氮化物半导体单晶基材及其合成方法技术

本发明专利技术改善ＡｌＧａＮ单晶基材的断裂韧度，并且降低该基材的吸收系数。氮化物半导体单晶基材具有由通式Ａｌ↓［ｘ］Ｇａ↓［１－ｘ］Ｎ（０≤ｘ≤１）表示的组成，其特征在于断裂韧度为（１．２－０．７ｘ）ＭＰａ.ｍ↑［１／２］或更大以及表面积为２０ｃｍ↑［２］；或者它具有通式Ａｌ↓［ｘ］Ｇａ↓［１－ｘ］Ｎ（０．５≤ｘ≤１）表示的组成，其特征在于在３５０～７８０ｎｍ的整个波长范围内其吸收系数为５０ｃｍ↑［－１］或更小。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及可用作各种电子器件基材的氮化物半导体单晶，更具体而言，是涉及改善氮化物半导体单晶基材的断裂韧度和透光率。
技术介绍
当氮化物单晶片用作半导体电子器件的基材时，其在制造半导体电子器件的过程中必需是不会受到影响而开裂的物质。原因是在加工过程中开裂的氮化物半导体单晶片不能进行后续处理，即该晶片成了废品。最近几年，除硅单晶片外，单晶氮化物半导体晶片也用作制备各种电子器件的基材。在这些氮化物半导体单晶片中，六方晶AlxGa1-xN(0＜x≤1)半导体晶片对于制备各种电子器件而言是优选的候选材料。应该注意的是在本说明书中，“AlxGa1-xN(0＜x≤1)半导体”也简称作“AlGaN半导体”。正如在Japanese Journal of Applied Physics，40卷，2001，L426-L427页中所述那样，AlGaN单晶与硅单晶相比，其断裂韧度较低，因此AlGaN单晶趋向于容易开裂。尤其是，AlN基材由于其具有较低的断裂韧度(约为SiC基材和蓝宝石基材的断裂韧度的几分之一)，因而在处理过程中容易开裂。氮化物半导体单晶片通常用于制备发光元件，尤其是用于能够发射短波光的氮化物半导体发光元件的基材。在这些应用中，短波光易于在半导体基材内激发电子，即该短波光容易被半导体基材迅速吸收。短波光在氮化物半导体基材内的这种吸收遏止了使光从发光元件中往外发射的效率的降低。为此，理想的是用于制备发光元件的氮化物半导体单晶基材对于短波光具有尽可能小的吸收系数。Journal of Applied Physics，44卷，1973，292-296页报导可以通过HVPE(氢化物气相外延生长)生长外延生长AlN膜，该膜对于可见光区域到紫外光区域都具有较小的吸收系数。然而，该文献的AlN膜在短波区域不能被认为具有足够小的吸收系数，尤其是在紫外光区域。因此，即使AlN层为了用作氮化物半导体单晶基材而通过HYPE长得更厚，那么也需要进一步减少AlN基材在短波区域的吸收系数。如上所述，氮化物半导体单晶片已用作各种电子器件的基材。尤其是，在最近几年，对于AlGaN单晶基材的需求日益增加。然而，AlGaN单晶片易于开裂，这对于电子器件的生产率是不利的因素。因此，在本领域中，已经提出需要改善AlGaN单晶片自身的断裂韧度。最近几年，氮化物半导体单晶片通常用作短波发光元件的基材。在这些实施中，吸收更短波长光的氮化物半导体单晶基材对短波发光元件而言，其会导致光提取效率(light extraction efficiency)降低。为此，在本领域中，已经提出需要降低AlGaN单晶基材自身的吸收系数。
技术实现思路
鉴于前面的情况，本专利技术目的是改善AlGaN单晶基材的断裂韧度。本专利技术的另一个目的是降低AlGaN单晶基材的吸收系数。本专利技术的氮化物半导体单晶基材具有通式AlxGa1-xN(0≤x≤1)表示的组成，并且其特征在于断裂韧度为(1.2-0.7x)MPa.m1/2或更大，表面积为20cm2或更大。本专利技术的氮化物半导体单晶基材可以具有通式AlxGa1-xN(0.5≤x≤1)表示的组成，并且其特征在于在350～780nm的整个波长范围内其吸收系数为50cm-1或更小。该氮化物半导体单晶基材可以具有1×1017cm-3或更小的总杂质密度。如上所述的氮化物半导体单晶基材可以通过HVPE有利地合成。优选在原料气体在800℃或更高温度接触的区域内，用于HVPE的晶体生长炉的内壁由pBN(热解氮化硼)形成；由氮化物、碳化物或氧化物中的任一种的烧结材料形成；或由表面地涂敷有pBN、氮化物、碳化物或氧化物中的任一种的组分形成。附图说明图1解释单晶生长设备，该设备可用于由HVPE合成本专利技术AlGaN单晶基材；和图2所示为在本专利技术AlN单晶基材中吸收系数对于波长的依存性。具体实施例方式如上所述，如果AlGaN单晶基材拟用于制造各种半导体电子器件，则需要该基材不会产生开裂。定义不受开裂影响性的物理参数就是断裂韧度。此处，本专利技术人发现在AlGaN单晶基材中杂质增加就相应地降低断裂韧度，就会导致基材更易于开裂。即，已经发现减少杂质密度对于改善AlGaN单晶基材的韧性是非常重要的。基于这种发现，本专利技术人生长AlN单晶和GaN单晶，最大可能地消除杂质源。为生长AlN晶体，所使用的种子晶基材为51-mm直径的AlN单晶，该单晶在(0001)平面内具有主表面，而原料气体为HN3和AlCl3或AlCl。另一方面，为生长GaN晶体，使用的种子晶基材是直径为51mm的(0001)GaN单晶，原料气体为GaCl和HN3。图1是在AlN单晶和GaN单晶的HVPE合成中，根据本专利技术所使用的单晶生长炉的示意性横截面图。如图中所示，石英玻璃反应管1具有排气口1a，在排气口附近安置有加热器2。石英玻璃在高温时可以成为硅和氧污染物的来源(在800℃或更高温度时尤其可注意到)。同样，即使在温度高的区域中，将石墨衬里安置在反应管1中，该衬里也可以变成高温时碳污染物的来源。因此，为解决污染物问题，在达到800℃或更高温度的区域的反应管1内安置pBN衬里3。用于衬里3的材料并不局限于pBN；该衬里可以由氮化物、碳化物或碳化物的烧结体形成(其中，优选不使用粘合剂)，或者该衬里可以由涂敷有氮化物、碳化物或氧化物的成分形成。在衬里3内，可以将AlN或GaN的种子晶基材5放置在pBN台4的上面。III族前体气体(AlCl3，AlCl，或GaCl)经由第一气体导入管6导入到衬里3中，但是NH3气体经由第二导入管7导入。所使用的载气为高纯度的H2，N2，Ar或其混合物。所供给III族元素前体气体和NH3气体的相对比例设定为1∶10～1∶1000。基材温度设定为900～1100℃。控制合成条件，以便生长速率为10～50μm/h，由此AlN或GaN单晶在基材上生长至5mm的厚度。应当注意同时向衬里3中导入Al原料气体和Ga原料气体可以生长出AlGaN杂化单晶。由此获得的GaN晶体和AlN晶体切割成AlN基材和GaN基材薄片，每个薄片都具有0.5mm的厚度、51mm的直径以及主要面在(0001)平面。这些基材的双面都抛光成类镜子光洁度，随后蚀刻，形成厚度为0.4mm并且双面成镜面光滑的AlN基材和GaN基材。AlN基材和GaN基材用SIMS(次级离子质谱)分析观察以测定它们的杂质密度，在这两种基材中，最普遍的杂质为氧，相对于1×1017cm-3或更低的总杂质密度，氧密度测定为5×1016cm-3或更低。此外，测定AlN基材和GaN基材的断裂韧度值。使用锥形金刚石压头在基材上施用根据维氏硬度测试所需要的压陷负荷，并以由此形成的裂缝长度为基础，使用下列等式(1)和(2)计算断裂韧度。Kc＝ξ(E/Hv)1/2(P/c3/2) (1)Hv＝P/(2a3/2) (2)在上述等式中，Kc为断裂韧度，Hv为维氏硬度，E为杨氏模量，ξ为校准常数，P为压头负荷(0.5～5N)，2a为压痕对角线长度，而c为径向裂缝长度。作为基于上面等式(1)和(2)的评价结果，发现AlN基材的断裂韧度为0.5MPa·m1/2，而GaN基材的断裂韧度为1.2MPa.m1/2。作为比较，使用其中没有使用衬里3并且其中混入约为1×1018本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氮化物半导体单晶基材，它具有通式Ａｌ↓［ｘ］Ｇａ↓［１－ｘ］Ｎ（０≤ｘ≤１）表示的组成，其特征在于断裂韧度为（１．２－０．７ｘ）ＭＰａ.ｍ↑［１／２］或更大以及表面积为２０ｃｍ↑［２］或更大。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：藤原伸介，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]