CN107230737A - Iii族氮化物基板以及iii族氮化物结晶的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的课题在于,提供制造高品质的III族氮化物结晶的方法。解决方法为一种III族氮化物基板,其具备具有正面和背面的III族氮化物的基材部,上述正面与所述背面的Mg浓度不同。通过以该III族氮化物基板为解决手段,能够解决上述课题。上述课题即在于提供制造高品质的III族氮化物结晶的方法。为了解决该课题,提供一种III族氮化物基板,其具备具有正面和背面的III族氮化物的基材部,上述正面与所述背面的Mg浓度不同。
Description
技术领域
本发明涉及III族氮化物基板、以及III族氮化物结晶的制造方法。
背景技术
近年来,GaN等III族氮化物的结晶作为发光二极管等的材料受到关注。作为这样的III族氮化物的结晶的制造方法之一,已知在Na等熔剂中,使III族元素与氮反应,在基板上进行结晶生长的熔剂法。作为此时的基板,通常为蓝宝石基板等。另外,作为其它制造方法,还已知:使III族元素的卤化物气体与氨反应,在基板上进行结晶生长的HVPE法(氢化物气相生长法);使III族元素的氧化物气体与氨反应的OVPE法(氧化物气相生长法)等气相生长法。在HVPE法、OVPE法中,作为基板也通常为蓝宝石基板等。但是,蓝宝石基板相对于GaN的晶格不匹配率为13.8%,若使III族氮化物结晶在该蓝宝石基板上生长,则存在容易产生结晶缺陷等课题。
另一方面,作为用于制作III族氮化物的基板,提出了ScAlMgO4(例如,参照专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开2015-178448号公报
发明内容
发明要解决的问题
然而,ScAlMgO4基板的晶格常数虽然与蓝宝石相比不匹配率小,但是不完全与III族氮化物的晶格常数一致。因此,存在如下问题:在包含以ScAlMgO4基板为代表的、通式RAMgO4(通式中,R表示选自Sc、In、Y、和镧系元素系元素中的一个或多个三价元素,A表示选自Fe(III)、Ga、和Al中的一个或多个三价元素)所表示的单晶体的基板上生长的III族氮化物结晶中产生翘曲、裂纹、结晶缺陷。
因此,本发明的目的在于提供高品质的III族氮化物结晶。
用于解决问题的手段
为了达成上述目的,本发明提供一种III族氮化物基板,其具备具有正面和背面的III族氮化物的基材部,所述基材部的正面与所述基材部的背面的Mg浓度不同。另外,提供一种III族氮化物结晶的制造方法,其包括:准备包含通式RAMgO4所表示的单晶体(通式中,R表示选自Sc、In、Y、和镧系元素系元素中的一个或多个三价元素,A表示选自Fe(III)、Ga、和Al中的一个或多个三价元素)的RAMgO4基板的工序;使含有Mg的III族氮化物结晶在所述RAMgO4基板上生长的工序。
发明效果
根据本发明,能够减小III族氮化物基板、与向制造III族氮化物基板时的基底基板或III族氮化物基板上形成的发光层等III族氮化物层的晶格常数的不匹配。也就是说,能够制造高品质的III族氮化物基板以及使用其的高性能的发光二极管等电子器件。
附图说明
图1为本发明的实施方式的III族氮化物基板的一例的示意性截面图。
图2为本发明的实施方式的III族氮化物基板的另一例的示意性截面图。
图3为本发明的实施方式中使用的含RAMgO4基板的一例的示意性截面图。
图4为本发明的实施方式中使用的结晶制作装置的示意性截面图。
图5为本发明的实施方式中使用的结晶制作装置的示意性截面图。
具体实施方式
图1中,示出本发明的III族氮化物基板10的一例的示意性截面图。如图1所示,III族氮化物基板10的特征在于具备具有正面2和背面3的包含III族氮化物的基材部1,该基材部1的正面2与背面3的Mg浓度不同。像这样,由于正面2与背面3的Mg浓度不同,而正面2附近与背面3附近的晶格常数不同。因此,能够将III族氮化物基板10、与设置于III族氮化物基板10的正面2侧或背面3侧的基板、结晶层的晶格常数的不匹配控制得较小。
关于III族氮化物的晶格常数,有报道称若添加杂质,则晶格常数根据其浓度而发生变化。具体来说,若向GaN添加Si、Be则晶格常数变小,若添加Mg、O则晶格常数变大。但是,在III族氮化物基板上制作发光二极管等器件时,需要在III族氮化物结晶上形成包含III族氮化物的发光层等,若使III族氮化物结晶的晶格常数大幅变化,则存在发光层等的结晶品质劣化的问题。因此,如果像本实施方式那样,向基材部11(III族氮化物结晶)添加Mg,则能够适当改善它们的晶格不匹配,能够实现高品质的GaN等III族氮化物结晶的形成。
另外,基材部1的正面2是用于在其上使III族氮化物结晶(例如,发光二极管的发光层等)生长的面,可以使正面2的Mg浓度小于背面3的Mg浓度。像这样,通过降低正面2的Mg浓度,从而基材部1的正面2的晶格常数、与在正面2上生长的III族氮化物结晶的晶格常数变得接近,可以得到高品质的III族氮化物结晶。进一步,本实施方式的基材部1可以将正面2设为+C面(例如,基材部1为GaN时,正面2为Ga极性面),将背面3设为一C面(例如,基材部1为GaN时,背面3为N极性面)。通过将正面2设为+C面,在正面2上生长出更高品质的III族氮化物结晶。
另外,图2中,示出本发明的III族氮化物基板的另一例的示意性截面图。如图2所示,在包含III族氮化物的基材部1的背面3侧,可以设有包含通式RAMgO4所表示的单晶体(通式中,R表示选自Sc、In、Y、和镧系元素系元素中的一个或多个三价元素,A表示选自Fe(III)、Ga、和Al中的一个或多个三价元素)的RAMgO4基板4。RAMgO4与III族氮化物的晶格常数相近,因此与设置蓝宝石基板等作为种基板时相比,III族氮化物基板10’的翘曲和裂纹减少。另外,通过设置RAMgO4基板4,与单独使用包含III族氮化物的基材部1时相比机械强度增强,在传送时或向正面2上的III族氮化物结晶的生长时,能够抑制基材部1的破裂、裂纹这样的不良情况发生。
进一步,在基材部1与RAMgO4基板4之间,可以含有包含多晶或非晶的缓冲层5。若在基材部1与RAMgO4基板4之间含有包含多晶或非晶的缓冲层5,则能够抑制因基材部1的背面3与RAMgO4基板4的晶格常数的差异引起的在基材部1产生结晶缺陷等结晶品质劣化。另外,在基材部1与缓冲层5之间,可以进一步含有包含单晶的III族氮化物膜6。通过在它们之间含有包含单晶的III族氮化物膜6,能够抑制因作为多晶的缓冲层5引起的基材部1多晶化、或结晶品质劣化。需要说明的是,本发明的III族氮化物基板可以通过以下III族氮化物结晶的制造方法来制造,可以将利用后述的方法得到的III族氮化物结晶作为上述的III族氮化物基板10或10’的基材部1。
以下,对本发明的III族氮化物结晶的制造方法进行说明。图4和图5中,作为用于制造本发明的III族氮化物结晶的制造的装置的一例,示出用于进行熔剂法的反应装置(结晶制作装置)100的一例的示意性截面图。如图5所示,本发明的III族氮化物结晶的制造方法中,在使图3所示的含RAMgO4基板11浸渍于包含III族元素和熔剂的混合液12中的状态下,向反应室103内导入氮气。然后,在混合液12中使III族元素和氮反应,由此使III族氮化物的结晶在含RAMgO4基板11表面生长。该结晶生长时,Mg从含RAMgO4基板11向III族氮化物结晶扩散,因此可以得到所期望的含有Mg的III族氮化物结晶。
在此,在本发明的制造方法中,进行:准备RAMgO4基板,并在其上形成缓冲层的工序;在缓冲层上形成III族氮化物膜的工序(含RAMgO4基板形成工序);和在该含RAMgO4基板的III族氮化物膜上通过熔剂法或HVPE法等气相生长法形成III族氮化物结晶的工序(结晶形成工序)。以下,对于本发明的实施方式的III族氮化物结晶的制造方法,以RAMgO4基板为包含ScAlMgO4的单晶的基板(以下,也称“ScAlMgO4基板”)、且制作GaN结晶作为III族氮化物结晶的实施方式为例进行说明。
(含RAMO4基板形成工序)
作为结晶制作用基板,首先准备ScAlMgO4基板4。接着,在ScAlMgO4基板4上以第1温度形成缓冲层5。进一步,在缓冲层5上以高于第1温度的第2温度形成III族氮化物膜6,由此形成图3所示的含ScAlMgO4基板11。以下,对包含含ScAlMgO4基板11的各层进行说明。
首先,ScAlMgO4基板4为包含ScAlMgO4的单晶的基板,其厚度优选为100~1000μm左右,更优选为300~600μm。若ScAlMgO4基板4的厚度为该范围,则含ScAlMgO4基板11的强度容易充分提高,在GaN结晶的制作时难以发生破裂等。另外,ScAlMgO4基板4的形状没有特别限制,但考虑到工业上的实用性,优选直径50~150mm左右的晶片状。
在此,ScAlMgO4基板4的形成缓冲层5的面(以下,也称“外延生长面”)优选在表面没有高度500nm以上的凹凸。若外延生长面具有高度500nm以上的凹凸,则使GaN在含ScAlMgO4基板11上外延生长时有时产生问题。
另外,在ScAlMgO4基板4的与外延生长面相反侧的面(以下,也称“背面”)上,优选无不均地形成高度500nm以上的均匀高度的凹凸。若在ScAlMgO4基板4的背面侧没有形成高度500nm以上的均匀高度的凹凸,则在为了形成GaN结晶、在其上形成的半导体层或金属层等的图案而进行曝光处理时,光从背面侧的平坦的区域反射,有时对曝光产生不良影响。需要说明的是,“无不均地形成大致均匀的凹凸”是指,按照连续地凹凸的高度为500nm以下的区域的面积成为1mm2以下的方式,形成有大致均匀的凹凸。若局部地形成凹凸,则曝光处理时光从没有凹凸的部位反射,有时对曝光产生不良影响。需要说明的是,上述凹凸高度是利用激光反射式测长机测定的值。
这样的ScAlMgO4基板可以按照以下方式制作。首先,作为起始原料,将纯度为4N(99.99%)以上的Sc2O3、Al2O3和MgO按照规定的摩尔比配合。然后,向铱制的坩埚中投入该起始原料。接着,将投入了原料的坩埚投入高频感应加热型或电阻加热型切克劳斯基(Czochralski)炉(培育炉)中,使该炉内成为真空。其后,导入氮或Ar,在炉内成为大气压的时刻开始坩埚的加热。然后,用10小时左右缓缓加热直到到达ScAlMgO4的熔点为止使材料熔融。接着,将沿(0001)方位切出的ScAlMgO4单晶用作晶种,使该晶种降下至接近坩埚内的熔液。然后,使晶种一边以一定的旋转速度旋转一边缓缓降下,使晶种的前端接触熔液并缓缓降低温度,同时以提拉速度0.5mm/h的速度使晶种上升沿(0001)轴方向提拉,进行结晶生长。由此,可以得到ScAlMgO4的单晶铸锭。
在此,对ScAlMgO4单晶进行说明。ScAlMgO4单晶呈岩盐型结构(111)面的ScO2层、与六方晶(0001)面的AlMgO2层交替地层叠的结构。六方晶(0001)面的2层与纤锌矿型结构相比是平面的,与面内的键相比,上下层间的键达到0.03nm之长,键合力弱。因此,ScAlMgO4单晶可以以(0001)面劈开。利用该特性,通过劈开将块体材料分割,由此可以得到所期望的厚度的ScAlMgO4基板。另外,ScAlMgO4的(0001)面(a轴)的晶格常数约为0.325nm,与GaN的a轴晶格常数的0.319nm非常接近,它们的晶格不匹配率约为1.9%。
需要说明的是,ScAlMgO4单晶虽然容易劈开,但是若劈开时的劈开方向的剥离力有偏差,则不发生在同一原子层的劈开。因此,难以得到平坦的外延生长面。因此,在制作ScAlMgO4基板时,优选根据需要对外延生长面侧的劈开面进行研磨,按照没有高度500nm以上的凹凸的方式进行加工。作为加工方法的一例,可以为:在ScAlMgO4基板的作为外延生长面的区域形成高度500nm以上的凹凸后,对该高度500nm以上的凹凸进行研磨,除去高度500nm以上的凹凸的方法。
更具体来说,使用附着有#300以上且#2000以下的金刚石磨粒的磨石,在下面的加工条件下对ScAlMgO4板状体的作为外延生长面的面进行磨削。由此可以形成500nm以上的凹凸。磨石转速设为500min-1以上且50000min-1以下,ScAlMgO4板状体转速设为10min-1以上且300min-1以下,加工速度设为0.01μm/秒以上且1μm/秒以下,加工除去量设为1μm以上且300μm以下。接着,使用以胶态二氧化硅为主成分的浆料和包含无纺布的研磨垫,在以下的加工条件下进行研磨。由此,能够除去高度500nm以上的凹凸。研磨垫的转速设为10min-1以上且1000min-1以下,浆料供给量设为0.02ml/分钟以上且2ml/分钟以下,加压力设为1000Pa以上且20000Pa以下。进一步,将加压力按照10000Pa以上且20000Pa以下、5000Pa以上且小于10000Pa、1000Pa以上且5000Pa以下的顺序随着加工进行而减弱,由此能够更正确地形成没有高度500nm以上的凹凸、特别是高度50nm以上的凹凸的外延生长面。需要说明的是,上述加工条件中,浆料供给量取决于ScAlMgO4板状体的尺寸。上述记载的浆料供给量为进行10mm见方尺寸的研磨时的值,例如在直径50mm的情况下,浆料供给量设为1ml/分钟以上且100ml/分钟以下。
另一方面,作为在背面侧无不均地形成高度500nm以上的大致均匀高度的凹凸的方法,可以举出使用金刚石固定磨粒进行磨削加工的方法。作为固定磨粒的磨粒,优选为#300以上且#2000以下的金刚石磨粒,更优选为#600的金刚石磨粒。更具体来说,使用固定有#300以上且#2000以下的金刚石磨粒的磨石,在磨石转速500min-1以上且50000min-1以下、ScAlMgO4板状体转速10min-1以上且300min-1以下、加工速度0.01μm/秒以上且1μm/秒以下、加工除去量1μm以上且300μm以下的条件下进行加工,由此能够形成上述凹凸。另外,此时,若使用#600的金刚石磨粒,则能够进一步减小多个凹凸的高度之差。此时的加工条件优选设为:磨石转速1800min-1、ScAlMgO4板状体转速100min-1、加工速度0.3μm/秒、加工除去量20μm。
另外,缓冲层5是为了在ScAlMgO4基板4上形成高品质的III族氮化物膜6,而用于缓冲ScAlMgO4与III族氮化物的晶格常数差的层。缓冲层5优选与ScAlMgO4和该III族氮化物的晶格常数相近的材料,可以为包含GaN等III族氮化物的层。另外,缓冲层优选为在400℃以上且700℃以下的较低温下生长的非晶或多晶状的层。若使用这样的缓冲层,则在缓冲层上形成的III族氮化物膜6中难以产生晶格缺陷等。
缓冲层5的厚度优选为10nm以上且50nm以下,更优选为20nm以上且40nm以下。若缓冲层的厚度为10nm以上,则可以发挥晶格常数差的缓冲效果,得到的GaN的结晶中难以产生晶格缺陷等。另一方面,若缓冲层的厚度过厚,则失去晶格的信息而不能进行良好的外延生长。
缓冲层5可以利用气相生长法形成,例如可以为利用MOCVD法形成的层。
另外,III族氮化物膜6是在制作GaN的结晶时成为GaN结晶生长的晶种的层。若含ScAlMgO4基板11具有III族氮化物膜6,则能够使GaN的结晶均匀地生长,容易得到高品质的GaN。III族氮化物膜6可以为包含GaN的层。
III族氮化物膜6的厚度优选为0.5~20μm,更优选为1μm以上且5μm以下。若III族氮化物膜6的厚度为0.5μm以上,则在非晶或多晶状的缓冲层5上形成的III族氮化物膜6成为良好的单晶,得到的GaN的结晶中难以产生晶格缺陷等。III族氮化物膜6可以利用气相生长法形成,例如可以利用MOCVD法形成。III族氮化物膜6形成时的温度优选设为高于缓冲层5形成时的温度的1000℃以上且1300℃以下,更优选设为1100℃以上且1200℃以下。若在这样的温度下形成,则能够形成结晶品质良好的III族氮化物膜6。
需要说明的是,在制作GaN结晶之前,可以对上述含ScAlMgO4基板11的使GaN结晶生长的面、即本实施方式中的III族氮化物膜6表面进行清洁处理。通过清洁处理,从而除去表面的杂质等,由此可以得到更高品质的GaN结晶。清洁用的气体的例子中,包含氢(H2)气、氮(N2)气、氨(NH3)气、稀有气体(He、Ne、Ar、Kr、Xe、或Rn)、或它们的混合气体。另外,清洁处理可以在900℃以上且1100℃以下的温度下为1分钟以上,优选为2分钟以上且10分钟以下,通过与前述气体接触来进行。
(GaN结晶形成工序)
接下来,在前述的含RAMgO4基板的III族氮化物膜6上,通过熔剂法形成GaN结晶。GaN的结晶例如可以使用图4和图5所示的装置按照以下方式形成。
如图4所示,反应装置100具有由不锈钢、绝热材等形成的反应室103,在反应室103内,设置有坩埚102。该坩埚可以是由氮化硼(BN)、氧化铝(Al2O3)等形成的坩埚。另外,在反应室103的周围配置有加热器110,加热器110按照能够调整反应室103内部、特别是坩埚102内部的温度的方式设计。
另外,在反应装置100内,还设置有用于可升降地保持含ScAlMgO4基板11的基板保持机构114。另外,反应室103上,连接有用于供给氮气的氮气供给线路113,氮气供给线路113与原料气罐(未图示)等连接。
在制作GaN结晶时,首先,向反应装置100的反应室103内的坩埚102中加入成为熔剂的Na和作为III族元素的Ga。此时,可以根据需要添加微量添加物。需要说明的是,若在空气中进行这些作业,则Na有氧化的可能性。因此,该作业优选在填充了Ar、氮气等不活泼气体的状态下进行。接着,将反应室103内密闭,将坩埚的温度调整到高于上述缓冲层形成时的温度的温度,具体来说调整到800℃以上且1000℃以下,更优选调整到850℃以上且950℃以下,进一步向反应室103内送入氮气。此时,将反应室103内的气压设为1×106Pa以上且1×107pa以下,更优选设为3×106Pa以上且5×106Pa以下。通过提高反应室103内的气压,从而氮容易充分溶解到在高温下熔融的Na中,通过设为上述的温度和压力从而GaN结晶能够高速地生长。其后,进行保持或搅拌混合等,直到Na、Ga、和微量添加物均匀混合为止。保持或搅拌混合优选进行1~50小时行,更优选进行10~25小时。若进行这样的时间的保持或搅拌混合,则Na、Ga、和微量添加物能够均匀地混合。另外,此时,含ScAlMgO4基板11若与低于规定温度的、或未均匀混合的Na、Ga的混合液12接触,则发生III族氮化物膜6的蚀刻、品质差的GaN结晶的析出等,因此优选凭借基板保持机构114将含ScAlMgO4基板11保持在反应室103的上部。
其后,如图5所示,使含ScAlMgO4基板11浸渍于混合液12。另外,可以进行混合液12的搅拌等。混合液12的搅拌可以通过摇动、旋转等使坩埚102物理地运动,也可以使用搅拌棒、搅拌桨等来搅拌混合液12。另外,还可以使混合液12中产生热梯度,通过热对流来搅拌混合液12。通过搅拌,能够将混合液12中的Ga和N的浓度保持在均匀的状态,稳定地使结晶生长。然后,GaN的结晶在含ScAlMgO4基板11的III族氮化物膜6上外延生长。通过在该状态下进行一定时间结晶生长,可以得到具有100μm~5mm左右的厚度的GaN结晶。
在此,GaN结晶生长时的温度为800℃以上的高温,因此作为构成ScAlMgO4基板4的元素的镁(Mg)通过缓冲层5、III族氮化物膜6,向生长的GaN结晶中扩散。例如,在880℃的生长温度下形成具有1mm的厚度的GaN结晶的情况下,测定GaN结晶中的Mg的浓度的结果如表1所示。
【表1】
如表1记载,若使用本实施方式的制造方法,则可以得到正面侧和背面侧(ScAlMgO4基板侧)的Mg浓度不同的GaN结晶。需要说明的是,如前所述,若添加Mg则GaN结晶的晶格常数变大。如表1记载,在与含ScAlMgO4基板的分界处附近(背面侧)Mg浓度变高,认为GaN结晶的晶格常数变大。由此,与ScAlMgO4的晶格不匹配率变小,可以得到高品质的GaN结晶。另一方面,在GaN结晶的正面附近Mg浓度变低,认为Mg添加导致的GaN结晶的晶格常数的增大被抑制,接近GaN结晶本来的晶格常数。由此,在GaN结晶上,形成制作发光二极管等电子器件时所需的GaN等III族氮化物层时,GaN结晶与III族氮化物层的晶格不匹配变小,可以得到高品质的单晶层(III族氮化物层)。
在此,利用本实施方式的制造方法得到的III族氮化物结晶(上述的基材部)中的Mg浓度沿着III族氮化物结晶的厚度方向缓缓变化为宜。这是由于,一面修正与包含作为不同种类材料的ScAlMgO4等的种基板(含RAMO4基板)的晶格不匹配,一面能够维持与在该III族氮化物结晶上形成的、包含相同材料(例如GaN等)的III族氮化物层或器件的晶格匹配。另外,此时,按照III族氮化物结晶的正面侧(与含RAMO4基板相反的一侧)的Mg浓度低于背面侧(含RAMO4基板侧)的Mg浓度的方式,III族氮化物结晶(基材部)中的Mg浓度缓缓变化为宜。像这样,若Mg浓度变化,则III族氮化物结晶(基材部)中的晶格常数按照随着向III族氮化物结晶表面侧推移,而接近III族氮化物层的晶格常数的方式变化。因此,如上所述容易维持与III族氮化物层的晶格匹配,能够实现更高品质的III族氮化物基板。并且,如表1记载,若使用本实施方式的制造方法,则如上所述,可以得到按照正面2的Mg浓度低于背面3的Mg浓度的方式,Mg浓度缓缓变化的基材部1(GaN结晶)。
需要说明的是,III族氮化物结晶(基材部1)中的Mg浓度具体来说在与含RAMO4基板相反侧的面(正面2)上,优选为5×1017[原子/cm3]以下,更优选为1×1017~2×1017[原子/cm3]。另外,在含RAMO4基板侧的面(背面3)上,优选为超过5×1017[原子/cm3],更优选为8×1017~1×1018[原子/cm3]。另外,III族氮化物结晶(基材部1)的厚度方向的中央的Mg浓度优选为4×1017~5×1017[原子/cm3]。在此,III族氮化物结晶的Mg浓度为通过二次离子质量法(SIMS)测定的值。在此,III族氮化物结晶的厚度方向上的Mg浓度是通过如下方式得到的:沿着与III族氮化物结晶的正面2和背面3正交的方向切断而形成厚度方向的截面,利用二次离子质量法测定该截面的厚度方向的中央部。另外,III族氮化物结晶的正面和背面的Mg浓度可以通过调整缓冲层5或III族氮化物膜6的膜厚、III族氮化物结晶的生长时的温度、时间,而调整到上述范围内。具体来说,通过减薄缓冲层5或III族氮化物膜6的膜厚能够增加Mg浓度,随之能够扩大正反面的浓度差。另一方面,通过加厚缓冲层5或III族氮化物膜6的膜厚能够减少Mg浓度,随之能够缩小正反面的浓度差。另外,通过提高III族氮化物结晶的生长时的温度或增长生长时间,能够增加Mg浓度,通过降低III族氮化物结晶的生长时的温度或缩短生长时间,能够减少Mg浓度。
需要说明的是,在上述的实施方式中的GaN结晶形成时,若与Na、Ga一起添加微量添加物,则能够调整所得到的GaN结晶的导电性、带隙。另外,通过添加物,能够促进GaN结晶的生长,或抑制结晶向坩埚等析出。在微量添加物的例子中,包括硼(B)、铊(T1)、钙(Ca)、含钙(Ca)的化合物、硅(Si)、硫(S)、硒(Se)、碲(Te)、碳(C)、氧(O)、铝(Al)、铟(In)、氧化铝(Al2O3)、氮化铟(InN)、氮化硅(Si3N4)、氧化硅(SiO2)、氧化铟(In2O3)、锌(Zn)、镁(Mg)、氧化锌(ZnO)、氧化镁(MgO)、和锗(Ge)等。这些微量添加物可以仅添加1种,也可以添加2种以上。
另外,对于使用Na作为熔剂的方式进行了说明,但本发明不限于此,可以使用Na以外的碱金属。具体来说,包含选自Na、Li、K、Rb、Cs和Fr中的至少1种,例如,可以为Na与Li的混合熔剂等。
(其它实施方式)
需要说明的是,上文中,对于在III族氮化物结晶(GaN结晶)的生长中利用Na熔剂法的方式进行了说明,但本发明不限于此,也可以利用HVPE法、OVPE法等气相生长法。利用气相生长法的情况下,可以将NH3等包含氮元素的气体和GaCl、Ga2O等包含III族化合物的气体用作原料气,以高于缓冲层5的形成时的温度的1000℃以上且1400℃以下使III族氮化物结晶生长。利用气相生长法的情况下,也与熔剂法的情况同样在高温下进行结晶生长,因此通过Mg从含RAMgO4基板的扩散,从而向GaN结晶中添加Mg。另外,此时,在得到的GaN结晶中,在靠近含RAMgO4基板的一侧、即背面侧,Mg浓度变高,在远离含RAMgO4基板的一侧、即正面侧,Mg浓度与背面侧相比变低。
另外,上文中,对于在含RAMgO4基板中包含ScAlMgO4基板的方式进行了说明,但本发明不限于此。包含含RAMgO4基板的基板为由通式RAMgO4所表示的大致单一结晶材料构成的基板即可。在此,通式中,R表示选自Sc、In、Y、和镧系元素系元素(原子序号67-71)中的一个或多个三价元素,A表示选自Fe(III)、Ga、和Al中的一个或多个三价元素。需要说明的是,大致单一结晶材料是指,RAMgO4所表示的结构包含90at%以上,且关注于任意的结晶轴时,在外延生长面的任何部分其方向都相同那样的结晶质固体。但是,结晶轴的方向局部地改变的结晶、包含局部的晶格缺陷的结晶也当做单晶。需要说明的是,Mg为镁,O为氧。另外,如上所述,特别优选R为Sc、A为Al。
进而在上文中,对于制作GaN的结晶作为III族氮化物的方式进行了说明,但本发明不限于此。本发明的III族氮化物可以为包含III族元素(Al、Ga、或In)和氮的2元、3元、或4元的化合物,例如可以为通式Al1-x-yGayInxN(式中,x和y满足0≤x≤1,0≤y≤1,0≤1-x-y≤1)所表示的化合物。另外,III族氮化物可以包含p型或n型的杂质。需要说明的是,对于缓冲层5、III族氮化物膜6,记载了GaN作为材料,但也可以为上述所示的化合物。
例如,可以为将III族元素(Al、Ga、或In)中的至少一部分用硼(B)、铊(Tl)等置换后的物质,将氮(N)的至少一部分用磷(P)、砷(As)、锑(Sb)、铋(Bi)等置换后的物质。另外,作为III族氮化物中添加的p型杂质(受体),例如,可以添加镁(Mg)、或钙(Ca)等公知的p型杂质。另一方面,作为n型杂质(供体),例如,可以为硅(Si)、硫(S)、硒(Se)、碲(Te)、氧(O)、或锗(Ge)等公知的n型杂质。另外,这些杂质(受体或供体)可以同时添加2种元素以上。这样的III族氮化物的结晶可以利用与上述同样的方法制作。需要说明的是,上述的各种形态可以适当组合,通过组合,能够起到各个效果。
产业上的可利用性
通过利用本发明涉及的制造方法,能够得到高品质的III族氮化物结晶,例如能够得到发光不均、亮度降低少的LED元件等。
符号说明
1 基材部(III族氮化物)
2 正面
3 背面
4 RAMgO4基板(ScAlMgO4基板)
5 缓冲层
6 III族氮化物膜
10 III族氮化物基板
11 含RAMgO4基板(含ScAlMgO4基板)
12 混合液
102 坩埚
103 反应室
110 加热器
113 氮气供给线路
114 基板保持机构
Claims (14)
1.一种III族氮化物基板,其具备具有正面和背面的III族氮化物的基材部,所述基材部的所述正面与所述背面的Mg浓度不同。
2.如权利要求1所述的III族氮化物基板,其中,
所述基材部的正面是用于在其上使III族氮化物结晶生长的面,
所述基材部的正面的Mg浓度低于所述背面的Mg浓度。
3.如权利要求2的III族氮化物基板,其中,
所述基材部的正面为+C面,所述基材部的背面为-C面。
4.如权利要求1所述的III族氮化物基板,其中,
所述基材部的正面的Mg浓度为5×1017原子/cm3以下,
所述基材部的背面的Mg浓度超过5×1017原子/cm3。
5.如权利要求4的III族氮化物基板,其中,
所述基材部的正面的Mg浓度为1×1017~2×1017原子/cm3,
所述基材部的背面的Mg浓度为8×1017~1×1018原子/cm3。
6.如权利要求1所述的III族氮化物基板,其中,
所述基材部的厚度方向的中央的Mg浓度为4×1017~5×1017原子/cm3。
7.如权利要求1所述的III族氮化物基板,其中,
所述基材部中的Mg浓度沿厚度方向缓缓变化。
8.如权利要求1所述的III族氮化物基板,其中,
在所述基材部的所述背面侧,设有包含通式RAMgO4所表示的单晶体的RAMgO4基板,通式中,R表示选自Sc、In、Y、和镧系元素系元素中的一个或多个三价元素,A表示选自Fe(III)、Ga、和Al中的一个或多个三价元素。
9.如权利要求8的III族氮化物基板,其中,
在所述基材部与所述RAMgO4基板之间,包含多晶或非晶状的缓冲层。
10.如权利要求9的III族氮化物基板,其中,
在所述基材部与所述缓冲层之间,含有包含单晶的III族氮化物膜。
11.一种III族氮化物结晶的制造方法,其包括:
准备包含通式RAMgO4所表示的单晶体的RAMgO4基板的工序,通式中,R表示选自Sc、In、Y、和镧系元素系元素中的一个或多个三价元素,A表示选自Fe(III)、Ga、和Al中的一个或多个三价元素;
使含有Mg的III族氮化物结晶在所述RAMgO4基板上生长的工序。
12.如权利要求11的III族氮化物结晶的制造方法,其还包括在所述RAMgO4基板上以第1温度形成缓冲层的工序,
使所述III族氮化物结晶生长的工序是在所述缓冲层上以高于所述第1温度的第2温度使III族氮化物生长的工序。
13.如权利要求11的III族氮化物结晶的制造方法,其中,
使所述III族氮化物结晶生长的工序是使用包含氮元素的熔融碱金属使III族氮化物结晶生长的工序。
14.如权利要求11的III族氮化物结晶的制造方法,其中,
使所述III族氮化物结晶生长的工序是使用包含氮元素的气体和包含III族化合物的气体进行生长的工序。
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