第III族氮化物半导体单晶、其制造方法、自立式衬底和半导体器件技术

本发明专利技术涉及第III族氮化物半导体单晶及其制造方法、自立式衬底和半导体器件。本发明专利技术的一个目的是提供一种制造第III族氮化物半导体单晶的方法，该方法使得能够通过具有任意内侧直径的坩埚制造具有平坦表面的第III族氮化物半导体单晶；提供了从第III族氮化物半导体单晶获得的自立式衬底，并提供了使用自立式衬底的半导体器件。制造方法包括添加模板、熔剂和半导体原材料到坩埚中并在旋转条件下生长第III族氮化物半导体单晶。在半导体单晶生长的过程中，具有内侧直径R(mm)的坩埚旋转的最大转速ω(rpm)满足以下条件：ω1-4≤ω≤ω1+4；ω1＝10z；和z＝-0.78×log10(R)+3.1。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术涉及第III族氮化物半导体单晶及其制造方法、自立式衬底和半导体器件。本专利技术的一个目的是提供一种制造第III族氮化物半导体单晶的方法，该方法使得能够通过具有任意内侧直径的坩埚制造具有平坦表面的第III族氮化物半导体单晶；提供了从第III族氮化物半导体单晶获得的自立式衬底，并提供了使用自立式衬底的半导体器件。制造方法包括添加模板、熔剂和半导体原材料到坩埚中并在旋转条件下生长第III族氮化物半导体单晶。在半导体单晶生长的过程中，具有内侧直径R(mm)的坩埚旋转的最大转速ω(rpm)满足以下条件：ω1-4≤ω≤ω1+4；ω1＝10z；和z＝-0.78×log10(R)+3.1。【专利说明】第M I族氮化物半导体单晶、其制造方法、自立式衬底和半导体器件
本专利技术涉及第III族氮化物半导体单晶、其制造方法、自立式衬底、和半导体器件。更具体地，本专利技术涉及通过熔剂工艺(flux process)制造第III族氮化物半导体单晶、其制造方法、自立式衬底、和半导体器件。
技术介绍
半导体晶体的制造通过气相生长方法例如金属有机气相化学沉积(MOCVD)和氢化物气相外延(HVPE);分子束外延生长(MBE);和液相外延生长。一种液相外延生长技术是使用Na熔剂的熔剂工艺。 在熔剂工艺的常规工序中，在蓝宝石衬底或类似衬底上形成氮化镓(GaN)层，由此准备籽晶衬底，且在籽晶衬底上生长半导体单晶。这种情况下，将籽晶衬底、半导体单晶的原材料和熔剂置于坩埚中，然后在控制反应室内温度和压力的条件下生长半导体单晶。已公开了通过搅拌熔体将氮气从气-液界面转移到熔体内部的技术(参见例如专利文件I的第段、表1等)。专利文件1:日本公开特许公报(特开)第2010-168236号然而，为了制造具有大直径的单晶衬底，必须采用足以容纳衬底直径的大内侧直径的坩埚。在坩埚以给定的转速旋转的情况下，施加到坩埚内壁附近存在的熔融液体的离心力随着坩埚内侧直径的变化而变化。即，在坩埚旋转期间，存在于内壁附近的熔融液体的表面水平随着坩埚直径的增加而升高。在一种情况下，可以通过以预定的旋转速度旋转具有小内侧直径的坩埚来制造具有平坦表面的半导体单晶。然而，当通过以相同的转速旋转具有更大内侧直径的坩埚来生长半导体单晶时，所得的半导体单晶有凹入的中央部分。因此，即使将转速调整到适合生长半导体单晶时，根据所采用的坩埚的直径，半导体单晶的表面也可以是平坦的或不平坦的。因此，在生长具有大直径和平坦表面的半导体单晶时遇到难题。
技术实现思路
已经设想了本专利技术来解决前述常规方法中涉及的难题。因此，本专利技术的一个目的是提供一种制造第III族氮化物半导体单晶的方法，这种方法使得能够通过具有任意内部直径的坩埚来制造具有平坦表面的第III族氮化物半导体单晶。另一个目的是提供通过这种方法制造的第III族氮化物半导体单晶。再一个目的是提供由第III族氮化物半导体单晶获得的自立式衬底(self-standing substrate)。又一个目的是提供采用自立式衬底的半导体器件。因此，在本专利技术的第一个方面中，提供了一种通过使用熔剂用于生长第III族氮化物半导体单晶来制造第III族氮化物半导体单晶的方法。该方法包括添加籽晶衬底、熔剂和半导体原材料到坩埚中并在坩埚旋转的情况下生长第III族氮化物半导体单晶。在半导体单晶生长的过程中，具有内侧直径R(mm)的坩埚以最大转速ω (rpm)旋转，该最大转速ω (rpm)满足以下条件:ω 1-4 ≤ ω ≤ω 1+4 ；COl = IOz ;和 ζ = -0.78 X 1g10 (R) +3.1 ?在制造第III族氮化物半导体单晶的方法中，半导体单晶生长期间坩埚的最大转速ω (rpm)根据坩蜗内侧直径R(mm)进行调整。具体地，最大转速ω随着坩埚的内侧直径R的增加而减小。通过这种调节，可以抑制半导体晶体生长期间坩埚内壁附近存在的熔融液体高度增加和坩埚中央处的熔融液体的高度减小。这样生长的半导体单晶在中央基本上没有凹入区域，意味着可以获得平坦的半导体单晶。注意，还没有明确的解释熔剂高度和生长的半导体单晶的膜厚度分布之间的关系。然而，一个可想到的因素是熔融液体在籽晶生长表面附近的流动。下面将描述已经在实际进行的实验中建立的熔融液体的高度和半导体单晶的膜厚度分布的关系。在制造第III族氮化物半导体单晶的方法的第二方面中，半导体单晶的生长包括恒速旋转阶段，其中坩埚旋转的恒定转速满足以下条件:ω 1-4 ^ ω ^ ω 1+4。在恒速旋转阶段内，转速在高水平下保持恒定，由此可以合适地搅拌熔剂以用于半导体单晶的生长。在制造第III族氮化物半导体单晶的方法的第三方面中，在恒速旋转阶段内，坩埚以恒定转速旋转，该恒定转速满足以下条件:ω 1-2 ^ ω ^ ω1+2。这样，熔融液体可以更适宜地进行搅拌。在制造第III族氮化物半导体单晶的方法的第四方面中，该方法包括在半导体单晶生长之前，在衬底上形成籽层，由此提供籽晶衬底。由于籽晶衬底具有籽层，所以半导体单晶能够适宜地生长。在制造第III族氮化物半导体单晶的方法的第五方面中，坩埚的旋转阶段包括:加速阶段，其中转速增加到恒速旋转阶段的速度。旋转暂停阶段，其中坩埚的旋转暂停；和 减速阶段，其中转速从恒速旋转阶段的速度降低。在旋转暂停阶段，坩埚转速基本上为零。在本专利技术的第六方面中，提供了已经在坩埚中通过熔剂工艺生长的第III族氮化物半导体单晶。具有内侧直径R(mm)的i甘祸以最大转速ω (rpm)旋转,该最大转速ω (rpm)满足以下条件:ω 1-4 ≤ω ≤ ω 1+4 ;ω I = IOz ;和ζ = -0.78X 1g10(R) +3.1。单晶具有130mm或更大的直径。第III族氮化物半导体单晶为平坦表面。在本专利技术的第七方面中，提供了具有170mm或较小直径的第III族氮化物半导体单晶。第III族氮化物半导体单晶为平坦表面。在本专利技术的第八方面中，提供了通过抛光前述第III族氮化物半导体单晶的至少一个表面形成的自立式衬底。自立式衬底具有充分大的直径。在本专利技术的第九方面中，提供一种半导体器件，其包括:前述自立式衬底；形成在自立式衬底上的第III族氮化物半导体层；和接触第III族氮化物半导体层或自立式衬底的电极。本专利技术能够提供制造第III族氮化物半导体单晶的方法，该方法可以通过具有任意内侧直径的坩埚制造具有平坦表面的第III族氮化物半导体单晶；通过这种方法制造的第III族氮化物半导体单晶；通过第III族氮化物半导体单晶获得的自立式衬底；和使用自立式衬底的半导体器件。【专利附图】【附图说明】当结合附图进行考虑时，参考随后详细描述的优选实施方案，本专利技术的多个其它目的、特点和伴随的优点将更容易理解(因为其变得更好理解)，附图中:图1是根据一个实施方案的第III族氮化物半导体单晶的截面图。图2是根据一个实施方案的用于制造第III族氮化物半导体单晶的晶体生长设备构造的示意图。图3是示出制造用于根据实施方案制造第III族氮化物半导体单晶的方法中的籽晶衬底的方法的图示。图4是示出包含在根据实施方案制造第III族氮化物半导体单晶的方法中的半导体单晶生长的坩埚旋转模式的曲线图。图5是示出根据实施方案制造`第III族氮化物本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种通过使用用于生长第III族氮化物半导体单晶的熔剂来制造第III族氮化物半导体单晶的方法，所述方法包括：将籽晶衬底、熔剂和半导体原材料添加到坩埚中并且在所述坩埚旋转的同时生长第III族氮化物半导体单晶，其中，在所述半导体单晶生长的过程中，具有内侧直径R(mm)的所述坩埚以最大转速ω(rpm)旋转，所述最大转速ω(rpm)满足以下条件：ω1?4≤ω≤ω1+4；ω1＝10z；和z＝?0.78×log10(R)+3.1。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：山崎史郎，守山实希，
申请(专利权)人：丰田合成株式会社，
类型：发明
国别省市：