[發明專利]13族氮化物晶體

有效

• 申請號: 201310419587.5
• 申請日: 2009-12-25
• 公開（公告）號: CN103556225A
• 公開（公告）日: 2014-02-05
• 發明（設計）人: 下平孝直;平尾崇行;今井克宏
• 申請（專利權）人: 日本礙子株式會社
• 主分類號: C30B29/40
• 分類號: C30B29/40
• 代理公司: 上海市華誠律師事務所 31210
• 代理人: 李曉

技術領域

本發明涉及13族氮化物的晶體生長方法及13族氮化物晶體。

背景技術

近年來，使用氮化鎵等13族氮化物制造藍色LED或白色LED、青紫色半導體激光器等半導體設備，并將該半導體設備應用于各種電子機器的研究正在活躍地進行。現有的氮化鎵系半導體設備主要是通過氣相法進行制造。具體地是在藍寶石基板或碳化硅基板上通過有機金屬氣相生長法(MOVPE)等，異質外延生長氮化鎵的薄膜來進行制造。此時，由于基板與氮化鎵薄膜的熱膨脹系數和晶格常數存在很大的差異，氮化鎵會產生高密度的位錯(晶體中晶格缺陷的一種)。因此，氣相法很難得到位錯密度低的高質量氮化鎵。另一方面，除了氣相法，也開發有液相法。作為液相法的一個例子，已知有高溫高壓合成法。此方法是在高溫高壓下使氮氣溶解于熔融狀態的金屬鎵中，直接使氮化鎵結晶化的方法。其獲得質量好的晶體的代價是反應需要1500℃、1GPa的超高溫·超高壓條件，因此實用性存在問題。助熔劑法是液相法的一種，在氮化鎵的情況下時，通過使用金屬鈉作為助熔劑可以將生長氮化鎵晶體所需的溫度緩和在800℃左右，壓力緩和在數MPa。具體地，在金屬鈉與金屬鎵的混合融液中溶解氮氣，使氮化鎵成為過飽和狀態進行晶體生長。這樣的液相法與氣相法相比，由于較難產生位錯，故可以得到位錯密度低的高質量氮化鎵。

涉及此類助熔劑法的研究開發正大量地進行。例如，專利文獻1中提出了得到降低貫通缺陷(由位錯引起的貫通上下方向的缺陷)的氮化鎵晶體的晶體生長方法。即，助熔劑法的話，雖然是在晶種基板上生長氮化鎵晶體，但晶種一般是通過氣相法所形成，因而其位錯密度高，導致氮化鎵根據該位錯反應出缺陷來生長。這樣的氮化鎵存在貫通晶體上下的貫通缺陷，在利用于半導體設備時，該貫通缺陷會成為導致漏電的原因，因而不理想。據此，專利文獻1中，首先在形成傾斜面的條件下使氮化鎵晶體生長于晶種基板上，然后，在具有平坦表面，且沿c軸方向生長的條件下生長氮化鎵晶體。在后者的條件中，混合熔液中的鋰濃度被調整到0.5～0.8摩爾％的范圍內。通過這樣的方法可以獲得貫通缺陷少的氮化鎵晶體。

專利文獻1：日本專利特開2007-137735號公報

發明內容

但是，像專利文獻1中那樣在氮化鎵晶體中混入鋰的情況下，在設備的制造或使用時，鋰會擴散引起特性惡化，因此，要應用于半導體設備存在困難。故期待著不向混合熔液中混入鋰，又能得到貫通缺陷少的晶粒邊界或夾雜物少的氮化鎵晶體。此外，夾雜物是指混入氮化鎵晶體中的混合熔液(金屬鎵與金屬鈉的熔液)的固化物。

本發明的主要目的在于，不使用鋰，而得到貫通缺陷少的晶粒邊界或夾雜物少的13族氮化物晶體。

本發明人在將晶種基板浸泡于鎵和鈉的混合熔液中，于含氮氣不含氧氣的加壓氣氛下，以加熱的狀態使氮化鎵晶體生長在晶種基板上時，發現通過調整混合熔液的攪拌條件，可以控制晶體生長使生長面凹凸或者平滑，從而完成了本發明。

具體地，知道了在始終激烈的攪拌條件下生長13族氮化物晶體時，可以得到這樣的氮化鎵晶體，即貫通缺陷雖少，但在觀察生長面(表面)為凹凸的截面時，存在沿傾斜方向伸長的晶粒邊界(參閱圖1(a))。而且，在晶粒邊界屢屢看得見有異物混入(夾雜物)。貫通缺陷少的原因雖還不清楚，但可以考慮是不是因為具有凹凸表面的晶體在生長時，不僅沿c面，還沿凸部側面方向生長，于是在側面方向生長的區域阻攔了從晶種基板的位錯缺陷延伸出來的缺陷趨向，進而防止了缺陷到達表面。而另一方面，知道了在始終溫和的攪拌條件下生長13族氮化物晶體時，雖含有很多反應晶種基板位錯缺陷的貫通缺陷，但可以獲得生長面(表面)平滑且晶粒邊界少、夾雜物也少的氮化鎵晶體(參閱圖1(b))。

將晶體中含有的夾雜物含率與貫通缺陷密度間的關系做成圖表，獲得如圖2所示的關系。夾雜物含率是指通過對氮化鎵晶板經過研磨加工后，拍攝的圖像進行二值化處理所得的二值圖像的黑色部分面積的占有率。貫通缺陷密度是由對研磨加工后的氮化鎵晶板進行酸蝕刻時產生的腐蝕坑密度算出。從圖2可知，很難制作出夾雜物含率充分少，且貫通缺陷密度充分小的晶體。

基于這些結果，在使用助熔劑法生長氮化鎵晶體時，首先激烈攪拌混合熔液使氮化鎵晶體生長，獲得晶粒邊界和夾雜物多但位錯缺陷少的晶層，接著，平緩地攪拌混合熔液使氮化鎵晶體積層，由于基底晶層位錯缺陷少，進而可獲得貫通缺陷少，且晶粒邊界和夾雜物少的晶層(參閱圖1(c))。據此即有了上述發現，從而完成了本發明。