[發明專利]第13族氮化物晶體和第13族氮化物晶體基板

無效

• 申請號: 201310085505.8
• 申請日: 2013-03-18
• 公開（公告）號: CN103320864A
• 公開（公告）日: 2013-09-25
• 發明（設計）人: 林昌弘;皿山正二;佐藤隆;木村千春;三好直哉;村上明繁;和田純一
• 申請（專利權）人: 株式會社理光
• 主分類號: C30B29/40
• 分類號: C30B29/40
• 代理公司: 北京市柳沈律師事務所 11105
• 代理人: 宋莉

技術領域

本發明涉及第13族氮化物晶體和第13族氮化物晶體基板(襯底，substrate)。

背景技術

基于氮化鎵(GaN)的半導體材料用于半導體器件例如藍色發光二極管(LED)、白色LED和激光二極管(LD)。白色LED例如用于移動電話屏幕和液晶顯示器的背光燈和用于照明。藍色LED例如用于交通燈和其它照明。藍-紫LD用作藍光光盤的光源。現在，用作紫外、紫-藍-綠光源的大部分的基于GaN的半導體器件是通過使用例如金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)或分子束外延(MBE)在藍寶石或碳化硅(SiC)基板上進行晶體生長而制造的。

如果藍寶石或SiC用作基板，由于與第13族氮化物在熱膨脹系數和晶格常數方面的大的差異，晶體缺陷增加。這樣的缺陷對器件特性具有負面影響，由此使得難以例如延長發光器件的壽命或提高負載功率。為了解決這些問題，最適合地使用由與在基板上生長的晶體相同的材料制成的GaN基板。

現在，自支撐GaN基板是通過如下制造的：使用用于減小位錯密度的生長方法例如橫向外延過生長(ELO)通過氫化物氣相外延(HVPE)在不同的基板例如藍寶石基板和砷化鎵(GaAs)基板上厚厚地生長GaN；和將GaN厚膜從所述不同的基板分離。以這種方式制造的GaN基板的位錯密度被減小至約10⁶cm^-2。此外，這樣的具有2英寸尺寸的GaN基板被投入實際使用中并主要用于激光器件。近來，為了減少白色LED的成本和將基板應用于電子器件，需要具有4英寸或6英寸的更大直徑的基板的設計。

然而，由于所述不同的基板材料和GaN之間在熱膨脹系數和晶格常數方面的差異所導致的翹曲和裂紋的出現阻礙了大直徑基板的設計。此外，以上描述的位錯密度仍然存在。另外，由于GaN基板是通過將一個GaN厚膜從一個不同的基板分離且對該GaN厚膜進行拋光而制造的，制造該GaN基板花費大量成本。

相形之下，已研究和開發了使氮氣從氣相溶解到堿金屬和第13族金屬的混合熔體中以生長GaN晶體的助熔劑法(flux?method)作為用于通過液相生長實現GaN基板的方法之一。

在助熔劑法中，通過將含有堿金屬例如鈉(Na)和鉀(K)、以及第13族金屬例如鎵(Ga)的混合熔體在處于等于或低于10MPa的氮氣壓力的氣氛下加熱至約600℃-900℃，氮氣從氣相溶解。隨后，通過使氮氣與混合熔體中的第13族金屬反應，生長第13族氮化物晶體。助熔劑法使得在比其它液相生長更低的溫度和更低的壓力下實現晶體生長。另外，由此生長的晶體有利地具有低于10⁶cm^-2的位錯密度。

Chemistry?of?Materials?Vol.9(1997)pp.413-416報道了通過如下生長GaN晶體的事實：將用作原材料的疊氮化鈉(NaN₃)和金屬Ga置于由不銹鋼制成的反應容器(該容器的內部尺寸：7.5mm的內徑和100mm的長度)中，和在氮氣氛下密封住該容器，和將該反應容器保持在600℃-800℃的溫度下24小時-100小時。

Proc.21st?Century?COE?Joint?Workshop?on?Bulk?Nitrides?IPAP?Conf.Series4pp.14-20報道了當通過MOCVD和HVPE在藍寶石基板上生長GaN時所產生的位錯和傾斜晶界。

日本專利申請待審公布No.2010-100449公開了通過助熔劑法從基礎基板生長GaN晶體的方法。日本專利No.4588340公開了在基礎基板上形成圖案化的掩模和通過助熔劑法選擇性地生長GaN的方法。日本專利申請待審公布No.2008-94704公開了作為用于制造大的GaN晶體的方法的使用氮化鋁(AlN)針晶作為種晶和生長GaN柱狀晶的方法。日本專利申請待審公布No.2006-045047公開了用于制造用作種晶的AlN針晶的方法。日本專利申請待審公布No.2010-254576公開了通過將從基礎基板生長的GaN晶體沿著平行于生長方法的面切片而制造具有低位錯的GaN基板的方法。

然而，在常規技術中，由于c面的穿透位錯(貫通位錯，threadingdislocation)和基面位錯的影響，難以提供高品質的塊狀(體，bulk)晶體。

因此，存在提供適用于高品質第13族氮化物半導體基板和第13族氮化物晶體基板的第13族氮化物晶體的需要。

發明內容

本發明的目的是至少部分地解決常規技術中的問題。