氮化镓自立基板、发光元件及它们的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及氮化镓自立基板、发光元件和它们的制造方法。
【背景技术】
[0002] 作为使用单晶基板的发光二极管（LED)等发光元件，已知在蓝宝石(α-氧化铝单 晶）上形成了各种氮化镓(GaN)层的发光元件。例如，已经开始批量生产具有在蓝宝石基板 上依次层叠 η型GaN层、多量子阱层(MQW)、以及p型GaN层而形成的结构的产品，所述多量子 阱层(MQW)是包含InGaN层的量子阱层和包含GaN层的势皇层交替层叠而成的。另外，还提出 了适合这样的用途的层叠基板。例如，专利文献1(日本特开2012 -184144号公报）中，提出 了一种氮化镓结晶层叠基板，该氮化镓结晶层叠基板包含蓝宝石基底基板和在该基板上进 行结晶生长而形成的氮化镓结晶层。
[0003] 但是，在蓝宝石基板上形成GaN层的情况下，因为GaN层与作为异种基板的蓝宝石 之间晶格常数和热膨胀率不一致，所以容易发生位错。另外，因为蓝宝石是绝缘性材料，所 以无法在其表面形成电极，从而无法构成在元件的正反面都包括电极的纵型结构的发光元 件。于是，人们关注在氮化镓(GaN)单晶上形成了各种GaN层的LED。如果是GaN单晶基板，则 因为材质与GaN层相同，所以容易匹配晶格常数和热膨胀率，与使用蓝宝石基板的情况相比 能够期待性能的提高。例如，在专利文献2(日本特开2010 -132556号公报）中，公开了厚度 为200μηι以上的自立η型氮化镓单晶基板。
[0004] 在先技术文献
[0005] 专利文献
[0006] 专利文献1:日本特开2012 -184144号公报 [0007] 专利文献2:日本特开2010 -132556号公报
【发明内容】
[0008] 但是，单晶基板一般面积小且价格高。特别是虽然要求降低使用大面积基板的LED 的制造成本，但批量生产大面积的单晶基板并不容易，还会使其制造成本进一步增加。因此 希望找到能够作为氮化镓等单晶基板的替代材料的廉价材料。
[0009] 本发明的发明人最近发现能够制作廉价且适合大面积化的氮化镓自立基板作为 氮化镓单晶基板的替代材料。
[0010] 因此，本发明的目的在于提供廉价且适合大面积化的、作为氮化镓单晶基板的替 代材料有用的氮化镓自立基板。
[0011] 根据本发明的一个方式，提供一种氮化镓自立基板，由在大致法线方向具有单晶 结构的板形成，所述板由多个氮化镓系单晶粒子构成。
[0012 ]根据本发明的另一方式，提供一种发光元件，包括：
[0013 ]本发明的氮化镓自立基板，
[0014]发光功能层，所述发光功能层形成在该基板上，并且具有一层以上在大致法线方 向具有单晶结构的、由多个半导体单晶粒子构成的层。
[0015] 根据本发明的又一方式，提供一种氮化镓自立基板的制造方法，包括如下工序：
[0016] 准备取向多晶烧结体，
[0017] 在上述取向多晶烧结体上形成包含氮化镓的晶种层，所述晶种层的晶体取向与上 述取向多晶烧结体的晶体取向基本一致，
[0018] 在上述晶种层上，形成厚度20μπι以上的由氮化镓系结晶构成的层，所述由氮化镓 系结晶构成的层的晶体取向与上述晶种层的晶体取向基本一致，
[0019]除去上述取向多晶烧结体，得到氮化镓自立基板。
[0020]根据本发明的又一方式，提供一种发光元件的制造方法，包括如下工序：
[0021 ]准备本发明的氮化镓自立基板，或根据本发明的的方法准备上述氮化镓自立基 板，
[0022]在上述氮化镓自立基板上，形成一层以上在大致法线方向具有单晶结构的、由多 个半导体单晶粒子构成的层来设置发光功能层，所述由多个半导体单晶粒子构成的层的晶 体取向与上述氮化镓基板的晶体取向基本一致。
[0023]特别是根据本发明，提供以下的优选方式。
[0024] [项1]
[0025] -种氮化镓自立基板，由在大致法线方向具有单晶结构的板形成，所述板是由多 个氮化镓系单晶粒子构成的，其中，在上述氮化镓自立基板的表面露出的上述氮化镓系单 晶粒子不夹隔晶界地连通到该氮化镓自立基板的背面，在上述氮化镓自立基板的表面露出 的氮化镓系单晶粒子在最外表面的截面平均直径Dt与在上述氮化镓自立基板的背面露出 的氮化镓系单晶粒子在最外表面的截面平均直径Db之比Dt/Db大于1.0。
[0026] [项2]
[0027] 根据项1所述的氮化镓自立基板，其中，上述氮化镓系单晶粒子在上述基板最外表 面的截面平均直径为0 · 3μπι以上。
[0028] [项3]
[0029] 根据项2所述的氮化镓自立基板，其中，上述截面平均直径为3μπι以上。
[0030] [项 4]
[0031]根据项2所述的氮化镓自立基板，其中，上述截面平均直径为20μπι以上。
[0032] [项5]
[0033] 根据项1~4中的任一项所述的氮化镓自立基板，其中，上述氮化镓自立基板的厚 度为20μηι以上。
[0034] [项6]
[0035] 根据项1~5中的任一项所述的氮化镓自立基板，其中，上述氮化镓自立基板的尺 寸为直径100mm以上。
[0036] [项7]
[0037] 根据项1~6中的任一项所述的氮化镓自立基板，其中，上述氮化镓系单晶粒子的 晶体取向基本对齐大致法线方向。
[0038] [项S]
[0039] 根据项1~7中的任一项所述的氮化镓自立基板，其中，上述氮化镓系单晶粒子掺 杂有η型掺杂物或p型掺杂物。
[0040] [项9]
[0041] 根据项1~7中的任一项所述的氮化镓自立基板，其中，上述氮化镓系单晶粒子不 含掺杂物。
[0042] [项 10]
[0043] 根据项1~9中的任一项所述的氮化镓自立基板，其中，上述氮化镓系单晶粒子被 混晶化。
[0044] [项11]
[0045] 根据项1~10中的任一项所述的氮化镓自立基板，其中，上述比Dt/Db为1.5以上。
[0046] [项12]
[0047]根据项1~11中的任一项所述的氮化镓自立基板，其中，纵横尺寸比T/Dt为0.7以 上，上述纵横尺寸比T/Dt被规定为上述氮化镓自立基板的厚度T与在上述氮化镓自立基板 的表面露出的上述氮化镓系单晶粒子在最外表面的截面平均直径D T的比值。
[0048] [项13]
[0049] -种发光元件，包括：
[0050] 项1~12中的任一项所述的氮化镓自立基板，
[0051] 发光功能层，所述发光功能层形成在该基板上，并且具有一层以上、在大致法线方 向具有单晶结构的、由多个半导体单晶粒子构成的层。
[0052] [项 14]
[0053] 根据项13所述的自立的发光元件，其中，上述半导体单晶粒子在上述发光功能层 最外表面的截面平均直径为0.3μπι以上。
[0054] [项15]
[0055] 根据项14所述的发光元件，其中，上述截面平均直径为3μπι以上。
[0056] [项 16]
[0057]根据项13~15中的任一项所述的发光元件，其中，上述半导体单晶粒子具有与上 述氮化镓自立基板的晶体取向基本一致地生长而成的结构。
[0058][项 17]
[0059]根据项13~16中的任一项所述的发光元件，其中，上述发光功能层由氮化镓系材 料构成。
[0060][项 18]
[0061 ] -种氮化镓自立基板的制造方法，包括如下工序：
[0062]准备取向多晶烧结体，
[0063] 在上述取向多晶烧结体上形成包含氮化镓的晶种层，所述晶种层的晶体取向与上 述取向多晶烧结体的晶体取向基本一致，
[0064] 在上述晶种层上，形成厚度20μπι以上的由氮化镓系结晶构成的层，所述由氮化镓 系结晶构成的层的晶体取向与上述晶种层的晶体取向基本一致，
[0065] 除去上述取向多晶烧结体，得到氮化镓自立基板，
[0066] 其中，在上述氮化镓自立基板的表面露出的上述氮化镓系单晶粒子不夹隔晶界地 连通到该氮化镓自立基板的背面，在上述氮化镓自立基板的表面露出的氮化镓系单晶粒子 在最外表面的截面平均直径DT与在上述氮化镓自立基板的背面露出的氮化镓系单晶粒子 在最外表面的截面平均直径Db之比Dt/Db大于1.0。
[0067] [项 19]
[0068] 根据项18所述的方法，其中，上述取向多晶烧结体是取向多晶氧化铝烧结体。
[0069] [项 20]
[0070] 根据项18或19所述的方法，其中，构成上述取向多晶烧结体的粒子在板表面的平 均粒径为0.3~ΙΟΟΟμπι。
[0071] [项 21]
[0072]根据项18~20中的任一项所述的方法，其中，上述由氮化镓系结晶构成的层通过 Na助熔剂法形成。
[0073] [项 22]
[0074] 根据项18~21中的任一项所述的方法，其中，上述取向多晶烧结体具有透光性。
[0075] [项 23]
[0076] -种发光元件的制造方法，包括如下工序：
[0077]准备项1~12中的任一项所述的氮化镓自立基板，或根据项18~22中的任一项所 述的方法准备上述氮化镓自立基板，
[0078] 在上述氮化镓自立基板上，形成一层以上在大致法线方向具有单晶结构的、由多 个半导体单晶粒子构成的层来设置发光功能层，所述由多个半导体单晶粒子构成的层的晶 体取向与上述氮化镓基板的晶体取向基本一致。
[0079] [项 24]
[0080] 根据项23所述的方法，其中，所述发光功能层由氮化镓系材料构成。
[0081] [项 25]
[0082] -种氮化镓自立基板，由在大致法线方向具有单晶结构的板形成，所述板是由多 个氮化镓系单晶粒子构成的，其中，在上述氮化镓自立基板的表面露出的上述氮化镓系单 晶粒子不夹隔晶界地连通到该氮化镓自立基板的背面，上述氮化镓系单晶粒子在上述基板 最外表面的截面平均直径为20μηι~ΙΟΟΟμηι。
[0083] [项 26]
[0084] 根据项25所述的氮化镓自立基板，其中，上述截面平均直径为50μπι~500μπι。
[0085][项 27]
[0086]根据项25或26所述的氮化镓自立基板，其中，上述氮化镓自立基板的厚度为20μπι 以上。
[0087][项 28]
[0088]根据项25~27中的任一项所述的氮化镓自立基板，其中，上述氮化镓自立基板的 尺寸为直径100mm以上。
[0089] [项 29]
[0090] 根据项25~28中的任一项所述的氮化镓自立基板，其中，上述氮化镓系单晶粒子 的晶体取向基本对齐大致法线方向。
[0091] [项 30]
[0092]根据项25~29中的任一项所述的氮化镓自立基板，其中，上述氮化镓系单晶粒子 掺杂有η型掺杂物或p型掺杂物。
[0093][项 31]
[0094]根据项25~29中的任一项所述的氮化镓自立基板，其中，上述氮化镓系单晶粒子 不含掺杂物。
[0095] [项 32]
[0096] 根据项25~31中的任一项所述的氮化镓自立基板，其中，上述氮化镓系单晶粒子 被混晶化。
[0097] [项幻]
[0098] 根据项25~32中的任一项所述的氮化镓自立基板，其中，在氮化镓自立基板的表 面露出的氮化镓系单晶粒子在最外表面的截面平均直径Dt与在氮化镓自立基板的背面露 出的氮化镓系单晶粒子在最外表面的截面平均直径Db之比Dt/Db大于1.0。
[0099] [项 34]
[0100]根据项25~33中的任一项所述的氮化镓自立基板，其中，纵横尺寸比T/Dt为0.7以 上，上述纵横尺寸比T/Dt被规定为上述氮化镓自立基板的厚度T与在上述氮化镓自立基板 的表面露出的上述氮化镓系单晶粒子在最外表面的截面平均直径D T的比值。
[0101][项 35]
[0102] 一种发光元件，包括：
[0103] 项25~34中的任一项所述的氮化镓自立基板，
[0104] 发光功能层，所述发光功能层形成在该基板上，并且具有一层以上在大致法线方 向具有单晶结构的、由多个半导体单晶粒子构成的层。
[0105] [项 36]
[0106] 根据项35所述的自立的发光元件，其中，上述半导体单晶粒子在上述发光功能层 最外表面的截面平均直径为20μπι以上。
[0107] [项 37]
[0108]根据项36所述的发光元件，其中，上述截面平均直径为50μπι以上。
[0109] [项 38]
[0110] 根据项35~37中的任一项所述的发光元件，其中，上述半导体单晶粒子具有与上 述氮化镓自立基板的晶体取向基本一致地生长而成的结构。
[0111] [项 39]
[0112]根据项35~38中的任一项所述的发光元件，其中，上述发光功能层由氮化镓系材 料构成。
[0113][项 40]
[0114] -种氮化镓自立基板的制造方法，包括如下工序：
[0115] 准备取向多晶烧结体，
[0116] 在上述取向多晶烧结体上形成包含氮化镓的晶种层，所述晶种层的晶体取向与上 述取向多晶烧结体的晶体取向基本一致，
[0117] 在上述晶种层上，形成厚度20μπι以上的由氮化镓系结晶构成的层，所述由氮化镓 系结晶构成的层的晶体取向与上述晶种层的晶体取向基本一致，
[0118]除去上述取向多晶烧结体，得到氮化镓自立基板，
[0119] 其中，在上述氮化镓自立基板的表面露出的上述氮化镓系单晶粒子不夹隔晶界地 连通到该氮化镓自立基板的背面，上述氮化镓系单晶粒子在上述基板最外表面的截面平均 直径为 20μηι ~1 ΟΟΟμπι。
[0120] [项 41]
[0121] 根据项40所述的方法，其中，上述取向多晶烧结体是取向多晶氧化铝烧结体。
[0122] [项 42]
[0123] 根据项40或41所述的方法，其中，构成上述取向多晶烧结体的粒子在板表面的平 均粒径为0.3~ΙΟΟΟμπι。
[0124] [项 43]
[0125] 根据项40~42中的任一项所述的方法，其中，上述由氮化镓系结晶构成的层通过 Na助熔剂法形成。
[0126] [项 44]
[0127] 根据项40~43中的任一项所述的方法，其中，上述取向多晶烧结体具有透光性。
[0128] [项 45]
[0129] -种发光元件的制造方法，包括下述工序：
[0130]准备项25~34中的任一项所述的氮化镓自立基板，或根据项40~44中的任一项所 述的方法准备上述氮化镓自立基板，
[0131] 在上述氮化镓自立基板上，形成一层以上在大致法线方向具有单晶结构的、由多 个半导体单晶粒子构成的层来设置发光功能层，所述由多个半导体单晶粒子构成的层的晶 体取向与上述氮化镓基板的晶体取向基本一致。
[0132] [项 46]
[0133] 根据项45所述的方法，其中，所述发光功能层由氮化镓系材料构成。
【附图说明】
[0134] 图1是表示使用本发明的氮化镓自立基板制作的纵型发光元件之一例的示意截面 图。
[0135] 图2是例4中测定的氮化镓结晶的截面的取向成像图（反极图）。
[0136] 图3是例4中测定的氮化镓结晶的板表面(表面)的取向成像图（反极图）。
[0137] 图4是例4中测定的氮化镓结晶和取向氧化铝基板的界面附近的晶粒图（crystal grain mapping)〇
[0138] 图5是例4和例5中考察的氮化镓结晶的生长行为的概念图。
[0139] 图6是例5中测定的氮化镓结晶的截面的取向成像图（反极图）。
【具体实施方式】
[0140] 氮化镓自立基板
[0141] 本发明的氮化镓基板可具有自立基板的形态。本发明中"自立基板"是指对其进行 处理或使用时不会因自重而变形或破损，能够作为固体物进行处理的基板。本发明的氮化 镓自立基板能够用作发光元件等各种半导体器件的基板，除此之外，还可以用作电极(可以 是P型电极或η型电极）、P型层、η型层等基材以外的部件或层。应予说明，在以下的说明中， 以作为主要用途之一的发光元件为例说明本发明的优点，但在无损技术整合性的范围内， 相同或近似的优点也适用于其他半导体器件。
[0142] 本发明的氮化镓自立基板由在大致法线方向具有单晶结构的板形成，所述板是由 多个氮化镓系单晶粒子构成的。即，氮化镓自立基板由在水平面方向二维联结的多个半导 体单晶粒子构成，因此在大致法线方向具有单晶结构。因此，氮化镓自立基板虽然整体并非 单晶，但是在局部的畴单位具有单晶结构，所以能够具有足够高的结晶性来确保发光功能 等器件特性。尽管如此，但本发明的氮化镓自立基板并非单晶基板。如前所述，单晶基板一 般面积小且价格高。特别是虽然近些年来要求降低使用大面积基板的LED的制造成本，但批 量生产大面积的单晶基板并不容易，还会使其制造成本进一步增加。这些缺点只要使用本 发明的氮化镓自立基板即可避免。即，根据本发明，能够提供廉价且适合大面积化、作为氮 化镓单晶基板的替代材料有用的氮化镓自立基板。另外，通过将导入P型或η型掺杂物而赋 予了导电性的氮化镓制成基板，能够实现纵型结构的发光元件，从而能够提高亮度。而且， 也能够低成本地实现用于面发光照明等的大面积的面发光元件。特别是使用本发明的氮化 镓自立基板制作纵型LED结构的情况下，因为构成自立基板的多个氮化镓系单晶粒子在大 致法线方向具有单晶结构，所以在电流通道中不存在高电阻的晶界，结果，预期能够得到理 想的发光效率。就此点而言，对于在法线方向也存在晶界的取向多晶基板，因为即使制成纵 型结构，在电流通道中也存在高电阻晶界，所以发光效率可能会降低。从这些观点考虑，本 发明的氮化镓自立基板也能够优选用于纵型LED结构。
[0143] 优选构成自立基板的多个氮化镓系单晶粒子的晶体取向基本对齐大致法线方向。 "晶体取向基本对齐大致法线方向"并不一定限定于晶体取向完全对齐法线方向，只要能够 确保使用自立基板的发光元件等器件所希望的器件特性，也可以是晶体取向在某种程度上 对齐法线或接近法线的方向。如果基于制法来表述，则可以说氮化镓系单晶粒子具有与制 造氮化镓自立基板时用作基底基材的取向多晶烧结体的晶体取向基本一致地生长而成的 结构。"与取向多晶烧结体的晶体取向基本一致地生长而成的结构"是指受到取向多晶烧结 体晶体取向的影响而结晶生长所形成的结构，并不一定限定于与取向多晶烧结体的晶体取 向完全一致地生长而成的结构，只要能够确保使用自立基板的发光元件等器件所希望的器 件特性，也可以是与取向多晶烧结体的晶体取向在某种程度上一致地生长而成的结构。即， 该结构也包括以与取向多晶烧结体不同的晶体取向生长的结构。从这个意义上讲，"与晶体 取向基本一致地生长而成的结构"这种表述方式也可以说成是"以基本衍生晶体取向的方 式生长而成的结构"，该改述方式及上述定义同样适用于本说明书中的类似表述方式。因 此，这样的结晶生长优选外延生长，但并不限定于此，也可以是与之类似的各种结晶生长形 态。不管哪种均可通过像这样地生长，使氮化镓自立基板具有晶体取向基本对齐大致法线 方向的结构。
[0144] 因此，氮化镓自立基板还可以看作是柱状结构的氮化镓系单晶粒子的集合体，其 在法线方向观察时观察到单晶，从水平面方向的切面观察时观察到晶界。此处，"柱状结构" 不仅是指典型的纵长柱状，还定义为横长形状、梯形形状和倒梯形形状等包含各种形状的 含义。但是，如上所述，氮化镓自