专利名称：Ⅲa族氮化物半导体晶体的制造方法和ⅲa族氮化物半导体衬底的制造方法
技术领域：
本发明涉及IIIA族氮化物半导体晶体的制造方法和IIIA族氮化物半导体衬底的 制造方法。
背景技术：
例如氮化镓(GaN)、氮化镓铟(InGaN)和氮化铝镓(AWaN)等IIIA族氮化物半导 体作为用于蓝光发光二极管(LED)和激光二极管(LD)的材料而受到关注。进而，通过利用 其优良的耐热性能和耐环境性能等特性，已经开始将II族氮化物半导体应用于电子器件 的元件的应用和开发。为了获得上述器件的高性能，降低外延层的晶体缺陷是非常重要的。近年来，通过 HVPE(氢化物气相外延法)开发了高品质的GaN衬底，其正在得到普及，主要是用于下一代 DVD用的激光二极管。FIELO (晶面起始的夕卜延侧向生长，Facet-initiated epitaxial lateral overgrowth)作为GaN衬底位错密度的降低手段是众所周知的(例如，参见文献1)。在 FIELO中，当在形成倾斜晶面的同时生长GaN时，位错被所述晶面弯曲，因此可以抑制生长 方向上位错的传播。例如，文献2公开了一种降低位错的技术，该技术完全应用了 FIELO的 原理。使用FIELO的该方法是一种如下的技术其中维持了倾斜晶面，并在倾斜晶面上形成 厚膜，由此将位错集中在特定的部分，并且局部降低了其它部位的位错。(文献 1)A. Usui, H. Sunakawa, A. Sakai 禾口 k. A. Yamaguchi Jpn. J. App 1. Phys., 36(1997)，L899(文献 2)K. Motoki, Τ, Okahisa, N. Matsumoto,M. Matsushima, H. Kimura, H. Kasai, K. Takemoto, K. Uematsu, Τ. Hirano, Μ. Nakayama, S. Nakahata, Μ. Ueno,D.Hara, Y. Kumagai, Α. Koukitu 和 H. Seki Jpn. J. App 1. Phys.，40 (2001)，L140但是，由上述常规方法制造的GaN衬底(substrate)还有很大的改善余地。制造成 本的降低尤其是亟待解决的最大问题。这是因为对于每个GaN衬底均需要制备基板(kise substrate)，因而导致了高成本。为了解决这个问题，研究了引起GaN高速生长法，GaN多 个晶片生长法，以及引起厚GaN的锭块(bulk ingot)生长并立即从该锭块切出多个GaN晶 片的锭块法(bulk method)。最重要的是，所述锭块法是非常值得期待的，因为可以制造具 有除了 C面以外的任意晶面的衬底，目前具有C面的衬底是可获得的。但是，生长GaN锭块绝对是不容易的。特别是裂纹的问题非常严重。当GaN晶体 长厚时，在生长过程中由于某些原因会产生微裂纹，导致了极其粗糙的表面。在这样粗糙表 面上生长的GaN具有极高的缺陷密度，并且不能投入实际使用。随着生长速度的加快，这样的趋势非常显著。在相对较慢的约100 μ m/小时的生长速度的情况下，微裂纹的问题还不 是那么显著，事实上已经报道了无裂纹、直径为2英寸且厚度约为5. 8mm的GaN锭块的制造 (Kubo等人，关于III-氮化物生长的第二次国际专题讨论会(2008)，发表号I-TU-5，“通过 HVPE生长的块状GaN晶体”)。但是，超过约100 μ m/小时的高生长速度就会带来产生裂纹 的大问题。在GaN锭块的生长中，GaN生长的极其厚。因而，虽然从经济的观点来看高的生 长速度是有利的，但这样的高速厚膜生长存在非常大的问题。而且，降低位错密度也是一个重要的课题。目前市场上供应的GaN衬底的位错密 度约为106cnT2。需要进一步降低位错密度，以进一步增加氮化物半导体器件的潜力。已知 位错密度随着GaN长厚而降低。通过这样的GaN厚膜生长使位错减少，其被认为是由于下 述原因造成的相反符号的伯格斯矢量的位错之间吸引，因而它们之间缓缓接近，使位错结 合并消失。随着位错密度的降低，通过这种机理的位错密度的降低速度变得极其缓慢。因 而考虑原因如下。当位错密度降低时，位错之间的距离变大，并且位错之间的吸引力减弱。同时，作为另外的位错密度降低的方法，可以给出根据前述的文献1、2的方法。虽 然获得了具有约IO4 IO5CnT2的低位错密度区域的GaN，但在高错位密度区域之间，低位错 密度区域的宽度约为非常小的0. 5mm。因此，存在器件的制造需要进行精密对准位置的问 题，以及在可制造的的器件尺寸方面有限制的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种IIIA族氮化物半导体晶体的制造方法和IIIA族氮化物 半导体衬底的制造方法，其能够以低的成本制造在大范围区域内具有均勻的低位错密度的 IIIA族氮化物半导体晶体。根据本发明的一个方面，提供一种IIIA族氮化物半导体晶体的制造方法，其包 括制备晶种的步骤；以及生长所述IIIA族氮化物半导体晶体的凸面生长步骤，其中所述IIIA族氮化物半 导体晶体的生长面仅由多个不垂直于生长方向的表面构成，并且由所述多个表面构成的所 述生长面作为整体形成凸面形状。根据本发明的其它方面，提供一种IIIA族氮化物半导体衬底的制造方法，其包 括制备晶种的步骤；生长所述IIIA族氮化物半导体晶体的凸面生长步骤，其中所述IIIA族氮化物半 导体晶体的生长面仅由多个不垂直于生长方向的表面构成，并且由所述多个表面构成的所 述生长面作为整体形成凸面形状；以及通过切割由所述凸面生长步骤得到的IIIA族氮化物半导体晶体制备IIIA族氮化 物半导体衬底的步骤。
图IA-图IE表示根据本发明的实施例，GaN晶体的制造方法和GaN衬底的制造方 法的每个制造步骤的步骤图。
图2A-图2C表示根据本发明的实施例，GaN晶体的制造方法和GaN衬底的制造方 法的每个制造步骤的步骤图。图3A-图;3B表示根据比较例，GaN晶体的制造方法的每个制造步骤的步骤图。图4A-图4G表示根据比较例，GaN晶体的制造方法和GaN衬底的制造方法的每个 制造步骤的步骤图。
具体实施例方式下面将详细描述根据本发明的实施方式的IIIA族氮化物半导体晶体的制造方法 和IIIA族氮化物半导体衬底的制造方法。在下面的说明中，将以GaN作为IIIA族氮化物 半导体的典型实例进行描述。如上面所描述，在高速生长GaN锭块中存在的问题是裂纹的产生。作为仔细观察 在其中产生裂纹的GaN锭块的结果，发现即使在c面((0001)面)产生极高密度的裂纹而 造成粗劣的表面状态的情况下，在与c面邻近的自发产生的侧面部中也绝对没有发现裂纹 的产生。也就是说，例如当以圆盘形状的c面GaN衬底作为晶种进行GaN的锭块生长时，虽 然取决于生长条件，但与C面邻近的倾斜侧面随着C面变厚而生长(C面的面积相应减小)。 生长速度大时，C面上容易产生裂纹。但是，即使产生了极高密度的裂纹，在大多数情况下 侧面实际上仍处于完好的状态。根据上述事实，本发明的发明人获得了以下想法当晶体生 长在GaN锭块的表面上没有c面的状态下进行时，即使进行高速生长也不会轻易地产生裂 纹状态。考虑到获得c面衬底的效率，设计晶体生长以尽可能地抑制c面的减小是公知常 识。但是，本发明明确地基于相反的构思。作为在无c面状态下进行晶体生长的特定方法，首先，可以给出使用平板状的c面 GaN衬底作为晶种使GaN晶体长厚的方法。选择生长条件，在此条件下，侧面很容易地生长， 并且c面迅速减小。但是，当所述的晶种衬底具有大的直径时，直到c面消失为止需要极厚 的生长。因此，在C面消失的过程中，晶体生长需要在低速下进行，以避免裂纹的产生。但 是，为了使c面消失，GaN晶体通常需要生长到与晶种衬底半径的厚度相同的厚度，因而在 低速生长时需要非常多的时间。作为避免这种情况的方法，使用具有能够在所述的厚度达到导致裂纹产生的厚 度前使c面消失的规定直径的晶种衬底是有效的。或者，将晶种的侧壁面以诸如{10-12}的 平面来围成也是有效的。具体地，例如，使用具有规定的晶面作为侧壁面的晶种衬底；或者 使用具有以被叠放在具有规定的晶体取向的晶种衬底上的方式的规定形状的开口的掩模， 并且通过所述开口进行晶体生长，这些都是有效的。c面一旦消失，此后就可以高速生长没有裂纹的锭块。相应地，可以低成本有效地 制造所述的GaN晶体。通过设计生长条件和保持晶种衬底的衬底架以及在c轴方向上生长 所述晶体，可以使所述锭块扩大并在直径方向上(与c轴方向垂直相交的方向)生长。生 长结束后，将所述锭块沿平行于c面的方向等进行切片等，以制造所述GaN衬底。使用锭块 本身的顶部作为下个锭块生长的晶种也是有效的，其中c面消失并且整个生长面为凸形外 观。根据本发明的实施方式的IIIA族氮化物半导体晶体的制造方法是获得具有低的缺陷密度的GaN的有效技术。也就是说，通过在所述锭块的整个生长面由倾斜于锭块生长 方向的倾斜面形成的状态下生长所述GaN晶体，所述位错被弯曲了，因而降低了位错密度。 已经描述了利用由于平面位错的弯曲效果的典型位错降低方法(文献1和幻。但是，这些 常规技术的问题是弯曲的位错均集中到了峡谷部(凹形部)，这是因为这些面的峡谷部总 是存在的。也就是说，形成了高位错密度区域和低位错密度区域，导致了位错的微小密度变 化。在根据本发明的实施方式的IIIA族氮化物半导体晶体的制造方法中，整个生长面形成 凸形，因此弯曲的位错全部集中到晶体的侧面，并不集中在特定的位置。因而，低位错密度 和位错密度的均勻性可以高度地相容。关于微观和宏观之间的界限，没有一般的明确定义。 但是，这里使用的术语“微观”的含义是不超过光学显微镜范围的尺寸，例如Imm或更小。同 时，这里使用的术语“宏观”的含义是Icm或更大的范围，其用于描述晶片整个表面上的分 布。在上面的描述中，GaN被作为IIIA族氮化物半导体晶体进行描述。但是，除了 GaN， 本发明还可应用于其它IIIA族氮化物半导体，例如AlN和AWaN及其混合晶体。进而，将描述根据本发明的另一个实施方式的IIIA族氮化物半导体晶体的制造 方法和IIIA族氮化物半导体衬底的制造方法。根据该实施方式的IIIA族氮化物半导体晶体的制造方法包括制备晶种的步骤；和生长所述IIIA族氮化物半导体晶体的凸面生长步骤，其中所述IIIA族氮化物半 导体晶体的生长面仅由多个不垂直于生长方向的表面构成，并且由所述多个表面构成的所 述生长面作为整体形成凸面形状。由于所述的凸面生长，其中所述IIIA族氮化物半导体晶体的整个生长面以凸面 形状的外观进行生长，可以制造没有裂纹产生并且在宽范围内具有均勻的低位错密度的区 域的IIIA族氮化物半导体晶体。进而，可以实现高速生长，并且因而可以低成本地制造所 述IIIA族氮化物半导体晶体。所述生长优选以如下方式进行在具有由多个表面组成的凸面形状的生长表面内 部不会形成凹形部，以防止被凸面形状中的生长面弯曲的位错集中到凹形部并且产生高位 错密度区域的状态。优选地，所述IIIA族氮化物半导体晶体的生长方向设定为C轴方向，并且所述多 个表面全部设定为除了 c面以外的其它面。优选地，在除了 c面以外的所述多个表面中包括六个等价的{10-lm}面(其中m 是自然数)。特别地，优选为m= 1、2、3。也就是说，优选包括六个等价的{10-11}面、六个 等价的{10-12}面和六个等价的{10-13}面中的任意一个。进而，优选地，除了 C面以外的所述多个面包括6个等价{l-12n}面(其中，η是 自然数)。特别地，优选为η= 1、2、3。而且，优选地，除了 C面以外的所述多个面由6个等价的{10-lm}面(其中，m是 自然数)和6个等价{l-12n}面(其中，η是自然数)总共12个面构成。特别地，m优选为 1、2、3中的任意一个，并且η优选为1、2、3中的任意一个。需要注意的是，所述IIIA族氮化物半导体晶体的生长方向不限于C轴和M轴或A 轴等，可以任意选择。
从生产性观点来看，在凸面生长步骤中生长的IIIA族氮化物半导体晶体的直径 (在与生长方向垂直的方向上的尺寸)设定为IOmm以上，并且所述IIIA族氮化物半导体 晶体在凸面生长步骤中的生长速度设定为300μπι/小时以上。由于凸面生长，可以实现 300 μ m/小时以上的高速生长而不产生裂纹。在凸面生长步骤中生长的IIIA族氮化物半 导体晶体的直径优选设定为25mm以上，进一步优选设定为40mm以上。进而，凸面生长步骤 中IIIA族氮化物半导体晶体的生长速度设定为500 μ m/小时以上，并且进一步优选设定为 1000 μ m/小时以上。当所述的晶种衬底被用作晶种时，在所述的晶种衬底的主面上生长的IIIA族氮 化物半导体晶体的外周部中，形成了倾斜于所述晶种衬底的主面的生长面，然后生长倾 斜的生长面以扩大至所述晶种衬底的中心侧，由此进行平坦面消失生长(flat surface vanishing growth)，以使平行于所述晶种衬底的主面并且存在于所述IIIA族氮化物半导 体晶体中心侧的IIIA族氮化物半导体晶体的平坦面消失。因而形成了仅由倾斜生长面构 成的凸面形状外观的生长面。在凸面形状的生长面上生长所述IIIA族氮化物半导体晶体。优选将具有倾斜于主面的侧壁面的晶种衬底作为所述晶种衬底。当所述晶种衬底 的主面是c面，并且所述IIIA族氮化物半导体晶体在C轴方向生长时，优选使用6个等价 的{10-lm}面(其中，m是自然数，特别地，m优选为=1、2、3中的任意一个)或6个等价的 {l-12n}面(其中，η是自然数，特别地，η优选为=1、2、3中的任意一个)作为倾斜于主面 的侧壁面。进一步地，通过将具有多边形开口的掩模重叠于主面(所述晶种衬底的生长面) 上以使得所述多边形开口的每一边都与规定的晶体主面取向相一致，以及通过在所述开口 部的主面上生长所述IIIA族氮化物半导体晶体，可以进行平坦面消失生长。例如，当规则 六边形的每一边均与<11-20> —致时，通过使用具有规则六边形开口的掩模，在已生长的 晶体的外周生长所述{10-lm}面，或者当规则六边形的每一边均与<10-10> —致时，生长 {ll-2n}面。在平坦面消失生长步骤中，优选为所述IIIA族氮化物半导体晶体进行低速晶体 生长，其中在生长期间，在所述IIIA族氮化物半导体晶体中不产生裂纹，并且在凸面生长 步骤中，所述IIIA族氮化物半导体晶体进行300μπι/小时以上的高速生长。在所述IIIA 族氮化物半导体的晶体生长中，特别是在300 μ m/小时以上的高速晶体生长中，优选采用 HVPE (氢化物气相外延生长)。优选通过使用包括生长面部的顶部作为晶种进行凸面生长，所述生长面部具有通 过切割具有凸面形状外观的生长面的IIIA族氮化物半导体晶体所得到的凸面形状。在这 种情况下，可以再利用包括具有凸面形状的生长面部的顶部，并且可以省略所述的平坦面 消失生长。通过切削由所述IIIA族氮化物半导体晶体的制造方法所制造的IIIA族氮化物半 导体晶体(锭块)，可以获得IIIA族氮化物半导体衬底(晶片)。IIIA族氮化物半导体晶体的多个晶片可以同时从所述IIIA族氮化物半导体的锭 块获得。进而，由于已经得到了锭块，可以制造具有除了垂直于所述IIIA族氮化物半导体 晶体的生长方向(例如c面)的任意晶面的晶片。实施例
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接下来，将描述本发明的特定的实施例。实施例1将采用图IA-图IE来说明根据本发明实施例1的GaN晶体的制造方法和GaN衬 底的制造方法。图IA-图IE表示每个制造步骤的步骤图，图IA和图IC为平面视图(上侧 视图)，图1B、图ID和图IE的上部为平面视图(上侧视图)，其下部为侧面视图。首先，制备直径为2英寸、厚度为430 μ m的圆盘状的c面GaN衬底11作为晶种 (图1A)。以CUcathodo-luminescence，阴极荧光)测定GaN衬底11的位错密度。观察视 野被设定为ImmX 1mm。所述GaN衬底11表面中的平均位错密度为5X 106cm_2，并且在观察 范围内展现了良好的均勻性，表面内位错密度分布基本均勻。所述GaN衬底11被设置在HVPE炉里的衬底架中，在GaN衬底11的fei极面上均 相外延生长GaN晶体(GaN锭块)12作为所述的IIIA族氮化物半导体晶体。使用feCl和 NH3作为原料。H2和N2的混合气体用作载气。HVPE炉中的(iaCl和NH3的分压分别设定为 0. 和16kPa。生长温度设定为1050°C。在基本上大气压力下进行所述的生长。这时， C轴方向的生长速度为150 μ m/小时。在生长初期，GaN锭块12的形状大约形成为整体上圆锥体的截头圆锥形 (frustum)，GaN锭块12的上表面1 是c面，并且GaN锭块12的侧面形成为由平坦表面 部12b和圆锥形表面部12c组成的倾斜表面。平坦表面部12b是{10-11}面，沿着倾斜圆 锥形侧面每隔60度出现在6个位置。也就是说，GaN锭块12具有圆锥形侧面(圆锥表面) 的截头圆锥形被平坦面({10-11}面)在六个位置切掉的形状。需要注意的是，虽然圆锥表 面部12c肉眼看起来像圆锥表面，但在显微镜放大的状态下观察时，圆锥表面部12c形成了 {10-11}面和{11-22}面精细地交替排列的凹凸不平的表面。在倾斜侧面，由{10-11}面构成的平坦面部逐渐形成并扩大，当GaN锭块12的最 厚部分达到约5mm时，圆锥表面部12c不与上表面12a的外周接触，并且仅平坦表面部12b 与上表面12a的外周接触。因此，由c面形成的上表面12a的形状形成为六边形。生长按 照原样进行，并且当锭块12的最厚的部分达到6mm时，停止生长(图1B)。当从HVPE炉中取出样品时，形成了以六边形c面为主面(上表面12a)的锭块12。 没有产生裂纹。从离最外表面(上表面12a)约Imm处的位置切削锭块12，由此切出厚度约 为Imm的六边形的c面GaN衬底13 (图1C)。GaN衬底13具有作为c_面的上表面13a，作 为{10-11}面的六个侧面13b0将六边形的GaN衬底13作为晶种再次放置在HVPE炉中，由此在GaN衬底13上进 行GaN锭块14的均相外延生长。feiCl和NH3的分压分别设定为0. 7kPa和16kPa。并且， 生长温度设定为1010°C。此时，C轴方向的生长速度约为330 μ m/小时。在该条件下继续 进行生长时，形成了与GaN锭块14上表面的c面相邻的六个{10-13}面的侧面，并且c面 以六边形的状态逐渐变小，进而形成具有六角锥(six-sided pyramid)形顶部的截头圆锥 形(未示出)。具有由与{10-13}面的侧面相邻的垂直的六个{10-10}面组成的六边棱柱 形的直主干部14b，出现在具有六角锥顶部的截头圆锥形的下部。当GaN锭块14的最厚部 分达到约19mm时，c面完全消失，并形成了六角锥形的顶部14a。在该实施例的凸面生长步 骤中，六角锥形的顶部变成了凸面形状外观的生长面。进一步继续生长，并当最厚部分达到 25mm时停止(图1D)。
当将样品从HVPE炉中取出时，发现由{10-13}面组成的六角锥形顶部14a和由顶 部14a的下部{10-10}面组成的六边棱柱形的直主干部14b形成了锭块14。没有产生裂 纹。在与c面平行的方向上将锭块14的直主干部14b切片，由此切割出多个GaN晶片坯。 对这些晶片坯的两侧进行抛光，由此获得厚度为430 μ m、直径约为46mm(对角线长度，为规 则六边形的外接圆的直径)的六边形c面GaN衬底15 (图1E)。锭块14的顶部1 不进行 加工，其随后被用作下面将描述的实施例2的晶种。对于从直主干部14b的上端附近切割所获得的GaN衬底15，采用CL法检测位错密 度分布。观察视野设定为ImmX 1mm，对多个位置进行拍照。结果发现在离GaN衬底15的中 心20mm内的部分中得到了约IX IO6CnT2的优异数值。此外，在其外周部得到了约5X 105cm_2 的优异数值。在观察的范围内，它们两者中的任一个均具有优良的均勻性。外周部的位错 密度低于中心附近的位错密度，其原因被认为如下。外周部是由倾斜面({10-13}面)生长 的，因此在该部分位错被弯曲，由此抑制了位错沿C轴方向的传播。实施例2将采用图2A-图2C描述本发明的实施例2。图2A-图2C是表示GaN晶体和GaN 衬底的每个制造步骤的步骤图，在图2A-图2C的每个图中，上部是平面视图(上侧视图)， 下部是侧面视图。使用实施例1中保留的{10-13}面的六角锥形顶部作为实施例2的晶种21 (图 2A)。将六角锥形的晶种21放置在HVPE炉中，并在晶种21上进行GaN锭块22的均相外延 生长。feiCl和NH3的分压分别设定为2. 5kPa和49kPa。此外，生长温度设定为1010°C。这 时，C轴方向的生长速度为1200μπι/小时。在生长过程中，由锭块22的{10-13}面组成的 顶部23保持了由锭块22的{10-13}面组成的顶部23的六角锥形的原状，然后在顶部23 的下部形成了由{10-10}面组成的六边棱柱形的直主干部Μ，该直主干部M的长度逐渐 增加。当直主干部M的长度增加至12mm时，停止生长，从生长炉中取出生长的锭块22 (图 2B)。沿与c面平行的方向，将取出的锭块22的直主干部M切片，由此获得多个晶片 坯。对这些GaN晶片坯的两侧进行抛光，由此获得厚度为430 μ m、直径(对角线长度)约为 46mm的六边形c面GaN衬底25 (图2C)。对于从直主干部M的上端附近切割所获得的GaN衬底25，采用CL法检测位错密 度分布。观察视野设定为ImmX 1mm，对多个位置进行拍照。GaN衬底25的表面的平均位错 密度为IX 105cm_2，在观察的范围内，显示了优良的均勻性，并且表面内位错分布基本是均 勻的。相比于实施例1，实施例2中进一步改善了位错密度的宏观均勻性，其原因被认为如 下。即，所述的锭块22由凸面生长长厚，因此由于倾斜面所获得的低位错密度部分扩大至 直主干部M的中心。比较例1将采用图3A和图:3B来描述与前面所述的实施例进行比较的比较例1。图3A和图 3B表示GaN晶体的每个制造步骤的步骤图，图3A是平面视图(上侧视图)，图的上部是 平面视图(上侧视图)，并且图:3B的下部是侧面视图。首先，制备直径为2英寸、厚度为430 μ m(和实施例1相同)的圆盘状的c面GaN 衬底31 (图3A)。GaN衬底31被放置在HVPE炉里，在GaN衬底31的fei极面上均相外延生长GaN。使用(iaCl和NH3作为原料。以与实施例2相同的方式，将feiCl和NH3的分压分别 设定为和49kPa。生长温度设定为1010°C。在基本上大气压力下进行所述的生长。 这时，C轴方向的生长速度约为1200μπι/小时。经过10小时的生长后，可以获得厚度约为 12mm的锭块32 (图3B)。锭块32的上表面3 是平坦的c面，其外周形成基本为圆锥表面的状态，并且平 坦表面部32b以被{10-11}面切去的方式形成于圆锥表面形状侧面的六个位置。圆锥的截 头圆锥形的锭块32的横向剖面形状逐渐接近于六边形。以与为圆锥表面状态的圆锥面部 32c相邻的部分作为裂纹的起源，产生了无数的微裂纹。生长过程中产生微裂纹，在其上进 一步生长GaN，因而所述表面的粗糙度非常大。比较例2将使用图4A-图4G来描述与前面所述的实施例进行比较的比较例2。图4A-图 4G是表示GaN晶体和GaN衬底的每个制造步骤的剖面图。首先，制备直径为2英寸的c面蓝宝石衬底41 (图4A)。在蓝宝石衬底41上，采 用MOVPE (金属有机气相外延法)生长厚度为1 μ m的GaN薄膜，从而获得了 GaN模板(图 4B)。采用光刻法在GaN模板上形成Pt (钼)条带状掩模43 (图4C)。每个条带状掩模43 的厚度设定为lOOnm，其宽度设定为Ιμπι。掩模43之间的间距设定为500μπι，条带的方向 设定为<11-20>。将所述的掩模模板放置在HVPE炉里，进行GaN的生长。使用feiCl和NH3作为原 料。将feiCl和NH3的分压分别设定为2. 5kPa和49kPa。生长温度设定为1080°C。在基本 上大气压力下进行所述的生长。这时，C轴方向的生长速度约为IOOOym/小时。GaN的生长 起始于掩模开口部44，并且首先形成了 {10-11}面的两个面交差的山形的三角形剖面GaN 45 (图 4D)。当生长继续进行时，在邻近的掩模的开口部44产生的三角形剖面的GaN45在掩模 43上彼此冲突，在掩模43上的GaN 45的冲突部中形成了 GaN锭块47的峡谷，并且整体上 形成了具有约500 μ m的循环三角波形的不规整度的表面46。此后，即使继续生长，表面46也不会变平坦，并且GaN锭块47的膜变厚，同时保持 了最初的三角波形。当GaN锭块47的最厚部分达到约IOmm时，停止生长，并将生长的锭块 47从炉中取出(图4F)。所述的GaN锭块47比蓝宝石衬底41具有更高的刚性，因此在生 长结束后的降温过程中，蓝宝石衬底41破裂，GaN锭块47从蓝宝石衬底41自然分离。沿与c面平行的方向，将取出的锭块47的直主干部切片，进而得到多个晶片坯。对 这些晶片坯的两侧进行抛光，进而获得厚度为430 μ m的c面GaN衬底48 (图4G)。对于从锭块47的最上部切割所获得的GaN衬底48，采用CL法检测位错密度分布。 观察视野设定为ImmX 1mm，对多个位置进行拍照。位错的分布在宏观范围基本是均勻的。 但是，在微观的范围上显示了约500 μ m的位错密度的周期变化。也就是说，生长过程中，在 凸部(山形部)部分获得了 3X105cnT2的良好的位错密度。但是，位错集中在了所述的谷 底部分，并且形成了 IXlO8CnT2以上的高位错密度区域。在前面所述的实施例中，仅描述了通过HVPE法生长的GaN锭块。但是很明显，其 它诸如助熔剂法(flux method)以及氨热法(ammonothermal method)的生长方法也是有 效的。并且除了 GaN，本发明还可应用于其它IIIA族氮化物半导体，例如AlN及它们的混合晶体。在前面所述的实施例中，锭块的生长方向仅设定在C轴方向，并且切片平面仅设定为 与c面平行的方向。但是所述的生长方向和切片平面可以任意地选择为M轴和M面等。
权利要求
1.一种IIIA族氮化物半导体晶体的制造方法，其包括制备晶种的步骤；以及生长所述IIIA族氮化物半导体晶体的凸面生长步骤，其中所述IIIA族氮化物半导体 晶体的生长面仅由多个不垂直于生长方向的表面构成，并且由所述多个表面构成的所述生 长面作为整体形成为凸面形状。
2.根据权利要求1所述的IIIA族氮化物半导体晶体的制造方法，其中，改进生长，使得 在由所述多个表面组成的凸形面的生长面中不形成凹形部。
3.根据权利要求1所述的IIIA族氮化物半导体晶体的制造方法，其中，所述生长方向 被设定在C轴方向，并且所述多个表面均为除了 C面以外的面。
4.根据权利要求1所述的IIIA族氮化物半导体晶体的制造方法，其中，除了所述c面 以外的所述多个表面包括六个等价的{10-lm}面(其中m为自然数)。
5.根据权利要求3所述的IIIA族氮化物半导体晶体的制造方法，其中，除了所述c面 以外的所述多个表面包括六个等价的U-12n}面(其中η为自然数)。
6.根据权利要求3所述的IIIA族氮化物半导体晶体的制造方法，其中，除了c面以外 的所述多个面由6个等价的{10-lm}面(其中m是自然数)和6个等价{1_12η}面共12 个面构成(其中η是自然数)。
7.根据权利要求1所述的IIIA族氮化物半导体晶体的制造方法，其中，通过使用包括 凸面形状的生长面部的顶部作为晶种，进行所述凸面生长步骤，所述凸面形状的生长面部 是通过切割具有凸面形状的生长面的IIIA族氮化物半导体晶体而获得的。
8.根据权利要求1所述的IIIA族氮化物半导体晶体的制造方法，其中，在所述凸面生 长步骤中生长的IIIA族氮化物半导体晶体的直径为IOmm以上。
9.根据权利要求1所述的IIIA族氮化物半导体晶体的制造方法，其中，所述IIIA族氮 化物半导体晶体在所述凸面生长步骤中的生长速度为300 μ m/小时以上。
10.根据权利要求1所述的IIIA族氮化物半导体晶体的制造方法，其中，所述IIIA族 氮化物半导体晶体是GaN。
11.根据权利要求1所述的IIIA族氮化物半导体晶体的制造方法，其包括以下平坦面 消失生长步骤通过使用晶种衬底作为晶种，在所述晶种衬底的主面上生长的IIIA族氮化物半导体 晶体的外周部中，形成倾斜于所述晶种衬底的主面的生长面，然后生长倾斜的生长面以扩 大至所述晶种衬底的中心侧，以及使平行于所述晶种衬底的主面并且存在于所述晶体衬底 中心侧的IIIA族氮化物半导体晶体的平坦面消失，其中，在所述平坦面消失生长步骤之后，在仅由倾斜的生长面构成的凸面形状的生长 面上，进行生长所述IIIA族氮化物半导体晶体的凸面生长步骤。
12.根据权利要求11所述的IIIA族氮化物半导体晶体的制造方法，其中，具有倾斜于 所述主面的侧壁面的晶种衬底被用作所述晶种衬底。
13.根据权利要求11所述的IIIA族氮化物半导体晶体的制造方法，其中，将具有开口 的掩模重叠于所述主面上，所述主面为所述晶种衬底的生长面，使得所述开口与所述主面 的规定结晶方向相一致，并且通过在所述开口部的主面上生长所述IIIA族氮化物半导体 晶体，进行平坦面消失生长步骤。
14.根据权利要求11所述的IIIA族氮化物半导体晶体的制造方法，其中，在所述平坦 面消失生长步骤中，以低生长速度进行晶体生长，使得在生长期间所述IIIA族氮化物半导 体晶体中不产生裂纹，并且在所述凸面生长步骤中，以300 μ m/小时以上的高生长速度进 行晶体生长。
15.一种IIIA族氮化物半导体衬底的制造方法，其包括制备晶种的步骤；生长所述IIIA族氮化物半导体晶体的凸面生长步骤，其中所述IIIA族氮化物半导体 晶体的生长面仅由多个不垂直于生长方向的表面构成，并且由所述多个表面构成的所述生 长面作为整体形成凸面形状；以及通过切割由所述凸面生长步骤获得的IIIA族氮化物半导体晶体来制备IIIA族氮化物 半导体衬底的步骤。
16.根据权利要求15所述的IIIA族氮化物半导体衬底的制造方法，其中，所述的IIIA 族氮化物半导体衬底是GaN衬底。
全文摘要
本发明提供一种IIIA族氮化物半导体晶体的制造方法和IIIA族氮化物半导体衬底的制造方法。所述IIIA族氮化物半导体晶体的制造方包括制备晶种的步骤；以及生长所述IIIA族氮化物半导体晶体的凸面生长步骤，其中所述IIIA族氮化物半导体晶体的生长面仅由多个不垂直于生长方向的表面构成，并且由所述多个表面构成的所述生长面作为整体形成为凸面形状。所述IIIA族氮化物半导体衬底的制造方法是通过切割由所述凸面生长步骤获得的IIIA族氮化物半导体晶体来制备IIIA族氮化物半导体衬底。
文档编号C30B29/40GK102127815SQ20101050864
公开日2011年7月20日 申请日期2010年10月13日 优先权日2010年1月13日
发明者大岛佑一 申请人:日立电线株式会社