专利名称：Iiia族氮化物半导体衬底及其制造方法
技术领域：
本发明涉及IIIA族氮化物半导体衬底及其制造方法，特别地，涉及具有改善的解 理特性(cleavage characteristics)的IIIA族氮化物半导体衬底及其制造方法
背景技术：
例如氮化镓(GaN)、氮化镓铟(InGaN)和氮化铝镓(AlGaN)等IIIA族氮化物半导 体，作为用于蓝色发光二极管(LEDs)和蓝色激光二极管(LDs)的材料而受到关注。进而， 已经通过利用IIIA族氮化物半导体的特性(例如具有优良的耐热性能和耐环境性能)，开 始了对于电子器件的应用开发。目前广泛实际应用的用于GaN生长的衬底是蓝宝石，通常采用在单晶蓝宝石衬底 上通过金属有机气相外延(MOVPE)来外延生长GaN的方法。以下，GaN将作为IIIA族氮化 物半导体的代表示例得到说明。蓝宝石的晶格常数不同于GaN的晶格常数，所以仅通过直接在蓝宝石衬底上生长 GaN不能形成单晶膜。因此，考虑采用如下的方法一旦在较低温度下在蓝宝石衬底上生长 了 AlN或GaN的氮化物缓冲层，就缓和了晶格应变，进而在其上面生长了 GaN。将低温生长 的氮化物层作为缓冲层使用，可以获得GaN的单晶外延生长。但即使是在这种方法中，蓝宝 石和GaN晶体之间晶格常数的差异仍然问题很大，并且形成的GaN具有超高密度的晶体缺 陷。有时，这种晶体缺陷是基于GaN的LD和高亮度LED生产中的障碍。由于上述原因，迫切希望出现自支撑GaN衬底。对于GaN来说，难以像Si和GaAs 那样从熔融液生长形成大型铸块。因此，尝试了例如高温/高压法、Na助熔剂法(Na flux method)和氢化物气相外延(HVPE)等各种方法。其中进展最大的是利用HVPE开发GaN衬 底，已经开始流入市场，并且开发不仅用于LD而且用于高亮度LED的GaN衬底也被寄予了 厚望。通常，LD共振器的端镜面(end face mirror)通过解理形成。常规公开的方法如 下将单色光投射到单晶GaN衬底的整个表面，以通过光弹性效应测定应变值，根据已测定 变形值的GaN衬底表面内最大值是否落入规定值以内来判断单晶GaN衬底的解理性(参见 专利文献1)。专利文献1 日本特开2002-299741号公报如上所述，虽然HVPE法的GaN衬底投入了实际使用，GaN衬底的特性还有很大 的改善余地。本文所要解决的问题是GaN衬底的解理性。通常，LD共振器的端镜面通过 解理形成。理论上，解理面在原子水平上具有平坦性(flatness)，作为镜面应该是理想 的。但是，在实际的解理面上，由于各种各样的原因会产生对于平坦性的干扰，例如高低差 (macro-step)(水平差异(difference-in-level))，进而引起LD产率的降低。图5表示采 用微分干涉显微镜(奥林巴斯公司的“BX11”)通过观察解理由HVPE法制造的常规GaN衬 底形成的解理面而获得的微分干涉相差图像。在图5中，在虚线围成的部分的解理面中观 察到了高低差。
发明内容
本发明的一个目的是提供IIIA族氮化物半导体衬底及其制造方法，所述的IIIA 族氮化物半导体衬底可以获得平坦性干扰(例如高低差)少的平坦的解理面。本发明的一个方面是提供一种直径为25mm以上且厚度为250 μ m以上的IIIA族 氮化物半导体衬底，其中，在从所述的IIIA族氮化物半导体衬底的外缘开始5mm以内的外 缘部的至少一个外缘侧部分中，所述的IIIA族氮化物半导体衬底的主面内的应力为拉伸 应力，而且与相对于所述的IIIA族氮化物半导体衬底外缘侧部分的中心侧部分的应力相 比，所述的拉伸应力相对变大。本发明的另一个方面是提供IIIA族氮化物半导体衬底的制造方法，其包括如下 步骤制备晶种衬底；以及将原料供给至所述的晶种衬底，并在其上晶体生长IIIA族氮化物半导体层，其中，在所述的晶种衬底上晶体生长所述的IIIA族氮化物半导体层的步骤中，所 述的IIIA族氮化物半导体层在其外周部晶体生长，同时形成了生长面，从而使其朝向晶种 衬底的主面方向的倾斜角度大于0°且小于90°，所述的具有倾斜生长面的外周部的IIIA 族氮化物半导体层的掺杂浓度被设定为高于相对于所述的外周部的中心侧的IIIA族氮化 物半导体层的掺杂浓度。
图Ia至图If为分别表示根据本发明的实施例的IIIA族氮化物半导体衬底的制 造方法步骤的步骤图；图2为表示衬底外周部的外周拉伸应力与倾斜的生长部的氧的浓度之间相互关 系的图；图3为表示衬底外周部的外周拉伸应力、解理面中高低差的密度和裂纹(crack) 产生率之间的关系图；图4为表示衬底外周部的外周拉伸应力和LD产率之间的关系图；图5表示通过微分干涉显微镜观察到的显示在解理面中高低差的微分干涉相差 图像；图6a至图6c表示根据本发明实施例的IIIA族氮化物半导体层的晶体生长步骤 所得到的生长状态的GaN层的详图，其中，图6a为平面视图，图6b为侧面视图，以及图6c 为GaN层的倾斜表面的局部放大的剖面图(圆锥面部)。 图中，1晶种衬底；2掩模；3GaN层；4倾斜面；5具有倾斜生长部的GaN衬底；6GaN 衬底；7条状的解理的GaN衬底；8检查了高低差密度的解理面。
具体实施例方式
在对根据本发明的IIIA族氮化物半导体衬底及其制造方法的实施方式进行说明 之前，需要对在IIIA族氮化物半导体(例如GaN)解理过程中被认为是解理面中产生高低 差的主要因素进行说明，列举如下。
(a)由于晶体结构的原因，解理性的不完全性包括GaN在内的IIIA族氮化物半导体的稳定的晶体结构为六方晶，六方晶的解理 性与立方晶的解理性的区别不是很明显。因此，IIIA族氮化物半导体原本很容易允许在解 理面中产生高低差。(b)内部应力的局部变化包括GaN在内的IIIA族氮化物半导体的晶体大多数情况下都是采用异质衬底 (heterogenous substrate)(异源衬底(foreign substrate))例如蓝宝石或GaAs 为基,通 过异质外延生长进行制造。这是一种晶格失配度很大的异质外延生长，因此在外延层和衬 底之间的界面上会出现高密度的晶体缺陷(位错(dislocation))。为了降低位错的密度， 例如通常采用一种形成在基础衬底上具有开口部的掩模并使GaN层从开口部开始横向生 长以获得位错少的GaN层的技术，或者所谓的EL0(外延横向过度生长，Epitaxial Lateral Overgrowth)技术。但是，虽然获得了位错密度的降低，但形成了低位错密度区和高位错密 度区，从而有时会产生位错密度的不均勻性。可以认为，位错密度的不均勻性通过位错的应 力场导致内部应力发生了局部的变化，结果造成了解理面的高低差。内部应力的局部变化 不仅可在衬底的平面方向上产生，还可以在衬底的厚度方向上产生。(c)施加力的方式在应用解理至GaN衬底的一般方法中，首先沿着解理方向对衬底的边缘部加入小 而锐利的切口。这时，采用所谓的钻石笔或划线器(scriber)。此后，当施加用于加宽所述 衬底边缘部切口的力时，以端部的切口为起点，裂纹延伸至所述衬底的相反一侧，从而完成 了衬底的解理。这时，如果施加的力的方向和强度不合适，就很容易产生高低差，特别是在 边缘部加入的切口附近容易产生高低差。为降低上面所描述的导致问题的每个因素，可以考虑采用下面的应对措施。(i)在进行解理前，通过在向其施加解理之前从后表面侧研磨(lap)所述衬底以 将衬底做薄。通过将衬底做薄(通过操作使其厚度为200 μ m以下)，极大地减少了解理面 上的高低差。作为其中的一个因素，可以认为通过将衬底做薄，在衬底厚度方向上的应力变 化减小了。(ii)采用没有位错密度不均勻性的均质衬底是有效的。在具有均勻的位错密度的 衬底的制造中，例如可以适当地采用VAS法(间隙形成剥离法(Void-Assisted Separation Method))，其包括步骤在蓝宝石衬底上的GaN薄膜表面上气相沉积Ti ；通过对GaN薄膜进 行热处理在其中形成间隙结构；采用HVPE法使GaN在其上长厚；以及将蓝宝石衬底从间隙 结构的部分剥离下来。然而，即使采取了这样的措施后，但由于所述的因素(C)，衬底边缘部附近的解理 面依然处于容易产生高低差的状态。本发明的发明人认为如下换句话说，解理面被因素(C)所干扰，并且这是因为由 于在因素(a)中所描述的IIIA族氮化物半导体晶体中最初具有的不明显的解理性质，所以 在从衬底边缘部解理的过程中需要施加强大的力；并且当施加强大的力进行解理时，取决 于施加的力的方向和强度而容易产生高低差；而且如果采用较小的力获得解理，则可以解 决这个问题。可以容易地估计到，通过将衬底做的较薄，解理所需要的外力的量值可以减小。但是，在处理过程中衬底有破损的危险，因此实际上200 μ m左右的现状被认为是临界，并且 在将衬底做薄的方法中，进一步改善解理性质是不可能的。因此，作为本发明的发明人努力研究的结果，发现拉伸应力在内部被提供给了作 为解理起点的衬底的外缘部。这个观点如下当衬底的拉伸应力在内部被提供给衬底的外 缘部时，只要施加小的力解理就会自发地启动，因此，与施加了过度的力的情况相比抑制了 解理面中高低差的产生。作为用于向衬底外缘部提供拉伸应力的特定的方法，本发明的发明人发现了一种 在衬底的外周部进行晶体生长的同时形成掺杂浓度高的区域的方法。也就是说，掺杂浓度 高的区域形成于生长区域的外周部，并且由于根据物理性质掺杂的失配而产生拉伸应力。 但是，具有拉伸应力的区域的宽度优选设定在从具有例如25mm以上的直径的衬底的外缘 部开始5mm以内。如果具有拉伸应力的区域宽于5mm，则整个衬底有弯曲的危险。进而，即 使在具有拉伸应力的区域的宽度狭窄的情况下，在衬底外缘部的具有拉伸应力的区域和衬 底中心侧区域之间的边界也需要应力的急剧变化。但是，通常在晶体的生长过程中，难于将 掺杂剂原料仅局限在狭窄的区域内提供而不使所述原料扩散。因此，本发明的发明人设计了一种根据晶面指数利用掺杂剂掺入效率的差异方 法。例如，即使在相同的生长条件下，生长于(10-11)面或(11-22)面上的GaN有时掺入比 在(0001)面(C面)上生长的GaN高几乎1000倍的氧。也就是说，在将要以例如C面作为主 面的方式生长的晶体的外周部上，形成了倾斜晶面(facet)(例如由(10-11)面或(11_22) 面形成的面，等)，并且在将氧或氧化合物供给至环境的同时进行晶体生长。因而，两个不同 的区域可以横跨急剧升降的界面而形成，例如以倾斜晶面的方式生长的外周部的氧掺杂浓 度高的区域，和以c面的方式生长的中心侧部分的氧掺杂浓度低的区域。但是，在处理和进行外延生长的过程中，过量的拉伸应力在个别情况(trivial chance)下会导致衬底产生未预料到的裂纹。拉伸应力即使过量很小的情况下，解理性质的 改善效果也不会体现出来。因此，拉伸应力需要在适当的范围内进行调整。可以通过调整 衬底的外周部和中心部侧之间的掺杂浓度的差异，也可以通过对衬底外周部进行磨削加工 以减小拉伸应力产生部的宽度来调节拉伸应力。以下将对根据本发明的IIIA族氮化物半导体衬底及其制造方法的实施方式进行 说明。根据本实施方式的IIIA族氮化物半导体衬底是直径为25mm以上且厚度为250 μ m 以上的IIIA族氮化物半导体衬底，其中，在从所述的IIIA族氮化物半导体衬底的外缘开始 5mm以内的外缘部中至少一个外缘侧部分中，所述的IIIA族氮化物半导体衬底的主面内的 应力为拉伸应力，而且与相对于所述的IIIA族氮化物半导体衬底外缘侧部分为中心侧部 分的应力相比，所述拉伸应力相对变大。通过将具有拉伸应力的部分提供给从所述的IIIA族氮化物半导体衬底的外缘开 始5mm以内的外缘部，可以促进解理过程中裂纹的自发传播，从而可以抑制解理面中高低
差的产生。优选地，衬底的外缘部所具有的拉伸应力的大小设定在30MPa以上且在150MPa以 下。这是因为当拉伸应力设定在30MPa以上时，可以有效抑制解理面中高低差的产生，而当 拉伸应力超过150MPa时，衬底在操作过程中破损成不规则形状的发生频率会增加。拉伸应力的大小进一步优选在50MPa以上且在120MPa以下。IIIA族氮化物半导体衬底主面内的应力(拉伸应力)可以通过例如光弹性测定获 得。这里，光弹性测定是一种测定透过样品的光的相位的偏差量的方法，所述的偏差由双折 射引起，由于相位的偏差量和样品的应力之间存在相关性，因而使得样品应力的测定成为 可能。衬底外缘部的拉伸应力相对大于中心侧部分的拉伸应力，并且这种情况包括衬底 中心侧部分的拉伸应力小于外缘部的情况、以及衬底中心侧部分具有零应力的情况、或者 衬底的中心侧部分具有压缩应力的情况。进而，所述IIIA族氮化物半导体衬底的主面优选形成为c面或者自该c面开始倾 斜的倾斜面。这是因为当IIIA族氮化物半导体衬底的主面为c面或者临近c面的倾斜面 时，适宜使例如发光器件的元件结构在IIIA族氮化物半导体衬底(自支撑衬底)上生长。 再者注意到，除了 c面或者自该c面开始倾斜的倾斜面之外，IIIA族氮化物半导体衬底的 主面可以是a面、m面或者自a面或m面开始倾斜的倾斜面。其中，自c面等开始倾斜的倾 斜面优选为相对于c面等的倾斜角度为10°以内范围的面。所述的IIIA族氮化物半导体衬底优选为自支撑衬底。所述的“自支撑衬底”指能 够保持自身的形状并且还具有在处理时不会产生不便的强度。为了具备这样的强度，自支 撑衬底的厚度优选设定在250 μ m以上。进一步地，考虑到在自支撑衬底上形成元件后使解 理容易进行，自支撑衬底的厚度优选设定在Imm以下。所述的IIIA族氮化物半导体衬底优选形成直径为25mm以上的自支撑衬底。所述 的IIIA族氮化物半导体衬底的直径取决于制造过程中使用的基础衬底(晶种衬底)的直 径，并且通过采用大直径的基础衬底，也可以相应地得到大直径的自支撑衬底。例如，直径 为6英寸(152. 4mm)的蓝宝石衬底是商业供应的，因此通过使用这种蓝宝石衬底可以制造6 英寸直径的GaN晶种衬底，并进而采用所述的GaN晶种衬底可以制造6英寸直径以下的自 支撑衬底。接下来，将对根据本发明的实施方式的IIIA族氮化物半导体衬底的制造方法进 行说明。IIIA族氮化物半导体衬底的制造方法包括步骤制备晶种衬底；以及将原料供给至所述的晶种衬底，并在其上晶体生长IIIA族氮化物半导体层，其中，在所述的晶种衬底上晶体生长所述的IIIA族氮化物半导体层的步骤中，所 述的IIIA族氮化物半导体层在其外周部晶体生长，同时形成了生长面，从而其朝向晶种衬 底的主面方向倾斜角度为大于0°且小于90°，所述的具有倾斜生长面的外周部的IIIA族 氮化物半导体层的掺杂浓度被设定为高于相对于所述的外周部的中心侧的IIIA族氮化物 半导体层的掺杂浓度。为了在IIIA族氮化物半导体层的外周部上形成倾斜生长面的同时进行晶体生 长，例如有一种方法是晶种衬底表面的外周部被覆盖上环状的掩模，并且当IIIA族氮化 物半导体层的晶体生长在所述掩模内的晶种衬底上进行时，所述的晶体生长基于在IIIA 族氮化物半导体层的外周部上形成倾斜晶面的生长条件进行。易于掺入例如氧的掺杂剂的面被选择作为倾斜生长面。例如，当GaN晶体以c面作为主面的方式生长时，晶体生长以这样一种方式进行在所述晶体的外周部上形成倾斜 晶面，其由相当于(10-11)面的{10-11}面或者相当于(11-22)面的{11-22}面形成。例如GaN衬底的IIIA族氮化物半导体衬底、蓝宝石衬底或者GaAs衬底被用作晶 种衬底(基础衬底)。进而，由IIIA族氮化物半导体层制造的IIIA族氮化物半导体衬底可 以是所述的GaN衬底、AlN衬底或者AlGaN衬底。HVPE或者MOVPE可以作为气相外延生长用于IIIA族氮化物半导体层的晶体生长。 但特别优选采用HVPE。例如通过采用HVPE，GaN生长进行如下。将HCl气体供给至装有熔 融的Ga的容器中，从而产生GaCl气体，将所述的GaCl气体和独立导入的NH3气体供给至 在HVPE装置的生长炉中处于加热状态的晶种衬底，然后GaCl和NH3在晶种衬底的表面上 反应，从而使GaN晶体在其上生长。例如GaN的IIIA族氮化物半导体的晶体生长在生长炉中进行，所述的生长炉安装 于有氧气或氧化合物气体存在的环境中，以使得IIIA族氮化物半导体晶体掺杂氧。氧气或 氧化合物气体由在其中进行晶体生长的生长炉的外部供给，或者通过例如构成生长炉的反 应管的石英部件与生长炉中的环境气体之间反应生成的氧等供给。例如构成生长炉的反应管的石英部件与生长炉中的环境气体之间反应生成氧气 的详细机理还不清楚。在属于热壁系统的HVPE中，通过外部的加热器将石英反应管等加热 至高温，并且在HVPE中使用氯化物原料(例如HCl气体)。所以，氯化物原料和石英部件在 高温下相互接触使石英分解，从而产生含有Si(硅)或0(氧)的气体。因而，可以认为与 属于冷壁系统且不使用氯化物原料的MOVPE相比，通过HVPE生长的GaN容易掺杂Si和0。例如反应管的石英部件与生长炉中的环境气体之间反应生成氧气的量可以调节， 举例如下。当与源气体接触的石英部件(设置在生长炉的高温区域)的表面积增加时，氧 的量就会增加，而当生长炉的高温区域由例如石墨构成时，氧的量就会减少。进而，即使在 生长条件下，也可以对氧气的量进行调节。当生长速度和生长温度增加时，大量的氧可能会 掺入所述的IIIA族氮化物半导体晶体。当IIIA族氮化物半导体层掺杂了氧时，具有倾斜生长面的外周部的IIIA族氮化 物半导体层中氧的浓度优选设定在IXlO18cnT3以上且在5X102°cm_3以下。通过将氧的浓 度设定在这个范围，能抑制解理过程中高低差产生的适宜的拉伸应力就可以被施加给IIIA 族氮化物半导体衬底的外缘部。相对于外周部的中心侧部分的IIIA族氮化物半导体层中 氧的浓度优选设定在不高于一般的次级离子质谱仪(SIMS)的下限值(2X IO16CnT3)。在晶体生长IIIA族氮化物半导体层的步骤之后，可以进行磨削IIIA族氮化物半 导体层的外周部的步骤。通过使IIIA族氮化物半导体衬底具有不同的掺杂浓度，可以提供 拉伸应力或对其进行调节。但是，通过磨削IIIA族氮化物半导体衬底的外周部，除了提供 掺杂浓度的差异之外，拉伸应力部的宽度可以调小。需要注意的是，如后面将描述的实施例所示，当加入高浓度的氧并且将拉伸应力 施加到具有倾斜生长面的外周部时，在相对于外周侧的中心侧的具有低氧浓度的IIIA族 氮化物半导体层的区域仍保留有拉伸应力。因此，即使通过磨削加工将具有倾斜面的外周 部完全去除，仍然可以得到解理性质优良的IIIA族氮化物半导体衬底。实施例以下将对本发明的实施例进行描述。
实施例1在实施例1中，制造了在衬底外周部具有拉伸应力部的GaN衬底。将使用图1描 述根据实施例1的GaN衬底的生产步骤和得到的GaN衬底的解理。首先，以c面(Ga面)为主面(生长面)的方式制备直径为60mm且厚度为400 μ m 的圆盘状的GaN自支撑衬底(晶种衬底)1 (图la)。通过光弹性测定确认晶种衬底1的应 力分布基本是均勻的。需要注意的是，在图Ia至图Ie的每个图中，上部是平面图，下部是 剖面图，图If是解理为条状的GaN衬底的透视图。接下来，具有直径为55mm的圆形开口的环状高纯度碳掩模2重叠在晶种衬底 1 (图lb)上，其随后被以重叠状态设置在HVPE装置的生长炉中，并且以c面作为生长表面 的方式进行GaN的均质外延生长。GaCl气体和NH3气体用作GaN生长用的原料。通过设置 在生长炉上游区域的Ga熔融液和HCl气体之间的反应产生GaCl气体。GaCl气体和NH3气 体的分压分别设定为0. SkPa和5kPa。H2和N2的混合气体作为载气。进而，加入5Pa的氧 气并将其供给至生长炉。生长炉内的压力为大气压力(atmospheric pressure)，生长温度 设定为1060°C。此时，生长速度约为120 μ m/h。经过5小时的生长，得到600 μ m的GaN层 3(图 lc)。在GaN层3 (从外缘开始沿半径方向向内约350 μ m的部分)的外周部上形成了由 {10-11}面和{11-22}面形成的倾斜生长面4。SIMS分析的结果确认生长于GaN层3的 倾斜生长面4内侧的c面生长部的氧的浓度显示为检出下限(2X1016cm_3)以下，而生长于 倾斜生长面4的倾斜生长部的氧的浓度显示为lX1019cm_3。因此，发现了 c面生长部和倾 斜生长部之间的氧的浓度有很大的差异。将使用图6a至图6c对处于生长状态的GaN层3的详细情况进行进一步的描述。 图6a是处于生长状态的GaN层3的平面视图(上侧视图)，图6b是GaN层3侧面视图，图 6c是作为GaN层3的倾斜生长面4的一部分的圆锥面部4b的放大的剖面图。如图6a和图6b所示，所述的GaN层3整体上形成为截头圆锥形(frustconical)。 GaN层3的上表面3a形成为c面，作为GaN层3侧面的倾斜生长面4形成为平面部4a和圆 锥面部4b。平面部4a为{10-11}面，并且沿着截头圆锥形的GaN层3的外周每隔60度出 现在6个位置。平面部4a和4a之间的圆锥面部4b肉眼看起来像圆锥面。但是在显微镜 下以放大的状态观察圆锥面部4b时，如图6c所示，{10-11}面和{11-22}面形成了精细地 交替排列的凹凸不平的表面。需要注意的是，图6c中的点划线表示肉眼观察到的被认为是 平滑表面的圆锥面的剖面的轮廓线R。GaN生长结束后，将衬底的后表面侧(晶种衬底1侧)磨削掉500 μ m，并且完全去 除晶种衬底1，然后进行镜面表面磨光。进而对衬底的前表面侧(GaN层3侧)也进行磨削 和磨光，从而得到直径为55mm且厚度为400 μ m的具有倾斜生长部的GaN衬底5 (图Id)。 对GaN衬底5再次进行光弹性测定，确认在自GaN衬底5的边缘(外缘)开始约3mm以内 的外周部中观察到了同心的条状图案，并且在外周部中产生了拉伸应力(称为“外周拉伸 应力”)。进而，对GaN衬底5的包括倾斜生长部的外周部进行磨削、加工成直径为2英寸 (50. 8mm)，进而得到直径为2英寸的圆盘状的GaN衬底6 (图Ie)。即使是经过磨削的包括 倾斜生长部的外周部的GaN衬底6，当对其进行光弹性测定时，发现保留了约50MPa的外周拉伸应力。虽然作为外周拉伸应力产生原因的高氧浓度区(倾斜生长部)被完全去除，仍 然保留了拉伸应力。其原因因此推测如下作为在外周部拉伸应力的影响下进行晶体生长 的结果，中心侧c面生长部的缺陷分布发生了变化，其结果是应力分布发生了变化。通过前述加工所得到的GaN衬底6被设置在MOVPE装置中，在GaN衬底6上生长 具有LD(激光二极管)结构的外延层。TMG(三甲基镓)、TMA(三甲基铝)、TMI (三甲基铟) 和NH3作为原料使用。在GaN衬底6上依次生长作为具有LD结构的外延层的η型AlGaN包 覆层(clad layer)、具有GaN阻挡层/InGaN阱层的多重量子阱(MQW)结构的活性层、ρ型 AlGaN包覆层和ρ型GaN接触层。此后，对外延衬底的GaN衬底6侧的后表面进行磨削，直 至整体的厚度为200 μ m。对得到的外延衬底的后表面侧(GaN衬底6侧)的边缘部，采用钻石刻线装置沿着 m面作Imm长的位置线(scribe line)。随后，位置线的两侧都被平型的镊子(flat type tweenzers)夹在中间，并通过刻线打开切口(缝隙)对其施加极其轻微的力，就简单地完成
了解理。以相同的方法，将直径为2英寸的GaN衬底6解理成每个均具有5mm宽度的条 7(图If)，使用微分干涉显微镜检查从刻线的边缘部开始20mm以内的解理面8的区域(图 中的网格区域)中产生的高低差的密度。也就是说，在微分干涉显微镜下，对前面所述的区 域的解理面8中产生的高低差进行计数，从而通过以观察到的宽度20mm除所述的总数即求
得“高低差密度”。相同的高低差密度的测定可以应用于通过变化GaN层3的倾斜生长部的氧的浓 度、通过变化GaN层3生长过程中环境(atmosphere)中氧气的分压而制造的各种GaN衬底 6。光弹性方法用于测定GaN衬底6的外周应力，并且测定从GaN衬底6边缘开始Imm位置 处的值。外周拉伸应力和倾斜生长部的氧的浓度之间的相互关系示于图2。如图2所示，观 察到与倾斜生长部的氧的浓度的增加一致，所述的外周拉伸应力也有增加的倾向。进而，解理面的高低差密度和外周拉伸应力之间的关系的测量结果示于图3。发 现在30MPa以上的外周拉伸应力下获得了强大的高低差抑制效果，并且在50MPa以上时获 得了更加显著的高低差抑制效果。而且，如图3所示，发现当外周拉伸应力超过120MPa时， 在MOVPE生长过程中和MOVPE生长后或者在随后的磨削加工过程中，衬底破损成不规则形 状的发生频率(称为“裂纹产生率”)会增加，并且当外周拉伸应力超过150MPa时，裂纹产 生率就会迅速增加。由上面的结果可以发现，通过将外周拉伸应力设定在30MPa以上且在 150MPa以下，得到了良好的效果，通过将其设定在50MPa以上且在120MPa以下得到了更优 选的效果。进一步地，与具有低的裂纹发生率、具有小于120MPa的外周拉伸应力的GaN衬底 6相关的是，LD实际上由高低差密度已经测定的部分制造而得，并评价LD的产率。LD的产 率以这样一种方式进行评价阈电流值高于正常值20%以上的LD被认为是缺陷产品。其 结果示于图4。发现外周拉伸应力的大小为30MPa以上时，可以获得极好的产率。实施例2首先，采用与实施例1相同的方法制造GaN衬底6。但调节了 HVPE生长过程中氧 的供应量，以使得GaN层3的倾斜生长部的氧的浓度为5X102°cm_3。进一步地，增加了具有 倾斜生长部的GaN衬底5的外周部的磨削量，以使得GaN衬底6的直径为45mm。通过光弹性测定确认，对其进行外周磨削之后，实施例2的GaN衬底6上保留了 SOMPa的外周拉伸应 力。通过MOVPE法，在GaN衬底6上生长与实施例1相似的具有LD结构的外延层，然 后对其后表面磨削加工成厚度为200 μ m,之后解理GaN衬底来检查解理面的高低差密度。 然后得到了极好的值0.08/mm。这时，以与实施例1相同的方法评价LD产率，约为极好的 97%。比较例在比较例中，通过使用具有主面(c面)内应力分布均勻的GaN自支撑衬底来检查 解理性质。首先，以与实施例1相似的c面(( 面)设置为主面的方式，制备直径为2英寸 且厚度为400 μ m的GaN自支撑衬底(晶种衬底)。通过光弹性测定确认晶种衬底的应力分 布基本是均勻的。接下来，将GaN的晶种衬底设置在MOVPE装置中，并且以于实施例1相同的方法生 长具有LD结构的外延层。此后，对后表面进行磨削加工直至整体的厚度为200 μ m。对得到的外延衬底的边缘部，采用钻石刻线装置沿着m面作Imm长的位置线。位 置线的两侧都被平型的镊子夹在中间，并通过刻线对其施加力以打开切口，就对LD外延衬 底进行了解理。需要比实施例1、2更强的力。以与实施例1相同的方法检查解理平面中的 高低差密度，观察到了约1. 5/mm的高的密度。进而，以与实施例1相同的方法评价LD的产 率，约为极低的阳％。实施例3在实施例3中，使用直径为6英寸(152. 4mm)的GaN自支撑衬底(晶种衬底)1和 具有直径为147. 4mm的圆形开口的环状的高纯度碳掩模2来进行1200 μ m的GaN层3的生 长。此外，以与实施例1相似的方法，制得了厚度为1000 μ m且底部直径为147. 4mm而且具 有倾斜生长面的GaN衬底5。需要注意的是，直径为6英寸的晶种衬底1通过如下方法获得在直径为6英寸的 蓝宝石衬底上形成GaN薄膜并气相沉积Ti层，并通过对其进行热处理，在GaN薄膜上形成 间隙结构，然后通过HVPE法使GaN在其上长厚，并从间隙结构部分剥离蓝宝石衬底。即便在实施例3的GaN衬底5中，以与实施例1相同的方法，确认在自GaN衬底5 的边缘开始约3mm以内的外周部中观察到了同心的条状图案，并产生了外周拉伸应力。对GaN衬底5的包括倾斜生长部的外周部进行磨削加工，进而得到直径为143mm 的GaN衬底6。当对GaN衬底6进行光弹性测定时发现，保留了约50MPa的外周拉伸应力。采用MOVPE法，在实施例3的GaN衬底6上生长具有与实施例1相似结构的LD的 外延层，然后对其进行后表面磨削以加工为200 μ m的厚度，并解理GaN衬底6来检查解理 面中的高低差密度，之后得到了很好的值0. 1/mm。进一步地，以与实施例1相同的方法评价 LD的产率，约为96%，这是一个很好的值。实施例4除了使用以自c面开始倾斜10度的倾斜面作为主面的GaN自支撑衬底(晶种衬 底)1这点之外，采用与实施例1相似的制造步骤，通过磨削包括倾斜生长部的外周部，得到 了直径为2英寸且厚度为400 μ m的GaN衬底6。实施例4的GaN衬底6的生长面形成自c 面开始倾斜10度的倾斜面。当对GaN衬底6进行光弹性测定时，保留了约50MPa的外周拉伸应力。采用MOVPE法，在实施例4的GaN衬底6上生长具有与实施例1相似结构的LD的 外延层，然后对其进行后表面磨削以加工为200 μ m的厚度，并解理所述GaN衬底来检查解 理面中的高低差密度。然后发现，解理面中的高低差密度为0.09/mm，这是一个很好的值。 进一步地，以与实施例1相同的方法评价LD的产率，约为98%，这是一个很好的值。在上面所述的实施例中，描述了一种制造GaN衬底的情况。但是，除了 GaN，本发 明还可适当地用于制造由其他IIIA族氮化物半导体(例如AlN和AKiaN)构成的衬底。进 而，除了 HVPE法之外，本发明可类似地应用于高温高压法、液相生长(例如Na助熔剂)法 以及氨热法(ammonothermal method)。
权利要求
1.一种IIIA族氮化物半导体衬底，其直径为25mm以上且厚度为250 μ m以上，其中， 在从所述的IIIA族氮化物半导体衬底的外缘开始5mm以内的外缘部的至少一个外缘侧部 分中，所述的IIIA族氮化物半导体衬底的主面内的应力为拉伸应力，而且与相对于所述的 IIIA族氮化物半导体衬底外缘侧部分的中心侧部分的应力相比，所述的拉伸应力相对变大。
2.根据权利要求1所述的IIIA族氮化物半导体衬底，其中，所述外缘侧部分的拉伸应 力的大小为30MPa以上且150MPa以下。
3.根据权利要求1所述的IIIA族氮化物半导体衬底，其中，所述的主面是c面或自该 c面倾斜的倾斜面。
4.根据权利要求2所述的IIIA族氮化物半导体衬底，其中，所述的主面是c面或自该 c面倾斜的倾斜面。
5.根据权利要求1所述的IIIA族氮化物半导体衬底，其中，所述的IIIA族氮化物半导 体衬底为GaN衬底。
6.根据权利要求2所述的IIIA族氮化物半导体衬底，其中，所述的IIIA族氮化物半导 体衬底为GaN衬底。
7.根据权利要求3所述的IIIA族氮化物半导体衬底，其中，所述的倾斜面是自该c面 倾斜角度范围为10°的表面。
8.根据权利要求1所述的IIIA族氮化物半导体衬底，其中，所述的IIIA族氮化物半导 体衬底的厚度为Imm以下。
9.一种IIIA族氮化物半导体衬底的制造方法，其包括如下步骤制备晶种衬底；以及将原料供给至所述的晶种衬底，并在其上晶体生长IIIA族氮化物半导体层，其中，在所述的晶种衬底上晶体生长所述的IIIA族氮化物半导体层的步骤中，所述的 IIIA族氮化物半导体层在其外周部晶体生长，同时形成了生长面，从而其朝向晶种衬底的 主面方向倾斜角度为大于0°且小于90°，所述的具有倾斜的生长面的外周部的IIIA族氮 化物半导体层的掺杂浓度被设定为高于相对于所述的外周部的中心侧的IIIA族氮化物半 导体层的掺杂浓度。
10.根据权利要求9所述的IIIA族氮化物半导体衬底的制造方法，其中，在所述的 IIIA族氮化物半导体层的晶体生长中使用氢化物气相外延，并且所述的晶体生长在有氧气 或氧化合物气体存在的环境中进行。
11.根据权利要求10所述的IIIA族氮化物半导体衬底的制造方法，其中，所述的氧气 或氧化合物气体由在其中进行晶体生长的生长炉的外部供给，或者由构成生长炉的石英部 件与生长炉中的环境气体之间的反应生成。
12.根据权利要求10所述的IIIA族氮化物半导体衬底的制造方法，其中，添加到具 有倾斜生长面的外周部的IIIA族氮化物半导体衬底中的氧的浓度为IXlO18cnT3以上且 5 X IO20CnT3 以下。
13.根据权利要求9所述的IIIA族氮化物半导体衬底的制造方法，其包括在晶体生长 所述的IIIA族氮化物半导体层的步骤之后，磨削所述的IIIA族氮化物半导体层的外周部 的步骤。
14.根据权利要求10所述的IIIA族氮化物半导体衬底的制造方法，其包括在晶体生长 所述的IIIA族氮化物半导体层的步骤之后，磨削所述的IIIA族氮化物半导体层的外周部 的步骤。
15.根据权利要求9所述的IIIA族氮化物半导体衬底的制造方法，其中，所述的IIIA 族氮化物半导体层为GaN层。
16.根据权利要求10所述的IIIA族氮化物半导体衬底的制造方法，其中，所述的IIIA 族氮化物半导体层为GaN层。
17.根据权利要求9所述的IIIA族氮化物半导体衬底的制造方法，其中，在晶体生长所 述的IIIA族氮化物半导体层的步骤中，所述晶种衬底表面的外周部被掩模覆盖，并且在所 述掩模内的晶种衬底上晶体生长所述的11IA族氮化物半导体层。
18.根据权利要求9所述的IIIA族氮化物半导体衬底的制造方法，其中，所述晶种衬底 的主面是c面或自该c面倾斜的倾斜面。
19.根据权利要求10所述的IIIA族氮化物半导体衬底的制造方法，其中，所述晶种衬 底的主面是c面或自该c面倾斜的倾斜面。
20.根据权利要求19所述的IIIA族氮化物半导体衬底的制造方法，其中，所述的倾斜 生长面是{10-11}面和{11-22}面。
全文摘要
本发明提供一种IIIA族氮化物半导体衬底及其制造方法，其直径为25mm以上且厚度为250μm以上，其中，在从所述的IIIA族氮化物半导体衬底的外缘开始5mm以内的外缘部的至少一个外缘侧部分中，所述的IIIA族氮化物半导体衬底的主面内的应力为拉伸应力，而且与相对于所述的IIIA族氮化物半导体衬底外缘侧部分的中心侧部分的应力相比，所述的拉伸应力相对变大。
文档编号C30B25/20GK102102223SQ201010295710
公开日2011年6月22日 申请日期2010年9月27日 优先权日2009年12月18日
发明者大岛佑一 申请人:日立电线株式会社