b)同样地制作纵型的 发光元件，结果，通过阴极电极和阳极电极间的I 一 V测定确认有整流性，通过正向通电确认 发出波长450nm的光。
[0324] ^9
[0325] (l)c面取向氧化铝烧结体的制作
[0326] 使氟化铝粉末的量为0.02重量份，除此之外，与例8同样地制作c面取向氧化铝基 板。将由此得到的烧结体固定在陶瓷平台上，使用磨石，磨削至#2000,使板表面平坦。接下 来，通过使用金刚石研磨粒子的研磨加工，将板表面平滑化，作为取向氧化铝基板得到口径 50.8mm(2英寸）、厚度1mm的取向氧化错烧结体。将研磨粒子的尺寸从3μηι逐步减小至0.5μηι， 提高平坦性。加工后的平均粗糙度Ra为4nm。另外，通过与例1相同的方法评价c面取向度和 板表面的平均粒径时，c面取向度为94%，平均粒径为41μπι。
[0327] (2)掺杂Ge的氮化镓自立基板的制作
[0328] 与例1的（3a)同样地在取向氧化铝基板上层叠厚度3μπι的GaN膜，制作晶种基板。使 保持时间为30小时，除此之外，与例1的（3b)同样地在该晶种基板上形成掺杂Ge的GaN膜。得 到的试样在50.8mm(2英寸）的晶种基板的整面上生长掺杂Ge的氮化镓结晶，结晶的厚度大 约为0.3mm。没有确认到裂纹。
[0329] 通过使用磨石的磨削加工除去这样得到的试样的取向氧化铝基板部，得到掺杂Ge 的氮化镓的单体。接下来，使用#600和#2000的磨石，将掺杂Ge的氮化镓结晶的背面(与取向 氧化铝基板相接一侧的表面)切削掉大约80μπι。然后，将板表面(表面)磨削至氮化镓结晶的 厚度为大约60μπι，并平坦化后，通过使用金刚石研磨粒子进行研磨加工，得到表面、背面实 施了平滑化的厚度大约60μπι的氮化镓自立基板。氮化镓自立基板的表面和背面在加工后的 平均粗糙度Ra为0 · 2nm。
[0330] 接下来，使用与例4~例8相同的方法，实施氮化镓结晶的截面的取向成像（反极 图）时，氮化镓结晶在表面侧(取向氧化铝基板的相反侧）的粒径大于取向氧化铝基板侧的 粒径，氮化镓结晶的形状的截面图像为梯形、三角形等，并非完全的柱状。另外，可知存在随 着厚膜化而粒径增大、生长至表面的粒子和没有生长至表面的粒子。这样的行为原因尚未 阐明，但认为可能是如图5所示，生长以生长快的粒子覆盖生长慢的粒子的方式进行的结 果。因此，在构成氮化镓结晶的氮化镓粒子中，在表面侧露出的粒子没有夹隔晶界地连通到 背面，但也包括在背面侧露出的粒子中的一部分在中途停止生长的情况。
[0331] 通过与例1的（3)相同的方法测定体积电阻率时，体积电阻率为1Χ10-2Ω · cm。另 外，使用与例1的（3)相同的方法测定在氮化镓自立基板的表面和背面的GaN单晶粒子的截 面平均直径，结果，表面的截面平均直径为大约81μπι，背面的截面平均直径为大约61μπι。由 此，表面的截面平均直径大于背面的截面平均直径，基板表面的截面平均直径D T与基板背 面的截面平均直径Db之比Dt/Db大约为1.3。另外，按GaN结晶的厚度与表面的截面平均直径 之比算出的GaN单晶粒子的纵横尺寸比大约为0.7。
[0332] (3)使用掺杂Ge的氮化镓自立基板制作发光元件
[0333] 与例1的（4a)同样地在氮化镓自立基板上制作发光功能层，测定单晶粒子在最外 表面的截面平均直径时，截面平均直径为大约81μπι。另外，与例1的（4b)同样地制作纵型的 发光元件，结果，通过阴极电极和阳极电极间的I 一 V测定确认有整流性，通过正向通电确认 发出波长450nm的光。然而，虽然发光亮度一定程度提高，但比例8弱。
[0334] ^10
[0335] (l)c面取向氧化铝烧结体的制作
[0336] 作为原料，准备板状氧化铝粉末(KINSEI MATEC株式会社制、等级10030)、微细氧 化铝粉末(大明化学工业株式会社制、等级TM-DAR)、和氧化镁粉末(宇部MATERIALS株式会 社、等级500A)，混合板状氧化铝粉末5重量份、微细氧化铝粉末95重量份、氧化镁粉末0.025 重量份，得到氧化铝原料。接下来，相对于氧化铝原料100重量份，混合粘合剂(聚乙烯醇缩 丁醛:型号BM-2、积水化学工业株式会社制)8重量份、增塑剂(D0P:邻苯二甲酸二(2-乙基 己基)酯、黑金化成株式会社制)4重量份、分散剂(RHE0D0L SP - 030、花王株式会社制）2重 量份、分散介质（二甲苯和1 一丁醇按重量比1:1混合而得）。分散介质的量调整成浆料粘度 达到20000cP。将如上所述地制备的浆料用刮刀法在PET膜上成型为片材状，干燥后的厚度 达到100μπι。将得到的带切断成口径50.8mm(2英寸）的圆形后，层叠30张，载置在厚度10mm的 A1板上，然后，进行真空包装。将该真空包装在85°C的温水中、以100kgf/cm2的压力进行静 水压加压，得到圆盘状的成型体。
[0337] 将得到的成型体配置在脱脂炉中，在600°C、10小时的条件下进行脱脂。使用石墨 制的模具，通过热压，在氮气中、1800°C下4小时、表面压力为200kgf/cm 2的条件下，对得到 的脱脂体进行烧成。
[0338]将由此得到的烧结体固定在陶瓷平台上，使用磨石，磨削至#2000,使板表面平坦。 接下来，通过使用金刚石研磨粒子的研磨加工，将板表面平滑化，作为取向氧化铝基板得到 口径50.8mm( 2英寸）、厚度1mm的取向氧化错烧结体。将研磨粒子的尺寸从3μηι逐步减小至 〇.5μπι，提高平坦性。加工后的平均粗糙度Ra为4nm。另外，通过与例1相同的方法评价c面取 向度和板表面的平均粒径时，c面取向度为99%，平均粒径为大约24μπι。
[0339] (2)掺杂Ge的氮化镓自立基板的制作
[0340]与例1的（3a)同样地在取向氧化铝基板上层叠厚度3μπι的GaN膜，制作晶种基板。使 保持时间为30小时，除此之外，与例1的（3b)同样地在该晶种基板上形成掺杂Ge的GaN膜。得 到的试样在50.8mm(2英寸）的晶种基板的整面上生长掺杂Ge的氮化镓结晶，结晶的厚度大 约为0.3mm。没有确认到裂纹。
[0341] 通过使用磨石的磨削加工除去这样得到的试样的取向氧化铝基板部，得到掺杂Ge 的氮化镓的单体。接下来，使用#600和#2000的磨石，将掺杂Ge的氮化镓结晶的背面(与取向 氧化铝基板相接一侧的表面)切削掉大约90μπι。然后，将板表面(表面)磨削至氮化镓结晶的 厚度为大约40μπι，并平坦化后，通过使用金刚石研磨粒子进行研磨加工，对表面、背面实施 平滑化，得到厚度大约40μπι的氮化镓自立基板。氮化镓自立基板的表面和背面在加工后的 平均粗糙度Ra为0 · 2nm。
[0342] 接下来，使用与例4~例9相同的方法，实施氮化镓结晶的截面的取向成像（反极 图）时，氮化镓结晶在表面侧(取向氧化铝基板的相反侧）的粒径大于取向氧化铝基板侧的 粒径，氮化镓结晶的形状的截面图像为梯形、三角形等，并非完全的柱状。另外，可知存在随 着厚膜化而粒径增大、生长至表面的粒子和没有生长至表面的粒子。这样的行为原因尚未 阐明，但认为可能是如图5所示，生长以生长快的粒子覆盖生长慢的粒子的方式进行的结 果。因此，在构成氮化镓结晶的氮化镓粒子中，在表面侧露出的粒子没有夹隔晶界地连通到 背面，但也包括在背面侧露出的粒子中的一部分在中途停止生长的情况。
[0343] 通过与例1的（3)相同的方法测定体积电阻率时，体积电阻率为1Χ10-2Ω · cm。另 外，使用与例1的（3)相同的方法测定在氮化镓自立基板的表面和背面的GaN单晶粒子的截 面平均直径，结果，表面的截面平均直径为大约75μπι，背面的截面平均直径为大约60μπι。由 此，表面的截面平均直径大于背面的截面平均直径，基板表面的截面平均直径D T与基板背 面的截面平均直径Db之比Dt/Db大约为1.3。另外，按GaN结晶的厚度与表面的截面平均直径 之比算出的GaN单晶粒子的纵横尺寸比大约为0.5。
[0344] (3)使用掺杂Ge的氮化镓自立基板制作发光元件
[0345] 与例1的（4a)同样地在氮化镓自立基板上制作发光功能层，测定单晶粒子在最外 表面的截面平均直径时，截面平均直径为大约75μπι。另外，与例1的（4b)同样地制作纵型的 发光元件，结果，通过阴极电极和阳极电极间的I 一 V测定确认有整流性，通过正向通电确认 发出波长450nm的光。然而，可知虽然发光亮度一定程度提高，但比例8及例9弱。
[0346] j^ljll
[0347] 为了更明确地确认氮化镓系单晶粒子的截面平均直径为20μπι以上能够使发光效 率显著提高这一点，进行验证实验。该验证实验中，制作氮化镓系单晶粒子的截面平均直径 DT为2、3、13、16、20、35、42、50、72、90和11(^111的各种氮化镓自立基板，使用该氮化镓自立基 板制作发光元件，使用株式会社Teknologue制LED TESTER LX4681A，测定200A/cm2(芯片尺 寸：1mm见方、正向电流:2A)下的发光亮度。其结果如表2所示。由表2所示的发光亮度的结 果，清楚地确认了在使用截面平均直径Dt为3~16μπι的氮化镓自立基板的情况下发光亮度 为0.40~0.42 (a. u.)，而使用截面平均直径DT为20μπι以上的氮化镓自立基板时，发光亮度 显著增加，达到0.91以上(a.u.)。上述结果显示以截面平均直径达到20μπι为界，发光效率显 著提高。
[0348] 【表2】
[0349] 表 2
[0350]
[0351] 本发明包含以下方式。
[0352] [项1]
[0353] -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。
[0354] [项2]
[0355] 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。
[0356] [项3]
[0357] 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。
[0358] [项 4]
[0359] 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。
[0360] [项5]
[0361] 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。
[0362] [项 6]
[0363] 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。
[0364] [项7]
[0365] 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。
[0366] [项8]
[0367] 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。
[0368] [项9]
[0369] 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。
[0370] [项 10]
[0371] 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。
[0372] [项 11]
[0373] 根据项1~10中的任一项所述的氮化镓自立基板，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。
[0374] [项I2]
[0375] 根据项1~11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。
[0376] [项13]
[0377] 根据项1~12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。
[0378] [项 14]
[0379] 一种发光元件，包括：
[0380]项1~13中的任一项所述的氮化镓自立基板，
[0381] 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。
[0382] [项 15]
[0383] 根据项14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。
[0384] [项 16]
[0385] 根据项15所述的发光元件，其中，上述截面平均直径为3μπι以上。
[0386] [项 17]
[0387] 根据项14~16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。
[0388] [项 I8]
[0389] 根据项14~17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。
[0390] [项 19]
[0391 ] -种氮化镓自立基板的制造方法，包括如下工序：
[0392] 准备取向多晶烧结体，
[0393] 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，
[0394] 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，
[0395] 除去上述取向多晶烧结体，得到氮化镓自立基板。
[0396] [项 20]
[0397] 根据项19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。
[0398] [项 21]
[0399] 根据项19或20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。
[0400] [项 22]
[0401] 根据项19~21中的任一项所述的方法，其中，由上述氮化镓系结晶构成的层通过 Na助熔剂法形成。
[0402] [项 23]
[0403] 根据项19~22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。
[0404] [项 24]
[0405] -种发光元件的制造方法，包括如下工序：
[0406]准备项1~13中的任一项所述的氮化镓自立基板，或根据项19~23中的任一项所 述的方法准备上述氮化镓自立基板，
[0407] 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。
[0408] [项 25]
[0409] 根据项24所述的方法，其中，上述发光功能层由氮化镓系材料构成。
【主权项】
1. 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。2. 根据权利要求1所述的氮化镓自立基板，其中，所述氮化镓系单晶粒子在所述基板最 外表面的截面平均直径为0.3μπι以上。3. 根据权利要求2所述的氮化镓自立基板，其中，所述截面平均直径为3μπι以上。4. 根据权利要求1~3中的任一项所述的氮化镓自立基板，其中，所述氮化镓自立基板 的厚度为20μηι以上。5. 根据权利要求1~4中的任一项所述的氮化镓自立基板，其中，所述氮化镓自立基板 的尺寸为直径100mm以上。6. 根据权利要求1~5中的任一项所述的氮化镓自立基板，其中，所述氮化镓系单晶粒 子的晶体取向基本对齐大致法线方向。7. 根据权利要求1~6中的任一项所述的氮化镓自立基板，其中，所述氮化镓系单晶粒 子掺杂有η型掺杂物或p型掺杂物。8. 根据权利要求1~6中的任一项所述的氮化镓自立基板，其中，所述氮化镓系单晶粒 子不含掺杂物。9. 根据权利要求1~8中的任一项所述的氮化镓自立基板，其中，所述氮化镓系单晶粒 子被混晶化。10. 根据权利要求1~9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，所述纵横尺寸比T/Dt被规定为所述氮化镓自立基板的厚度T与在所述氮化镓自立基 板的表面露出的所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。11. 一种发光元件，包括： 氮化镓自立基板，是权利要求1~10中的任一项所述的氮化镓自立基板，和， 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。12. 根据权利要求11所述的自立的发光元件，其中，所述半导体单晶粒子在所述发光功 能层最外表面的截面平均直径为0.3μπι以上。13. 根据权利要求12所述的发光元件，其中，所述截面平均直径为3μπι以上。14. 根据权利要求11~13中的任一项所述的发光元件，其中，所述半导体单晶粒子具有 与所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。15. 根据权利要求11~14中的任一项所述的发光元件，其中，所述发光功能层由氮化镓 系材料构成。16. -种氮化镓自立基板的制造方法，包括如下工序： 准备取向多晶烧结体， 在所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所述取 向多晶烧结体的晶体取向基本一致， 在所述晶种层上，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所述晶种层的晶体取向基本一致， 除去所述取向多晶烧结体，得到氮化镓自立基板。17. 根据权利要求16所述的氮化镓自立基板的制造方法，其中，所述取向多晶烧结体是 取向多晶氧化铝烧结体。18. 根据权利要求16或17所述的氮化镓自立基板的制造方法，其中，构成所述取向多晶 烧结体的粒子在板表面的平均粒径为〇. 3~ΙΟΟΟμπι。19. 根据权利要求16~18中的任一项所述的氮化镓自立基板的制造方法，其中，所述由 氮化镓系结晶构成的层通过Na助熔剂法形成。20. 根据权利要求16~19中的任一项所述的氮化镓自立基板的制造方法，其中，所述取 向多晶烧结体具有透光性。21. -种发光元件的制造方法，包括如下工序： 准备权利要求1~10中的任一项所述的氮化镓自立基板，或根据权利要求16~20中的 任一项所述的方法准备所述氮化镓自立基板， 在所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 向与所述氮化镓基板的晶体取向基本一致。22. 根据权利要求21所述的发光元件的制造方法，其中，所述发光功能层由氮化镓系材 料构成。
【专利摘要】本发明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。该氮化镓自立基板可以通过包含如下工序的方法制造：准备取向多晶烧结体，在取向多晶烧结体上形成包含氮化镓的晶种层，形成的晶种层的晶体取向与取向多晶烧结体的晶体取向基本一致，在晶种层上，形成厚度20μm以上的由氮化镓系结晶构成的层，形成的由氮化镓系结晶构成的层的晶体取向与晶种层的晶体取向基本一致，除去取向多晶烧结体，得到氮化镓自立基板。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。
【IPC分类】C30B29/38, H01L33/02
【公开号】CN105658849
【申请号】
【发明人】渡边守道, 吉川润, 七泷努, 今井克宏, 杉山智彦, 吉野隆史, 武内幸久, 佐藤圭
【申请人】日本碍子株式会社
【公开日】2016年6月8日
【申请日】2015年6月25日