氮化镓单晶的生长方法,氮化镓单晶基板及其制造方法技术

提供一种制造１０↑［６］ｃｍ↑［－２］以下低错位ＧａＮ单结晶的方法，其特征是气相成长的成长表面不是平面状态，形成具有三维的小面结构，保持小面结构，通过在不埋没小面结构下进行成长，可降低错位，进行单晶体氮化镓的结晶成长。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】单晶体基板及其制造方法本专利技术是关于由3-5族化合物半导体形成的发光二极管(LED)、激光器(LD)等的发光装置中用的GaN单晶体基板，及其结晶成长方法和制造方法。使用3-5族氮化物系半导体(GaN、GaInN)的发光装置，蓝色LED等早已得到实际应用。由于不能广泛地得到GaN基板，所以氮化物半导体发光装置，作为基板，只能使用蓝宝石。蓝宝石(Al2O3)的(0001)面具有6次对称性，在其上成长GaN单晶体薄膜。蓝宝石上的GaN薄膜、GaInN薄膜，错位非常多。可是，即使这样，作为蓝色LED，使用寿命也相当长。蓝宝石的化学物理特性稳定，也具有耐热性，是非常坚硬的稳定的基板材料。因为有这些优点，作为GaInN系蓝色LED的基板，只能使用蓝宝石基板。但是，蓝宝石基板仍存在如下问题。蓝宝石基板没有切开面，而且是极硬的材料。在制造多个LED元件的切割成薄片时，对晶片不能像通常的半导体那样，由切开面进行自然切割。也不能以机械方式(切块)在纵横方向上切断制成薄片。切块工序又提高了费用。在形成半导体激光器时，更不能切开制成反射面。因此，在质量方面也存在问题。还存在的缺点，就是制造反射面的费用极高。此外，蓝宝石是一种绝缘性基板。这也引发各种问题，由于具有绝缘性，不能像通常的LED那样，将基板底面作为电极。为此，装置的上下面也不能作为电极。将装置的一部分用腐蚀办法清除，露出GaN下层部分，可将它作为n电极。为了使导线和电极连接，必须进行2次电缆结合。在安装下侧电极的半导体层上，为了降低横向电流流动的阻抗，必须使半导体层达到一定的厚度。为此加大下侧半导体层的厚度。为了在同一面上制作二个电极。所以需要大面积的切片。由于这种原因，导致蓝宝石基板上的GaN装置的费用增高。为了解决蓝宝石基板的这些问题，有人提出使用SiC基板。由于SiC单晶具有切开面，所以能自然切开。切块工序，半导体激光器的共振器问题理应得到解决。SiC具有导电性，可将下侧电极设在SiC基板的底面上。不必为电极采用间距，只1次电缆结合就可完成。而且，SiC的价格也比蓝宝石高得多，操作较难，供应不稳定。还存在SiC基板上成长GaN等薄膜的结晶性问题。由于费用很高，至今，SiC基板的GaInN系蓝色LED几乎没有得到实际应用。就结晶性问题作一论述。在蓝宝石基板、SiC基板上成长GaN结晶薄膜时，GaN和基板材料之间晶格常数失配，产生很多错位等缺陷，而导入晶体外延层内。不同材料，晶格常数不同，带来的问题是结晶性很差。现在可以说，当前市售的蓝宝石基板的GaN系LED装置的晶体外延层(GaN、GaInN等)上存在109cm-2高密度的错位。SiC基板的情况，稍有降低，但也可以在外延层上存在108cm-2的错位。当Si、GaAs等半导体具有这种高密度的错位，不能说是有效的装置。为了制作装置，不可缺少无错位结晶Si和低错位结晶GaAs。不可思议的是，GaN系薄膜，即使存在这种高密度的错位，作为LED也能正常发挥功能。高密度错位并不防碍GaN系LED的实际应用。也不能说因为错位而进行劣化。GaInN系蓝色LED的情况，就LED的功能讲，高密度错位也没有引出特别的问题。因此作为LED，虽说它不错，但用作LD时，存在这样多的缺陷，仍然存在问题。与LED相比，特别是流动高密度电流的LD，缺陷会引起金属中的晶格结构的混乱，并有缺陷进一步扩大的危险。虽然，GaInN系的蓝色半导体激光器是用蓝宝石基板制作，但就其寿命还是存在问题的。这大概是109cm-2这样多的错位，限制了GaInN系的LD寿命。本专利技术者们认为，当考查这些问题时，就GaN半导体装置来说，最理想的基板是GaN单晶体，在基板上使用GaN单晶体，不存在晶格常数失配的问题。又因为GaN具有切开性，所以很容易将晶片切割成薄片，可用作激光器的共振器反射面。而且GaN晶体有导电性使电源配置简单化。就这一优点，GaN单晶体最适宜于作基板。无论如何，GaN单晶体还没有被实际使用，这是因为到目前为止，还没有制造出能实际应用的大型尺寸的GaN单晶体。即使将固体原料加热，GaN不是形成熔融液，而是升华。因为得到GaN熔融液，也就不能使用从熔融液出发的チョコラルスキ-法。可以说在超高压下，存在液相(熔融液)和固相的平衡状态，但在超高压装置中制造GaN单晶也是极难的事。例如，在超高压装置中，即使能合成GaN单晶，但也是小粒结晶，无论如何，作基板是不适用的。由平衡状态制作出大型结晶，需要巨大的超高压装置。本专利技术者就技术问题进行了研究，提出通过安装有孔膜片使GaN进行气相成长，以降低结晶缺陷密度的方法，这种方法称作横向附晶生长(オ-バ-グロ-ス)成长法，或简单称作横向成长法。本专利技术者在①特原平9-298300号、②特原平10-9008号中提出了横向成长法，这种方法是在GaAs基板上开设有条状孔、点状孔的膜片，由膜片上使GaN进行气相成长，除去GaAs基板，得到GaN的结晶。这是只制作1个GaN基板的方法。但在③特原平10-102546中提出一种制作多个GaN基板的方法，对这样的GaN基板使用晶种，进而进行横向成长，制造出厚的坯料，再将坯料加工成薄片。根据本专利技术者的新方法，一开始就能制造出商业中应用的GaN单晶基板。由于GaN有切开面，若将GaN用于基板，从而克服了切开的问题。由于有n型GaN基板，所以能在其上制作LED，将n电极设在n型GaN基板的底部。因为没有必要在同一平面上设置2个电极，所以节减了薄片的面积。一根导线就可解决。这种GaN基板作为LED基板是有用的。制作LD基板时，由于能够将切开面作为共振器的反射镜，所以非常理想。然而，这种GaN基板还存在问题，所以还不能用于LD基板。在实现蓝色、紫色的短波长激光二极管中，还不清楚将基板中的缺陷密度进一步减小，是最大的难题。因为是在高电流密度这种过于严格的条件下使用的激光二极管，还不明确错位等缺陷会对激光器的特性和寿命产生严重的影响。可以说，已经知道，为了延长激光器的寿命，必须进一步降低GaN结晶的缺陷密度。在过去的方法中，即使用条形状膜片进行横向成长，也不能使GaN结晶的错位密度(EPD)达到1×107cm-2以下。虽然可以使用这种GaN结晶制作激光器，但在制作长寿命的GaN系激光器中，强烈要求GaN基板的EPD在1×106cm-2以下。有必要比现在所达到的水平，进一步降低EPD。所谓长寿命是指1万小时以上的寿命。本专利技术的第1个任务是提供1×106cm-2以下的低错位GaN结晶，本专利技术的第2个任务是提供制造这种低错位GaN单体基板的方法。为了解决上述任务，本专利技术者对利用气相成长法成长结晶的形式进行了研究。这里为了试验以前的降低错位，作为结晶成长法，不妨回顾一下横向附晶长生法。使用条形膜片等进行GaN的横向附晶长生时，例如，在以下文献中所记载的，④电子情报通信学会论文志vol．J81-C-11．No．1．P58-64(1998年1月)和⑤酒井朗、碓井彰“GaN选择横方向成长而减低错位密度”应用物理第68卷第7号P774-779(1999)。在附图说明图14～图17中示出了该工艺。图14表示在蓝宝石基板上延GaN的[11-20]方向使GaN设置有条形孔膜片的状态。如图15，气相成长开始时，首本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种单晶体ＧａＮ的结晶成长方法，特征是，气相成长的成长表面不是平面状态，形成具有三维的小面结构，保持小面结构，在不埋没小面结构下进行成长，以降低错位。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】JP 1999-9-28 273882/991．一种单晶体GaN的结晶成长方法，特征是，气相成长的成长表面不是平面状态，形成具有三维的小面结构，保持小面结构，在不埋没小面结构下进行成长，以降低错位。2．根据权利要求1记载的单晶体GaN的结晶成长方法，特征是，三维的小面结构是具有小面的穴，或是具有小面的穴的复合体。3．一种单晶体GaN的结晶成长方法，特征是，气相成长的成长表面不是平面状态，形成具有三维的小面结构，保持小面结构，在不埋没小面结构下进行成长，而且，相对于平均的成长面，具有几乎垂直的面状缺陷，以此降低错位。4．一种单晶体GaN的结晶成长方法，特征是，气相成长的成长表面不是平面状态，形成具有三维的小面结构，保持小面结构，在不埋没小面结构下进行成长，而且，相对于平均的成长面，具有几乎垂直的线状缺陷集合部分，以此降低错位。5．一种单晶体GaN的结晶成长方法，特征是，气相成长的成长表面不是平面状态，形成具有三维的小面结构，保持小面结构，在不埋没小面结构下进行成长，在由三维小面形成的穴部分中，相对于平均的成长面，具有几乎垂直的线状缺陷集合部，以此降低错位。6．一种单晶体GaN的结晶成长方法，特征是，气相成长的成长表面不是平面状态，形成具有三维的小面结构，保持小面结构，在不埋没小面结构下进行成长，在由三维小面形成的穴部分中，相对于平均的成长面，具有几乎垂直的带面状的缺陷，以此降低错位。7．一种单晶体GaN的结晶成长方法，特征是，气相成长的成长表面不是平面状态，形成具有三维的小面结构，保持小面结构，在不埋没小面结构下进行成长，在由三维小面形成的穴部分中，相对于平均的成长面，以放射状的形态，具有几乎垂直的带面状的缺陷，以此降低错位。8．一种单晶体GaN的结晶成长方法，特征是，气相成长的成长表面不是平面状态，形成具有三维的小面结构，保持小面结构，在不埋没小面结构下进行成长的结晶成长方法中，在整个区域内，厚度方向上具有小面成长的历史，以此降低错位。9．根据权利要求1、3、4、5、6、7或8中任一项记载的单晶体GaN的结晶成长方法，特征是，平均成长方向是C轴方向。10．根据权利要求3、6、7中任一项记载的单晶体GaN的结晶成长方法，特征是，相对于平均成长面，几乎垂直的带面状的缺陷是{11-20}或{1-100}面。11．根据权利要求3、6或7中任一项记载的单晶体GaN的结晶成长方法，特征是，相对于平均的成长面，几乎垂直的带面状的缺陷是小倾角粒晶边界。12．一种单晶体GaN基板的制造方法，特征是，气相成长的成长表面不是平面状态，形成具有三维的小面结构，保持小面结构，在不埋没小面结构下进行成长，降低错位，随后，利用机械加工，使具有平面性，进一步研磨其表面，得到平坦的表面。13．根据权利要求12记载的单晶体GaN基板的制造方法，特征是，机械加工是切片加工。14．根据权利要求12记载的单晶体GaN基板的制造方法，特征是，机械加工是磨削加工。15．根据权利要求12记载的单晶体GaN基板的制造方法，特征是，在气相成长中和成长后的表面中，由三维小面结构的表面凹凸部分的平面所观测到的面积相对于其总面积，比率在10％以上。16．根据权利要求12记载的单晶体GaN基板的制造方法，特征是，在气相成长中和成长后的表面中，由三维小面形成的成长穴和其复合体形成表面凹凸部分的平面，所观测到的面积，相对于从其平面所观测到的总面积的比率在40％以上。17．根据权利要求12记载的单晶体GaN基板的制造方法，特征是，在气相成长中和成长后的表面中，从由三维小面形成的成长穴及其复合体形成的表面凹凸部分平面所观测到的面积，相对于其平面观测到的总面积的比率在80％以上，并相互连结的。18．根据权利要求12记载的单晶体GaN基板的制造方法，特征是，在气相成长中及成长后的表面中，由三维小面形成的成长穴及其复合体的整个相互连结，在平均的成长方向上不具有垂直的平面部分。19．根据权利要求12～18中任一项记载的单晶体GaN基板的制造方法，特征是，气相成长后的表面中的成长穴及其复合体，含有偏离小面的曲面。20．根据权利要求17中记载的单晶体GaN基板的制造方法，特征是，在气相成长后的表面中，从由成长穴及其复合体形成的表面凹凸部分的平面观测到的面积，相对于其总面积的比率在80％以上，而且整个面是由含偏离小面的曲面的小面构成。21．根据权利要求12记载的单晶体GaN基板的制造方法，特征是，气相成长的成长表面不是平面状态，形成具有三维的小面结构，保持小面结构，在不埋没小面结构下进行成长，降低错位，相对于平均成长表面，具有几乎垂直的线状缺陷集合部分，该线状缺陷集合部分的密度在105cm-2以下。22．根据权利要求12记载的单晶体GaN基板的制造方法，特征是，气相成长的成长表面不是平面状态，形成具有三维的小面结构，保持小面结构，在不埋没小面结构下进行成长，降低错位，其浸蚀穴的密度在106cm-2以下。23．根据权利要求12记载的单晶体GaN基板的制造方法，特征是GaN的气相成长是在蓝宝石、SiC、Si、尖晶石、NdGaO3、ZnO、MgO、SiO2、GaAs、GaP、GaN、AlN中任一种单晶体基板上进行成长。24．根据权利要求12记载的单晶体GaN基板的制造方法，特征是，GaN的气相成长是在蓝宝石、...

【专利技术属性】
技术研发人员：元木健作，冈久拓司，松本直树，
申请(专利权)人：住友电气工业株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]