单晶氮化镓基板及单晶氮化镓长晶方法技术

本发明专利技术提供一种单晶氮化镓基板和单晶氮化镓长晶方法，单晶氮化镓基板具有表面、背面和厚度，具有晶体缺陷集合区Ｈ、低缺陷单晶区Ｚ和Ｃ面生长区Ｙ，具有ＨＺＹＺ构造；所述晶体缺陷集合区Ｈ直线状伸展，贯通表背面，有宽，在宽度方向两侧具有交界线Ｋ、Ｋ，让变位集合在内部；所述低缺陷单晶区Ｚ直线状伸展，贯通表背面，通过交界线Ｋ与晶体缺陷集合区Ｈ相接，有宽，变位密度比晶体缺陷集合区Ｈ低；所述Ｃ面生长区Ｙ位于低缺陷单晶区Ｚ的大致中央，直线状伸展，贯通表背面，有宽，变位密度比晶体缺陷集合区Ｈ低，电阻率比低缺陷单晶区Ｚ低高，Ｃ面生长区Ｙ的宽度并非一定而具有随机偏差，在厚度方向以及与面平行的方向上歪歪扭扭。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及可以当作第ni—v族氮化物类半导体构成的发光二极管(LED)以及半导体激光装置(LD)等发光元件的基板使用的单晶氮化镓 (GaN)基板、构成单晶氮化镓基板制造基础的氮化镓的生长方法、以及 单晶氮化镓基板制造方法。
技术介绍
采用氮化物类半导体的发光半导体装置业已实际使用，具代表性的有 蓝色LED。以往，采用DHW类半导体的发光半导体装置几乎都是用绝缘 性蓝宝石。蓝宝石非常坚固，是化学性质和物理性质都稳定的基板材料。 具有可以在其上进行取向生长氮化镓晶体的优点。另一方面，蓝宝石没有缺劈开性、是绝缘体，存在同取向生长膜即氮 化镓的晶格差大的问题。蓝宝石虽属三方晶系，但没有3次对称性和3次 反转对称性，对称性低，故不具劈开性。因此，使用蓝宝石基板会带来一些问题。在制造发光二极管(LED) 的切割(didng)工序中，由于不具劈开性，所以收获率低，成本高。另外，在半导体激光装置方面，难于利用劈开性制成良好的反射面(共 振器)，存在激光特性等质量上的问题。另外，蓝宝石属绝缘性基板，不能象普通LED那样在装置上下两面 形成电极。从工序上看，在制造半导体装置时必须要通过蚀刻在同一平面 上露出下层的表面。另外，在蚀刻后还要在横向生长电流流通的较厚的导电层，这招致工序数与工时增大、成本提高。还有，因为要在同一平面上两处形成电极，所以芯片面积要大。这也 造成成本增大。并且，采用蓝宝石基板时，由于GaN和基板之间晶格常数不匹配， 所以存在取向生长层中出现过多变位的问题。据说目前市场上出售的蓝宝 石基板的半导体装置中的GaN取向生长层中有多达109cm—2左右的变位。另外，采用比蓝宝石的间晶格常数差异小的SiO基板时，情况也差不多。蓝宝石基板上生长的GaN薄膜的高变位密度，对于电流密度低的LED 来说问题不大。但是就电流密度高的半导体激光装置而言，缺陷会因大电 流而增加，而高密度缺陷会缩短半导体激光装置寿命。从上述几点来看，最理想的基板是氮化镓(GaN)单晶基板。如果能 够制造出高质量GaN基板的话，就可以解决晶格常数不匹配问题。氮化镓对称性好，其{1-100}面具有很强的劈开性。可以利用自然劈 开形成共振器，将会大大提高激光装置反射面质量。还有，其同蓝宝石不同，可以通过掺杂很容易地得到导电性基板。因此，可以不是只在同一平面而是在上下两面形成电极。可以缩小晶格常数 差，实现低成本化。但是，GaN单晶制造难。迄今，几乎不可能制造出可以当作基板使用 的具实用水平大小的高质量的晶体。另外，虽然在超高压下的液相和固相的平衡状态下可以合成极小的 GaN单晶，但是不具使用价值。因为这难以实现基板大型化，商品化较难。对此，曾提出通过气相生长法在不同基板上生成较厚的GaN，然后除 去基板得到GaN基板。本专利技术人提出了利用所谓横行生长法(Epitaxial Lateral Overgrowth, 取向横行超越生长)的专利技术，这是通过带窗的掩模让GaN气相生长即横 行生长，可以减少晶体缺陷密度。(特愿平10-9008号)。具体来说，该方法是这样的在GaAs基板上形成条纹(stripe)或圆 形的掩模，在其上让GaN横行生长，之后， 一除掉GaAs基板就可以得到 GaN基板。又，本专利技术人还提出了批量生产GaN基板的方法，即，在GaN基板 上再生长GaN，以制成坯料(ingot)，从坯料切割出GaN基板(特愿平 10-102546号)。利用这些新方法，初次可以实现GaN单晶基板的商品化。 但是，所制成的GaN单晶基板本身质量不高的话，就得不到良好的 半导体装置。尤其是，作为批量生产的基板，要求晶体质量优异，即在广范围内变 位密度低。为了得到高质量的氮化镓基板，本专利技术人等提出了有关降低基板本身 变位密度的方法(特幵2001-102307号)。而本专利技术是涉及对该降低变位 密度方法的改进。上述降低变位密度方法是这样的具有三维凹凸结构，形成凹凸面 (facet面)构成的逆六棱锥型坑， 一边维持这些凹凸结构不被埋上一边长 晶，据此将变位集合于一处而减少变位。该三维凹凸结构也可以是凹凸面构成的逆12锥型坑。具代表性的面 有{11-22}、{1-101}等。图1示意了本专利技术人的在先申请(特开2000-102307 号)的GaN长晶方法。在此只给出了GaN晶体的一小部分。在基板(图 中省略)上以气相生长法(HVPE法、MOCVD法、MOC法及升华法) 沿c轴方向生长GaN薄膜。在此是c轴方向生长而不是象以往的GaN气 相生长那样进行C面生长。以往的C面生长法是一边维持如同镜面一样光滑的C面一边让薄膜 取向生长，变位密度甚至会达到10WcmJ左右，无法作半导体装置的基板。 而本专利技术人的在先申请是一崭新的方法积极地形成凹凸面，并且不埋它， 而是对凹凸面加以维持，以减少变位。GaN晶体2表面生成了一些逆六棱锥型坑4。图l只示出了一部分。 坑4的倾斜的6面是低指数的凹凸面6 (晶体学意义的面)，是{11-22} 或{1-101}面。坑4边上的平坦面7是C面生长(见纵向箭头)的部分。 但是，作为倾斜面集合的坑4，由于生长方向是法线(面的垂线)方向， 所以变位随着生长而向棱线8移动。一集结于棱线8，变位顺棱线8滑入坑底而集中。实际上变位是不下移的，只不过坑、棱线、底却随着生长而上升。所以描述成相对下移。实 际上可以说变位在生长的同时平行于C面而朝坑底方向传播的。这样一 来，在坑内的变位最终将集中于坑底，故此坑内变位减少。有时，如图1 (b)所示，随着凹凸生长的进行，会接着棱线8产生变 位集合即面状缺陷10。这是对应于晶体的对称性而相互间成60。夹角的6 个面状缺陷10。面状缺陷10的中心交叉点构成变位高密度集中的线状变 位集合缺陷部11。理想的情况是，原来在坑内的变位都被收集到线状缺陷 11和面状缺陷10上。这样一来其他部位的变位就会变得非常低。象这样 来制成低变位GaN单晶正是上述本专利技术人的在先申请的要点。其结果，终将集中于己于凹凸面构成的坑的中央处。靠这一机制，被 凹凸面扫过的区域上的变位全部集合于坑中央处，该区域的变位密度将大 大降低。然而，这种以偶然自发方式生成凹凸面构成的坑、并一边维持凹凸(不 埋上) 一边长晶体、以让变位集中于坑中央底部的新方法(特开 2001-102307)仍然存在着问题。根据该方法，变位的确是集中了，但问题是不完全集中于一点。譬如， 假设形成的是直径100ym的坑，有的地方，变位集中于坑中央的仅数P m的范围内。但是、存在部位上的差异，譬如，有时变位脱离开集合部， 在譬如50um左右的范围内存在有零乱状的中等变位密度区。参照图3对此作以描述。图3(1)示意的状态是通过在c轴方向生 长，凹凸向内倾斜推迸，在凹凸16构成的坑14的底集中了线状变位束15。 这种形态就可以了。但是，如图3 (2)所示，变位一时集中于坑底后又散 开、向坑内扩展。在此，将这种扩展称零乱状的变位扩散。当为了扩大良好区面积而在生长时加大凹凸面构成的坑的口径时，该 零乱状的变位集合部面积有增大趋势。可以说这是由于随着集合来的变位 增多从集合部脱离的变位当然也增多。可以说，变位从变位群所在的坑中央脱离的现象起因于众多变位集中 之际变位之间的排斥力。另外本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种单晶氮化镓基板，其特征在于，具有表面、背面和厚度，具有晶体缺陷集合区Ｈ、低缺陷单晶区Ｚ和Ｃ面生长区Ｙ，具有ＨＺＹＺ构造；所述晶体缺陷集合区Ｈ直线状伸展，贯通表背面，有宽，在宽度方向两侧具有交界线Ｋ、Ｋ，让变位集合在内部；所述低缺陷单晶区Ｚ直线状伸展，贯通表背面，通过交界线Ｋ与晶体缺陷集合区Ｈ相接，有宽，变位密度比晶体缺陷集合区Ｈ低；所述Ｃ面生长区Ｙ位于低缺陷单晶区Ｚ的大致中央，直线状伸展，贯通表背面，有宽，变位密度比晶体缺陷集合区Ｈ低，电阻率比低缺陷单晶区Ｚ低高，Ｃ面生长区Ｙ的宽度并非一定而具有随机偏差，在厚度方向以及与面平行的方向上歪歪扭扭。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：元木健作，弘田龙，冈久拓司，中畑成二，
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]