DE112014005131T5 - GaN-Vorlagensubstrat und Einrichtungssubstrat - Google Patents

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Mikiya Ichimura
Yoshitaka Kuraoka
Masahiko Namerikawa
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NGK Insulators Ltd
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Abstract

Es wird ein Einrichtungssubstrat, in dem keine geaderte morphologische Abnormalität auftritt, erzielt. Ein GaN-Vorlagensubstrat enthält: ein Basissubstrat; eine erste GaN-Schicht, die epitaktisch auf dem Basissubstrat gebildet ist, wobei die erste GaN-Schicht eine Kompressionsspannung die gleich oder größer als 260 MPa ist und die intrinsisch in einer Richtung in der Ebene ist, hat, oder eine Halbwertsbreite eines Peaks nahe einer Wellenzahl von 568 nm–1 in einem Raman-Spektrum, der E2-Phononen von GaN repräsentiert, kleiner oder gleich 1,8 cm–1 ist. Mit all diesen Anforderungen enthält ein Einrichtungssubstrat: eine zweite GaN-Schicht, die epitaktisch auf der ersten GaN-Schicht gebildet ist; und eine Einrichtungsschicht, die epitaktisch auf der zweiten GaN-Schicht gebildet ist und aus einem Gruppe-13-Nitrid gemacht ist.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein GaN-Vorlagensubstrat, in dem eine GaN-Schicht auf einem Basissubstrat gebildet ist.
  • Stand der Technik
  • Herkömmlich gab es ein Problem, dass eine adrige morphologische Abnormalität auf Oberflächen von Einrichtungssubstraten auftrat, wenn die Einrichtungssubstrate durch Schichten von Einrichtungsstrukturen, die aus Gruppe-13-Nitriden gemacht sind, auf Fluss-GaN-Vorlagen hergestellt wurden. 3 ist ein Nomarski-Differenzialinterferenzmikroskopbild einer Oberfläche eines Einrichtungssubstrats, auf dem die morphologische Abnormalität auftritt. In 3 ist die geaderte morphologische Abnormalität (Linienbruch) in einem Abschnitt identifiziert, der mit einem Pfeil gekennzeichnet ist. Weil unter Einrichtungschips (LED-Chips, HEMT-Chips, etc.), die durch Schneiden der Einrichtungssubstrate erhalten werden, Einrichtungschips, die in Abschnitten mit der morphologischen Abnormalität gebildet sind, in ihrer Charakteristik fehlerhaft werden können, sodass sie nicht die gewünschten Charakteristiken zeigen können, ist das Auftreten der morphologischen Abnormalität ein Faktor, der eine Produktivität der Einrichtungschips reduziert.
  • Der Faktor, der die geaderte morphologische Abnormalität verursacht, ist noch nicht notwendigerweise geklärt worden.
  • Auf der anderen Seite ist es allgemein bekannt, dass ein dickeres Schichten von GaN-Schichten auf einem Saphirsubstrat einen Bruch verursachen kann, und es wurde bereits gefunden, dass das Einführen einer Niedrigtemperaturzwischenschicht in einer geschichteten Struktur effektiv ist, um das Auftreten von solch einem Bruch zu verhindern (siehe z. B. Nicht-Patentdokument 1).
  • Jedoch gibt es in diesem Verfahren ein Problem, dass die resultierende geschichtete Struktur Kristalldefekte aufgrund der Verwendung einer niedrig qualitativen Zwischenschicht enthält und folglich die Kristalldefekte mit der Fabrikation von Einrichtungen hoher Qualität (LEDs, HEMTs) interferiert.
  • Referenzen
  • Patentdokumente
    • Nicht-Patentdokument 1: ”FRONTIER EPITAXIAL GROWTH”, DYNAMICS OF CRYSTAL GROWTH, Band IV, Nakajima, Kazuo, ed., Kyoritsu Shuppan Co., Ltd., Seiten 14–19.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Einrichtungssubstrat zu erzielen, in dem keine geaderte morphologische Abnormalität auftritt.
  • Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben durch die Wiederholung von verschiedenen Studien gefunden, dass die geaderte morphologische Abnormalität unterdrückt werden kann, wenn die GaN-Schichten eine hohe intrinsische kompressive Spannung oder eine hohe Kristallinität in MOCVD-GaN-Vorlagen (Impfsubstraten) haben. Hier sind die kompressive Spannung und die Kristallinität Werte, die durch Raman-Spektroskopie quantifiziert werden können.
  • Um die Probleme zu lösen enthält in einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ein GaN-Vorlagensubstrat: ein Basissubstrat; und eine erste GaN-Schicht, die epitaktisch auf dem Basissubstrat gebildet ist, wobei die erste GaN-Schicht eine kompressive Spannung, die größer oder gleich 260 MPa ist, hat, wobei die kompressive Spannung intrinsisch in einer Richtung in der Ebene („inplane direction”) ist.
  • In einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält ein GaN-Vorlagensubstrat: ein Basissubstrat; und eine erste GaN-Schicht, die epitaktisch auf dem Basissubstrat gebildet ist, wobei eine Halbwertsbreite eines Peaks nahe einer Wellenzahl von 568 nm–1 in einem Raman-Spektrum niedriger oder gleich 1,8 cm–1 ist, wobei der Peak E2-Phononen von GaN repräsentiert, und wobei das Raman-Spektrum durch Messen der ersten GaN-Schicht durch Raman-Spektroskopie erhalten wird.
  • In einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält ein GaN-Vorlagensubstrat: ein Basissubstrat; und eine erste GaN-Schicht, die epitaktisch auf dem Basissubstrat gebildet ist, wobei die erste GaN-Schicht eine kompressive Spannung, die größer oder gleich 260 MPa ist, aufweist, wobei die kompressive Spannung intrinsisch in einer Richtung in der Ebene („inplane direction”) ist, und eine Halbwertsbreite eines Peaks nahe einer Wellenzahl von 568 nm–1 in einem Raman-Spektrum niedriger oder gleich 1,8 cm–1 ist, wobei der Peak E2-Phononen von GaN repräsentiert, und das Raman-Spektrum durch Messen der ersten GaN-Schicht durch Raman-Spektroskopie erhalten wird.
  • In einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird in dem GaN-Vorlagensubstrat gemäß dem ersten oder dritten Aspekt ein Wert der kompressiven Spannung aus einem Raman-Spektrum erhalten, das durch Messen der ersten GaN-Schicht durch Raman-Spektroskopie erhalten wird.
  • In einem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält das GaN-Vorlagensubstrat gemäß einem der ersten bis vierten Aspekte ferner eine zweite GaN-Schicht, die epitaktisch auf der ersten GaN-Schicht gebildet ist.
  • In einem sechsten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die erste GaN-Schicht in dem GaN-Vorlagensubstrat gemäß dem fünften Aspekt durch ein MOCVD-Verfahren gebildet und die zweite GaN-Schicht wird durch Polieren einer Oberfläche einer GaN-Einkristallschicht, die durch ein Flussverfahren gebildet wird, gebildet.
  • In einem siebten Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält ein Einrichtungssubstrat: das GaN-Vorlagensubstrat nach einem der ersten bis vierten Aspekte; eine zweite GaN-Schicht, die epitaktisch auf der ersten GaN-Schicht gebildet ist; und eine Einrichtungsschicht, die epitaktisch auf der zweiten GaN-Schicht gebildet ist und aus einem Gruppe-13-Nitrid gemacht ist.
  • Gemäß den ersten bis siebten Aspekten der vorliegenden Erfindung wird die Herstellausbeute der Einrichtungschips (LED-Chips und HEMT-Chips) verbessert, weil das Auftreten der geaderten morphologischen Abnormalität auf der Oberfläche des Einrichtungssubstrats, das unter Verwendung des GaN-Vorlagensubstrats gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wird, unterdrückt wird.
  • Ferner wird gemäß dem siebten Aspekt der vorliegenden Erfindung die Herstellausbeute der Einrichtungschips (LED-Chips und HEMT-Chips) verbessert, weil das Auftreten der geaderten morphologischen Abnormalität auf der Oberfläche des Einrichtungssubstrats unterdrückt wird.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 illustriert schematisch eine Querschnittsstruktur eines Einrichtungssubstrats 10.
  • 2 illustriert exemplarisch eine Struktur einer Einrichtungsschicht 5, die mit einer LED-Struktur gebildet ist.
  • 3 ist ein Nomarski-Differenzialinterferenzmikroskopbild einer Oberfläche eines Einrichtungssubstrats, auf der die morphologische Abnormalität auftritt.
  • Beschreibung von Ausführungsbeispielen
  • Die Gruppennummern des Periodensystems in dieser Beschreibung sind von Gruppe 1 bis 18 in einer Nomenklatur der anorganischen Chemie, die 1989 durch die International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) revidiert wurde.
  • Gruppe 13 bezieht sich z. B. auf Aluminium (Al), Gallium (Ga) und Indium (In), und Gruppe 15 bezieht sich z. B. auf Stickstoff (N), Phosphor (P), Arsen (As) und Antimon (Sb).
  • 1 illustriert schematisch eine Querschnittsstruktur eines Einrichtungssubstrats 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Einrichtungssubstrat 10 enthält ein Basissubstrat 1, eine Pufferschicht 2, eine erste GaN-Schicht 3, eine zweite GaN-Schicht 4 und eine Einrichtungsschicht 5. Hier entspricht eine geschichtete Struktur aus dem Basissubstrat 1, der Pufferschicht 2 und der ersten GaN-Schicht 3 einer MOCVD-GaN-Vorlage 6, und eine geschichtete Struktur der MOCVD-GaN-Vorlage 6 und die zweite GaN-Schicht 4 entspricht einer Fluss-GaN-Vorlage 7.
  • Bevorzugt wird ein einkristallines C-Ebenen-Saphirsubstrat als das Basissubstrat 1 verwendet. Obwohl die Größe des Basissubstrats 1 nicht besonders beschränkt ist, hat das Basissubstrat 1 bevorzugt ungefähr einige Inches im Durchmesser und einige hundert Mikrometer bis mehrere Millimeter in einer Dicke um es leicht handhaben zu können.
  • Die Pufferschicht 2 ist eine Schicht, die bei einer Bildungstemperatur gebildet wird, die niedriger als die der Gruppe-13-Nitridkristallschichten ist, die auf der Pufferschicht 2 gebildet werden, sodass diese Gruppe-13-Nitridkristallschichten in einer höheren Kristallqualität gebildet werden können. Die Pufferschicht 2 kann z. B. aus GaN gemacht sein. Die Pufferschicht 2 wird bevorzugt auf dem Basissubstrat 1 mit einer Dicke von 20 nm bis 100 nm durch ein MOCVD-Verfahren gebildet.
  • Die erste GaN-Schicht 3 ist eine einkristalline GaN-Dünnschicht, die epitaktisch auf der Pufferschicht 2 durch das MOCVD-Verfahren gebildet wird. Die erste GaN-Schicht 3 ist bevorzug mit einer Dicke von 1 μm bis 5 μm gebildet.
  • Die erste GaN-Schicht 3 ist so gebildet, dass sie eine Kompressionsspannung, die größer oder gleich 260 MPa hat, die intrinsisch in der Richtung der Ebene ist. Alternativ wird die erste GaN-Schicht 3 auf solch eine Weise gebildet, dass eine Halbwertsbreite eines Peaks (Raman-Linie) nahe der Wellenzahl von 568 nm–1 in einem Raman-Spektrum, das durch Messen der ersten GaN-Schicht 3 durch Raman-Spektroskopie erhalten wird, niedriger oder gleich 1,8 cm–1 ist, wobei der Peak E2-Phononen von GaN repräsentiert. Die Halbwertsbreite des Peaks ist ein Wert, der ein Indikator ist, der die Qualität der Kristallinität der ersten GaN-Schicht 3 repräsentiert, und deswegen ist die Kristallinität der ersten GaN-Schicht 3 umso höher, je kleiner der Wert ist. Ferner kann die Kompressionsspannung, die intrinsisch in der Richtung der Ebene der ersten GaN-Schicht 3 ist, basierend auf dem Raman-Spektrum berechnet werden. Insbesondere kann die Kompressionsspannung aus der folgenden Gleichung berechnet werden, die eine Beziehung zwischen der Verschiebungsmenge des oben beschriebenen Peaks Δv (cm–1) und der intrinsischen Spannung σ (MPa) repräsentiert: σ = 130 × Δv (Gleichung 1)
  • Der Peak des Raman-Spektrums verschiebt sich zu den höheren Wellenzahlen (positive Seite), wenn ein zu messendes Objekt eine Kompressionsspannung hat, während sich der Peak zu den niedrigeren Wellenzahlen (negative Seite) verschiebt, wenn das Objekt eine Zugspannung hat. Hier wird ein Wert einer Referenzwellenzahl, die für einen Zustand ohne Stress indikativ ist (eine Peakposition der E2-Phononen des GaNs in dem Zustand) durch Messen eines GaN-Einkristalls ohne irgendeine Spannung (eines GaN-Einkristalls, der durch das Flussverfahren hergestellt wurde, und dessen Wachstum von einem spontan erzeugten Nucleus startet) als einem Versuchsobjekt durch Raman-Spektroskopie unter den gleichen Bedingungen, wie oben beschrieben, erhalten.
  • In dem Einrichtungssubstrat 10 gemäß dem Ausführungsbeispiel ist die geaderte morphologische Abnormalität auf der Oberfläche angemessen unterdrückt, indem die Anforderungen an zumindest einem aus der intrinsischen Spannung und der Halbwertsbreite erfüllt werden. Diese Anforderungen können durch Anpassen der Bildungsbedingungen der ersten GaN-Schicht 3, insbesondere einer Schichtbildungstemperatur (Substrattemperatur) und einem Verhältnis zwischen einem Partialdruck eines Wasserstoffgases und dem des NH3-Gases erfüllt werden.
  • Die zweite GaN-Schicht 4 ist eine einkristalline GaN-Dünnschicht, die epitaktisch auf der ersten GaN-Schicht 3 durch das Flussverfahren gebildet wird. Die zweite GaN-Schicht 4 ist bevorzugt mit einer Dicke von 5 μm bis 500 μm gebildet. Genauer ist die zweite GaN-Schicht 4 durch z. B. Polieren einer GaN-Schicht, die durch ein Na-Flussverfahren unter Verwendung einer Lösung eines Alkalimetalls Na gewachsen wurde, von ihrer Oberfläche gebildet wird, um die Oberfläche plan zu machen und angemessen ihre Dicke anzupassen. Beispiele des Polierens enthalten Polieren unter Verwendung von schleifenden Diamantkörnern.
  • Die Verfahren für das Kristallwachstum zum Bilden der GaN-Einkristallschichten als der zweiten GaN-Schicht 4 müssen nicht immer das Flussverfahren sein. Zum Beispiel kann stattdessen das HVPE-Verfahren oder das MOCVD-Verfahren verwendet werden.
  • Die Einrichtungsschicht 5 ist eine oder mehrere Schichten, die aus einem Gruppe-13-Nitrid gemacht sind, die epitaktisch auf der zweiten GaN-Schicht 4 gebildet sind. Die spezifische Struktur der Einrichtungsschicht 5 kann angemessen gemäß einer Struktur (einer LED-Struktur, einer HEMT-Struktur, etc.) einer herzustellenden Einrichtung definiert werden. Obwohl die Einrichtungsschicht 5 bevorzugt durch das MOCVD-Verfahren gebildet wird, kann sie durch die anderen Verfahren des Kristallwachstums gebildet werden.
  • 2 illustriert exemplarisch eine Struktur der Einrichtungsschicht 5, wenn z. B. eine LED-Struktur darin gebildet ist. Die Einrichtungsschicht 5 in 2 wird durch Schichten einer Halbleiterschicht 51 des n-Typs einer aktiven Schicht 52 und einer Halbleiterschicht 53 des p-Typs in dieser Reihenfolge gebildet.
  • Die Halbleiterschicht 51 des n-Typs ist eine Gruppe-13-Nitridschicht, die mit Si dotiert ist. Die Halbleiterschicht 51 des n-Typs ist bevorzugt mit einer Dicke von 100 nm bis 3000 nm gebildet. Die Halbleiterschicht 51 des n-Typs hat bevorzugt eine Konzentration von Si, die ungefähr von 1 × 1018/cm3 bis 1 × 1019/cm3 reicht.
  • Die aktive Schicht 52 ist eine Schicht, die ein lichtemittierendes Gebiet in einem LED-Element sein soll. Die aktive Schicht 52 ist eine mehrfach Quantenwallschicht, in der Schichten einer ersten Einheit (Wannenschichten) 52a und Schichten einer zweiten Einheit (Barrierenschichten) 52b mit zueinander unterschiedlichen Zusammensetzungen wiederholt abwechselnd geschichtet sind. Genauer ist jede der Schichten der ersten Einheit 52a aus InxGa1-xN (0,05 ≤ x ≤ 0,25) mit einer Dicke von 1 nm bis 5 nm gebildet, und jede der Schichten der zweiten Einheit 52b ist aus GaN mit einer Dicke von 2 nm bis 10 nm gebildet. Das Molverhältnis x von InxGa1-xN ist definiert gemäß der Wellenlänge des Lichts, das durch das LED-Element zu emittieren ist. Ferner ist die Anzahl der Zyklen zwischen den Schichten der ersten Einheit 52a und den Schichten der zweiten Einheit 52b bevorzugt 2 bis 20.
  • Die Halbleiterschicht 53 des p-Typs ist eine Gruppe-13-Nitridschicht, die mit Mg dotiert ist. Die Halbleiterschicht 53 des p-Typs ist bevorzugt aus GaN mit einer Dicke von 50 nm bis 200 nm gebildet. Die Halbleiterschicht 53 des p-Typs hat bevorzugt eine Konzentration von Mg, die ungefähr von 5 × 1018/cm3 bis 1 × 1020/cm3 reicht.
  • In dem MOCVD-Verfahren werden die Schichten unter Verwendung eines bekannten MOCVD-Ofens mit einem Reaktor, dem die metallorganischen (MO) Quellgase für Gruppe-13-Elemente einschließlich Ga, Al und In (Trimethylgallium (TMG), Trimethylaluminium (TMA), Trimethylindium (TMI) etc.), das NH3-Gas, das Wasserstoffgas und ein Stickstoffgas zugeführt werden können, durch Ablagern auf einem Substrat, auf dem die Schichten zu bilden sind und das in dem Reaktor angeordnet ist, gebildet, wobei ein Gruppe-13-Nitridkristall aus einer Gasphasenreaktion aus einem metallorganischen Quellgas und dem NH3-Gas erzeugt wird, während das Substrat auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmt ist.
  • Im Gegensatz dazu werden in dem Na-Flussverfahren die GaN-Schichten im Wesentlichen gebildet durch: Eintauchen eines Substrats, auf dem die GaN-Schichten zu bilden sind, in eine Lösung, die metallisches Ga, metallisches Na und Stickstoff innerhalb eines Wachstumgefäßes (Aluminiumtiegel) enthält, das horizontal drehbar in einem Druckgefäß angeordnet ist; und Halten des Wachstumgefäßes, das horizontal gedreht wird, bei einer vorbestimmten Temperatur und einem vorbestimmten Druck beim Einführen eines Stickstoffgases.
  • [Beispiel]
  • Neun Typen von Einrichtungssubstraten 10 (Proben A bis I) wurden unter unterschiedlichen Bildungsbedingungen der ersten GaN-Schichten 3 hergestellt und ausgewertet. Die LED-Struktur, die in 2 beispielhaft gezeigt ist, wurde als die Einrichtungsschicht 5 darin gebildet.
  • Insbesondere wurde zunächst ein einkristallines c-Ebenen-Saphirsubstrat mit einem Durchmesser von 4 Inch und einer Dicke von 630 μm als das Basissubstrat vorbereitet. Das Basissubstrat 1 wurde in einem MOCVD-Ofen gegeben und auf eine Temperatur von 1150°C zehn Minuten lang in einer Wasserstoffatmosphäre erwärmt, um die Oberfläche davon zu reinigen.
  • Als nächstes wurde die Substrattemperatur auf 500°C reduziert und eine GaN-Schicht wurde mit einer Dicke von 30 nm als die Pufferschicht 2 durch das MOCVD-Verfahren unter Verwendung von TMG und NH3 als Materialien und Wasserstoff als ein Trägergas gewachsen.
  • Nach dem Bilden der Pufferschicht 2 wurde die erste GaN-Schicht 3 anschließend mit einer Dicke von 3 μm durch das MOCVD-Verfahren unter Verwendung von TMG und NH3 als Quellgase und Wasserstoff als Trägergas gewachsen. Hier war der Reaktordruck 100 kPa und ein Gasverhältnis von Gruppe 15 zu Gruppe 13 war 2000. Das Gasverhältnis von Gruppe 15 zu Gruppe 13 ist ein Verhältnis (molares Verhältnis) der Zuführmenge einer Gruppe 15 Quelle zu der Zuführmenge einer Gruppe 13 Quelle.
  • Unterdessen unterschieden sich die Proben in einer Substrattemperatur, bei der die erste GaN-Schichten 3 gebildet wurden, und in einem Verhältnis eines Partialdrucks eines Wasserstoffgases zu dem eines NH3-Gases (im Weiteren als ein „Paritalgasdruckverhältnis” bezeichnet) in dem MOCVD-Ofen. Insbesondere unterschieden sich die Substrattemperaturen bei drei verschiedenen Niveaus von 1050°C, 1100°C und 1150°C. Ferner repräsentiert das Gaspartialdruckverhältnis wie viel Mal der Partialdruck des Wasserstoffgases höher ist als der des NH3-Gases, und die Gaspartialdruckverhältnisse unterschieden sich bei drei verschiedene Niveaus von 3-fach, 4-fach und 5-fach. Entsprechend haben die Proben A bis I alle verschiedene Kombinationen der Substrattemperaturen und der Gaspartialdruckverhältnisse beim Bilden der ersten GaN-Schichten 3.
  • Die MOCVD-GaN-Vorlage 6 wurde durch Bilden der ersten GaN-Schicht 3 erhalten. Nachdem die MOCVD-GaN-Vorlage 6 aus dem MOCVD-Ofen genommen wurde, wurde jede der Proben durch Raman-Spektroskopie gemessen um die intrinsische Spannung und die Kristallinität der ersten GaN-Schicht 3 zu evaluieren. Die Zustände einer zu verwendenden Vorrichtung in der Evaluation waren wie folgt:
    Lichtquelle: Ar+-Laser (496,5 nm Wellenlänge);
    Messmodus: Mikroskopisches Raman (ungefähr 0,7 μm Strahldurchmesser); und
    Brechungsgitter: doppelt, 2400 gr/mm.
  • Insbesondere wurde das Raman-Spektrum von jedem der Proben insgesamt fünfmal gemessen, wobei die zu messende Position geändert wurde. Dann wurde die Raman-Linie nahe der Wellenzahl 568 cm–1, die die E2-Phononen von GaN repräsentiert, durch eine Lorentzfunktion für jede der resultierenden fünf Raman-Spektren gefittet, um eine Halbwertsbreite des Peaks zu erhalten. Ferner wurde der Wert der intrinsischen Spannung aus Gleichung 1 unter Verwendung des betroffenen Peaks als einem Gegenstand berechnet. Durchschnitte der Werte für die fünfmaligen Messungen wurden für sowohl die Halbwertsbreite als auch die intrinsische Spannung berechnet und die Durchschnitte wurden als Evaluationswerte bestimmt. Die Halbwertsbreite der Ar-Laserplasmalinien nahe der Wellennummer von 516 cm–1 in dem Raman-Spektrum, das durch die Messungen erhalten wurde, war 0,43 cm–1.
  • Ferner wurde die zweite GaN-Schicht 4 auf der ersten GaN-Schicht 3 durch das Na-Flussverfahren unter Verwendung von jedem der sich ergebenden MOCVD-GaN-Vorlagen 6 als einem Keimsubstrat gebildet.
  • Insbesondere wurde die MOCVD-GaN-Vorlage 6 in einem Aluminiumtiegel angeordnet und anschließend wurden 30 g metallisches Ga, 44 g metallisches Na und 30 mg Kohlenstoff in den Aluminiumtiegel gegeben. Der Aluminiumtiegel wurde in einen Heizoffen gegeben und ungefähr 20 Stunden bei einer Ofentemperatur von 850°C und einem Ofendruck von 4,5 MPa geheizt und dann auf Raumtemperatur abgekühlt. Nach dem Kühlen, nachdem der Aluminiumtiegel aus dem Heizofen genommen wurde, wurde gefunden, dass eine transparente GaN-Einkristallschicht mit einer Dicke von ungefähr 50 μm auf der Oberfläche der MOCVD-GaN-Vorlage 6 abgelagert war.
  • Die erzeugte GaN-Einkristallschicht wurde unter Verwendung von Diamantschleifkörnern poliert, um die Oberfläche zu planieren und eine Gesamtdicke der Nitridschichten, die auf dem Basissubstrat 1 gebildet sind, auf 15 μm anzupassen. Entsprechend wurde die Fluss-GaN-Vorlage 7, in der die zweite GaN-Schicht 4 gebildet war, auf der MOCVD-GaN-Vorlage 6 erhalten. Kein Bruch wurde durch Beobachten der Fluss-GaN-Vorlage 7 mit dem bloßen Auge gefunden.
  • Schließlich wurde die Einrichtungsschicht 5 mit der LED-Struktur, die in 2 illustriert ist, auf der sich ergebenen Fluss-GaN-Vorlage 7 durch das MOCVD-Verfahren gebildet. Die genauen Bildungsbedingungen für jede Schicht in der Einrichtungsschicht 5 waren wie folgt:
  • Die Halbleiterschicht 51 des n-Typs:
    • Bildungstemperatur → 1100°C;
    • Reaktordruck → 100 kPa;
    • Gasverhältnis von Gruppe 15 zu Gruppe 13 → 2000;
    • Molarverhältnis einer Si-Quelle zu einer Gruppe-13-Quelle → 1 × 10–4; und
    • Dicke → 1000 nm.
  • Die Schicht der ersten Einheit 52a:
    • Bildungstemperatur → 800°C;
    • Reaktordruck → 100 kPa;
    • Gasverhältnis von Gruppe 15 zu Gruppe 13 → 10000;
    • Molarverhältnis von TMI zu allen Gruppe-13-Quellen → 0,6; und
    • Dicke → 2 nm.
  • Die Schicht der zweiten Einheit 52b:
    • Bildungstemperatur → 800°C;
    • Reaktordruck → 100 kPa;
    • Gasverhältnis von Gruppe 15 zu Gruppe 13 → 20000; und
    • Dicke → 5 nm.
  • Die Anzahl der Zyklen der Schichten der ersten Einheit und der Schichten der zweiten Einheit: 10.
  • Die Halbleiterschicht 53 des p-Typs:
    • Bildungstemperatur → 1000°C;
    • Reaktordruck → 100 kPa;
    • Gasverhältnis von Gruppe 15 zu Gruppe 13 → 10000;
    • Molarverhältnis einer Mg-Quelle zu einer Gruppe-13-Quelle → 1 × 10–3; und
    • Dicke → 100 nm.
  • Neun Typen von Einrichtungssubstraten 10 wurden durch Bilden der Einrichtungsschichten 5 unter den obigen Bedingungen erhalten.
  • Schließlich wurde die Oberfläche von jedem der erhaltenen Einrichtungssubstrate 10 durch ein Normaski-Differenzialinterferenzmikroskop beobachtet, um das Vorhandensein oder Abwesendsein eines Auftretens einer geaderten morphologischen Abnormalität zu bestimmten.
  • Tabelle 1 zeigt eine Liste der Bildungsbedingungen der MOCVD-GaN-Vorlagen 6 (Bildungsbedingungen der ersten GaN-Schichten 3), der Evaluationsergebnisse basierend auf Raman-Spektroskopie, und des Vorhandenseins oder Abwesendseins eines Auftretens der geaderten morphologischen Abnormalität für die neun Typen von Einrichtungssubstraten 10, die die Proben A bis I sind. Ferner zeigt Tabelle 1, ob jede der Proben in das Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung oder ein Vergleichsbeispiel klassifiziert wird.
  • Insbesondere zeigt Tabelle 1 die Schichtbildungstemperaturen (Substrattemperaturen) und die Gaspartialdruckverhältnisse als die Bildungsbedingungen der MOCVD-GaN-Vorlagen 6. Ferner zeigt Tabelle 1 als die Auswertungsergebnisse der Raman-Spektroskopie die Größen der intrinsischen Spannungen in den ersten GaN-Schichten 3, die aus den Raman-Spektren gegeben sind, und die Halbwertsbreiten der Peaks der E2-Phononen von GaN nahe der Wellenzahl von 568 cm–1, die Indikatoren für die Kristallinität der ersten GaN-Schichten 3 sind. [Tabelle 1]
    Probenname Vorlagenbildungsbedingungen Evaluationsergebnisse
    Schichtbildungstemperatur (°C) Gaspartialdruckverhältnis Intrinsische Spannung Halbwertsbreite (cm–1) Geaderte morphologische Abnormalität Ausführungsbeispiel/Vergleichsbeispiel
    A 1150 5-fach 330 1,6 abwesend Ausführungsbeispiel
    B 1150 4-fach 300 1,7 abwesend Ausführungsbeispiel
    C 1150 3-fach 260 1,9 abwesend Ausführungsbeispiel
    D 1100 5-fach 270 1,7 abwesend Ausführungsbeispiel
    E 1100 4-fach 250 1,9 vorhanden Vergleichsbeispiel
    F 1100 3-fach 250 2,0 vorhanden Vergleichsbeispiel
    G 1050 5-fach 250 1,8 abwesend Ausführungsbeispiel
    H 1050 4-fach 240 2,0 vorhanden Vergleichsbeispiel
    I 1050 3-fach 230 2,1 vorhanden Vergleichsbeispiel
  • Die Ergebnisse in Tabelle 1 demonstrieren die Abwesenheit der geaderten morphologischen Abnormalität, wenn die erste GaN-Schicht 3 eine Kompressionsspannung, die größer oder gleich 260 MPa ist, hat, unabhängig von den Bildungsbedingungen der ersten GaN-Schicht 3. Ferner demonstrieren die Ergebnisse auch die Abwesenheit der geaderten morphologischen Abnormalität, wenn die Halbwertsbreite der E2-Phononen in der ersten GaN-Schicht 3 kleiner oder gleich 1,8 cm–1 ist, unabhängig von den Bildungsbedingungen der ersten GaN-Schicht 3.
  • Obwohl es keine obere Grenze für die Kompressionsspannung, die in der ersten GaN-Schicht 3 intrinsisch ist, in der Theorie gibt, ist die intrinsische Kompressionsspannung bevorzugt kleiner als oder gleich 1500 MPa, und sie ist bevorzugt kleiner oder gleich 1000 MPa, um ein Anwachsen in der Menge der Verwerfung in der MOCVD-GaN-Vorlage 6 oder der Fluss-GaN-Vorlage 7 und eine Verringerung der Ausbeute in den Einrichtungsherstellungsverfahren zu unterdrücken. Obwohl es ferner keine untere Grenze in der Halbwertsbreite der E2-Phononen in der ersten GaN-Schicht 3 in der Theorie gibt, ist die wesentliche untere Grenze 1,0 cm–1 unter Berücksichtigung der Beschränkungen in der Auflösung der Raman-Spektroskopie.

Claims (7)

  1. GaN-Vorlagensubstrat mit: einem Basissubstrat; und einer ersten GaN-Schicht, die epitaktisch auf dem Basissubstrat gebildet ist, wobei die erste GaN-Schicht eine Kompressionsspannung, die größer oder gleich 260 MPa ist, hat, wobei die Kompressionsspannung intrinsisch in einer Richtung in der Ebene ist.
  2. GaN-Vorlagensubstrat mit: einem Basissubstrat; und einer ersten GaN-Schicht, die epitaktisch auf dem Basissubstrat gebildet ist, wobei eine Halbwertsbreite eines Peaks nahe einer Wellenzahl von 568 nm–1 in einem Raman-Spektrum gleich oder kleiner 1,8 cm–1 ist, wobei der Peak E2-Phononen von GaN repräsentiert, und das Raman-Spektrum durch Messen der ersten GaN-Schicht durch Raman-Spektroskopie erhalten wird.
  3. GaN-Vorlagensubstrat mit: einem Basissubstrat; und einer ersten GaN-Schicht, die epitaktisch auf dem Basissubstrat gebildet ist, wobei die erste GaN-Schicht eine Kompressionsspannung, die größer oder gleich 260 MPa ist, hat, wobei die Kompressionsspannung intrinsisch in einer Richtung in der Ebene ist, und eine Halbwertsbreite eines Peaks nahe einer Wellenzahl von 568 nm–1 in einem Raman-Spektrum kleiner oder gleich 1,8 cm–1 ist, wobei der Peak E2-Phononen von GaN repräsentiert, und das Raman-Spektrum durch Messen der ersten GaN-Schicht durch Raman-Spektroskopie erhalten wird.
  4. GaN-Vorlagensubstrat nach Anspruch 1 oder Anspruch 3, wobei ein Wert der Kompressionsspannung aus einem Raman-Spektrum erhalten wird, das durch Messen der ersten GaN-Schicht durch Raman-Spektroskopie erhalten wird.
  5. GaN-Vorlagensubstrat nach einem der Ansprüche 1 bis 4, ferner mit einer zweiten GaN-Schicht, die epitaktisch auf der ersten GaN-Schicht gebildet ist.
  6. GaN-Vorlagensubstrat nach Anspruch 5, wobei die erste GaN-Schicht durch ein MOCVD-Verfahren gebildet ist, und die zweite GaN-Schicht durch Polieren einer Oberfläche einer einkristallinen GaN-Schicht, die durch ein Flussverfahren gebildet ist, gebildet ist.
  7. Einrichtungssubstrat mit: dem GaN-Vorlagensubstrat nach einem der Ansprüche 1 bis 4; einer zweiten GaN-Schicht, die epitaktisch auf der ersten GaN-Schicht gebildet ist; und einer Einrichtungsschicht, die epitaktisch auf der zweiten GaN-Schicht gebildet ist und aus einem Gruppe-13-Nitrid hergestellt ist.
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