CN102272891B - 外延生长用内部改性衬底和使用其制造的晶体成膜体、器件、块状衬底以及它们的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供蓝宝石衬底和使用其制造的氮化物半导体层成膜体、氮化物半导体器件、氮化物半导体块状衬底以及它们的制造方法，蓝宝石衬底主要是氮化物半导体层的外延生长用蓝宝石衬底，能够有效地精密地控制衬底的翘曲形状和/或翘曲量，且能够抑制成膜中产生的衬底的翘曲从而减小衬底的翘曲行为；在蓝宝石衬底的内部，透过上述蓝宝石衬底的磨光面侧而将脉冲激光会聚并进行扫描，从而利用基于上述脉冲激光的多光子吸收形成改性区域图形，而控制蓝宝石衬底的翘曲形状和/或翘曲量；使用通过本发明得到的蓝宝石衬底形成氮化物半导体层的话，由于能够抑制成膜中的衬底的翘曲而减小衬底的翘曲行为，因此膜的质量和均匀性提高，从而能够提高氮化物半导体器件的质量和成品率。

Description

外延生长用内部改性衬底和使用其制造的晶体成膜体、器件、块状衬底以及它们的制造方法
技术领域
本发明涉及的是外延生长用内部改性衬底和使用其制造的晶体成膜体、器件、块状衬底以及它们的制造方法。
背景技术
以氮化镓为代表的氮化物半导体，由于带隙宽且能够发出蓝色系光，因此，被广泛地使用于LED(发光二极管)或LD(半导体激光器)等中。近年来，对进一步提高发光效率或高亮度化的研究被广泛地进行。
一般的氮化物半导体发光元件结构，具有在蓝宝石衬底上依次层压有由GaN构成的缓冲层、由n型GaN构成的n型接触层、由n型A1GaN构成的n型包层、由n型InGaN构成的活性层、由p型A1GaN构成的p型包层、由p型GaN构成的p型接触层的双异质结构。活性层，构成为包含仅具有由InxGa1-xN(0≤X≤1)构成的阱层的单量子阱(SQW：SingleQuantum Well)结构、或者由InxGa1-xN(0≤X≤1)构成的阱层和由InyGa1-yN(0≤y≤1、y＜x)构成的阻挡层的多量子阱(MQW：Multi Quantum Well)结构中的In(专利文献1)。
在蓝宝石衬底上使上述的氮化镓层外延生长时，起因于氮化镓与蓝宝石的热膨胀系数差和晶格常数差而在成膜后的蓝宝石衬底上产生翘曲的情况，已被认知。
在非专利文献1中，对在蓝宝石衬底上外延生长AlN缓冲层和GaN层并如何根据GaN层的膜厚度来缓和通过成膜而产生的热应力，进行了调查。在该非专利文献1中，随着膜厚度变厚而衬底的翘曲变大，通过伴随于此产生界面缺陷(Interface Defects)、微观裂纹(Microcracks)或位错(Dislocation)、宏观裂纹(Macrocracks)来缓和应力的情况，已被明确。
另外，在非专利文献2的图4中，公开了对通过在蓝宝石衬底上外延生长GaN系LED结构的工序而产生的衬底的翘曲进行In-situ(原位)观察的分析方法。通过这样，发现在一系列的成膜工序中，由于成膜物质、成膜温度、膜厚度的变化而使蓝宝石衬底的曲率大幅变化。
而且，通过形成在作为活性层的InGaN层的生长阶段中蓝宝石衬底的曲率几乎为0那样的成膜工序，而使衬底面内的发光波长均匀化的情况，也被明确。
如上所述，可知通过一系列的成膜工序蓝宝石衬底的翘曲大幅变化，从而对氮化物半导体膜的质量或发光波长的均匀性带来影响。
实际上，利用与衬底的热膨胀系数差，以InGaN系活性层中衬底曲率几乎为0那样，而设定蓝宝石衬底的翘曲形状和翘曲量。在这样的背景下，为了控制蓝宝石衬底的形状和翘曲量，而研究了各种研磨加工技术(例如专利文献2)。
另一方面，在将蓝宝石衬底上层压有氮化物半导体的发光元件进行分割时，在具有80～90μm左右的厚度的蓝宝石衬底的内部，会聚脉冲激光而形成与发光元件的分割预定线对应的改性区域的技术已被认知(专利文献3)。专利文献3的发明，是即使对蓝宝石衬底照射激光光线而分割成各个发光元件，也能够抑制发光元件的亮度降低的蓝宝石衬底的加工方法，以发光元件的分割为目的。
专利文献1：日本公开公报、特许第3250438号
专利文献2：日本公开公报、特开2006-347776号
专利文献3：日本公开公报、特开2008-6492号
非专利文献1：Jpn.J.Appl.Phys.Vol.32(1993)pp.1528-1533
非专利文献2：J.Cryst.Growth、Vol.272、lssues1-4、(2004)、pp.94-99
发明内容
如上所述，存在由于通过得到氮化镓系发光二极管结构的一系列成膜工序而使蓝宝石衬底的翘曲大幅变化，因而氮化物半导体层的质量或发光波长的均匀性变差，从而发光二极管的成品率变低这样的问题。
针对该问题，在现有的方法中，采用以使InGaN系活性层的生长阶段中的衬底的曲率几乎为0那样而设定蓝宝石衬底的翘曲形状和翘曲量的方法。也就是，预先对蓝宝石衬底赋予在InGaN系活性层的生长阶段中产生的翘曲量部分而进行抵消这样的方法。通过这样，虽然能够某种程度地抑制发光波长的偏差，但是，存在在InGaN系活性层以外的成膜工程中产生的衬底的翘曲的问题无法解决这样的问题。
特别是，在n-GaN层生长阶段、或成膜结束后冷却衬底时，由于蓝宝石衬底大幅翘曲，因此存在膜质量和膜质量均匀性降低、或者衬底的晶背研磨加工无法均匀地进行等的问题。由于这些问题大幅影响发光二极管等器件的成品率，因此，需要通过成膜工序整体来抑制衬底的翘曲及其变化量，从而减小衬底的翘曲行为本身，但是，这样的蓝宝石衬底目前并不存在。
另外，在使蓝宝石衬底大口径化时，存在利用研磨加工进行的精密的翘曲形状和翘曲量的控制本身变困难这样的问题。在实施了研磨加工的蓝宝石衬底中，通常由于加工变形的残留或上下面的精加工的表面粗糙度的差异而在衬底上产生翘曲的情况，已被认知。例如，在单面被研磨的衬底中，主要是上下面的表面粗糙度不同成为翘曲的主要原因，在双面被研磨的衬底中，除了上下面的表面粗糙度稍微不同之外，衬底面内的表面粗糙度略微偏差也成为翘曲的主要原因。
特别是，在大口径衬底中，使衬底面内的表面粗糙度变均匀在技术上是困难的，从而存在仅通过研磨加工无法精密地控制成所希望的翘曲形状和翘曲量这样的技术限制的问题。
另外，若为了得到氮化物半导体块状衬底，而欲在蓝宝石衬底上使氮化物半导体的厚膜外延生长至能够自支撑(Free-standing)的厚度的话，则存在由于蓝宝石与氮化物半导体的热膨胀系数差而蓝宝石衬底大幅翘曲，进而由于膜厚度增加而翘曲量增大这样的问题。因此，结果在成膜中或成膜后产生裂纹，得到能够自支撑的氮化物半导体块状衬底实质上是不可能的。
作为这些的解决方法，提出了ELOG(Epitaxial Lateral Over Growth、侧向外延)法、或DEEP(Dislocation Elimination of Inverted-Pyramidal Pits)法、或VAS(Void-AssistedSeparation、间隙形成剥离)法等，但是，任意一种方法中都存在工序复杂这样的缺点。
鉴于这样的问题，本发明的目的在于，提供一种蓝宝石衬底和使用其制造的氮化物半导体层成膜体、氮化物半导体器件、氮化物半导体块状衬底以及它们的制造方法，其中，蓝宝石衬底是主要使用于氮化物半导体层的外延生长中的蓝宝石衬底，能够有效地精密地控制衬底的翘曲形状和/或翘曲量，且能够抑制成膜中产生的衬底的翘曲从而减小衬底的翘曲行为。
本发明者们发现，通过在使氮化物半导体层外延生长前的蓝宝石衬底的内部，使用脉冲激光形成改性区域图形，而能够控制蓝宝石衬底的应力，从而能够有效地控制衬底的翘曲形状和/或翘曲量。
另外，发现使用通过本发明得到的蓝宝石衬底形成氮化物半导体层的话，能够利用形成有改性区域图形的蓝宝石衬底的应力，将通过成膜而产生的应力抵消，从而能够抑制成膜工序中的衬底的翘曲而减小衬底的翘曲行为，从而完成了本发明。
也就是说，本发明的氮化物半导体层的外延生长用内部改性蓝宝石衬底，是通过外延生长而形成的氮化物半导体层的成膜中所使用的蓝宝石衬底，其特征在于，在上述蓝宝石衬底的内部形成利用了多光子吸收的改性区域图形，从而对翘曲形状和/或翘曲量进行控制，其中，多光子吸收是基于脉冲激光而产生的。
另外，本发明的氮化物半导体层的外延生长用内部改性蓝宝石衬底的特征在于，在上述蓝宝石衬底的内部，透过上述蓝宝石衬底的磨光面侧而将脉冲激光会聚并进行扫描，并利用多光子吸收形成改性区域图形，由此对翘曲形状和/或翘曲量进行控制从而进行制造，其中，多光子吸收是基于脉冲激光而产生的。
另外，本发明的氮化物半导体层的外延生长用内部改性蓝宝石衬底的特征在于，在上述发明的基础上，至少一种上述改性区域图形的平面形状，是带状、网格状、配置有多个多角形的形状、同心圆状、螺旋状、相对于通过蓝宝石衬底的中心点的直线呈略线对称或略点对称的形状中的任意一种。
另外，本发明的氮化物半导体层的外延生长用内部改性蓝宝石衬底的特征在于，在上述发明的基础上，至少一种上述改性区域图形的形成位置，是从上述内部改性蓝宝石衬底的成膜面起，为衬底厚度的3％以上95％以下的位置，构成上述改性区域图形的各线间的间距为50μm以上2000μm以下。
另外，本发明的氮化物半导体层的外延生长用内部改性蓝宝石衬底的特征在于，在上述发明的基础上，至少一种上述改性区域图形的平面形状，是相对于通过上述内部改性蓝宝石衬底的中心点的直线呈略线对称、略点对称的形状、网格状中的任意一种，上述改性区域图形的形成位置，是从上述内部改性蓝宝石衬底的成膜面起，为衬底厚度的3％以上50％以下的位置，构成上述改性区域图形的各线间的间距为50μm以上2000μm以下。
另外，本发明的氮化物半导体层成膜体的特征在于，在上述氮化物半导体层的外延生长用内部改性蓝宝石衬底的成膜面上，成膜至少一层氮化物半导体层而制造。
另外，本发明的氮化物半导体器件的特征在于，使用本发明的氮化物半导体层成膜体而制造。
另外，本发明的氮化物半导体块状衬底的特征在于，使用本发明的氮化物半导体层的厚膜而制造。
另外，本发明的氮化物半导体层的外延生长用内部改性蓝宝石衬底的特征在于，使用如下那样的改性区域图形形成用蓝宝石衬底而制造，即，上述改性区域图形形成前的蓝宝石衬底的形状是，上述氮化物半导体层的成膜面为凹面，且上述凹面的曲率大于0km-1小于等于160km-1的改性区域图形形成用蓝宝石衬底。
另外，本发明的氮化物半导体层的外延生长用内部改性蓝宝石衬底的特征在于，使用如下那样的改性区域图形形成用蓝宝石衬底而制造，即，上述改性区域图形形成前的蓝宝石衬底的形状是，上述氮化物半导体层的成膜面为凹面，且上述凹面的曲率为40km-1以上150km-1以下的改性区域图形形成用蓝宝石衬底。
另外，本发明的氮化物半导体层的外延生长用内部改性蓝宝石衬底的特征在于，使用如下那样的改性区域图形形成用蓝宝石衬底而制造，即，上述改性区域图形形成前的蓝宝石衬底的形状是，上述氮化物半导体层的成膜面为凹面，且上述凹面的曲率为85km-1以上150km-1以下的改性区域图形形成用蓝宝石衬底。
另外，本发明的改性区域图形形成用蓝宝石衬底的特征在于，直径为50mm以上300mm以下，厚度为0.05mm以上5.0mm以下。
本发明的内部改性蓝宝石衬底，能够适用于包括氮化物半导体在内的各种半导体层的外延生长。另外，能够适用于能够利用脉冲激光在内部形成改性区域图形的蓝宝石以外的所有单晶衬底。特别是，在使用于外延生长的单晶衬底中，由于不限于异质外延生长，在包含相同组成或混合晶的同质外延生长中也能够解决所产生的衬底的翘曲的问题，因此是有用的。因此，能够提高各种器件或各种块状衬底的质量或成品率。
本发明具有以下所记载的那样的效果。
采用权利要求1或2所记载的发明的话，在主要使用于通过外延生长而得到的结晶性膜的成膜中的单晶衬底中，能够有效地提供精密地控制了衬底的翘曲形状和/或翘曲量的单晶衬底。本发明，在仅进行研磨加工的话则控制在技术上变困难的大口径衬底中特别有效。另外，具有能够提供如下那样的单晶衬底的效果，即，能够抑制外延生长工序中产生的衬底的翘曲从而能够减小衬底的翘曲行为的单晶衬底。
采用权利要求3所记载的发明的话，在能够使用脉冲激光而在衬底内部形成改性区域图形的蓝宝石、氮化物半导体、Si、GaAs、水晶、SiC等的单晶衬底中，具有与权利要求1或2相同的效果。
采用权利要求4所记载的发明的话，由于能够利用形成有改性区域图形的单晶衬底的应力将通过成膜而产生的应力抵消，因此，能够抑制成膜中的衬底的翘曲从而减小衬底的翘曲行为。
其结果是，能够抑制结晶性膜中的位错的发生或膜厚度不均匀化，从而能够得到膜的质量和均匀性提高了的晶体成膜体。能够使用本发明的晶体成膜体构成各种器件。另外，本发明的晶体成膜体，在通过外延生长而形成具有能够自支撑的膜厚度的厚膜时，能够作为基底衬底而使用。
采用权利要求5所记载的发明的话，由于能够使用膜的质量和均匀性提高了的晶体成膜体构成各种器件，因此，能够提供质量和成品率提高了的各种器件。
采用权利要求6所记载的发明的话，由于能够抑制在成膜中或成膜后产生的衬底的翘曲，因此，能够不使用复杂的工序、另外不产生裂纹地使结晶性膜的厚膜生长。因此，能够提供由具有能够自支撑的膜厚度的结晶性膜的厚膜构成的各种块状衬底。
采用权利要求7或8所记载的发明的话，在使用于半导体层的外延生长的蓝宝石衬底中，能够有效地提供精密地控制了衬底的翘曲形状和/或翘曲量的蓝宝石衬底。另外，采用本发明的蓝宝石衬底的话，由于在内部形成有改性区域图形，因此不需要进行衬底的再清洗。本发明，在仅进行研磨加工的话则控制在技术上变困难的大口径衬底中特别有效。
另外，具有如下那样的效果，即，通过使用本发明的蓝宝石衬底，能够抑制半导体层的外延生长工序中产生的衬底的翘曲，从而能够减小衬底的翘曲行为这样的效果。进而，由于在蓝宝石衬底表面上没有图形，因此，不需要大幅度的成膜条件的变更，从而能够以与现有的蓝宝石衬底相同的条件进行成膜。
采用权利要求9所记载的发明的话，由于能够利用形成有改性区域图形的蓝宝石衬底的应力将通过半导体层的成膜而产生的应力抵消，因此，能够抑制成膜中的衬底的翘曲从而减小衬底的翘曲行为。
其结果是，能够抑制半导体层中的位错的发生或膜厚度不均匀化，从而能够得到膜的质量和均匀性提高了的半导体层成膜体。能够使用本发明的半导体层成膜体构成各种半导体器件。另外，本发明的半导体层成膜体，在通过外延生长而形成具有能够自支撑的膜厚度的厚膜时，能够作为基底衬底而使用。
采用权利要求10所记载的发明的话，由于能够使用膜的质量和均匀性提高了的半导体层成膜体而构成各种半导体器件，因此，能够提供质量和成品率提高了的各种半导体器件。
采用权利要求11所记载的发明的话，由于能够抑制在半导体层的成膜中或成膜后产生的衬底的翘曲，因此，能够不使用复杂的工序、另外不产生裂纹地使半导体层的厚膜生长。因此，能够提供由具有能够自支撑的膜厚度的半导体层成膜体的厚膜构成的各种半导体块状衬底。
采用权利要求12或13所记载的发明的话，在使用于氮化物半导体层的外延生长的蓝宝石衬底中，能够有效地提供精密地控制了衬底的翘曲形状和/或翘曲量的蓝宝石衬底。另外，采用本发明的蓝宝石衬底的话，由于在内部形成有改性区域图形，因此不需要进行衬底的再清洗。本发明，在仅进行研磨加工的话则控制在技术上变困难的大口径衬底中特别有效。
另外，具有如下那样的效果，即，通过使用本发明的蓝宝石衬底，能够抑制在氮化物半导体层的外延生长工序中产生的衬底的翘曲，从而能够减小衬底的翘曲行为这样的效果。进而，由于在蓝宝石衬底的表面上没有图形，因此，不需要大幅度的成膜条件的变更，从而能够以与现有的蓝宝石衬底相同的条件进行成膜。
采用权利要求14所记载的发明的话，除了权利要求12或13中记载的效果之外，主要还具有能够提供将衬底的翘曲形状控制成均匀的蓝宝石衬底这样的效果。
采用权利要求15所记载的发明的话，除了权利要求12～14中记载的效果之外，主要还具有能够提供精密地控制了衬底的翘曲量的蓝宝石衬底这样的效果。
采用权利要求16所记载的发明的话，除了权利要求12～14中记载的效果之外，进而还具有能够提供如下那样的蓝宝石衬底的效果，即，能够良好地抑制在氮化物半导体层的外延生长工序中产生的衬底的翘曲，从而能够减小衬底的翘曲行为的蓝宝石衬底。
采用权利要求17所记载的发明的话，由于能够利用形成有改性区域图形的蓝宝石衬底的应力将通过氮化物半导体层的成膜而产生的应力抵消，因此，能够抑制成膜中的衬底的翘曲从而减小衬底的翘曲行为。
其结果是，能够抑制氮化物半导体层中的位错的发生或膜厚度不均匀化，从而能够得到膜的质量和均匀性提高了的氮化物半导体层成膜体。能够使用本发明的氮化物半导体层成膜体而构成各种氮化物半导体器件。另外，本发明的氮化物半导体层成膜体，在通过外延生长而形成具有能够自支撑的膜厚度的厚膜时，能够作为基底衬底而使用。
采用权利要求18所记载的发明的话，由于能够使用膜的质量和均匀性提高了的氮化物半导体层成膜体而构成各种氮化物半导体器件，因此，能够提供质量和成品率提高了的各种氮化物半导体器件。
采用权利要求19所记载的发明的话，作为氮化物半导体器件，尤其能够提供发光元件、电子器件、受光元件中的任意一种。
采用权利要求20所记载的发明的话，由于能够抑制在氮化物半导体层的成膜中或成膜后产生的衬底的翘曲，因此，能够不使用复杂的工序、另外不产生裂纹地使氮化物半导体层的厚膜生长。因此，能够提供由具有能够自支撑的膜厚度的氮化物半导体层成膜体的厚膜构成的各种氮化物半导体块状衬底。
采用权利要求21所记载的发明的话，作为氮化物半导体块状衬底，尤其能够提供由AlxInyGazN(x+y+z＝1、x≥0、y≥0、z≥0)构成的氮化物半导体块状衬底。
采用权利要求22所记载的发明的话，能够制造精密地控制了衬底的翘曲形状和/或翘曲量的内部改性蓝宝石衬底。
采用权利要求23或24所记载的发明的话，除了权利要求22中记载的效果之外，还能够制造如下那样的内部改性蓝宝石衬底，即，在氮化物半导体层的成膜工序中，能够抑制衬底的翘曲从而减小衬底的翘曲行为的内部改性蓝宝石衬底。
采用权利要求25所记载的发明的话，能够有效地制造如下那样的内部改性蓝宝石衬底，即，能够精密地控制衬底的翘曲形状和/或翘曲量，且在氮化物半导体层的成膜工序中，能够抑制衬底的翘曲从而减小衬底的翘曲行为的内部改性蓝宝石衬底。
采用权利要求26所记载的发明的话，能够有效且精密地控制单晶衬底的翘曲形状和/或翘曲量。本发明，在仅进行研磨加工的话则控制在技术上变困难的大口径衬底中特别有效。
采用权利要求27所记载的发明的话，在能够使用脉冲激光而在衬底内部形成改性区域图形的蓝宝石、氮化物半导体、Si、GaAs、水晶、SiC等的单晶衬底中，具有与权利要求26相同的效果。
采用权利要求28所记载的发明的话，由于能够抑制成膜中的衬底的翘曲从而减小衬底的翘曲行为，因此，能够抑制结晶性膜中的位错的发生或膜厚度不均匀化，从而能够提高膜的质量和均匀性。
采用权利要求29所记载的发明的话，由于能够使用膜的质量和均匀性提高了的晶体成膜体而构成各种器件，因此，能够制造质量和成品率提高了的各种器件。
采用权利要求30所记载的发明的话，由于能够抑制在成膜中或成膜后产生的衬底的翘曲，因此，能够不使用复杂的工序、另外不产生裂纹地使结晶性膜的厚膜生长。因此，能够制造由具有能够自支撑的膜厚度的结晶性膜的厚膜构成的各种块状衬底。
采用权利要求31所记载的发明的话，能够有效且精密地控制半导体层的外延生长中所使用的蓝宝石衬底的翘曲形状和/或翘曲量。本发明，在仅进行研磨加工的话则控制在技术上变困难的大口径衬底中特别有效。另外，在本发明中，由于在内部形成有改性区域图形，因此，具有不需要进行衬底的再清洗这样的效果。
采用权利要求32所记载的发明的话，由于能够抑制成膜中的衬底的翘曲从而减小衬底的翘曲行为，因此，能够抑制半导体层成膜中的位错的发生或膜厚度不均匀化，从而能够提高膜的质量和均匀性。进而具有如下那样的效果，即，由于在蓝宝石衬底的表面上没有图形，因此，不需要大幅度的成膜条件的变更，从而能够以与现有的蓝宝石衬底相同的条件进行成膜这样的效果。
采用权利要求33所记载的发明的话，由于能够使用膜的质量和均匀性提高了的半导体层成膜体而构成各种半导体器件，因此，能够制造质量和成品率提高了的各种半导体器件。
采用权利要求34所记载的发明的话，由于能够抑制在成膜中或成膜后产生的衬底的翘曲，因此，能够不使用复杂的工序、另外不产生裂纹地使半导体层的厚膜生长。因此，能够制造由具有能够自支撑的膜厚度的半导体层的厚膜构成的各种半导体块状衬底。
采用权利要求35所记载的发明的话，能够有效且精密地控制氮化物半导体层的外延生长中所使用的蓝宝石衬底的翘曲形状和/或翘曲量。本发明，在仅进行研磨加工的话则控制在技术上变困难的大口径衬底中特别有效。另外，在本发明中，具有由于在内部形成改性区域图形，因而不需要进行衬底的再清洗这样的效果。
采用权利要求36所记载的发明的话，除了权利要求35中记载的效果之外，主要还具有能够将蓝宝石衬底的翘曲形状控制成均匀这样的效果。
采用权利要求37所记载的发明的话，除了权利要求36中记载的效果之外，主要还具有能够精密地控制蓝宝石衬底的翘曲量这样的效果。
采用权利要求38所记载的发明的话，除了权利要求35～37中记载的效果之外，还具有能够更加良好地抑制氮化物半导体层的外延生长工序中产生的衬底的翘曲，从而减小蓝宝石衬底的翘曲行为这样的效果。
采用权利要求39所记载的发明的话，由于能够抑制成膜中的衬底的翘曲从而减小衬底的翘曲行为，因此，能够抑制氮化物半导体层成膜中的位错的发生或膜厚度不均匀化，从而能够提高膜的质量和均匀性。进而具有如下那样的效果，即，由于在蓝宝石衬底的表面上没有图形，因此不需要大幅度的成膜条件的变更，从而能够以与现有的蓝宝石衬底相同的条件进行成膜这样的效果。
采用权利要求40所记载的发明的话，由于能够使用膜的质量和均匀性提高了的氮化物半导体层成膜体而构成氮化物半导体器件，因此，能够制造质量和成品率提高了的氮化物半导体器件。
采用权利要求41所记载的发明的话，作为氮化物半导体器件，尤其能够提高发光元件、电子器件、受光元件中的任意一种的质量和成品率。
采用权利要求42所记载的发明的话，由于能够抑制在成膜中或成膜后产生的衬底的翘曲，因此，能够不使用复杂的工序、另外不产生裂纹地使氮化物半导体层的厚膜生长。因此，能够制造由具有能够自支撑的膜厚度的氮化物半导体层的厚膜构成的氮化物半导体块状衬底。
采用权利要求43所记载的发明的话，尤其是能够不产生裂纹地制造由AlxInyGazN(x+y+z＝1、x≥0、y≥0、z≥0)构成的氮化物半导体层的厚膜。
采用权利要求44所记载的发明的话，能够有效地制造精密地控制了衬底的翘曲形状和/或翘曲量的内部改性蓝宝石衬底。
采用权利要求45或46所记载的发明的话，除了权利要求44中记载的效果之外，还能够有效地制造如下那样的内部改性蓝宝石衬底，即，在氮化物半导体层的成膜工序中，能够抑制衬底的翘曲从而减小衬底的翘曲行为的内部改性蓝宝石衬底。
采用权利要求47所记载的发明的话，能够有效地制造如下那样的内部改性蓝宝石衬底，即，能够精密地控制衬底的翘曲形状和/或翘曲量，且在氮化物半导体层的成膜工序中，能够抑制衬底的翘曲从而减小衬底的翘曲行为的内部改性蓝宝石衬底。
附图说明
图1是本实施方式涉及的对单晶衬底内部形成改性区域的示意图。
图2是本实施方式涉及的改性区域图形的图形形状、间距、形成位置的示意图。
图3是本实施方式涉及的氮化物半导体层的外延生长工序的示意图。
图4是本实施方式涉及的氮化物半导体生长工序中的In-situ(原位)观察例的示意图。波谱A是使用现有的蓝宝石衬底的例子，波谱B、C是使用本发明的蓝宝石衬底的例子。
图5是本实施方式涉及的衬底的翘曲量与曲率的关系的示意图。
图6是本实施方式涉及的使用了本发明的蓝宝石衬底的In-situ(原位)观察例的示意图。
图7是本实施例2涉及的形成位置和间距相对于改性区域图形形成后的衬底曲率的变化量的依赖关系的示意图。
图8a是本实施例3涉及的样品10的In-situ(原位)观察结果的示意图。
图8b是本实施例3涉及的样品12的In-situ(原位)观察结果的示意图。
图8c是本实施例3涉及的样品14的In-situ(原位)观察结果的示意图。
图8d是本实施例3涉及的样品16的In-situ(原位)观察结果的示意图。
图8e是本实施例3涉及的样品18的In-situ(原位)观察结果的示意图。
图8f是本实施例3涉及的样品20的In-situ(原位)观察结果的示意图。
符号说明
1  单晶衬底
2  脉冲激光
3  改性区域
4  间距
5  形成位置
6  改性层长度
7  蓝宝石衬底
8  低温缓冲层
9  n-GaN层
10  InGaN系活性层
具体实施方式
以下，对用于实施本发明的适宜的方式进行说明。
本发明的外延生长用内部改性衬底的特征在于，在通过外延生长而形成的结晶性膜的成膜中所使用的单晶衬底的内部，透过上述单晶衬底的磨光面侧而将脉冲激光会聚并进行扫描，从而利用多光子吸收形成改性区域图形而制造，其中，多光子吸收是基于上述脉冲激光而产生的。
单晶衬底，只要是能够利用基于脉冲激光的多光子吸收而在内部形成改性区域的材质即可，可以举出蓝宝石、氮化物半导体、Si、GaAs、水晶、SiC等。另外，也可以是石英或玻璃等，而不是单晶衬底。
所使用的脉冲激光的波长，比适用的单晶衬底的吸收端波长长的、透明的波段中的波长是合适的。脉冲宽度、照射能量需要根据材料的物理特性而适当地进行选择。
在单晶衬底为蓝宝石衬底的情况下，脉冲激光的波长以200nm以上5000nm以下为佳，脉冲宽度以皮秒～飞秒为佳，以200fs～800fs为更佳，重复频率以50kHz～500kHz为佳。激光功率为0.05～0.8W，激光的光斑尺寸为0.5～4μμm，光斑尺寸以2μm左右为佳。试样台的扫描速度，考虑到批量生产率的话以100～1000mm/s为佳。
另外，将能够形成Si、GaAs、水晶中的改性区域的典型的加工条件表示于表1中。
[表1]
Si GaAs 水晶
波长(nm) 1064 1064 1045
脉冲宽度(sec) 120×10-9 70×10-9 500×10-15
重复频率(kHz) 100 15 100
光斑尺寸(μm) 1.5 1.5 1.0
激光功率(W) 0.3～1.2 0.2 0.4
载物台扫描速度(mm/s) 200～300 200 400
在Si、GaAs、水晶的情况下，光斑尺寸以0.5μm～4μm左右的范围为佳。载物台扫描速度为50mm/s～1000mm/s，考虑到批量生产率的话以100mm/s～1000mm/s为佳。脉冲宽度在Si的情况下以50ns～200ns为佳，在GaAs的情况下以30ns～80ns为佳，在水晶的情况下以200fs～800fs为佳。照射能量分别以在Si的情况下以3～12μJ为佳，在GaAs的情况下以8～20μJ为佳，在水晶的情况下以3～6μJ为佳。重复频率以10kHz～500kHz为佳。
单晶衬底的大小未被限定，能够使用直径为50mm以上300mm以下的衬底。衬底的厚度能够使用0.05mm以上5.0mm以下的厚度。
单晶衬底，只要至少将被使用于通过外延生长而形成的结晶性膜的成膜中的面研磨即可。通常在单晶衬底中，由于因研磨而产生的加工变形的残留或精加工的表面粗糙度在上下面不同，而产生翘曲。例如，在单面被研磨的衬底中，主要是上下面的表面粗糙度不同成为翘曲的主要原因，在双面被研磨的衬底中，除了上下面的粗糙度稍微不同之外，衬底面内的表面粗糙度略微偏差也成为翘曲的主要原因。
另外，所谓的“外延生长”，包括含有相同组成或混合晶的同质外延生长、异质外延生长。
如图1所示，透过单晶衬底1的磨光面侧将脉冲激光2会聚在衬底内部，并连续地以高速扫描试样台的话，则形成将点状的改性区域3连续地连接起来的线状的改性区域。
局部来看的话，点状的改性区域3仅形成于被瞬间地照射了脉冲激光的部分上，其大小依赖于激光的光斑尺寸、激光强度以及脉冲宽度。另外，形成为线状的点状的改性区域3的距离，根据激光的重复频率和载物台的扫描速度而形成。
通过将这些形成为线状的改性区域进行多条组合，而在衬底的厚度方向的所希望的位置上形成至少一种改性区域图形。所谓的“改性区域”，是在照射了激光的部分中局部地发生多光子吸收而形成的变质层。
如图2所示，通过使改性区域图形的图形形状、各线间的间距4、形成位置5、改性层长度6等的条件最佳化，能够控制衬底整体的应力，从而能够精密地控制衬底的翘曲形状和/或翘曲量。
作为图形形状，例如如图2所示，其平面形状能够形成为相对于衬底的定向平面(orientation flat)垂直或平行地形成多条线的带状(图2(a)、(b))、将该两者组合的网格状(图2(c))等。除此之外也能够形成为配置有多个多角形的形状(图2(d))、同心圆状(图2(e))、螺旋状等。
由于图形形状主要影响衬底的翘曲形状的对称性，因此，欲在衬底面内得到均匀的翘曲形状的话，其平面形状以相对于通过衬底的中心点的直线为略线对称或略点对称那样的形状为佳。相反地，若平面形状为带状的话，也可能对衬底的翘曲形状带来偏差。
各线间的间距4主要影响改性区域图形形成后的衬底的翘曲量的变化量，各线间的间距越小则变化量越大。由于间距越小越耗费加工时间，因此，考虑到批量生产率的话，以50μm～2000μm为佳，以100μm～1000μm为更佳。
形成位置5主要影响改性区域图形形成后的衬底的翘曲量的变化量，形成位置越靠近表面则变化量越大。为了不对单晶衬底的成膜面带来影响，至少一种改性区域图形的形成位置，以将衬底的成膜面作为基准而设定在衬底厚度的3％以上95％以下、更加适宜的是3％以上50％以下为佳。也可以将多个改性区域图形形成于衬底的厚度方向的不同的形成位置上。
改性层长度6，根据激光的光斑尺寸、照射能量(激光功率/重复频率)、脉冲宽度而形成，通常以数μm～数十μm左右的厚度而形成。
如上所述，通过在单晶衬底内部形成改性区域图形并控制衬底的应力，能够有效地获得衬底的翘曲形状和/或翘曲量被精密地控制的内部改性衬底。
另外，在通过本发明得到的内部改性衬底的成膜面上，通过外延生长形成至少一层结晶性膜，从而能够制造晶体成膜体。结晶性膜的形成方法，能够适用气相生长、液相生长的任意一种。例如，能够使用MBE法(分子束外延法)、CVD法(化学气相沉积法)、VPE法(气相外延法)、LPE法(液相外延法)、升华法等各种晶体生长法。
使用本发明的内部改性衬底的话，由于能够利用内部改性衬底的应力将通过成膜而产生的应力抵消，因此，能够抑制成膜中的衬底的翘曲从而减小衬底的翘曲行为。因此，能够得到提高了结晶性膜的质量和均匀性的晶体成膜体。
使用通过本发明而得到的晶体成膜体来构成各种器件的话，能够提高器件的质量和成品率。
另外，能够将本发明的晶体成膜体作为基底材料而使用，进而通过同质外延生长而形成具有能够自支撑(Free-standing)的膜厚度的结晶性膜的厚膜。另外，将结晶性膜的厚膜从由晶体成膜体构成的基底材料分离，能够得到块状衬底(bulk substrate)。
进而，通过在本发明的内部改性衬底上形成结晶性膜的厚膜并从内部改性衬底分离，也能够得到由结晶性膜的厚膜构成的块状衬底。使用本发明的内部改性衬底的话，由于能够抑制在成膜中或成膜后产生的衬底的翘曲，因此，能够不产生裂纹地形成厚膜。
作为能够自支撑的膜厚度，以50μm以上为佳。另外，作为厚膜的形成方法，能够使用MOCVD法(有机金属化学气相沉积法)、HVPE法(氢化物气相外延法)、LPE法(液相外延法)等。
通过作为上述单晶衬底而使用蓝宝石衬底，能够得到内部改性蓝宝石衬底，其中，该内部改性蓝宝石衬底具有与上述的内部改性衬底相同的效果，并且，适于通过外延生长而形成的半导体层的成膜。
另外，在本发明的内部改性蓝宝石衬底的成膜面上，通过外延生长形成至少一层半导体层，从而能够制造半导体层成膜体。能够得到使用通过本发明得到的半导体层成膜体而构成的半导体器件、和半导体块状衬底。
特别是，在半导体层为氮化物半导体层的情况下，作为氮化物半导体层的成膜中所使用的蓝宝石衬底，能够使用直径为50mm以上300mm以下的衬底。本发明由于在大口径衬底中具有更大的效果，因此，在直径为75mm以上、进而大于150mm的衬底中特别有用。衬底尺寸与上述无关而没有限定。
氮化物半导体层的成膜中所使用的蓝宝石衬底的厚度，能够采用0.05mm以上5.0mm以下的厚度。为了将改性区域图形形成于不破坏蓝宝石衬底本身的位置上，衬底的厚度以0.1mm以上为佳。另外，更加适宜的是，在衬底的直径为50mm以上150mm以下的情况下以0.3mm以上为佳，在衬底的直径超过150mm的情况下以0.5mm以上为佳。
另外，能够使用氮化物半导体层的成膜面为凹面，且该凹面的曲率大于0km-1小于等于160km-1的衬底。
在氮化物半导体层的成膜中所使用的蓝宝石衬底的内部形成改性区域图形时，图形的平面形状，如上述那样以是带状、网格状、配置有多个多角形的形状、同心圆状、螺旋状、相对于通过衬底的中心点的直线呈略线对称或略点对称那样的形状中的任意一种为佳。为了得到在衬底面内具有均匀的翘曲形状和翘曲量的内部改性蓝宝石衬底，以是相对于通过衬底的中心点的直线呈略线对称、略点对称的形状、网格状中的任意一种形状为更佳。
各线间的间距以50μm～2000μm为佳，以100μm～1000μm为更佳。进而考虑到批量生产率的话，以200μm～500μm为更佳。
至少一种改性区域图形的形成位置，以将衬底的成膜面作为基准而设定为形成于衬底厚度的3％以上95％以下为佳，更加适宜的是3％以上50％以下。也可以将多个改性区域图形形成于衬底的厚度方向的不同的形成位置上。
另外，现有技术下，在将蓝宝石衬底上层压有氮化物半导体层的发光元件进行分割时，在氮化物半导体层的成膜后将蓝宝石衬底晶背研磨加工(back-grinding)至100μm左右之后，在蓝宝石衬底内部形成分割用的图形，但是，也可以将在氮化物半导体层的成膜前设置的改性区域图形的平面形状形成为网格状，并最终作为LED芯片的分割用而使用。该情况下，形成于图形留在蓝宝石衬底的晶背研磨加工后剩余的厚度部分中那样的位置上是理想的。
以下，对在通过本发明得到的内部改性蓝宝石衬底的成膜面上，使至少一层氮化物半导体层外延生长而制造氮化物半导体层成膜体的方式进行叙述。
在图3(a)～(d)中，表示对蓝宝石衬底上进行的氮化物半导体层的外延生长工序。在成膜方法上，能够使用MOCVD法、HVPE法、MBE法等。首先，进行蓝宝石衬底7的热清洗(thermal cleaning)(图3(a))，并进行低温缓冲层8的生长(图3(b))。接着，使n-GaN层9(图3(c))、具有多量子阱结构(Multiple quantum well structures)的InGaN系活性层10(图3(d))生长。
在图4中表示氮化物半导体层的外延生长工序中的In-situ(原位)观察例。如非专利文献2中所公开那样，能够通过In-situ(原位)观察而定量地分析成膜中的蓝宝石衬底的行为。也就是说，能够获知衬底的翘曲形状或翘曲量在成膜中如何地变化。
在图4中，横轴为时间，纵轴表示成膜面的衬底的曲率(km-1)。纵轴的正向表示成膜面为凸面状，负向表示成膜面为凹面状。
能够由衬底的曲率计算出衬底的翘曲量。也就是说，如图5所示，若衬底的曲率半径设为R的话，则具有1/R曲率的衬底的翘曲量X(μm)，通过将衬底的直径近似地作为D而使用，能够简单地在衬底的直径为50mm的情况下作为0.322×曲率(km-1)而求出，在衬底的直径为150mm的情况下作为1.250×曲率(km-1)而求出。
图4中的波谱A，表示使用未形成改性区域图形的现有的蓝宝石衬底的例子。
另外，图4(a)～(e)分别与成膜工序的各过程相对应。也就是说，(a)对应于衬底的热清洗，(b)对应于低温缓冲层生长，(c)对应于n-GaN层生长，(d)对应于InGaN系活性层生长，(e)对应于冷却。
使用图4的波谱A，对图4(a)～(e)中的衬底的行为进行说明。
在向(a)衬底热清洗过渡的阶段中，由于蓝宝石衬底的上下面上的温度差，衬底生长面的凹面形状进一步变强，从而曲率大幅变化。
接着，在通常将温度降低至500～600℃左右并向(b)低温缓冲层生长过渡的阶段中，衬底的凹面形状减弱，从而曲率稍微变小。
接着，再次将温度升高至1000℃左右并进行(c)n-GaN层生长的阶段中，由于氮化镓与蓝宝石的晶格常数差，而使衬底的凹面形状变强，从而曲率变大。进而进行成膜，由于膜厚度越大则曲率越大，因此，膜厚度和膜质量的衬底面内均匀性显著变差。仅通过成膜条件来控制衬底面内均匀性被认为在技术上是困难的。另外，在氮化物半导体层中，为了缓和应力而产生位错从而膜质量变差的情况成为问题。
接着，将温度降低至700～800℃左右，在(d)InGaN系活性层的生长阶段中，由于InGaN系活性层的膜厚度和InGaN中的In组成的均匀性影响发光波长的面内均匀性，因而影响LED芯片的制造成品率。由于InGaN系活性层的膜厚度或In组成受成膜温度影响，因此，为了提高衬底面内的温度均匀性，使成膜中的衬底的曲率尽可能地接近0是理想的。
最后，在(e)冷却衬底的阶段中，由于再次因热膨胀系数差而使衬底形状再次大幅翘曲，因此，一系列的成膜工序结束后的衬底的曲率变大。这导致产生使LED芯片化前的晶背研磨加工变困难这样的问题。
以上，由图4的波谱A所示可知，使用现有的蓝宝石衬底的话，能够使InGaN系活性层生长阶段中的衬底曲率几乎为0，另一方面，存在成膜工序中的衬底的行为大，成膜结束后的衬底的曲率变大这样的缺点。
接下来，将通过在现有的蓝宝石衬底内部形成改性区域图形而制造本发明的内部改性蓝宝石衬底并成膜氮化物半导体层时的In-situ(原位)观察的第一例，表示于图4中的波谱B。
波谱B中的内部改性蓝宝石衬底的初始状态，以与现有的蓝宝石衬底相比成膜面翘曲为凸面那样地形成改性区域图形为佳。通过这样，与使用现有的蓝宝石衬底的波谱A相比较，能够减小衬底的翘曲行为。
在图4中的波谱C中，与波谱B的情况同样地表示使用了内部改性蓝宝石衬底的例子，其中，该内部改性蓝宝石衬底，是在现有的蓝宝石衬底内部形成改性区域图形时，调整各线间的间距和图形形成位置，使蓝宝石衬底的初始状态相比波谱B而进一步大幅翘曲为凸面的内部改性蓝宝石衬底。
波谱C，能够通过成膜工序而进一步减小衬底的行为。也就是说，表示与波谱A、B相比利用衬底的应力抵消成膜中产生的应力的效果更大。
与使用现有的蓝宝石衬底的情况相比较，以上述的波谱B、C得到的氮化物半导体层，由于成膜中的衬底的翘曲被抑制，衬底的翘曲行为变小，因此膜的质量和均匀性提高。
但是同时，内部改性蓝宝石衬底的初始状态呈大幅翘曲为凸面的状态，结果是，产生InGaN系活性层生长阶段和成膜结束时的衬底的曲率与使用现有的蓝宝石衬底的情况相比变大这样的问题。
也就是说，本发明的内部改性蓝宝石衬底，如图6中的波谱C所示，形成为能够在减小衬底的翘曲行为的同时，使InGaN系活性层生长阶段和成膜结束时的衬底的曲率变小那样的初始状态是理想的。
通过这样，能够在提高氮化物半导体层的膜的质量和均匀性的同时，提高氮化物半导体发光元件的发光波长的均匀性。
因此，在改性区域图形形成前的蓝宝石衬底中，使用能够预先将通过改性区域图形的形成而大幅翘曲为凸面的衬底曲率部分抵消那样的蓝宝石衬底是理想的。
如上所述，作为改性区域图形形成用的蓝宝石衬底，能够使用氮化物半导体层的成膜面为凹面，且该凹面的曲率大于0km-1小于等于160km-1的蓝宝石衬底。另外，从上述理由来看，以氮化物半导体层的成膜面为凹面，且该凹面的曲率为40km-1以上150km-1以下为佳，进而以85km-1以上150km-1以下为更佳。
如上所述，通过使用本发明的内部改性蓝宝石衬底，能够得到氮化物半导体层的膜的质量和均匀性提高了的氮化物半导体层成膜体。
使用本发明的氮化物半导体层成膜体，能够构成质量和成品率提高了的发光元件、电子器件、受光元件等的氮化物半导体器件。
另外，在本发明的氮化物半导体层成膜体上，进而通过外延生长而形成具有能够自支撑的膜厚度的氮化物半导体层的厚膜之后，将作为基底衬底而使用的上述氮化物半导体层成膜体分离，能够得到由氮化物半导体层的厚膜构成的氮化物半导体块状衬底。
另外，在本发明的内部改性蓝宝石衬底上形成上述氮化物半导体层的厚膜的话，能够抑制在成膜中或成膜后产生的衬底的翘曲，从而能够不产生裂纹地得到具有能够自支撑的膜厚度的氮化物半导体层的厚膜。通过将这样得到的氮化物半导体层的厚膜从上述内部改性蓝宝石衬底分离，能够不使用复杂的工序而得到氮化物半导体块状衬底。作为氮化物半导体块状衬底，尤其是能够有效地制造由AlxInyGazN(x+y+z＝1、x≥0、y≥0、z≥0)构成的氮化物半导体块状衬底。
实施例
接下来，对本发明涉及的实施例具体地进行说明。使用表2所示的激光条件在蓝宝石衬底内部形成改性区域图形，并调查了对于衬底的翘曲形状和翘曲量的变化的影响。将其结果表示于实施例1和2中。
[表2]
波长(nm) 1045
脉冲宽度(sec) 500×10-15
重复频率(kHz) 100
光斑尺寸(μm) 1.6～3.5μm
激光功率(W) 0.3
载物台扫描速度(mm/s) 400
(实施例1)
作为形成改性区域图形的蓝宝石衬底，使用单面被研磨的2英寸蓝宝石衬底。衬底厚度为430μm。改性区域图形形成前的衬底的翘曲形状和翘曲量，利用激光干涉仪进行测量。
接着，将蓝宝石衬底设置于脉冲激光装置的试样台上，进行了对蓝宝石衬底内部的改性区域图形的形成。
将样品1～9的图形形状、各线间的间距、形成位置以及改性层长度、每一枚的加工时间表示于表3中。改性区域图形形成后的蓝宝石衬底的衬底形状利用激光干涉仪进行测量，翘曲量和衬底厚度利用线性测量计和激光干涉仪进行测量。在表3中，⊥O.F.表示与蓝宝石衬底的定向平面垂直，//O.F.表示与定向平面平行。
[表3]
将改性区域图形形成前后的衬底的翘曲形状、翘曲量、以及图形形成后的衬底面内的翘曲形状的对称性，表示于表4中。衬底的翘曲形状表示成膜面侧的形状。
[表4]
(实施例2)
作为形成内部改性区域图形的蓝宝石衬底，使用单面被研磨的4英寸蓝宝石衬底。衬底厚度为650μm。与实施例1同样地，改性区域图形形成前的衬底的翘曲形状和翘曲量利用激光干涉仪进行测量。
接着，将蓝宝石衬底设置于脉冲激光装置的试样台上，进行了对蓝宝石衬底内部的改性区域图形的形成。将样品10～19的图形形状、间距、形成位置表示于表5中。
[表5]
改性区域图形形成后的衬底的翘曲形状利用激光干涉仪进行测量，翘曲量利用线性测量计进行测量。将改性区域图形形成前后的衬底形状、翘曲量、以及由翘曲量计算出的曲率进行比较并表示于表6中。衬底的翘曲形状表示成膜面侧的形状。
[表6]
另外，将形成位置和各线间的间距相对于改性区域图形形成后的衬底曲率的变化量的依赖关系，表示于图7中。
(实施例3)
将在实施例2中形成了改性区域图形的蓝宝石衬底中的样品10、12、14、16、18，和未形成图形的现有的蓝宝石衬底(作为样品20)同时导入MOCVD装置中，并进行了对蓝宝石衬底上的氮化镓层的生长。将各成膜工程中的生长温度和膜厚度表示于表7中。
[表7]
生长温度(℃) 膜厚度(nm)
AlGaN缓冲层 550 500
n-GaN层 1070 5000
GaN/InGaN活性层 750 100/2
将各样品的In-situ(原位)观察结果表示于图8a～图8f中，将各样品的衬底的翘曲形状、翘曲量以及曲率表示于表8中，将各阶段中的衬底曲率的变化量表示于表9中。
表9中的(1)～(4)，如图8a中所图示，分别表示(1)相对于衬底初始状态的热清洗过渡时、(2)相对于衬底初始状态的n-GaN层生长时、(3)相对于n-GaN生长结束时的GaN/InGaN活性层生长过渡时、
(4)相对于衬底初始状态的冷却结束后的曲率的变化量。
[表8]
[表9]
从(1)由衬底初始状态向热清洗过渡时的衬底曲率的变化量来看，在形成了内部改性区域图形的样品10、12、14、16、18和未形成图形的样品20中，未发现曲率变化量的大的差。
从(2)相对于衬底初始状态的n-GaN层生长时的衬底曲率的变化量来看，在将图形形成于自蓝宝石衬底表面起较浅的位置上的样品10、16、18中，与其他的样品相比发现了将n-GaN生长时的衬底曲率的变化量抑制的效果。
从(3)相对于n-GaN生长结束时的GaN/InGaN活性层生长过渡时的衬底曲率的变化量来看，在从n-GaN层生长结束时向GaN/InGaN活性层生长过渡的阶段中，在将图形形成于自蓝宝石衬底表面起较浅的位置上的样品10、16、18中，与其他的样品相比发现了将衬底曲率的变化量抑制的效果。
从(4)相对于衬底初始状态的冷却结束后的衬底曲率的变化量来看，在将图形形成于自蓝宝石衬底表面起较浅的位置上的样品10、16、18中，与其他的样品相比发现了将衬底曲率的变化量抑制的效果。
对通过以上工序得到的样品10、12、14、16、18、20的氮化镓层的膜厚均匀性和晶体质量进行了调查。
得知与未形成改性区域图形的样品20相比较，样品10的膜厚度均匀性提高。认为这是因为，通过将图形形成于自蓝宝石衬底表面起较浅的位置上，而以衬底形状更平坦的状态进行n-GaN层生长。
进而，通过X射线衍射摇摆曲线测定(X-ray diffraction rocking curve measurements)而求出的氮化镓层的(001)面、(102)面的FWHM(半峰全宽)值，在样品10中分别为203arcsec、418arcsec，在未形成改性区域图形的样品20中分别为242arcsec、579arcsec。由此结果可知，在形成了改性区域图形的样品10中，与未形成改性区域图形的样品20相比较，氮化镓层的结晶性提高。
由以上结果可知，使用本发明的内部改性蓝宝石衬底进行氮化物半导体层的外延生长的话，由于能够抑制衬底的翘曲而减小衬底的翘曲行为，因此膜的质量和均匀性提高。

Claims (58)

1.一种外延生长用内部改性衬底，是通过外延生长而形成的半导体层的成膜中所使用的单晶衬底，其特征在于，
在所述单晶衬底的内部形成有利用了多光子吸收的改性区域图形，由此对所述单晶衬底的翘曲形状和/或翘曲量进行控制，其中，多光子吸收是基于脉冲激光而产生的；
所述改性区域图形形成前的单晶衬底的形状是，所述半导体层的成膜面为凹面，且所述凹面的曲率大于0km-1小于等于160km-1；
所述单晶衬底的材质是蓝宝石、氮化物半导体、Si、GaAs、水晶、SiC中的任意一种；
并且，所述改性区域图形的形成位置，是从所述单晶衬底的成膜面起，为衬底厚度的3％以上50％以下的位置。
2.如权利要求1所述的外延生长用内部改性衬底，其特征在于，所述改性区域图形形成前的单晶衬底的形状是，所述半导体层的成膜面为凹面，且所述凹面的曲率为40km-1以上150km-1以下。
3.如权利要求1所述的外延生长用内部改性衬底，其特征在于，所述改性区域图形形成前的单晶衬底的形状是，所述半导体层的成膜面为凹面，且所述凹面的曲率为85km-1以上150km-1以下。
4.一种外延生长用内部改性衬底，是通过外延生长而形成的半导体层的成膜中所使用的单晶衬底，其特征在于，
在所述单晶衬底的内部，透过所述单晶衬底的磨光面侧而将脉冲激光会聚并进行扫描，并利用多光子吸收形成改性区域图形，由此对翘曲形状和/或翘曲量进行控制从而进行制造，其中，多光子吸收是基于所述脉冲激光而产生的；
所述改性区域图形形成前的单晶衬底的形状是，所述半导体层的成膜面为凹面，且所述凹面的曲率大于0km-1小于等于160km-1；
所述单晶衬底的材质是蓝宝石、氮化物半导体、Si、GaAs、水晶、SiC中的任意一种；
并且，所述改性区域图形的形成位置，是从所述单晶衬底的成膜面起，为衬底厚度的3％以上50％以下的位置。
5.如权利要求4所述的外延生长用内部改性衬底，其特征在于，所述改性区域图形形成前的单晶衬底的形状是，所述半导体层的成膜面为凹面，且所述凹面的曲率为40km-1以上150km-1以下。
6.如权利要求4所述的外延生长用内部改性衬底，其特征在于，所述改性区域图形形成前的单晶衬底的形状是，所述半导体层的成膜面为凹面，且所述凹面的曲率为85km-1以上150km-1以下。
7.如权利要求1～6的任意一项所述的外延生长用内部改性衬底，其特征在于，所述改性区域图形形成前的单晶衬底的直径为50mm以上300mm以下，厚度为0.05mm以上5.0mm以下。
8.一种晶体成膜体，其特征在于，在权利要求1～6的任意一项所述的外延生长用内部改性衬底的成膜面上，成膜有至少一层半导体层。
9.一种半导体器件，其特征在于，设有权利要求8所述的晶体成膜体。
10.一种块状衬底，其特征在于，由权利要求8所述的半导体层的厚膜构成。
11.一种半导体层外延生长用内部改性蓝宝石衬底，是通过外延生长而形成的半导体层的成膜中所使用的内部改性蓝宝石衬底，其特征在于，
在所述内部改性蓝宝石衬底的内部形成利用了多光子吸收的改性区域图形，由此对翘曲形状和/或翘曲量进行控制，其中，多光子吸收是基于脉冲激光而产生的；
所述改性区域图形形成前的蓝宝石衬底的形状是，所述半导体层的成膜面为凹面，且所述凹面的曲率大于0km-1小于等于160km-1；
至少一种所述改性区域图形的平面形状，为带状、网格状、配置有多个多角形的形状、同心圆状、螺旋状、相对于通过蓝宝石衬底的中心点的直线呈略线对称或略点对称的形状中的任意一种；
所述改性区域图形的形成位置，是从所述蓝宝石衬底的成膜面起，为衬底厚度的3％以上50％以下的位置。
12.如权利要求11所述的半导体层外延生长用内部改性蓝宝石衬底，其特征在于，构成所述改性区域图形的各线间的间距为50μm以上2000μm以下。
13.如权利要求11所述的半导体层外延生长用内部改性蓝宝石衬底，其特征在于，
至少一种所述改性区域图形的平面形状，为相对于通过蓝宝石衬底的中心点的直线呈略线对称、略点对称的形状、网格状中的任意一种，
构成所述改性区域图形的各线间的间距为50μm以上2000μm以下。
14.一种半导体层外延生长用内部改性蓝宝石衬底，是通过外延生长而形成的半导体层的成膜中所使用的蓝宝石衬底，其特征在于，
在所述蓝宝石衬底的内部，透过所述蓝宝石衬底的磨光面侧而将脉冲激光会聚并进行扫描，并利用多光子吸收形成改性区域图形，由此对翘曲形状和/或翘曲量进行控制从而进行制造，其中，多光子吸收是基于所述脉冲激光而产生的；
所述改性区域图形形成前的蓝宝石衬底的形状是，所述半导体层的成膜面为凹面，且所述凹面的曲率大于0km-1小于等于160km-1；
至少一种所述改性区域图形的平面形状，为带状、网格状、配置有多个多角形的形状、同心圆状、螺旋状、相对于通过蓝宝石衬底的中心点的直线呈略线对称或略点对称的形状中的任意一种；
所述改性区域图形的形成位置，是从所述蓝宝石衬底的成膜面起，为衬底厚度的3％以上50％以下的位置。
15.如权利要求11或14所述的半导体层外延生长用内部改性蓝宝石衬底，其特征在于，所述改性区域图形形成前的蓝宝石衬底的直径为50mm以上300mm以下，厚度为0.05mm以上5.0mm以下。
16.一种半导体层成膜体，其特征在于，在权利要求11或14所述的半导体层外延生长用内部改性蓝宝石衬底的成膜面上，成膜有至少一层半导体层。
17.一种半导体器件，其特征在于，设有权利要求16所述的半导体层成膜体。
18.一种半导体块状衬底，其特征在于，由权利要求16所述的半导体层的厚膜构成。
19.一种氮化物半导体层的外延生长用内部改性蓝宝石衬底，是通过外延生长而形成的氮化物半导体层的成膜中所使用的内部改性蓝宝石衬底，其特征在于，
在所述内部改性蓝宝石衬底的内部形成利用了多光子吸收的改性区域图形，由此对翘曲形状和/或翘曲量进行控制，其中，多光子吸收是基于脉冲激光而产生的；
所述改性区域图形形成前的蓝宝石衬底的形状是，所述氮化物半导体层的成膜面为凹面，且所述凹面的曲率大于0km-1小于等于160km-1；
至少一种所述改性区域图形的平面形状，为带状、网格状、配置有多个多角形的形状、同心圆状、螺旋状、相对于通过蓝宝石衬底的中心点的直线呈略线对称或略点对称的形状中的任意一种；
所述改性区域图形的形成位置，是从所述蓝宝石衬底的成膜面起，为衬底厚度的3％以上50％以下的位置。
20.一种氮化物半导体层的外延生长用内部改性蓝宝石衬底，是通过外延生长而形成的氮化物半导体层的成膜中所使用的内部改性蓝宝石衬底，其特征在于，
在所述蓝宝石衬底的内部，透过所述蓝宝石衬底的磨光面侧而将脉冲激光会聚并进行扫描，并利用多光子吸收形成改性区域图形，由此对翘曲形状和/或翘曲量进行控制从而进行制造，其中，多光子吸收是基于所述脉冲激光而产生的；
所述改性区域图形形成前的蓝宝石衬底的形状是，所述氮化物半导体层的成膜面为凹面，且所述凹面的曲率大于0km-1小于等于160km-1；
至少一种所述改性区域图形的平面形状，为带状、网格状、配置有多个多角形的形状、同心圆状、螺旋状、相对于通过蓝宝石衬底的中心点的直线呈略线对称或略点对称的形状中的任意一种；
所述改性区域图形的形成位置，是从所述蓝宝石衬底的成膜面起，为衬底厚度的3％以上50％以下的位置。
21.如权利要求19或20所述的氮化物半导体层的外延生长用内部改性蓝宝石衬底，其特征在于，构成所述改性区域图形的各线间的间距为50μm以上2000μm以下。
22.如权利要求19或20所述的氮化物半导体层的外延生长用内部改性蓝宝石衬底，其特征在于，
至少一种所述改性区域图形的平面形状，为相对于通过蓝宝石衬底的中心点的直线呈略线对称、略点对称的形状、网格状中的任意一种，
构成所述改性区域图形的各线间的间距为50μm以上2000μm以下。
23.如权利要求19或20所述的氮化物半导体层的外延生长用内部改性蓝宝石衬底，其特征在于，所述改性区域图形形成前的蓝宝石衬底的直径为50mm以上300mm以下，厚度为0.05mm以上5.0mm以下。
24.一种氮化物半导体层成膜体，其特征在于，在权利要求12、13、19～22中任意一项所述的氮化物半导体层的外延生长用内部改性蓝宝石衬底的成膜面上，成膜有至少一层氮化物半导体层。
25.一种氮化物半导体器件，其特征在于，设有权利要求24所述的氮化物半导体层成膜体。
26.如权利要求25所述的氮化物半导体器件，其特征在于，所述氮化物半导体器件是发光元件、电子器件、受光元件中的任意一种。
27.一种氮化物半导体块状衬底，其特征在于，由权利要求24所述的氮化物半导体层的厚膜构成。
28.如权利要求27所述的氮化物半导体块状衬底，其特征在于，所述氮化物半导体块状衬底由AlxInyGazN(x+y+z＝1、x≥0、y≥0、z≥0)构成。
29.一种改性区域图形形成用蓝宝石衬底，其特征在于，在权利要求11～28的任意一项中，所述改性区域图形形成前的蓝宝石衬底的形状是，所述半导体层的成膜面为凹面，且所述凹面的曲率为40km-1以上150km-1以下。
30.一种改性区域图形形成用蓝宝石衬底，其特征在于，在权利要求11～28的任意一项中，所述改性区域图形形成前的蓝宝石衬底的形状是，所述半导体层的成膜面为凹面，且所述凹面的曲率为85km-1以上150km-1以下。
31.如权利要求29所述的改性区域图形形成用蓝宝石衬底，其特征在于，所述改性区域图形形成前的蓝宝石衬底的直径为50mm以上300mm以下，厚度为0.05mm以上5.0mm以下。
32.如权利要求30所述的改性区域图形形成用蓝宝石衬底，其特征在于，所述改性区域图形形成前的蓝宝石衬底的直径为50mm以上300mm以下，厚度为0.05mm以上5.0mm以下。
33.一种外延生长用内部改性衬底的制造方法，其特征在于，
在通过外延生长而形成的半导体层的成膜中所使用的单晶衬底的内部，透过所述单晶衬底的磨光面侧而将脉冲激光会聚并进行扫描，从而利用多光子吸收形成改性区域图形，由此控制所述单晶衬底的翘曲形状和/或翘曲量，其中，多光子吸收是基于所述脉冲激光而产生的；
并且，所述改性区域图形形成前的单晶衬底的形状是，所述半导体层的成膜面为凹面，且所述凹面的曲率大于0km-1小于等于160km-1；
所述单晶衬底的材质是蓝宝石、氮化物半导体、Si、GaAs、水晶、SiC中的任意一种；
并且，所述改性区域图形的形成位置，是从所述单晶衬底的成膜面起，为衬底厚度的3％以上50％以下的位置。
34.如权利要求33所述的外延生长用内部改性衬底的制造方法，其特征在于，所述改性区域图形形成前的单晶衬底的形状是，所述半导体层的成膜面为凹面，且所述凹面的曲率为40km-1以上150km-1以下。
35.如权利要求33所述的外延生长用内部改性衬底的制造方法，其特征在于，所述改性区域图形形成前的单晶衬底的形状是，所述半导体层的成膜面为凹面，且所述凹面的曲率为85km-1以上150km-1以下。
36.如权利要求33～35中任意一项所述的外延生长用内部改性衬底的制造方法，其特征在于，所述改性区域图形形成前的单晶衬底的直径为50mm以上300mm以下，厚度为0.05mm以上5.0mm以下。
37.一种晶体成膜体的制造方法，其特征在于，在权利要求33～35中任意一项所述的外延生长用内部改性衬底的成膜面上，成膜至少一层半导体层。
38.一种半导体器件的制造方法，其特征在于，使用权利要求37所述的晶体成膜体而制造。
39.一种块状衬底的制造方法，其特征在于，使用权利要求37所述的晶体成膜体的厚膜而制造。
40.一种半导体层外延生长用内部改性蓝宝石衬底的制造方法，其特征在于，
在通过外延生长而形成的半导体层的成膜中所使用的蓝宝石衬底的内部，透过所述蓝宝石衬底的磨光面侧而将脉冲激光会聚并进行扫描，从而利用多光子吸收形成改性区域图形，由此控制所述蓝宝石衬底的翘曲形状和/或翘曲量，其中，多光子吸收是基于所述脉冲激光而产生的；
并且，所述改性区域图形形成前的蓝宝石衬底的形状是，所述半导体层的成膜面为凹面，且所述凹面的曲率大于0km-1小于等于160km-1；
至少一种所述改性区域图形的平面形状，为带状、网格状、配置有多个多角形的形状、同心圆状、螺旋状、相对于通过蓝宝石衬底的中心点的直线呈略线对称或略点对称的形状中的任意一种；
所述改性区域图形的形成位置，是从所述蓝宝石衬底的成膜面起，为衬底厚度的3％以上50％以下的位置。
41.如权利要求40所述的半导体层外延生长用内部改性蓝宝石衬底的制造方法，其特征在于，所述改性区域图形形成前的蓝宝石衬底的形状是，所述半导体层的成膜面为凹面，且所述凹面的曲率为40km-1以上150km-1以下。
42.如权利要求40所述的半导体层外延生长用内部改性蓝宝石衬底的制造方法，其特征在于，所述改性区域图形形成前的蓝宝石衬底的形状是，所述半导体层的成膜面为凹面，且所述凹面的曲率为85km-1以上150km-1以下。
43.如权利要求40所述的半导体层外延生长用内部改性蓝宝石衬底的制造方法，其特征在于，所述改性区域图形形成前的蓝宝石衬底的直径为50mm以上300mm以下，厚度为0.05mm以上5.0mm以下。
44.如权利要求41所述的半导体层外延生长用内部改性蓝宝石衬底的制造方法，其特征在于，所述改性区域图形形成前的蓝宝石衬底的直径为50mm以上300mm以下，厚度为0.05mm以上5.0mm以下。
45.如权利要求42所述的半导体层外延生长用内部改性蓝宝石衬底的制造方法，其特征在于，所述改性区域图形形成前的蓝宝石衬底的直径为50mm以上300mm以下，厚度为0.05mm以上5.0mm以下。
46.一种半导体层成膜体的制造方法，其特征在于，在权利要求40所述的半导体层外延生长用内部改性蓝宝石衬底的成膜面上，形成至少一层半导体层。
47.一种半导体器件的制造方法，其特征在于，使用权利要求46中所述的半导体层成膜体而制造。
48.一种半导体块状衬底的制造方法，其特征在于，使用权利要求46中所述的半导体层成膜体的厚膜而制造。
49.一种氮化物半导体层的外延生长用内部改性蓝宝石衬底的制造方法，其特征在于，
在通过外延生长而形成的氮化物半导体层的成膜中所使用的蓝宝石衬底的内部，透过所述蓝宝石衬底的磨光面侧而将脉冲激光会聚并进行扫描，从而利用多光子吸收形成改性区域图形，由此控制所述蓝宝石衬底的翘曲形状和/或翘曲量，其中，多光子吸收是基于所述脉冲激光而产生的；
并且，所述改性区域图形形成前的蓝宝石衬底的形状是，所述氮化物半导体层的成膜面为凹面，且所述凹面的曲率大于0km-1小于等于160km-1；
至少一种所述改性区域图形的平面形状，为带状、网格状、配置有多个多角形的形状、同心圆状、螺旋状、相对于通过蓝宝石衬底的中心点的直线呈略线对称或略点对称的形状中的任意一种；
所述改性区域图形的形成位置，是从所述蓝宝石衬底的成膜面起，为衬底厚度的3％以上50％以下的位置。
50.如权利要求49所述的氮化物半导体层的外延生长用内部改性蓝宝石衬底的制造方法，其特征在于，构成所述改性区域图形的各线间的间距为50μm以上2000μm以下。
51.如权利要求49所述的氮化物半导体层的外延生长用内部改性蓝宝石衬底的制造方法，其特征在于，
至少一种所述改性区域图形的平面形状，是相对于通过蓝宝石衬底的中心点的直线呈略线对称、略点对称的形状、或网格状，
构成所述改性区域图形的各线间的间距为50μm以上2000μm以下。
52.一种氮化物半导体层成膜体的制造方法，其特征在于，在权利要求49所述的氮化物半导体层的外延生长用内部改性蓝宝石衬底的成膜面上，形成至少一层氮化物半导体层。
53.一种氮化物半导体层成膜体的制造方法，其特征在于，在权利要求50所述的氮化物半导体层的外延生长用内部改性蓝宝石衬底的成膜面上，形成至少一层氮化物半导体层。
54.一种氮化物半导体层成膜体的制造方法，其特征在于，在权利要求51所述的氮化物半导体层的外延生长用内部改性蓝宝石衬底的成膜面上，形成至少一层氮化物半导体层。
55.一种氮化物半导体器件的制造方法，其特征在于，使用权利要求52～54中任意一项所述的氮化物半导体层成膜体而制造。
56.如权利要求55所述的氮化物半导体器件的制造方法，其特征在于，所述氮化物半导体器件是发光元件、电子器件、受光元件中的任意一种。
57.一种氮化物半导体块状衬底的制造方法，其特征在于，使用权利要求52～55中任意一项所述的氮化物半导体层成膜体的厚膜而制造。
58.如权利要求57所述的氮化物半导体块状衬底的制造方法，其特征在于，所述氮化物半导体块状衬底，由AlxInyGazN(x+y+z＝1、x≥0、y≥0、z≥0)构成。
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