单晶氮化镓基板及其生长方法与制造方法技术

一种单晶氮化镓基板的生长方法，在衬底基板上有规律地设种子图案，在其长形成凹凸面构成的坑并加以维持，同时让ＧａＮ凹凸生长而接着坑底部形成封闭缺陷集合区Ｈ，将变位集结于此，实现封闭缺陷集合区Ｈ周围的单晶低变位伴随区Ｚ与单晶低变位剩余区Ｙ的低变位化。由于封闭缺陷集合区Ｈ是封闭的，所以变位被封闭不会再释放。（*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III-V族氮化物类半导体构成的蓝色发光二极管(LED)以及蓝色半导体机激光(LD)等蓝色发光元件的基板使用的单晶氮化镓(GaN)基板、单晶氮化镓基板(GaN)生长方法、以及单晶氮化镓基板(GaN)制造方法。
技术介绍
采用氮化物类半导体(InGaN、GaN)的发光元件已经被当作蓝色LED实际使用。但是由于不能得到具有大面积的GaN基板，所以几乎都是用绝缘性蓝宝石(α-Al2O3)作基板。通过在蓝宝石的三次对称面上异质取向生长GAN及INGAN薄膜来制造LED构造。又，还有人提出采用SIC基板的GAN类LED的，并部分实用化。在蓝宝石基板上制作的GAINN类蓝色LED尽管变位密度达109-1010cm-2，但却发光且不劣化，寿命长。蓝宝石制造方便、容易搞到、且便宜，另外化学性质稳定、物理性质上也呈牢固晶体，故其作发光元件的基板最佳。蓝宝石基板不但作为蓝色LED基板业已实际采用过，而且在将来也继续可以被使用。然而，蓝宝石基板的发光元件也存在一些不足。即，欠缺劈开性、呈绝缘性。不具劈开性的话，在芯片切割时就会出现问题。在蓝宝石晶片上通过晶片制造工序制作出多个LED后切割芯片时，不能利用自然劈开，只能靠刀具切割(dicing)出芯片，所以收获率低，成本高。另一方面，由于呈绝缘性，电流不能通过基板，即，不能把n型电极(负极)附在基板底面上。对此，要在蓝宝石基板上制作厚的n型GaN层，再于其上通过取向生长形成InGa类的LED构造，然后以蚀刻除去从最顶部的p-GaN薄膜到最下层的n-GaN的一部分，使n型部分露出，从而向该处附N型电极(负极)，而在剩余部分的最顶部p-GaN附加p电极。n-GaN必须要相当厚且导电性强。另外，两个电极都在上面，必须要经两次导线结合。基于这些理由，工序增多、制造时间加长。又，因n电极存在而使发光面积削减，所以发光面积变窄。反过来讲，为了获得给定发光面积，芯片面积变大。这将造成成本提高。上述这些是作为LED基板时的不足之处，在作半导体激光(LD)的场合，由于不具劈开性，存在不能通过劈开制作激光共振器端面这一难题。共振器端面要靠研磨及蚀刻等形成，耗费时间。还有一个缺点是到底是缺陷密度高。蓝宝石基板上的GaN具有达109cm-2左右的缺陷较多。就LED而言这不构成问题，可高效发光。但是就LD而言，由于电流密度特别高，却可能会因缺陷而开始劣化。故此，虽然蓝宝石基板被当作蓝色InGaN发光元件的基板使用过，但却不能说是最佳基板。最适合作氮化物类发光元件基板的到底是GaN单晶基板。迄今，由于制造高质量GaN单晶基板的技术尚未成熟，搞不到具有大面积的GaN基板。如果说能够制造出高质量GaN基板的话，其对氮化物发光元件来说可谓最好的基板。GaN单晶具有自然劈开特性，这样一来芯片分割将变得简单而精确，可以通过劈开形成LD的共振器端面。GaN当n型基板的话，具有导电性，可在n型基板底面附加n电极，故可以简化元件构造、加大发光面积。而且，其同取向薄膜之间不存在晶格常数不匹配的问题。这些都是可以预见到的优点。但是，GaN多晶原料一加热就会升华，不能制成GaN熔融液。因此，不能利用通过冷却加热熔融液来制造固体晶体的桥克拉尔斯基法、布氏(Bridgemen)法等普通热平衡大型晶体制造技术。有人说加高压可以做到维持热平衡状态的单晶生长。果真可以的话，也只会得到小型晶体，制造出可以适于商业水平的大型晶片是无望的。对此，有人提出这样的GaN基板制造方法以气相生长法在适当单晶基板上生成厚的GaN晶体后除掉基板，从而得到GaN单晶自立膜。这可以说是对薄膜生长法加以扩展的方法。但是，由于蓝宝石基板化学特性稳定、物理特性上看也较硬，GaN生长后除不掉，不适于作基板。最近，还尝试了一种利用激光分离蓝宝石基板的方法，但是估计在制作大型基板时收获率低。应该选长晶后容易除掉且同GaN匹配性好的基板。譬如，通过在GaAs的具有三次对称性面(111)之上沿c轴方向气相合成GaN，来制作具有C面的厚GaN。由于基板和GaN在晶格常数及热膨胀率上都不同，所以GaN在基板上生长得不是十分顺利。譬如，即便长晶，但内应力大，不会得到高质量单晶基板。故尚需进一步攻关。对此，本专利技术人等创立了所谓横行生长法(Lateral Overgrowth)，该方法是将具有多窗的掩模罩在GaAs基板上，从掩模上面让GaN气相生长，据此制作出内应力小、缺陷少的GaN晶体。该方法内容在下列日本专利中有记载。(1)特愿平9-298300号(2)特愿平10-9008号(3)特愿平10-102546号(4)特愿平10-171276号(5)特愿平10-183446号譬如，在具有三次对称性面(111)的GaAs基板上，罩上分布有条纹(stripe)、圆形窗的SiN掩模(譬如100nm厚)。在装设时掩模的长方形、圆形窗具有6次对称性、要同正三角形反复出现的图案的正三角形顶点位置对准。所以，在一个窗来看，成60°中心角、有6个最接近的窗。在图案上，正三角形的边譬如平行于GaAs的或方向。掩模具有排除GaN的作用，GaN从GaN窗的GaAs面生长，在掩模上不附着GaN。最初是在低温(500-600℃)下形成比掩模薄(譬如80nm厚)的缓冲层，由于它比掩模低，所以它是只能在掩模内部形成的层。它是在独立的GaN的核孤立的窗内独立生长出来的。然后，在高温下实施GaN气相生长，于是GaN在缓冲层上堆积，直到同掩模一样高。虽说GaN没有附着于掩模上，但是GaN却从窗内部向上长，故，其后GaN无论在纵向还是横向都向掩模上生长。其结果，GaN薄膜按着以窗中心为中心的正六棱台形生长下去。虽然在GaN晶体中出现大量变位，但它却以平行于生长方向而延续下去。由于在掩模的边缘生长方向一时朝向横向，所以变位的延续方向也一时朝横向变化。由于GaN是一边保持正六棱台形状一边长晶，所以变位的转换点排列在从掩模边缘引出的朝外倾斜的面上。横向生长的薄膜最终会同从邻接窗朝横向生长的薄膜会合。由于在6个方向上都有同等的窗、由此以等速朝横向(水平)生长，所以各薄膜在连结窗的线即垂直二等分线上同时合体。这时，由于变位是朝横向延伸，所以呈反平行而造成冲突，因冲突而使变位集中。也有时一部分变位会因此而消灭。变位若高密度集中于局部，其它部分就变成低变位，足可以当作发光元件的基板来利用。从邻接窗生长的GaN薄膜在二等分线会合后，变为向上生长，于是沿c轴生长。这称作保持C面的生长。花时间使之气相生长会得到相当厚(数百μm)的GaN/掩模/GaAs坯料。只要除掉掩模及GaAs、形成单剩下GaN的自立膜，就得到GaN的基板晶体。在此，GaAs可以用王水溶解除掉，而掩模也可以简单地除去。横行生长法具有变位延伸方向两次改变、变位密度因此而降低的优点。据此，首次可以生长出相当大的GaN单晶。其具有足够的厚度(100μm以上)、能自立，是由本专利技术人首次获得的GaN单晶基板。但是，若氮化镓基板本身质量不高的话，在其上是不可能制作出优良半导体装置的。尤其是作为大批量生产的基板，要求晶体质量优异，即在广范围内变位密度低。即使靠使用多窗掩模进行气相生长的横行生长法，变位密度也达1-2×107cm-2左右，达不到低本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氮化镓结晶，其特征在于：在由ＧａＮ、蓝宝石、ＳｉＣ、尖晶石、ＧａＡｓ、Ｓｉ的任一种材料构成的衬底基板上，配置有非晶质或多晶的薄膜，在薄膜上具有由氮化镓的封闭缺陷集合区Ｈ，在该区域以外的区域具有：单晶低变位伴随区Ｚ，以及单晶低变位剩余区Ｙ－存在于单晶低变位伴随区Ｚ的外部、具有同一晶体取向。

【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，冈久拓司，中畑成二，弘田龙，上松康二，
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]