DE112016005626B4 - Substrat aus einem Kristall eines Nitrids eines Elements der Gruppe 13 und Verwendung desselben in einer Funktionsvorrichtung - Google Patents

Substrat aus einem Kristall eines Nitrids eines Elements der Gruppe 13 und Verwendung desselben in einer Funktionsvorrichtung Download PDF

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Abstract

Substrat aus einem Kristall eines Nitrids der Gruppe 13, umfassend eine Unterschicht und eine Dickschicht:
wobei die Unterschicht einen Kristall eines Nitrids eines Elements der Gruppe 13 und eine erste Hauptfläche und eine zweite Hauptfläche umfasst;
wobei die Dickschicht einen Kristall eines Nitrids eines Elements der Gruppe 13 umfasst und über der ersten Hauptfläche der Unterschicht angeordnet ist;
wobei die Unterschicht eine Region mit geringer Trägerkonzentration und eine Region mit hoher Trägerkonzentration umfasst, die sich beide zwischen der ersten Hauptfläche und der zweiten Hauptfläche erstrecken;
wobei die Region mit geringer Trägerkonzentration eine Trägerkonzentration von 1×1016/cm3 oder mehr und 1017/cm3 oder weniger aufweist;
wobei die Region mit geringer Trägerkonzentration eine Defektdichte an Versetzungen von 2×106/cm2 oder mehr und 107/cm2 oder weniger aufweist;
wobei die Region mit hoher Trägerkonzentration eine Trägerkonzentration von 1019/cm3 oder mehr und 5×1019/cm3 oder weniger aufweist;
wobei die Region mit hoher Trägerkonzentration eine Defektdichte an Versetzungen von 108/cm2 oder mehr aufweist;
wobei die Dickschicht eine Trägerkonzentration von 1018/cm3 oder mehr und 1019/cm3 oder weniger aufweist;
wobei die Dickschicht eine Defektdichte an Versetzungen von 107/cm2 oder weniger aufweist; und
wobei der Kristall des Nitrids des Elements der Gruppe 13 eine Richtung eines Wachstums senkrecht zur c-Ebene einer Wurtzit-Struktur aufweist.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Substrat aus einem Kristall eines Nitrids der Gruppe 13 und eine Verwendung desselben in einer Funktionsvorrichtung. Die vorliegende Erfindung kann beispielsweise in technischen Gebieten verwendet werden, die höchste Qualität verlangen, so wie eine blaue LED mit verbessertem Farbwiedergabeindex, die wahrscheinlich als künftiger Ersatz einer Leuchtstofflampe, eines blau-violetten Lasers für optische Hochgeschwindigkeits-Speicher mit hoher Dichte, eines Leistungsbauelements für einen Wechselrichter in einem Hybridfahrzeug oder dergleichen dienen kann.
  • BESCHREIBUNG DES STANDS DER TECHNIK
  • Da weiß emittierende LED weit verbreitet sind, ist eine Leistungsverbesserung bei LED-Chips erforderlich. Die verbesserte Leistung bedeutet einen verbesserten Wirkungsgrad und eine verbesserte Luminanz. Das HVPE-Verfahren ist ein bekanntes Verfahren zum Erhalten eines selbsttragenden Substrats aus Galliumnitrid. Als Verfahren zum Erhalten qualitativ hochwertiger Kristalle sind unter anderem das DEEP-Verfahren (Patentschrift 1 und Nicht-Patentschrift 1) und das VAS-Verfahren (Patentschrift 2 und 3) offenbart.
  • Das Flussmittelverfahren ist eine Art Flüssigphasenverfahren. Im Falle von Galliumnitrid wird durch die Verwendung von Natriummetall als Flussmittel eine Senkung der Temperatur und des Drucks, die für die Züchtung eines Galliumnitrid-Kristalls erforderlich sind, auf etwa 800 °C bzw. mehrere MPa ermöglicht. Insbesondere wird Stickstoffgas in einer Mischschmelze aus Natriummetall und Galliummetall gelöst, sodass Galliumnitrid in einem übersättigten Zustand vorliegt und als Kristall aufwachsen kann. Bei einem derartigen Flüssigphasenprozess kommt es zu weniger Versetzungen als im Falle eines Gasphasenprozesses, sodass Galliumnitrid mit hoher Qualität und einer geringeren Versetzungsdichte (Patentschrift 4) erhalten werden kann.
    Darüber hinaus beschreibt das Dokument JP 2014-088272 A einen Nitrid-Halbleiterkristall eines Metalls der Gruppe 13 im Periodensystem, in dem eine Kristallebene einer Hauptebene die {m0-m-n} -Ebene oder die {m0-mn} -Ebene ist [wobei m und n jeweils eine ganze Zahl von 1 sind oder größer], und der eine Region mit hoher Trägerkonzentration und eine Region mit niedriger Trägerkonzentration mit einem Unterschied der Trägerkonzentration von 7,0 × 1017 cm-3 oder mehr aufweist. Der Kristall ist ein Kristall hoher Qualität mit wenigen Stapelfehlern und ist als Halbleitersubstrat für die Bauelementbildung geeignet. Das Dokument US 2006/0202188 A1 beschreibt eine Nitrid-Halbleiter-Laservorrichtung, welche ein Nitrid-Halbleitersubstrat aufweist, das einen Bereich mit konzentrierter Versetzung und einen breiten Bereich mit geringer Versetzung umfasst, dessen Oberseite in einem Winkel im Bereich von 0,3 ° bis 0,7 ° relativ zur C-Ebene geneigt ist und eine darauf aufgebrachte Nitrid-Halbleiterschicht. Die Nitrid-Halbleiterschicht weist eine Vertiefung unmittelbar über dem Bereich konzentrierter Versetzung auf und weist in einem anderen Bereich als der Vertiefung eine hochwertige quantenmuldenaktive Schicht mit guter Planheit und ohne Risse auf, eine Schicht, die, wie gewachsen, bereits eine Leitfähigkeit vom p-Typ und einen streifenförmigen Laserlichtwellen-Leiterbereich aufweist. Der Laserlichtwellen-Leiterbereich ist oberhalb des Bereichs mit geringer Versetzung gebildet.
  • Einschlägige Schriften
  • (Nicht-Patentschrift 1) SEI Technical Review 2009, Juli, Band 175, Seite 10 bis 18, „Development of Gallium Substrate“
    • (Patentschrift 1) Japanisches Patent JP 3801125 B1
    • (Patentschrift 2) Japanisches Patent JP 3631724 B1
    • (Patentschrift 3) Japanisches Patent JP 4396816 B1
    • (Patentschrift 4) Japanische Patentanmeldung JP 2009-012986 A
  • KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Um LED und Laserdioden herzustellen, muss die Leitfähigkeit der Schicht eines Kristalls eines Nitrids eines Elements der Gruppe 13 hoch sein. Um dies zu erreichen, haben die Erfinder versucht, die Kristallschicht mit einem Dotiermittel, wie Si oder Sauerstoff, zu dotieren, sodass die Leitfähigkeit der Kristallschicht und deren Ausgangsleistung verbessert sind.
  • Aber selbst wenn die Leitfähigkeit der Kristallschicht tatsächlich verbessert wurde, traten im Falle von sogenannten lichtemittierenden Vorrichtungen vom vertikalen Typ Fälle auf, bei denen die Ausgangsleistung des emittierten Lichts nicht verbessert war und der Strom beispielsweise erhöht war.
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, bei einem Substrat aus einem Kristall eines Nitrids des Elements der Gruppe 13 eine gewünschte Leitfähigkeit zu erhalten und diese Leitfähigkeit des Kristalls eines Nitrids des Elements der Gruppe 13 wirksam zur Verbesserung seiner Funktion zu verwenden.
  • Die vorliegende Erfindung stellt ein Kristallsubstrat bereit, umfassend eine Unterschicht und eine Dickschicht:
    • wobei die Unterschicht einen Kristall eines Nitrids eines Elements der Gruppe 13 und eine erste Hauptfläche und eine zweite Hauptfläche umfasst;
    • wobei die Dickschicht einen Kristall eines Nitrids eines Elements der Gruppe 13 umfasst und über der ersten Hauptfläche der Unterschicht angeordnet ist;
    • wobei die Unterschicht eine Region mit geringer Trägerkonzentration und eine Region mit hoher Trägerkonzentration umfasst, die sich beide zwischen der ersten Hauptfläche und der zweiten Hauptfläche erstrecken;
    • wobei die Region mit geringer Trägerkonzentration eine Trägerkonzentration von 1×1016/cm3 oder mehr und 1017/cm3 oder weniger aufweist;
    • wobei die Region mit geringer Trägerkonzentration eine Defektdichte an Versetzungen von 2×106/cm2 oder mehr und 107/cm2 oder weniger aufweist;
    • wobei die Region mit hoher Trägerkonzentration eine Trägerkonzentration von 1019/cm3 oder mehr und 5×1019/cm3 oder weniger aufweist;
    • wobei die Region mit hoher Trägerkonzentration eine Defektdichte an Versetzungen von 108/cm2 oder mehr aufweist;
    • wobei die Dickschicht eine Trägerkonzentration von 1018/cm3 oder mehr und 1019/cm3 oder weniger aufweist;
    • wobei die Dickschicht eine Defektdichte an Versetzungen von 107/cm2 oder weniger aufweist; und
    • wobei der Kristall des Nitrids des Elements der Gruppe 13 eine Richtung eines Wachstums senkrecht zur c-Ebene einer Wurtzit-Struktur aufweist.
  • Darüber hinaus stellt die vorliegende Erfindung die Verwendung des Kristallsubstrats in einer Vorrichtung bereit, wobei die Vorrichtung umfasst:
    • das Kristallsubstrat; und
    • eine Funktionsschicht, umfassend ein Nitrid eines Elements der Gruppe 13, die über dem Kristallsubstrat ausgebildet ist.
  • (Wirkungen der Erfindung)
  • Bei der Herstellung von beispielsweise LED oder Laserdioden mit Strukturen vom vertikalen Typ ist eine hohe Leitfähigkeit erforderlich. Allerdings ist erwiesen, dass zur Bereitstellung der Leitfähigkeit durch Dotieren eines Kristalls eines Nitrids eines Elements der Gruppe 13 mit einem Dotiermittel, wie Si oder Sauerstoff, ein gleichmäßiges Dotieren des Dotiermittels über die gesamte Oberfläche eines Wafers schwierig ist. Weiterhin ist erwiesen, dass die Kristallinität in Regionen mit einem hohen Anteil an Dotiermittel abnimmt und die Versetzungsdichte zunimmt.
  • Außerdem wurde bei genauerer Betrachtung des Mechanismus von Leckstrom Folgendes festgestellt. Wenn in einer Querschnittsstruktur des Substrats aus einem Kristall eines Nitrids des Elements der Gruppe 13 die Kristallinität geringer ist, fließt ein Strom problemlos in eine Region mit einer hohen Leitfähigkeit. Dies führt zu einer lokalen Stromkonzentration, sodass ein Leckstrom auftritt. Mit anderen Worten wurde durch Beobachten des Querschnitts mittels mikroskopischer Thermographie erfolgreich bestätigt, dass die Temperaturen an den Orten, an denen Leckstrom auftrat, erhöht war.
  • Außerdem wurde Folgendes bestätigt. Wenn in der Querschnittsstruktur des Kristallsubstrats die Anzahl an Defekten hoch ist, tritt der Leckstrom eher in der Region mit einer relativ hohen Trägerkonzentration auf. Außerdem wurde bestätigt, dass eine solche säulenförmige Region mit hoher Trägerkonzentration in Längsrichtung zwischen der oberen Fläche und der unteren Fläche des Kristallsubstrats verläuft und das Substrat durchdringt. Gleichzeitig wurde auch bestätigt, dass die Region mit geringer Trägerkonzentration in Längsrichtung säulenförmig zwischen der oberen und unteren Fläche des Kristallsubstrats verläuft und das Substrat durchdringt. Dies bedeutet, dass die Stromkonzentration wahrscheinlich durch die Regionen mit hoher Trägerkonzentration erfolgt.
  • Weiterhin ist eine Verringerung des Leuchtwirkungsgrads durch Erhöhung der am LED-Chip angelegten Stromdichte als Wirkungsgradabfall-Phänomen bekannt. Deren Ursache wurde als Trägerüberlauf, strahlungslose Rekombination, Auger-Rekombination oder dergleichen angegeben. Ein solches Phänomen tritt jedoch hauptsächlich bei LED vom horizontalen Typ auf.
  • Das vorstehend genannte von den Erfindern festgestellte Phänomen unterscheidet sich vom Wirkungsgradabfall-Phänomen, wurde bisher noch nicht beschrieben und von den Erfindern neu entdeckt. Die lokale Stromkonzentration wurde dieses Mal anhand der vorstehend beschriebenen Beobachtung neu entdeckt.
  • Auf der Grundlage dieser Entdeckung versuchten die Erfinder, einen Kristall eines Nitrids eines Elements der Gruppe 13 auf einer Unterschicht eines Nitrids eines Elements der Gruppe 13 unter Ausbildung einer Dickschicht neu aufzuwachsen und die Verbindung von Defekten in der Dickschicht durch Steuerung der Wachstumsbedingungen davon zu erleichtern. Infolgedessen ist bestätigt, dass die säulenförmigen Regionen mit hoher Trägerkonzentration im Kristallsubstrat derart in der Dickschicht verteilt sind, dass die Träger einheitlich verteilt sind, um eine relativ gleichförmige Kathodenlumineszenz zu erhalten. Somit ist möglich, den Leckstrom zwischen einem Paar der Hauptflächen des Kristallsubstrats durch Bereitstellen der Dickschicht mit derartigen Querschnittsstrukturen in der Unterschicht erfolgreich zu verhindern. Damit lässt sich der Leckstrom bei Erhöhung der an das Kristallsubstrat angelegten Spannung verhindern, sodass die Leitfähigkeit des Kristallsubstrats wirksam genutzt und die Funktion weiter verbessert werden kann.
  • Figurenliste
    • 1(a) ist eine Ansicht, die schematisch ein Kristallsubstrat 1 gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform zeigt, und 1(b) ist eine Ansicht, die schematisch eine Funktionsvorrichtung 16 mit dem Substrat 1 und einer darauf ausgebildeten Funktionsvorrichtungsstruktur 6 zeigt.
    • 2(a) zeigt den Zustand, in dem eine Impfkristallschicht 12 auf einem Trägerkörper 11 bereitgestellt ist, 2(b) zeigt den Zustand, in dem eine aus einem Kristall eines Nitrids eines Elements der Gruppe 13 zusammengesetzte Unterschicht 13 auf der Impfkristallschicht 12 bereitgestellt ist, und 2(c) zeigt den Zustand, in dem eine Dickschicht 14 auf der Unterschicht 13 ausgebildet ist.
    • 3(a) ist eine Ansicht, die schematisch auf dem Impfkristall 12 erzeugte Keime 20 zeigt, und 3(b) ist eine Ansicht, die schematisch Richtungen des Wachstums der Keime 20 zeigt.
    • 4(a) zeigt den Zustand, in dem die Unterschicht 13 und die Dickschicht 14 von der Impfkristallschicht getrennt sind, und 4(b) zeigt ein Kristallsubstrat 1, das durch Verarbeiten der Unterschicht 13 und der Dickschicht 14 in 4(a) erhalten wird.
  • Ausführungsformen zum Durchführen der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung ist nachstehend ausführlich unter angemessener Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
  • (Kristallsubstrat)
  • Gemäß einer in 1(a) gezeigten bevorzugten Ausführungsform wird eine aus einem Nitrid eines Elements der Gruppe 13 zusammengesetzte Dickschicht 3 auf einer aus einem Nitrid eines Elements der Gruppe 13 zusammengesetzten Unterschicht 2 ausgebildet. Die Unterschicht 2 beinhaltet eine erste Hauptfläche 2a und eine zweite Hauptfläche 2b. Die Dickschicht 3 ist auf der ersten Hauptfläche 2a der Unterschicht 2 bereitgestellt.
  • Die Unterschicht 2 beinhaltet eine Region 5 mit geringer Trägerkonzentration und eine Region 4 mit hoher Trägerkonzentration, die sich jeweils zwischen der ersten Hauptfläche 2a und der zweiten Hauptfläche 2b erstrecken. Es ist bestätigt, dass jede der Regionen 4 und 5 derart erzeugt ist, dass sie sich durch die Unterschicht 2 zwischen der ersten und der zweiten Hauptfläche erstreckt.
  • Im vorliegenden Fall weist die Region 5 mit geringer Trägerkonzentration eine Trägerkonzentration von 1017/cm3 oder weniger auf und die Region 5 mit geringer Trägerkonzentration weist eine Defektdichte von 107/cm2 oder weniger auf. Weiterhin weist die Region 4 mit hoher Trägerkonzentration eine Trägerkonzentration von 1019/cm3 oder mehr auf und die Region 4 mit hoher Trägerkonzentration weist eine Defektdichte von 108/cm2 oder mehr auf. Gemäß dem vorstehend beschriebenen Mechanismus sind die Dotiermittel in der Region mit hoher Trägerkonzentration konzentriert, sodass dessen Trägerkonzentration erhöht wird, und die Defekte sind ebenfalls in derselben Region konzentriert, die sich in Längsrichtung zwischen den Hauptflächen der Unterschicht erstreckt.
  • In diesem Fall kann die Region mit geringer Trägerkonzentration bevorzugt eine Trägerkonzentration von 8×1016/cm3 oder weniger aufweisen. Weiterhin kann die Trägerkonzentration der Region mit geringer Trägerkonzentration in der vorstehend beschriebenen die Region mit hoher Trägerkonzentration beinhaltenden Unterschicht in vielen Fällen 1×1017/cm3 oder weniger und 1×1016/cm3 oder mehr betragen. Weiterhin kann die Defektdichte in der Region mit geringer Trägerkonzentration vorzugsweise 8×106/cm2 oder weniger betragen. Weiterhin kann die Defektdichte in der Region mit geringer Trägerkonzentration in vielen Fällen 2×106/cm2 oder mehr betragen.
  • Weiterhin beträgt die Trägerkonzentration der Region 4 mit hoher Trägerkonzentration 1019/cm3 oder mehr und kann vorzugsweise 2×1019/cm3 oder mehr betragen. Weiterhin kann die Trägerkonzentration der Region mit hoher Trägerkonzentration in der vorstehend beschriebenen die Region mit geringer Trägerkonzentration beinhaltenden Unterschicht in vielen Fällen 5×1019/cm3 oder weniger betragen. Weiterhin kann die Defektdichte in der Region mit hoher Trägerkonzentration vorzugsweise 5×108/cm2 oder weniger betragen.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung beträgt die Trägerkonzentration in der Dickschicht 3 1018/cm3 oder mehr und 1019/cm3 oder weniger und die Defektdichte der Dickschicht beträgt 107/cm2 oder weniger. Obwohl die Defektdichte der Dickschicht vorzugsweise geringer ist, da die Dickschicht auf der Unterschicht der vorstehend beschriebenen Struktur bereitgestellt ist, beträgt die Defektdichte der Dickschicht in vielen Fällen 2×106/cm2 oder mehr.
  • In diesem Fall, wenn das Dotiermittel ein Dotiermittel vom n-Typ (wie Si, Ge, Sauerstoff oder dergleichen) ist, ist das Aktivierungsverhältnis 98 Prozent oder mehr, sodass die Dotiermittelkonzentration als die Trägerkonzentration betrachtet werden kann. Die Trägerkonzentration ist nachstehend vom Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung zum Verhindern von Leckstrom aufgrund der Stromkonzentration beschrieben. Das Aktivierungsverhältnis kann jedoch als 100 Prozent betrachtet werden und die Trägerkonzentration kann als Dotiermittelkonzentration verstanden werden.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die Region mit hoher Trägerkonzentration und die Region mit geringer Trägerkonzentration gemessen und wie folgt unterschieden.
  • Verwendet wird ein System zum Messen der Kathodenlumineszenz (beispielsweise die MP-Serie von HORIBA, Ltd.) bei einer Vergrößerung von 50X bis 500X in einer rechteckigen Region eines Bildes mit einer Größe von 0,1 mm und 1 mm.
  • Die Trägerkonzentration und die Defektdichte werden gemäß dem Verfahren und den Bedingungen gemessen, die in den Beispielen beschrieben sind.
  • Das Element der Gruppe 13, aus dem die Unterschicht und die Dickschicht bestehen, ist ein Element der Gruppe 13 gemäß dem Periodensystem der IUPAC. Das Element der Gruppe 13 ist insbesondere Gallium, Aluminium, Indium oder Thallium. Das Nitrid des Elements der Gruppe 13 kann vorzugsweise Galliumnitrid, Aluminiumnitrid oder Galliumaluminiumnitrid sein. Weiterhin kann als Zusatz Kohlenstoff, ein Metall mit niedrigem Schmelzpunkt (Zinn, Wismut, Silber, Gold) und ein Metall mit hohem Schmelzpunkt (ein Übergangsmetall, wie Eisen, Mangan, Titan, Chrom) angeführt werden.
  • In der Dickschicht müssen die Defekte in Verbindung gebracht werden, um zu verhindern, dass Regionen mit hoher Trägerkonzentration durch die Dickschicht zur Oberfläche der Dickschicht durchdringen. Unter diesem Gesichtspunkt kann die Dicke T3 der Dickschicht vorzugsweise 1 µm oder mehr betragen, mehr bevorzugt 50 µm oder mehr und am meisten bevorzugt 100 µm oder mehr. Weiterhin wird die Leitfähigkeit insgesamt gesehen zu niedrig, wenn die Dicke T3 der Dickschicht zu groß ist. Die Dicke der Dickschicht kann vorzugsweise 300 µm oder weniger und mehr bevorzugt 200 µm oder weniger betragen.
  • Die Dicke T2 der Unterschicht kann unter dem Gesichtspunkt einer einfachen Handhabung vorzugsweise 50 µm oder weniger betragen. Weiterhin kann die Dicke der Unterschicht unter dem Gesichtspunkt der Leitfähigkeit vorzugsweise 200 µm oder weniger betragen.
  • Weiterhin kann eine Gesamtdicke (T2+T3) des Kristallsubstrats, d. h. der Unterschicht und der Dickschicht, vorzugsweise 250 bis 450 µm betragen.
  • (Funktionsschicht und Funktionsvorrichtung)
  • Auf der Dickschicht kann eine Funktionsschicht ausgebildet werden, um eine Funktionsvorrichtung zu erhalten.
  • Die Funktionsschicht, wie vorstehend beschrieben, kann aus einer Einzelschicht oder einer Vielzahl von Schichten zusammengesetzt sein. Weiterhin kann sie, was die Funktion betrifft, als eine weiße LED mit hoher Helligkeit und verbessertem Farbwiedergabeindex, als blau-violette Laserscheibe für optische Hochgeschwindigkeits-Speicher mit hoher Dichte, eines Leistungsbauelements für einen Wechselrichter in einem Hybridfahrzeug oder dergleichen verwendet werden.
  • Wenn eine lichtemittierende Halbleiterdiode (LED) auf dem Kristallsubstrat mithilfe eines Gasphasenprozesses, vorzugsweise eines Verfahrens mit metallorganischer Gasphasenepitaxie (MOCVD), hergestellt wird, kann die Versetzungsdichte im Inneren der LED mit der der Dickschicht des Kristallsubstrats vergleichbar gemacht werden.
  • Die schichtbildende Temperatur der Funktionsschicht kann unter dem Gesichtspunkt der Verhinderung einer Einarbeitung von Verunreinigungen, wie Kohlenstoff, vorzugsweise 950 °C oder mehr betragen und mehr bevorzugt 1000 °C oder mehr. Weiterhin kann die schichtbildende Temperatur der Funktionsschicht unter dem Gesichtspunkt der Verhinderung von Defekten vorzugsweise 1200 °C oder weniger betragen und mehr bevorzugt 1150 °C oder weniger.
  • Das Material der Funktionsschicht kann vorzugsweise ein Nitrid eines Elements der Gruppe 13 sein. Ein Element der Gruppe 13 bedeutet ein Element der Gruppe 13 gemäß dem Periodensystem der IUPAC. Das Element der Gruppe 13 ist insbesondere Gallium, Aluminium, Indium oder Thallium.
  • Die lichtemittierende Vorrichtungsstruktur beinhaltet beispielsweise eine Halbleiterschicht vom n-Typ, eine auf der Halbleiterschicht vom n-Typ bereitgestellte lichtemittierende Region und eine auf der lichtemittierenden Region bereitgestellte Halbleiterschicht vom p-Typ. In einer in 1(b) gezeigten lichtemittierenden Vorrichtung 16 sind auf der Dickschicht 3 des Kristallsubstrats zur Darstellung der lichtemittierenden Struktur 6 eine Kontaktschicht 6a vom n-Typ, eine Mantelschicht 6b vom n-Typ, eine aktive Schicht 6c, eine Mantelschicht 6d vom p-Typ und eine Kontaktschicht 6e vom p-Typ ausgebildet.
  • Weiterhin kann die vorstehend beschriebene lichtemittierende Struktur vorzugsweise eine Elektrode für die Halbleiterschicht vom n-Typ, eine Elektrode für die Halbleiterschicht vom p-Typ, eine leitfähige Haftschicht, eine Pufferschicht und einen leitfähigen Trägerkörper oder dergleichen, nicht gezeigt, beinhalten.
  • An der lichtemittierenden Struktur wird Licht durch die Seite einer lichtdurchlässigen Elektrode an der Halbleiterschicht vom p-Typ oder der Schicht mit dem Einkristall-Nitrid des Elements der Gruppe 13 gesendet, wenn Licht in der lichtemittierenden Struktur durch Rekombination von Löchern und durch die Halbleiterschichten injizierten Elektronen emittiert wird. In diesem Zusammenhang bedeutet die lichtdurchlässige Elektrode eine Elektrode, die Licht senden kann und aus einer metallischen Dünnschicht oder einer transparenten leitfähigen Schicht hergestellt ist, die im Wesentlichen über der Gesamtheit der Halbleiterschicht vom p-Typ ausgebildet ist.
  • Die Halbleiterschicht vom n-Typ oder die Halbleiterschicht vom p-Typ ist aus einem Halbleiter einer Halbleiterverbindung der Gruppe III-V zusammengesetzt, die Folgendes beinhaltet. AlyInxGa1-x-yN(0≦x≦1, 0≦y≦1)
  • Als Dotiermittel zum Verleihen einer Leitfähigkeit vom n-Typ sind Silizium, Germanium und Sauerstoff angeführt. Weiterhin sind zum Verleihen einer Leitfähigkeit vom p-Typ Magnesium und Zink angeführt.
  • Das Verfahren zum Züchten jeder der die lichtemittierende Struktur darstellenden Halbleiterschichten beinhaltet verschiedene Arten von Züchtungsverfahren in der Gasphase. Beispielsweise kann die metallorganische Gasphasenepitaxie (MOCVD; MOVPE), Molekularstrahlepitaxie (MBE), Hydridgasphasenepitaxie (HVPE) oder dergleichen verwendet werden. Von diesen lassen sich mit dem MOCVD-Verfahren Halbleiterschichten mit guter Kristallinität und Glätte herstellen. Gemäß dem MOCVD-Verfahren wird in vielen Fällen eine Alkylmetallverbindung, wie TMG (Trimethylgallium) und TEG (Triethylgallium) oder dergleichen, als Ga-Quelle verwendet und ein Gas, wie Ammoniak oder Hydrazin, wird als Stickstoffquelle verwendet.
  • Die lichtemittierende Region beinhaltet eine aktive Schicht mit Potentialtopf. Das Material der aktiven Schicht mit Potentialtopf ist so gewählt, dass der Bandabstand kleiner ist als der in den Halbleiterschichten vom n-Typ und p-Typ. Die aktive Schicht mit Potentialtopf kann eine Struktur mit aktiver Schicht mit einem Potentialtopf (SQW) oder eine Struktur mit aktiver Schicht mit mehreren Potentialtöpfen (MQW) sein. Das Material der aktiven Schicht mit Potentialtopf beinhaltet die Folgenden.
  • Als bevorzugtes Beispiel einer aktiven Schicht mit Potentialtopf wird eine MQW-Struktur angeführt, die drei bis zehn Perioden von aktiven Schichten mit Potentialtöpfen beinhaltet, jeweils hergestellt aus AlxGa1-xN/AlyGa1-yN (x=0,15, y=0,20) Serien mit einer Schichtdicke von 3 nm/8 nm.
  • (Herstellung der Kristallschicht)
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Unterschicht und die Dickschicht auf einem Impfkristall in dieser Reihenfolge ausgebildet. Der Impfkristall kann ein selbsttragendes Substrat (Trägerkörper) ausbilden oder kann eine auf einem eigenständigen Trägerkörper ausgebildete Impfkristallschicht sein. Die Impfkristallschicht kann aus einer Einzelschicht zusammengesetzt sein oder kann eine Pufferschicht auf der Seite des Trägerkörpers beinhalten.
  • Eine Impfkristallschicht 12 kann beispielsweise, wie in 2(a) gezeigt, auf einer Fläche 11a eines Trägerkörpers 11 ausgebildet sein. Die Impfkristallschicht 12 ist aus einem Nitrid eines Elements der Gruppe 13 zusammengesetzt.
  • Wenn die Impfkristallschicht auf dem Trägerkörper ausgebildet ist, obwohl der den Trägerkörper ausbildende Einkristall unbegrenzt ist, beinhaltet sie einen Saphir, eine AIN-Schablone, eine GaN-Schablone, ein selbsttragendes GaN-Substrat, einen Silizium-Einkristall, einen SiC-Einkristall, einen MgO-Einkristall, Spinell (MgAl2O4), LiAlO2, LiGaO2, und eine Oxidzusammensetzung vom Perowskit-Typ, wie LaAlO3, LaGaO3 oder NdGaO3 und SCAM (ScAlMgO4). Eine kubische Oxidzusammensetzung vom Perowskit-Typ, dargestellt durch die Zusammensetzungsformel [A1-y(Sr1-xBax)y] [(Al1-zGaz)1-uDu]O3 (worin A eine Seltene Erde ist; D ein oder mehrere Elemente ist, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Niob und Tantal; y=0,3 bis 0,98; x=0 bis 1; z=0 bis 1; u=0,15 bis 0,49; und x+z=0,1 bis 2), kann ebenfalls verwendet werden.
  • Die Richtung des Wachstums der Kristallschicht eines Nitrids des Elements der Gruppe 13 kann eine Richtung senkrecht zur c-Ebene der Wurtzit-Struktur oder eine Richtung senkrecht zu jeder der a-Ebene und m-Ebene sein.
  • Die Versetzungsdichte an der Fläche 12a des Impfkristalls ist unter dem Gesichtspunkt einer Verringerung der Versetzungsdichte des auf dem Impfkristall bereitgestellten Kristallsubstrats vorzugsweise geringer. Unter diesem Gesichtspunkt kann die Versetzungsdichte an der Fläche 12a des Impfkristalls vorzugsweise 7×108cm-2 oder weniger und mehr bevorzugt 5×108cm-2 oder weniger betragen. Weiterhin wird keine besondere Untergrenze bereitgestellt, da die Versetzungsdichte des Impfkristalls unter dem Gesichtspunkt der Qualität vorzugsweise geringer sein kann, sie kann aber in vielen Fällen im Allgemeinen 5×107cm-2 oder mehr betragen.
  • Das Verfahren zum Ausbilden der Impfkristallschicht ist nicht speziell begrenzt, als Beispiele sind ein Gasphasenprozess, wie das Verfahren der metallorganischen Gasphasenepitaxie (MOCVD), das Verfahren der Hydridgasphasenepitaxie (HVPE), das Verfahren der pulsangeregten Abscheidung (PXD), das MBE-Verfahren und Sublimationsverfahren, und ein Flüssigphasenprozess, wie das Flussverfahren, genannt.
  • Anschließend wird, wie in 2(b) gezeigt, die Unterschicht 13 auf der Impfkristallschicht 12 ausgebildet. Als Nächstes wird, wie in 2(c) gezeigt, die Dickschicht 14 auf der Fläche 13a der Unterschicht 13 ausgebildet.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden die Unterschicht und die Dickschicht mithilfe des Flussverfahrens gezüchtet. In diesem Fall ist die Art des Flussmittels nicht besonders begrenzt, es muss nur möglich sein, das Nitrid des Elements der Gruppe 13 zu züchten. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Flussmittel verwendet, das mindestens eines eines Alkalimetalls und eines Erdalkalimetalls enthält, und ein Natriummetall enthaltendes Flussmittel ist besonders bevorzugt.
  • Ein Rohmaterial des Nitrids des Elements der Gruppe 13 wird mit dem Flussmittel vermischt und verwendet. Als Rohmaterial ist ein Reinmetall, eine Legierung und eine Verbindung geeignet und unter dem Gesichtspunkt der Handhabung wird zweckmäßig das Einzelmetall des Elements der Gruppe 13 verwendet.
  • Wenn die Unterschicht mithilfe eines Flussverfahrens hergestellt wird, wird der Übersättigungsgrad zur Förderung des vertikalen Wachstums auf einem niedrigen Wert gehalten und die Strömung der Schmelze ist gering, sodass nur das Konzentrationsgefälle als treibende Kraft für das Kristallwachstum verwendet wird. Die Keimbildung ist begrenzt und der Kristall wird von den Keimen 20 nach oben gezüchtet (Pfeile C), wie in 3(b) gezeigt.
  • Insbesondere wird die Unterschicht vorzugsweise gemäß dem folgenden Verfahren gezüchtet.
    • (1A) Die durchschnittliche Züchtungstemperatur der Schmelze im Schmelztiegel wird hoch gehalten, sodass der Übersättigungsgrad erhöht wird, um die Bildung von Keimen 20 zu hemmen (siehe 3(a)).
    • (2A) Die Temperatur in einem oberen Teil des Schmelztiegels wird über die in einem unteren Teil des Schmelztiegels erhöht, sodass eine Strömung in der Schmelze gehemmt.
    • (3A) Die Schmelze wird nicht gerührt und falls gerührt, wird die Rührgeschwindigkeit gering gehalten.
    • (4A) Der Partialdruck eines Stickstoff enthaltenden Gases wird verringert.
  • Beispielsweise sind die folgenden Bedingungen anwendbar.
    • (1A) Die durchschnittliche Züchtungstemperatur der Schmelze im Schmelztiegel wird auf 870 bis 885 °C eingestellt.
    • (2A) Die Temperatur im oberen Teil des Schmelztiegels wird um 0,5 bis 1 °C über die im unteren Teil des Schmelztiegels erhöht.
    • (3A) Die Schmelze wird nicht gerührt oder die Rührgeschwindigkeit wird auf 30 U/min oder weniger eingestellt. Weiterhin bleibt die Rührrichtung unverändert.
    • (4A) Der Partialdruck des Stickstoff enthaltenden Gases wird auf 3,5 bis 3,8 MPa eingestellt.
  • Unter derartigen Bedingungen befindet sich in den Regionen mit hoher Trägerkonzentration eine große Anzahl an Kristalldefekten. Der Grund hierfür ist, dass aufgrund des Wachstums der Kristallstruktur nach oben und vertikal in Form einer Säule die Anzahl an Trägern und Kristalldefekten an Orten mit zahlreichen Dotiermitteln eher zunimmt.
  • Mit den hier genannten Kristalldefekten sind Verspannungen gemeint, einschließlich dreier Arten von Versetzungen: Schraubenversetzung, Randversetzung und Mischversetzung. Diese Arten der Versetzung können mithilfe eines Transmissionselektronenmikroskops (TEM) oder der Kathodenlumineszenz (KL) bestätigt werden.
  • Anschließend wird ein Nitrid eines Elements der Gruppe 13 erneut in derselben Schmelze mithilfe eines Flussverfahrens gezüchtet, sodass die Dickschicht, wie vorstehend beschrieben, ausgebildet werden kann.
  • Allerdings werden die Wachstumsbedingungen geändert, um die Wachstumsgeschwindigkeit des Kristalls zu erhöhen. Demzufolge besteht das Kristallwachstum 21, wie in 3(b) gezeigt, hauptsächlich aus lateralem Wachstum (Pfeile A und B).
  • Während der Phase zur Ausbildung der Dickschicht sind die folgenden Modifikationen bevorzugt.
    • (1B) Die durchschnittliche Züchtungstemperatur der Schmelze im Schmelztiegel wird auf 850 bis 860 °C eingestellt. Weiterhin wird ein Unterschied zwischen der durchschnittlichen Züchtungstemperatur und der in der Anfangsphase von 10 bis 25 °C eingestellt.
    • (3B) Die Schmelze wird gerührt und die Rührrichtung wird regelmäßig geändert. Weiterhin wird das Drehen des Schmelztiegels angehalten, wenn die Rührrichtung geändert wird. In diesem Fall kann der Zeitraum zum Anhalten des Drehens vorzugsweise 100 bis 6000 Sekunden und mehr bevorzugt 600 bis 3600 Sekunden betragen. Weiterhin kann der Zeitraum des Drehens vor und nach dem Anhalten des Drehens vorzugsweise 10 bis 600 Sekunden und die Drehzahl vorzugsweise 10 bis 30 U/min betragen.
    • (4B) Der Partialdruck des Stickstoff enthaltenden Gases wird auf 4,0 bis 4,2 MPa eingestellt und der Partialdruck wird höher eingestellt als der Partialdruck des Stickstoff enthaltenden Gases in der Anfangsphase von 0,2 bis 0,5 MPa.
  • In diesem Fall werden die Herstellungsbedingungen in der Phase der Ausbildung der Dickschicht vorzugsweise allmählich so geändert, dass die niedrige Versetzungsdichte und Trägerkonzentration ausgeglichen sind. Insbesondere wird die Rührgeschwindigkeit der Schmelze allmählich erhöht und die Retentionszeit bei der maximalen Rührgeschwindigkeit während des Rührens allmählich verlängert.
  • Dadurch werden die Kristalldefekte von der unteren Hauptfläche in Kontakt mit der Unterschicht zur Oberfläche mit zunehmendem Wachstum des Kristalls verlängert, wobei sie miteinander in Verbindung gebracht werden. Die Trägerkonzentration und die Defektdichte werden so einheitlich in der Dickschicht verteilt, sodass die Konzentration des Leckstroms verhindert werden kann.
  • Gemäß dem Flussverfahren wird ein Einkristall in einer Stickstoffatome enthaltenden Gasatmosphäre gezüchtet. Als dieses Gas können vorzugsweise Stickstoffgas verwendet werden, auch Ammoniak ist verwendbar. Die Verwendung jedes anderen Gases mit Ausnahme des Stickstoffatome enthaltenden Gases in der Atmosphäre ist unbegrenzt; vorzugsweise wird jedoch ein inertes Gas verwendet und Argon, Helium oder Neon können besonders bevorzugt sein.
  • In der Phase der Züchtung der Unterschicht ist eine Retentionszeit von einer Stunde oder mehr, vorzugsweise zwei Stunden oder mehr unter den vorstehend beschriebenen Bedingungen (1A) bis (4A) bevorzugt. Die Retentionszeit in der Phase der Ausbildung der Unterschicht kann vorzugsweise10 Stunden oder weniger betragen.
  • Ein Verhältnis (molares Verhältnis) des Nitrids des Elements der Gruppe 13/Flussmittel (beispielsweise Natrium) in der Schmelze kann unter dem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung vorzugsweise höher eingestellt werden, vorzugsweise auf 18 Mol-% oder mehr und mehr bevorzugt auf 25 Mol-% oder mehr. Allerdings wird die Kristallqualität eher schlechter, wenn dieses Verhältnis zu hoch wird, sodass das Verhältnis vorzugsweise 40 Mol-% oder weniger betragen kann.
  • (Gasphasenprozess)
  • Bei dem HVPE-Verfahren wird beispielsweise das Mischungsverhältnis für Wasserstoff in der Anfangsphase der Züchtung höher eingestellt (beispielsweise 50 Prozent oder mehr), sodass die Wachstumsgeschwindigkeit geringer wird (beispielsweise 10 bis 20 Mikron/h) und damit der Kristall hauptsächlich in die durch Pfeil C in 3(a) und 3(b) angegebene Richtung wächst. Anschließend wird das Mischungsverhältnis für Wasserstoff gesenkt (beispielsweise auf 30 Prozent oder weniger) und für V/III erhöht (beispielsweise auf 2000 oder mehr), um so das Wachstum hauptsächlich in den durch Pfeil A und B in 3(b) angegebenen Richtungen umzusetzen.
  • Das Nitrid des Elements der Gruppe 13, das mittels des Flussverfahrens gezüchtet wird, emittiert Fluoreszenz (blaue Fluoreszenz) mit einem breiten Peak bei einer Wellenlänge von 440 bis 470 nm, wenn es mit Licht mit einer Wellenlänge von 330 bis 385 nm (beispielsweise von einer Quecksilberlampe emittiertem Licht) bestrahlt wird. Andererseits emittiert das Nitrid des Elements der Gruppe 13, das mittels eines Gasphasenprozesses gezüchtet wird, Fluoreszenz (gelbe Fluoreszenz) mit einem breiten Peak bei einer Wellenlänge von 540 bis 580 nm, wenn es mit Licht mit einer Wellenlänge von 330 bis 385 nm bestrahlt wird. So lässt sich anhand der Farbe der durch Bestrahlen mit Licht mit einer Wellenlänge von 330 bis 385 nm emittierten Fluoreszenz zwischen den Nitridkristallen des Elements der Gruppe 13 unterscheiden, die mittels des Flussverfahrens und des Gasphasenprozesses hergestellt wurden.
  • (Verarbeiten und Form der Kristallschicht)
  • Wie in 2(b) und 2(c) dargestellt, wird das Kristallsubstrat 1A auf der Impfkristallschicht ausgebildet, wonach anschließend eine bestimmte Funktionsschicht auf der Oberfläche 14a der Dickschicht 14 ausgebildet werden kann. Alternativ kann das Kristallsubstrat 1A durch Schleifen, Abheben oder dergleichen vom Impfkristall entfernt werden, um das Kristallsubstrat 1A abzutrennen, wie in 4(a) gezeigt. In diesem Fall wird die bestimmte Funktionsschicht auf der Dickschicht 14 des abgetrennten Kristallsubstrats 1A ausgebildet. Zu diesem Zeitpunkt kann die untere Fläche 13b der Unterschicht 13 einem Polieren unterworfen werden, um eine Verformung des Kristallsubstrats zu mindern.
  • Alternativ kann die Oberfläche 14a der Dickschicht 14 poliert werden, um die Oberfläche 3a der Dickschicht 3 zu einer polierten Oberfläche zu machen, wie in 4(b) gezeigt. Weiterhin kann zu diesem Zeitpunkt die untere Fläche 13b der Unterschicht einem Polieren unterworfen werden, um die untere Fläche 2z der Unterschicht 2 zu einer polierten Oberfläche zu machen, wie in 4(b) gezeigt.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform hat die Kristallschicht des Nitrids des Elements der Gruppe 13 die Form einer kreisförmigen Platte und sie kann eine andere Form aufweisen, wie eine rechteckige Platte. Weiterhin kann die Abmessung des Galliumnitridsubstrats gemäß einer bevorzugten Ausführungsform einen Durchmesser φ von 25 mm oder mehr aufweisen. Somit ist es möglich, eine Kristallschicht bereitzustellen, die für die Massenfertigung von Funktionsvorrichtungen geeignet und einfach handhabbar ist.
  • Nachstehend sind das Schleifen und das Polieren der Oberflächen des Kristallsubstrats des Nitrids des Elements der Gruppe 13 beschrieben.
  • Beim Schleifen wird ein Gegenstand mit fixierten Schleifmitteln in Kontakt gebracht, die durch Fixieren der Schleifmittel mit einem Bindemittel erhalten und mit hoher Drehzahl rotiert werden, um eine Oberfläche des Gegenstands zu schleifen. Bei einem solchen Schleifen wird eine raue Oberfläche ausgebildet. Wenn eine untere Fläche des Galliumnitridsubstrats geschliffen wird, werden vorzugsweise fixierte Schleifmittel verwendet, die Schleifmittel enthalten, die aus SiC Al2O3, Diamant, CBN (kubisches Bornitrid, siehe auch nachstehend) oder dergleichen mit einer hohen Härte und einer Korngröße von etwa 10 µm bis 100 µm zusammengesetzt sind.
  • Weiterhin werden beim Läppen eine Oberflächenplatte und ein Gegenstand durch freie Schleifmittel (d. h. Schleifmittel, die nicht fixiert sind, siehe nachstehend) in Kontakt gebracht, während sie gegeneinander rotieren, oder fixierte Schleifmittel und der Gegenstand werden in Kontakt gebracht, während sie gegeneinander rotieren, um eine Oberfläche des Gegenstands zu polieren. Durch Läppen wird eine Oberfläche mit einer Oberflächenrauheit ausgebildet, die geringer ist als beim Schleifen und größer als beim Mikro-Läppen (Polieren). Vorzugsweise werden Schleifmittel verwendet, die aus SiC, Al2O3, Diamant, CBN oder dergleichen mit einer hohen Härte und einer Korngröße von etwa 0,5 µm oder mehr und 15 µm oder weniger zusammengesetzt sind.
  • Mikro-Läppen (Polieren) bedeutet, dass eine Polierscheibe und ein Gegenstand durch freie Schleifenmittel in Kontakt gebracht werden, während sie gegeneinander rotieren, oder dass fixierte Schleifmittel und der Gegenstand in Kontakt gebracht werden, während sie gegeneinander rotieren, um eine Oberfläche des Gegenstands einem Mikro-Läppen zu unterwerfen, um diese zu glätten. Mit einem solchen Polieren kann eine Oberfläche zum Züchten eines Kristalls erhalten werden, deren Oberflächenrauheit geringer ist als beim Läppen.
  • BEISPIELE
  • (Beispiel)
  • Das Kristallsubstrat und die lichtemittierende Vorrichtung wurden gemäß dem unter Bezugnahme auf 1 bis 4 beschriebenen Verfahren hergestellt.
  • (Herstellung eines Impfkristallsubstrats)
  • Auf der c-Ebene eines Saphirsubstrats 11 mit einem Durchmesser von 2 Zoll und einer Dicke von 500 µm wurde bei 530 □ unter Verwendung des MOCVD-Verfahrens eine Niedrigtemperatur-GaN-Pufferschicht mit 20 nm abgeschieden. Darauf wurde bei 1050 °C eine Impfkristallschicht 12 aus GaN mit einer Dicke von 2 µ m abgeschieden. Die mittels TEM (Transmissionselektronenmikroskop) beobachtete Defektdichte lag bei 1×109/cm2. Die erhaltene Anordnung wurde einem 10-minütigen Ultraschallbad mit organischem Lösungsmittel bzw. ultrareinem Wasser unterworfen und anschließend getrocknet, um ein Impfkristallsubstrat zu erhalten.
  • (Züchtung der Unterschicht)
  • In einen mit Inertgas gefüllten Handschuhkasten wurden Ga-Metall und Na-Mittel in einem molaren Verhältnis von 20:80 abgewogen und dann zusammen mit dem Impfkristallsubstrat in einen Aluminiumoxidschmelztiegel eingebracht. Weiterhin wurde als Dotiermittel flüssiges Germanium in einer Menge von 1 mol/cm3 im Verhältnis zu Ga eingetragen. Drei Schmelztiegel wurden gestapelt und eine Aluminiumoxidabdeckung oben auf den drei Schmelztiegeln angebracht. Diese wurden in einen Aufnahmebehälter (Reaktionsgefäß) aus Edelstahl gestellt. Vier Reaktionsgefäße mit jeweils dem Schmelztiegelstapel wurden gestapelt und in einen Aufnahmebehälter (Innenbehälter) aus Edelstahl gestellt.
  • Danach wurden Heizungen in einem Druckbehälter erwärmen, um die Rohstoffe in den Schmelztiegel zu schmelzen und die Ga-Na-Mischschmelzen zu erzeugen. Während die Schmelztiegel zum Aufrechterhalten der Temperatur von 880 °C erwärmt wurden, wurde Stickstoffgas aus einer Stickstoffgasflasche bis zu einem Druck von 4,0 MPa eingetragen, um das Kristallwachstum einzuleiten. Fünf Stunden später wurde die Temperatur im Schmelztiegel über 20 Stunden auf 850 °C gesenkt und der Druck auf 4,2 MPa erhöht. Zu diesem Zeitpunkt begann das Rühren durch laufendes Umkehren der Drehrichtung des Drehtisches, um den Wachstumsmodus des Kristalls zu ändern. Danach wurde der Druck 30 Minuten lang auf 4,0 MPa gesenkt und das Rühren durch laufendes Umkehren der Drehrichtung des Drehtisches fortgesetzt, um den Kristall zu züchten.
    Was die Drehbedingungen betrifft, wurde der Drehtisch um eine Mittelachse mit einer Drehzahl von 20 U/min im und gegen den Uhrzeigersinn über bestimmte Zeiträume gedreht. Der Zeitraum für die Beschleunigung betrug 6 Sekunden, die Retentionszeit betrug 200 Sekunden, die Abbremszeit betrug 6 Sekunden und die Stoppzeit betrug 1 Sekunde. Diese Bedingungen wurden 24 Stunden lang aufrechterhalten. Die Dicke des GaN-Kristalls wurde um etwa 300 Mikron erhöht.
  • Die Oberfläche des so erhaltenen Galliumnitrid-Kristallsubstrats wurde einem Polieren unterworfen, um eine Dicke von 250 Mikron zu erhalten. Die Dichte dunkler Flecken auf der Oberfläche wurde mittels Kathodenlumineszenz gemessen und betrug 2×105/cm2. Die Dichte der dunklen Flecken wurde als Defektdichte betrachtet. Eine Probe mit den Abmessungen 6 mm×6 mm wurde aus dem Kristallsubstrat abgetrennt und die Probe einer Lochmessung unterworfen, um die Trägerdichte zu erhalten, die 5×1018/cm3 betrug.
  • (Sichtung der Dickschicht)
  • Anschließend wurde n-GaN unter Verwendung des Flüssigphasenprozesses weiter um 100 Mikron gezüchtet. Es wurden Dotiermittel vom N-Typ eingebracht, sodass die Trägerdichte 1×1018/cm3 betrug.
  • Was die Züchtungsbedingungen betrifft, wurde die vorstehend beschriebene Drehzahl über 4 Stunden allmählich von 20 U/min auf 40 U/min erhöht und die Retentionszeit bei 35 U/min wurde über 4 Stunden von 200 Sekunden in Schritten von 100 Sekunden auf 600 Sekunden erhöht. Danach wurde der Kristall auf Raumtemperatur abgekühlt und entnommen. Über eine Gesamtdauer von 8 Stunden wurde ein Wachstum des Kristalls von etwa 100 Mikron erreicht.
  • (Herstellung des Wafers)
  • Anschließend wurde das Substrat einem Laserabheben unterworfen, sodass das Trägersubstrat und die Impfkristallschicht vom Galliumnitrid-Kristallsubstrat getrennt wurden. Beide Flächen des Kristallsubstrats wurden einer mechanischen Verarbeitung und einem Trockenätzen unterworfen, um das Glätten durchzuführen und einen 0,0508m-(2-Zoll)-Wafer 1 mit einer Dicke von 290 µm zu erhalten. Die Dicke der Dickschicht 3 und der Unterschicht 2 nach dem Polieren betrug etwa 40 Mikron bzw. 250 Mikron.
  • Die Querschnittsstruktur des Wafers wurde mittels CL untersucht. Zu diesem Zweck wurde der Querschnitt in hell lichtemittierende Regionen 5 und dunkle Regionen 4 in der Unterschicht geteilt. Jede der Regionen wurde mit einem säulenförmigen Querschnitt gezüchtet. Weiterhin wurden dunkle Linien als Resultat der Konzentration von Versetzungen im Mittelteil der hell lichtemittierenden Region 4 beobachtet. Die hell lichtemittierende Region 4 weist eine Defektdichte von 2 bis 5×108/cm2 und eine Trägerkonzentration von 1×1019/cm3 auf. Die Region 5 mit einer geringeren Lichtstärke weist eine im Wesentlichen einheitliche Defektdichte von 3×106/cm2 und eine Trägerkonzentration von 8×1016/cm3 auf.
  • In der Dickschicht 3 wiederum wurden eine einheitliche Lumineszenz und keine Regionen mit Versetzungskonzentrationen beobachtet. Die Defektdichte war etwa einheitlich und betrug 3×106/m3, und die Trägerkonzentration betrug 1×1018/cm3.
  • Die Trägerkonzentration wurde wie folgt gemessen. Die CL-Messung wurde mit vier Proben durchgeführt, deren Trägerkonzentration zuvor in einem Wirbelstromsystem gemessen worden war (1×1017/cm3; 1×1018/cm3; 5×1018/cm3; 1×1019/cm3). Die Helligkeit jedes der entsprechenden Bilder wurde einer Bildverarbeitung mit 8 Bit (255 Abstufungen) unterworfen, um eine Kalibrationslinie betreffend die Trägerdichte und die Helligkeit des CL-Bilds zu erhalten. Die so erhaltene Kalibrationslinie wurde zur Berechnung der Trägerkonzentration verwendet.
  • Weiterhin wurde die so erhaltene Dickschicht 3 mit Licht mit einer Wellenlänge von 330 bis 385 nm von einer Quecksilberlampe bestrahlt. Dies ergab eine oszillierende Fluoreszenz (blaue Fluoreszenz) mit einem breiten Peak bei 440 bis 470 nm.
  • (Herstellung der lichtemittierenden Vorrichtung)
  • Das so erhaltene Kristallsubstrat wurde zur Herstellung einer LED-Struktur mittels des MOCVD-Verfahrens verwendet. Anschließend wurden Elektroden angeordnet und die hintere Fläche poliert, sodass die Dicke der Unterschicht nach dem Polieren der Hinterseite 70 Mikron betrug. Dann wurde durch Zerschneiden eine blaue LED mit den Abmessungen 1 mm×1 mm mit einer Struktur vom Horizontaltyp hergestellt. Die interne Quantenausbeute wurde mit einem Treiberstrom von 350 mA gemessen und betrug etwa 80 Prozent. Die Lichtstärke war über die gesamte Ebene hinweg einheitlich. Weiterhin wurde der Treiberstrom auf 1000 mA erhöht und die interne Quantenausbeute gemessen, die 65 Prozent betrug. Weiterhin war der Leckstrom bei einer angelegten Spannung von 2 V 0,01 pA.
  • (Vergleichsbeispiel 1)
  • Ein Kristallsubstrat wurde gemäß demselben Verfahren wie in Beispiel 1 hergestellt und darauf wurde die LED-Struktur aufgebracht. Im Unterschied zu Beispiel 1 wurde das Kristallwachstum jedoch in der Phase der Ausbildung der Unterschicht beendet und die Dickschicht wurde nicht ausgebildet.
  • Bei Beobachtung des Querschnitts der Unterschicht gemäß demselben Verfahren wie in Beispiel 1 wurden hell lichtemittierende Regionen 5 und dunkle Regionen 4 festgestellt, die sich jeweils in Längsrichtung säulenförmig in Wachstumsrichtung erstrecken und sich nicht überschneiden. In den hell lichtemittierenden Regionen 4 wurden zahlreiche schwarze Linien beobachtet, die für Versetzungslinien gehalten wurden. In den dunklen Regionen 5 wiederum wurden diese schwarzen Linien kaum beobachtet. Weiterhin waren die Defektdichte und die Trägerkonzentration in den Regionen 4 und 5 im Wesentlichen gleich denen in Beispiel 1.
  • Die interne Quantenausbeute der so erhaltenen LED-Vorrichtung wurde bei einem Treiberstrom von 350 mA gemessen und ein relativ hoher Wert von etwa 75 Prozent erhalten, die lichtemittierende Stärke erwies sich jedoch als uneinheitlich in einer Ebene. Weiterhin wurde der Treiberstrom auf 1000 mA erhöht und die interne Quantenausbeute gemessen. Sie betrug weniger als 55 Prozent und die Abweichung der lichtemittierenden Ausbeute war erheblich. Weiterhin betrug der Leckstrom bei einer angelegten Spannung von 2 V 1 mA und lag damit über dem Wert in Beispiel 1.
  • Anhand der vorstehend beschriebenen Versuchsergebnisse konnte gezeigt werden, dass die defektangereicherte Region in den hell lichtemittierenden Regionen 4 der Unterschicht die Ursache des Leckstroms war.

Claims (11)

  1. Substrat aus einem Kristall eines Nitrids der Gruppe 13, umfassend eine Unterschicht und eine Dickschicht: wobei die Unterschicht einen Kristall eines Nitrids eines Elements der Gruppe 13 und eine erste Hauptfläche und eine zweite Hauptfläche umfasst; wobei die Dickschicht einen Kristall eines Nitrids eines Elements der Gruppe 13 umfasst und über der ersten Hauptfläche der Unterschicht angeordnet ist; wobei die Unterschicht eine Region mit geringer Trägerkonzentration und eine Region mit hoher Trägerkonzentration umfasst, die sich beide zwischen der ersten Hauptfläche und der zweiten Hauptfläche erstrecken; wobei die Region mit geringer Trägerkonzentration eine Trägerkonzentration von 1×1016/cm3 oder mehr und 1017/cm3 oder weniger aufweist; wobei die Region mit geringer Trägerkonzentration eine Defektdichte an Versetzungen von 2×106/cm2 oder mehr und 107/cm2 oder weniger aufweist; wobei die Region mit hoher Trägerkonzentration eine Trägerkonzentration von 1019/cm3 oder mehr und 5×1019/cm3 oder weniger aufweist; wobei die Region mit hoher Trägerkonzentration eine Defektdichte an Versetzungen von 108/cm2 oder mehr aufweist; wobei die Dickschicht eine Trägerkonzentration von 1018/cm3 oder mehr und 1019/cm3 oder weniger aufweist; wobei die Dickschicht eine Defektdichte an Versetzungen von 107/cm2 oder weniger aufweist; und wobei der Kristall des Nitrids des Elements der Gruppe 13 eine Richtung eines Wachstums senkrecht zur c-Ebene einer Wurtzit-Struktur aufweist.
  2. Kristallsubstrat nach Anspruch 1, wobei eine Defektdichte an einer Oberfläche der Dickschicht 107/cm2 oder weniger beträgt.
  3. Kristallsubstrat nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Region mit hoher Trägerkonzentration eine Defektdichte an Versetzungen von 108/cm2 oder mehr und 5×108/cm2 oder weniger aufweist.
  4. Kristallsubstrat nach Anspruch 3, wobei die Region mit hoher Trägerkonzentration eine Defektdichte an Versetzungen von 2 bis 5×108/cm2 aufweist.
  5. Kristallsubstrat nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Dickschicht eine Dicke von 1 µm oder mehr aufweist und wobei die Unterschicht eine Dicke von 50 µm oder mehr und 200 µm oder weniger aufweist.
  6. Kristallsubstrat nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Dickschicht durch ein Flussverfahren oder ein Gasphasenverfahren ausgebildet wird.
  7. Kristallsubstrat nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei eine Oberfläche der Dickschicht eine polierte Oberfläche umfasst.
  8. Kristallsubstrat nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Kristall des Nitrids des Elements der Gruppe 13, der die Unterschicht ausbildet, und der Kristall des Nitrids des Elements der Gruppe 13, der die Dickschicht ausbildet, Galliumnitrid umfasst.
  9. Verwendung des Kristallsubstrats nach einem der Ansprüche 1 bis 8 in einer Funktionsvorrichtung, wobei auf der Dickschicht des Kristallsubstrats eine Funktionsschicht ausgebildet ist, umfassend ein Nitrid eines Elements der Gruppe 13.
  10. Verwendung des Kristallsubstrats nach Anspruch 9, wobei die Funktionsschicht eine Funktion zum Emittieren von Licht aufweist.
  11. Verwendung des Kristallsubstrats nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Funktionsvorrichtung weiterhin einen Impfkristall umfasst, umfassend ein Nitrid eines Elements der Gruppe 13, und wobei das Kristallsubstrat über dem Impfkristall bereitgestellt ist.
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