JPH10178202A - ＧａＮ系基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 厚膜のＧａＮ系結晶層を形成した後において
もバッファー層の消失の程度が少なく、ＧａＮ系結晶層
の形成後にバッファー層のエッチングによるＧａＮ系結
晶層とサファイア基板との分離が容易であって高歩留り
にてＧａＮ系結晶基板を製造し得る方法を提供するこ
と。 【解決手段】 サファイアなどの種基板の上にＺｎＯな
どの二族酸化物からなるバッファー層を形成し、その上
に低温下でＩｎ_X Ｇａ_Y Ａｌ_Z Ｎからなるキャップ層を
形成し、さらにその上に厚膜のＩｎ_X Ｇａ_Y Ａｌ_Z Ｎ層
を形成することを特徴とするＧａＮ系基板の製造方法。 【効果】 高品質且つ大面積のＧａＮ系基板を容易にし
かも高歩留りにて製造することができる。このＧａＮ系
基板は、青色発光素子の製造に好適である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＧａＮ系基板の製
造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】発光ディスプレイ等における多色化の要
求や、通信・記録等におけるデータ密度の向上の要求か
ら、近時、高輝度の青色発光が可能な半導体素子を容易
に製造することが強く要求されている。青色発光する半
導体素子の製造に用いられる材料として、ＧａＮ系の結
晶が注目されている。ＧａＮ系結晶は、直接遷移型バン
ド構造を有するため高効率の発光が可能であり、かつ室
温でのバンドギャップが大きいため、上記の要求に応え
得る青色発光素子用に好適な材料である。しかしＧａＮ
系結晶は融点が高く、また融点付近での窒素の蒸気圧が
高いため、融液からバルク結晶を成長させることは極め
て困難である。このため、ＧａＮ系結晶の製造は、サフ
ァイア基板上に、または該サファイア基板上にＡｌＮ、
ＺｎＯのようなＧａＮ系物質との格子整合性の良好な物
質からなるバッファー層を形成し、その上にＧａＮ系物
質の結晶薄膜を成長させているのが現状である。

【０００３】ところが、サファイア基板は絶縁体である
ために、電極の設置が特定の位置に限定され、つぎに説
明するように発光素子の構造設計上の自由度が制限され
るという問題がある。図１は、ＧａＮ結晶を用いた従来
のＬＥＤの断面構造図例である。同図において、１はｐ
側電極、２はｎ側電極、４はｎ型ＧａＮ系半導体、６は
ｐ型ＧａＮ系半導体である。ｐ側電極１とｎ側電極２と
は、サファイア基板Ｓが絶縁体であるために導電性の基
板を用いたＬＥＤのように、基板を挟んで互いに対向設
置することができない。このため図示するように、両電
極は、共にサファイア基板Ｓの同一面側に設けざるを得
なくなっている。この両電極の形成構造は、発光素子の
製造面や実装面において種々の問題があり、また発光面
積の点で不利でもある。またＧａＮ系のＬＤを製造する
場合においても、電極形成位置において上記ＬＥＤと同
様の問題があり、またサファイアは劈開性がないために
劈開による共振器面が作製できない不利もある。

【０００４】上記に鑑み、本発明者らはＧａＮ系結晶が
導電性であることに着目して、発光素子の製造のために
サファイア基板に代ってＧａＮ系結晶を基板として用い
ること、並びにＧａＮ系結晶基板の製造方法についての
提案を先に行った。ＧａＮ系結晶を基板として用いるこ
とによって、該ＧａＮ系結晶基板とその上に形成される
ＧａＮ系半導体エピタキシャル層からなる積層体に対し
て、ｐ側電極とｎ側電極を該積層体の上下から挟むよう
に設けることができ、しかしてサファイア基板を使用し
た際にみられる上記した種々の問題が解決される。その
上、良好な格子整合性の故に該ＧａＮ系結晶基板の上に
は高品質のＧａＮ系半導体層をエピタキシャルにて形成
することができ、さらにＧａＮ系結晶基板は劈開性にも
優れているので、高性能のＬＤの製作にも有利である。

【０００５】ＧａＮ系結晶基板の製造方法については、
サファイアなどを種基板として用いい、その上に厚膜の
ＧａＮ系結晶層を形成することとし、その際、種基板と
ＧａＮ系結晶層との間の格子不整合を緩和するためにサ
ファイア種基板上に予めＺｎＯなどの二族酸化物からな
るバッファー層をスパッタリングによって成膜し、その
上にＨＶＰＥ法などによりＧａＮ系結晶層を成長させ、
最後に該バッファー層をエッチング除去して基板となる
ＧａＮ系結晶を得る。

【０００６】バッファー層上への厚膜のＧａＮ結晶層の
形成は、ＨＶＰＥ法などによる高温度下での形成が効率
的である。しかしながら、ＺｎＯなどの二族酸化物から
なるバッファー層は、高温度で熱分解する傾向があり、
場合によってはＧａＮ結晶層の形成の途上でバッファー
層が殆ど消失することもある。バッファー層が消失する
と、ＧａＮ系結晶層の成長後の該結晶層とサファイア基
板との分離において、バッファー層のエッチング除去な
る上記の分離方法が採用できず、このためにＧａＮ系結
晶基板の製造歩留りが低下する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、厚膜のＧａ
Ｎ系結晶層を形成した後においても二族酸化物からなる
バッファー層の消失がなく、あるいは少なくとも該バッ
ファー層の消失の程度が少なく、しかしてＧａＮ系結晶
層の形成後にバッファー層のエッチングによるＧａＮ系
結晶層とサファイア基板との分離が容易であって高歩留
りにてＧａＮ系結晶基板を製造し得る方法を提供するこ
とにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、つぎの特徴を
有する。 (1) 種基板の上に二族酸化物からなるバッファー層を形
成し、その上に低温下でＩｎ_X Ｇａ_Y Ａｌ_Z Ｎ（ここに
０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｚ≦１、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝
１）からなるキャップ層を形成し、さらにその上に厚膜
のＩｎ_X Ｇａ_Y Ａｌ _Z Ｎ（ここに０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦
１、０≦Ｚ≦１、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１）層を形成することを
特徴とするＧａＮ系基板の製造方法。 (2) 厚膜のＩｎ_X Ｇａ_Y Ａｌ_Z Ｎ層を形成した後に、該
バッファー層を除去して種基板から厚膜のＩｎ_X Ｇａ_Y
Ａｌ_Z Ｎ層を分離する上記(1) 記載のＧａＮ系基板の製
造方法。 (3) 該キャップ層の形成をバッファー層を形成する二族
酸化物の熱分解温度未満の低温で行う上記(1) または
(2) 記載のＧａＮ基板の製造方法。 (4) キャップ層の形成を非還元性雰囲気下で行う上記
(1)〜(3)のいずれかに記載のＧａＮ系基板の製造方法。 (5) 厚膜のＩｎ_X Ｇａ_Y Ａｌ_Z Ｎ層をＨＶＰＥ法で形成
する上記(1) 〜(4)のいずれかに記載のＧａＮ系基板の
製造方法。

【０００９】

【作用】二族酸化物からなるバッファー層上に厚膜のＩ
ｎ_X Ｇａ_Y Ａｌ_Z Ｎ層（以下、厚膜ＧａＮ系層と言う）
を形成するに先立って、バッファー層上にＩｎ_X Ｇａ_Y
Ａｌ_Z Ｎからなるキャップ層（以下、キャップＧａＮ系
層と言う）を予め形成しておく。該キャップＧａＮ系層
は、低温下で形成されるので、従来のように高温下でＧ
ａＮ系層を形成する場合と異なって、該キャップＧａＮ
系層の形成工程においてバッファー層の熱分解は実質的
には生じない。また該キャップＧａＮ系層の形成後に行
われる厚膜ＧａＮ系層の形成工程においては、該キャッ
プＧａＮ系層がバッファー層の保護層として機能し、そ
の熱分解を防止乃至軽減する作用をなす。

【００１０】

【発明の実施の形態】種基板としては、サファイア、Ｓ
ｉＣ、ＧａＡｓ、Ｓｉ、ＭｇＡｌ₂ Ｏ₄ 、ＬｉＧａ
Ｏ₃ 、ＬｉＡｌＯ₃ 、ＭｎＯなど、種々の材料からなる
基板を用いることができる。

【００１１】バッファー層の構成材料たる二族酸化物と
しては、ＺｎＯ、ＭｇＯ、ＣａＯなどが例示でき、また
その層厚は、０．００５〜５μｍ程度、特に０．０１〜
０．５μｍ程度が適当である。

【００１２】本発明において、キャップＧａＮ系層およ
び厚膜ＧａＮ系層は、下記の一般式（１）、 Ｉｎ_X Ｇａ_Y Ａｌ_Z Ｎ （１） （ここに、０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｚ≦１、Ｘ＋
Ｙ＋Ｚ＝１）を有する各種の材料、例えば、ＧａＮ、Ａ
ｌＮ、Ｉｎ_0.1 Ｇａ_0.9 Ｎ、Ａｌ_0.2 Ｇａ_0.8 Ｎなど、
の少なくとも１種にて構成される。キャップＧａＮ系層
と厚膜ＧａＮ系層とは、互いに同じ材料であってもよ
く、異なっていてもよい。

【００１３】本発明においてキャップＧａＮ系層は、前
記した通り、低温下で形成される。ここで言う低温と
は、バッファー層の形成に使用する二族酸化物の熱分解
温度（Ｔ℃）未満、好ましくは（Ｔ−１０）℃以下、更
には（Ｔ−５０）℃以下の低温度を意味する。またその
層厚は、０．００５〜５μｍ程度、特に０．０１〜０．
５μｍ程度が適当である。キャップＧａＮ系層の形成
は、種々の雰囲気下で行ってよいが、還元性雰囲気下で
は、バッファー層の二族酸化物が還元により分解するこ
とがある。したがって空気、酸素、窒素、アルゴン、そ
の他の非還元性雰囲気のもとで行うことが好ましい。

【００１４】かく形成されたキャップＧａＮ系層の上に
厚膜ＧａＮ系層が形成される。該厚膜ＧａＮ系層は、自
体基板として使用されるものであるから、その厚膜度は
基板として使用されるに相応しい厚さ、例えば１０〜１
０００μｍ程度、特に５０〜５００μｍ程度が適当であ
る。

【００１５】厚膜ＧａＮ系層の形成後、バッファー層を
除去して該ＧａＮ系層を種基板から分離する。その際の
バッファー層の除去は、例えば塩酸、硝酸、硫酸、など
の酸によるウェットエッチングなどの方法で行うことが
できる。かくしてＧａＮ系基板を得ることができる。該
ＧａＮ系基板の片面にはキャップＧａＮ系層が付着して
いるが、それを除去する必要は特になく、ＧａＮ系基板
の一部として利用してよい。

【００１６】本発明において、バッファー層の形成方法
に関しては特に制限はなく、従来知られている方法、例
えばスパッタ法、ＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長
法）、ＨＶＰＥ法（ハイドライド気相成長法）、ＭＢＥ
法（分子エピタキシャル法）、Ｐ−ＣＶＤ法（プラズマ
−化学気相堆積法）などが挙げられる。またキャップＧ
ａＮ系層および厚膜ＧａＮ系層の形成方法に関しては、
例えばＨＶＰＥ法、ＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法などが挙げ
られ、就中ＨＶＰＥ法が好ましい。

【００１７】以下、本発明を実施例により一層詳細に説
明し、また比較例を挙げて本発明の顕著な効果をも示
す。

【００１８】

【実施例】

実施例１ ２インチφのサファイアＣ面上に、スパッタ法によりバ
ッファー層としてのＭｇＯ膜を約０．０５μｍ成長させ
た。この際、ＭｇＯの酸素欠損を少なくするために、通
常のアルゴンガス導入に加えて酸素ガスの導入も併せて
行った。ＭｇＯ膜を有するサファイア種基板を通常のＭ
ＯＶＰＥ装置内に設置し、窒素を２０ＳＬＭで流しなが
ら５００℃まで昇温した。つぎにアンモニア１０ＳＬ
Ｍ、水素１０ＳＬＭ、窒素１０ＳＬＭ、およびトリメチ
ルガリウム５０μモル／分を流しながらＧａＮからなる
厚さ０．１μｍのキャップ層を成長させた。このキャッ
プ層付きのサファイア種基板を通常のＨＶＰＥ装置内に
設置し、窒素を１０ＳＬＭ流しながら８００℃まで昇温
し、塩化水素１ＳＬＭおよびアンモニア３ＳＬＭを流し
ながらＧａと反応させ、厚さ１００μｍの厚膜ＧａＮ結
晶を成長させた。かくして得た厚膜ＧａＮ結晶を有する
サファイア種基板を塩酸中に２０分間浸漬してＭｇＯ膜
を完全に除去し、目的のＧａＮ結晶基板を得た。

【００１９】実施例２ ５００℃にてＨＶＰＥ法でキャップ層を成長させた以外
は、実施例１と同様にしてＧａＮ結晶基板を得た。

【００２０】実施例３ ＭｇＯ膜に代えて、バッファー層として約０．０５μｍ
厚のＺｎＯ膜をスパッタ法によりサファイア種基板上に
成長させた以外は、実施例１と同様にしてＧａＮ結晶基
板を得た。

【００２１】実施例４ ＭｇＯ膜の成長厚さを約０．１μｍとした以外は、実施
例１と同様にしてＧａＮ結晶基板を得た。

【００２２】実施例５ ＧａＮキャップ層の成長厚さを約０．０５μｍとした以
外は、実施例１と同様にしてＧａＮ結晶基板を得た。

【００２３】実施例６ ＧａＮキャップ層を４００℃で成長させた以外は、実施
例１と同様にしてＧａＮ結晶基板を得た。

【００２４】比較例１ ＧａＮキャップ層を形成することなくＭｇＯバッファー
層上に直接厚膜ＧａＮ結晶を成長させた以外は、実施例
１と同様の方法を行った。しかし、厚膜ＧａＮ結晶を成
長中にＭｇＯの熱分解が進んだためにサファイア種基板
面上に直接ＧａＮ結晶が成長した領域が生じ、その領域
では、格子定数の差により単結晶膜が得られなかった
り、ＧａＮ結晶内にクラックが入ったりした。また、残
存する少量のＭｇＯバッファー層を塩酸により除去して
も、サファイア種基板から厚膜ＧａＮ結晶を分離できな
かった。このためにダイアモンドペーストによる機械的
研磨によりＧａＮ結晶基板を得た。得られたＧａＮ結晶
基板は発生クラックにより、２〜３ｍｍ角前後の小面積
のものばかりであった。

【００２５】比較例２ ＧａＮキャップ層の成長温度をＭｇＯの熱分解温度たる
８００℃で行った以外は、実施例１と同様の方法を行っ
た。しかしＧａＮキャップ層の成長中にＭｇＯの熱分解
が進み、塩酸処理によるもサファイア種基板と厚膜Ｇａ
Ｎ結晶との分離できない個所が生じた。このためにダイ
アモンドペーストによる機械的研磨によりＧａＮ結晶基
板を得た。得られたＧａＮ結晶基板は発生クラックによ
り、２〜３ｍｍ角前後の小面積のものばかりであった。

【００２６】比較例３ ＭｇＯバッファー層の成長を省略した以外は、実施例１
と同様の方法を行った。その結果、ＧａＮ膜は得られた
ものの、格子定数の差によりアモルファス状〜多結晶状
態であり、単結晶のＧａＮ膜は得られなかった。

【００２７】実施例１〜５、および比較例１〜３から得
た各ＧａＮ結晶基板の特長を以下に示す。なお以下にお
いて平均面積の単位はｍｍ角であり、移動度の単位はＶ
／ｃｍ．Ｓであり、またＸ線回折半値幅の単位は秒であ
る。 実施例１（平均面積：１５、移動度：３２０、Ｘ線回折
半値幅：１５５）、実施例２（平均面積：１５、移動
度：２８０、Ｘ線回折半値幅：１６２）、実施例３（平
均面積：１５、移動度：３５０、Ｘ線回折半値幅：１４
５）、実施例４（平均面積：１５、移動度：３２７、Ｘ
線回折半値幅：１４９）、実施例５（平均面積：１５、
移動度：３１９、Ｘ線回折半値幅：１５１）、比較例１
（平均面積：２、移動度：１５１、Ｘ線回折半値幅：４
５０）、比較例２（平均面積：２、移動度：１４２、Ｘ
線回折半値幅：４９７）、比較例３（平均面積：１、移
動度：１３９、Ｘ線回折半値幅：４８５）。

【００２８】

【発明の効果】本発明によれば、高品質且つ大面積のＧ
ａＮ系基板を容易にしかも高歩留りにて製造することが
できる。このＧａＮ系基板を用いることにより、劈開に
よる共振面の作製、基板の表裏面にｐ、ｎ両電極を対向
設置することなど、赤色ＬＤやＬＥＤにおいて行われて
いることが青色のＬＤやＬＥＤの製造にも適用できるこ
とになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の青色ＬＥＤの断面図である。

【符号の説明】

１ ｐ側電極 ２ ｎ側電極 Ｓ サファイア基板 ４ ｎ型ＧａＮ系半導体 ６ ｐ型ＧａＮ系半導体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 只友 一行 兵庫県伊丹市池尻４丁目３番地 三菱電線 工業株式会社伊丹製作所内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 種基板の上に二族酸化物からなるバッフ
   ァー層を形成し、その上に低温下でＩｎ_X Ｇａ_Y Ａｌ_Z
   Ｎ（ここに０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｚ≦１、Ｘ＋
   Ｙ＋Ｚ＝１）からなるキャップ層を形成し、さらにその
   上に厚膜のＩｎ_X Ｇａ_Y Ａｌ_Z Ｎ（ここに０≦Ｘ≦１、
   ０≦Ｙ≦１、０≦Ｚ≦１、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１）層を形成す
   ることを特徴とするＧａＮ系基板の製造方法。
2. 【請求項２】 厚膜のＩｎ_X Ｇａ_Y Ａｌ_Z Ｎ層を形成し
   た後に、該バッファー層を除去して種基板から厚膜のＩ
   ｎ_X Ｇａ_Y Ａｌ_Z Ｎ層を分離する請求項１記載のＧａＮ
   系基板の製造方法。
3. 【請求項３】 該キャップ層の形成をバッファー層を形
   成する二族酸化物の熱分解温度未満の低温で行う請求項
   １または２記載のＧａＮ基板の製造方法。
4. 【請求項４】 キャップ層の形成を非還元性雰囲気下で
   行う請求項１〜３のいずれかに記載のＧａＮ系基板の製
   造方法。
5. 【請求項５】 厚膜のＩｎ_X Ｇａ_Y Ａｌ_Z Ｎ層をＨＶＰ
   Ｅ法で形成する請求項１〜４のいずれかに記載のＧａＮ
   系基板の製造方法。