CN104220650A - 氧化镓单晶和氧化镓单晶衬底 - Google Patents

氧化镓单晶和氧化镓单晶衬底 Download PDF

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Abstract

提供能够提高发光效率的氧化镓单晶和氧化镓单晶衬底；氧化镓单晶(13)的位错密度为3.5×106个/cm2以下；氧化镓单晶(13)是利用EFG法而制造；另外，EFG法的晶种接触温度为1930℃以上且1950℃以下；氧化镓单晶(13)的晶颈部(13a)的直径为0.8mm以下；氧化镓单晶衬底(21)由氧化镓单晶(13)构成。

Description

氧化镓单晶和氧化镓单晶衬底
技术领域
本发明涉及氧化镓单晶和氧化镓单晶衬底。
背景技术
由氧化镓(Ga2O3)单晶构成的Ga2O3衬底被使用于例如对GaN系的薄膜器件进行成膜而制造发光元件等中。虽提出了利用各种方法制造上述Ga2O3单晶，但作为用于制造大型的单晶衬底的晶体生长法，EFG法(Edge Defined Film Fed Growth、导模法)受到关注。
例如，在专利文献1中记载有：设有竖立设置于收容Ga2O3熔融液的坩埚中且具有缝隙的模具，并且，通过使晶种与沿着设置于模具截面内的缝隙上升的Ga2O3熔融液接触后提拉晶种，从而得到具有规定的尺寸、形状的Ga2O3单晶。
【现有技术文献】
【专利文献】
专利文献1：日本公报、特开2004-56098号
发明内容
但是，在GaN系薄膜器件的生长衬底中所使用的例如Ga2O3单晶的晶体中，虽优选原子呈理想的周期性排列，但是在实际的晶体生长中，由于使晶种与熔融液接触时的热冲击、或以不当的晶体生长速度进行生长，而导致存在排列于直线上的原子的位置集中发生偏移这一情况，如此的线状的晶体缺陷被称为“位错”。
一般情况下，为了得到高发光效率而优选使用不存在位错的Ga2O3单晶衬底，但是获得无位错的单晶衬底是困难的，利用目前的晶体生长技术所得到的Ga2O3单晶含有有限的位错。在使用上述单晶制作衬底时，根据晶体中的位错方向与切断晶体的方向之间的关系，位错显示于衬底主面上的方式不同，例如在与位错方向垂直地切断晶体并进行切片加工时，如图4(a)至图4(c)中以虚线所示，衬底主面上显示出大量位错。
在表面存在有位错的Ga2O3衬底上制作器件、例如GaN系LED时，存在下述问题：即，如图5所示，Ga2O3衬底上的位错(虚线部分)也传播至阴影线所示的生长的GaN层(包括发光层)，从而发光层中的位错密度变大而发光效率降低。
本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于提供能够提高发光效率的氧化镓单晶和氧化镓单晶衬底。
为了达成上述目的，本发明第一观点涉及的氧化镓单晶的特征在于，位错密度为3.5×106个/cm2以下。
本发明的氧化镓单晶优选利用EFG法、即导模法而制造，且晶颈直径为0.8mm以下。
另外，优选EFG法的晶种接触温度为1930℃以上且1950℃以下。
本发明第二观点涉及的氧化镓单晶衬底的特征在于，其由第一观点涉及的氧化镓单晶构成。
另外，本发明的氧化镓单晶衬底优选至少为一英寸。
(发明效果)
根据本发明，能够提高发光效率。
附图说明
图1中的(a)是对利用EFG法的氧化镓单晶制造方法的一例的生长炉进行说明的模式剖面图；(b)是对(a)中的晶种和氧化镓单晶以及模具顶部上的氧化镓熔融液部分进行表示的部分放大图。
图2是利用EFG法制造的氧化镓单晶的概略图。
图3是表示缩颈条件与氧化镓单晶的位错密度之间的关系的图。
图4中的(a)是对Ga2O3单晶表面上显示出位错的状态进行说明的说明图；(b)是表示将(a)的Ga2O3单晶与位错方向垂直地进行切片加工的状态的说明图；(c)是用于说明在衬底表面上显示有位错的状态的图，且是表示包含有穿透位错的Ga2O3单晶衬底的说明图。
图5是用于说明发光效率降低的状态的图。
(符号说明)
1…氧化镓单晶制造装置
2…氧化镓熔融液
3…坩埚
4…支撑台
5…模具
5A…缝隙
5B…开口
6…盖
7…热电偶
8…绝热材料
9…加热部
10…晶种
11…晶种保持件(夹具)
12…轴
13…氧化镓单晶
21…氧化镓单晶衬底
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的氧化镓(Ga2O3)单晶和氧化镓单晶衬底进行说明。
本发明的氧化镓单晶的位错密度为3.5×106个/cm2以下。如此，在使用位错密度小(位错少)的氧化镓单晶制作氧化镓单晶衬底并在该氧化镓单晶衬底上制作GaN外延膜时，能够将来自GaN薄膜发光层的发光效率的损失抑制在10％以下。因此，通过将氧化镓单晶的位错密度设定为3.5×106个/cm2以下，能够提高发光效率。
氧化镓单晶的位错密度优选为3.5×106个/cm2以下，更优选为1×106个/cm2以下，最优选为5×105个/cm2以下。通过设定为上述范围，能够进一步提高发光效率。另外，对于氧化镓单晶的位错密度的下限值，只要是在能够制造(生长)氧化镓单晶的范围内，便没有特别的限定，但视为设定为超过0个/cm2。
本发明中的氧化镓单晶的位错密度是通过下述方式测定：即，利用透射电子显微镜(TEM)并以深浅图案来观察位错，并计量位错的数量，由此测定位错密度。当位错密度为104个/cm2以下时，通过利用X射线形貌术(XRT)进行X射线衍射强度的测绘(mapping)，从而也能够以深浅图案的方式来测定位错。
另外，通过适当地选择晶颈直径(neck diameter)和晶种接触温度(seed-touch temperature)，能够控制位错密度。作为获得含有上述位错密度的氧化镓单晶的方法之一，优选使晶颈直径(后述的晶颈部13a的直径)为1.4mm以下。这是因为：通过缩小氧化镓单晶的晶颈直径而容易降低位错密度。氧化镓单晶的晶颈直径更优选为1.2mm以下，进一步优选为1.0mm以下。尤其是，在使氧化镓单晶的晶颈直径为0.8mm以下时，能够容易地将氧化镓单晶的位错密度控制为3.5×106个/cm2以下。
另外，对于氧化镓单晶的晶颈直径的下限值，只要是能够制造(生长)氧化镓单晶的直径，便没有特别的限定，但是考虑到生长出的单晶的搬运，优选为0.2mm以上。
本发明的氧化镓单晶衬底是将位错密度为3.5×106个/cm2以下的氧化镓单晶切成规定尺寸、例如1英寸而成的衬底。在将氧化镓单晶衬底用于半导体器件衬底时，需要将其表面平坦成原子级。在用于将表面平坦成原子级的精加工中适用CMP(Chemical Mechanical Polish、化学机械抛光)加工。另外，CMP加工是将化学蚀刻效果与机械加工组合的加工。
接着，对上述的氧化镓单晶和氧化镓单晶衬底的制造方法进行说明。在本实施方式中，以通过利用EFG法(Edge Defined Film Fed Growth、导模法)的晶体生长来制造氧化镓单晶的情况为例进行说明。
所谓的EFG法，是指将氧化镓原料投入收容有具备缝隙(slit)的模具(die)的坩埚内并进行加热，并使经由缝隙溢出至模具顶部的氧化镓原料的熔融液与晶种接触从而制造(生长)氧化镓单晶的方法。
图1(a)是对利用EFG法的氧化镓单晶制造方法的一例的生长炉进行说明的模式剖面图，图1(b)是对图1(a)的晶种和氧化镓单晶以及模具顶部(die top)上的氧化镓熔融液部分进行表示的部分放大图。
首先，对使用了氧化镓单晶制造装置的氧化镓单晶制造方法简单地进行说明。
如图1(a)所示，在氧化镓单晶制造装置1的内部，配置有收容作为氧化镓单晶原料的氧化镓熔融液2的坩埚3。坩埚3形成为有底的圆筒状，并被载置于支撑台4上，通过热电偶7对坩埚3的底面温度进行测定。坩埚3由具有耐热性的金属材料、例如铱(Ir)形成，以能够收容氧化镓熔融液2，通过未图示的原料投入部将所需量的原料投入坩埚3内。
在坩埚3内配置有模具5。模具5形成为例如大致长方体状，并且设有从其下端延伸至上端(开口5B)的一条或多条缝隙5A。例如，在图1(a)中，在模具5的厚度方向的中央设有一条缝隙5A。该模具5根据制造的氧化镓单晶的形状、片数等而使用所希望的模具。
该一条缝隙5A设置为遍及模具5的大致全幅，另外在模具5的厚度方向上以规定的间隔而设置。该缝隙5A具有利用毛细现象使氧化镓熔融液2从模具5的下端上升至缝隙5A的开口5B的作用。
在坩埚3的上面配置有盖6。盖6形成为将除去模具5之外的坩埚3的上表面闭塞的形状。因此，在坩埚3的上面配置有盖6的状态下，坩埚3的上表面除了缝隙5A的开口5B之外的其他部分均被闭塞。这样，盖6防止了高温的氧化镓熔融液2从坩埚3内蒸发，进而抑制了氧化镓熔融液2的蒸汽附着在缝隙5A上面以外的其他部分上。
另外，在被设置为将坩埚3包围的绝热材料8的周围，配置有例如由高频线圈构成的加热部9。利用该加热部9将坩埚3加热至规定的温度，从而使坩埚3内的原料熔解而形成氧化镓熔融液2。原料的熔解温度被确认为例如放置于缝隙5A的开口5B上的氧化镓颗粒的熔化温度(tip melt、芯模熔融)。绝热材料8被配置为与坩埚3具有规定的间隔，且具有抑制被加热部9加热的坩埚3发生急剧温度变化的保温性。
另外，在缝隙5A的上部配置有保持晶种10的晶种保持件(夹具)11。晶种保持件11被连接在轴12上，该轴12将晶种保持件11(晶种10)以能够升降的方式加以支撑。
而且，通过轴12降下晶种保持件11，并使利用毛细现象而上升且从开口5B露出的模具顶部上的熔融液2A与晶种10接触(seed touch、晶种接触)，进而，通过轴12使晶种保持件11上升，形成细的晶颈部13a(necking process、缩颈工序)(参照图1(b))。然后，以使氧化镓单晶13朝向模具5的宽度方向扩展的方式进行晶体生长，从而生长成扩肩部13b(spreading process、扩肩工序)，在扩宽至模具5的宽度(full-spread、完全扩肩)后，生长成与模具5的宽度相同的等径直体部13c(等径生长工序)。
图2表示通过上述氧化镓单晶制造装置制造(生长)的氧化镓单晶13的概略图。如图2所示，氧化镓单晶13形成为大致片状。氧化镓单晶13形成为与生长工序对应的晶体形状，并具有在缩颈工序所形成的晶颈部13a、在扩肩工序所形成的扩肩部13b、以及在等径生长工序所形成的等径直体部13c。另外，作为氧化镓单晶衬底21而利用的，通常是等径直体部13c的晶体。
在上述的氧化镓单晶的制造方法中，为了得到本发明的位错密度为3.5×106个/cm2以下的氧化镓单晶，存在例如使晶颈部13a的位错减少而生长氧化镓单晶的方法。具体而言，在缩颈工序中，为了降低晶种与熔融液接触时的热冲击，而尽可能地提高晶种接触时的热电偶7的显示温度(晶种接触温度)后进行晶种接触，并且，为了减少晶颈部13a中所产生的位错的数量，而将晶颈部13a的直径(晶颈直径)制作成细径。
将以上述方法控制了位错密度的氧化镓单晶切出而得到1英寸的衬底，在该衬底上成膜GaN薄膜而形成GaN衬底，并利用公知的方法制作了GaN系LED器件。为了评价发光效率，在上述LED的制造途中取出成膜至发光层的晶体并观察了阴极发光(CL)图像后，发现在GaN衬底表面产生位错的位置其位错传播至发光层而成为非发光区域。
将由上述位错密度不同的氧化镓单晶制造的氧化镓单晶衬底的位错密度、GaN薄膜表面的位错密度、发光层的发光效率的评价结果表示于表1中。另外，发光效率定义为：观察CL图像时的发光区域相对于观察区域的比例。由此明确了：通过将氧化镓单晶衬底的位错密度设定为3.5×106个/cm2以下，能够使发光效率为90％以上。
另外，同样地将制作各衬底时所使用的氧化镓单晶的缩颈条件(晶颈直径和晶种接触温度)表示于表1中。
【表1】
根据上述的结果，对能够得到位错密度为3.5×106个/cm2以下的晶体的缩颈条件进行了探索。图3中表示使晶颈直径变化为0.4mm～1.4mm、晶种接触温度变化为1920℃～1950℃时的氧化镓单晶的位错密度。由此，通过以晶种接触温度为1930℃以上的温度区域且晶颈直径为0.8mm以下的条件生长氧化镓单晶，能够使氧化镓单晶的位错密度为3.5×106个/cm2以下。
如上所述，根据本实施方式，由于氧化镓单晶衬底的位错密度为3.5×106个/cm2以下，因此，通过使用该氧化镓单晶，能够抑制来自GaN薄膜的发光层的发光效率的损失，从而能够提高发光效率。
另外，本发明不仅限于上述实施方式，能够进行各种变形、应用。例如，在上述实施方式中以通过EFG法的晶体生长制造氧化镓单晶的情况为例对本发明进行了说明，但是，氧化镓单晶的制造方法并不仅限于EFG法，可以使用各种能够形成位错密度为3.5×106个/cm2以下的氧化镓单晶的方法。
(工业上的可利用性)
本发明对于氧化镓单晶和氧化镓单晶衬底有用。

Claims (5)

1.一种氧化镓单晶，其特征在于，位错密度为3.5×106个/cm2以下。
2.如权利要求1所述的氧化镓单晶，其特征在于，其是利用EFG法、即导模法而制造，并且，晶颈直径为0.8mm以下。
3.如权利要求2所述的氧化镓单晶，其特征在于，所述EFG法的晶种接触温度为1930℃以上且1950℃以下。
4.一种氧化镓单晶衬底，其特征在于，由权利要求1～3中任意一项所述的氧化镓单晶构成。
5.如权利要求4所述的氧化镓单晶衬底，其特征在于，该氧化镓单晶衬底至少为一英寸。
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