JP5564799B2

JP5564799B2 - 窒化ガリウム系半導体電子デバイスを作製する方法

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Publication number: JP5564799B2
Application number: JP2009016823A
Authority: JP
Inventors: 弘塩見; 伸介藤原; 雄斎藤; 誠木山
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2009-01-28
Filing date: 2009-01-28
Publication date: 2014-08-06
Anticipated expiration: 2029-01-28
Also published as: JP2010177353A

Description

本発明は、窒化ガリウム系半導体電子デバイスを作製する方法に関する。

特許文献１には、レーザリフトオフが記載されている。サファイア基板に、発光領域、ｎ型層及びｐ型層を形成する。次に、ｎ型シリコン基板を用意し、その両面に導電性多層膜を蒸着により形成する。この後に、ｐ型層上の電極とｎ型シリコン基板上の導電性多層膜とを摂氏３００度で熱プレスして、２つの基板を合体させる。この後に、サファイア基板の裏面からレーザ光を照射してｎ型層の表面のＧａＮを分解して、サファイア基板をリフトオフにより除去する。

特許文献２には、逆方向耐圧を向上可能な構造を有するIII族窒化物半導体素子が記載されている。このIII族窒化物半導体素子はＧａＮ基板上に作製されている。

非特許文献１には、ＧａＮ基板上のホモエピタキシャルＧａＮ層をＳｉ基板に張り替えることが記載されている。

特開２００７−１５８１３３号公報特開２００６−１００８０１号公報

第６９回応用物理学会学術講演会、講演予稿集（２００８年、秋、中部大学）、５ａ−ＣＡ−９

結晶成長の視点からは、窒化ガリウム系半導体電子デバイスを作製するために、ＧａＮ基板を用いることがよい。一方、ＧａＮ基板は高価であるので、ＧａＮ基板と異なる異種材料からなる支持体を用いることが望まれる。しかしながら、ＧａＮ基板上に成長と異なり、異種材料の支持体上に窒化ガリウム系半導体層を成長するとき、支持体及び窒化ガリウム系半導体層は応力に応じて反る。発明者らの知見によれば、この反りは、異種材料の支持体上の窒化ガリウム系半導体層に導電性基板を貼り合わせるときに、窒化ガリウム系半導体層と導電性基板との密着性を低下させる。

本発明は、このような事情を鑑みて為されたものであり、窒化ガリウム系半導体層と導電性基板との密着性の低下を低減できる、窒化ガリウム系半導体電子デバイスを作製する方法を提供することを目的とする。

本発明の一側面は、窒化ガリウム系半導体電子デバイスを作製する方法である。この方法は、（ａ）窒化ガリウム系半導体を堆積するための第１の面と該該１の面の反対側の第２の面とを有する基板を準備する工程と、（ｂ）一または複数の窒化ガリウム系半導体層を含む半導体領域を前記基板の前記第１の面上に成長して、エピタキシャル基板を作製する工程と、（ｃ）導電性基板を準備する工程と、（ｄ）前記基板の前記第１の面と前記導電性基板との間に前記半導体領域が位置するように前記エピタキシャル基板に前記導電性基板を張り付けて、第１の基板生産物を作製する工程と、（ｅ）前記エピタキシャル基板に前記導電性基板を張り付けた後に、前記基板の前記第２の面にレーザ光を照射するレーザリフトオフによって前記半導体領域と前記基板とを互いに分離して、前記導電性基板及び前記半導体領域を含む第２の基板生産物を作製する工程とを備える。前記第２の基板生産物の前記半導体領域に前記露出面が形成され、前記基板は、窒化ガリウム系半導体と異なる材料からなる支持体を含み、前記基板の前記第２の面には支持体が露出されており、前記基板の前記第２の面には、複数の溝及び複数のリッジの少なくともいずれか一方が配列されている。

この方法によれば、基板の第２の面には、複数の溝及び複数のリッジの少なくともいずれか一方が配列されているので、エピタキシャル基板の内部応力が緩和される。これ故に、エピタキシャル基板の反りが小さい。エピタキシャル基板と導電性基板との張り付けにおいて、エピタキシャル基板と導電性基板との密着性が得られる。これ故に、内部応力が低減された状態で、第２の基板生産物の導電性基板と半導体領域との接合における密着性が保たれる。

本発明に係る方法は、前記半導体領域と前記基板とを互いに分離した後に、前記第２の基板生産物の前記露出面に第１の電極を形成する工程を更に備えることができる。前記半導体領域は、前記ｎ型ドーパントを添加した窒化ガリウム系半導体からなるコンタクト層を含み、前記半導体領域の前記露出面には前記コンタクト層が露出している。この方法によれば、半導体領域の露出面にコンタクト層が現れるので、コンタクト層と第１の電極との良好な接合を形成できる。

本発明に係る方法では、前記半導体領域は、窒化ガリウム系半導体からなるドリフト層を含み、前記コンタクト層は前記ドリフト層と前記支持体との間に設けられ、前記コンタクト層のキャリア濃度は、前記ドリフト層のキャリア濃度より大きく、前記ドリフト層の前記キャリア濃度は２×１０^１６ｃｍ^−３以下であることができる。この方法によれば、ドリフト層のキャリア濃度が２×１０^１６ｃｍ^−３以下であるので、所望の耐圧を得るために適切なキャリア濃度が提供される。

本発明に係る方法では、前記ドリフト層の厚さは３マイクロメートル以上であることができる。この方法によれば、ドリフト層の厚さは３マイクロメートル以上であるので、所望の耐圧を得るために適切な膜厚が提供される。

本発明に係る方法では、前記コンタクト層は窒化ガリウムからなり、前記ドリフト層は窒化ガリウムからなることができる。この方法によれば、コンタクト層及びドリフト層が窒化ガリウムからなるので、半導体領域に良好な結晶性が与えられる。

本発明に係る方法では、前記露出面は研磨面であることができる。この方法によれば、レーザリフトオフによる分離で形成された溶融面は研磨されて半導体領域に研磨面が提供される。

本発明に係る方法では、前記溝の深さは５マイクロメートル以上であり、前記溝の深さは３００マイクロメートル以下であることができる。溝の深さは５マイクロメートル未満であるとき、応力の緩和効果が減少する。溝の深さは３００マイクロメートルを超えるとき、電子デバイスのための半導体チップの収率が低下する。また、本発明に係る方法では、前記溝の深さは前記支持体の厚さの１／１０倍以上であり、前記溝の深さは前記支持体の厚さの２／３倍以下であることができる。溝の深さは支持体の厚さの１／１０倍未満であるとき、反りの緩和効果が減少する。溝の深さは支持体の厚さの２／３倍を超えるとき、電子デバイスのための半導体チップの収率が低下する。

本発明に係る方法では、前記リッジの高さは５マイクロメートル以上であり、前記リッジの高さは３００マイクロメートル以下であることができる。リッジの高さは５マイクロメートル未満であるとき、応力の緩和効果が減少する。リッジの高さは５マイクロメートル未満であるとき、応力の緩和効果が減少する。また、リッジの高さは支持体の厚さの１／１０倍未満であるとき、応力の緩和効果が減少する。リッジの高さは支持体の厚さの２／３倍を超えるとき、電子デバイスのための半導体チップの収率が低下する。

本発明に係る方法では、前記支持体はサファイア、炭化シリコン及び窒化アルミニウムのいずれか一つであることができる。支持体の例示された材料により、良好な結晶成長及び良好な反り低減が得られる。

本発明に係る方法は、前記第１の基板生産物の作製に先だって、前記エピタキシャル基板の前記半導体領域の主面上に絶縁膜を形成すると共に、電極構造を形成する工程を更に備えることができる。前記電極構造は、前記絶縁体上に設けられたフィールドプレート電極と、前記絶縁膜の開口を通して前記半導体領域の主面に接触を成す第２の電極を含み、前記第２の電極及び前記フィールドプレート電極は前記導電性基板に電気的に接続されることができる。この方法によれば、高耐圧電子デバイスに利用可能な電極構造が提供される。

本発明に係る方法では、前記第２の電極はショットキ電極を含むことができる。この方法によれば、ショットキ接合を含む電子デバイスを提供できる。例えば、本発明に係る方法では、前記窒化ガリウム系半導体電子デバイスはショットキバリアダイオードを含むことができる。

本発明に係る方法では、前記第２の電極はオーミック電極を含み、前記半導体領域は、ｐ型窒化ガリウム系半導体層及びｎ型窒化ガリウム系半導体層を含み、前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層及び前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層はｐｎ接合を成し、前記第２の電極は前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層に接合を成すことができる。この方法によれば、ｐｎ接合を含む電子デバイスを提供できる。例えば、本発明に係る方法では、前記窒化ガリウム系半導体電子デバイスはｐｎ接合ダイオードを含むことができる。

本発明に係る方法では、前記半導体領域は、前記支持体のバンドギャップよりも小さいバンドギャップを有する半導体層を含む犠牲層を備えることができる。前記犠牲層の前記バンドギャップは前記レーザ光の波長に対応するエネルギよりも小さく、前記犠牲層は前記レーザ光の照射により溶融することができる。

この方法によれば、基板に最も近い犠牲層は、半導体領域において最も小さいバンドギャップを有するので、レーザリフトオフの際にレーザ光が半導体領域に深く進入することを避けることができる。

本発明に係る方法では、前記エピタキシャル基板の前記導電性基板への張り付けは、導電性接着剤により行われることができる。この方法によれば、導電性接着剤により電気的な接続が確保される。

本発明に係る方法では、前記エピタキシャル基板の前記導電性基板への張り付けは、圧着により行われることができる。この方法によれば、圧着により電気的な接続が確保される。また、本発明に係る方法では、前記導電性基板はモリブデン、タングステンあるいはそれらの合金からなることができる。

本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。

以上説明したように、本発明によれば、窒化ガリウム系半導体層と導電性基板との密着性の低下を低減できる、窒化ガリウム系半導体電子デバイスを作製する方法が提供される。

図１は、本実施の形態に係る、窒化ガリウム系半導体電子デバイスを作製する方法、窒化ガリウム系半導体電子デバイスのためのエピタキシャル基板を作製する方法、及び窒化ガリウム系半導体電子デバイスを貼り合わせにより作製する方法における主要な工程を示す図面である。図２は、本実施の形態に係る上記の工程の主要な工程を概略的に示す図面である。図３は、本実施の形態に係る上記の工程の主要な工程を概略的に示す図面である。図４は、本実施の形態に係る上記の工程の主要な工程を概略的に示す図面である。図５は、本実施の形態に係る上記の工程の主要な工程を概略的に示す図面である。図６は、分離された電子デバイス用半導体チップの構造を概略的に示す図面である。

本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。

引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明の窒化ガリウム系半導体電子デバイスを作製する方法、窒化ガリウム系半導体電子デバイスのためのエピタキシャル基板を作製する方法、及び窒化ガリウム系半導体電子デバイスを貼り合わせにより作製する方法に係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。

図１は、本実施の形態に係る、窒化ガリウム系半導体電子デバイスを作製する方法、窒化ガリウム系半導体電子デバイスのためのエピタキシャル基板を作製する方法、レーザリフトオフを行う方法及び窒化ガリウム系半導体電子デバイスを貼り合わせにより作製する方法における主要な工程を示す図面である。図２、図３、図４及び図５は、本実施の形態に係る上記の工程の主要な工程を概略的に示す図面である。

図１に示される工程Ｓ１０１では、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示されるように、基板１１を準備する。基板１１は、第１の面１１ａ及び第２の面１１ｂを有する。第２の面１１ｂは該１の面１１ａの反対側にある。第１の面１１ａは、窒化ガリウム系半導体を堆積可能である。基板１１は、窒化ガリウム系半導体と異なる材料からなる支持体１３を含む。支持体１３は、例えばサファイア、窒化アルミニウム、炭化シリコン、酸化ガリウム、スピネル等からなることができる。支持体がこれらの材料からなるとき、良好な結晶成長が可能である。第２の面１１ｂには支持体１３が露出されている。支持体１３を構成する材料のバンドギャップの最小値は、窒化ガリウムのバンドギャップよりも大きい。

図２（ａ）に示される実施例では、第２の面１１ｂには、複数の溝１５が配列されている。各溝１５は、底面１５ａと側面１５ｂとを有する。また、第２の面１１ｂには、溝１５の配列に替えてリッジ１６の配列が設けられることができ、各リッジ１６は、上面１６ａと側面１６ｂとを有する。或いは、複数の溝及び複数のリッジの少なくともいずれか一方が配列されていてもよい。

引き続く説明では、基板１１の第２の面１１ｂには、溝１５の配列が設けられている。第１の面１１ａには支持体１３が露出されている。また、第１の面１１ａは実質的に平坦な面からなることができる。しかしながら、必要な場合には、第１の面１１ａは、支持体１３の表面と該表面上に設けられたシリコン系無機化合物からなるマスクとによって構成されることができる。マスクは、ストライプ状、格子状等のパターンを有することができる。シリコン系無機化合物としては、シリコン酸化物、シリコン窒化物等を用いることができる。或いは、支持体１３上にはＧａＮテンプレートが形成されていてもよい。

次いで、この基板１１を成長炉１０内のサセプタ１２上に配置する。成長炉１０では、有機金属気相成長法、分子線エピタキシ法、ハイドライド気相成長法、フラックス法、昇華法等の結晶成長を行うことができる。

工程Ｓ１０２では、図２（ｃ）に示されるように、半導体領域１７を基板１１の第１の面１１ａ上に成長して、エピタキシャル基板Ｅを作製する。半導体領域１７は、一または複数の窒化ガリウム系半導体層を含む。

半導体領域１７は、例えば電子デバイスのための半導体積層１９を含むことができる。半導体領域１７は、第１導電型のコンタクト層２３を含む。コンタクト層２３は、第１導電型ドーパントを添加した窒化ガリウム系半導体からなる。この窒化ガリウム系半導体としては、例えばｎ型ＧａＮ、ｎ型ＡｌＧａＮ等を用いることができる。コンタクト層２３の厚さは0.001マイクロメートル以上であることができ、1原子層であってもそのあとのエピタキシャル成長に必要な結晶方位の情報を伝搬できる場合もあるからである。コンタクト層２３の厚さは５０マイクロメートル以下であることができ、５０μｍより厚い場合はコンタクト層における直列抵抗での損失が大きくなるからである。半導体領域１７の主面１７ａには、半導体積層１９の最上層の表面１９ａが現れている。半導体領域１７は、例えばレーザリフトオフのための犠牲層２１を含むことができる。犠牲層２１は、支持体１３のバンドギャップよりも小さいバンドギャップを有する半導体層を含み、この半導体層は半導体積層１９におけるいずれの半導体より小さいバンドギャップを有する。犠牲層２１のバンドギャップは、レーザリフトオフのためのレーザ光の波長に対応するエネルギよりも小さいので、犠牲層２１はレーザ光の照射により溶融する。犠牲層２１は、例えばＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等からなることができる。また、犠牲層２１は例えば量子井戸構造を有することができる。

半導体積層１９は、窒化ガリウム系半導体からなるドリフト層２５を含む。この窒化ガリウム系半導体としては、例えばＧａＮ、ＡｌＧａＮ等を用いることができる。コンタクト層２３はドリフト層２５と支持体２３との間に設けられる。コンタクト層２３のキャリア濃度Ｎ_ＣＯＮ１は、ドリフト層２５のキャリア濃度Ｎ_ＤＲＦＴより大きい。コンタクト層２３のキャリア濃度Ｎ_ＣＯＮ１は１×１０^１８ｃｍ^−３以上であることができる。ドリフト層２５のキャリア濃度Ｎ_ＤＲＦＴは２×１０^１６ｃｍ^−３以下であることができ、また１×１０^１４ｃｍ^−３以上あることができる。これによって、所望の耐圧を得るために適切なキャリア濃度が提供される。ドリフト層２５の厚さは３μｍ以上であることができる。所望の耐圧を得るために適切な膜厚が提供される。ドリフト層２５の厚さは１０００μｍ以下であることができる。エピタキシャル基板Ｅの一例は、基板１１の第１の面１１ａ上に順に成長されたコンタクト層２３及びドリフト層２５を含む。コンタクト層２３及びドリフト層２５は接合２９ａを形成する。実用的な実施例では、コンタクト層２３は窒化ガリウムからなり、ドリフト層２５は窒化ガリウムからなる。この実施例によれば、コンタクト層２３及びドリフト層２５が窒化ガリウムからなるので、半導体積層１９に良好な結晶性が与えられる。

半導体積層１９は第２導電型の半導体層２７を含む。半導体層２７は、第１導電型ドーパントを添加した窒化ガリウム系半導体からなる。この窒化ガリウム系半導体としては、例えばＧａＮ、ＡｌＧａＮ等を用いることができる。エピタキシャル基板Ｅの別の例は、基板１１の第１の面１１ａ上に順に成長された第１導電型のコンタクト層２３、ドリフト層２５及び第２導電型の半導体層２７を含む。コンタクト層２３及びドリフト層２５は接合２９ａを形成する。半導体層２７及びドリフト層２５は接合２９ｂを形成する。接合２９ｂはｐｎ接合である。半導体層３１のキャリア濃度Ｎ_ＣＯＮ２は、ドリフト層２５のキャリア濃度Ｎ_ＤＲＦＴより大きいので、ｐｎ接合における空乏層は、半導体層２７ではなくドリフト層２５に生成される。実用的な実施例では、コンタクト層２３は窒化ガリウムからなり、ドリフト層２５は窒化ガリウムからなり、半導体層２７は窒化ガリウムからなる。この実施例によれば、コンタクト層２３、ドリフト層２５及び半導体層２７が窒化ガリウムからなるので、半導体積層１９に良好な結晶性が与えられる。また、接合２９ａ、２９ｂはホモ接合であることがよい。半導体積層１９は、上記の特定の構造に限定されるものではない。基板１１の第２の面１１ｂ上に溝１５の配列が形成されるので、半導体積層１９を含むエピタキシャル基板Ｅの反りが小さい。

工程Ｓ１０３では、半導体積層１９の表面１９ａ（半導体領域１７の主面１７ａ）上に第１の電極の配列を形成する。第１の電極の各々は、電子デバイスのために設けられる。電子デバイスがショットキバリアダイオードであるとき、この第１の電極はショットキ電極であり、ショットキ電極はドリフト層２５にショットキ接合を成す。電子デバイスがｐｎ接合ダイオードであるとき、第１の電極は第２導電型の半導体層２７にオーミック接合を成す。これ故に、第１の電極はオーミック電極である。

工程Ｓ１０４においては、図３（ａ）に示されるように、導電性基板３３を準備する。導電性基板３３は例えばモリブデン、タングステンあるいはそれらの合金といった金属基板でからなることができる。導電性基板３３の主面３３ａのサイズは、基板１１の第１の面１１ａのサイズ以上であることができるので、エピタキシャル基板Ｅの全体を十分に利用して電子デバイスを作製できる。

工程Ｓ１０５では、図３（ｂ）に示されるように、エピタキシャル基板Ｅに導電性基板３３を張り付けて、第１の基板生産物３５を作製する。第１の基板生産物３５では、基板１１の第１の面１１ａと導電性基板３３との間に半導体領域１７が位置する。

エピタキシャル基板Ｅの導電性基板３３への張り付けは、例えば導電性接着層３７により行われることができる。導電性接着層３７は例えば導電性接着剤の塗布によって形成されることができる。導電性接着層３７は、半導体領域１７上野オーミック電極と導電性基板３３との物理的な接続だけでなく、電気的な接続を提供する。導電性接着層３７により電気的な接続が確保される。導電性接着剤としては、例えばＡｕＳｎ、ＳｎＰｂといった半田を用いることができる。また、この張り付けは圧着により行われることができる。圧着により電気的な接続が確保される。例えば、エピタキシャル基板と導電性基板のそれぞれの貼り付け面をプラズマ処理により活性化したのち圧着させれば界面で化学結合が形成される。

工程Ｓ１０６では、エピタキシャル基板Ｅに導電性基板３３を張り付けた後に、図４（ａ）に示されるように、レーザリフトオフによって半導体領域１７と基板１１とを互いに分離して、第２の基板生産物３９を作製する。図４（ｂ）に示されるように、第２の基板生産物３９は、例えば導電性基板３３及び半導体領域１７を含む。レーザリフトオフのためには、図４（ａ）に示されるように、基板１１の第２の面１１ｂにレーザ光Ｌを照射する。レーザ光Ｌの波長は、基板１１を構成する材料のバンドギャップの最小値に対応する波長より長い。また、レーザ光Ｌの波長は、窒化ガリウムのバンドギャップに対応する波長より短い。

既に説明したように、半導体領域１７が犠牲層２１を含むとき、犠牲層２１が半導体領域１７において最も小さいバンドギャップを有するので、レーザリフトオフの際にレーザ光が半導体領域１７に深く進入することを避けることができ、半導体積層１９を保護できる。レーザリフトオフによって、第２の基板生産物３９の半導体領域１７に溶融面１７ｂが形成される。

上記の一連の工程によれば、基板１１の第２の面１１ｂには、溝の配列及びリッジの配列の少なくともいずれか一方が形成されているので、エピタキシャル基板Ｅの応力が低減される。エピタキシャル基板Ｅと導電性基板３３との張り付けにおいて、エピタキシャル基板Ｅと導電性基板３３との密着性が良好になる。これ故に、第２の基板生産物３９の導電性基板３３と半導体領域１７との接合Ｊ０における密着性が保たれる。

必要な場合には、工程Ｓ１０７では、図５（ａ）に示されるように、研磨装置４１を用いて溶融面１７ｂを研磨して、第２の基板生産物３９に露出面１７ｃを形成する。この方法によれば、レーザリフトオフによる分離で形成された溶融面１７ｂは研磨されて、半導体領域１７に平坦に研磨された露出面１７ｃが形成される。半導体領域１７の露出面１７ｃにはコンタクト層２３が露出されている。

工程Ｓ１０８では、第２の基板生産物３９の露出面１７ｃに第２の電極４３を形成する。半導体領域１７の露出面１７ｃにコンタクト層２３が現れているので、コンタクト層２３と第２の電極４３との良好な接合を形成できる。この接合はオーミック接合であることができる。第２の電極４３は、露出面１７ｃの全面を覆うように形成することができる。これらの工程によって、第３の基板生産物４５が提供される。第３の基板生産物４５は、導電性基板３３、導電性接着層３７、半導体領域１７及び電極４３を含む。第２の電極４３を形成するための処理温度Ｔ２は、貼り合わせを形成するための処理温度Ｔ１よりも低い。これによって、第２の電極４３の形成において、貼り合わせの劣化を避けることができる。これ故に、貼り合わせに良好な電気的特性及び良好な信頼性を維持できる。

電極４３を形成した後に、工程Ｓ１０９では、第３の基板生産物４５を個々の電子デバイスのための半導体チップに分離する。

必要な場合には、工程Ｓ１１０では、工程Ｓ１０６において分離された基板１１を再生する。再生は、基板１１の第１の面１１ａを処理して、結晶成長可能な状態を形成する。再生処理は、例えば研磨を含むことができる。この研磨により、第１の面１１ａが再生される。また、工程Ｓ１１１では、既に説明された工程Ｓ１０２〜工程Ｓ１０９を繰り返す。

図６は、分離された電子デバイス用半導体チップの構造を概略的に示す図面である。図６（ａ）を参照すると、電子デバイス用半導体チップの一実施例として、ショットキバリアダイオードＳＢＤが示されている。貼り合わせに先だって、エピタキシャル基板Ｅの半導体領域１７の主面１７ａ上に絶縁膜４５を形成すると共に、電極構造４７を形成することできる。電極構造４７は、絶縁体４５上に設けられたフィールドプレート電極４７ａと、絶縁体４５の開口を介して半導体領域１７の主面１７ｃに接触を成す第２の電極４７ｂを含む。第２の電極４７ｂ及びフィールドプレート電極４７ａは導電性接着層３７を介して導電性基板３３に電気的に接続されることができる。この方法によれば、高耐圧電子デバイスに利用可能な電極構造４７が提供される。第２の電極４７ｂはショットキ電極を含むことができる。この構造は、ショットキ接合Ｊ_ＳＨを含む電子デバイスを提供できる。また、ショットキバリアダイオードＳＢＤは、半導体領域１７の主面１７ｃ上に電極４９を含む。電極４９は半導体領域１７のコンタクト層２３にオーミック接触を成す。

図６（ｂ）を参照すると、電子デバイス用半導体チップの一実施例として、ｐｎ接合ダイオードＰＮＤが示されている。半導体領域１７は、半導体層２７（本実施例では「ｐ型窒化ガリウム系半導体層」と記す）及びドリフト層（本実施例では「ｎ型窒化ガリウム系半導体層」と記す）を含み、ｐ型窒化ガリウム系半導体層２７及びｎ型窒化ガリウム系半導体層２５はｐｎ接合Ｊ_ＰＮを成す。第２の電極４７ｂ及びフィールドプレート電極４７ａは導電性接着層３７を介して導電性基板３３に電気的に接続されることができる。第２の電極４７ｂは、絶縁体４５の開口を介してｐ型窒化ガリウム系半導体層２７に接合を成すことができる。この方法によれば、高耐圧電子デバイスに利用可能な電極構造４７が提供される。

再び図２（ａ）を参照すると、基板１１の裏面１１ｂには、溝１５の配列が形成されている。基板１１の厚さ（又は支持体１３の厚さ）は、例えば50μｍ以上1000μｍ以下であることがでできる。溝１５の深さは５マイクロメートル以上であることができる。溝の深さは５マイクロメートル未満であるとき、応力の緩和効果が減少する。溝１５の深さは３００マイクロメートル以下であることができる。溝１５の深さは３００マイクロメートルを超えるとき、電子デバイスのための半導体チップの収率が低下する。

溝１５の深さは支持体１３の厚さの１／１０倍以上であることができる。溝１５の深さは支持体１３の厚さの１／１０倍未満であるとき、反りの緩和効果が減少する。溝１５の深さは支持体１３の厚さの２／３倍以下であることができる。溝の深さは支持体の厚さの２／３倍を超えるとき、電子デバイスのための半導体チップの収率が低下する。

また、基板１１の裏面１１ｂには、溝１５に替えてリッジの配列が形成されている。リッジの高さは５マイクロメートル以上であることができる。リッジの高さは５マイクロメートル未満であるとき、反りの緩和効果が減少する。また、リッジの高さは３００マイクロメートル以下であることができる。リッジの高さは５マイクロメートル未満であるとき、反りの緩和効果が減少する。また、リッジの高さは支持体１３の厚さの１／１０倍未満であるとき、反りの緩和効果が減少する。リッジの高さは支持体１３の厚さの２／３倍を超えるとき、電子デバイスのための半導体チップの収率が低下する。

基板裏面上の溝やリッジは、一方向だけでなく、第１及び第２の方向に配列されることができる。溝やリッジの配列は、格子を形成する。また、基板裏面上の溝やリッジのピッチは、電子デバイスのチップサイズに等しいことがよい。また、上記の溝又はリッジの密度は、0.1個／ｍｍ〜3個／ｍｍであることがよい。

これまでの説明から、窒化物半導体を用いた低損失高耐圧縦型パワーデバイスを作製できることが理解される。縦型パワーデバイスの窒化物半導体層構造の成長に用いる支持体は、サファイア、ＡｌＮやＳｉＣ等からなる支持体を含むことができる。この支持体上に、転位密度１×１０^８ｃｍ^−２以下の窒化物半導体の層構造を成長できる。ＡｌＮやＳｉＣの熱膨張係数は、サファイアよりＧａＮの熱膨張係数に近い。サファイア及びＡｌＮは、ＧａＮより大きいバンドギャプを有しており、或いは、ＳｉＣは間接遷移型のバンドギャップを有する。このため、これらの支持体を透過してレーザ光は層構造に到達するので、レーザリフトオフにより、支持体から層構造を分離可能である。

縦型ダイオードは、以下のような窒化物半導体層の構造を含む。この窒化物半導体層構造は、ダイオードのカソードに接続されるコンタクト層を含む。コンタクト層は、高キャリア濃度（１×１０^１８ｃｍ^−３）の窒化物半導体層からなり、その厚さは５０μｍ以下であることがよい。このコンタクト層の転位密度は、１×１０^８ｃｍ^−２以下であることがよい。コンタクト層の形成には製造コスト低減の点で、数十枚の基板に同時に成膜できるフラックス法が有用である。

窒化物半導体層構造は、低キャリア濃度の窒化物半導体からなるドリフト層を含む。このドリフト層はコンタクト層に接合する。ドリフト層のキャリア密度は、１×１０^１４ｃｍ^−３以上２×１０^１６ｃｍ^−３以下である。このドリフト層の転位密度は、１×１０^８ｃｍ^−２以下であることがよい。

窒化物半導体層構造上に電極を形成した後に、窒化物半導体層構造及び電極を導電性基板に張り付ける。この支持体の裏面から、レーザリフトオフのためにレーザ光を照射するとき、レーザ光は、高キャリア濃度の窒化物半導体層或いはＧａＮのバンドギャップより狭い窒化物半導体からなる犠牲層に吸収されて、互いに接合された窒化物半導体層構造及び導電性基板から基板を分離できる。

このパワー系電子デバイスは、窒化物半導体層構造を成長するために用いた基板に替えて、導電性基板上に搭載される。これ故に、特許文献２のように、ＧａＮ基板上に作製されたパワー系電子デバイスには、ＧａＮ基板の直列抵抗が不可避となる。しかしながら、本実施の形態に係るパワー系電子デバイスでは、ＧａＮ基板の直列抵抗は導電性基板の抵抗に置き換えられる。故に、パワー系電子デバイスの直列抵抗を小さくでき、オン抵抗を低減できる。特許文献１では、サファイア基板上に窒化物半導体層を形成している。サファイア基板は絶縁体からなるので、縦型構造の電子デバイスを提供できない。

また、１×１０^１４ｃｍ^−３以上２×１０^１６ｃｍ^−３以下のキャリア密度、及び１×１０^８ｃｍ^−２以下の転位密度のドリフト層を用いることによって、大電流デバイスに有用な縦型電子デバイスのリーク電流を抑制できると共に高耐圧を確保できる。

犠牲層が量子井戸構造を含むとき、量子井戸効果を利用して支持体の裏面から照射された光を閉じ込めることができる。基板の分離に強い光源を用いるとき、デバイスを損傷させる可能性を避けることができる。また、基板の分離が容易になる。

溝及び／又はリッジの配列からなる緩和構造を有する基板を用いることによって、緩和構造で基板の反りが低減される。これ故に、エピタキシャル基板を導電性基板に貼り付けるときに両者の密着性が高い。窒化アルミニウム及び炭化シリコンの格子定数とIII族窒化物系半導体の格子定数とが近いので、III族窒化物系半導体の転位密度を下げることができる。また、窒化アルミニウム及び炭化シリコンの熱膨張係数とIII族窒化物系半導体の熱膨張係数とが近いので、III族窒化物系半導体の転位密度を低減できる。さらに、窒化アルミニウム及び炭化シリコンの熱伝導率はサファイアより高いので、レーザ光の照射時に基板と窒化物半導体との界面で発生する熱を速やかに逃がすことができる。これ故に、分離時の電子デバイスの熱劣化を避けることができる。

（実施例１）
窒化アルミニウム基板を準備した。窒化アルミニウム基板の裏面には、幅10μｍ、深さ10μｍ、ピッチ5000μｍで、溝の配列が形成されていた。この窒化アルミニウム基板の主面にフラックス法により、１×１０^１８ｃｍ^−３のキャリア濃度ｎ^＋型窒化ガリウム層を形成した。この窒化ガリウム層の厚さは２０μｍであった。この後に、ＭＯＣＶＤ法により、７×１０^１５ｃｍ^−３のキャリア濃度のｎ⁻型窒化ガリウム層を成長した。この窒化ガリウム層の厚さは５μｍであった。このエピタキシャル基板を成長炉から取り出した後に、エピタキシャル基板のエピタキシャル膜表面に窒化シリコンのフィールドプレート構造を形成すると共にショットキ電極を形成した。フィールドプレート構造は、窒化シリコン膜からなる。ショットキ電極は例えばＡｕ／Ｎｉからなる。ショットキ電極はフィールドプレート構造の開口を介してエピタキシャル膜表面にショットキ接合を成す。モリブデン（Ｍｏ）支持基体を準備した。Ｍｏ支持基体の主面に、開口を有する絶縁膜を形成した。絶縁膜として例えばシリコン酸化膜を用いた。絶縁膜の開口は、ショットキ電極のサイズに合わせて加工された。この開口は反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を用いて行った。この開口に、導電性接着剤を塗布して接着層を形成した。導電性接着剤は、例えばＡｕ／Ｓｎ接着層を形成した。エピタキシャル膜上のショットキ電極とＭｏ支持基体とを圧着して接合を形成して、Ｍｏ支持基体とエピタキシャル基板を貼り付けた。貼り付けた状態を保ち、エピタキシャル基板の裏面からＫｒＦエキシマレーザ光を照射して、基板と窒化物半導体層との界面に溶融を引き起こし窒化アルミニウム基板を分離した。この窒化アルミニウム基板は、再研磨することで再利用が可能である。分離された窒化物半導体層の露出面にオーミック電極を形成した。オーミック電極として例えばＴｉ／Ａｕを形成した。Ｍｏ支持基体及び窒化物半導体層をダイシングして、半導体チップを形成した。個々の半導体チップは、ショットキバリアダイオードを含む。

（実施例２）
サファイア基板を準備した。サファイア基板の裏面には、幅20μｍ、深さ50μｍ、ピッチ1000μｍで、溝の配列が形成されていた。サファイア基板上にＭＯＣＶＤ法により、高Ｉｎ組成のＩｎＧａＮ（Ｉｎ組成は０．０７であった）層をバッファ層を形成した。この後、キャリア濃度１×１０^１８ｃｍ^−３及び厚さ１０μｍのｎ^＋型窒化ガリウム層、キャリア濃度７×１０^１５ｃｍ^−３及び厚さ５μｍのｎ⁻型窒化ガリウム層、キャリア濃度１×１０^１７ｃｍ^−３及び厚さ２μｍのｐ型窒化ガリウム層を成長して、層構造を含むエピタキシャル基板を形成した。このエピタキシャル基板をＭｏ支持基体に接合した後に、ＹＡＧレーザ光をサファイア基板の裏面に照射した。高Ｉｎ組成のＩｎＧａＮバッファ層が高い吸収率を示すＹＡＧレーザ光を用いたので、ＩｎＧａＮバッファ層の溶融により、層構造がサファイア基板から分離された。実施例１と同じように電極を形成した。これによって、ｐｎ接合ダイオードが作製された。分離されたサファイア基板は再利用可能である。

（実施例３）
実施例１において、デバイスサイズに相当するピッチで格子状に溝を形成した裏面を有するサファイア基板を準備した。この実施例では、溝のピッチは１．５ｍｍであった。このサファイア基板の主面に、実施例１と同じく窒化ガリウム系半導体からなる半導体領域を成長した。基板に溝入れ加工が施してあることにより、サファイア基板とエピタキシャル膜との熱膨張係数の違いに起因して、結晶成長後にサファイア基板及びエピタキシャル膜は、ひずみにより反る。このひずみが、サファイア基板の裏面の溝の配列によって低減されて、導電性支持基体への貼り付けの密着性を向上させることができた。これ故に、歩留まりよくダイオードを作成できた。

（実施例４）
炭化シリコン基板を準備した。ハライドＶＰＥ（ＨＶＰＥ）により、この炭化シリコン基板上に厚さ４０μｍのｎ^＋型窒化ガリウム層を形成した。このｎ^＋型窒化ガリウム層は、１×１０^１８ｃｍ^−３のキャリア濃度を有する。ｎ^＋型窒化ガリウム層上に、ＭＯＣＶＤ法により、厚さ５μｍのｎ⁻型窒化ガリウム層を形成すると共に、このｎ⁻型窒化ガリウム層上に、厚さ３μｍのｐ型窒化ガリウム層を成長した。このエピタキシャル基板を成長炉から取り出した後に、エピタキシャル基板のエピタキシャル膜表面に窒化シリコンのフィールドプレート構造を形成すると共にオーミック電極を形成した。フィールドプレート構造は、窒化シリコン膜からなる。オーミック電極は例えばＴｉ／Ａｕからなる。実施例１と同様にＭｏ支持基体を準備した。Ｍｏ支持基体の主面に、開口を有する絶縁膜を形成した。絶縁膜として例えばシリコン酸化膜を用いた。絶縁膜の開口は、オーミック電極のサイズに合わせて加工された。この開口はＲＩＥを用いて行った。この開口に、導電性接着剤を塗布して接着層を形成した。導電性接着剤は、例えばＡｕ／Ｓｎ接着層を形成した。エピタキシャル膜上のオーミック電極とＭｏ支持基体とを圧着して接合を形成して、Ｍｏ支持基体とエピタキシャル基板を貼り付けた。貼り付けた状態を保ち、エピタキシャル基板の裏面からＫｒＦエキシマレーザ光を照射して、基板と窒化物半導体層との界面において溶融を引き起こし、炭化シリコン基板を分離した。この炭化シリコン基板は、再研磨することで再利用が可能である。分離された窒化物半導体層の露出面にオーミック電極を形成した。オーミック電極として例えばＴｉ／Ａｕを形成した。Ｍｏ支持基体及び窒化物半導体層をダイシングして、半導体チップを形成した。個々の半導体チップは、ｐｎ接合ダイオードを含む。

好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。

１０…成長炉、１１…基板、１１ａ…第１の面、１１ｂ…第２の面、１２…サセプタ、１３…支持体、１５…溝、１５ａ…溝の底面、１５ｂ…溝の側面、１７…半導体領域、１７ａ…半導体領域の主面、１７ｂ…溶融面、１７ｃ…露出面、Ｅ…エピタキシャル基板、１９…半導体積層、１９ａ…半導体積層の表面、２１…犠牲層、２３…コンタクト層、２５…ドリフト層、２７…半導体層、２９ａ、２９ｂ…接合、Ｎ_ＣＯＮ２、Ｎ_ＤＲＦＴ…キャリア濃度、３３…導電性基板、３５…第１の基板生産物、３７…導電性接着層、３９…第２の基板生産物、レーザ光Ｌ…、４３…電極、４５…第３の基板生産物、ＰＮＤ…ｐｎ接合ダイオード、ＳＢＤ…ショットキバリアダイオード、４５…絶縁膜、４７…電極構造、４７ａ…フィールドプレート電極、４７ｂ…第２の電極、Ｊ_ＳＨ…ショットキ接合、Ｊ_ＰＮ…ｐｎ接合

Claims

窒化ガリウム系半導体電子デバイスを作製する方法であって、
窒化ガリウム系半導体を堆積するための第１の面と該第１の面の反対側の第２の面とを有する基板を準備する工程と、
一または複数の窒化ガリウム系半導体層を含む半導体領域を前記基板の前記第１の面上に成長して、エピタキシャル基板を作製する工程と、
前記エピタキシャル基板の前記半導体領域の主面上に電極構造の配列を形成する工程と、
導電性基板として金属基板を準備する工程と、
前記電極構造の配列を形成した後に、前記基板の前記第１の面と前記導電性基板との間に前記半導体領域が位置するように前記エピタキシャル基板に前記導電性基板を張り付けて、第１の基板生産物を作製する工程と、
前記エピタキシャル基板に前記導電性基板を張り付けた後に、前記基板の前記第２の面にレーザ光を照射するレーザリフトオフによって前記半導体領域と前記基板とを互いに分離して、前記導電性基板及び前記半導体領域を含む第２の基板生産物を作製する工程と、
を備え、
前記窒化ガリウム系半導体電子デバイスはショットキバリアダイオード又はｐｎ接合ダイオードからなり、
前記第２の基板生産物の前記半導体領域に露出面が形成され、
前記基板は、窒化ガリウム系半導体と異なる材料からなる支持体を含み、
前記基板の前記第２の面には前記支持体が露出されており、
前記基板の前記第２の面には、複数の溝及び複数のリッジの少なくともいずれか一方が配列されている、ことを特徴とする方法。
前記半導体領域と前記基板とを互いに分離した後に、前記第２の基板生産物の前記露出面に第１の電極を形成する工程を更に備え、
前記半導体領域は、ｎ型ドーパントを添加した窒化ガリウム系半導体からなるコンタクト層を含み、
前記半導体領域の前記露出面には前記コンタクト層が露出している、ことを特徴とする請求項１に記載された方法。
前記半導体領域は、窒化ガリウム系半導体からなるドリフト層を含み、
前記コンタクト層は前記ドリフト層と前記支持体との間に設けられ、
前記コンタクト層のキャリア濃度は、前記ドリフト層のキャリア濃度より大きく、
前記ドリフト層の前記キャリア濃度は２×１０^１６ｃｍ^−３以下である、ことを特徴とする請求項２に記載された方法。
前記ドリフト層の厚さは３マイクロメートル以上である、ことを特徴とする請求項３に記載された方法。
前記コンタクト層は窒化ガリウムからなり、
前記ドリフト層は窒化ガリウムからなる、ことを特徴とする請求項３または請求項４に記載された方法。
前記露出面は研磨面である、ことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載された方法。
前記溝の深さは５マイクロメートル以上であり、
前記溝の深さは３００マイクロメートル以下である、ことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載された方法。
前記溝の深さは前記支持体の厚さの１／１０倍以上であり、
前記溝の深さは前記支持体の厚さの２／３倍以下である、ことを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載された方法。
前記リッジの高さは５マイクロメートル以上であり、
前記リッジの高さは３００マイクロメートル以下である、ことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載された方法。
前記リッジの高さは前記支持体の厚さの１／１０倍以上であり、
前記リッジの高さは前記支持体の厚さの２／３倍以下である、ことを特徴とする請求項１〜請求項６、及び請求項９のいずれか一項に記載された方法。
前記支持体は、サファイア、炭化シリコン及び窒化アルミニウムのいずれか一つである、ことを特徴とする請求項１〜請求項１０のいずれか一項に記載された方法。
前記電極構造を形成する前記工程では、前記第１の基板生産物の作製に先だって、前記エピタキシャル基板の前記半導体領域の主面上に絶縁膜が形成され、前記電極構造は、第２の電極を含む電極構造が形成され、
前記電極構造は、前記絶縁膜上に設けられたフィールドプレート電極と、前記絶縁膜の開口を通して前記半導体領域の主面に接触を成す第２の電極を含み、
前記第２の電極及び前記フィールドプレート電極は前記導電性基板に電気的に接続される、ことを特徴とする請求項１〜請求項１１のいずれか一項に記載された方法。
前記第２の電極はショットキ電極を含む、ことを特徴とする請求項１２に記載された方法。
前記窒化ガリウム系半導体電子デバイスはショットキバリアダイオードからなる、ことを特徴とする請求項１〜請求項１３のいずれか一項に記載された方法。
前記第２の電極はオーミック電極を含み、
前記半導体領域は、ｐ型窒化ガリウム系半導体層及びｎ型窒化ガリウム系半導体層を含み、
前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層及び前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層はｐｎ接合を成し、
前記第２の電極は前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層に接合を成す、ことを特徴とする請求項１〜請求項１２のいずれか一項に記載された方法。
前記窒化ガリウム系半導体電子デバイスはｐｎ接合ダイオードからなる、ことを特徴とする請求項１〜請求項１２、及び請求項１５のいずれか一項に記載された方法。
前記半導体領域は、前記支持体のバンドギャップよりも小さいバンドギャップを有する半導体層を含む犠牲層を備え、
前記犠牲層の前記半導体層における前記バンドギャップは前記レーザ光の波長に対応するエネルギよりも小さく、
前記犠牲層は前記半導体領域において最も小さいバンドギャップを有し、
前記犠牲層は前記レーザ光の照射により溶融する、ことを特徴とする請求項１〜請求項１６のいずれか一項に記載された方法。
前記エピタキシャル基板の前記導電性基板への張り付けは、導電性接着剤により行われる、ことを特徴とする請求項１〜請求項１７のいずれか一項に記載された方法。
前記エピタキシャル基板の前記導電性基板への張り付けは、圧着により行われる、ことを特徴とする請求項１〜請求項１７のいずれか一項に記載された方法。
前記金属基板はモリブデン、タングステンあるいはそれらの合金からなる、ことを特徴とする請求項１〜請求項１９のいずれか一項に記載された方法。