專利名稱：Iiia族氮化物半導(dǎo)體襯底及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及IIIA族氮化物半導(dǎo)體襯底及其制造方法，特別地，涉及具有改善的解 理特性(cleavage characteristics)的IIIA族氮化物半導(dǎo)體襯底及其制造方法
背景技術(shù)：
例如氮化鎵(GaN)、氮化鎵銦(InGaN)和氮化鋁鎵(AlGaN)等IIIA族氮化物半導(dǎo) 體，作為用于藍(lán)色發(fā)光二極管(LEDs)和藍(lán)色激光二極管(LDs)的材料而受到關(guān)注。進(jìn)而， 已經(jīng)通過利用IIIA族氮化物半導(dǎo)體的特性(例如具有優(yōu)良的耐熱性能和耐環(huán)境性能)，開 始了對(duì)于電子器件的應(yīng)用開發(fā)。目前廣泛實(shí)際應(yīng)用的用于GaN生長的襯底是藍(lán)寶石，通常采用在單晶藍(lán)寶石襯底 上通過金屬有機(jī)氣相外延(MOVPE)來外延生長GaN的方法。以下，GaN將作為IIIA族氮化 物半導(dǎo)體的代表示例得到說明。藍(lán)寶石的晶格常數(shù)不同于GaN的晶格常數(shù)，所以僅通過直接在藍(lán)寶石襯底上生長 GaN不能形成單晶膜。因此，考慮采用如下的方法一旦在較低溫度下在藍(lán)寶石襯底上生長 了 AlN或GaN的氮化物緩沖層，就緩和了晶格應(yīng)變，進(jìn)而在其上面生長了 GaN。將低溫生長 的氮化物層作為緩沖層使用，可以獲得GaN的單晶外延生長。但即使是在這種方法中，藍(lán)寶 石和GaN晶體之間晶格常數(shù)的差異仍然問題很大，并且形成的GaN具有超高密度的晶體缺 陷。有時(shí)，這種晶體缺陷是基于GaN的LD和高亮度LED生產(chǎn)中的障礙。由于上述原因，迫切希望出現(xiàn)自支撐GaN襯底。對(duì)于GaN來說，難以像Si和GaAs 那樣從熔融液生長形成大型鑄塊。因此，嘗試了例如高溫/高壓法、Na助熔劑法(Na flux method)和氫化物氣相外延(HVPE)等各種方法。其中進(jìn)展最大的是利用HVPE開發(fā)GaN襯 底，已經(jīng)開始流入市場，并且開發(fā)不僅用于LD而且用于高亮度LED的GaN襯底也被寄予了 厚望。通常，LD共振器的端鏡面(end face mirror)通過解理形成。常規(guī)公開的方法如 下將單色光投射到單晶GaN襯底的整個(gè)表面，以通過光彈性效應(yīng)測定應(yīng)變值，根據(jù)已測定 變形值的GaN襯底表面內(nèi)最大值是否落入規(guī)定值以內(nèi)來判斷單晶GaN襯底的解理性(參見 專利文獻(xiàn)1)。專利文獻(xiàn)1 日本特開2002-299741號(hào)公報(bào)如上所述，雖然HVPE法的GaN襯底投入了實(shí)際使用，GaN襯底的特性還有很大 的改善余地。本文所要解決的問題是GaN襯底的解理性。通常，LD共振器的端鏡面通過 解理形成。理論上，解理面在原子水平上具有平坦性(flatness)，作為鏡面應(yīng)該是理想 的。但是，在實(shí)際的解理面上，由于各種各樣的原因會(huì)產(chǎn)生對(duì)于平坦性的干擾，例如高低差 (macro-step)(水平差異(difference-in-level))，進(jìn)而引起LD產(chǎn)率的降低。圖5表示采 用微分干涉顯微鏡(奧林巴斯公司的“BX11”)通過觀察解理由HVPE法制造的常規(guī)GaN襯 底形成的解理面而獲得的微分干涉相差圖像。在圖5中，在虛線圍成的部分的解理面中觀 察到了高低差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供IIIA族氮化物半導(dǎo)體襯底及其制造方法，所述的IIIA 族氮化物半導(dǎo)體襯底可以獲得平坦性干擾(例如高低差)少的平坦的解理面。本發(fā)明的一個(gè)方面是提供一種直徑為25mm以上且厚度為250 μ m以上的IIIA族 氮化物半導(dǎo)體襯底，其中，在從所述的IIIA族氮化物半導(dǎo)體襯底的外緣開始5mm以內(nèi)的外 緣部的至少一個(gè)外緣側(cè)部分中，所述的IIIA族氮化物半導(dǎo)體襯底的主面內(nèi)的應(yīng)力為拉伸 應(yīng)力，而且與相對(duì)于所述的IIIA族氮化物半導(dǎo)體襯底外緣側(cè)部分的中心側(cè)部分的應(yīng)力相 比，所述的拉伸應(yīng)力相對(duì)變大。本發(fā)明的另一個(gè)方面是提供IIIA族氮化物半導(dǎo)體襯底的制造方法，其包括如下 步驟制備晶種襯底；以及將原料供給至所述的晶種襯底，并在其上晶體生長IIIA族氮化物半導(dǎo)體層，其中，在所述的晶種襯底上晶體生長所述的IIIA族氮化物半導(dǎo)體層的步驟中，所 述的IIIA族氮化物半導(dǎo)體層在其外周部晶體生長，同時(shí)形成了生長面，從而使其朝向晶種 襯底的主面方向的傾斜角度大于0°且小于90°，所述的具有傾斜生長面的外周部的IIIA 族氮化物半導(dǎo)體層的摻雜濃度被設(shè)定為高于相對(duì)于所述的外周部的中心側(cè)的IIIA族氮化 物半導(dǎo)體層的摻雜濃度。


圖Ia至圖If為分別表示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的IIIA族氮化物半導(dǎo)體襯底的制 造方法步驟的步驟圖；圖2為表示襯底外周部的外周拉伸應(yīng)力與傾斜的生長部的氧的濃度之間相互關(guān) 系的圖；圖3為表示襯底外周部的外周拉伸應(yīng)力、解理面中高低差的密度和裂紋(crack) 產(chǎn)生率之間的關(guān)系圖；圖4為表示襯底外周部的外周拉伸應(yīng)力和LD產(chǎn)率之間的關(guān)系圖；圖5表示通過微分干涉顯微鏡觀察到的顯示在解理面中高低差的微分干涉相差 圖像；圖6a至圖6c表示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的IIIA族氮化物半導(dǎo)體層的晶體生長步驟 所得到的生長狀態(tài)的GaN層的詳圖，其中，圖6a為平面視圖，圖6b為側(cè)面視圖，以及圖6c 為GaN層的傾斜表面的局部放大的剖面圖(圓錐面部)。 圖中，1晶種襯底；2掩模；3GaN層；4傾斜面；5具有傾斜生長部的GaN襯底；6GaN 襯底；7條狀的解理的GaN襯底；8檢查了高低差密度的解理面。
具體實(shí)施例方式
在對(duì)根據(jù)本發(fā)明的IIIA族氮化物半導(dǎo)體襯底及其制造方法的實(shí)施方式進(jìn)行說明 之前，需要對(duì)在IIIA族氮化物半導(dǎo)體(例如GaN)解理過程中被認(rèn)為是解理面中產(chǎn)生高低 差的主要因素進(jìn)行說明，列舉如下。
(a)由于晶體結(jié)構(gòu)的原因，解理性的不完全性包括GaN在內(nèi)的IIIA族氮化物半導(dǎo)體的穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)為六方晶，六方晶的解理 性與立方晶的解理性的區(qū)別不是很明顯。因此，IIIA族氮化物半導(dǎo)體原本很容易允許在解 理面中產(chǎn)生高低差。(b)內(nèi)部應(yīng)力的局部變化包括GaN在內(nèi)的IIIA族氮化物半導(dǎo)體的晶體大多數(shù)情況下都是采用異質(zhì)襯底 (heterogenous substrate)(異源襯底(foreign substrate))例如藍(lán)寶石或GaAs 為基,通 過異質(zhì)外延生長進(jìn)行制造。這是一種晶格失配度很大的異質(zhì)外延生長，因此在外延層和襯 底之間的界面上會(huì)出現(xiàn)高密度的晶體缺陷(位錯(cuò)(dislocation))。為了降低位錯(cuò)的密度， 例如通常采用一種形成在基礎(chǔ)襯底上具有開口部的掩模并使GaN層從開口部開始橫向生 長以獲得位錯(cuò)少的GaN層的技術(shù)，或者所謂的EL0(外延橫向過度生長，Epitaxial Lateral Overgrowth)技術(shù)。但是，雖然獲得了位錯(cuò)密度的降低，但形成了低位錯(cuò)密度區(qū)和高位錯(cuò)密 度區(qū)，從而有時(shí)會(huì)產(chǎn)生位錯(cuò)密度的不均勻性?？梢哉J(rèn)為，位錯(cuò)密度的不均勻性通過位錯(cuò)的應(yīng) 力場導(dǎo)致內(nèi)部應(yīng)力發(fā)生了局部的變化，結(jié)果造成了解理面的高低差。內(nèi)部應(yīng)力的局部變化 不僅可在襯底的平面方向上產(chǎn)生，還可以在襯底的厚度方向上產(chǎn)生。(c)施加力的方式在應(yīng)用解理至GaN襯底的一般方法中，首先沿著解理方向?qū)σr底的邊緣部加入小 而銳利的切口。這時(shí)，采用所謂的鉆石筆或劃線器(scriber)。此后，當(dāng)施加用于加寬所述 襯底邊緣部切口的力時(shí)，以端部的切口為起點(diǎn)，裂紋延伸至所述襯底的相反一側(cè)，從而完成 了襯底的解理。這時(shí)，如果施加的力的方向和強(qiáng)度不合適，就很容易產(chǎn)生高低差，特別是在 邊緣部加入的切口附近容易產(chǎn)生高低差。為降低上面所描述的導(dǎo)致問題的每個(gè)因素，可以考慮采用下面的應(yīng)對(duì)措施。(i)在進(jìn)行解理前，通過在向其施加解理之前從后表面?zhèn)妊心?lap)所述襯底以 將襯底做薄。通過將襯底做薄(通過操作使其厚度為200 μ m以下)，極大地減少了解理面 上的高低差。作為其中的一個(gè)因素，可以認(rèn)為通過將襯底做薄，在襯底厚度方向上的應(yīng)力變 化減小了。(ii)采用沒有位錯(cuò)密度不均勻性的均質(zhì)襯底是有效的。在具有均勻的位錯(cuò)密度的 襯底的制造中，例如可以適當(dāng)?shù)夭捎肰AS法(間隙形成剝離法(Void-Assisted Separation Method))，其包括步驟在藍(lán)寶石襯底上的GaN薄膜表面上氣相沉積Ti ；通過對(duì)GaN薄膜進(jìn) 行熱處理在其中形成間隙結(jié)構(gòu)；采用HVPE法使GaN在其上長厚；以及將藍(lán)寶石襯底從間隙 結(jié)構(gòu)的部分剝離下來。然而，即使采取了這樣的措施后，但由于所述的因素(C)，襯底邊緣部附近的解理 面依然處于容易產(chǎn)生高低差的狀態(tài)。本發(fā)明的發(fā)明人認(rèn)為如下?lián)Q句話說，解理面被因素(C)所干擾，并且這是因?yàn)橛?于在因素(a)中所描述的IIIA族氮化物半導(dǎo)體晶體中最初具有的不明顯的解理性質(zhì)，所以 在從襯底邊緣部解理的過程中需要施加強(qiáng)大的力；并且當(dāng)施加強(qiáng)大的力進(jìn)行解理時(shí)，取決 于施加的力的方向和強(qiáng)度而容易產(chǎn)生高低差；而且如果采用較小的力獲得解理，則可以解 決這個(gè)問題。可以容易地估計(jì)到，通過將襯底做的較薄，解理所需要的外力的量值可以減小。但是，在處理過程中襯底有破損的危險(xiǎn)，因此實(shí)際上200 μ m左右的現(xiàn)狀被認(rèn)為是臨界，并且 在將襯底做薄的方法中，進(jìn)一步改善解理性質(zhì)是不可能的。因此，作為本發(fā)明的發(fā)明人努力研究的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)拉伸應(yīng)力在內(nèi)部被提供給了作 為解理起點(diǎn)的襯底的外緣部。這個(gè)觀點(diǎn)如下當(dāng)襯底的拉伸應(yīng)力在內(nèi)部被提供給襯底的外 緣部時(shí)，只要施加小的力解理就會(huì)自發(fā)地啟動(dòng)，因此，與施加了過度的力的情況相比抑制了 解理面中高低差的產(chǎn)生。作為用于向襯底外緣部提供拉伸應(yīng)力的特定的方法，本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)了一種 在襯底的外周部進(jìn)行晶體生長的同時(shí)形成摻雜濃度高的區(qū)域的方法。也就是說，摻雜濃度 高的區(qū)域形成于生長區(qū)域的外周部，并且由于根據(jù)物理性質(zhì)摻雜的失配而產(chǎn)生拉伸應(yīng)力。 但是，具有拉伸應(yīng)力的區(qū)域的寬度優(yōu)選設(shè)定在從具有例如25mm以上的直徑的襯底的外緣 部開始5mm以內(nèi)。如果具有拉伸應(yīng)力的區(qū)域?qū)捰?mm，則整個(gè)襯底有彎曲的危險(xiǎn)。進(jìn)而，即 使在具有拉伸應(yīng)力的區(qū)域的寬度狹窄的情況下，在襯底外緣部的具有拉伸應(yīng)力的區(qū)域和襯 底中心側(cè)區(qū)域之間的邊界也需要應(yīng)力的急劇變化。但是，通常在晶體的生長過程中，難于將 摻雜劑原料僅局限在狹窄的區(qū)域內(nèi)提供而不使所述原料擴(kuò)散。因此，本發(fā)明的發(fā)明人設(shè)計(jì)了一種根據(jù)晶面指數(shù)利用摻雜劑摻入效率的差異方 法。例如，即使在相同的生長條件下，生長于(10-11)面或(11-22)面上的GaN有時(shí)摻入比 在(0001)面(C面)上生長的GaN高幾乎1000倍的氧。也就是說，在將要以例如C面作為主 面的方式生長的晶體的外周部上，形成了傾斜晶面(facet)(例如由(10-11)面或(11_22) 面形成的面，等)，并且在將氧或氧化合物供給至環(huán)境的同時(shí)進(jìn)行晶體生長。因而，兩個(gè)不同 的區(qū)域可以橫跨急劇升降的界面而形成，例如以傾斜晶面的方式生長的外周部的氧摻雜濃 度高的區(qū)域，和以c面的方式生長的中心側(cè)部分的氧摻雜濃度低的區(qū)域。但是，在處理和進(jìn)行外延生長的過程中，過量的拉伸應(yīng)力在個(gè)別情況(trivial chance)下會(huì)導(dǎo)致襯底產(chǎn)生未預(yù)料到的裂紋。拉伸應(yīng)力即使過量很小的情況下，解理性質(zhì)的 改善效果也不會(huì)體現(xiàn)出來。因此，拉伸應(yīng)力需要在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)進(jìn)行調(diào)整?？梢酝ㄟ^調(diào)整 襯底的外周部和中心部側(cè)之間的摻雜濃度的差異，也可以通過對(duì)襯底外周部進(jìn)行磨削加工 以減小拉伸應(yīng)力產(chǎn)生部的寬度來調(diào)節(jié)拉伸應(yīng)力。以下將對(duì)根據(jù)本發(fā)明的IIIA族氮化物半導(dǎo)體襯底及其制造方法的實(shí)施方式進(jìn)行 說明。根據(jù)本實(shí)施方式的IIIA族氮化物半導(dǎo)體襯底是直徑為25mm以上且厚度為250 μ m 以上的IIIA族氮化物半導(dǎo)體襯底，其中，在從所述的IIIA族氮化物半導(dǎo)體襯底的外緣開始 5mm以內(nèi)的外緣部中至少一個(gè)外緣側(cè)部分中，所述的IIIA族氮化物半導(dǎo)體襯底的主面內(nèi)的 應(yīng)力為拉伸應(yīng)力，而且與相對(duì)于所述的IIIA族氮化物半導(dǎo)體襯底外緣側(cè)部分為中心側(cè)部 分的應(yīng)力相比，所述拉伸應(yīng)力相對(duì)變大。通過將具有拉伸應(yīng)力的部分提供給從所述的IIIA族氮化物半導(dǎo)體襯底的外緣開 始5mm以內(nèi)的外緣部，可以促進(jìn)解理過程中裂紋的自發(fā)傳播，從而可以抑制解理面中高低
差的產(chǎn)生。優(yōu)選地，襯底的外緣部所具有的拉伸應(yīng)力的大小設(shè)定在30MPa以上且在150MPa以 下。這是因?yàn)楫?dāng)拉伸應(yīng)力設(shè)定在30MPa以上時(shí)，可以有效抑制解理面中高低差的產(chǎn)生，而當(dāng) 拉伸應(yīng)力超過150MPa時(shí)，襯底在操作過程中破損成不規(guī)則形狀的發(fā)生頻率會(huì)增加。拉伸應(yīng)力的大小進(jìn)一步優(yōu)選在50MPa以上且在120MPa以下。IIIA族氮化物半導(dǎo)體襯底主面內(nèi)的應(yīng)力(拉伸應(yīng)力)可以通過例如光彈性測定獲 得。這里，光彈性測定是一種測定透過樣品的光的相位的偏差量的方法，所述的偏差由雙折 射引起，由于相位的偏差量和樣品的應(yīng)力之間存在相關(guān)性，因而使得樣品應(yīng)力的測定成為 可能。襯底外緣部的拉伸應(yīng)力相對(duì)大于中心側(cè)部分的拉伸應(yīng)力，并且這種情況包括襯底 中心側(cè)部分的拉伸應(yīng)力小于外緣部的情況、以及襯底中心側(cè)部分具有零應(yīng)力的情況、或者 襯底的中心側(cè)部分具有壓縮應(yīng)力的情況。進(jìn)而，所述IIIA族氮化物半導(dǎo)體襯底的主面優(yōu)選形成為c面或者自該c面開始傾 斜的傾斜面。這是因?yàn)楫?dāng)IIIA族氮化物半導(dǎo)體襯底的主面為c面或者臨近c(diǎn)面的傾斜面 時(shí)，適宜使例如發(fā)光器件的元件結(jié)構(gòu)在IIIA族氮化物半導(dǎo)體襯底(自支撐襯底)上生長。 再者注意到，除了 c面或者自該c面開始傾斜的傾斜面之外，IIIA族氮化物半導(dǎo)體襯底的 主面可以是a面、m面或者自a面或m面開始傾斜的傾斜面。其中，自c面等開始傾斜的傾 斜面優(yōu)選為相對(duì)于c面等的傾斜角度為10°以內(nèi)范圍的面。所述的IIIA族氮化物半導(dǎo)體襯底優(yōu)選為自支撐襯底。所述的“自支撐襯底”指能 夠保持自身的形狀并且還具有在處理時(shí)不會(huì)產(chǎn)生不便的強(qiáng)度。為了具備這樣的強(qiáng)度，自支 撐襯底的厚度優(yōu)選設(shè)定在250 μ m以上。進(jìn)一步地，考慮到在自支撐襯底上形成元件后使解 理容易進(jìn)行，自支撐襯底的厚度優(yōu)選設(shè)定在Imm以下。所述的IIIA族氮化物半導(dǎo)體襯底優(yōu)選形成直徑為25mm以上的自支撐襯底。所述 的IIIA族氮化物半導(dǎo)體襯底的直徑取決于制造過程中使用的基礎(chǔ)襯底(晶種襯底)的直 徑，并且通過采用大直徑的基礎(chǔ)襯底，也可以相應(yīng)地得到大直徑的自支撐襯底。例如，直徑 為6英寸(152. 4mm)的藍(lán)寶石襯底是商業(yè)供應(yīng)的，因此通過使用這種藍(lán)寶石襯底可以制造6 英寸直徑的GaN晶種襯底，并進(jìn)而采用所述的GaN晶種襯底可以制造6英寸直徑以下的自 支撐襯底。接下來，將對(duì)根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的IIIA族氮化物半導(dǎo)體襯底的制造方法進(jìn) 行說明。IIIA族氮化物半導(dǎo)體襯底的制造方法包括步驟制備晶種襯底；以及將原料供給至所述的晶種襯底，并在其上晶體生長IIIA族氮化物半導(dǎo)體層，其中，在所述的晶種襯底上晶體生長所述的IIIA族氮化物半導(dǎo)體層的步驟中，所 述的IIIA族氮化物半導(dǎo)體層在其外周部晶體生長，同時(shí)形成了生長面，從而其朝向晶種襯 底的主面方向傾斜角度為大于0°且小于90°，所述的具有傾斜生長面的外周部的IIIA族 氮化物半導(dǎo)體層的摻雜濃度被設(shè)定為高于相對(duì)于所述的外周部的中心側(cè)的IIIA族氮化物 半導(dǎo)體層的摻雜濃度。為了在IIIA族氮化物半導(dǎo)體層的外周部上形成傾斜生長面的同時(shí)進(jìn)行晶體生 長，例如有一種方法是晶種襯底表面的外周部被覆蓋上環(huán)狀的掩模，并且當(dāng)IIIA族氮化 物半導(dǎo)體層的晶體生長在所述掩模內(nèi)的晶種襯底上進(jìn)行時(shí)，所述的晶體生長基于在IIIA 族氮化物半導(dǎo)體層的外周部上形成傾斜晶面的生長條件進(jìn)行。易于摻入例如氧的摻雜劑的面被選擇作為傾斜生長面。例如，當(dāng)GaN晶體以c面作為主面的方式生長時(shí)，晶體生長以這樣一種方式進(jìn)行在所述晶體的外周部上形成傾斜 晶面，其由相當(dāng)于(10-11)面的{10-11}面或者相當(dāng)于(11-22)面的{11-22}面形成。例如GaN襯底的IIIA族氮化物半導(dǎo)體襯底、藍(lán)寶石襯底或者GaAs襯底被用作晶 種襯底(基礎(chǔ)襯底)。進(jìn)而，由IIIA族氮化物半導(dǎo)體層制造的IIIA族氮化物半導(dǎo)體襯底可 以是所述的GaN襯底、AlN襯底或者AlGaN襯底。HVPE或者M(jìn)OVPE可以作為氣相外延生長用于IIIA族氮化物半導(dǎo)體層的晶體生長。 但特別優(yōu)選采用HVPE。例如通過采用HVPE，GaN生長進(jìn)行如下。將HCl氣體供給至裝有熔 融的Ga的容器中，從而產(chǎn)生GaCl氣體，將所述的GaCl氣體和獨(dú)立導(dǎo)入的NH3氣體供給至 在HVPE裝置的生長爐中處于加熱狀態(tài)的晶種襯底，然后GaCl和NH3在晶種襯底的表面上 反應(yīng)，從而使GaN晶體在其上生長。例如GaN的IIIA族氮化物半導(dǎo)體的晶體生長在生長爐中進(jìn)行，所述的生長爐安裝 于有氧氣或氧化合物氣體存在的環(huán)境中，以使得IIIA族氮化物半導(dǎo)體晶體摻雜氧。氧氣或 氧化合物氣體由在其中進(jìn)行晶體生長的生長爐的外部供給，或者通過例如構(gòu)成生長爐的反 應(yīng)管的石英部件與生長爐中的環(huán)境氣體之間反應(yīng)生成的氧等供給。例如構(gòu)成生長爐的反應(yīng)管的石英部件與生長爐中的環(huán)境氣體之間反應(yīng)生成氧氣 的詳細(xì)機(jī)理還不清楚。在屬于熱壁系統(tǒng)的HVPE中，通過外部的加熱器將石英反應(yīng)管等加熱 至高溫，并且在HVPE中使用氯化物原料(例如HCl氣體)。所以，氯化物原料和石英部件在 高溫下相互接觸使石英分解，從而產(chǎn)生含有Si(硅)或0(氧)的氣體。因而，可以認(rèn)為與 屬于冷壁系統(tǒng)且不使用氯化物原料的MOVPE相比，通過HVPE生長的GaN容易摻雜Si和0。例如反應(yīng)管的石英部件與生長爐中的環(huán)境氣體之間反應(yīng)生成氧氣的量可以調(diào)節(jié)， 舉例如下。當(dāng)與源氣體接觸的石英部件(設(shè)置在生長爐的高溫區(qū)域)的表面積增加時(shí)，氧 的量就會(huì)增加，而當(dāng)生長爐的高溫區(qū)域由例如石墨構(gòu)成時(shí)，氧的量就會(huì)減少。進(jìn)而，即使在 生長條件下，也可以對(duì)氧氣的量進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)生長速度和生長溫度增加時(shí)，大量的氧可能會(huì) 摻入所述的IIIA族氮化物半導(dǎo)體晶體。當(dāng)IIIA族氮化物半導(dǎo)體層摻雜了氧時(shí)，具有傾斜生長面的外周部的IIIA族氮化 物半導(dǎo)體層中氧的濃度優(yōu)選設(shè)定在IXlO18cnT3以上且在5X102°cm_3以下。通過將氧的濃 度設(shè)定在這個(gè)范圍，能抑制解理過程中高低差產(chǎn)生的適宜的拉伸應(yīng)力就可以被施加給IIIA 族氮化物半導(dǎo)體襯底的外緣部。相對(duì)于外周部的中心側(cè)部分的IIIA族氮化物半導(dǎo)體層中 氧的濃度優(yōu)選設(shè)定在不高于一般的次級(jí)離子質(zhì)譜儀(SIMS)的下限值(2X IO16CnT3)。在晶體生長IIIA族氮化物半導(dǎo)體層的步驟之后，可以進(jìn)行磨削IIIA族氮化物半 導(dǎo)體層的外周部的步驟。通過使IIIA族氮化物半導(dǎo)體襯底具有不同的摻雜濃度，可以提供 拉伸應(yīng)力或?qū)ζ溥M(jìn)行調(diào)節(jié)。但是，通過磨削IIIA族氮化物半導(dǎo)體襯底的外周部，除了提供 摻雜濃度的差異之外，拉伸應(yīng)力部的寬度可以調(diào)小。需要注意的是，如后面將描述的實(shí)施例所示，當(dāng)加入高濃度的氧并且將拉伸應(yīng)力 施加到具有傾斜生長面的外周部時(shí)，在相對(duì)于外周側(cè)的中心側(cè)的具有低氧濃度的IIIA族 氮化物半導(dǎo)體層的區(qū)域仍保留有拉伸應(yīng)力。因此，即使通過磨削加工將具有傾斜面的外周 部完全去除，仍然可以得到解理性質(zhì)優(yōu)良的IIIA族氮化物半導(dǎo)體襯底。實(shí)施例以下將對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行描述。
實(shí)施例1在實(shí)施例1中，制造了在襯底外周部具有拉伸應(yīng)力部的GaN襯底。將使用圖1描 述根據(jù)實(shí)施例1的GaN襯底的生產(chǎn)步驟和得到的GaN襯底的解理。首先，以c面(Ga面)為主面(生長面)的方式制備直徑為60mm且厚度為400 μ m 的圓盤狀的GaN自支撐襯底(晶種襯底)1 (圖la)。通過光彈性測定確認(rèn)晶種襯底1的應(yīng) 力分布基本是均勻的。需要注意的是，在圖Ia至圖Ie的每個(gè)圖中，上部是平面圖，下部是 剖面圖，圖If是解理為條狀的GaN襯底的透視圖。接下來，具有直徑為55mm的圓形開口的環(huán)狀高純度碳掩模2重疊在晶種襯底 1 (圖lb)上，其隨后被以重疊狀態(tài)設(shè)置在HVPE裝置的生長爐中，并且以c面作為生長表面 的方式進(jìn)行GaN的均質(zhì)外延生長。GaCl氣體和NH3氣體用作GaN生長用的原料。通過設(shè)置 在生長爐上游區(qū)域的Ga熔融液和HCl氣體之間的反應(yīng)產(chǎn)生GaCl氣體。GaCl氣體和NH3氣 體的分壓分別設(shè)定為0. SkPa和5kPa。H2和N2的混合氣體作為載氣。進(jìn)而，加入5Pa的氧 氣并將其供給至生長爐。生長爐內(nèi)的壓力為大氣壓力(atmospheric pressure)，生長溫度 設(shè)定為1060°C。此時(shí)，生長速度約為120 μ m/h。經(jīng)過5小時(shí)的生長，得到600 μ m的GaN層 3(圖 lc)。在GaN層3 (從外緣開始沿半徑方向向內(nèi)約350 μ m的部分)的外周部上形成了由 {10-11}面和{11-22}面形成的傾斜生長面4。SIMS分析的結(jié)果確認(rèn)生長于GaN層3的 傾斜生長面4內(nèi)側(cè)的c面生長部的氧的濃度顯示為檢出下限(2X1016cm_3)以下，而生長于 傾斜生長面4的傾斜生長部的氧的濃度顯示為lX1019cm_3。因此，發(fā)現(xiàn)了 c面生長部和傾 斜生長部之間的氧的濃度有很大的差異。將使用圖6a至圖6c對(duì)處于生長狀態(tài)的GaN層3的詳細(xì)情況進(jìn)行進(jìn)一步的描述。 圖6a是處于生長狀態(tài)的GaN層3的平面視圖(上側(cè)視圖)，圖6b是GaN層3側(cè)面視圖，圖 6c是作為GaN層3的傾斜生長面4的一部分的圓錐面部4b的放大的剖面圖。如圖6a和圖6b所示，所述的GaN層3整體上形成為截頭圓錐形(frustconical)。 GaN層3的上表面3a形成為c面，作為GaN層3側(cè)面的傾斜生長面4形成為平面部4a和圓 錐面部4b。平面部4a為{10-11}面，并且沿著截頭圓錐形的GaN層3的外周每隔60度出 現(xiàn)在6個(gè)位置。平面部4a和4a之間的圓錐面部4b肉眼看起來像圓錐面。但是在顯微鏡 下以放大的狀態(tài)觀察圓錐面部4b時(shí)，如圖6c所示，{10-11}面和{11-22}面形成了精細(xì)地 交替排列的凹凸不平的表面。需要注意的是，圖6c中的點(diǎn)劃線表示肉眼觀察到的被認(rèn)為是 平滑表面的圓錐面的剖面的輪廓線R。GaN生長結(jié)束后，將襯底的后表面?zhèn)?晶種襯底1側(cè))磨削掉500 μ m，并且完全去 除晶種襯底1，然后進(jìn)行鏡面表面磨光。進(jìn)而對(duì)襯底的前表面?zhèn)?GaN層3側(cè))也進(jìn)行磨削 和磨光，從而得到直徑為55mm且厚度為400 μ m的具有傾斜生長部的GaN襯底5 (圖Id)。 對(duì)GaN襯底5再次進(jìn)行光彈性測定，確認(rèn)在自GaN襯底5的邊緣(外緣)開始約3mm以內(nèi) 的外周部中觀察到了同心的條狀圖案，并且在外周部中產(chǎn)生了拉伸應(yīng)力(稱為“外周拉伸 應(yīng)力”)。進(jìn)而，對(duì)GaN襯底5的包括傾斜生長部的外周部進(jìn)行磨削、加工成直徑為2英寸 (50. 8mm)，進(jìn)而得到直徑為2英寸的圓盤狀的GaN襯底6 (圖Ie)。即使是經(jīng)過磨削的包括 傾斜生長部的外周部的GaN襯底6，當(dāng)對(duì)其進(jìn)行光彈性測定時(shí)，發(fā)現(xiàn)保留了約50MPa的外周拉伸應(yīng)力。雖然作為外周拉伸應(yīng)力產(chǎn)生原因的高氧濃度區(qū)(傾斜生長部)被完全去除，仍 然保留了拉伸應(yīng)力。其原因因此推測如下作為在外周部拉伸應(yīng)力的影響下進(jìn)行晶體生長 的結(jié)果，中心側(cè)c面生長部的缺陷分布發(fā)生了變化，其結(jié)果是應(yīng)力分布發(fā)生了變化。通過前述加工所得到的GaN襯底6被設(shè)置在MOVPE裝置中，在GaN襯底6上生長 具有LD(激光二極管)結(jié)構(gòu)的外延層。TMG(三甲基鎵)、TMA(三甲基鋁)、TMI (三甲基銦) 和NH3作為原料使用。在GaN襯底6上依次生長作為具有LD結(jié)構(gòu)的外延層的η型AlGaN包 覆層(clad layer)、具有GaN阻擋層/InGaN阱層的多重量子阱(MQW)結(jié)構(gòu)的活性層、ρ型 AlGaN包覆層和ρ型GaN接觸層。此后，對(duì)外延襯底的GaN襯底6側(cè)的后表面進(jìn)行磨削，直 至整體的厚度為200 μ m。對(duì)得到的外延襯底的后表面?zhèn)?GaN襯底6側(cè))的邊緣部，采用鉆石刻線裝置沿著 m面作Imm長的位置線(scribe line)。隨后，位置線的兩側(cè)都被平型的鑷子(flat type tweenzers)夾在中間，并通過刻線打開切口(縫隙)對(duì)其施加極其輕微的力，就簡單地完成
了解理。以相同的方法，將直徑為2英寸的GaN襯底6解理成每個(gè)均具有5mm寬度的條 7(圖If)，使用微分干涉顯微鏡檢查從刻線的邊緣部開始20mm以內(nèi)的解理面8的區(qū)域(圖 中的網(wǎng)格區(qū)域)中產(chǎn)生的高低差的密度。也就是說，在微分干涉顯微鏡下，對(duì)前面所述的區(qū) 域的解理面8中產(chǎn)生的高低差進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而通過以觀察到的寬度20mm除所述的總數(shù)即求
得“高低差密度”。相同的高低差密度的測定可以應(yīng)用于通過變化GaN層3的傾斜生長部的氧的濃 度、通過變化GaN層3生長過程中環(huán)境(atmosphere)中氧氣的分壓而制造的各種GaN襯底 6。光彈性方法用于測定GaN襯底6的外周應(yīng)力，并且測定從GaN襯底6邊緣開始Imm位置 處的值。外周拉伸應(yīng)力和傾斜生長部的氧的濃度之間的相互關(guān)系示于圖2。如圖2所示，觀 察到與傾斜生長部的氧的濃度的增加一致，所述的外周拉伸應(yīng)力也有增加的傾向。進(jìn)而，解理面的高低差密度和外周拉伸應(yīng)力之間的關(guān)系的測量結(jié)果示于圖3。發(fā) 現(xiàn)在30MPa以上的外周拉伸應(yīng)力下獲得了強(qiáng)大的高低差抑制效果，并且在50MPa以上時(shí)獲 得了更加顯著的高低差抑制效果。而且，如圖3所示，發(fā)現(xiàn)當(dāng)外周拉伸應(yīng)力超過120MPa時(shí)， 在MOVPE生長過程中和MOVPE生長后或者在隨后的磨削加工過程中，襯底破損成不規(guī)則形 狀的發(fā)生頻率(稱為“裂紋產(chǎn)生率”)會(huì)增加，并且當(dāng)外周拉伸應(yīng)力超過150MPa時(shí)，裂紋產(chǎn) 生率就會(huì)迅速增加。由上面的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，通過將外周拉伸應(yīng)力設(shè)定在30MPa以上且在 150MPa以下，得到了良好的效果，通過將其設(shè)定在50MPa以上且在120MPa以下得到了更優(yōu) 選的效果。進(jìn)一步地，與具有低的裂紋發(fā)生率、具有小于120MPa的外周拉伸應(yīng)力的GaN襯底 6相關(guān)的是，LD實(shí)際上由高低差密度已經(jīng)測定的部分制造而得，并評(píng)價(jià)LD的產(chǎn)率。LD的產(chǎn) 率以這樣一種方式進(jìn)行評(píng)價(jià)閾電流值高于正常值20%以上的LD被認(rèn)為是缺陷產(chǎn)品。其 結(jié)果示于圖4。發(fā)現(xiàn)外周拉伸應(yīng)力的大小為30MPa以上時(shí)，可以獲得極好的產(chǎn)率。實(shí)施例2首先，采用與實(shí)施例1相同的方法制造GaN襯底6。但調(diào)節(jié)了 HVPE生長過程中氧 的供應(yīng)量，以使得GaN層3的傾斜生長部的氧的濃度為5X102°cm_3。進(jìn)一步地，增加了具有 傾斜生長部的GaN襯底5的外周部的磨削量，以使得GaN襯底6的直徑為45mm。通過光彈性測定確認(rèn)，對(duì)其進(jìn)行外周磨削之后，實(shí)施例2的GaN襯底6上保留了 SOMPa的外周拉伸應(yīng) 力。通過MOVPE法，在GaN襯底6上生長與實(shí)施例1相似的具有LD結(jié)構(gòu)的外延層，然 后對(duì)其后表面磨削加工成厚度為200 μ m,之后解理GaN襯底來檢查解理面的高低差密度。 然后得到了極好的值0.08/mm。這時(shí)，以與實(shí)施例1相同的方法評(píng)價(jià)LD產(chǎn)率，約為極好的 97%。比較例在比較例中，通過使用具有主面(c面)內(nèi)應(yīng)力分布均勻的GaN自支撐襯底來檢查 解理性質(zhì)。首先，以與實(shí)施例1相似的c面(( 面)設(shè)置為主面的方式，制備直徑為2英寸 且厚度為400 μ m的GaN自支撐襯底(晶種襯底)。通過光彈性測定確認(rèn)晶種襯底的應(yīng)力分 布基本是均勻的。接下來，將GaN的晶種襯底設(shè)置在MOVPE裝置中，并且以于實(shí)施例1相同的方法生 長具有LD結(jié)構(gòu)的外延層。此后，對(duì)后表面進(jìn)行磨削加工直至整體的厚度為200 μ m。對(duì)得到的外延襯底的邊緣部，采用鉆石刻線裝置沿著m面作Imm長的位置線。位 置線的兩側(cè)都被平型的鑷子夾在中間，并通過刻線對(duì)其施加力以打開切口，就對(duì)LD外延襯 底進(jìn)行了解理。需要比實(shí)施例1、2更強(qiáng)的力。以與實(shí)施例1相同的方法檢查解理平面中的 高低差密度，觀察到了約1. 5/mm的高的密度。進(jìn)而，以與實(shí)施例1相同的方法評(píng)價(jià)LD的產(chǎn) 率，約為極低的陽％。實(shí)施例3在實(shí)施例3中，使用直徑為6英寸(152. 4mm)的GaN自支撐襯底(晶種襯底)1和 具有直徑為147. 4mm的圓形開口的環(huán)狀的高純度碳掩模2來進(jìn)行1200 μ m的GaN層3的生 長。此外，以與實(shí)施例1相似的方法，制得了厚度為1000 μ m且底部直徑為147. 4mm而且具 有傾斜生長面的GaN襯底5。需要注意的是，直徑為6英寸的晶種襯底1通過如下方法獲得在直徑為6英寸的 藍(lán)寶石襯底上形成GaN薄膜并氣相沉積Ti層，并通過對(duì)其進(jìn)行熱處理，在GaN薄膜上形成 間隙結(jié)構(gòu)，然后通過HVPE法使GaN在其上長厚，并從間隙結(jié)構(gòu)部分剝離藍(lán)寶石襯底。即便在實(shí)施例3的GaN襯底5中，以與實(shí)施例1相同的方法，確認(rèn)在自GaN襯底5 的邊緣開始約3mm以內(nèi)的外周部中觀察到了同心的條狀圖案，并產(chǎn)生了外周拉伸應(yīng)力。對(duì)GaN襯底5的包括傾斜生長部的外周部進(jìn)行磨削加工，進(jìn)而得到直徑為143mm 的GaN襯底6。當(dāng)對(duì)GaN襯底6進(jìn)行光彈性測定時(shí)發(fā)現(xiàn)，保留了約50MPa的外周拉伸應(yīng)力。采用MOVPE法，在實(shí)施例3的GaN襯底6上生長具有與實(shí)施例1相似結(jié)構(gòu)的LD的 外延層，然后對(duì)其進(jìn)行后表面磨削以加工為200 μ m的厚度，并解理GaN襯底6來檢查解理 面中的高低差密度，之后得到了很好的值0. 1/mm。進(jìn)一步地，以與實(shí)施例1相同的方法評(píng)價(jià) LD的產(chǎn)率，約為96%，這是一個(gè)很好的值。實(shí)施例4除了使用以自c面開始傾斜10度的傾斜面作為主面的GaN自支撐襯底(晶種襯 底)1這點(diǎn)之外，采用與實(shí)施例1相似的制造步驟，通過磨削包括傾斜生長部的外周部，得到 了直徑為2英寸且厚度為400 μ m的GaN襯底6。實(shí)施例4的GaN襯底6的生長面形成自c 面開始傾斜10度的傾斜面。當(dāng)對(duì)GaN襯底6進(jìn)行光彈性測定時(shí)，保留了約50MPa的外周拉伸應(yīng)力。采用MOVPE法，在實(shí)施例4的GaN襯底6上生長具有與實(shí)施例1相似結(jié)構(gòu)的LD的 外延層，然后對(duì)其進(jìn)行后表面磨削以加工為200 μ m的厚度，并解理所述GaN襯底來檢查解 理面中的高低差密度。然后發(fā)現(xiàn)，解理面中的高低差密度為0.09/mm，這是一個(gè)很好的值。 進(jìn)一步地，以與實(shí)施例1相同的方法評(píng)價(jià)LD的產(chǎn)率，約為98%，這是一個(gè)很好的值。在上面所述的實(shí)施例中，描述了一種制造GaN襯底的情況。但是，除了 GaN，本發(fā) 明還可適當(dāng)?shù)赜糜谥圃煊善渌鸌IIA族氮化物半導(dǎo)體(例如AlN和AKiaN)構(gòu)成的襯底。進(jìn) 而，除了 HVPE法之外，本發(fā)明可類似地應(yīng)用于高溫高壓法、液相生長(例如Na助熔劑)法 以及氨熱法(ammonothermal method)。
權(quán)利要求
1.一種IIIA族氮化物半導(dǎo)體襯底，其直徑為25mm以上且厚度為250 μ m以上，其中， 在從所述的IIIA族氮化物半導(dǎo)體襯底的外緣開始5mm以內(nèi)的外緣部的至少一個(gè)外緣側(cè)部 分中，所述的IIIA族氮化物半導(dǎo)體襯底的主面內(nèi)的應(yīng)力為拉伸應(yīng)力，而且與相對(duì)于所述的 IIIA族氮化物半導(dǎo)體襯底外緣側(cè)部分的中心側(cè)部分的應(yīng)力相比，所述的拉伸應(yīng)力相對(duì)變大。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的IIIA族氮化物半導(dǎo)體襯底，其中，所述外緣側(cè)部分的拉伸應(yīng) 力的大小為30MPa以上且150MPa以下。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的IIIA族氮化物半導(dǎo)體襯底，其中，所述的主面是c面或自該 c面傾斜的傾斜面。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的IIIA族氮化物半導(dǎo)體襯底，其中，所述的主面是c面或自該 c面傾斜的傾斜面。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的IIIA族氮化物半導(dǎo)體襯底，其中，所述的IIIA族氮化物半導(dǎo) 體襯底為GaN襯底。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的IIIA族氮化物半導(dǎo)體襯底，其中，所述的IIIA族氮化物半導(dǎo) 體襯底為GaN襯底。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的IIIA族氮化物半導(dǎo)體襯底，其中，所述的傾斜面是自該c面 傾斜角度范圍為10°的表面。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的IIIA族氮化物半導(dǎo)體襯底，其中，所述的IIIA族氮化物半導(dǎo) 體襯底的厚度為Imm以下。
9.一種IIIA族氮化物半導(dǎo)體襯底的制造方法，其包括如下步驟制備晶種襯底；以及將原料供給至所述的晶種襯底，并在其上晶體生長IIIA族氮化物半導(dǎo)體層，其中，在所述的晶種襯底上晶體生長所述的IIIA族氮化物半導(dǎo)體層的步驟中，所述的 IIIA族氮化物半導(dǎo)體層在其外周部晶體生長，同時(shí)形成了生長面，從而其朝向晶種襯底的 主面方向傾斜角度為大于0°且小于90°，所述的具有傾斜的生長面的外周部的IIIA族氮 化物半導(dǎo)體層的摻雜濃度被設(shè)定為高于相對(duì)于所述的外周部的中心側(cè)的IIIA族氮化物半 導(dǎo)體層的摻雜濃度。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的IIIA族氮化物半導(dǎo)體襯底的制造方法，其中，在所述的 IIIA族氮化物半導(dǎo)體層的晶體生長中使用氫化物氣相外延，并且所述的晶體生長在有氧氣 或氧化合物氣體存在的環(huán)境中進(jìn)行。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的IIIA族氮化物半導(dǎo)體襯底的制造方法，其中，所述的氧氣 或氧化合物氣體由在其中進(jìn)行晶體生長的生長爐的外部供給，或者由構(gòu)成生長爐的石英部 件與生長爐中的環(huán)境氣體之間的反應(yīng)生成。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的IIIA族氮化物半導(dǎo)體襯底的制造方法，其中，添加到具 有傾斜生長面的外周部的IIIA族氮化物半導(dǎo)體襯底中的氧的濃度為IXlO18cnT3以上且 5 X IO20CnT3 以下。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的IIIA族氮化物半導(dǎo)體襯底的制造方法，其包括在晶體生長 所述的IIIA族氮化物半導(dǎo)體層的步驟之后，磨削所述的IIIA族氮化物半導(dǎo)體層的外周部 的步驟。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的IIIA族氮化物半導(dǎo)體襯底的制造方法，其包括在晶體生長 所述的IIIA族氮化物半導(dǎo)體層的步驟之后，磨削所述的IIIA族氮化物半導(dǎo)體層的外周部 的步驟。
15.根據(jù)權(quán)利要求9所述的IIIA族氮化物半導(dǎo)體襯底的制造方法，其中，所述的IIIA 族氮化物半導(dǎo)體層為GaN層。
16.根據(jù)權(quán)利要求10所述的IIIA族氮化物半導(dǎo)體襯底的制造方法，其中，所述的IIIA 族氮化物半導(dǎo)體層為GaN層。
17.根據(jù)權(quán)利要求9所述的IIIA族氮化物半導(dǎo)體襯底的制造方法，其中，在晶體生長所 述的IIIA族氮化物半導(dǎo)體層的步驟中，所述晶種襯底表面的外周部被掩模覆蓋，并且在所 述掩模內(nèi)的晶種襯底上晶體生長所述的11IA族氮化物半導(dǎo)體層。
18.根據(jù)權(quán)利要求9所述的IIIA族氮化物半導(dǎo)體襯底的制造方法，其中，所述晶種襯底 的主面是c面或自該c面傾斜的傾斜面。
19.根據(jù)權(quán)利要求10所述的IIIA族氮化物半導(dǎo)體襯底的制造方法，其中，所述晶種襯 底的主面是c面或自該c面傾斜的傾斜面。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的IIIA族氮化物半導(dǎo)體襯底的制造方法，其中，所述的傾斜 生長面是{10-11}面和{11-22}面。
全文摘要
本發(fā)明提供一種IIIA族氮化物半導(dǎo)體襯底及其制造方法，其直徑為25mm以上且厚度為250μm以上，其中，在從所述的IIIA族氮化物半導(dǎo)體襯底的外緣開始5mm以內(nèi)的外緣部的至少一個(gè)外緣側(cè)部分中，所述的IIIA族氮化物半導(dǎo)體襯底的主面內(nèi)的應(yīng)力為拉伸應(yīng)力，而且與相對(duì)于所述的IIIA族氮化物半導(dǎo)體襯底外緣側(cè)部分的中心側(cè)部分的應(yīng)力相比，所述的拉伸應(yīng)力相對(duì)變大。
文檔編號(hào)C30B25/20GK102102223SQ201010295710
公開日2011年6月22日 申請(qǐng)日期2010年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月18日
發(fā)明者大島佑一 申請(qǐng)人:日立電線株式會(huì)社