CN102414351A - 氮化物半导体基板的制造方法 - Google Patents

氮化物半导体基板的制造方法 Download PDF

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Abstract

提供一种抑制多晶生长、可高效制造以非极性面为主表面的氮化物半导体基板的制造方法，作为氮化物半导体基板的GaN基板的制造方法具有以下工序：准备衬底基板的工序(S10、S20)，该衬底基板由GaN构成，具有相对{1-100}面的偏离角为4.1°以上47.8°以下的主表面；在衬底基板的主表面上外延生长由GaN构成的半导体层的工序(S40)；从半导体层获取主表面是m面的GaN基板的工序(S50)。

Description

氮化物半导体基板的制造方法
技术领域
本发明涉及一种氮化物半导体基板的制造方法，特别涉及一种可高效制造以非极性面为主表面的氮化物半导体基板的氮化物半导体基板的制造方法。
背景技术
由GaN(氮化镓)等氮化物半导体构成的氮化物半导体基板用于发光元件(例如发光二极管、激光二极管)等半导体装置的制造。并且，上述氮化物半导体基板以{0001}为生长面使结晶生长，通过在{0001}面中将该结晶切片，可高效地制造。因此，GaN基板等氮化物半导体基板的主表面一般是{0001}面。
但是，例如在面方位是{0001}的GaN基板的主表面上形成InGaN(氮化铟镓)等半导体层来制造半导体装置时，因产生压电电场而导致出现无法获得原本期待的特性的问题。
对此，近年来，为了解决上述压电电场导致的问题，研究采用以非极性面的{1-100}面、{11-20}面为主表面的氮化物半导体基板。并且，作为高效制造以非极性面为主表面的氮化物半导体基板的方法，提出了以下方案(例如参照专利文献1)：从以{0001}为生长面而生长的结晶切下以上述非极性面为主表面的衬底基板，以该非极性面为生长面生长结晶，在该非极性面中将该结晶切片。
专利文献1：特开2008-143772号公报
发明内容
但是，以{1-100}面、{11-20}面为生长面生长结晶时，生长表面易于变得过饱和，易形成多晶生长的多晶区域。并且，当形成了该多晶区域时，需要不含有该区域地获取基板。并且，易产生以该区域为起点结晶产生龟裂的问题。
因此，本发明的目的在于提供一种抑制上述多晶生长、可高效制造以非极性面为主表面的氮化物半导体基板的氮化物半导体基板的制造方法。
本发明的一个侧面中的氮化物半导体基板的制造方法具有以下工序：准备衬底基板的工序，该衬底基板由氮化物半导体构成，具有相对{1-100}面的偏离角为4.1°以上47.8°以下的主表面；在衬底基板的上述主表面上，使由氮化物半导体构成的半导体层外延生长的工序；以及从该半导体层获取主表面是m面的氮化物半导体基板的工序。
在上述一个侧面中的制造方法中，作为衬底基板，采用具有相对{1-100}面的偏离角为4.1°以上47.8°以下的主表面的基板，采用在该主表面上使半导体层生长的工艺。因此，在半导体层的生长中，抑制了衬底基板的主要生长面(和主表面平行的生长面)上出现{1-100}面的情况。这样一来，抑制了半导体层进行多晶生长。并且，从抑制了多晶区域的发生的该半导体层可高效获取以m面为主表面的氮化物半导体板。因此，根据本发明的一个侧面中的氮化物半导体基板的制造方法，可抑制多晶生长，高效制造以非极性面为主表面的氮化物半导体基板。
其中，采用具有相对{1-100}面的偏离角小于5.1°的(相对{0001}面的偏离角超过84.9°)主表面的衬底基板时，在主要的生长面上出现{1-100}面，半导体层中产生多晶区域。并且，相对{1-100}面的偏离角小于5.1°时，不是与衬底基板的主表面平行的面，以{1-100}面为生长面而生长的区域(m面生长部)在半导体层中所占比率(m面生长部比率)变大，为获取具有所希望的直径的氮化物半导体基板而必需的半导体层的直径变得过大。因此，优选上述偏离角为5.1°以上，考虑到切片加工的精度等，优选上述偏离角为4.1°以上。
另一方面，采用具有相对{1-100}面的偏离角超过46.8°的(相对{0001}面的偏离角小于43.2°)主表面的衬底基板时，为获取主表面是m面的氮化物半导体基板而必需的半导体层的厚度，超过在实际的制造工艺中允许的限度，不现实。并且，相对{1-100}面的偏离角超过46.8°时，在主要的生长面中混合存在相对c面的偏离角为62°以下的面。其中，以相对c面的偏离角为62°以下的面为生长面生长的区域和其他区域相比，氧的取入量变小，该区域的电阻变大。其结果是，在获得的基板的面内，产生电阻的分布。因此，优选上述偏离角为46.8°以下，考虑到切片加工的精度等，优选上述偏离角为47.8°以下。
并且，本申请中的氮化物半导体基板具体是指由3B族元素和氮的化合物构成的基板。
并且，主表面是m面的氮化物半导体基板是指，主表面实质上是m面({1-100}面)的氮化物半导体基板，具体而言是指主表面相对{1-100}面的偏离角在a方向为±2°以下，且在c方向为±2°以下的氮化物半导体基板。
在上述一个侧面的氮化物半导体基板的制造方法中，优选：上述衬底基板的主表面的相对于{1-100}面的偏离角为9.1°以上20.5°以下。
这样一来，可进一步切实抑制半导体层中产生多晶区域。并且可进一步避免半导体层要求的直径变得过大，同时可进一步减小半导体层要求的厚度。
本发明的另一侧面中的氮化物半导体基板的制造方法，具有以下工序：准备衬底基板的工序，该衬底基板由氮化物半导体构成，具有相对{11-20}面的偏离角为4.8°以上43.7°以下的主表面；在衬底基板的上述主表面上外延生长由氮化物半导体构成的半导体层的工序；以及从上述半导体层获取主表面是a面的氮化物半导体基板的工序。
在上述另一侧面中的制造方法中，作为衬底基板，采用具有相对{11-20}面的偏离角为4.8°以上43.7°以下的主表面的基板，采用在该主表面上生长半导体层的工艺。因此，在半导体层的生长中，抑制了衬底基板的主要生长面(和主表面平行的生长面)上出现{11-20}面的情况，抑制半导体层生长多晶。并且，从抑制了多晶区域的发生的该半导体层可高效获取以a面为主表面的氮化物半导体板。因此，根据本发明的另一侧面中的氮化物半导体基板的制造方法，可抑制多晶生长，高效制造以非极性面为主表面的氮化物半导体基板。
其中，采用具有相对{11-20}面的偏离角小于5.8°的(相对{0001}面的偏离角超过84.2°)主表面的衬底基板时，在主要的生长面上出现{11-20}面，半导体层中产生多晶区域。并且，相对{11-20}面的偏离角小于5.8°时，不是与衬底基板的主表面平行的面，以{11-20}面为生长面而生长的区域(a面生长部)在半导体层中所占比率(a面生长部比率)变大，为获取具有所希望的直径的氮化物半导体基板而必需的半导体层的直径变得过大。因此，优选上述偏离角为5.8°以上，考虑到切片加工的精度等，优选上述偏离角为4.8°以上。
另一方面，采用具有相对{11-20}面的偏离角超过42.7°的(相对{0001}面的偏离角小于47.3°)主表面的衬底基板时，为获取主表面是a面的氮化物半导体基板而必需的半导体层的厚度，超过在实际的制造工艺中允许的限度，不现实。并且，相对{11-20}面的偏离角超过42.7°时，在主要的生长面中混合存在相对c面的偏离角为62°以下的面。并且，如上所述，以相对c面的偏离角为62°以下的面为生长面生长的区域和其他区域相比，氧的取入量变小，该区域的电阻变大。其结果是，在获得的基板的面内，产生电阻的分布。因此，优选上述偏离角为42.7°以下，考虑到切片加工的精度等，优选上述偏离角为43.7°以下。
并且，主表面是a面的氮化物半导体基板是指，主表面实质上是a面({11-20}面)的氮化物半导体基板，具体而言是指主表面相对{11-20}面的偏离角在m方向为±2°以下，且在c方向为±2°以下的氮化物半导体基板。
在上述其他侧面的氮化物半导体基板的制造方法中优选：衬底基板的主表面的相对于{11-20}面的偏离角为7.7°以上32.6°以下。
这样一来，可进一步切实抑制半导体层中产生多晶区域。并且可进一步避免半导体层要求的直径变得过大，同时可进一步减小半导体层要求的厚度。
在上述氮化物半导体基板的制造方法中优选，在准备衬底基板的工序中，准备多个衬底基板，在使半导体层外延生长的工序中，在彼此的侧面相对向地配置的多个衬底基板的主表面上，使半导体层外延生长。这样一来，易于制造大口径的氮化物半导体基板。
从以上说明可知，根据本发明的氮化物半导体基板的制造方法，可高效地制造以非极性面为主表面的氮化物半导体基板。
附图说明
图1是表示氮化物半导体基板的制造方法的概要的流程图。
图2是用于说明氮化物半导体基板的制造方法的概要透视图。
图3是用于说明氮化物半导体基板的制造方法的概要剖视图。
图4是用于说明氮化物半导体基板的制造方法的概要剖视图。
图5是用于说明实施方式2中的氮化物半导体基板的制造方法的概要剖视图。
具体实施方式
以下根据附图说明本发明的实施方式。并且在以下附图中，对相同或相当的部分附加同样的参照标记，不重复其说明。
(实施方式1)
首先，对作为本发明的一个实施方式的实施方式1，以作为氮化物半导体基板的GaN基板的制造方法为例进行说明。并且，在实施方式1中，图3及图4中的α表示[1-100]方向，β例如表示[20-21]方向，γ表示[11-20]方向，δ表示[0001]方向。
参照图1，在实施方式1中的GaN基板的制造方法中，首先作为工序(S10)，实施c面生长结晶制作工序。在该工序(S10)中，如图2所示，例如使用HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy：氢化物气相生长)法等生长方法，以{0001}面(c面)为生长面11，制造GaN结晶1。此外，该GaN结晶1的制造除了HVPE法外，例如也可通过熔剂法、氨热法(ammonothermal method)、液相生长法等实施。
接着参照图1，作为工序(S20)实施衬底基板获取工序。在该工序(S20)中，如图2所示，通过将在工序(S10)中制作的GaN结晶1切片，获取衬底基板12。其中，在该衬底基板12的获取中，具有对{1-100}的偏离角为4.1°以上47.8°以下的主表面地获取衬底基板12。因此，将c面作为生长面采用，以较高的生长速度生长结晶并制造GaN结晶1的基础上，通过采用切片该GaN结晶1并获取衬底基板12的工艺，可高效地获得衬底基板12。此外，上述工序(S10)及(S20)构成衬底基板准备工序。
接着参照图1，作为工序(S30)实施衬底基板配置工序。在该工序(S30)中，在工序(S20)中获取的衬底基板12例如配置在HVPE装置内，以使其主表面可暴露于原料气体。
接着参照图1，作为工序(S40)实施外延生长工序。
在该工序(S40)中，如图3所示，在工序(S30)中配置在HVPE装置内的衬底基板12的主表面12A上，通过HVPE法生长作为由GaN构成的半导体层的外延生长层13。此时，在外延生长层13中包括以下区域：第1生长区域13C，以和衬底基板12的主表面12A平行的第1生长面13A(主要的生长面)为生长面生长；作为m面生长部的第2生长区域13D，以作为{1-100}面的第2生长面13B为生长面生长。
接着参照图1，作为工序(S50)实施外延层切片工序。
在该工序(S50)中，如图3及图4所示，在工序(S40)中形成的外延生长层13中，对第1生长区域13C在沿m面的切片面19中切片，从而可获得主表面20A是m面的GaN基板20。通过以上工序可制造出本实施方式中的GaN基板20。
其中，在上述本实施方式中的GaN基板的制造方法中，如上所述，衬底基板12的主表面12A的相对于{1-100}面的偏离角变为4.1°在上。因此，抑制了在和衬底基板12的主表面12A平行的第1生长面13A中出现{1-100}面。其结果是，在工序(S40)中以第1生长面13A为生长面生长的第1生长区域13C中，抑制多晶生长，并抑制多晶区域的发生。并且，可进行高速的生长。进一步，抑制了以作为{1-100}面的第2生长面13B为生长面生长的第2生长区域13D在外延生长层13中所占比率(m面生长部比率)。其结果是，可减小为制造具有规定直径的GaN基板20所需的外延生长层13的直径。
另一方面，如上所述，衬底基板12的主表面12A的相对于{1-100}面的偏离角为46.8°以下。因此，可减小获取主表面20A是m面的GaN基板20所需的、外延生长层13的厚度。进一步，通过使用上述衬底基板12，可抑制在第1生长面13A中混合存在相对c面的偏离角为62°以下的面。这样一来，和其他区域相比，氧的取入量较小，可抑制电阻大的区域混入到面内。其结果是，可抑制在GaN基板20的面内产生电阻分布。
如上所述，根据本实施方式中的GaN基板的制造方法，可抑制多晶生长，高效制造以m面为主表面的GaN基板。
其中，在上述本实施方式的GaN基板的制造方法中，优选衬底基板12的主表面12A的相对于{1-100}面的偏离角为9.1°以上20.5°以下。
这样一来，可进一步切实抑制第1生长区域13C中产生多晶区域。并且，可进一步避免外延生长层13所要求的直径变得过大，同时进一步减小外延生长层13要求的厚度。
(实施方式2)
接着说明作为本发明的其他实施方式的实施方式2。实施方式2中的作为氮化物半导体基板的GaN基板的制造方法基本和上述实施方式1相同。但实施方式2中的GaN基板的制造方法和实施方式1的不同点在于衬底基板的配置。
即，参照图1，在实施方式2中的GaN基板的制造方法中，首先，工序(S10)及(S20)和实施方式1同样实施。此时，在工序(S20)中，获取多个衬底基板。
接着在工序(S30)中，如图5所示，以彼此的侧面相对向的方式配置有多个衬底基板12。具体而言，在工序(S30)中，铺满多个衬底基板12，使彼此的侧面彼此接触，并且主表面12A构成单一的平面。此外在图5中，α表示[1-100]方向，β例如表示[20-21]方向，γ表示[11-20]方向，δ表示[0001]方向。之后在工序(S40)中，在工序(S30)中铺满的多个衬底基板12的主表面12A上，和实施方式1同样地生长外延生长层13。之后和实施方式1一样实施工序(S50)。
根据本实施方式中的GaN基板的制造方法，铺满多个衬底基板12并配置，通过采用在该多个衬底基板12的主表面12A上使外延生长层13生长的工艺，可易于制造大口径的GaN基板20。
(实施方式3)
接着说明作为本发明的进一步的其他实施方式的实施方式3。实施方式3中的作为氮化物半导体基板的GaN基板的制造方法基本和上述实施方式1一样实施。但实施方式3中的GaN基板的制造方法和实施方式1的不同点在于衬底基板的面方位。其中，在实施方式3中，图3及图4的α表示[11-20]方向，β例如表示[11-21]方向，γ表示[1-100]方向，δ表示[0001]方向。
参照图1，在实施方式3的工序(S10)中，和实施方式1一样制作GaN结晶1。接着在工序(S20)中，获取衬底基板12，以具有相对{11-20}面的偏离角为4.8以上°43.7°以下的主表面。
接着，工序(S30)和实施方式1一样实施后，在工序(S40)中，和实施方式1一样通过HVPE法生长由GaN构成的外延生长层13。此时，外延生长层13中包括以下区域：第1生长区域13C，以和衬底基板12的主表面12A平行的第1生长面13A(主要的生长面)为生长面生长；作为a面生长部的第2生长区域13D，以作为{11-20}面的第2生长面13B为生长面生长。
接着在工序(S50)中，如图3及图4所示，在工序(S40)中形成的外延生长层13中，通过在沿着a面的切片面19中切片第1生长区域13C，可获得主表面20A是a面的GaN基板20。通过以下工序可制造出本实施方式中的GaN基板20。
其中，在上述本实施方式中的GaN基板的制造方法中，如上所述，衬底基板12的主表面12A的相对于{11-20}面的偏离角为4.8°以上。因此，抑制了与衬底基板12的主表面12A平行的第1生长面13A中出现{11-20}。其结果是，在工序(S40)中以第1生长面13A为生长面生长的第1生长区域13C中，抑制了多晶生长，并抑制了多晶区域的发生。并且，可进行高速的生长。进一步，抑制了以作为{11-20}面的第2生长面13B为生长面生长的第2生长区域13D在外延生长层13中所占比率(a面生长部比率)。其结果是，可减小为制造具有规定直径的GaN基板20所需的外延生长层13的直径。
另一方面，如上所述，衬底基板12的主表面12A的相对于{11-20}面的偏离角为43.7°以下。因此，可减小获取主表面20A是a面的GaN基板20所需的、外延生长层13的厚度。进一步，通过使用上述衬底基板12，可抑制在第1生长面13A中混合存在相对c面的偏离角为62°以下的面。这样一来，和其他区域相比，氧的取入量较小，可抑制电阻大的区域混入到面内。其结果是，可抑制在GaN基板20的面内产生电阻分布。
如上所述，根据本实施方式中的GaN基板的制造方法，可抑制多晶生长，高效制造以a面为主表面的GaN基板。
其中，在上述本实施方式中的GaN基板的制造方法中，优选衬底基板12的主表面12A的相对于{11-20}面的偏离角为7.7°以上32.6°以下。
这样一来，可进一步切实抑制第1生长区域13C中产生多晶区域。并且，可进一步避免外延生长层13所要求的直径变得过大，同时进一步减小外延生长层13要求的厚度。
并且在上述实施方式3中，说明了和实施方式1一样使用单一的衬底基板12的情况，参照图5，也可和上述实施方式2一样采用铺满多个衬底基板12的工艺。这种情况下，图5的α表示[11-20]方向，β例如表示[11-21]方向，γ表示[1-100]方向，δ表示[0001]方向。
(实施例1)
假设切割了主表面是m面的GaN基板，进行在改变主表面的面方位的衬底基板上形成由GaN构成的外延生长层的实验。实验结果如表1所示。
表1
Figure BPA00001448746800121
在表1中，“半导体层的生长面”表示：微观地观察作为主要生长面的与衬底基板12的主表面12A平行的第1生长面13A(参照图3)时，在第1生长面13A中出现的生长面的面方位。并且，“必要厚度”表示：获取以m面为主表面的直径2英寸的GaN基板所需的外延生长层的厚度。并且，“有无龟裂发生”表示：有无发生外延生长层中的龟裂。并且，“m面生长部比率”表示：以m面为主表面生长的区域在外延生长层中所占比率。并且，“面内多晶区域发生个数”表示：外延生长层中的多晶区域发生个数。并且，“必要直径”表示：获取以m面为主表面的直径2英寸的GaN基板所需的外延生长层的直径。
参照表1，在衬底基板的主表面的相对于{1-100}面的偏离角小于4.1°的比较例1～3中，生长面中出现(10-10)面。因此，多晶区域的发生个数变多。并且，m面生长部比率也变大，因此必要直径也变大。另一方面，在衬底基板的主表面的相对于{1-100}面的偏离角超过47.8°的比较例4中，必要厚度为37mm以上，考虑到批量生产的工艺并不现实。与之相对，在衬底基板的主表面的相对于{1-100}的偏离角为4.1°以上47.8°以下的实施例1～8中，生长面中不出现(10-10)面，因此可抑制多晶区域的发生，并且m面生长部比率也变小，所以不仅必要直径变小，必要厚度也受到抑制。由以上结果可确认，在制造(切割)主表面是m面的GaN基板时，优选衬底基板的主表面的相对于{1-100}的偏离角为4.1°以上、47.8°以下。
(实施例2)
假设切割了主表面是a面的GaN基板，进行在改变主表面的面方位的衬底基板上形成由GaN构成的外延生长层的实验。实验结果如表2所示。
表2
Figure BPA00001448746800141
在表2中，“半导体层的生长面”表示：微观地观察作为主要生长面的与衬底基板12的主表面12A平行的第1生长面13A(参照图3)时，在第1生长面13A中出现的生长面的面方位。并且，“必要厚度”表示：获取以a面为主表面的直径2英寸的GaN基板所需的外延生长层的厚度。并且，“有无龟裂发生”表示：有无发生外延生长层中的龟裂。并且，“a面生长部比率”表示：以a面为主表面生长的区域在外延生长层中所占比率。并且，“面内多晶区域发生个数”表示：外延生长层中的多晶区域发生个数。并且，“必要直径”表示：获取以a面为主表面的直径2英寸的GaN基板所需的外延生长层的直径。
参照表2，在衬底基板的主表面的相对于{11-20}的偏离角小于4.8°的比较例1～3中，生长面中出现(11-20)面。因此，多晶区域的发生个数变多。并且，a面生长部比率也变大，因此必要直径也变大。另一方面，在衬底基板的主表面的相对于{11-20}面的偏离角超过43.7°的比较例4中，必要厚度为34mm以上，考虑到批量生产的工艺并不现实。与之相对，在衬底基板的主表面的相对于{11-20}的偏离角为4.8°以上43.7°以下的实施例1～6中，生长面中不出现(11-20)面，因此可抑制多晶区域的发生，并且a面生长部比率也变小，所以不仅必要直径变小，必要厚度也受到抑制。由以上结果可确认，在制造(切割)主表面是a面的GaN基板时，优选衬底基板的主表面的相对于{11-20}的偏离角为4.8°以上、43.7°以下。
此外，在上述实施方式及实施例中，作为氮化物半导体基板，以GaN基板为例说明了其制造方法，但通过本发明的制造方法可制造的氮化物半导体基板不限于此，例如也可制造AlGaN基板、InGaN基板等。并且在本申请中，{1-100}面及{11-20}面分别统一表示与{1-100}面及{11-20}面等价的所有面，例如{1-100}面包括作为m面的(1-100)面、(10-10)面、(01-10)面、(-1100)面、(-1010)面及(0-110)面。
此次公开的实施方式及实施例从所有角度而言仅是示例，不是限制性的。本发明的范围不是上述说明范围而由权利要求范围表示，和权利要求范围均等含义及范围内的所有变更也包括在内。
本发明的氮化物半导体基板的制造方法尤其适用于要求提高生产效率的以非极性面为主表面的氮化物半导体基板的制造方法。
标记说明
1GaN结晶
11生长面
12衬底基板
12A主表面
13外延生长层
13A第1生长面
13B第2生长面
13C第1生长区域
13D第2生长区域
19切片面
20GaN基板
20A主表面

Claims (5)

1.一种氮化物半导体基板的制造方法，其特征在于，具有以下工序：
准备衬底基板的工序，该衬底基板由氮化物半导体构成，具有相对{1-100}面的偏离角为4.1°以上47.8°以下的主表面；
在上述衬底基板的上述主表面上，使由氮化物半导体构成的半导体层外延生长的工序；以及
从上述半导体层获取主表面是m面的氮化物半导体基板的工序。
2.根据权利要求1所述的氮化物半导体基板的制造方法，其特征在于，上述衬底基板的主表面的相对于{1-100}面的偏离角为9.1°以上20.5°以下。
3.一种氮化物半导体基板的制造方法，其特征在于，具有以下工序：
准备衬底基板的工序，该衬底基板由氮化物半导体构成，具有相对{11-20}面的偏离角为4.8°以上43.7°以下的主表面；
在上述衬底基板的上述主表面上使由氮化物半导体构成的半导体层外延生长的工序；以及
从上述半导体层获取主表面是a面的氮化物半导体基板的工序。
4.根据权利要求3所述的氮化物半导体基板的制造方法，其特征在于，上述衬底基板的主表面的相对于{11-20}面的偏离角为7.7°以上32.6°以下。
5.根据权利要求1～4的任意一项所述的氮化物半导体基板的制造方法，其特征在于，
在准备上述衬底基板的工序中，准备多个上述衬底基板，
在使上述半导体层外延生长的工序中，在彼此的侧面相对向地配置的多个上述衬底基板的上述主表面上使上述半导体层外延生长。
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