CN104878449A - β-Ga2O3基单晶基板 - Google Patents
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Abstract
一种β-Ga2O3基单晶基板包括β-Ga2O3基单晶。所述β-Ga2O3基单晶具有小于75秒的X射线摇摆曲线的半高宽。
Description
技术领域
本发明涉及β-Ga2O3基单晶基板。
背景技术
通过EFG方法生长β-Ga2O3单晶是已知的(例如参见非专利文献：“Growth ofβ-Ga2O3Single Crystals by the Edge-Defined FilmFed Growth Method”,Hideo Aida,Kengo Nishiguchi,HidetoshiTakeda,Natsuko Aota,Kazuhiko Sunakawa,Yoichi Yaguchi,JapaneseJournal of Applied Physics,Volume 47,No.11,pp.8506-8509(2008))。该非专利文献公开了在从与籽晶的接触部分向底部逐渐加宽β-Ga2O3单晶的宽度的同时，即在宽度方向上加宽肩部的同时，生长β-Ga2O3单晶的方法，从而可以获得具有比籽晶更大的宽度的板状晶体。
该非专利文献还公开了所生长的β-Ga2O3单晶的X射线摇摆曲线的半高宽(FWHM)为75秒，并且坑密度为9×104cm-2。
发明内容
迄今为止还没有生产出高品质的氧化镓单晶。另外，传统技术只能生产出像该非专利文献中所公开的那样的低质量氧化镓单晶，并且还不知道是否存在生产更高质量的氧化镓单晶的方法。
本发明的目的是提供一种具有优良的晶体质量的β-Ga2O3基单晶基板。
根据本发明的一个实施方式，提供以下[1]至[10]中列出的β-Ga2O3基单晶基板。
[1]一种β-Ga2O3基单晶基板，包括β-Ga2O3基单晶，其中所述β-Ga2O3基单晶具有小于75秒的X射线摇摆曲线的半高宽。
[2]根据[1]的β-Ga2O3基单晶基板，其中所述X射线摇摆曲线的半高宽是在所述β-Ga2O3基单晶的(-201)面或(001)面获得的。
[3]根据[1]或[2]的β-Ga2O3基单晶基板，其中所述β-Ga2O3基单晶具有(-201)、(101)或(001)面取向的主面。
[4]根据[1]至[3]中任一项的β-Ga2O3基单晶基板，其中所述半高宽不大于35秒。
[5]一种β-Ga2O3基单晶基板，具有小于9×104cm-2的平均位错密度。
[6]根据[5]的β-Ga2O3基单晶基板，其中所述平均位错密度不超过7.8×104cm-2。
[7]根据[5]或[6]的β-Ga2O3基单晶基板，还具有(-201)、(101)或(001)面取向的主面。
[8]根据[1]至[7]中任一项的β-Ga2O3基单晶基板，其中所述基板不含孪晶。
[9]根据[1]至[8]中任一项的β-Ga2O3基单晶基板，其中所述基板还具有不小于2英寸的直径。
[10]根据[1]至[7]中任一项的β-Ga2O3基单晶基板，还具有不含孪晶面的区域，并且其中所述区域在垂直于孪晶面与主面的交叉线的方向上具有不小于2英寸的最大宽度。
发明效果
根据本发明的一个实施方式，可以提供一种具有优良的晶体质量的β-Ga2O3基单晶基板。
附图说明
接下来，结合附图更详细地说明本发明，其中：
图1A和图1B是示出第一实施方式中的β-Ga2O3基单晶基板的平面图；
图2A和图2B是示出第一实施方式中的具有少量孪晶的β-Ga2O3基单晶基板的剖面图；
图3A和图3B是示出通过对第一实施方式中的具有(-201)取向的主面的β-Ga2O3基单晶基板进行X射线摇摆曲线测量而获得的X射线衍射谱的图；
图3C是示出通过对具有(-201)取向的主面的传统β-Ga2O3基单晶基板进行X射线摇摆曲线测量而获得的X射线衍射谱的图；
图4A和图4B是示出通过对第一实施方式中的具有(001)取向的主面4的β-Ga2O3基单晶基板1进行X射线摇摆曲线测量而获得的X射线衍射谱的图；
图5是示出第一实施方式中的EFG晶体制造设备的垂直剖面图；
图6是示出第一实施方式中的β-Ga2O3基单晶的生长期间的状态的立体图；
图7是示出生长从其切除籽晶的β-Ga2O3基单晶的状态的立体图；
图8是示出第二实施方式中的半导体多层结构的垂直剖面图；以及
图9是示出第三实施方式中的LED元件的垂直剖面图。
具体实施方式
第一实施方式
β-Ga
2
O
3
基单晶基板的构造
图1A和图1B是示出第一实施方式中的β-Ga2O3基单晶基板1的平面图。图1A示出没有孪晶的β-Ga2O3基单晶基板1，图1B示出具有少量孪晶的β-Ga2O3基单晶基板1。
β-Ga2O3基单晶基板1由β-Ga2O3基单晶形成。在此β-Ga2O3基单晶是β-Ga2O3单晶或者掺杂有诸如Mg,Fe,Cu,Ag,Zn,Cd,Al,In,Si,Ge,Sn或Nb元素的β-Ga2O3单晶。
β-Ga2O3基晶体具有属于单斜晶系的β-gallia结构，并且不含杂质的β-Ga2O3晶体的典型晶格常数是α＝γ＝90°以及β＝103.8°。
β-Ga2O3基单晶基板1的主面的取向不局限于特定取向，例如是(-201)、(101)或(001)。
图1A中所示的没有孪晶的β-Ga2O3基单晶基板1的直径优选不小于2英寸。β-Ga2O3基单晶基板1是从通过下述新方法生长的β-Ga2O3基单晶切割出的，并且不含或者几乎不含孪晶。因此，可以切割出不含孪晶的不小于2英寸的大基板作为β-Ga2O3基单晶基板1。
该β-Ga2O3基单晶在(100)面具有高可裂解性，并且在晶体生长期间可能形成以(100)面为孪晶面(对称面)的孪晶。
图1B中所示的具有少量孪晶的β-Ga2O3基单晶基板1优选具有不小于2英寸的直径，并且更优选具有宽度Ws不小于2英寸且不含孪晶面3的区域2。在此区域2的宽度Ws是在垂直于孪晶面3与β-Ga2O3基单晶基板1的主面的交叉线的方向上的最大宽度。区域2的宽度Ws优选较大，因为具有孪晶面3的区域优选不作为用于外延晶体生长的基底。
图2A和图2B是示出具有少量孪晶的β-Ga2O3基单晶基板1的剖面图。图2A和图2B各示出穿过β-Ga2O3基单晶基板1的中心并且垂直于孪晶面3的剖面。在图的右侧示出的轴表示作为β-Ga2O3基单晶基板1的基材的β-Ga2O3单晶的a、b和c轴的方向。
图2A示出在β-Ga2O3基单晶基板1的一侧存在孪晶面3时的区域2的例子，图2B示出在β-Ga2O3基单晶基板1的两侧都存在孪晶面3时的区域2的另一个例子。在图2A和图2B中，作为例子示出以(-201)面为主面的β-Ga2O3基单晶基板1的剖面。
β-Ga
2
O
3
基单晶基板的晶体取向和位错密度
图3A和图3B是示出通过对具有(-201)取向的主面4的2个β-Ga2O3基单晶基板1进行X射线摇摆曲线测量而获得的X射线衍射谱的图。图3C是示出通过对具有(-201)取向的主面的传统β-Ga2O3基单晶基板进行X射线摇摆曲线测量而获得的X射线衍射谱的图。该传统β-Ga2O3基单晶基板是从由不具有下述后加热器20和反射板21的传统EFG晶体制造设备生长的β-Ga2O3基单晶切割出的基板。
图3A至图3C中示出在每个β-Ga2O3基单晶基板1的主面4的中心点和传统β-Ga2O3基单晶基板的主面的中心点测得的X射线衍射谱。
在图3A至图3C中，横轴表示X射线在β-Ga2O3基单晶基板1或者传统β-Ga2O3基单晶基板上的入射角ω(度)，纵轴表示X射线的衍射强度(任意单位)。
图3A至图3C中所示的衍射峰归因于来自构成β-Ga2O3基单晶基板1或该传统β-Ga2O3基单晶基板的β-Ga2O3基单晶的(-201)面的衍射，并且它们的半高宽(FWHM)分别为14秒(弧秒)、74秒和200秒。β-Ga2O3基单晶基板1的小FWHM意味着β-Ga2O3基单晶基板1在垂直于(-201)面的方向上具有优良的取向。
当β-Ga2O3基单晶基板1的主面4取向为例如(-201)时，在垂直于(-201)面的方向上具有优良的取向表示β-Ga2O3基单晶的主面的取向是优良的。
作为实验结果，发现来自具有(-201)取向的主面的β-Ga2O3基单晶基板1的(-201)面的衍射峰的FWHM落在大约不小于14秒并且不大于100秒的范围内。该范围内的FWHM主要根据用于生长要被切割为β-Ga2O3基单晶基板1的β-Ga2O3基单晶(下述β-Ga2O3基单晶32)的籽晶(下述籽晶31)的晶体质量而变化。
在此籽晶31的晶体质量是通过在横轴表示在籽晶31上的测量位置并且纵轴表示籽晶31的转角ω的图上标绘X射线摇摆曲线峰位置来确定的。由一组标绘点形成的曲线越接近直线，晶体质量被判断为越高。在X射线摇摆曲线测量中，测量例如通过籽晶31的(010)面在(111)面的衍射。
还发现特别当使用高晶体质量的籽晶31时，来自具有(-201)取向的主面的β-Ga2O3基单晶基板1的(-201)面的衍射峰的FWHM落在大约不小于14秒并且不大于35秒的范围内。
另外，在对主面4不取向于(-201)，例如从(-201)面倾斜预定角度(偏置角，例如，±1°)的β-Ga2O3基单晶基板1进行的X射线摇摆曲线测量中，来自(-201)面的衍射峰的FWHM范围与主面4取向于(-201)的情况基本相同。
当例如从一个单晶锭切割出没有偏斜角的基板和具有偏斜角的基板时，唯一的差别是在切片时在线锯和该单晶锭的主面之间形成的角度，并且构成基板的晶体的质量是相同的，因此，来自相同晶面的衍射峰的FWHM相同。
图4A和图4B是示出通过对具有(001)取向的主面4的2个β-Ga2O3基单晶基板1进行X射线摇摆曲线测量而获得的X射线衍射谱的图。
图4A和图4B中示出在每个β-Ga2O3基单晶基板1的主面4的中心点测得的X射线衍射谱。
在图4A和图4B中，横轴表示X射线在β-Ga2O3基单晶基板1上的入射角ω(度)，纵轴表示X射线的衍射强度(任意单位)。
图4A和图4B中所示的衍射峰归因于来自构成β-Ga2O3基单晶基板1的β-Ga2O3基单晶的(001)面的衍射，并且其FWHM分别为36秒和87秒。β-Ga2O3基单晶基板1的小FWHM意味着β-Ga2O3基单晶基板1在垂直于(001)面的方向上具有优良的取向。
当β-Ga2O3基单晶基板1的主面4取向于例如(001)时，在垂直于(001)面的方向上具有优良的取向表示β-Ga2O3基单晶的主面的取向优良。
在β-Ga2O3基单晶中，(-201)面和(001)面二者都平行于<010>轴方向，并且具有相似的晶体取向。因此认为来自(001)面的衍射峰的FWHM范围与来自(-201)面的衍射峰的FWHM范围基本相同。
另外，在对主面4的取向不取向于(001)，例如从(001)面倾斜预定角度(偏置角，例如，±1°)的β-Ga2O3基单晶基板1进行的X射线摇摆曲线测量中，来自(001)面的衍射峰的FWHM范围与主面4取向于(001)的情况基本相同。
构成β-Ga2O3基单晶基板1的β-Ga2O3基单晶的晶体结构的畸变不只是在特定方向上的取向的畸变。因此，来自β-Ga2O3基单晶的任意晶面，例如来自(101)面的衍射峰的FWHM范围与来自(-201)面的衍射峰的FWHM范围基本相同。
并且两个具有(-201)取向的主面4的β-Ga2O3基单晶基板1的平均位错密度分别为3.9×104cm-2和7.8×104cm-2，由此确认只包含少量位错。
另一方面，具有(-201)取向的主面的传统β-Ga2O3基单晶基板的平均位错密度为1.1×105cm-2。该传统β-Ga2O3基单晶基板是从由不具有下述后加热器20和反射板21的传统EFG晶体制造设备生长的β-Ga2O3单晶切割出的基板。
上述平均位错密度分别是从β-Ga2O3基单晶基板1的主面4上或者该传统β-Ga2O3基单晶基板的主面上的蚀刻坑密度的平均值得出的。已经确认，β-Ga2O3基单晶基板1的主面4上的位错密度与蚀刻坑密度基本相同。
当利用热磷酸等对镜面抛光后的β-Ga2O3基单晶基板1进行化学蚀刻时，在具有缺陷的部分蚀刻速率增加，这导致形成凹陷(蚀刻坑)。在对蚀刻坑部分的缺陷评估中，注意到位错一对一地对应于蚀刻坑部分。这揭示了可以从蚀刻坑密度估算位错密度。在光学显微镜下在基板上的五个点(中心点及其周围的四个点)处计数每单位面积的蚀刻坑数目，并且通过将计数出的数目平均来得出平均蚀刻坑密度。
另外，当β-Ga2O3基单晶基板1的主面4的取向不是(-201)，例如是(101)或(001)时，平均位错密度与主面4取向于(-201)的情况下基本相同。
β-Ga2O3基单晶基板1的X射线摇摆曲线的FWHM和平均位错密度可以减小到小于前述非专利文献中公开的由传统EFG方法生长的β-Ga2O3基单晶的FWHM 75秒和平均位错密度9×104cm-2。该结果表明从由下述方法生长的β-Ga2O3基单晶切割出的β-Ga2O3基单晶基板1具有比从由该传统EFG方法生长的β-Ga2O3基单晶切割出的β-Ga2O3基单晶基板更好的晶体取向和更少的位错。
制造β-Ga
2
O
3
基单晶基板的方法
图5是示出第一实施方式中的EFG(Edge Defined Film FedGrowth：定边膜喂法)晶体制造设备10的垂直剖面图。
EFG晶体制造设备10具有位于石英管18中且包含Ga2O3基熔液30的坩埚11、位于坩埚11中并且具有狭缝12a的模具12、覆盖坩埚11的开口使得包括开口12b的模具12的顶表面露出的盖13、用于保持籽晶31的籽晶保持器14、可升降地支撑籽晶保持器14的轴15、用于放置坩埚11的支座16、沿着石英管18的内壁设置的隔热体17、设置在石英管18周围的用于高频感应加热的高频线圈19、用于支撑石英管18和隔热体17的基部22以及装配于基部22的腿部23。
EFG晶体制造设备10还包括后加热器20和反射板21。后加热器20由Ir等形成，并且设置为围绕坩埚11上方的生长β-Ga2O3基单晶32的区域。反射板21由Ir等形成，并且盖状地设置在后加热器20上。
坩埚11包含通过熔化Ga2O3基原料获得的Ga2O3基熔液30。坩埚11由能够容纳Ga2O3基熔液30的高耐热材料如Ir形成。
模具12具有狭缝12a，以通过毛细作用引出坩埚11中的Ga2O3基熔液30。模具12与坩埚11同样由高耐热材料如Ir形成。
盖13防止高温Ga2O3基熔液30从坩埚11蒸发，并且还防止蒸发的物质粘附到位于坩埚11外部的部件。
高频线圈19螺旋形地围绕石英管18设置，并且通过从未示出的电源提供的高频电流感应加热坩埚11和后加热器20。这导致坩埚中的Ga2O3基原料熔化并且由此获得Ga2O3基熔液30。
隔热体17以预定的间隙设置在坩埚11周围。隔热体17具有保温性，因此能够抑制被感应加热的坩埚11等的快速温度变化。
后加热器20通过感应加热产生热，并且反射板21向下反射从后加热器20和坩埚11辐射的热。本发明人确认后加热器20能够减小热区内的径向(水平方向)温度梯度，并且反射板21能够减小热区内晶体生长方向上的温度梯度。
通过将后加热器20和反射板21设置于EFG晶体制造设备10，可以减小β-Ga2O3基单晶32的X射线摇摆曲线的FWHM和平均位错密度。这使得能够从β-Ga2O3基单晶32获得具有小的X射线摇摆曲线的FWHM和小的平均位错密度的β-Ga2O3基单晶基板1。
图6是示出第一实施方式中的β-Ga2O3基单晶32生长期间的状态的立体图。图6中省略了β-Ga2O3基单晶32周围部件的图示。
为了生长β-Ga2O3基单晶32，首先将坩埚11中的Ga2O3基熔液30通过模具12的狭缝12a引出到模具12的开口12b，然后使籽晶31与存在于模具12的开口12b中的Ga2O3基熔液30接触。接下来，将与Ga2O3基熔液30接触的籽晶31垂直向上拉起，由此生长β-Ga2O3基单晶32。
籽晶31是没有或者几乎没有孪晶面的β-Ga2O3基单晶。籽晶31具有与要生长的β-Ga2O3基单晶32基本相同的宽度和厚度。因此，可以生长β-Ga2O3基单晶32而不加宽其宽度方向W和厚度方向T上的肩部。
由于β-Ga2O3基单晶32的生长不涉及在宽度方向W上加宽肩部的过程，所以β-Ga2O3基单晶32的孪晶化被抑制。并且不像在宽度方向W上肩部加宽那样，在厚度方向T上加宽肩部时不太可能形成孪晶，因此β-Ga2O3基单晶32的生长可涉及在厚度方向T上加宽肩部的过程。然而，在不进行在厚度方向T上加宽肩部的过程的情况下，基本上整个β-Ga2O3基单晶32都成为能够切割成基板的板状区域，这使得基板制造成本降低。因此，优选地不进行在厚度方向T上加宽肩部的过程，而是使用厚的籽晶31以确保如图6中所示的β-Ga2O3基单晶32的足够厚度。
另外，当在生长β-Ga2O3基单晶的同时加宽其肩部时，根据加宽肩部的角度可能出现晶体取向的劣化或位错的增加。相比之下，由于β-Ga2O3基单晶32的生长至少不涉及在宽度方向W上加宽肩部的过程，所以可以抑制由肩部加宽引起的晶体取向的劣化或位错的增加。
籽晶31的面向水平方向的表面33的取向与β-Ga2O3基单晶32的主面34的取向一致。因此，为了从β-Ga2O3基单晶32获得具有例如(-201)取向的主面4的β-Ga2O3基单晶基板1，在籽晶31的表面33取向于(-201)的状态下生长β-Ga2O3基单晶32。
接下来，描述使用四棱柱形状的窄宽度籽晶形成宽度与β-Ga2O3基单晶32的宽度相等的宽籽晶31的方法。
图7是示出生长要被切割为籽晶31的β-Ga2O3基单晶36的状态立体图。
籽晶31是从β-Ga2O3基单晶36的没有或者几乎没有孪晶面的区域切割出的。因此，β-Ga2O3基单晶36的宽度(宽度方向W上的尺寸)大于籽晶31的宽度。
并且β-Ga2O3基单晶36的厚度(厚度方向T上的尺寸)可以小于籽晶31的厚度。在此情况下，不直接从β-Ga2O3基单晶36切割出籽晶31。而是首先从由β-Ga2O3基单晶36切割出的籽晶生长β-Ga2O3基单晶，同时在厚度方向T上加宽肩部，然后将其切割成籽晶31。
为了生长β-Ga2O3基单晶36，可以使用具有与用于生长β-Ga2O3基单晶32的EFG晶体制造设备10基本相同结构的EFG晶体制造设备100。然而，因为β-Ga2O3基单晶36的宽度或者宽度和厚度与β-Ga2O3基单晶32的宽度或者宽度和厚度不同，所以EFG晶体制造设备100的模具112的宽度或者宽度和厚度与EFG晶体制造设备10的模具12的宽度或者宽度和厚度不同。模具112的开口112b的尺寸可以与模具12的开口12b的尺寸相同。
籽晶35是宽度比要生长的β-Ga2O3基单晶36的宽度小的四棱柱状的β-Ga2O3基单晶。
为了生长β-Ga2O3基单晶36，首先，将坩埚11中的Ga2O3基熔液30通过模具112的狭缝引出到模具112的开口112b，然后在籽晶35的水平方向上的位置在宽度方向W上偏离模具112的宽度方向W上的中心的状态下，使籽晶35接触存在于模具112的开口112b中的Ga2O3基熔液30。在这一点上，更优选地，在籽晶35的水平方向上的位置处于模具112的宽度方向W上的边缘的状态下，使籽晶35接触覆盖模具112的顶表面的Ga2O3基熔液30。
接下来，将与Ga2O3基熔液30接触的籽晶35垂直向上拉起，由此生长β-Ga2O3基单晶36。
如上所述，该β-Ga2O3基单晶在(100)面具有高可裂解性，并且在晶体生长期间在肩部加宽过程中可能形成以(100)面为孪晶面(对称面)的孪晶。因此，优选地，在(100)面平行于β-Ga2O3基单晶32的生长方向的方向上，例如在b轴方向或c轴方向上生长β-Ga2O3基单晶32，从而使从β-Ga2O3基单晶32切割出的没有孪晶的晶体的尺寸最大化。
特别优选地，在b轴方向上生长β-Ga2O3基单晶32，因为β-Ga2O3基单晶易于在b轴方向上生长。
并且在宽度方向上加宽肩部的过程期间生长的β-Ga2O3基单晶形成孪晶的情况下，孪晶面可能形成在靠近籽晶的区域，并且不太可能形成在远离籽晶的位置。
第一实施方式中的生长β-Ga2O3基单晶36的方法利用β-Ga2O3基单晶的这种孪晶化属性。在第一实施方式中，由于β-Ga2O3基单晶36是在籽晶35的水平方向上的位置在宽度方向W上偏离模具112的宽度方向W上的中心的状态下生长的，所以与在籽晶35的水平方向上的位置处于模具112的宽度方向W的中心的状态下生长β-Ga2O3基单晶36的情况相比，在β-Ga2O3基单晶36中产生离籽晶35的距离大的区域(图7中所示的水平方向上加宽)。在这种区域不太可能形成孪晶面，因此可以切割出宽的籽晶31。
为了使用籽晶35生长β-Ga2O3基单晶36并且为了将β-Ga2O3基单晶36切割为籽晶，可以使用日本专利申请2013-102599号中公开的技术。
接下来，描述将所生长的β-Ga2O3基单晶32切割为β-Ga2O3基单晶基板1的示例性方法。
首先，生长出具有例如18mm厚度的β-Ga2O3基单晶32，然后将其退火，缓解单晶生长期间的热应力，并且改善电特性。例如在诸如氮气的惰性气氛下并且在1400至1600℃的温度保持6至10小时进行退火。
接下来，通过利用金刚石刀片切割将籽晶31和β-Ga2O3基单晶32分开。首先，在中间利用热熔蜡将β-Ga2O3基单晶32固定于碳台。将固定于碳台的β-Ga2O3基单晶32置于切割机上，并且将其切割来分开。刀片的粒度优选为大约#200至#600(由JIS B 4131定义)，并且切割速率优选为每分钟大约6至10mm。切割之后，通过加热使β-Ga2O3基单晶32脱离碳台。
接下来，利用超声加工装置或者电火花线切割机将β-Ga2O3基单晶32的边缘成形为圆形。可以在圆形的β-Ga2O3基单晶32的边缘形成取向平面。
接下来，利用多线锯将圆形的β-Ga2O3基单晶32切成大约1mm厚的片，从而获得β-Ga2O3基单晶基板1。在该过程中，可以以期望的偏置角切片。优选使用固结磨料线锯。切片速率优选为每分钟大约0.125至0.3mm。
接下来，将β-Ga2O3基单晶基板1退火，以减小加工应力并且改善电特性以及渗透性。在温度升高期间在氧气氛下并且在温度升高之后保持温度时在诸如氮气氛的惰性气氛下进行退火。在此保持的温度优选为1400至1600℃。
接下来，以期望的角度将β-Ga2O3基单晶基板1的边缘去角(倒角处理)。
接下来，利用金刚石磨料研磨轮将β-Ga2O3基单晶基板1研磨到期望的厚度。该研磨轮的粒度优选为大约#800至#1000(由JIS B4131定义)。
接下来，使用转台和金刚石浆将该β-Ga2O3基单晶基板抛光到期望的厚度。优选使用由金属基或玻璃基材料形成的转台。金刚石浆的颗粒尺寸优选为大约0.5μm。
接下来，使用抛光布和CMP(化学机械抛光)浆抛光β-Ga2O3基单晶基板1，直到获得原子级的平坦度。由尼龙、丝纤维或尿烷等形成的抛光布是优选的。优选使用硅胶浆。CMP处理后的β-Ga2O3基单晶基板1的主面具有大约Ra＝0.05至0.1nm的平均粗糙度。
第二实施方式
第二实施方式是包括第一实施方式中的β-Ga2O3基单晶基板1的半导体多层结构的实施方式。
半导体多层结构的构成
图8是示出第二实施方式中的半导体多层结构40的垂直剖面图。半导体多层结构40具有β-Ga2O3基单晶基板1和通过外延晶体生长形成在β-Ga2O3基单晶基板1的主面4上的氮化物半导体层42。优选地，如图8中所示，在β-Ga2O3基单晶基板1和氮化物半导体层42之间还设置缓冲层41，以减小β-Ga2O3基单晶基板1和氮化物半导体层42之间的晶格失配。
β-Ga2O3基单晶基板1可以包含导电杂质，如Si。β-Ga2O3基单晶基板1的厚度例如为400μm。如第一实施方式中所述，β-Ga2O3基单晶基板1具有优良的晶体取向和较少的位错。因此，通过外延生长形成在β-Ga2O3基单晶基板1上的氮化物半导体层42也具有优良的晶体取向和较少的位错。
缓冲层41由AlxGayInzN(0≤x≤1,0≤y≤1,0≤z≤1,x+y+z＝1)晶体形成。缓冲层41可以以岛图案或者以膜的形式形成在β-Ga2O3基单晶基板1上。缓冲层41可以包含导电杂质，如Si。
另外，在AlxGayInzN晶体当中，AlN晶体(x＝1，y＝z＝0)特别适合于形成缓冲层41。当缓冲层41由AlN晶体形成时，β-Ga2O3基单晶基板1和氮化物半导体层42之间的附着力进一步增加。缓冲层41的厚度例如为1至5nm。
缓冲层41例如通过以大约370至500℃的生长温度外延生长AlxGayInzN(0≤x≤1,0≤y≤1,0≤z≤1,x+y+z＝1)晶体而形成在β-Ga2O3基单晶基板1的主面4上。
氮化物半导体层42由AlxGayInzN(0≤x≤1,0≤y≤1,0≤z≤1,x+y+z＝1)晶体形成，并且特别优选地由容易获得高质量晶体的GaN晶体(y＝1，x＝z＝0)形成。氮化物半导体层42的厚度例如为5μm。氮化物半导体层42可以包含导电杂质，如Si。
氮化物半导体层42例如通过以大约1000℃的生长温度外延生长AlxGayInzN(0≤x≤1,0≤y≤1,0≤z≤1,x+y+z＝1)晶体而隔着缓冲层41形成在β-Ga2O3基单晶基板1的主面4上。
第三实施方式
第三实施方式是包括第二实施方式中的半导体多层结构40的半导体元件的实施方式。下面描述LED元件作为这种半导体元件的例子。
半导体元件的构造
图9是示出第三实施方式中的LED元件50的垂直剖面图。LED元件50具有β-Ga2O3基单晶基板51、β-Ga2O3基单晶基板51上的缓冲层52、缓冲层52上的n型覆层53、n型覆层53上的发光层54、发光层54上的p型覆层55、p型覆层55上的接触层56、接触层56上的p侧电极57以及β-Ga2O3基单晶基板51的与缓冲层52相反的一侧的面上的n侧电极58。
然后，用绝缘膜59覆盖由缓冲层52、n型覆层53、发光层54、p型覆层55和接触层56组成的叠层的侧表面。
在此，β-Ga2O3基单晶基板51、缓冲层52和n型覆层53是通过分别地分割或图案化构成第一实施方式中的半导体多层结构40的β-Ga2O3基单晶基板1、缓冲层41和氮化物半导体层42形成的。β-Ga2O3基单晶基板51、缓冲层52和n型覆层53的厚度例如分别为400μm、5nm和5μm。
导电杂质的添加使β-Ga2O3基单晶基板51具有导电性，并且因此能够使用β-Ga2O3基单晶基板51形成在厚度方向上导电的LED元件50这样的垂直型半导体装置。另外，β-Ga2O3基单晶基板51在宽波长范围内是透光的。因此，在LED元件50这样的发光装置中，能够在β-Ga2O3基单晶基板51侧发出光。
由半导体多层结构40的氮化物半导体层42形成的n型覆层53具有优良的晶体取向和较少的位错。因此，通过外延生长形成在这种n型覆层53上的发光层54、p型覆层55和接触层56也具有优良的晶体取向和较少的位错。因此，LED元件50在漏电流特征、可靠性和驱动性能等方面是优良的。
发光层54例如由三层多量子阱结构及其上的10nm厚的GaN晶体膜构成。每个多量子阱结构由8nm厚的GaN晶体膜和2nm厚的InGaN晶体膜构成。例如通过以750℃的生长温度在n型覆层53上外延生长各晶体膜来形成发光层54。
p型覆层55例如是包含5.0×1019/cm3浓度的Mg的150nm厚的GaN晶体膜。例如通过以1000℃的生长温度在发光层54上外延生长含Mg的GaN晶体来形成p型覆层55。
接触层56例如是包含1.5×1020/cm3浓度的Mg的10nm厚的GaN晶体膜。例如通过以1000℃的生长温度在p型覆层55上外延生长含Mg的GaN晶体来形成接触层56。
为了形成缓冲层52、n型覆层53、发光层54、p型覆层55和接触层56，可以使用作为Ga原料的TMG(三甲基镓)气体、作为In原料的TMI(三甲基铟)气体、作为Si原料的(C2H5)2SiH2(二乙基硅烷)气体、作为Mg原料的Cp2Mg(二(戊基)镁)气体和作为N原料的NH3(氨)气。
绝缘膜59由诸如SiO2的绝缘材料形成，并且例如通过溅射形成。
p侧电极57和n侧电极58是分别与接触层56和β-Ga2O3基单晶基板51进行欧姆接触的电极，并且是例如使用气相沉积设备形成的。
缓冲层52、n型覆层53、发光层54、p型覆层55、接触层56、p侧电极57和n侧电极58形成在晶片形式的β-Ga2O3基单晶基板51(β-Ga2O3基单晶基板1)上，然后通过划片法将β-Ga2O3基单晶基板51切割成例如300μm正方形尺寸的芯片，从而获得LED元件50。
LED元件50例如是配置为在β-Ga2O3基单晶基板51侧发出光的LED芯片，并且使用Ag胶安装在CAN型芯柱上。
尽管作为包括第二实施方式的半导体多层结构40的半导体元件的例子描述了作为发光元件的LED元件50，但是该半导体元件不局限于此，并且可以是其他发光元件，如激光二极管，或者其他元件，如晶体管。即使使用半导体多层结构40形成另一种元件时，也可以获得高质量的元件，因为通过外延生长形成在半导体多层结构40上的层与LED元件50同样具有优良的晶体取向和较少的位错。
实施方式的效果
本申请的发明人最先通过第一实施方式中描述的新方法成功地生长出新颖的高质量β-Ga2O3基单晶。在第一实施方式中，通过处理新的高质量β-Ga2O3基单晶，可以获得具有优良的晶体取向和较少位错的高晶体质量的β-Ga2O3基单晶基板。
在第二实施方式中，高晶体质量的β-Ga2O3基单晶基板的使用使得可以在其上外延生长高质量的膜，因此可以获得高晶体质量的半导体多层结构。
在第三实施方式中，高晶体质量的半导体多层结构的使用使得可以在其上外延生长高质量的膜，因此可以获得具有高晶体质量的高性能半导体元件。
应当指出，本发明不意图局限于上述实施方式，并且在不偏离本发明的要点的情况下可以进行各种修改。
另外，根据权利要求的发明不局限于实施方式。此外，应当指出，上述实施方式中描述的特征的全部组合不是解决本发明的问题所必须的。
Claims (10)
1.一种β-Ga2O3基单晶基板，包括β-Ga2O3基单晶，
其中所述β-Ga2O3基单晶具有小于75秒的X射线摇摆曲线的半高宽。
2.根据权利要求1所述的β-Ga2O3基单晶基板，其中所述X射线摇摆曲线的半高宽是在所述β-Ga2O3基单晶的(-201)面或(001)面获得的。
3.根据权利要求1或2所述的β-Ga2O3基单晶基板，其中所述β-Ga2O3基单晶具有(-201)、(101)或(001)面取向的主面。
4.根据权利要求1或2所述的β-Ga2O3基单晶基板，其中所述半高宽不大于35秒。
5.一种β-Ga2O3基单晶基板，具有小于9×104cm-2的平均位错密度。
6.根据权利要求5所述的β-Ga2O3基单晶基板，其中所述平均位错密度不超过7.8×104cm-2。
7.根据权利要求5或6所述的β-Ga2O3基单晶基板，还具有(-201)、(101)或(001)面取向的主面。
8.根据权利要求1或5所述的β-Ga2O3基单晶基板，其中所述基板不含孪晶。
9.根据权利要求1或5所述的β-Ga2O3基单晶基板，其中所述基板还具有不小于2英寸的直径。
10.根据权利要求1或5所述的β-Ga2O3基单晶基板，还具有不含孪晶面的区域，并且
其中所述区域在垂直于孪晶面与主面的交叉线的方向上具有不小于2英寸的最大宽度。
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