单晶氮化镓基板、单晶氮化镓长晶方法及单晶氮化镓基板制造方法技术

一种单晶氮化镓长晶方法，在衬底基板上有规律地设条纹图案，在其长形成凹凸面构成的Ｖ沟（谷）并加以维持，同时让ＧａＮ凹凸生长，凹凸面构成的Ｖ沟（谷）底部形成缺陷集合区Ｈ，将变位集结于此，实现其周围的低缺陷单晶区Ｚ与Ｃ面生长区Ｙ的低变位化。克服了这些难点：自凹凸面构成的坑的中央变位变位零乱分布、生成放射状面状缺陷、坑生成位置不可控制。（*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。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(dicing)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(特开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。附图说明图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1010cm-2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1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，终将集中于已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100μm的坑，有的地方，变位集中于坑中央的仅数μm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50μm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，凹凸向内倾斜推进，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。另外还有一点原因，即，坑合并造成变位群散乱、浓缩，零乱状变位的扩散面积扩大。零乱状的变位扩散存在部位上的差异，但变位密度大约在2×107cm-2左右。这样的变位密度，就激光二极管用基板而言是不行的，不能达到足够的寿命。必须要将变位密度降低到1/20即106cm-2才行。还有一个问题是变位集中于凹凸面构成的坑的底时在坑中央有面状缺陷10(图1(b))。面状缺陷往往是以中央为中本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种单晶氮化镓基板，其特征在于，具有表面和背面，表面具有低缺陷单晶区Ｚ和晶体缺陷集合区Ｈ、Ｈ；所述低缺陷单晶区Ｚ直线状伸展、有宽；所述晶体缺陷集合区Ｈ直线状伸展、有宽，并在宽度方向两侧具有交界线Ｋ、Ｋ，介于交界线Ｋ与所述低缺陷单晶区Ｚ相接。

【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]