CN105026625A - GaN衬底及GaN衬底的制造方法 - Google Patents

GaN衬底及GaN衬底的制造方法 Download PDF

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Namiki Precision Jewel Co Ltd
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Abstract

【课题】本发明提供无需复杂的工序便能够简单地以低成本且高成品率地制造由位错密度分布实质上均匀的GaN晶体构成的GaN衬底这一技术；【解决方法】对单晶衬底的内部照射激光而在单晶衬底的内部形成非晶质部分，接着，在单晶衬底的一面上形成GaN晶体，从而制造GaN衬底；所制造的GaN衬底的整个表面上的位错密度的分布呈实质上均匀；由相对于单晶衬底的平面方向呈直线状的多个图形形成非晶质部分，在各图形间的间距为0.5mm时，非晶质部分的总体积相对于单晶衬底的体积所占的体积比为0.10％或0.20％，在各图形间的间距为1.0mm时，非晶质部分的总体积相对于单晶衬底的体积所占的体积比为0.05％或0.10％。

Description

GaN衬底及GaN衬底的制造方法
技术领域
本发明涉及GaN(氮化镓)衬底及GaN衬底的制造方法。
背景技术
构成发光二极管(LED：Light Emitting Diode)元件的氮化镓(GaN)晶体是通过采用金属有机化学气相外延法(MOVPE：Metal-Organic VaporPhase Epitaxy)、氢化物气相外延法(HVPE：Hydride Vapour PhaseEpitaxy)等气相生长法在基础衬底上进行外延生长而获得。
但是，当将蓝宝石衬底等用作基础衬底时则变为异质外延生长法，由于基础衬底与GaN晶体的晶格常数不匹配，因此难以通过外延生长获得优质的GaN晶体，而且GaN晶体中含有较多的晶体缺陷。由于晶体缺陷会成为阻碍元件特性提高的原因，因此目前为止进行了降低GaN晶体中的晶体缺陷的研究。作为获得晶体缺陷少的GaN晶体的方法，存在选择生长法。
选择生长法是：在基础衬底上生长了较薄的GaN晶体后暂时中断GaN晶体的生长，使用由SiO2等构成的掩膜在基础衬底上实施图案形成，在再次使GaN晶体生长时设置生长部分和非生长部分的方法。该方法能够通过掩膜阻止位错的传播，另外也能够通过GaN晶体的横向生长使位错弯曲。因此，即使GaN晶体的生长厚度薄，也能够获得位错密度降低的GaN晶体。进而，通过使GaN晶体的生长厚度变薄，也能够抑制GaN晶体生长中裂纹的产生频率。作为这样的选择生长法，已报告有ELOG(Epitaxial Lateral OverGrowth、横向外延过生长)法、FACELO(Facet-Controlled ELO、面控制横向外延过生长)法、VAS(Void-AssistedSeparation、辅助空隙分离生长)法、以及DEEP(Dislocation Eliminationby the Epitaxial growth with inverse-pyramidal Pits)法等(例如，关于FACELO法可参照非专利文献1)。
另外，由于异质外延生长法下的基础衬底与GaN晶体的热膨胀系数也不同，因此在异质外延生长后进行冷却时会发生形变，由于该形变导致生长的GaN晶体及基础衬底上会发生翘曲。由于GaN晶体的物理上的翘曲量存在界限，因此在翘曲最终达到临界值时GaN晶体会粉碎。在LED元件等为数μm左右厚度的情况下不存在达到临界值的情况，但是，在以制造块状GaN衬底为目的时，必须生长的GaN晶体的厚度会大大超过临界值。作为应对这样的形变所引发的翘曲的方法，存在自分离法(self separation method)。
自分离法是将外延生长后的GaN晶体与基础衬底自然分离的方法。已报告有利用GaN晶体的生长结束后向室温冷却时所发生的应力使基础衬底与GaN晶体分离的技术，可以举出纳米悬空外延(Nano Pendeo)法等。为了达到分离的目的，需要制造冷却时应力容易产生作用的物理性薄弱的部分。在纳米悬空外延法中，对外延生长初期的GaN薄膜晶体进行纳米图案形成和蚀刻，例如形成纳米级的针状物，并在该针状物上使块状体的GaN晶体再生长。在进行GaN晶体的再生长时，通过在基础衬底与GaN晶体之间留有针状物高度大小的空隙，能够在应力作用时使针状物折断从而使基础衬底与GaN晶体分离(例如，有关利用针状物的自分离法可参照专利文献1)。
【现有技术文献】
【非专利文献】
非专利文献1：Yoshiaki HONDA，Transmission Electron MicroscopyInvestigation of Dislocations in GaN Layer Grown by Facet-ControlledEpitaxial Lateral Overgrowth，(2001)
【专利文献】
专利文献1：日本公报、特表2009-522822号
发明内容
但是，利用选择生长法获得的GaN晶体存在位错密度的分布不均匀这一问题。由于在GaN晶体生长时实施了利用掩膜阻止位错的传播、使位错弯曲、使位错集中于特定的部分等处理，因此，低位错密度的分布在整个GaN晶体中变得不均匀，而是集中于局部。在使用由上述GaN晶体构成的GaN衬底制造器件的工序中，仅能使用GaN衬底的特定部分而无法使用整个GaN衬底，因此整个GaN衬底的可用范围降低。另外，由于需要暂时中断GaN晶体的生长并利用光刻法(photolithography)等进行掩膜的图案形成等，因此是成本较高的方法。
另外，在自分离法中，为了制造纳米级的针状物也需要用到纳米压印等技术，因此成本也较高。进而，需要纳米图案形成用的掩膜，而为了制造该掩膜需要纳米压印技术，因此制造工序复杂且价高。
另外，自分离法并非能够100％可靠地实现分离。另外，需要在整个基础衬底上均匀地实施纳米图案形成等，但是在光刻法的图案形成技术中常常发生图形缺失。由于在该图形缺失部分上用于自分离的附加应力不起作用，因此存在以该图形缺失部分为起点而产生裂纹这一情况。因此，会引起成品率降低的问题。
如此，现有技术中在位错密度分布的不均匀化、GaN晶体或GaN衬底的制造工序复杂化、高成本化、成品率降低等方面存在问题。
本发明是鉴于上述情况而完成的，其课题在于提供一种无需复杂的工序便能够简单地以低成本且高成品率地制造由位错密度分布实质上均匀的GaN晶体构成的GaN衬底这一技术。
上述课题通过以下的本发明实现。即，
(1)本发明的GaN衬底由GaN晶体构成，该GaN衬底的特征在于：GaN衬底的整个表面上的位错密度的分布呈实质上均匀。
(2)本发明的GaN衬底的制造方法的特征在于：对单晶衬底的内部照射激光而在单晶衬底的内部形成非晶质部分，接着，在单晶衬底的一面上形成GaN晶体，从而制造GaN衬底。
(3)本发明的GaN衬底的制造方法的一实施方式中优选：由相对于单晶衬底的平面方向呈直线状的多个图形形成非晶质部分，各图形间的间距为0.5mm，非晶质部分的总体积相对于单晶衬底的体积所占的体积比为0.10％或0.20％。
(4)本发明的GaN衬底的制造方法的另一实施方式中优选：由相对于单晶衬底的平面方向呈直线状的多个图形形成非晶质部分，各图形间的间距为1.0mm，非晶质部分的总体积相对于单晶衬底的体积所占的体积比为0.05％或0.10％。
(发明效果)
根据上述(1)中的发明，不论其厚度如何，在各种厚度的情况下均能够防止GaN衬底表面上的局部的位错密度分布，从而实现了GaN衬底表面上的位错密度分布的实质上均匀化。因此，在使用GaN衬底制造元件或器件的工序中，能够在GaN衬底表面的任意位置处制造元件或器件，且能够使用GaN衬底的整个表面。
进而，根据上述(2)中的发明，即使在基础衬底的GaN晶体生长面上不使用掩膜等，也能够实质上均匀地形成GaN晶体的位错密度分布，因此能够使制造工序简化且低成本化。进而，也能够防止GaN晶体产生裂纹，从而以高成品率制造GaN晶体。
进而，根据上述(3)或(4)中的发明，在上述(2)所述的发明的效果的基础上，还能够实质上更均匀地形成GaN晶体的位错密度分布。
附图说明
图1是表示本实施方式涉及的GaN衬底的一例的立体图。
图2是表示本实施方式涉及的GaN衬底表面的位错分布的CL图像的一例。
图3是表示本实施方式涉及的GaN衬底表面的位错分布的CL图像的另一例。
图4是表示对本实施方式的单晶衬底照射激光的工序的一例的模式说明图。
图5是表示对本实施方式的单晶衬底照射激光的工序的其他例子的模式说明图，其中，该单晶衬底在厚度方向上一面侧的一半区域中形成有非晶质部分。
图6是表示对本实施方式的单晶衬底照射激光的工序的其他例子的模式说明图，其中，该单晶衬底在厚度方向的中央区域中形成有非晶质部分。
图7是表示对本实施方式的单晶衬底照射激光的工序的其他例子的模式说明图，其中，该单晶衬底在厚度方向上上下各一半的一侧区域中分别形成有一层、合计共两层的非晶质部分。
图8是表示单晶衬底平面方向的非晶质部分的配置图形形状的一例的俯视图。在此，图8中的(a)是表示相对于单晶衬底的定向平面垂直地形成有多个直线状图形时的条状的俯视图，图8中的(b)是表示相对于单晶衬底的定向平面水平地形成有多个直线状图形时的条状的俯视图，图8中的(c)是表示将图8中的(a)和图8中的(b)所示的图形组合后的格子状的俯视图，图8中的(d)是表示将同一尺寸的多个正六边形以正六边形的全部六个顶点一定与该正六边形邻接的正六边形的任意一个顶点重合的方式有规律地配置而成的形状的俯视图。
图9是表示GaN晶体的外延生长工序的模式说明图。在此，图9中的(a)是表示生长开始前的状态的图，图9中的(b)是表示形成了低温缓冲层后的状态的图，图9中的(c)是表示形成了GaN晶体后的状态的图。
图10中示出本实施例涉及的GaN衬底的外观照片。
图11中示出比较例涉及的GaN晶体的照片。
(符号说明)
1…GaN衬底
2…GaN衬底的表面
3…单晶衬底
4…激光照射装置
5…激光
6…非晶质部分
7…非晶质部分的长度
8…低温缓冲层
9…GaN晶体
t…GaN衬底的厚度
d…单晶衬底的厚度
具体实施方式
以下，参照图1～图3对本发明涉及的氮化镓(GaN)衬底详细地进行说明。
本发明涉及的GaN衬底的平面方向的形状无特别限定，例如可以是方形等，但从例如在LED元件等公知的各种元件的制造工序中便于使用的观点来看，优选为圆形形状，尤其优选为图1所示的设有定向平面(orientation flat surface)的圆形形状。
当GaN衬底1的形状为圆形形状或设有定向平面的圆形形状时，从大型化的观点来看，GaN衬底1的直径优选为50mm以上，更优选为75mm以上，进一步优选为150mm以上。另外，直径的上限值无特别限定，但从实用方面的观点考虑，优选为300mm以下。
因此，GaN衬底1的表面2至少具有2cm2的表面积。进而，从大型化的观点来看，更优选具有超过15cm2的表面积。
另外，GaN衬底1的厚度t可以任意设定，优选为5.0mm以下，更优选为3.0mm以下，进一步优选为2.0mm以下。厚度t的下限值无特别限定，但从确保GaN衬底1的刚性的观点来看，优选为0.05mm以上，更优选为0.1mm以上。
GaN衬底1由氮化镓(GaN)晶体构成，更优选为GaN单晶。进而，GaN衬底1形成为没有裂纹。
另一方面，从图2、图3可知，本发明涉及的GaN衬底允许在衬底的整个表面上产生位错。其中，以GaN衬底的整个表面上的位错密度的分布呈实质上均匀这一点为特征。
在此，本发明中所谓的“位错密度”是指：到达GaN衬底1的表面2上的、表面2的每单位面积的位错线的数量。位错线无法通过目测辨别，但能够通过利用透射电子显微镜(TEM：Transmission ElectronMicroscope)、原子力显微镜(AFM：Atomic Force Microscope)或阴极发光(CL：Cathode Luminescence)图像进行测定而检测出。或者，通过将GaN衬底1的表面2浸泡在加热后的磷酸和硫酸的混合液中，能够产生与位错对应的蚀痕(etch pit)。也可以利用TEM、AFM或CL图像测定该蚀痕的分布从而检测出位错。
进而，本发明中所谓的“实质上均匀”是指：位错密度的分布发生在GaN衬底1的整个表面2上，并且位错随机且均匀地分布在表面2上，从而对表面2的任意每1cm2的位错密度的分布进行测量时，均处于一定的数值范围内。因此，在本发明中，“实质上均匀”并不是指位错密度的分布在GaN衬底1的表面2的所有位置上均呈完全固定这一情况，而是指对表面2的任意每1cm2的位错密度的分布进行测量时，均处于一定的数值范围内。在此，所谓的“一定的数值范围”是根据所制造的元件或器件及它们的制造工序而分别确定，因此并不能一概而论。
GaN衬底1的位错密度的绝对值越低越好，但其下限值根据所制造的元件或器件而不同，因此不能一概而论。例如，在发光元件的情况下，目标发光元件的发光波长越短，则所要求的GaN衬底的位错密度越低。另外，存在如下区别：即，较之LED元件，激光二极管(LD：Laser Diode)中要求位错密度更低的GaN衬底。
如上所述，根据本发明的GaN衬底1，不论其厚度如何，在各种厚度t的情况下均能够防止GaN衬底1的表面2上发生局部的位错密度的分布，从而实现了GaN衬底1的表面2上的位错密度分布的实质上均匀化。因此，在使用GaN衬底1制造元件或器件的工序中，能够在GaN衬底1的表面2的任意位置处制造元件或器件，且能够使用GaN衬底1的整个表面2。
另外，在使用了与GaN衬底1呈不同晶体的基础衬底进行GaN晶体生长的初期阶段，在基础衬底与GaN晶体的异质外延生长界面上产生大量的位错。因此，在GaN衬底1的厚度t为50μm(0.05mm)的情况下，GaN衬底1的表面2的每1cm2的位错密度优选为3.0×107以上且5.0×107以下。
进而，通过GaN晶体的外延生长的进行而形成较厚的GaN衬底1，从而获得自支撑的GaN衬底。在此，本发明中所谓的“自支撑的衬底”或“自支撑衬底”是指：不仅能够保持自己的形状，而且还具有不会对处理带来不便这一程度的强度的衬底。为了具有这样的强度，衬底的厚度优选形成为0.2mm以上。另外，考虑到元件或器件形成后的分离容易性等，自支撑衬底的厚度上限优选为1mm以下。
当GaN晶体的外延生长进行到能够获得自支撑衬底的程度时，伴随着该外延生长的进行，位错彼此之间的碰撞自然地发生，碰撞后的位错彼此皆消失。因此，当GaN衬底1的厚度t形成至能够获得自支撑衬底的程度时，所测量的位错密度比上述初期阶段有所减少。因此，在GaN衬底1的厚度t为200μm(0.2mm)的情况下，GaN衬底1的表面2的每1cm2的位错密度优选为0.9×107以上且1.5×107以下。
如前所述，衬底厚度t为50μm(0.05mm)情况下的表面2的每1cm2的位错密度为3.0×107以上且5.0×107以下。因此，以百分比表示时，t＝50μm时的位错密度的变动值为约167％。另一方面，衬底厚度t为200μm(0.2mm)情况下的表面2的每1cm2的位错密度为0.9×107以上且1.5×107以下。以百分比表示时，t＝200μm时的位错密度的变动值也为约167％，由此可知与t＝50μm时的位错密度的变动值一同处于一定的数值范围内。由以上可知，根据本发明的GaN衬底1，在任意的厚度下均实现了表面2上的位错密度分布的实质上均匀化。
GaN衬底1的导电类型应配合目标元件或器件而进行适当控制，不能一概而论。作为能够适用于元件或器件的导电类型，可以举出：例如掺杂有Si、S、O等的n型，掺杂有Mg或Zn等的p型，掺杂有In-GaN或者Fe或Cr等、或者同时掺杂有n型和p型的掺杂剂的半绝缘性。另外，GaN衬底1的载流子浓度的绝对值也应配合目标元件或器件而进行适当控制，不能一概而论。
GaN衬底1的正面被实施抛光、研磨及CMP加工(化学机械抛光加工)。另一方面，GaN衬底1的背面被实施抛光且/或研磨。正面的抛光和研磨主要是为了实现平坦的衬底形状而实施，背面的抛光主要是为了实现所希望的厚度t而实施。正面成为表面2，其具有实质上均匀的位错密度的分布。因此，背面可以具有比正面高的位错密度，背面上的位错密度分布也可以实质上不均匀。表面2优选为平坦的镜面，进而，表面2的表面粗糙度Ra最好形成为能够形成元件或器件的程度，因此优选形成为0.1nm以下。
进而，GaN衬底1的正面优选为(0001)的III族面。这是因为：GaN系的晶体的极性强，较之V族面(氮面)，III族面的化学和热稳定性佳，易于制造元件或器件。
接下来，参照图4～图6对本发明涉及的氮化镓(GaN)衬底的制造方法详细地进行说明。
首先，作为本发明涉及的GaN衬底的制造中所使用的外延生长用基础衬底，准备了单晶衬底。作为基础衬底的材质，只要是能够通过激光照射形成非晶质部分的公知单晶材料，便可以任意使用，可以举出例如蓝宝石、氮化物半导体、Si、GaAs、水晶、SiC等。当采用后述的照射条件A时，尤其能够适宜地使用Si、GaAs、水晶或SiC。另外，也可以不是单晶衬底，而是石英或玻璃等。
其中尤其优选蓝宝石单晶衬底，因为其在作为GaN晶体的生长温度的1000℃以上的高温范围内也保持稳定，并且与作为GaN晶体生长的原料气体或气氛气体的H2或NH3、HCL也不发生反应。
另外，单晶衬底使用至少一面经过镜面研磨的单晶衬底。该情况下，在之后的外延生长工序中，GaN晶体生长并形成于经过镜面研磨的一面侧上。另外，根据需要也可以使用两面均经过镜面研磨的单晶衬底，此时能够将任意一面作为GaN晶体的生长面加以利用。关于该研磨，以使供晶体生长的一面的平滑程度达到能够进行外延生长的程度的方式进行即可，作为目标，优选表面粗糙度Ra形成为0.1nm以下。进而，形成为没有裂纹。
进而，在单晶衬底使用蓝宝石衬底时，作为GaN衬底的晶体生长面优选为C面。但是，不限定于C面，也可以使用R面、M面、A面等的C面以外的其他面。
单晶衬底的平面方向的形状无特别限定，例如可以是方形等，但从例如在LED元件等公知的各种元件的制造工序中便于使用的观点来看，优选为圆形形状，尤其优选为设有定向平面的圆形形状。
当单晶衬底的形状为圆形形状或设有定向平面的圆形形状时，从大型化的观点来看，单晶衬底的直径优选为50mm以上，更优选为75mm以上，进一步优选为150mm以上。另外，直径的上限值无特别限定，但从实用方面的观点考虑，优选为300mm以下。
因此，单晶衬底的表面至少具有2cm2的表面积。进而，从大型化的观点来看，更优选具有超过15cm2的表面积。
另外，单晶衬底的厚度优选为5.0mm以下，更优选为3.0mm以下，进一步优选为2.0mm以下。厚度的下限值无特别限定，但从确保单晶衬底的刚性的观点来看，优选为0.05mm以上，更优选为0.1mm以上。另外，在单晶衬底的形状为圆形形状或设有定向平面的圆形形状的情况下，当直径为50mm以上且150mm以下时，厚度优选为0.3mm以上，当直径超过150mm时，厚度优选为0.5mm以上。
另外，也存在将由GaN晶体构成的GaN衬底1用作基础衬底并在该基础衬底的一面上生长形成新的GaN晶体的方法。该情况下，理论上在GaN晶体生长后进行冷却时不会发生翘曲的问题，但实际上多数情况下基础衬底和通过生长形成的GaN晶体在相互的晶体特性上存在不少差异，因此实际上会发生翘曲。因此，本发明涉及的GaN衬底的制造方法不仅适用于将异质衬底用作基础衬底的情况，也适用于在基础衬底中使用GaN衬底的情况。
在本发明的GaN衬底的制造方法中，包括单晶衬底、通过对单晶衬底进行激光照射而形成于单晶衬底厚度方向的内部的非晶质部分、以及由形成于单晶衬底的一面上的GaN晶体构成的GaN衬底。另外，在使用作为生长面的一面为研磨面的单晶衬底时，对单晶衬底进行的激光照射尤其优选透过研磨面进行。另外，在进行激光照射时，单晶衬底的受到激光照射一侧的面尤其优选为镜面状态。为了使受到激光照射的面呈镜面状态，例如可以实施镜面研磨。
另外，本发明中所谓的“非晶质(amorphous)”被定义为非晶形且完全不具有晶体结构的部分。进而，所谓的“非晶质部分”是指：通过局部加热单晶衬底厚度方向的内部的一部分区域而形成的、由非晶质构成的单晶衬底的一部分。
作为该非晶质部分的形成方法，采用如图4所示由激光照射装置4对单晶衬底3照射激光5的方法。该情况下，通过受到激光照射的区域中所存在的原子的多光子吸收将该区域局部加热，从而相对于周围区域发生晶体结构或结晶性的变化等某些改性，由此形成非晶质部分6。即，本发明涉及的GaN衬底1是至少经由通过对单晶衬底3照射激光而在单晶衬底3的厚度d方向的内部形成非晶质部分6的工序而制造。
-激光照射条件-
另外，关于激光照射，只要能够在单晶衬底3的内部形成非晶质部分6，便可以在任意照射条件下实施，但从能够在较短的时间宽度内使能量集中从而能够获得高的峰值输出功率的方面来看，优选使用断续地发射激光束的脉冲激光并在下述1)和2)所示的范围内实施激光照射。
1)激光波长：200nm～5000nm
2)脉冲宽度：飞秒级～纳秒级(1fs～1000ns)
在此，考虑到作为激光照射对象的单晶衬底3材质的透光性/吸光性、或单晶衬底3内所形成的非晶质部分6的尺寸、图形精度、实用上可利用的激光装置等，而适当地选择激光波长和脉冲宽度。其中，在实施激光照射时，尤其优选选择下述A、B所示的照射条件。
〈照射条件A〉
·激光波长：200nm～400nm
·脉冲宽度：纳秒级(1ns～1000ns)。另外，更优选10ns～15ns。
〈照射条件B〉
·激光波长：400nm～2000nm
·脉冲宽度：飞秒级～皮秒级(1fs～1000ps)。另外，更优选200fs～800fs。
另外，较之照射条件B，照射条件A中利用的是激光波长在更短波段内的激光。因此，在激光波长和脉冲宽度以外的其他条件相同的情况下实施激光照射时，与照射条件B相比，采用照射条件A时能够缩短激光加工的时间。另外，所使用的激光的波长适宜选择比作为激光照射对象的单晶衬底3的吸收端波长处于更长波段内的波长。
在此，当单晶衬底3为Si衬底时，能够利用上述照射条件B。该情况下，从例如实用性或批量生产率等观点来看，优选在以下所示的范围内选择激光波长以外的其他条件。
·脉冲宽度：50ns～200ns
·重复频率：10kHz～500kHz
·照射能量：3μJ～30μJ
·激光的光斑尺寸：0.5μm～4.0μm
·试样台的扫描速度：50mm/s～1000mm/s(更优选100mm/s～1000mm/s)
在将单晶衬底3固定在未图示的试样台上的状态下，对单晶衬底3实施激光照射。另外，关于固定，优选例如通过真空吸附等以能够矫正单晶衬底3的翘曲的方式实施。然后，利用激光照射装置4从固定于试样台上的单晶衬底3的镜面侧照射激光5。此时，通过使激光5聚光于单晶衬底3的厚度d方向的内部，并使激光照射装置4和单晶衬底3在水平方向上相对地移动，由此形成点状的非晶质部分6呈连续地相连的线状。
局部观察时，点状的非晶质部分6仅形成于被瞬间照射激光5的部分，其大小取决于激光5的光斑尺寸、激光强度及脉冲宽度。通过适当地选择激光5的光斑尺寸、激光功率、脉冲宽度等，能够控制相对于单晶衬底3的平面方向或厚度方向的非晶质部分6的尺寸或改性程度等。另外，关于形成为线状的点状非晶质部分6的长度，通过适当地选择激光照射装置4相对于单晶衬底3的相对移动速度(例如，试样台可移动时为试样台的扫描速度)、激光5的重复频率，能够呈间隔地控制单晶衬底3的平面方向上的多个非晶质部分6。
通过组合多条上述形成为线状的非晶质部分6，在单晶衬底3厚度方向的所希望位置处形成构成非晶质部分6的至少一种非晶质部分6的图形。
通过将非晶质部分6的图形形状、形成位置、长度等条件最佳化，能够控制整个单晶衬底3的应力，从而精密地控制单晶衬底的翘曲形状及/或翘曲量。如图5所示，通过在单晶衬底3的厚度d方向上一面侧的一半区域内形成非晶质部分6，也可以在单晶衬底3中形成翘曲。另外，通过在单晶衬底3的厚度d方向上上下各一半的一侧区域内分别形成一层、合计共两层的非晶质部分6，也能够形成例如图7所示消除了翘曲后的平板状的单晶衬底3。进而，如图6所示，通过在单晶衬底3的厚度d方向的中央区域内形成非晶质部分6，也能够使单晶衬底3在非晶质部分6的形成前后均不发生翘曲。
图8是表示单晶衬底3平面方向上的非晶质部分6的配置图形形状的一例的俯视图，具体而言，示出了单晶衬底3的平面方向的形状为具有定向平面的圆形形状时的非晶质部分6的配置图形形状的一例。关于非晶质部分6的配置图形形状，如图8所示，可以举出例如相对于单晶衬底3的定向平面垂直地或平行地形成有多个直线状图形的条状(图8(a)、图8(b))。另外，图8(a)所示的宽度W表示多个直线状图形间的间距。或者，可以举出：如图8(c)所示，将图8(a)和图8(b)的直线状图形组合后的格子形状，或者，如图8(d)所示，将直线状图形组合，并且将同一尺寸的多个正六边形以正六边形的全部六个顶点一定与该正六边形邻接的正六边形的任意一个顶点重合的方式有规律地配置的形状。图8(d)的直线状图形由垂直于定向平面的直线状图形和相对于定向平面形成30°角及150°角的直线状图形构成。
多个直线状图形间的间距W优选在50μm～2000μm(0.05mm～2mm)的范围内，更优选在100μm～1000μm(0.1mm～1mm)的范围内。通过将间距形成为50μm以上，能够抑制激光加工所需时间增大到所需时间以上的情况，另外，通过将间距W形成为2000μm以下，能够更可靠地矫正单晶衬底3的翘曲。
另外，非晶质部分6在单晶衬底3的厚度d方向上的长度7取决于激光5的光斑尺寸、照射能量(激光功率/重复频率)、脉冲宽度，通常在数μm～数十μm的范围内。
接着，在该单晶衬底3的一面上生长并形成GaN晶体。GaN晶体的生长方法无特别限定，能够利用公知的方法。作为生长法，也可以举出电镀法等液相成膜法，但优选采用溅射法或CVD法(Chemical VaporDeposition、化学气相沉积法)等的气相成膜法。进而，更优选使用MOVPE法、HVPE法、MBE法(Molecular Beam Epitaxy、分子束外延法)等的气相成膜法。另外，所谓的“外延生长”包括：含有同一组成或混晶的同质外延生长、异质外延生长。
图9是表示GaN晶体的外延生长工序的模式说明图。作为具体的例子，将蓝宝石衬底用作基础用单晶衬底3，首先进行蓝宝石衬底的热清洗(图9(a))，接着，进行蓝宝石衬底的氮化处理，将蓝宝石衬底冷却至室温附近(约25℃)后实施大气曝露。然后，进行低温缓冲层8的生长(图9(b))。接着，使GaN晶体9生长(图9(c))。GaN晶体9生长后，将单晶衬底3和GaN晶体9冷却至室温附近(约25℃)。
通过将如此获得的GaN晶体9作为自支撑的GaN衬底1，并将其从作为基础衬底的单晶衬底3上分离，无需掩膜形成等复杂工序便可获得GaN衬底1。另外，考虑到在GaN晶体生长后将其从基础衬底上分离而获得自支撑的GaN衬底1的情况，对于GaN晶体的生长方法优选采用晶体生长速度较快的HVPE法。
采用HVPE法时，通过适当地选择NH3流量、HCL流量及生长温度，选择性地使GaN晶体的生长速度、形态及晶体质量最佳化即可。
在GaN晶体的生长中沿其生长方向传播的位错高密度地发生于GaN晶体的底部(即，GaN晶体与单晶衬底3之间的界面附近，或者，图9的情况下为GaN晶体与低温缓冲层8之间的界面附近)。但是，在GaN晶体的生长进行时，伴随着生长的进行，位错彼此之间的碰撞自然地发生，碰撞后的位错彼此皆消失。由于当位错集聚时，相互碰撞的位错消失、或形成位错环而停止向厚度t方向前进，因此能够降低位错密度。
接着，将单晶衬底3从GaN晶体9上分离并除去。GaN晶体9与单晶衬底3的分离能够利用任意的方法实施。关于单晶衬底3的除去，可以包括：排除单晶衬底3、除去单晶衬底3的一部分或全部、包括低温缓冲层8在内一同除去、或者除去整个单晶衬底3及与单晶衬底3相邻的GaN晶体的一部分。作为分离方法，包括机械磨削、化学蚀刻、界面分解、界面破坏(例如激光剥离等)、或者与特定的单晶衬底3的材质相适合的任意方法。
所谓的“激光剥离”是指：从单晶衬底侧照射可透过单晶衬底3但在GaN晶体中被吸收这一波长的高功率紫外线激光束，将单晶衬底与GaN晶体的界面附近部位熔化而使两者分离的方法。除此之外，也可以实施利用带电粒子束或中性粒子束进行的物理性蚀刻。
接着，对GaN衬底1的正面实施抛光、研磨及CMP加工。另一方面，对GaN衬底1的背面实施抛光且/或研磨。作为GaN衬底1的正面的表面2优选为平坦的镜面。其理由如下：在由生长的GaN晶体构成的GaN衬底的表面上存在大量小丘(hillock)等的大凹凸或微小的凹凸，这些凹凸不仅成为在表面2上生长外延层时导致其形态、膜厚、组成等变得不均匀的主要原因，而且也是元件或器件的制造工序中导致光刻工序的曝光精度下降的主要原因。
当欲通过研磨加工获得镜面时，需要从GaN晶体的表面削掉数μm～数百μm。在本发明中，通过研磨削掉表面层之后，也必须保留位错密度的分布实质上均匀的层部分。因此，在研磨精加工表面2时，需要预计研磨量而在晶体生长时使位错密度的分布实质上均匀的层部分预先生长一定厚度。因此，GaN晶体的表面层的实施镜面研磨前的深度至少应设定为将上述位错密度的分布实质上均匀的层部分的厚度和镜面研磨量相加后的深度。
利用CL图像对如上所述获得的GaN衬底的表面进行确认后证实了：如图2或图3所示，虽然在GaN衬底的整个表面上产生位错，但是整个表面上的位错密度的分布呈实质上均匀。另外，图2中的GaN衬底的厚度t为50μm，每1cm2表面的位错密度为4.7×107。另一方面，图3中的GaN衬底的厚度t为200μm，每1cm2表面的位错密度为1.0×107。
如上所述，根据本发明的GaN衬底的制造方法，即使不在基础衬底的GaN晶体生长面上使用掩膜等，也能够实质上均匀地形成GaN晶体的位错密度分布，因此能够使制造工序简化且低成本化。
由于不使用选择生长法也可以使厚度t增加，因此，伴随着生长厚度的增加发生均匀的位错消失，从而位错密度的分布呈实质上均匀。在内部形成有非晶质部分6的单晶衬底3的一面上生长GaN晶体时，为何能够使产生裂纹的临界厚度增加，其原理不明，但本发明者们首次发现了：通过经由对作为基础衬底的单晶衬底内部照射激光的工序进行GaN晶体形成，能够使基础衬底表面上形成的GaN晶体的厚度大幅增加至可实用、即能够自支撑的厚度。
另外，通过由多个直线状的图形设置非晶质部分6，且各图形间的间距W形成为0.5mm，进而，将非晶质部分6的总体积相对于单晶衬底3的体积所占的体积比设定为0.10％或0.20％，能够实质上更均匀地形成GaN晶体的位错密度分布。之所以将上述体积比设定为0.10％或0.20％这两种，是因为：0.10％是例如图5或图6所示形成一层非晶质部分时的体积比，0.20％是如图7所示形成两层非晶质部分时的体积比，两者分别表示不同情况。
另外，在将各图形间的间距W形成为1.0mm的情况下，当将非晶质部分6的总体积相对于单晶衬底3的体积所占的体积比设定为0.05％或0.10％时，能够实质上更均匀地形成GaN晶体的位错密度分布。之所以将上述体积比设定为0.05％或0.10％这两种，是因为：0.05％是例如图5或图6所示形成一层非晶质部分时的体积比，0.10％是如图7所示形成两层非晶质部分时的体积比，两者分别表示不同情况。
实施例
以下对本发明的实施例进行说明，但本发明并不仅限于以下实施例。
《激光照射的实施例》
作为评价用样品，按照以下顺序制造了在蓝宝石单晶衬底的一面上形成有一层结构的GaN晶体的衬底。首先，从蓝宝石单晶衬底的GaN晶体非生长面侧照射激光，按照图8(d)所示的直线状图形以间距100μm形成了约1500条非晶质部分，从而制造了具有非晶质部分的蓝宝石单晶衬底。进而，在蓝宝石单晶衬底的厚度方向上形成两条非晶质部分，各非晶质部分的长度形成为50μm。
-蓝宝石单晶衬底-
作为蓝宝石单晶衬底，使用了带定向平面的圆形形状的蓝宝石单晶衬底(直径：2英寸(50mm)，厚度：430μm)。另外，该蓝宝石单晶衬底的一面实施了镜面研磨，其表面粗糙度Ra形成为0.1nm。以该实施了镜面研磨的一面为生长面而形成GaN晶体。另外，一面设定为C面。
-非晶质部分的形成条件-
对蓝宝石单晶衬底的GaN晶体非生长面实施了镜面研磨。接着，通过真空吸附，将蓝宝石单晶衬底以形成GaN晶体的面朝向底面侧的方式固定在平坦的试样台上。该状态下，通过按照以下的照射条件从上述GaN晶体非生长面侧进行激光照射而形成非晶质部分。另外，在进行激光照射时，以试样台的纵向的扫描方向与蓝宝石单晶衬底的定向平面一致的方式将蓝宝石单晶衬底固定在试样台上。然后，使试样台沿纵向和横向相对于激光照射装置进行扫描，从而形成相对于蓝宝石单晶衬底的平面方向呈直线状图形的非晶质部分。
·激光波长：1048nm
·脉冲宽度：1000fs以下
·重复频率：100kHz
·照射能量：3μJ
·激光的光斑尺寸：4μm
·试样台的扫描速度：400mm/秒
-GaN晶体及生长条件-
在蓝宝石单晶衬底的生长面上形成一层结构的GaN晶体。另外，具体的生长条件如下所示，并且按照以下所示(1)～(5)的顺序实施工序。
(1)热清洗
在将蓝宝石单晶衬底配置于HVPE装置内后，以1050℃的衬底温度对生长面实施约600秒的热清洗。
(2)氮化处理
在1050℃的衬底温度下进行约240秒的氮化处理，将蓝宝石衬底冷却至室温附近后实施大气曝露。
(3)低温缓冲层的形成
将成膜时的衬底温度设定为600℃，形成低温缓冲层直至膜厚达到7nm。
(4)GaN晶体的形成
将生长时的衬底温度设定为1045℃，以30μm/s的成膜速率形成GaN晶体，直至其厚度达到200μm。
(5)冷却
将一面形成有GaN晶体的蓝宝石单晶衬底冷却至室温附近后，从GaN晶体获得GaN衬底。所获得的GaN衬底为带定向平面的圆形形状，直径为2英寸(50mm)，厚度为200μm。
(评价结果)
-位错密度及其分布以及有无裂纹产生的评价-
图10中示出所获得的GaN衬底的外观照片。如图10所示，在使用内部形成有非晶质部分的蓝宝石单晶衬底生长形成的GaN衬底的情况下，即使厚度为200μm，也未看到有裂纹产生。由此可知也获得了高成品率的效果。
进而，利用CL图像对GaN衬底表面的八处位置(GaN衬底中心附近的两处、靠近GaN衬底周边的三处、位于衬底中心与衬底周边之间的三处)测定了图10的GaN衬底表面的每1cm2的位错密度及其分布后，得出结果为：0.99×107、0.99×107、1.0×107、1.1×107、1.2×107、1.2×107、1.3×107及1.5×107。因此，确认实现了在保持着生长的厚度和位错密度实质上均匀分布的状态下使位错密度降低。
比较例
接下来，对比较例进行说明。在比较例中，蓝宝石单晶衬底中未形成非晶质部分，在这样的蓝宝石单晶衬底的生长面上形成一层结构的GaN晶体。另外，除了未形成非晶质部分、进而将生长形成的GaN晶体的厚度变更为10μm～20μm以外，其他实施条件设定成与实施例相同。
(评价结果)
图11中示出比较例所得的GaN晶体的照片。如图11所示，在未形成非晶质部分的蓝宝石单晶衬底上生长GaN晶体时，在10μm～20μm的厚度下，GaN晶体由于冷却时发生的形变而粉碎。

Claims (4)

1.一种GaN衬底，其由GaN晶体构成，所述GaN衬底的特征在于，
所述GaN衬底的整个表面上的位错密度的分布呈实质上均匀。
2.一种GaN衬底的制造方法，其特征在于，
对单晶衬底的内部照射激光而在所述单晶衬底的内部形成非晶质部分，接着，在所述单晶衬底的一面上形成GaN晶体，从而制造GaN衬底。
3.如权利要求2所述的GaN衬底的制造方法，其特征在于，
由相对于所述单晶衬底的平面方向呈直线状的多个图形形成所述非晶质部分，
各所述图形间的间距为0.5mm，
所述非晶质部分的总体积相对于所述单晶衬底的体积所占的体积比为0.10％或0.20％。
4.如权利要求2所述的GaN衬底的制造方法，其特征在于，
由相对于所述单晶衬底的平面方向呈直线状的多个图形形成所述非晶质部分，
各所述图形间的间距为1.0mm，
所述非晶质部分的总体积相对于所述单晶衬底的体积所占的体积比为0.05％或0.10％。
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