氮化物晶体及其制造方法
【专利说明】氮化物晶体及其制造方法
[0001]本申请是2011年7月I日提交的名称为“氮化物晶体及其制造方法”、申请号为201110276053.2的发明专利申请的分案申请。
技术领域
[0002]本发明涉及一种氮化物晶体和制造该晶体的方法。
【背景技术】
[0003]氮化镓(GaN)是一种宽带隙半导体，已知作为一种发射短波长光如蓝光或紫外光辐射的材料。此外，因为GaN具有高的热导率和高的击穿强度，所以期望GaN能够实现例如使用硅(Si)或砷化镓(GaAs)难以实现的高频电子器件和高功率电子器件。
[0004]关于GaN衬底的生产，直径(Φ)约2英寸的GaN衬底已经通过以下方式来制造:用卤化物气相外延法(HVPE)在不同材料制成的基础衬底(例如蓝宝石衬底或GaAs衬底)上生长GaN厚膜，然后通过从基础衬底分离GaN厚膜。然而，因为HVPE法包括GaN晶体在不同材料制成的基础衬底上的异质外延生长，所以难以防止GaN与基础衬底之间热膨胀系数的差异或晶格失配。因此，HVPE法制造的GaN的位错密度高达约106cm_2，且由于GaN与衬底之间的热膨胀差异，在GaN中存在有应变。因此，期望对GaN衬底的进一步质量改进。
[0005]此外，电子器件中需要使用的GaN衬底的尺寸是直径4英寸或更大，人们期望增加衬底的尺寸以及衬底中品质的均匀性。此外，为了抑制随着施加电压增加相应发生的压电极化的影响，非极性的GaN衬底被认为是理想的光学器件用GaN衬底。为了解决上述问题，有必要研制一种尚质量的块状(bulk)GaN晶体。
[0006]已经研发来生长高质量块状GaN晶体的一种方法是助熔剂法，其中氮溶解到钠(Na)和镓(Ga)的混合熔融液体中；GaN结晶并从其中长出。助熔剂法能够在较低温度如7000C _900°C生长晶体，容器内压力也相对低至100kg/cm2的水平。因此，助熔剂法是用于晶体生长的可行方法。
[0007]Chemistry of Materials, Vol.9, 413-416 (1997)中公开了一篇文章，报导了使用叠氮化钠(NaN3)和Ga为源材料生长GaN晶体的实例，其中将源材料放置并与氮一起密封在不锈钢制成的反应容器中；且将反应容器在600°C _800°C的温度保持24-100小时。
[0008]日本特开第2008-94704号公报公开了一种通过助熔剂法制造大尺寸GaN晶体的方法，其中使用氮化铝(AlN)针状晶体作为籽晶来生长柱状GaN晶体。此外，日本特开第2006-45047号公报公开了一种制造用作籽晶的针状AlN晶体的方法。这样，通过助熔剂法进行籽晶的晶体生长来制造大尺寸的晶体是已知的技术。
[0009]然而，通过加工如上所述获得的GaN晶体而得到的GaN晶片并不容易看得见，因为GaN晶体是无色透明的晶体，特别是当将要放置GaN晶片的地方是白色或者透明时，都存在难以找出晶片精确位置的缺点。
[0010]在这点上，日本特开第2002-356398号公报公开了一种技术，该技术能通过斜切已经成形为晶片的GaN衬底的圆周边缘，从而使光在其上漫反射而更容易地识别晶片的轮廓。根据日本特开第2002-356398号公报，通过在作为GaN晶体解理面的{10-10}面上形成取向平面(OF)能容易地确定GaN晶体的晶体取向。
[0011]然而，在日本特开第2002-356398号公报等中公开的相关现有技术中，存在着进一步加工GaN衬底的需求，如斜切或形成取向平面(orientat1n flat，OF)。因为GaN晶体较硬，在晶体切割和抛光中容易产生碎片(碎肩)，且存在这样产生的碎肩可能成为晶片破碎的起始点的风险。此外，在形成取向平面(OF)或界面(IF)的情况下，存在的缺点在于需要切掉晶片一些部分的材料的损耗量较大。
【发明内容】
[0012]本发明的目的在于至少部分地解决常规技术中的问题。
[0013]根据本发明的一个方面，提供了一种围绕籽晶外周的氮化物晶体，该氮化物晶体包括第一局部区域和第二局部区域，第二局部区域具有与第一局部区域光学特性不同的光学特性且具有表明晶体取向的光学特性。
[0014]根据本发明的另一方面，提供了一种氮化物晶体的制造方法，该方法包括:在反应容器中形成碱金属和至少包括III族元素的物质的混合熔融液；将籽晶安装在反应容器中；通过使含氮气体与混合熔融液相接触并通过将气体中的氮溶解到混合熔融液中来从籽晶在混合熔融液和熔解到混合熔融液内的氮中生长III族氮化物晶体，同时在氮化物晶体中形成第一局部区域和第二局部区域，其中第二局部区域具有与第一局部区域光学特性不同的光学特性且具有表明晶体取向的光学特性。
[0015]在结合附图进行考虑时，本发明的上述和其它目的、特征、优点以及技术上和工业上的重要性将通过阅读本发明当前的优选实施方式的下列详述而有更好的理解。
【附图说明】
[0016]图1是显示根据实施例的晶体制造装置示例的示意图；
[0017]图2是显示从籽晶生长的GaN单晶示例的整体图；
[0018]图3是显示从籽晶生长的GaN单晶示例的整体图；
[0019]图4是显示GaN单晶的外部透视图；
[0020]图5A是显示GaN衬底示例的示意平面图；
[0021]图5B是显示具有生长条纹的GaN衬底示例的平面图；
[0022]图6是显示生长部分边界面示例的示意图；
[0023]图7是显示生长条纹示例的示意图；
[0024]图8A是显示GaN衬底的示意平面图；
[0025]图8B是显示GaN晶片的示意平面图；
[0026]图9A是显示GaN衬底的示意平面图；
[0027]图9B是显示GaN晶片的示意平面图；
[0028]图1OA是显示GaN衬底的示意平面图；
[0029]图1OB是显示GaN晶片的示意平面图；
[0030]图1lA是显示GaN衬底的示意平面图；以及
[0031]图1lB是显示GaN晶片的示意平面图。
【具体实施方式】
[0032]下面将参照附图对本发明的氮化镓晶体和制造该氮化镓晶体的方法进行详细说明。在以下说明中，附图仅在能够理解实施例的程度上示意性地显示了构成元件的形状、尺寸和配置，本发明并不旨在受这些附图的特定限制。此外，多幅图中显示的相同的结构元件将分别分配相同的附图标记，并且不再重复对于这种构成元件的解释。
[0033]晶体制造装置
[0034]参照图1，将说明用于本实施例的氮化物晶体衬底的晶体制造方法中的晶体制造装置结构示例。图1是显示晶体制造装置I的示例的示意图。
[0035]如图1中所示，晶体制造装置I包括例如由不锈钢制成的耐压容器11，它能形成气密性空间。耐压容器11在阀门31的区域可从晶体制造装置I分离。此外，反应容器12安装在耐压容器11内部的安装台35上。反应容器12与安装台35可分离。
[0036]反应容器12是一容器，旨在通过保持针状晶体21和包含源材料与添加剂的混合熔融液34来进行用作籽晶的III族氮化物针状晶体21的晶体生长，且坩祸等可用作反应容器12。反应容器12的材料没有特别的限制，可以使用氮化物如BN烧结产物或热解BN(P-BN);氧化物如氧化铝、蓝宝石，或钇铝石榴石(YAG);碳化物如碳化硅(SiC)等。根据适当的实施方式，优选使用YAG制的坩祸。
[0037]正如图1中所示，加热器13设置在耐压容器11的外周附近，通过用该加热器加热耐压容器11和反应容器12能够调节混合熔融液34的温度。加热器13可以是任何类型，只要它能加热耐压容器11，例如，可使用两表面加热类型的马弗炉等。
[0038]在耐压容器11中，供气管14与耐压容器11的内部空间33相连通，供气管供送作为III族氮化物晶体的源材料的氮气(N2)和稀释气体。供气管14分支成氮气供送管17和稀释气体供送管30 ;这些管彼此用阀门15和18分隔开。
[0039]氮气从连通到包含氮气的气筒等的氮气供送管17中供送出来，其具有通过压力控制装置36调节的压力，然后经由阀门15供送给气体供送管14。另一方面，稀释气体(例如氩气)从连通到包含稀释气体的气筒等的稀释气体供送管30中供送出来，其具有通过压力控制装置39调节的压力，然后经由阀门18供送给气体供送管14。以这种方式调节其压力的氮气和稀释气体分别供送给气体供送管14并在其中混合。
[0040]然后，氮气和稀释气体的混合气体供送通过气体供送管14，经由阀门31进入耐压容器11。此外，气体供送管14具有压力计32，使得耐压容器11内部的压力可调节，同时耐压容器11内部的总压力可由压力计32进行监控。
[0041]在该实施例中，当氮气和稀释气体的压力分别由阀门15和18以及压力控制装置36和39调节时，氮分压可进行调节。此外，因为耐压容器11内部的总压力可进行调节，反应容器12中的碱金属(例如钠)的蒸发能够通过增加耐压容器11内部的总压力来抑制。
[0042]优选地是使用氩气(Ar)作为稀释气体，然而，稀释气体并不限制于此，也可以使用其它的惰性气体。
[0043]用于制造晶体的方法
[0044](I)源材料的制备
[0045]在制造根据本实施例的晶体的方法中，III族氮化物的针状晶体用作籽晶，针状晶体进一步通过助熔