層体に歪みが生じ、前記GaN半導体層と下地基板11とが分離されることとなる。Cは下地基板11に対して不活性であるため、Cが濃縮した境界面では、下地基板11との結合強度が低下し、極めて小さな応力で下地基板11を分離することが可能となる。
その後、剥離したGaN半導体層の表面および裏面を研磨することで、平坦化した自立基板であるGaN基板を作製することができる。
【0043】
次に、本実施形態の作用効果について説明する。
窒化した層12は、炭化アルミニウムと、窒化アルミニウムと、炭素とを含有する。
III族窒化物半導体膜13上にIII族窒化物半導体層21を形成する過程において、窒化した層12中に、III族窒化物半導体から供給される窒素原子が拡散し、炭化アルミニウムから窒化アルミニウムと、炭素とが生成される。
そして、III族窒化物半導体層21を形成する間にAlNはIII族窒化物半導体と混晶を形成し、最終的に下地基板11との境界面にCが濃縮したIII族窒化物半導体層が形成される。
CはIII族窒化物半導体層や下地基板11に対して不活性であるため、Cが濃縮した境界面では、III族窒化物半導体層と下地基板11との結合強度が低下し、極めて小さな応力で下地基板11を分離することが可能となる。
従って、本実施形態のIII族窒化物半導体基板形成用基板1を使用することで、容易にIII族窒化物半導体基板を得ることができる。
【0044】
また、III族窒化物半導体膜13の厚みを、20nm以上とすることで、炭化アルミニウム層を窒化した層12を、炭化アルミニウムと、窒化アルミニウムと炭素とを含有するものとすることができる。これにより、III族窒化物半導体層21を成長させた後、下地基板11を分離除去することが容易となる。
なお、III族窒化物半導体膜13の厚みが20nm未満の場合には、窒化された前記層12は炭素を含むものとすることが困難となり、III族窒化物半導体層21を成長させた後、下地基板11を分離除去することが困難となる可能性がある。
【0045】
また、III族窒化物半導体膜13の厚みを50μm以下とすることで、炭化アルミニウム層を窒化した層12を、炭化アルミニウムと、窒化アルミニウムと、炭素とを含有するものとすることができる。これにより、III族窒化物半導体層21を成長させた後、下地基板11を分離除去することが容易となる。
なお、III族窒化物半導体膜13の厚みが50μmを超える場合には、炭化アルミニウム層を窒化した層12と、下地基板11との界面全面を炭素が覆ってしまう可能性があり、下地基板11が剥離してしまうおそれがある。
なお、III族窒化物半導体膜13を70nm以上とすることで、III族窒化物半導体層21の結晶性を良好なものとすることができる。
【0046】
さらに、炭化アルミニウム層を窒化した層12の厚みを20nm以上とすることで、III族窒化物半導体膜13が下地基板11と密着してしまうことを抑制することができる。
すなわち、層12の厚みが20nm未満である場合には、層12はほとんど窒化アルミニウムとなり、III族窒化物半導体膜13が下地基板11に窒化アルミニウムを介して強固に結合してしまうことがある。そのため、III族窒化物半導体層21を成長させた後、下地基板11を分離除去することが困難となる場合がある。
なお、炭化アルミニウム層を窒化した層12の厚みを70nm以下とすることにより、III族窒化物半導体層21の結晶性を良好なものとすることができる。
【0047】
炭化アルミニウム層を窒化した層12の厚みを140nm以下とすることで、III族窒化物半導体膜13が下地基板11と密着してしまうことを抑制することができる。
すなわち、層12の厚みが140nmを超える場合には、III族窒化物半導体層21を成長させた後においても炭化アルミニウム層が残留し、炭化アルミニウム層により、下地基板11と、III族窒化物半導体膜13が強固に結合するため、下地基板11を分離除去することが困難となる場合がある。
さらに、炭化アルミニウム層を窒化した層12の厚みを140nm以下とすることで、III族窒化物半導体基板形成用基板1を用いて作成されるIII族窒化物半導体基板の結晶性を良好なものとすることができる。
【0048】
さらに、本実施形態では、III族窒化物半導体基板形成用基板1において下地基板11と、炭化物層を窒化した層12との界面全面に炭素が析出しておらず、炭素の層も形成されていない。
このようにすることで、III族窒化物半導体基板形成用基板1において下地基板11からIII族窒化物半導体膜13が剥離してしまうことを抑制することができる。
【0049】
また、本発明者らは、以前、下地基板を容易に除去することができるIII族窒化物半導体基板の製造方法を提案している。この方法は、下地基板上に、炭化アルミニウム、炭化チタン、炭化ジルコニウム、炭化ハフニウム、炭化バナジウムまたは炭化タンタルから選択されるいずれかの炭化物層を形成し、この炭化物層を窒化した後、III族窒化物半導体層をエピタキシャル成長させ、III族窒化物半導体層から、前記下地基板を除去し、前記III族窒化物半導体層を含むIII族窒化物半導体基板を得る方法である。
この方法では、炭化物層の形成から下地基板の除去までの工程を連続的に行うことが好ましい。
これに対し、本実施形態のIII族窒化物半導体基板形成用基板1を使用することで、炭化物層の形成から下地基板の除去までの工程を連続的に行う必要がなくなる。
【0050】
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
たとえば、前記実施形態では、III族窒化物半導体膜13をMOVPE法により形成したが、これに限らず、HVPE法により形成してもよい。またはスパッタ法により炭化アルミニウム層を形成し、III族窒化物半導体膜13をHVPE法により形成してもよい。
【0051】
また、前記実施形態では、III族窒化物半導体層をHVPE法により形成したが、これに限らず、たとえば、フラックス法、アモノサーマル法で形成してもよい。
【0052】
また、III族窒化物半導体層を形成する際に、FIELO法により形成してもよい。具体的には、III族窒化物半導体基板形成用基板1表面に、マスクとなるSiO2膜を作製し、サファイア基板(下地基板11)の<1−100>方向((GaNの<11−20>方向))に沿った方向でストライプ状の開口部を設け、開口部内で{1−101}を側壁とするファセット構造を形成させながらGaN半導体層を成長させると、最終的に生成するGaN半導体層中に結晶欠陥が伝達されることが抑制される。このため、得られるGaN半導体基板の品質を向上させることができる。
【0053】
また、前記実施形態では、窒化ガスを用い、炭化アルミニウム層の窒化を行ったが、これに限らず、たとえば、炭化アルミニウム層上に窒化アルミニウム層を形成することで、前記炭化物層を窒化してもよい。
【実施例】
【0054】
以下、本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は以下の例により制限されるものではない。
(実施例1)
前記実施形態で説明したのと同様のプロセスを行い、III族窒化物半導体基板形成用基板を製造した。
(炭化アルミニウム層の形成工程)
成膜方法:MOVPE法
成膜温度:500℃
成膜時間:5分
成膜ガス:TMAl20cc/min(18℃)、Hガス6L/min、Nガス10.5L/min
膜厚 :70nm
【0055】
(炭化アルミニウム層を窒化する工程)
窒化温度:500℃
窒化時間:30分
窒化ガス:NHガス5L/min、Hガス6L/min、Nガス4.5L/min
【0056】
(GaN半導体膜の形成工程)
成膜方法:MOVPE法
成膜温度:500℃
成膜ガス:TMG 4cc/min(10℃)、NHガス5L/min、Hガス6L/min、N2ガス4.5L/min
膜厚 : 70 nm
成膜時間:30分
【0057】
このようにして得られたIII族窒化物半導体基板形成用基板を常温まで冷却したが、III族窒化物半導体基板形成用基板において下地基板が剥離してしまうことはなかった。
次に、このIII族窒化物半導体基板形成用基板を用いてGaN半導体層をエピタキシャル成長させ、III族窒化物半導体基板を得た。
【0058】
(GaN半導体層をエピタキシャル成長させる工程)
成膜方法:HVPE法
成膜温度:1040℃
成膜ガス:HClガス 0.15L/min、NHガス1.5L/min
ソース :Gaソース(850℃)
膜厚 :310μm
温度プロファイル:図4
なお、図4において、GaClの下側の矢印は、50分〜80分、90〜180分の間でGaClが発生していることを示し、NHの上側の矢印は、矢印で示す間中、NHガスを供給している時間を示している。
【0059】
(サファイア基板の剥離工程)
GaN半導体層を形成したHVPE装置中の温度を降温し、常温まで、冷却した。冷却過程において、下地基板は良好に剥離され、膜厚約300μmのGaN半導体基板を得ることができた。このGaN半導体基板の(0002)面のX線ロッキングカーブ半値幅を測定したところ600arcsecであった。
【0060】
(実施例2)
GaN半導体膜の厚みを20nmとした。
他の条件は実施例1と同じである。
実施例2においても、III族窒化物半導体基板形成用基板において下地基板が剥離してしまうことはなかった。
また、GaN半導体基板の製造の際には、下地基板は剥離でき、膜厚約300μmのGaN半導体基板を得ることができた。このGaN半導体基板の(0002)面のX線ロッキングカーブ半値幅を測定したところ650arcsecであった。
【0061】
(実施例3)
GaN半導体膜の厚みを50μmとした。
他の条件は実施例1と同じである。
実施例3においても、III族窒化物半導体基板形成用基板において下地基板が剥離してしまうことはなかった。
実施例3においても、GaN半導体基板の製造の際には、下地基板は良好に剥離され、膜厚約300μmのGaN半導体基板を得ることができた。このGaN半導体基板の(0002)面のX線ロッキングカーブ半値幅を測定したところ250arcsecであった。
【0062】
(実施例4)
GaN半導体膜の厚みを20μmとした。
他の条件は実施例1と同じである。
実施例4においても、III族窒化物半導体基板形成用基板において下地基板が剥離してしまうことはなかった。
実施例4においても、GaN半導体基板の製造の際には、下地基板は良好に剥離でき、膜厚約300μmのGaN半導体基板を得ることができた。このGaN半導体基板の(0002)面のX線ロッキングカーブ半値幅を測定したところ300arcsecであった。
【0063】
(実施例5)
炭化アルミニウム層の厚みを20nmとした。
他の条件は実施例1と同じである。
実施例5においても、III族窒化物半導体基板形成用基板において下地基板が剥離してしまうことはなかった。
また、GaN半導体基板の製造の際には、下地基板は良好に剥離され、膜厚約300μmのGaN半導体基板を得ることができた。このGaN半導体基板の(0002)面のX線ロッキングカーブ半値幅を測定したところ250arcsecであった。
【0064】
(実施例6)
炭化アルミニウム層の厚みを140nmとした。
他の条件は実施例1と同じである。
実施例6においても、III族窒化物半導体基板形成用基板において下地基板が剥離してしまうことはなかった。
また、実施例6においても、GaN半導体基板の製造の際には、下地基板は良好に剥離され、膜厚約300μmのGaN半導体基板を得ることができた。このGaN半導体基板の(0002)面のX線ロッキングカーブ半値幅を測定したところ700arcsecであった。
【図面の簡単な説明】
【0065】
【図1】本発明の実施形態にかかるIII族窒化物半導体基板形成用基板を示す模式図である。
【図2】本発明の実施形態にかかるIII族窒化物半導体基板形成用基板の製造工程を示す模式図である。
【図3】本発明の実施形態にかかるIII族窒化物半導体基板形成用基板を使用したIII族窒化物半導体基板の製造工程を示す模式図である。
【図4】実施例のGaN半導体層をエピタキシャル成長させる工程の温度プロファイルを示す図である。
【符号の説明】
【0066】
1 III族窒化物半導体基板形成用基板
11 下地基板
12 炭化物層を窒化した層
13 III族窒化物半導体膜
14 炭化アルミニウム層
15 窒化した炭化アルミニウム層
16 Cの濃縮部である炭素の層
21 族窒化物半導体層
121 第一層
122 第二層
151 炭化アルミニウムの層
152 窒化アルミニウムの層

【特許請求の範囲】
【請求項1】
下地基板と、
この下地基板上に設けられ、炭化アルミニウム層を窒化した層と、
前記炭化アルミニウム層を窒化した層上に設けられたIII族窒化物半導体膜とを備えるIII族窒化物半導体基板形成用基板。
【請求項2】
請求項1に記載のIII族窒化物半導体基板形成用基板において、
前記III族窒化物半導体膜の厚みが、20nm以上、50μm以下であるIII族窒化物半導体基板形成用基板。
【請求項3】
請求項1または2に記載のIII族窒化物半導体基板形成用基板において、
前記炭化アルミニウム層を窒化した層の厚みが20nm以上、140nm以下であるIII族窒化物半導体基板形成用基板。
【請求項4】
請求項1乃至3のいずれかに記載のIII族窒化物半導体基板形成用基板において、
前記炭化アルミニウム層を窒化した層は、
炭化アルミニウムと、
窒化アルミニウムと、
炭素とを含むIII族窒化物半導体基板形成用基板。
【請求項5】
請求項1乃至4のいずれかに記載のIII族窒化物半導体基板形成用基板において、
前記下地基板と、前記炭化アルミニウム層を窒化した層との界面に炭素の層が形成されておらず、前記炭化アルミニウム層を窒化した層中に炭素が分散しているIII族窒化物半導体基板形成用基板。
【請求項6】
下地基板と炭化アルミニウム層を窒化した層と、
前記炭化アルミニウム層を窒化した層上に設けられたIII族窒化物半導体膜とを備えるIII族窒化物半導体基板形成用基板の製造方法であって、
前記下地基板上に、炭化アルミニウム層を形成する工程と、
前記炭化アルミニウム層を窒化する工程と、
窒化された前記炭化アルミニウム層の上にIII族窒化物半導体膜を設ける工程と、
を含むIII族窒化物半導体基板形成用基板の製造方法。
【請求項7】
請求項6に記載のIII族窒化物半導体基板形成用基板の製造方法において、
前記炭化アルミニウム層を窒化する工程では、前記下地基板と、前記炭化アルミニウム層との界面に炭素の層が析出しない程度に前記炭化アルミニウム層を窒化するIII族窒化物半導体基板形成用基板の製造方法。
【請求項8】
請求項6または7に記載のIII族窒化物半導体基板形成用基板の製造方法において、
III族窒化物半導体膜を設ける前記工程では、前記III族窒化物半導体膜を300℃以上、1050℃以下、10分以上、40分以下で成長させるIII族窒化物半導体基板形成用基板の製造方法。

【図1】
image rotate

【図2】
image rotate

【図3】
image rotate

【図4】
image rotate


【公開番号】特開2009−221078(P2009−221078A)
【公開日】平成21年10月1日(2009.10.1)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2008−69644(P2008−69644)
【出願日】平成20年3月18日(2008.3.18)
【出願人】(000165974)古河機械金属株式会社 (211)
【Fターム(参考)】