CN102484181A - Iii族氮化物晶体衬底、包含外延层的iii族氮化物晶体衬底、半导体器件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种III族氮化物晶体衬底(1)，其特征在于，晶体衬底的表面层具有1.9×10-3或更低的均匀畸变，该均匀畸变是由X射线透入深度为0.3μm时的面间距d1和X射线透入深度为5μm时的面间距d2得到的|d1-d2|/d2的值表示的，该面间距是由改变自晶体衬底的主表面(1s)的X射线透入深度同时满足III族氮化物晶体衬底的任意特定平行晶格面的X射线衍射条件的X射线衍射测量得到的特定平行晶格面的面间距；并且主表面(1s)的面取向在<10-10>方向上从晶体衬底的(0001)和(000-1)面(1c)在10°至80°的范围内倾斜。这能够提供适合于制造防止光蓝移的发光器件的III族氮化物晶体衬底、具有外延层的III族氮化物晶体衬底、半导体器件及其制造方法。

Description

III族氮化物晶体衬底、包含外延层的III族氮化物晶体衬底、半导体器件及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种III族氮化物晶体衬底、包含外延层的III族氮化物晶体衬底、半导体器件及其制造方法，并且特别是涉及一种能够优选用作用于在制作半导体器件时生长外延晶体半导体层的衬底的III族氮化物晶体衬底。
背景技术
众所周知，近年来已经制作了使用氮化物半导体晶体(例如，III族氮化物晶体)的各种器件，并且作为这样的半导体器件的典型示例，已经制作了氮化物半导体发光器件(例如，III族氮化物半导体发光器件)。
通常，在制造氮化物半导体器件的过程中，在衬底上外延生长多个氮化物半导体层(例如，III族氮化物半导体层)。而外延生长的氮化物半导体层的晶体质量受用于外延生长的衬底的表面层的状态影响，并且该质量影响包括氮化物半导体层的半导体器件的性能。因此，在使用氮化物半导体晶体作为以上这种衬底的情况下，期望至少提供外延生长基础的衬底的主表面具有平滑的形态而没有畸变。
更具体地，用于外延生长的氮化物半导体衬底的主表面一般需要经过平滑化处理和畸变去除处理。在各种化合物半导体当中，氮化镓基半导体相对硬，以至于其表面平滑化处理并不容易，并且平滑化处理之后的畸变去除处理也不容易。
美国专利No.6,596,079(专利文献1)公开了一种在衬底是由在(AlGaIn)N籽晶上通过气相外延生长的(AlGaIn)N体晶(bulk crystal)而制得的情况下形成衬底表面的方法，并且更具体地，公开了一种形成具有1nm或更低的RMS(均方根)表面粗糙度并且由于对经过机械抛光的衬底表面施行CMP(化学机械抛光)或蚀刻而不具有表面损伤的衬底表面的方法。美国专利No.6,488,767号(专利文献2)公开了一种具有通过CMP处理而获得的0.15nm的RMS表面粗糙度的AlxGayInzN(0＜y≤1，x+y+z＝1)衬底。该CMP的处理剂包含Al2O3颗粒、SiO2颗粒、pH调节剂和氧化剂。
在现有技术中，如上所述，在机械抛光GaN晶体之后施行CMP处理或干法蚀刻，从而去除由机械抛光形成的工艺引入的变质层(degradation layer)，并且形成具有经精加工的衬底表面的GaN衬底。然而，CMP处理的处理速率低，且导致成本和生产率方面的问题。此外，干法蚀刻导致表面粗糙度方面的问题。
使用CMP以及用于该方法的抛光剂的Si衬底精加工方法不适合硬质氮化物半导体衬底，并且会降低表面层的去除速度。特别是，GaN化学性稳定，并且相对耐受湿法蚀刻，因此CMP处理不容易。尽管干法蚀刻可以去除氮化物半导体表面，但其不具有在水平方向上平坦化该表面的效果，从而无法获得表面平滑化的效果。
为了在衬底的主表面上外延生长晶体质量良好的化合物半导体层，如上所述，必需使用具有晶体质量良好的表面层以及较少工艺损伤和较少畸变的衬底表面。然而，衬底的主表面要求的表面层的晶体质量并不清楚。
涉及一种氮化物晶体衬底以及使用该衬底制造的半导体器件的日本专利特开No.2007-005526(专利文献3)已提出，对于制造半导体器件，这样的氮化物晶体衬底是适合的：即其中GaN晶体或AlN晶体经过机械抛光且然后在预定条件下经过CMP，并且通过X射线衍射测量评价的晶体的表面层的均匀畸变(uniform distortion)、不均匀畸变(irregular distortion)和面取向偏差(plane orientation deviation)中的至少一项落入预定范围内，该X射线衍射测量是在改变X射线自衬底的晶体表面透入深度的同时进行的。
引用文件列表
专利文献
PTL 1：美国专利No.6,596,079
PTL 2：美国专利No.6,488,767
PTL 3：日本专利特开No.2007-005526
发明内容
本发明要解决的技术问题
美国专利No.6,596,079(专利文献1)、美国专利No.6,488,767(专利文献2)和日本专利特开No.2007-005526(专利文献3)中例示的每个衬底均由主表面实现为(0001)面的六方晶系纤锌矿型III族氮化物晶体制成。在作为包括外延生长在这样的晶体衬底的主表面上的至少一个半导体层、并且该半导体层的主表面也实现为(0001)面的半导体器件的发光器件中，这些(0001)面是在这些面的法线方向上改变极性的极性面，由这样的极性引起的压电极化而产生的量子限制斯塔克效应会导致大的发光蓝移且伴随以电流注入量增加，并且致使发光强度降低。
为了制造具有受抑制的发光蓝移的发光器件，需要减小在制造该发光器件时使用的衬底的主表面的极性，换言之，需要用不同于(0001)面的面实现衬底的主表面。
然而，考虑到衬底的主表面的面取向、其主表面的表面粗糙度以及其表面层的结晶性等，适合用于制造具有受抑制的发光蓝移的发光器件的衬底尚不明确。
因此，本发明的目的是要提供一种适合用于制造具有受抑制的发光蓝移的发光器件的III族氮化物晶体衬底、包含外延层的III族氮化物晶体衬底、半导体器件及其制造方法。
解决问题的手段
根据本发明实施方式，在III族氮化物晶体衬底中，其中，通过X射线衍射测量得到该III族氮化物晶体衬底的任意特定平行晶格面的面间距，该X射线衍射测量是在改变X射线自晶体衬底的主表面的透入深度，同时满足晶体衬底的特定平行晶格面的X射线衍射条件的情况下进行的，通过由0.3μm处的X射线透入深度的面间距d1和5μm处的X射线透入深度的面间距d2得到的|d1-d2|/d2的值表示的晶体衬底的表面层处的均匀畸变等于或低于1.9×10-3，并且其中主表面的面取向相对于晶体衬底的(0001)和(000-1)面中的一个面在<10-10>方向上倾斜等于或大于10°且等于或小于80°的角度。
根据本发明另一个实施方式，在III族氮化物晶体衬底中，其中，在通过X射线衍射测量得到的该晶体衬底的任意特定平行晶格面的衍射强度分布上，该X射线衍射测量是在改变X射线自晶体衬底的主表面的透入深度，同时满足特定平行晶格面的X射线衍射条件的情况下进行的，通过由0.3μm处的X射线透入深度的衍射强度峰的半值宽度v1和5μm处的X射线透入深度的衍射强度峰的半值宽度v2得到的|v1-v2|的值表示的晶体衬底的表面层处的不均匀畸变等于或低于130arcsec，并且其中主表面的面取向相对于晶体衬底的(0001)和(000-1)面中的一个面在<10-10>方向上倾斜等于或大于10°且等于或小于80°的角度。
根据本发明又一个实施方式，在III族氮化物晶体衬底中，其中，在通过关于晶体衬底的任意特定平行晶格面的X射线衍射而改变X射线自该晶体衬底的主表面的透入深度测量的摇摆曲线(rocking curve)上，通过由0.3μm处的X射线透入深度的衍射强度峰的半值宽度w1和5μm处的X射线透入深度的衍射强度峰的半值宽度w2得到的|w1-w2|的值表示的晶体衬底的表面层处的特定平行晶格面的面取向偏差等于或低于350arcsec，并且其中主表面的面取向相对于晶体衬底的(0001)和(000-1)面中的一个面在<10-10>方向上倾斜等于或大于10°且等于或小于80°的角度。
在上述III族氮化物晶体衬底中，主表面可以具有3nm或更低的表面粗糙度Ra。III族氮化物晶体衬底的主表面的面取向可以相对于该晶体衬底的{20-21}、{10-11}、{20-2-1}和{10-1-1}面中的任何一个倾斜±4°以内的角度。主表面的面取向可以相对于晶体衬底的{20-21}、{10-11}、{20-2-1}和{10-1-1}面中的任何一个倾斜绝对值小于0.1°的倾斜角。主表面的面取向可以相对于晶体衬底的{20-21}、{10-11}、{20-2-1}和{10-1-1}面中的任何一个倾斜绝对值等于或大于0.1°且等于或小于4°的倾斜角。III族氮化物晶体衬底的主表面处存在的氧的浓度可以等于或大于2at.％且等于或小于16at.％。III族氮化物晶体衬底的主表面处的位错密度可以等于或小于1×107cm-2。III族氮化物晶体衬底的直径可以等于或大于40mm且等于或小于150mm。特定平行晶格面可以不平行于主表面，而是可以平行于(10-10)、(10-11)、(10-13)、(11-20)、(11-22)、(11-24)、(10-1-1)、(10-1-3)、(11-2-2)和(11-2-4)面中的任何一个。
根据本发明又一个实施方式，包含外延层的III族氮化物晶体衬底包括通过在III族氮化物晶体衬底的主表面上外延生长而提供的至少一个半导体层。
根据本发明的又一个实施方式，半导体器件包括包含外延层的III族氮化物晶体衬底。在该半导体器件中，在包含外延层的III族氮化物晶体衬底中包含的半导体层可以包括发射具有等于或大于430nm且等于或小于550nm的峰值波长的光的发光层。
根据本发明又一个实施方式，半导体器件的制造方法包括下列步骤：制备III族氮化物晶体衬底，其中，通过X射线衍射测量得到晶体衬底的任意特定平行晶格面的面间距，该X射线衍射测量是在改变X射线自晶体衬底的主表面的透入深度，同时满足晶体衬底的特定平行晶格面的X射线衍射条件的情况下进行的，通过由0.3μm处的X射线透入深度的面间距d1和5μm处的X射线透入深度的面间距d2得到的|d1-d2|/d2的值表示的晶体衬底的表面层处的均匀畸变等于或低于1.9×10-3，并且其中主表面的面取向相对于晶体衬底的(0001)和(000-1)面中的一个面在<10-10>方向上倾斜等于或大于10°且等于或小于80°的角度；并且在晶体衬底的主表面上外延生长至少一个半导体层，从而形成包含外延层的III族氮化物晶体衬底。
根据本发明又一个实施方式，半导体器件的制造方法包括下列步骤：制备III族氮化物晶体衬底，其中，在通过X射线衍射测量得到的III族氮化物晶体衬底的任意特定平行晶格面的衍射强度分布上，该X射线衍射测量是在改变X射线自晶体衬底的主表面的透入深度，同时满足特定平行晶格面的X射线衍射条件的情况下进行的，通过由0.3μm处的X射线透入深度的衍射强度峰的半值宽度v1和5μm处的X射线透入深度的衍射强度峰的半值宽度v2得到的|v1-v2|的值表示的晶体衬底的表面层处的不均匀畸变等于或低于130arcsec，并且其中主表面的面取向相对于晶体衬底的(0001)和(000-1)面中的一个面在<10-10>方向上倾斜等于或大于10°且等于或小于80°的角度；并且在晶体衬底的主表面上外延生长至少一个半导体层，从而形成包含外延层的III族氮化物晶体衬底。
根据本发明又一个实施方式，半导体器件的制造方法包括下列步骤：制备III族氮化物晶体衬底，其中，在通过关于晶体衬底的任意特定平行晶格面的X射线衍射而改变X射线自晶体衬底的主表面的透入深度测量的摇摆曲线上，通过由0.3μm处的X射线透入深度的衍射强度峰的半值宽度w1和5μm处的X射线透入深度的衍射强度峰的半值宽度w2得到的|w1-w2|的值表示的晶体衬底的表面层处的特定平行晶格面的面取向偏差等于或低于350arcsec，并且其中主表面的面取向相对于晶体衬底的(0001)和(000-1)面其中之一在<10-10>方向上倾斜等于或大于10°且等于或小于80°的角度；并且通过在晶体衬底的主表面上外延生长至少一个半导体层，从而形成包含外延层的III族氮化物晶体衬底。
在半导体器件的制造方法中形成包含外延层的III族氮化物晶体衬底的步骤中，半导体层可以构造为包括发射具有等于或大于430nm且等于或小于550nm的峰值波长的光的发光层。在半导体器件的制造方法中，上述特定平行晶格面可以不平行于主表面，而是可以平行于(10-10)、(10-11)、(10-13)、(11-20)、(11-22)、(11-24)、(10-1-1)、(10-1-3)、(11-2-2)和(11-2-4)面中的任何一个。
发明的有益效果
本发明可以提供一种适合用于制造具有受抑制的发光蓝移以及增加了的发光强度的发光器件的III族氮化物晶体衬底、包含外延层的III族氮化物晶体衬底、半导体器件及其制造方法。
附图说明
图1是示出了自III族氮化物晶体衬底的主表面在深度方向上的晶体的状态的示意性剖面图。
图2是示出了应用于本发明的X射线衍射法的测量轴和测量角的示意图。
图3示意性例示出III族氮化物晶体衬底的晶格的均匀畸变和X射线衍射法中的衍射曲线上所示特定平行晶格面的面间距之间的关系。a)处例示出晶格的均匀畸变。b)处在衍射曲线上示出了特定平行晶格面的面间距。
图4示意性例示出III族氮化物晶体衬底的晶格的不均匀畸变和X射线衍射法中的衍射曲线上的衍射峰的半值宽度之间的关系。a)处例示出晶格的不均匀畸变。b)处例示出衍射曲线上的衍射峰的半值宽度。
图5示意性例示出III族氮化物晶体衬底的特定平行晶格面的面取向偏差和X射线衍射法中的摇摆曲线上的半值宽度之间的关系。a)处例示出特定平行晶格面的面取向偏差。b)处例示出摇摆曲线上的半值宽度。
图6示意性例示出根据本发明的III族氮化物晶体衬底的示例。
图7示意性例示出根据本发明的III族氮化物晶体衬底的面取向相对于(0001)面在<10-10>方向上的倾斜的一个示例。
图8示意性例示出根据本发明的III族氮化物晶体衬底的面取向相对于(0001)面在<10-10>方向上的倾斜的另一个示例。
图9示意性例示出根据本发明的III族氮化物晶体衬底的面取向相对于(000-1)面在<10-10>方向上的倾斜的一个示例。
图10示意性例示出根据本发明的III族氮化物晶体衬底的面取向相对于(000-1)面在<10-10>方向上的倾斜的另一个示例。
图11是示出了根据本发明的包含外延层的III族氮化物晶体衬底的示例的示意性剖面图。
图12是示出了根据本发明的半导体器件的示例的示意性剖面图。
具体实施方式
[III族氮化物晶体衬底]
在晶体学中，采用诸如(hkl)和(hkil)的符号(密勒符号)表示晶体表面的面取向。诸如构成III族氮化物晶体衬底的III族氮化物晶体这样的六方晶系晶体的晶体表面的面取向用(hkil)表示。本文中，h、k、i和l是被称为密勒指数的整数，具有i＝-(h+k)的关系。面取向为(hkil)的面被称为(hkil)面。在本说明书全篇中，每个单独的面取向均用(hkil)表示，并且包括(hkil)以及其在晶体学上的等价面取向的面取向族用{hkil}表示。每个单独的方向均用[hkil]表示，并且包括[hkil]以及其在晶体学上的等价方向的方向族用<hkil>表示。尽管在晶体学上，负指数一般是通过在表示该指数的数字上方添加“-”(横杠)来加以表示，但在本说明书全篇中，负指数是通过在表示该指数的数字前面添加负号(-)来加以表示的。
因为III族元素原子面和氮原子面在<0001>方向上交替排列，所以III族氮化物晶体衬底在<0001>方向上具有极性。在本发明中，将晶轴确定为使III族元素原子面由(0001)面实现且氮原子面由(000-1)面实现。
本发明采用X射线衍射法，由此可以对III族氮化物晶体衬底的表面层的结晶性直接进行评价而无需破坏该晶体。结晶性的评价表示对该晶体的畸变存在的范围或程度的评价或确定，并且更具体地，表示对晶格的畸变以及晶格面的面取向偏差存在的范围或程度的评价。晶格的畸变可以被具体地归为由均匀畸变的晶格而引起的均匀畸变和由不均匀畸变的晶格而引起的不均匀畸变。晶格面的面取向偏差表示每个晶格的晶格面与全部晶格的晶格面的面取向的平均取向偏离的大小。
如图1所示，III族氮化物晶体衬底1自该晶体衬底的主表面1s在一定深度方向上具有表面层1p，并且由于诸如从III族氮化物晶体物质切割、研磨或抛光的处理而在表面层1p中产生晶格的均匀畸变、不均匀畸变和面取向偏差(即，晶格的均匀畸变、不均匀畸变和面取向偏差中的至少一种)。晶格的均匀畸变、不均匀畸变和面取向偏差(即，晶格的均匀畸变、不均匀畸变和面取向偏差中的至少一种)会发生在与表面层1p邻接的表面邻接层1q中(图1示出了存在晶格的面取向偏差的情况)。此外，可以认为位于表面邻接层1q内侧的内层1r具有晶体原始的晶体结构。表面层1p和表面邻接层1q的状态和厚度取决于表面处理时研磨或抛光的方式和程度。
在上述结构中，晶格的均匀畸变、不均匀畸变和/或面取向偏差是在自晶体衬底的主表面在深度方向上进行评价的，从而可以直接并可靠地评价表面层的结晶性。
在用于评价根据本发明的III族氮化物晶体衬底的表面层的结晶性的X射线衍射测量中，在满足III族氮化物晶体衬底的任意特定平行晶格面的X射线衍射条件的同时改变X射线自晶体衬底的主表面的透入深度。
参照图1和图2，任意特定平行晶格面的衍射条件表示任意特定的晶格面使X射线衍射的条件。假定布拉格角为θ、X射线的波长为λ且特定平行晶格面1d的面间距为d，则满足布拉格的条件(2dsinθ＝nλ，其中n为整数)的晶格面使X射线衍射。
X射线透入深度表示当入射的X射线的强度等于1/e，其中e为自然对数的底数时在垂直于晶体衬底的主表面1s的深度方向上测量的距离。参照图2，III族氮化物晶体衬底1的X射线线性吸收系数μ、该晶体衬底的主表面1s的倾斜角χ、相对于该晶体衬底的主表面1s的X射线入射角ω以及布拉格角θ确定X射线透入深度T，由等式(1)表示。χ轴21在由入射的X射线11和出射的X射线12形成的平面内，ω轴(2θ轴)22垂直于由入射的X射线11和出射的X射线12形成的平面，并且轴23垂直于晶体衬底的主表面1s。表示晶体衬底的主表面1s内的旋转角。
T = 1 &mu; &CenterDot; cos &chi; &CenterDot; sin &omega; &CenterDot; sin ( 2 &theta; - &omega; ) sin &omega; + sin ( 2 &theta; - &omega; ) - - - ( 1 )
因此，可以通过调整χ、ω和中的至少一个来连续改变X射线透入深度T，以满足以上特定平行晶格面的衍射条件。
为了连续改变X射线透入深度T以满足特定平行晶格面1d的衍射条件，特定平行晶格面1d必需不平行于晶体衬底的主表面1s。如果特定平行晶格面平行于晶体衬底的主表面，则特定平行晶格面1d和入射的X射线11之间的角θ变为等于晶体衬底的主表面1s和入射的X射线11之间的角ω，以至于在特定平行晶格面1d处不能改变X射线透入深度。除了其如上所述不平行于晶体衬底的主表面，特定平行晶格面不受特别限制，但从有利于通过X射线衍射在期望的透入深度进行评价这一观点，特定平行晶格面优选由平行于(10-10)、(10-11)、(10-13)、(11-20)、(11-22)、(11-24)、(10-1-1)、(10-1-3)、(11-2-2)、(11-2-4)面等等的面实现。更优选地，特定平行晶格面由(10-10)、(10-11)、(10-13)、(11-20)、(11-22)、(11-24)、(10-1-1)、(10-1-3)、(11-2-2)、(11-2-4)面等等实现。
用X射线照射晶体衬底的任意特定平行晶格面，同时改变X射线透入深度，以依据与特定平行晶格面有关的衍射曲线上的面间距的变化来评价晶格的均匀畸变、依据衍射曲线上的衍射峰的半值宽度的变化来评价晶格的不均匀畸变、以及依据摇摆曲线上的半值宽度的变化来评价晶格的面取向偏差。
参照图6，根据本发明的III族氮化物晶体衬底1的主表面1s的面取向相对于晶体衬底的(0001)和(000-1)面中的一个面1c在<10-10>方向上倾斜等于或大于10°且等于或小于80°的倾斜角α。由于III族氮化物晶体衬底1的主表面的面取向相对于(0001)和(000-1)面中的一个面1c在<10-10>方向上倾斜等于或大于10°的倾斜角α，所以在作为包含外延生长在晶体衬底的主表面上的至少一个半导体层的半导体器件的发光器件中，半导体层中的发光层的压电极化受到抑制，使量子限制斯塔克效应减小，从而有利于空穴和电子的复合，提高了辐射跃迁概率。这抑制了发光器件中的蓝移，并增加了发光的积分强度。由于III族氮化物晶体衬底的主表面的面取向相对于(0001)和(000-1)面中的一个面1c在<10-10>方向上倾斜等于或小于80°的倾斜角α，所以在作为包含外延生长在晶体衬底的主表面上的至少一个半导体层的半导体器件的发光器件中，半导体层中的发光层的位错密度减少，这获得增加了的发光积分强度。从这些观点来看，III族氮化物晶体衬底的主表面的面取向相对于(0001)和(000-1)面中的一个面在<10-10>方向上的倾斜角α优选为等于或大于16°且等于或小于80°、更优选为等于或大于45°且等于或小于79°、进一步优选为等于或大于63°且等于或小于79°。主表面相对于(0001)和(000-1)面中的一个面在<10-10>方向上的倾斜角α可以通过X射线衍射法等来测量。
(第一实施方式)
参照图1、2、3和图6，在根据本发明实施方式的III族氮化物晶体衬底1中，通过X射线衍射测量得到任意特定平行晶格面1d(特定平行晶格面1d包括各晶格的特定平行晶格面31d、32d和33d；贯穿本实施方式都同样适用)的面间距，该X射线衍射测量是在改变X射线自晶体衬底的主表面1s的透入深度，同时满足III族氮化物晶体衬底1的特定平行晶格面1d的X射线衍射条件的情况下进行的，通过由0.3μm的X射线透入深度的面间距d1和5μm的X射线透入深度的面间距d2得到的|d1-d2|/d2的值表示的晶体衬底的表面层1p处的均匀畸变等于或小于1.9×10-3，并且主表面1s的面取向相对于晶体衬底的(0001)和(000-1)面中的一个面1c在<10-10>方向上倾斜等于或大于10°且等于或小于80°的角度。
由于根据本实施方式的III族氮化物晶体衬底1的表面层1p处的均匀畸变等于或小于1.9×10-3，并且主表面1s的面取向相对于(0001)和(000-1)面中的一个面1c在<10-10>方向上倾斜等于或大于10°且等于或小于80°的倾斜角α，所以在作为包括外延生长在晶体衬底的主表面1s上的至少一个半导体层的半导体器件的发光器件中，可以抑制蓝移并且增加发光的积分强度。从这些观点来看，表面层1p处的均匀畸变优选为等于或小于1.4×10-3，并且更优选为等于或小于1.0×10-3。表面层1p处的均匀畸变优选为尽可能地小，并且如稍后将描述的，在本发明中通过调整晶体衬底主表面的处理条件而被减小到大约0.4×10-3。主表面1s的面取向的倾斜角α优选为等于或大于16°且等于或小于80°，更优选为等于或大于45°且等于或小于79°，且进一步优选为等于或大于63°且等于或小于79°。
参照图1，0.3μm的X射线透入深度对应于从III族氮化物晶体衬底1的主表面1s到表面层1p内侧的距离，并且5μm的X射线透入深度对应于从III族氮化物晶体衬底1的主表面1s到内层1r内侧的距离。参照图3(a)，5μm的X射线透入深度处的面间距d2可以被视为III族氮化物晶体在原始状态下的特定平行晶格面1d的面间距，而0.3μm的X射线透入深度处的面间距d1反映的是由于晶体衬底的表面处理的影响(例如，在平行于特定平行晶格面1d的方向上的拉应力30)而导致的表面层1p处晶格的均匀畸变，并且因此其取值不同于5μm的X射线透入深度处的面间距d2。
参照图3(b)，在与上述情况下的任意特定平行晶格面1d有关的衍射曲线上，呈现了0.3μm的X射线透入深度处的面间距d1和5μm的X射线透入深度处的面间距d2。因此，表面层的均匀畸变可以通过d1和d2之差与d2之比|d1-d2|/d2的值来表示。
(第二实施方式)
参照图1、2、4和图6，在根据本发明另一个实施方式的III族氮化物晶体衬底1中，在通过X射线衍射测量得到的任意特定平行晶格面1d(特定平行晶格面1d包括各晶格的特定平行晶格面41d、42d和43d；贯穿本实施方式都同样适用)的衍射强度分布上，该X射线衍射测量是在改变X射线自晶体衬底的主表面1s的透入深度，同时满足特定平行晶格面1d的X射线衍射条件的情况下进行的，通过由0.3μm的X射线透入深度的衍射强度峰的半值宽度v1和5μm的X射线透入深度的衍射强度峰的半值宽度v2得到的|v1-v2|的值表示的晶体衬底的表面层1p处的不均匀畸变等于或低于130arcsec，并且主表面1s的面取向相对于晶体衬底的(0001)和(000-1)面中的一个面1c在<10-10>方向上倾斜等于或大于10°且等于或小于80°的角度。
由于根据本实施方式的III族氮化物晶体衬底1的表面层1p处的不均匀畸变等于或低于130arcsec，并且主表面1s的面取向相对于晶体衬底的(0001)和(000-1)面中的一个面1c在<10-10>方向上倾斜等于或大于10°且等于或小于80°的角度，所以在作为包括外延生长在晶体衬底的主表面1s上的至少一个半导体层的半导体器件的发光器件中，可以抑制蓝移并且增加发光的积分强度。从这些观点来看，表面层1p处的不均匀畸变优选为等于或低于90arcsec，且更优选为等于或低于30arcsec。表面层1p处的不均匀畸变优选为尽可能地小，并且如稍后将描述的，在本发明中通过调整晶体衬底主表面的处理条件而被减小到0arcsec。主表面1s的面取向的倾斜角α优选为等于或大于16°且等于或小于80°，更优选为等于或大于45°且等于或小于79°，且进一步优选为等于或大于63°且等于或小于79°。
参照图1，0.3μm的X射线透入深度对应于从III族氮化物晶体衬底1的主表面1s到表面层1p内侧的距离，并且5μm的X射线透入深度对应于从III族氮化物晶体衬底1的主表面1s到内层1r内侧的距离。参照图4(a)，5μm的X射线透入深度处的衍射峰的半值宽度v2可以被视为III族氮化物晶体在原始状态下的半值宽度，而0.3μm的X射线透入深度处的衍射峰的半值宽度v1反映的是由于晶体衬底的表面的影响(例如，各晶格面的不同面间距d3、d4～d5、d6)而导致的表面层1p处晶格的不均匀畸变，并且因此其取值不同于5μm的X射线透入深度处的衍射峰的半值宽度v2。
参照图4(b)，在与上述情况下的晶体衬底的任意特定平行晶格面1d有关的衍射曲线上，呈现了0.3μm的X射线透入深度处的衍射峰的半值宽度v1和5μm的X射线透入深度处的衍射峰的半值宽度v2。因此，表面层1p处的不均匀畸变可以通过v1和v2之差|v1-v2|的值来表示。
(第三实施方式)。
参照图1、2、5和图6，在根据本发明又一个实施方式的III族氮化物晶体衬底1中，在通过关于任意特定平行晶格面1d(特定平行晶格面1d包括各晶格的特定平行晶格面51d、52d和53d；贯穿本实施方式都同样适用)的X射线衍射而改变X射线自晶体衬底的主表面1s的透入深度测量的摇摆曲线上，通过由0.3μm的X射线透入深度的衍射强度峰的半值宽度w1和5μm的X射线透入深度的衍射强度峰的半值宽度w2得到的|w1-w2|的值表示的晶体衬底的表面层1p处特定平行晶格面1d的面取向偏差等于或低于350arcsec，并且主表面1s的面取向相对于晶体衬底的(0001)和(000-1)面中的一个面1c在<10-10>方向上倾斜等于或大于10°且等于或小于80°的角度。
由于在根据本实施方式的III族氮化物晶体衬底1中，表面层1p处的特定平行晶格面的面取向偏差等于或低于350arcsec，并且主表面1s的面取向相对于晶体衬底的(0001)和(000-1)面中的一个面1c在<10-10>方向上倾斜等于或大于10°且等于或小于80°的角度，所以在作为包括外延生长在晶体衬底的主表面1s上的至少一个半导体层的半导体器件的发光器件中，可以抑制蓝移并且增加发光的积分强度。从这些观点来看，表面层1p处特定平行晶格面的面取向偏差优选为等于或低于190arcsec，且更优选为等于或低于50arcsec。表面层1p处特定平行晶格面的面取向偏差优选为尽可能地小，并且如稍后将描述的，在本发明中通过调整晶体衬底主表面的处理条件而被减小到0arcsec。主表面1s的面取向的倾斜角α优选为等于或大于16°且等于或小于80°，更优选为等于或大于45°且等于或小于79°，且进一步优选为等于或大于63°且等于或小于79°。
参照图1，0.3μm的X射线透入深度对应于从III族氮化物晶体衬底1的主表面1s到表面层1p内侧的距离，并且5μm的X射线透入深度对应于从III族氮化物晶体衬底1的主表面1s到内层1r内侧的距离。参照图5(a)，5μm的X射线透入深度处的半值宽度w2可以被视为III族氮化物晶体在原始状态下的半值宽度，而0.3μm的X射线透入深度处的半值宽度w1反映的是由于晶体衬底的表面处理的影响(例如，各晶格的各特定平行晶格面51d、52d和53d的不同面取向)而导致的表面层1p处晶格的特定平行晶格面1d的面取向偏差，并且因此其取值不同于5μm的X射线透入深度处的半值宽度w2。
参照图5(b)，在与上述情况下的晶体的任意特定平行晶格面有关的摇摆曲线上，呈现了0.3μm的X射线透入深度处的半值宽度w1和5μm的X射线透入深度处的半值宽度w2。因此，晶体表面层的特定平行晶格面的面取向偏差可以通过w1和w2之差|w1-w2|的值来表示。
在已经描述的第一至第三实施方式的III族氮化物晶体衬底1中，主表面1s优选具有30nm或更低的表面粗糙度Ry。表面粗糙度Ry表示JIS B 0601-1994中定义的最大高度Ry，并且具体地，它是从取样部分的平均平面到其最高峰的高度和从该平均平面到其最低谷底的深度之和，并且这个取样部分是从粗糙度曲面在其平均平面的方向上每侧测量10μm作为基准面积(即，10μm×10μm＝100μm2；贯穿本实施方式都同样适用)而提取的。由于III族氮化物晶体衬底的主表面具有30nm或更低的表面粗糙度Ry，所以可以在该III族氮化物晶体衬底的主表面上外延生长具有低位错密度的良好结晶性的半导体层，并且可以制作具有良好特性的半导体器件，诸如具有高发光积分强度的发光器件。从这些观点来看，III族氮化物晶体衬底的主表面更优选为具有10nm或更低的表面粗糙度Ry。表面粗糙度Ry可以用AFM(原子力显微镜)、光学干涉型粗糙度测试仪等来测量。
在已经描述的第一至第三实施方式的III族氮化物晶体衬底1中，主表面1s优选为具有3nm或更低的表面粗糙度Ra。表面粗糙度Ra表示JIS B 0601-1994中定义的算术平均粗糙度Ra，它是通过用基准面积对从取样部分的平均平面到测量曲面的偏差(即，距离)的绝对值之和求平均值而得到的，并且此取样部分是从粗糙度曲面在平均平面的方向上每侧测量10μm作为基准面积而提取的。由于III族氮化物晶体衬底的主表面具有3nm或更低的表面粗糙度Ra，所以可以在该III族氮化物晶体衬底的主表面上外延生长具有低位错密度的良好结晶性的半导体层，并且可以制作具有良好特性的半导体器件，诸如具有高发光积分强度的发光器件。从这些观点来看，III族氮化物晶体衬底的主表面更优选为具有1nm或更低的表面粗糙度Ra。表面粗糙度Ra可以用AFM(原子力显微镜)、光学干涉型粗糙度测试仪等来测量。
参照图7至图10，在已经描述的第一至第三实施方式的III族氮化物晶体衬底1中，主表面1s的面取向优选为相对于晶体衬底的{20-21}、{10-11}、{20-2-1}和{10-1-1}面中的任何一个倾斜±4°以内的倾斜角β。
当倾斜角β的绝对值小于0.1°从而使主表面1s的面取向角大致平行于晶体衬底的{20-21}、{10-11}、{20-2-1}和{10-1-1}面中的任何一个时，可以增大在主表面1s上外延生长的至少一个半导体层中包括的发光层的阱层内引入的In(铟)浓度。这允许在不降低生长温度的情况下生长期望的组成，从而可以提高阱层的结晶性。在作为半导体器件的发光器件中，由于提高了阱层的结晶性而使发光光谱中呈现的发光峰的半值宽度减小，提供了有利的发光特性。在上述面取向当中，特别是对于{20-21}，可以得到有利的特性。
当主表面1s的面取向相对于晶体衬底的{20-21}、{10-11}、{20-2-1}和{10-1-1}面中的任何一个的倾斜角β的绝对值等于或大于0.1°且等于或小于4°时，可以得到表现出有利的发光特性的半导体器件，其发光特性与在倾斜角β的绝对值小于0.1°而使主表面1s的面取向角大致平行于{20-21}、{10-11}、{20-2-1}和{10-1-1}面中的任何一个的情况下的那些半导体器件的发光特性几乎相同。因为当主表面1s的面取向的相对于晶体衬底的{20-21}、{10-11}、{20-2-1}和{10-1-1}面中的任何一个的倾斜角β的绝对值等于或大于0.1°且等于或小于4°时生长的半导体层(包括发光层)的形貌被改善，所以得到的发光器件(半导体器件)表现出有利的发光特性。在上述面取向当中，特别是对于{20-21}，可以得到有利的特性。
参照图1，在已经描述的第一至第三实施方式的III族氮化物晶体衬底1中，主表面1s处存在的氧优选为具有等于或大于2at.％且等于或小于16at.％的氧浓度。主表面1s中存在的氧包括由于主表面1s氧化而进入的氧、附着于主表面1s的氧等。当III族氮化物晶体衬底1的主表面1s处存在的氧具有小于2at.％的氧浓度时，得到的半导体器件中的晶体衬底和在该晶体衬底上外延生长的半导体层之间的界面的电阻将会增大，导致发光的积分强度减小。当III族氮化物晶体衬底1的主表面1s处存在的氧具有大于16at.％的氧浓度时，晶体衬底的主表面上外延生长的半导体层的结晶性变差，导致发光的积分强度减小。从这些观点来看，主表面1s处存在的氧更优选为具有等于或大于3at.％且等于或小于10at.％的浓度。主表面处存在的氧的浓度通过AES(俄歇电子能谱法)、XPS(X射线光电子能谱法)等来测量。
由于如上所述可以通过AES和XPS来进行测量，所以本发明中主表面1s处存在的氧包括附着于主表面1s的氧、由于晶体衬底氧化等而进入主表面1s的氧、以及进入达到主表面以下一般大约5nm、至多10nm深度的区域的氧。
参照图1，在已经描述的第一至第三实施方式的III族氮化物晶体衬底1中，主表面处的位错密度优选为等于或小于1×107cm-2。当主表面1s处的位错密度大于1×107cm-2时，在晶体衬底的主表面上外延生长的半导体层的结晶性变差，并且因此，发光的积分强度减小。从这样的观点来看，主表面1s处的位错密度更优选为等于或小于1×106cm-2，且更进一步优选为等于或小于1×105cm-2。从生产成本和生产率这一观点来看，主表面1s处的位错密度优选为等于或大于1×102cm-2。
从在制造半导体器件时削减成本和提高效率这一观点来看，III族氮化物晶体衬底优选为具有等于或大于40mm、且更优选为等于或大于50mm的直径。当衬底具有大直径时，可以由单个衬底制造的器件数量增大。为了制造大直径衬底，使用大直径下衬底(underlying substrate)，且生长厚的晶体，并以期望的角度切割该晶体以用于处理。替代地，可以将多个小直径III族氮化物晶体衬底排列成使其侧面相互邻接，并且当在这多个衬底的主表面上生长时，相应的III族氮化物晶体互相接合形成单个晶体。可以对得到的该单个III族氮化物晶体进行处理，以形成III族氮化物晶体衬底。
从获得诸如减小翘曲和厚度变化的改善的几何形状精度这一观点来看，III族氮化物晶体衬底优选为具有等于或小于150mm、且更优选为等于或小于100mm的直径。
III族氮化物晶体衬底的主表面不限于圆形，只要其具有足够用于制作器件的尺寸即可，并且可以是诸如四边形的多边形。在主表面的形状为多边形的情况下，从在制造半导体器件时减少成本并提高效率这一观点来看，最短的边的长度优选为等于或大于5mm，且更优选为等于或大于10mm。从获得诸如减小翘曲和厚度变化的改善的几何形状精度这一观点来看，最长的边的长度优选为等于或小于150mm，且更优选为等于或小于100mm。主表面为所有角都形成直角的诸如矩形或正方形的四边形的III族氮化物晶体衬底包括具有例如5mm×15mm、10mm×10mm、10mm×20mm、18mm×18mm、20mm×20mm、30mm×50mm等的主表面的衬底。
添加到III族氮化物晶体衬底的杂质(掺杂)不受特别限制，但从制造导电性衬底或绝缘性衬底这一观点来看，优选由下列杂质实现。对于具有等于或大于5×10-5Ω·cm且等于或小于0.5Ω·cm(优选为等于或大于5×10-4Ω·cm且等于或小于0.05Ω·cm)的特定电阻和等于或大于1×1016cm-3且等于或小于1×1020cm-3(优选为等于或大于1×1017cm-3且等于或小于1×1019cm-3)的载流子浓度的n型导电性衬底，从获得这样的范围内的期望的导电性同时维持结晶性这一观点来看，O和Si是添加到衬底的优选的杂质。对于具有等于或大于1×104Ω·cm且等于或小于1×1011Ω·cm(优选为等于或大于1×106Ω·cm且等于或小于1×1010Ω·cm)的特定电阻的绝缘型衬底，从获得这样的范围内的期望的导电性同时维持结晶性这一观点来看，C和Fe是添加到衬底的优选的杂质。衬底的特定电阻可以通过四探针法、两探针法等来测量。衬底的载流子浓度可以通过霍尔测量法、C-V测量法等来测量。
[III族氮化物晶体衬底的制造方法]
已经描述的第一至第三实施方式的III族氮化物晶体衬底的制造方法不受特别限制，但可以包括下列步骤，例如：生长III族氮化物晶体物质；以与相对于晶体衬底的(0001)和(000-1)面中的一个面在<10-10>方向上倾斜等于或大于10°且等于或小于80°的倾斜角α的平面平行的多个平面切割III族氮化物晶体物质，由此提供具有相对于晶体衬底的(0001)和(000-1)面中的一个面在<10-10>方向上倾斜等于或大于10°且等于或小于80°的倾斜角α的主表面的III族氮化物晶体衬底；并且对该III族氮化物晶体衬底的主表面进行处理。
(III族氮化物晶体物质的制造步骤)
III族氮化物晶体物质的制造方法不受特别限制，但可以适用诸如HVPE(氢化物气相外延)法或升华法的气相生长法、诸如助溶剂法(fluxmethod)或氨热法(ammonothermal method)的液相生长法等。例如，HVPE法、助溶剂法、氨热法等适合用于制造GaN晶体物质，而HVPE法、升华法等适合用于制造AlN晶体物质。HVPE法等适合用于制造InN晶体物质、AlGaN晶体物质和InGaN晶体物质。
在制造上述III族氮化物晶体物质时，下衬底不受特别限制，但从减少与III族氮化物晶体物质的晶格失配以及改善III族氮化物晶体物质的结晶性这一观点来看，适合用GaAs衬底、蓝宝石衬底、SiC衬底等实现。
(III族氮化物晶体物质的形成步骤)
以与相对于晶体衬底的(0001)和(000-1)面中的一个面在<10-10>方向上倾斜等于或大于10°且等于或小于80°的倾斜角α的平面平行的多个平面切割如上所述制造的III族氮化物晶体物质的方法不受特别限制，并且可以使用诸如线锯(wire-saw)、内圆切割刃(inner cuttingedge)、外圆切割刃(peripheral cutting edge)、激光加工、放电加工和水注(water jet)等各种切割方法。
(对III族氮化物晶体衬底的主表面的处理步骤)
使如上所述得到的III族氮化物晶体衬底的主表面平滑化以减少工艺引入的变质层的方法不受特别限制，但从使表面粗糙度和工艺引入的变质层两者都减少这一观点来看，优选在研磨或机械抛光的机械加工之后执行CMP(化学机械抛光)。不必从III族氮化物晶体衬底完全去除工艺引入的变质层，并且可以通过在外延生长半导体层之前进行退火处理来改善表面层的质量。生长半导体层之前的退火处理使晶体衬底的表面层处的晶体重新排列，并允许外延生长具有良好结晶性的半导体层。
现在，将描述适合于使III族氮化物晶体衬底的主表面的工艺引入的变质层以及表面粗糙度两者都减少的CMP，该III族氮化物晶体衬底的主表面的面取向相对于(0001)和(000-1)面中的一个面在<10-10>方向上倾斜等于或大于10°且等于或小于80°。
优选的是，CMP中使用的浆料的pH值X和氧化还原电位值Y(mV)两者都满足下列等式(2)和(3)：
Y≥-50X+1300    (2)
Y≤-50X+1900    (3)
在Y＜-50X+1300的情况下，抛光速度变低而使CMP期间的机械负载增大，从而使III族氮化物晶体衬底的表面质量变差。在Y＞-50x+1900的情况下，抛光垫和抛光装置都受到大的腐蚀作用，从而使稳定的抛光变难。
从进一步提高抛光速度以改善III族氮化物晶体衬底的表面质量这一观点来看，进一步优选的是额外满足下列等式(4)：
Y≥-50X+1400    (4)
CMP的浆料通常包含向其中添加的诸如盐酸、硫酸或硝酸的酸和/或诸如KOH或NaOH的碱。然而，当单独使用这类酸和/或碱时，对化学性稳定的氮化镓的氧化作用小。据此，优选通过添加氧化剂来增加氧化还原电位，以便可以满足前述等式(2)和(3)或者前述等式(3)和(4)的关系。
添加到CMP的浆料中的氧化剂不受特别限制，但优选从次氯酸、诸如三氯异氰脲酸的氯化异氰脲酸、诸如二氯异氰脲酸钠的氯化异氰脲酸盐、诸如高锰酸钾的高锰酸盐、诸如重铬酸钾的重铬酸盐、诸如溴酸钾的溴酸盐、诸如硫代硫酸钠的硫代硫酸盐、硝酸、硫酸、盐酸、过氧化氢溶液和臭氧当中选择。可以单独使用这些氧化剂中的每一个，或者可以组合使用其中的两个或多个。
优选的是，CMP的浆料的pH为6或更低或者8或更高。使pH为6或更低的酸性浆料或者pH为8或更高的碱性浆料与III族氮化物晶体接触，以蚀刻并去除III族氮化物晶体的工艺引入的变质层，从而可以提高抛光速度。从这样的观点来看，更优选的是，浆料的pH为4或更低或者10或更高。
用于控制浆料的pH的酸和碱不受特别限制，并且可以例如从诸如盐酸、硝酸、硫酸和磷酸的无机酸、诸如甲酸、乙酸、草酸、柠檬酸、苹果酸、酒石酸、琥珀酸、邻苯二甲酸和富马酸的有机酸、诸如KOH、NaOH、NH4OH和胺的碱以及诸如硫酸盐、碳酸盐和磷酸盐的盐类。此外，pH可以通过添加以上氧化剂来加以控制。
CMP的浆料优选含有磨粒。这些磨粒可以进一步提高抛光速度。浆料中含有的磨粒不受特别限制，并且可以是具有比III族氮化物晶体衬底更低的硬度的软质磨粒。使用软质磨粒允许减小晶体衬底的主表面的表面粗糙度和工艺引入的变质层。
软质磨粒不受特别限制，只要其硬度等于或低于待抛光的III族氮化物晶体的硬度，但优选含有选自由SiO2、CeO2、TiO2、MgO、MnO2、Fe2O3、Fe3O4、NiO、ZnO、CoO、Co3O4、CuO、Cu2O、GeO2、CaO、Ga2O3和In2O3组成的组中的至少一种材料。
该磨粒不限于含有单一金属元素的氧化物，并且可以是含有两种或多种金属元素的氧化物(诸如具有铁氧体、钙钛矿、尖晶石、钛铁矿等的结构的氧化物)。替代地，可以使用诸如AlN、GaN和InN的氮化物、诸如CaCO3和BaCO3的碳酸盐、诸如Fe、Cu、Ti和Ni的金属或者碳(具体地，炭黑、碳纳米管、C60等)。
从在短时间内减小表面粗糙度Ra和表面粗糙度Ry而不对III族氮化物晶体衬底的主表面产生任何刮伤这一观点来看，磨粒优选实现为其中一次颗粒已被结合的二次颗粒。二次颗粒的平均粒径D2与一次颗粒的平均粒径D1之比(D2/D1比)优选为等于或大于1.6。二次颗粒的平均粒径D2优选为等于或大于200nm。二次颗粒优选为具有茧形、块状形和锁链形中的至少一种形状。二次颗粒优选实现为其中一次颗粒已被化学结合到二次颗粒中的气相二氧化硅(fumed silica)或硅胶的SiO2磨粒。一次颗粒的粒径可以依据气体吸收的吸收比表面积来进行评价，并且二次颗粒可以通过动态光散射法来进行评价。
从减小III族氮化物晶体衬底的表面层的均匀畸变、不均匀畸变和面取向偏差这一观点来看，CMP时的接触系数C(单位：10-6m)优选为等于或大于1.0×10-6m并且等于或小于2.0×10-6m，并且更优选为等于或大于1.2×10-6m并且等于或小于1.8×10-6m。接触系数C通过下列使用浆料粘度η(单位：mPa·s)、CMP时的圆周速度V(单位：m/s)和CMP时的压强P(单位：kPa)的表达式(5)来表示：
C＝η×V/P    (5)
在浆料的接触系数C小于1.0×10-6m的情况下，CMP时施加在III族氮化物晶体衬底上的负载增大，从而使III族氮化物晶体衬底的表面层的均匀畸变、不均匀畸变和/或面取向偏差增大。在浆料的接触系数C大于2.0×10-6m的情况下，抛光速度减小，从而使III族氮化物晶体衬底的主表面的表面粗糙度、表面层的均匀畸变、不均匀畸变和/或面取向偏差增大。浆料的粘度可以通过布氏粘度计、奥氏粘度计等来测量。
可以通过以下步骤进一步制造第一至第三实施方式的III族氮化物晶体衬底：在如上所述得到的第一至第三实施方式的一个或多个III族氮化物晶体衬底1的主表面1s上生长另一个III族氮化物晶体，以平行于晶体衬底的主表面1s的平面切割生长的III族氮化物晶体而制造III族氮化物晶体衬底，并且对该III族氮化物晶体衬底进行与上述类似的表面处理。用作用于这种进一步生长(重复生长)的下衬底的III族氮化物晶体衬底不必是一个晶体衬底，而是可以实现为多个小尺寸晶体衬底。它们可以在重复生长时接合在一起成为单个晶体。可以使用从重复生长时接合的III族氮化物晶体切割的晶体衬底作为用于再次进行重复生长的下衬底。这样重复使用III族氮化物晶体可以降低生长成本。
在第一至第三实施方式的III族氮化物晶体衬底1的主表面1s上进一步生长III族氮化物晶体的方法不受特别限制，并且诸如HVPE法或升华法的气相生长法、诸如诸如助溶剂法或氨热法的液相生长法等可以是适用。例如，HVPE法、助溶剂法、氨热法等适合用于制造GaN晶体物质，而HVPE法、升华法等适合用于制造AlN晶体物质。HVPE法等适合用于制造InN晶体物质、AlGaN晶体物质和InGaN晶体物质。
[包含外延层的III族氮化物晶体衬底]
(第四实施方式)
参照图11，根据本发明的包含外延层的III族氮化物晶体衬底的实施方式包括在第一至第三实施方式的III族氮化物晶体衬底1的主表面1s上外延生长的至少一个半导体层2。
在根据本实施方式的包含外延层的III族氮化物晶体衬底3中，因为已经在III族氮化物晶体衬底1的主表面1s上外延生长有半导体层2，所以半导体层2的主表面2s的面取向与III族氮化物晶体衬底1的主表面1s相一致。因为第一至第三实施方式的III族氮化物晶体衬底1的主表面1s的面取向相对于面(0001)和(000-1)面中的一个面在<10-10>方向上倾斜等于或大于10°且等于或小于80°的预定倾斜角α，所以半导体层2的主表面2s的面取向相对于面(0001)和(000-1)面中的一个面在<10-10>方向上倾斜等于或大于10°且等于或小于80°的预定倾斜角α。照这样，可以得到包含外延层的III族氮化物晶体衬底，其包括主表面2s的面取向相对于面(0001)和(000-1)面中的一个面在<10-10>方向上倾斜等于或大于10°且等于或小于80°的预定倾斜角α的高结晶性的半导体层2。
半导体层2的制造方法不受特别限制，但从外延生长高结晶性的半导体层这一观点来看，优选使用诸如MOCVD(metal organic chemicalvapor deposition：金属有机化学气相沉积)、MBE(molecular beamepitaxy：分子束外延)等气相生长法。
[半导体器件]
(第五实施方式)
参照图12，根据本发明的半导体器件的实施方式包括根据第四实施方式的包含外延层的III族氮化物晶体衬底3。
本实施方式的半导体器件中包括的第四实施方式的包含外延层的III族氮化物晶体衬底3包括在第一至第三实施方式的III族氮化物晶体衬底1的主表面1s上外延生长的至少一个半导体层2，其中该主表面1s的面取向相对于面(0001)和(000-1)面中的一个面在<10-10>方向上倾斜等于或大于10°且等于或小于80°的预定倾斜角α。因为半导体层2具有高结晶性，并且其主表面的面取向相对于面(0001)和(000-1)面中的一个面在<10-10>方向上倾斜等于或大于10°且等于或小于80°的预定倾斜角α，所以压电极化受抑制，进而量子限制斯塔克效应也受抑制，从而改善根据本发明的半导体器件的特性。例如，在具有包括在上述半导体层2中的发光层210的发光器件中，压电极化受抑制，进而量子限制斯塔克效应受抑制，这抑制了发光的蓝移，并使得发光强度改善。据此，可以在半导体层2上提供高效地发射具有等于或大于430nm且等于或小于550nm的峰值波长的光的发光层210。特别地，波长等于或大于500nm且等于或小于550nm的绿色区域中的光的发光强度得到显著改善。
参照图12，根据本实施方式的半导体器件包括第四实施方式的包含外延层的III族氮化物晶体衬底3。包含外延层的III族氮化物晶体衬底3包括第一至第三实施方式的III族氮化物晶体衬底1，其中该III族氮化物晶体衬底1的主表面1s的面取向相对于面(0001)和(000-1)面中的一个面在<10-10>方向上倾斜等于或大于10°且等于或小于80°的预定倾斜角α。包含外延层的III族氮化物晶体衬底3也包括顺次提供在上述III族氮化物晶体衬底1的一个主表面1s上的1000nm厚的n型GaN层202、1200nm厚的n型Inx1Aly1Ga1-x1-y1N(0＜x1，0＜y1，x1+y1＜1)覆盖层(cladding layer)204、200nm厚的n型GaN引导层206、65nm厚的非掺杂Inx2Ga1-x2N(0＜x2＜1)引导层208、具有由15nm厚的GaN势垒层和3nm厚的Inx3Ga1-x3N(0＜x3＜1)阱层构成的三周期MQW(多量子阱)结构的发光层210、65nm厚的非掺杂Inx4Ga1-x4N(0＜x4＜1)引导层222、20nm厚的p型Alx5Ga1-x5N(0＜x5＜1)阻挡层224、200nm厚的p型GaN层226、400nm厚的p型Inx6Aly6Ga1-x6-y6N(0＜x6，0＜y6，x6+y6＜1)覆盖层228、以及50nm厚的p型GaN接触层230，作为至少一个半导体层2。300nm厚的SiO2绝缘层300部分地提供在p型GaN接触层230上，并且p侧电极400被提供在露出的一部分p型GaN接触层230和一部分SiO2绝缘层300上。n侧电极500被提供在III族氮化物晶体衬底1的另一个主表面上。
[半导体器件的制造方法]
参照图12，根据本发明的半导体器件的制造方法的实施方式包括下列步骤：制备第一至第三实施方式的III族氮化物晶体衬底；以及在该晶体的主表面1s上生长至少一个半导体层2，以形成包含外延层的III族氮化物晶体衬底。这样的制造方法提供由于半导体层中的压电极化而引起的量子限制斯塔克效应受抑制的具有有利的特性的半导体器件。例如，通过在上述半导体层2中包括发光层210，发光层210中由于压电极化效应而引起的量子限制斯塔克效应受抑制，从而可以得到发光的蓝移受抑制并且具有高发光积分强度的发光器件。
参照图12，本实施方式的半导体器件4的制造方法具体地以制备第一至第三实施方式的III族氮化物晶体衬底1开始。在[III族氮化物晶体衬底]和[III族氮化物晶体衬底的制造方法]中已经描述了这样的III族氮化物晶体衬底1的制备，将不再重复。
然后，在制备的III族氮化物晶体衬底1的主表面1s上生长至少一个半导体层2，以形成包含外延层的III族氮化物晶体衬底3。半导体层2的生长方法不受特别限制，但从外延生长高结晶性的半导体层这一观点来看，优选使用诸如MOCVD(金属有机化学气相沉积)、MBE(分子束外延)等气相生长法。
例如，通过例如MOCVD在III族氮化物晶体衬底1的一个主表面1s上顺次生长1000nm厚的n型GaN层202、1200nm厚的n型Inx1Aly1Ga1-x1-y1N覆盖层204、200nm厚的n型GaN引导层206、65nm厚的非掺杂Inx2Ga1-x2N引导层208、具有由15nm厚的GaN势垒层和3nm厚的Inx3Ga1-x3N阱层构成的三周期MQW(多量子阱)结构的发光层210、65nm厚的非掺杂Inx4Ga1-x4N引导层222、20nm厚的p型Alx5Ga1-x5N阻挡层224、200nm厚的p型GaN层226、400nm厚的p型Inx6Aly6Ga1-x6-y6N覆盖层228以及50nm厚的p型GaN接触层230，作为至少一个半导体层2。
然后，通过沉积法在p型GaN接触层230上提供300nm厚的SiO2绝缘层300。随后，通过光刻和湿法蚀刻形成10μm宽的条窗口。在与<10-10>方向轴在半导体层的主表面上的投影方向平行的方向上提供激光器条。然后通过沉积法在这些条窗口以及一部分SiO2绝缘层300上提供Ni/Au电极，作为p侧电极400。通过沉积法在III族氮化物晶体衬底的另一个主表面上提供Ti/Al/Ti/Au电极，作为n侧电极500。
示例
(示例I)
1.III族氮化物晶体物质的制造
用直径为50mm的GaAs晶体衬底作为下衬底，通过HVPE法生长了50mm厚的GaN晶体物质。更具体地，在大气压下在HVPE反应器中将保持金属Ga的晶舟加热至800℃，并且将HCl气体和运载气体(H2气体)的混合气体引入到该晶舟中，使金属Ga和HCl气体之间发生反应，从而产生GaCl气体。同时，将NH3气体和运载气体(H2气体)的混合气体引入到HVPE反应器中，使GaCl气体和NH3气体之间发生反应，从而在放置在HVPE反应器中的GaAs晶体衬底(下衬底)上生长GaN晶体物质。GaN晶体物质的生长温度为1050℃，HVPE反应器中的HCl气体具有2kPa的分压，且NH3气体具有30kPa的分压。
2.III族氮化物晶体衬底的制造
以与相对于(0001)面在[10-10]方向上的倾斜角α在10°到90°的范围内的平面平行的平面，对这样得到的GaN晶体物质(III族氮化物晶体物质)切片，从而制造主表面具有如图1所示的每个面取向的GaN晶体衬底(III族氮化物晶体衬底)。
3.III族氮化物晶体衬底的表面处理
对这样得到的GaN晶体衬底(III族氮化物晶体衬底)的主表面进行研磨(机械抛光)，然后进行CMP(化学机械抛光)，以得到用于半导体器件的GaN晶体衬底。准备了粒径为2μm、3μm和9μm的三种金刚石磨粒，并且使用铜平板(surface plate)或锡平板进行研磨，同时逐步地减小金刚石磨粒的粒径。研磨压力的范围为100gf/cm2～500gf/cm2(9.8kPa～49.0kPa)，并且GaN晶体衬底和平板的转数的范围为30转/min～60转/min。使用包含其中一次颗粒已被化学结合到二次颗粒中的硅胶(一次颗粒的直径为70nm，并且二次颗粒的直径为190nm)作为磨粒、以及包含硝酸作为pH调节剂和三氯异氰脲酸作为氧化剂、并且pH和氧化还原电位(ORP)制备为具有表1中所示的值的浆料，以被调整到表1中所示的值的接触系数C进行CMP。
对于经过该表面处理后的GaN晶体衬底，测量从(10-13)面(此测量时的特定平行晶格面)衍射的X射线，同时使X射线透入深度从0.3μm到5μm变化，并且从而得到衍射曲线上的(10-13)面的面间距和衍射强度峰的半值宽度以及摇摆曲线上的衍射强度峰的半值宽度。依据这些值来评价GaN晶体衬底的表面层处的均匀畸变和不均匀畸变以及晶格面的面取向偏差。对于X射线衍射测量，使用了平行光学系中CuKα1的X射线波长。通过改变X射线入射到晶体表面的入射角ω、晶体表面的倾斜角χ和晶体表面内的旋转角中的至少一个来控制X射线透入深度。从有利于在上述X射线透入深度处通过X射线衍射进行评价这一观点来看，在示例I-6、I-7、I-13和I-14中特定平行晶格面实现为(10-11)面，而在示例I-15和I-16中特定平行晶格面实现为(10-1-3)面。
通过与本实施方式中的制造方法和表面处理方法类似的制造方法和表面处理方法得到的另一个GaN晶体衬底，用四探针法测量时特定电阻为1×10-2Ω·cm，并且用霍尔测量法测量时载流子浓度为2×1018cm-3。
4.半导体器件的制造
参照图12，在如上所述得到的用于半导体器件的GaN晶体衬底(III族氮化物晶体衬底1)的主表面1s上通过MOCVD顺次生长1000nm厚的n型GaN层202、1200nm厚的n型Inx1Aly1Ga1-x1-y1N(x1＝0.03，y1＝0.14)覆盖层204、200nm厚的n型GaN引导层206、65nm厚的非掺杂Inx2Ga1-x2N(x2＝0.03)引导层208、具有由15nm厚的GaN势垒层和3nm厚的Inx3Ga1-x3N(x3＝0.2～0.3)阱层构成的三周期MQW(多量子阱)结构的发光层210、65nm厚的非掺杂Inx4Ga1-x4N(x4＝0.03)引导层222、20nm厚的p型Alx5Ga1-x5N(x5＝0.11)阻挡层224、200nm厚的p型GaN层226、400nm厚的p型Inx6Aly6Ga1-x6-y6N(x6＝0.03，y6＝0.14)覆盖层228、以及50nm厚的p型GaN接触层230，作为至少一个半导体层2。
然后，通过沉积法在p型GaN接触层230上提供300nm厚的SiO2绝缘层300。随后，通过光刻和湿法蚀刻形成10μm宽的条窗口。在与<0001>方向轴在半导体层的主表面上的投影方向平行的方向上提供激光条。然后通过沉积法在这些条窗口以及一部分SiO2绝缘层300上提供Ni/Au电极，作为p侧电极400。GaN晶体衬底(III族氮化物晶体衬底1)的另一个主表面进行研磨(机械抛光)以提供镜面。在此阶段，用接触式膜厚计或者用光学显微镜或SEM(扫描电子显微镜)监测包括该衬底的晶圆的横截面，来测量晶圆中每一层的厚度以及总厚度。
为了制作对应于激光条(stripe)的谐振腔反射镜，使用具有峰值波长为355nm的YAG激光的激光划片器。在使用该激光划片器来分离的情况下，相较于使用金刚石划片器的情况而言，可以提高激光芯片良率。在激光束功率为100mW且扫描速度为5mm/s的条件下形成划片槽。例如，形成的划片槽的长度为30μm、宽度为10μm且深度为40μm。这些划片槽是通过用激光束以800μm的节距通过衬底的绝缘膜的开口直接照射半导体层的主表面而形成的。谐振腔长度为600μm。通过用刀片解理来制作谐振腔反射镜。通过对衬底的背面施加压力使其分离来制作激光器条(bar)。
然后通过真空沉积法用电介质多层膜涂覆激光器条的端面。电介质多层膜是通过交替周期地堆叠SiO2和TiO2而得到的。将每个膜厚调整到50nm～100nm的范围，并且将反射率的峰值波长设计为500nm～530nm的范围内。以10个周期得到一个端面处的反射表面，并且设计的反射率设定为大约95％。以6个周期得到另一个端面处的反射表面，并且设计的反射率设定为大约80％。
通过以下列方式在室温(25℃)下施加电流来评价如上所述得到的半导体器件。电源实现为提供500ns的脉冲宽度以及0.1％的占空比的脉冲电源，并且通过使针降低至表面电极上来施加电流。电流密度为100A/cm2。通过将光纤放置在激光器条的主表面侧并测量从主表面发出的发光光谱来监测LED模式光。表1示出了LED模式光的发光光谱中波长在500nm～550nm范围的发光峰的积分强度。表1也示出了LED模式光的发光光谱中波长在500nm～550nm范围的发光峰的半值宽度。通过将光纤放置在激光器条的端面侧并测量从该端面发出的发光光谱来监测激光束。LED模式光的发光峰值波长在500nm～550nm的范围内。激光束的激光作用峰值波长在500nm～530nm的范围内。
Figure BDA0000141285820000321
从表1可以看出，在III族氮化物晶体衬底中，当表面层处的均匀畸变等于或小于1.9×10-3、表面层处的不均匀畸变等于或小于130arcsec、和/或表面层的特定平行晶格面的面取向偏差等于或小于350arcsec，并且主表面的面取向相对于(0001)和(000-1)面中的一个面在<10-10>方向上倾斜等于或大于10°且等于或小于80°的角度时，则使用这样的晶体衬底制作的半导体器件的LED模式光的发光光谱中波长在500nm～550nm范围的发光峰的积分强度增加。当主表面的面取向实现为{10-11}、{20-21}、{10-1-1}和{20-2-1}中的任何一个时，则使用这样的晶体衬底制作的半导体器件的LED模式光的发光光谱中波长在500nm～550nm范围的发光峰的积分强度减小。
在示例I-2和I-10的每一个中，通过分别用1A/cm2和100A/cm2的电流密度测量LED模式光的发光波长来评价蓝移。示例I-2中的蓝移为40nm，而示例I-10中的蓝移为10nm。在III族氮化物晶体衬底中，当表面层处的均匀畸变等于或小于1.9×10-3、表面层处的不均匀畸变等于或小于130arcsec、和/或表面层的特定平行晶格面的面取向偏差等于或小于350arcsec，并且主表面的面取向相对于(0001)和(000-1)面中的一个面在<10-10>方向上倾斜等于或大于10°且等于或小于80°的角度时，则使用这样的晶体衬底制作的半导体器件的蓝移极小。
(示例II)
以类似于示例I的方式制造GaN晶体衬底(III族氮化物晶体衬底)和半导体器件，但下列内容除外：使用包含其中一次颗粒已被化学结合到二次颗粒中的硅胶(一次颗粒的直径为15nm，且二次颗粒的直径为40nm)作为磨粒、以及包含柠檬酸作为pH调节剂和三氯异氰脲酸作为氧化剂、且pH和氧化还原电位(ORP)制备为具有表2中所示的值的浆料，并且以被调整到表2中所示的值的接触系数C来进行CMP。以类似于示例I的方式，对经过表面处理的GaN晶体衬底的表面层处的均匀畸变和不均匀畸变以及晶格面的面取向偏差进行评价，并且测量半导体器件的LED模式光的发光光谱中波长在500nm～550nm范围内的发光峰的积分强度和半值宽度。结果示于表2中。
Figure BDA0000141285820000341
从表2可以看出，在III族氮化物晶体衬底中，当主表面的面取向相对于(0001)和(000-1)面中的一个面在<10-10>方向上倾斜等于或大于10°且等于或小于80°的角度时，使用这样的晶体衬底制作的半导体器件的LED模式光的发光光谱中波长在500nm～550nm范围内的发光峰的积分强度随着表面层处的均匀畸变和不均匀畸变以及特定平行晶格面的面方位偏差减小而增大。
(示例III)
以类似于示例I的方式制造GaN晶体衬底(III族氮化物晶体衬底)和半导体器件，但下列内容除外：GaN晶体衬底(III族氮化物晶体衬底)的主表面的面取向为(20-21)(相对于(0001)面倾斜75°倾斜角α)；并且使用包含球状硅胶(具有表3中所示粒径)作为磨粒、以及包含碳酸钠作为pH调节剂和二氯异氰脲酸钠作为氧化剂、且pH和氧化还原电位(ORP)制备为具有表3中所示的值的浆料，并且以被调整到表3中所示的值的接触系数C来进行CMP。以类似于示例I的方式，对经过表面处理的GaN晶体衬底的表面层处的均匀畸变和不均匀畸变以及晶格面的面取向偏差进行评价，并且测量半导体器件的LED模式光的发光光谱中波长在500nm～550nm范围内的发光峰的积分强度和半值宽度。结果示于表3中。
[表3]
Figure BDA0000141285820000361
从表3中可以看出，在III族氮化物晶体衬底中，当表面层处的均匀畸变等于或小于1.9×10-3、表面层处的不均匀畸变等于或小于130arcsec、和/或表面层的特定平行晶格面的面取向偏差等于或小于350arcsec，并且主表面的面取向相对于(0001)和(000-1)面中的一个面在<10-10>方向上倾斜等于或大于10°且等于或小于80°的角度时，使用这样的晶体衬底制作的半导体器件的LED模式光的发光光谱中波长在500nm～550nm范围的发光峰的积分强度随着表面层的表面粗糙度Ra和表面粗糙度Ry减小而增加。
(示例IV)
以类似于示例I的方式制造GaN晶体衬底(III族氮化物晶体衬底)和半导体器件，但下列内容除外：GaN晶体衬底(III族氮化物晶体衬底)的主表面的面取向为(10-11)(相对于(0001)面倾斜62°倾斜角α)；并且使用包含球状硅胶(具有40nm的粒径)作为磨粒、以及包含硫酸作为pH调节剂、及过氧化氢溶液和三氯异氰脲酸作为氧化剂、且pH和氧化还原电位(ORP)制备为具有表4中所示的值的浆料，并且以被调整到表4中所示的值的接触系数C来进行CMP。对经过表面处理的GaN晶体衬底的表面层处的均匀畸变和不均匀畸变以及晶格面的面取向偏差进行评价，并且测量半导体器件的LED模式光的发光光谱中波长在500nm～550nm范围内的发光峰的积分强度和半值宽度。结果示于表4中。
[表4]
从表4中可以看出，在III族氮化物晶体衬底中，当表面层处的均匀畸变等于或小于1.9×10-3、表面层处的不均匀畸变等于或小于130arcsec、和/或表面层的特定平行晶格面的面取向偏差等于或小于350arcsec，并且主表面的面取向相对于(0001)和(000-1)面中的一个面在<10-10>方向上倾斜等于或大于10°且等于或小于80°的角度时，用AES(俄歇电子显微镜)测量主表面处存在的氧的浓度揭示出，当该浓度等于或大于2at.％且等于或小于16at.％时，使用这样的晶体衬底制作的半导体器件的LED模式光的发光峰的积分强度增加。
(示例V)
1.III族氮化物晶体物质和III族氮化物晶体衬底的制造
在示例V-1和V-2中，通过助溶剂法生长GaN晶体物质，该助溶剂法用在示例I的示例I-10中制作的、主表面的面取向为(20-21)的GaN晶体衬底(III族氮化物晶体衬底)实现下衬底。更具体地，将GaN晶体衬底(下衬底)、用作Ga材料的金属Ga和用作助溶剂的Na收容于坩埚中，使Ga∶Na的摩尔比为1∶1。然后加热坩埚，以得到与GaN晶体衬底的(20-21)主表面接触的800℃的Ga-Na熔液。将5MPa的N2气体作为N材料溶解在该Ga-Na熔液中，以在GaN晶体衬底的(20-21)主表面上生长2mm厚的GaN晶体。随着晶体生长进行，位错密度减少。GaN晶体衬底的主表面的位错密度取决于从GaN晶体切割GaN晶体衬底的切割位置而有所调整(参照表5)。
在示例V-3至V-6中，通过HVPE法生长5mm厚的GaN晶体物质，该HVPE法用在示例I的示例I-10中制作的、主表面的面取向为(20-21)的GaN晶体衬底(III族氮化物晶体衬底)实现下衬底。通过HVPE法生长GaN晶体的条件类似于示例I中的条件。随着晶体生长进行，位错密度减少。GaN晶体衬底的主表面的位错密度取决于从GaN晶体切割GaN晶体衬底的切割位置而有所调整(参照表5)。
2.III族氮化物晶体衬底的表面处理
用于半导体器件的GaN晶体衬底是通过使GaN晶体衬底(III族氮化物晶体衬底)经过类似于示例I的表面处理而得到的，但下列内容除外：使用包含其中一次颗粒已被化学结合到二次颗粒中的气相二氧化硅(一次颗粒的直径为20nm，且二次颗粒的直径为200nm)作为磨粒、以及包含苹果酸作为pH调节剂和高锰酸钾作为氧化剂、并且pH和氧化还原电位(ORP)制备为具有表5中所示的值的浆料，以被调整到表5中所示的值的接触系数C进行CMP。以类似于示例I的方式，对这样得到的用于半导体器件的GaN晶体衬底(经过表面处理的GaN衬底)的表面层处的均匀畸变和不均匀畸变以及晶格的面取向偏差进行评价。
3.半导体器件的制造
利用如上所述得到的用于半导体器件的GaN晶体衬底，以类似于示例I的方式制造半导体器件，并且测量半导体器件的LED模式光的发光光谱中波长在500nm～550nm范围内的发光峰的积分强度和半值宽度。结果示于表5中。
[表5]
Figure BDA0000141285820000401
从表5可以看出，在III族氮化物晶体衬底中，当表面层处的均匀畸变等于或小于1.9×10-3、表面层处的不均匀畸变等于或小于130arcsec、和/或表面层的特定平行晶格面的面取向偏差等于或小于350arcsec，并且主表面的面取向相对于(0001)和(000-1)面其中之一在<10-10>方向上倾斜等于或大于10°且等于或小于80°的角度时，随着III族氮化物晶体衬底的主表面的位错密度减小，例如，随着位错密度降至1×107cm-2或更低、1×106cm-2或更低或者甚至1×105cm-2或更低，使用这样的晶体衬底制作的半导体器件的LED模式光的发光峰的积分强度随之增加。当用多个GaN晶体衬底实现下衬底并且通过助熔剂法或HVPE法在下衬底上生长接合在一起的单个的GaN晶体衬底时，也会得到与上述结果同等的结果。
(示例VI)
以类似于示例I的方式对GaN晶体衬底(III族氮化物晶体衬底)进行表面处理，但下列内容除外：使用包含其中磨粒没有聚结(notagglomerated)的球状硅胶(具有20nm的粒径)作为磨粒、以及包含盐酸作为pH调节剂、及过氧化氢溶液和三氯异氰脲酸作为氧化剂、且pH和氧化还原电位(ORP)制备为具有表6中所示的值的浆料，并且以被调整到表6中所示的值的CMP圆周速度、CMP压强和接触系数C来进行CMP。以类似于示例I的方式，对评价经过表面处理的GaN晶体衬底的表面层处的均匀畸变和不均匀畸变以及晶格的面取向偏差进行评价。结果示于表6中。
表6可以看出，使用其中pH的值X和氧化还原电位的值Y(mV)具有下列关系的浆料：
-50X+1300≤Y≤-50X+1900
并且使接触系数C等于或大于1.0×10-6m且等于或小于2.0×10-6m，来进行CMP。据此，在主表面的面取向相对于(0001)和(000-1)面中的一个面在<10-10>方向上倾斜等于或大于10°且等于或小于80°的角度的III族氮化物晶体衬底中，可以使表面层处的均匀畸变等于或小于1.9×10-3、可以使表面层处的不均匀畸变等于或小于130aresec、和/或可以使表面层的特定平行晶格面((10-13)面)的面取向偏差等于或小于350arcsec。
(示例VII)
将在示例II-3中制作的主表面的面取向为(20-21)的GaN晶体衬底(III族氮化物晶体衬底)切割成尺寸在5mm×20mm到5mm×45mm范围内的多个小衬底。将这样的多个小衬底排列成其主表面相互平行(这些主表面每一个均具有(20-21)面取向并相对于(0001)面倾斜75°倾斜角)、其[0001]方向一致并且其侧面相互邻接，以实现预定尺寸的下衬底。在这些小衬底的主表面中的每一个上通过HVPE法生长GaN晶体(III族氮化物晶体)。将这些III族氮化物晶体接合在一起并对周边部分进行处理，从而得到具有预定尺寸的GaN晶体(III族氮化物晶体)。
平行于下衬底的主表面切割得到的GaN晶体，用于以类似于示例II-3的方式制作分别具有20mm×20mm、30mm×50mm、直径为40mm、直径为100mm和直径为150mm的主表面的GaN晶体衬底以及半导体器件。这样的GaN晶体衬底和半导体器件都表现出与示例II-3中的GaN晶体衬底和半导体器件同等的衬底特性和器件特性。
进一步地，使用这些GaN晶体衬底(III族氮化物晶体衬底)作为下衬底通过HVPE法重复生长晶体，以得到分别具有20mm×20mm、30mm×50mm、直径为40mm、直径为100mm和直径为150mm的主表面的GaN晶体(III族氮化物晶体)。以与上述类似的方式对这样的GaN晶体进行处理，从而得到具有与示例II-3中的GaN晶体衬底和半导体器件同等的特性的III族氮化物晶体衬底和半导体器件。
(示例VIII)
使用直径为150mm的GaAs晶体衬底作为下衬底，通过HVPE法生长120mm厚的GaN晶体物质(III族氮化物晶体衬底)。更具体地，以类似于示例I的方式通过HVPE法生长GaN物质，并且重复这样的晶体生长以得到120mm厚的GaN晶体物质。以相对于(0001)面在[10-10]方向上倾斜75°倾斜角的平面对这样得到的GaN晶体物质切片，并且对周边部分进行处理，从而得到主表面的面取向为(20-21)的直径为100mm的GaN晶体。以类似于示例II-3的方式对这样的GaN晶体进行处理，以得到GaN晶体衬底(III族氮化物晶体衬底)。以类似于示例II-3的方式使用这样的GaN晶体衬底制作半导体器件。这样的GaN晶体衬底和半导体器件都表现出与示例II-3中的GaN晶体衬底和半导体器件同等的衬底特性和器件特性。
应予以理解的是，本文公开的实施方式在各个方面都仅是例示性而非限制性的。本发明的范围由权利要求书而非上述说明书来限定，并且旨在将所有修改全都囊括在与权利要求书等同的范围和含意内。
附图标记列表
III族氮化物晶体衬底；1c(0001)和(000-1)面中的一个面；1d、31d、32d、33d、41d、42d、43d、51d、52d、53d特定平行晶格面；1p表面层；1q表面邻接层；1r内层；1s、2s主表面；2半导体层；3包含外延层的III族氮化物晶体衬底；4半导体器件；11入射X射线；12出射X射线；21χ轴；22ω轴(2θ轴)；23轴；30拉应力；202n型GaN层；204n型Inx1Aly1Ga1-x1-y1N覆盖层；206n型GaN引导层；208Inx2Ga1-x2N引导层；210发光层；222Inx4Ga1-x4N引导层；224p型Alx5Ga1-x5N阻挡层；226p型GaN层；228p型Inx6Aly6Ga1-x6-y6N覆盖层；230p型GaN接触层；300SiO2绝缘层；400p侧电极；500n侧电极。

Claims (19)

1.一种III族氮化物晶体衬底，其中，
由X射线衍射测量得到所述晶体衬底的任意特定平行晶格面(1d)的面间距，其中所述X射线衍射测量是在满足所述晶体衬底的所述特定平行晶格面(1d)的X射线衍射条件的同时通过改变自所述晶体衬底的主表面(1s)的X射线透入深度进行的，
通过由所述X射线透入深度为0.3μm处的面间距d1和所述X射线透入深度为5μm处的面间距d2得到的|d1-d2|/d2的值表示的、所述晶体衬底的表面层(1p)处的均匀畸变等于或低于1.9×10-3，并且其中
所述主表面(1s)的面取向相对于所述晶体衬底的(0001)和(000-1)面中的一个面(1c)在<10-10>方向上倾斜等于或大于10°且等于或小于80°的角度。
2.一种III族氮化物晶体衬底，其中，
在由X射线衍射测量得到的所述晶体衬底的任意特定平行晶格面(1d)的衍射强度分布上，其中所述X射线衍射测量是在满足所述特定平行晶格面(1d)的X射线衍射条件的同时通过改变自所述晶体衬底的主表面(1s)的X射线透入深度进行的，
通过由所述X射线透入深度为0.3μm处的衍射强度峰的半值宽度v1和所述X射线透入深度为5μm处的衍射强度峰的半值宽度v2得到的|v1-v2|的值表示的、所述晶体衬底的表面层(1p)处的不均匀畸变等于或低于130arcsec，并且其中
所述主表面(1s)的面取向相对于所述晶体衬底的(0001)和(000-1)面中的一个面(1c)在<10-10>方向上倾斜等于或大于10°且等于或小于80°的角度。
3.一种III族氮化物晶体衬底，其中，
在关于所述晶体衬底的任意特定平行晶格面(1d)的X射线衍射的、通过改变自所述晶体衬底的主表面(1s)的X射线透入深度测量的摇摆曲线上，
通过由所述X射线透入深度为0.3μm处的衍射强度峰的半值宽度w1和所述X射线透入深度为5μm处的衍射强度峰的半值宽度w2得到的|w1-w2|的值表示的、所述晶体衬底的表面层(1p)的所述特定平行晶格面(1d)的面取向偏差等于或低于350arcsec，并且其中
所述主表面(1s)的面取向相对于所述晶体衬底的(0001)和(000-1)面中的一个面(1c)在<10-10>方向上倾斜等于或大于10°且等于或小于80°的角度。
4.根据权利要求1所述的III族氮化物晶体衬底，其中，所述主表面(1s)具有3nm或更低的表面粗糙度Ra。
5.根据权利要求1所述的III族氮化物晶体衬底，其中，所述主表面(1s)的面取向相对于所述晶体衬底的{20-21}、{10-11}、{20-2-1}和{10-1-1}面中的任何一个倾斜±4°以内的角度。
6.根据权利要求5所述的III族氮化物晶体衬底，其中，所述主表面(1s)的面取向相对于所述晶体衬底的{20-21}、{10-11}、{20-2-1}和{10-1-1}面中的任何一个倾斜绝对值小于0.1°的倾斜角，以便与其大致平行。
7.根据权利要求5所述的III族氮化物晶体衬底，其中，所述主表面(1s)的面取向相对于所述晶体衬底的{20-21}、{10-11}、{20-2-1}和{10-1-1}面中的任何一个倾斜绝对值等于或大于0.1°且等于或小于4°的倾斜角。
8.根据权利要求1所述的III族氮化物晶体衬底，其中，所述主表面(1s)处存在的氧具有等于或大于2at.％且等于或小于16at.％的浓度。
9.根据权利要求1所述的III族氮化物晶体衬底，其中，所述主表面(1s)处的位错密度等于或小于1×107cm-2。
10.根据权利要求1所述的III族氮化物晶体衬底，具有等于或大于40mm且等于或小于150mm的直径。
11.根据权利要求1所述的III族氮化物晶体衬底，其中所述特定平行晶格面(1d)不平行于所述主表面(1s)，而平行于(10-10)、(10-11)、(10-13)、(11-20)、(11-22)、(11-24)、(10-1-1)、(10-1-3)、(11-2-2)和(11-2-4)面中的任何一个。
12.一种包含外延层的III族氮化物晶体衬底，包括通过在如权利要求1限定的III族氮化物晶体衬底(1)的所述主表面(1s)上外延生长而提供的至少一个半导体层(2)。
13.一种半导体器件，包括如权利要求12限定的包含外延层的III族氮化物晶体衬底(3)。
14.根据权利要求13所述的半导体器件，其中，在所述包含外延层的III族氮化物晶体衬底(3)中包含的所述半导体层(2)包括发光层(210)，所述发光层(210)发射具有等于或大于430nm且等于或小于550nm的峰值波长的光。
15.一种半导体器件的制造方法，包括下列步骤：
制备III族氮化物晶体衬底(1)，其中，
由X射线衍射测量得到所述晶体衬底的任意特定平行晶格面(1d)的面间距，其中所述X射线衍射测量是在满足所述晶体衬底的所述特定平行晶格面(1d)的X射线衍射条件的同时通过改变自所述晶体衬底的主表面(1s)的X射线透入深度进行的，
通过由所述X射线透入深度为0.3μm处的面间距d1和所述X射线透入深度为5μm处的面间距d2得到的|d1-d2|/d2的值表示的、所述晶体衬底的表面层(1p)处的均匀畸变等于或低于1.9×10-3，并且其中
所述主表面(1s)的面取向相对于所述晶体衬底的(0001)和(000-1)面中的一个面(1c)在<10-10>方向上倾斜等于或大于10°且等于或小于80°的角度；以及
在所述晶体衬底的所述主表面(1s)上外延生长至少一个半导体层(2)，从而形成包含外延层的III族氮化物晶体衬底(3)。
16.一种半导体器件的制造方法，包括下列步骤：
制备III族氮化物晶体衬底(1)，其中，
在由X射线衍射测量得到的所述晶体衬底的任意特定平行晶格面(1d)的衍射强度分布上，其中所述X射线衍射测量是在满足所述特定平行晶格面(1d)的X射线衍射条件的同时通过改变自所述晶体衬底的主表面(1s)的X射线透入深度进行的，
通过由所述X射线透入深度为0.3μm处的衍射强度峰的半值宽度v1和所述X射线透入深度为5μm处的衍射强度峰的半值宽度v2得到的|v1-v2|的值表示的、所述晶体衬底的表面层(1p)的不均匀畸变等于或低于130arcsec，并且其中
所述主表面(1s)的面取向相对于所述晶体衬底的(0001)和(000-1)面中的一个面(1c)在<10-10>方向上倾斜等于或大于10°且等于或小于80°的角度；以及
在所述晶体衬底的所述主表面(1s)上外延生长至少一个半导体层(2)，从而形成包含外延层的III族氮化物晶体衬底(3)。
17.一种半导体器件的制造方法，包括下列步骤：
制备III族氮化物晶体衬底(1)，其中，
在关于所述晶体衬底的任意特定平行晶格面(1d)的X射线衍射的、通过改变自所述晶体衬底的主表面(1s)的X射线透入深度测量的摇摆曲线上，
通过由所述X射线透入深度为0.3μm处的衍射强度峰的半值宽度w1和所述X射线透入深度为5μm处的衍射强度峰的半值宽度w2得到的|w1-w2|的值表示的、所述晶体衬底的表面层(1p)的所述特定平行晶格面(1d)的面取向偏差等于或低于350arcsec，并且其中
所述主表面(1s)的面取向相对于所述晶体衬底的(0001)和(000-1)面中的一个面(1c)在<10-10>方向上倾斜等于或大于10°且等于或小于80°的角度；以及
通过在所述晶体衬底的所述主表面(1s)上外延生长至少一个半导体层(2)，来形成包含外延层的III族氮化物晶体衬底(3)。
18.根据权利要求15所述的半导体器件的制造方法，其中，在形成所述包含外延层的III族氮化物晶体衬底(3)的步骤中，所述半导体层(2)被构造为包括发射具有等于或大于430nm且等于或小于550nm的峰值波长的光的发光层(210)。
19.根据权利要求15所述的半导体器件的制造方法，其中，所述特定平行晶格面(1d)不平行于所述主表面(1s)，而平行于(10-10)、(10-11)、(10-13)、(11-20)、(11-22)、(11-24)、(10-1-1)、(10-1-3)、(11-2-2)和(11-2-4)面中的任何一个。
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