DE112021003786T5

DE112021003786T5 - Halbleitersubstrat von einem Nitrid der Gruppe III

Info

Publication number: DE112021003786T5
Application number: DE112021003786.2T
Authority: DE
Inventors: Kentaro Nonaka; Takayuki Hirao; Katsuhiro Imai
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2020-10-09
Filing date: 2021-07-01
Publication date: 2023-06-01
Also published as: JPWO2022074880A1; JP7254962B2; CN116075608A; US20230246132A1; WO2022074880A1

Abstract

Es wird ein Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III mit großem Durchmesser bereitgestellt, das eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche enthält, bei dem trotz seines großen Durchmessers Qualitätsschwankungen in der ersten Oberfläche unterdrückt werden. Ein Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, beinhaltet: eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche, wobei das Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III einen Durchmesser von 100 mm oder mehr aufweist, und wobei das Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III einen Variationskoeffizienten einer Intensität der gelben Lumineszenz in einem Bereich, der 88% oder mehr einer gesamten Region der ersten Oberfläche entspricht, von 0,3 oder weniger, basierend auf einem Photolumineszenzspektrum, das durch Photolumineszenzmessung eines Bereichs der gesamten Region der ersten Oberfläche erhalten wird, aufweist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III. Genauer gesagt, betrifft die vorliegende Erfindung ein Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III mit großem Durchmesser, das eine Hauptoberfläche und eine Rückoberfläche enthält, die sich in einer vorderen und hinteren Beziehung befinden, wobei Qualitätsschwankungen in der Hauptoberfläche unterdrückt werden.
Technischer Hintergrund
Ein Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III, wie ein Galliumnitrid- (GaN)-Wafer, ein Aluminiumnitrid- (AIN)-Wafer oder ein Indiumnitrid-(InN)-Wafer, wurde als jedes von den Substraten verschiedener Halbleitervorrichtungen verwendet (z.B. Patentliteratur 1).
Ein Halbleitersubstrat beinhaltet eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche. Wenn die erste Oberfläche als Hauptoberfläche und die zweite Oberfläche als Rückoberfläche definiert ist, ist die Hauptoberfläche typischerweise eine polare Oberfläche eines Elements der Gruppe III und die Rückoberfläche typischerweise eine polare Stickstoffoberfläche. Auf der Hauptoberfläche kann ein Epitaxiekristall gezüchtet werden und es können verschiedene Vorrichtungen darauf hergestellt werden.
Das Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III wurde als Basissubstrat einer lichtemittierenden Vorrichtung, wie einer LED oder einer LD, verwendet. In den letzten Jahren hat auch die Anwendung auf eine elektronische Hochfrequenz-/Hochleistungsvorrichtung Aufmerksamkeit erregt. Insbesondere eine Vorrichtung zur Handhabung großer elektrischer Leistung bringt eine Vergrößerung der Elemente mit sich und daher muss der Durchmesser des Halbleitersubstrats von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III von 2 Inch (Durchmesser: 50,8 mm), wie derzeit üblich, auf 4 Inch (ca. 100 mm), 6 Inch (etwa 150 mm) oder dergleichen erhöht werden.
Als Technologien für ein Halbleitersubstrat mit großem Durchmesser von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III wurden berichtet: ein Substrat mit einem Durchmesser von 100 mm oder mehr, das durch Tiling eines Impfsubstrats hergestellt wurde (Patentliteratur 2); ein Substrat mit 10 bis 300 Kristallpolaritätsumkehrregionen (Kernen) in 4 Inch (Nicht-Patentliteratur 1); und ein Substrat mit einem Durchmesser von 100 mm oder mehr, das zwei Regionen mit unterschiedlichen Tiefenemissionsintensitäten bei der Mikro-Photolumineszenzkartierung in einer 2 mm großen quadratischen Region enthält (Patentliteratur 3).
In jeder der vorstehend beschriebenen Technologien des Standes der Technik wird zum Zeitpunkt des Kristallwachstums in dem Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III mit großem Durchmesser zusätzlich zu einer c-Ebene eine Region mit einer anderen Kristallebenenrichtung, wie einer Facettenwachstumsebene, in Makrogröße erzeugt. Dem entsprechen z.B. eine Region in der Nähe einer Tiling-Joint-Grenzfläche, die Polaritätsumkehrregion (Kern) und die zwei Regionen mit unterschiedlichen Tiefenemissionsintensitäten in der Mikro-Photolumineszenzkartierung. Die Facettenwachstumsebene hat einen höheren Einschluss von Verunreinigungen als die c-Ebene und daher hat das Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III mit großem Durchmesser, das eine solche Region wie vorstehend beschrieben enthält, eine ungleichmäßige Konzentration von Verunreinigungen in der Hauptoberfläche, was zu Qualitätsschwankungen in der Hauptoberfläche führt. Wenn das Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III mit großem Durchmesser solche Qualitätsschwankungen wie vorstehend beschrieben in der Hauptoberfläche aufweist, treten außerdem Schwankungen in den Eigenschaften einer auf der Hauptoberfläche gebildeten Vorrichtung auf.
Zitatenliste
Patentliteratur

[PTL 1] JP 2005-263609 A
[PTL 2] JP 6203460 B1
[PTL 3] JP 6269368 B2

Nicht-Patent-Literatur
[NPL 1] COMPOUND SEMICONDUCTOR MANTECH (2017 International Conference on Compound Semiconductor Manufacturing Technology (22. Mai - 25. Mai 2017)), Session 16.4, „Development of Non-Core 4-inch GaN Substrate,“ proceedings
Kurzdarstellung der Erfindung
Technisches Problem
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III mit großem Durchmesser bereitzustellen, das eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche aufweist, bei dem trotz des großen Durchmessers Qualitätsschwankungen in der ersten Oberfläche unterdrückt werden.
Lösung des Problems
Ein Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beinhaltet: eine erste Oberfläche; und eine zweite Oberfläche, wobei das Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III einen Durchmesser von 100 mm oder mehr aufweist, und wobei das Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III einen Variationskoeffizienten einer Intensität der gelben Lumineszenz in einem Bereich, der 88 % oder mehr einer gesamten Region der ersten Oberfläche entspricht, von 0,3 oder weniger aufweist, basierend auf einem Photolumineszenzspektrum, das durch Photolumineszenzmessung eines Bereichs der gesamten Region der ersten Oberfläche erhalten wird.
In einer Ausführungsform beträgt der Variationskoeffizient 0,2 oder weniger.
In einer Ausführungsform hat das Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III einen Variationskoeffizienten einer Intensität der gelben Lumineszenz in einem Bereich, der 92% oder mehr der gesamten Region der ersten Oberfläche entspricht, von 0,3 oder weniger, basierend auf einem Photolumineszenzspektrum, das durch Photolumineszenzmessung eines Bereichs der gesamten Region der ersten Oberfläche erhalten wurde.
In einer Ausführungsform beträgt der Variationskoeffizient 0,2 oder weniger.
In einer Ausführungsform beträgt das Messintervall Y bei der Photolumineszenzmessung 1 mm oder weniger.
In einer Ausführungsform weist das Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III eine Verwerfung von 100 µm oder weniger auf.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann das Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III mit großem Durchmesser bereitgestellt werden, das eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche aufweist, bei der trotz des großen Durchmessers Qualitätsschwankungen in der ersten Oberfläche unterdrückt werden.
Figurenliste

1 ist eine typische schematische Schnittansicht eines Halbleitersubstrats von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine typische schematische Draufsicht auf das Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, gesehen von einer ersten Oberflächenseite.
3 sind schematische, erläuternde Ansichten zur Veranschaulichung eines Verfahrens zur Herstellung eines Halbleitersubstrats von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Beschreibung der Ausführungsformen
Wenn hier der Ausdruck „Gewicht“ verwendet wird, kann er durch „Masse“ ersetzt werden, die üblicherweise als SI-Einheit für ein Gewicht verwendet wird.
Ein Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist typischerweise ein freistehendes Substrat, das aus einem Nitridkristall eines Elements der Gruppe III besteht. In der Beschreibung der vorliegenden Erfindung bedeutet der Begriff „freistehendes Substrat“ ein Substrat, das zum Zeitpunkt seiner Handhabung nicht durch sein eigenes Gewicht verformt oder gebrochen wird und daher wie ein Festkörper gehandhabt werden kann. Das freistehende Substrat kann als jedes der Substrate verschiedener Halbleitervorrichtungen verwendet werden, wie einer lichtemittierenden Vorrichtung und einer Leistungssteuerungsvorrichtung.
Das Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist typischerweise die Form eines Wafers auf (im Wesentlichen eine runde Form). Allerdings kann das Substrat erforderlichenfalls in jede andere Form, wie eine rechteckige Form, verarbeitet werden.
Das Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein sogenanntes Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III mit großem Durchmesser und weist einen Durchmesser von 100 mm oder mehr auf. Wenn das Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein solches Substrat mit großem Durchmesser ist, kann das Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III leicht auf eine elektronische Hochfrequenz-/Hochleistungsvorrichtung angewendet werden, insbesondere auf eine solche Vorrichtung zur Handhabung großer elektrischer Leistung, was eine Vergrößerung der Elementgröße zur Folge hat.
Spezielle Beispiele für das Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III mit großem Durchmesser beinhalten einen 4-Inch-Wafer, einen 6-Inch-Wafer, einen 8-Inch-Wafer und einen 12-Inch-Wafer.
Die Dicke des Halbleitersubstrats von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung (wenn die Dicke nicht konstant ist, die Dicke einer Stelle mit der größten Dicke) beträgt vorzugsweise 300 µm bis 1000 µm.
Typische Beispiele für Nitride eines Elements der Gruppe III sind Galliumnitrid (GaN), Aluminiumnitrid (AIN), Indiumnitrid (InN) und deren Mischkristalle. Diese Nitride können einzeln oder in Kombination miteinander verwendet werden.
Das Nitrid eines Elements der Gruppe III ist insbesondere GaN, AIN, InN, Ga_xAl_1-xN (1>x>0), Ga_xIn_1-xN (1 >x>0), Al_xIn_1-xN (1 >x>0) oder Ga_xAl_yIn_zN (1>x>0, 1 >y>0, x+y+z=1). Diese Nitride können mit verschiedenen n-Dotierungsmitteln vom n-Typ oder n-Dotierungsmitteln vom p-Typ dotiert sein.
Typische Beispiele für das n-Dotierungsmittel vom p-Typ sind Beryllium (Be), Magnesium (Mg), Strontium (Sr) und Cadmium (Cd). Diese Dotierungsmittel können einzeln oder in Kombination miteinander verwendet werden.
Typische Beispiele für das Dotierungsmittel vom n-Typ sind Silizium (Si), Germanium (Ge), Zinn (Sn) und Sauerstoff (O). Diese Dotierungsmittel können einzeln oder in Kombination miteinander verwendet werden.
Die Ebenenrichtung des Halbleitersubstrats von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III kann auf eine c-Ebene, eine m-Ebene, eine a-Ebene oder eine spezielle Kristallebene, die von jeder der c-Ebene, der a-Ebene und der m-Ebene geneigt ist, eingestellt werden, und insbesondere, wenn die Ebenenrichtung auf die c-Ebene eingestellt ist, werden die Wirkungen der vorliegenden Erfindung in einem stärkeren Maße deutlich. Beispiele für die spezielle Kristallebene, die gegenüber der c-Ebene, der a-Ebene und der m-Ebene geneigt ist, können sogenannte semipolare Ebenen sein, wie eine {11-22}-Ebene und eine {20-21 }-Ebene. Darüber hinaus darf die Ebenenrichtung nicht nur eine sogenannte gerade Ebene senkrecht zur c-Ebene, a-Ebene, m-Ebene oder der speziellen Kristallebene, die von jeder der Ebenen geneigt ist, beinhalten, sondern auch einen Off-Winkel im Bereich von ±5°.
Das Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III, das eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche aufweist. Wenn die erste Oberfläche als Hauptoberfläche und die zweite Oberfläche als Rückoberfläche definiert ist, ist die Hauptoberfläche typischerweise eine polare Oberfläche eines Elements der Gruppe III und die Rückoberfläche typischerweise eine polare Stickstoffoberfläche, solange die Ebenenrichtung des Halbleitersubstrats von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III die c-Ebene ist. Die Hauptoberfläche kann jedoch auf die polare Stickstoffoberfläche und die Rückoberfläche auf die polare Oberfläche des Elements der Gruppe III eingestellt werden. Auf der Hauptoberfläche kann ein Epitaxiekristall gezüchtet werden und darauf können verschiedene Vorrichtungen hergestellt werden. Die Rückoberfläche kann mit einem Suszeptor oder dergleichen gehalten werden, um das Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu übertragen.
In der Beschreibung des Halbleitersubstrats von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die erste Oberfläche als die Hauptoberfläche und die zweite Oberfläche als die Rückoberfläche beschrieben. Dementsprechend kann in dieser Beschreibung der Begriff „Hauptoberfläche“ durch „erste Oberfläche“ ersetzt werden, der Begriff „erste Oberfläche“ kann durch „Hauptoberfläche“ ersetzt werden, der Begriff „Rückoberfläche“ kann durch „zweite Oberfläche“ ersetzt werden und der Begriff „zweite Oberfläche“ kann durch „Rückoberfläche“ ersetzt werden.
Die Hauptoberfläche kann eine Spiegeloberfläche oder eine Nicht-Spiegeloberfläche sein. Die Hauptoberfläche ist vorzugsweise eine Spiegeloberfläche.
Die Hauptoberfläche ist vorzugsweise eine Oberfläche, von der eine betroffene Schicht im Wesentlichen entfernt ist und die eine geringe Oberflächenrauigkeit in einer mikroskopischen Region unter dem Gesichtspunkt aufweist, ein Halbleitersubstrat zu erhalten, in dem Vorrichtungen, die durch epitaktisches Aufwachsen von Vorrichtungsschichten hergestellt werden sollen, zufriedenstellende Eigenschaften aufweisen und Abweichungen in den Vorrichtungseigenschaften zwischen den Vorrichtungen vermindert sind.
Die Rückoberfläche kann eine Spiegeloberfläche oder eine Nicht-Spiegeloberfläche sein.
Der Begriff „Spiegeloberfläche“ bezieht sich auf eine Oberfläche, die einer Spiegelbearbeitung unterzogen wird, wobei die Oberfläche in einen Zustand gebracht wird, in dem die Rauigkeit und die Welligkeit der Oberfläche in einem solchen Maße vermindert sind, dass Licht nach der Spiegelbearbeitung reflektiert wird und somit die Tatsache, dass ein Gegenstand auf der der Spiegelbearbeitung unterzogenen Oberfläche reflektiert wird, visuell beobachtet werden kann. Mit anderen Worten, der Begriff bezieht sich auf eine Oberfläche in einem Zustand, in dem die Größe der Rauigkeit und der Welligkeit der Oberfläche nach der Spiegelbearbeitung so weit vermindert ist, dass sie in Bezug auf die Wellenlänge des sichtbaren Lichts ausreichend vernachlässigbar ist. Ein Epitaxiekristall kann auf der Oberfläche, die der Spiegelbearbeitung unterzogen wird, ausreichend gezüchtet werden.
Jedes geeignete Verfahren kann als Verfahren für die Spiegelbearbeitung zu einem Maße angenommen werden, soweit die Wirkungen der vorliegenden Erfindung nicht beeinträchtigt werden. Ein Beispiel für ein solches Verfahren ist ein Verfahren, bei dem die Spiegelbearbeitung unter Verwendung eines oder einer Kombination von zwei oder mehreren der folgenden Geräte durchgeführt wird: ein Poliergerät, das ein Band verwendet; ein Läppgerät, das Diamantschleifkörner verwendet; und ein chemisch-mechanisches Poliergerät (CMP), das eine Aufschlämmung wie kolloidales Siliziumdioxid und ein aus einem Vliesstoff hergestelltes Polierkissen verwendet. Wenn die betroffene Schicht nach der Bearbeitung auf der Oberfläche verbleibt, wird die betroffene Schicht entfernt. Als Verfahren zum Entfernen der betroffenen Schicht gibt es beispielsweise ein Verfahren, bei dem die betroffene Schicht durch reaktives Ionenätzen (RIE) oder eine chemische Flüssigkeit entfernt wird, und ein Verfahren, bei dem das Substrat geglüht wird.
Der Begriff „Nicht-Spiegeloberfläche“ bezieht sich auf eine Oberfläche, die nicht spiegelnd bearbeitet wird, und ein typisches Beispiel dafür ist eine raue Oberfläche, die durch eine Oberflächenaufrauungsbehandlung erhalten wird.
Als Verfahren zur Oberflächenaufrauung kann jedes geeignete Verfahren angewandt werden, sofern die Wirkung der vorliegenden Erfindung nicht beeinträchtigt wird. Beispiele für solche Verfahren sind: Schleifen mit Schleifstein; Lasertexturierung; Ätzbehandlung mit verschiedenen chemischen Flüssigkeiten und Gasen; physikalische oder chemische Beschichtungsbehandlung und Texturierung durch maschinelle Bearbeitung.
1 ist eine typische schematische Schnittansicht des Halbleitersubstrats von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie in 1 dargestellt, weist ein Halbleitersubstrat 100 von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung typischerweise eine Hauptoberfläche (polare Oberfläche des Elements der Gruppe III) 10 und eine Rückoberfläche (polare Stickstoff-Oberfläche) 20 auf. Das Halbleitersubstrat 100 von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann eine Seitenoberfläche 30 aufweisen.
Ein Endabschnitt des Halbleitersubstrats von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann jede geeignete Form zu einem Maße annehmen, soweit die Wirkungen der vorliegenden Erfindung nicht beeinträchtigt werden. Beispiele für die Form des Endabschnitts des Halbleitersubstrats von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beinhalten: eine Form, bei der abgeschrägte Abschnitte auf einer Hauptoberflächenseite und auf einer Rückoberflächenseite jeweils so abgeschrägt sind, dass sie eine ebene Oberfläche bilden; eine Form, bei der die abgeschrägten Abschnitte auf der Hauptoberflächenseite und auf der Rückoberflächenseite jeweils R-förmig abgeschrägt sind; eine Form, bei der nur der abgeschrägte Abschnitt auf der Hauptoberflächenseite des Endabschnitts so abgeschrägt ist, dass er eine ebene Oberfläche ist; und eine Form, bei der nur der abgeschrägte Abschnitt auf der Rückoberflächenseite des Endabschnitts so abgeschrägt ist, dass er eine ebene Oberfläche ist.
Wenn der Endabschnitt des Halbleitersubstrats von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung abgeschrägt ist, kann der abgeschrägte Abschnitt über die gesamte Runde eines äußeren Umfangsabschnitts oder nur in einem Teil des äußeren Umfangsabschnitts angeordnet sein.
Das Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist einen Variationskoeffizienten einer Intensität der gelben Lumineszenz in einem Bereich auf, der 88% oder mehr der gesamten Region der Hauptoberfläche entspricht, von 0,3 oder weniger, vorzugsweise 0,25 oder weniger, bevorzugter 0,2 oder weniger, besonders bevorzugt 0,17 oder weniger, basierend auf einem Photolumineszenzspektrum, das durch Photolumineszenzmessung eines Bereichs der gesamten Region der Hauptoberfläche erhalten wurde. Wenn der Variationskoeffizient innerhalb der vorstehend genannten Bereiche eingestellt wird, kann ein Halbleitersubstrat mit einem Nitrid eines Elements der Gruppe III bereitgestellt werden, bei dem trotz seines großen Durchmessers Qualitätsschwankungen in der Hauptoberfläche unterdrückt werden.
Das durch die Photolumineszenzmessung der Oberfläche des Halbleitersubstrats von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III erhaltene Photolumineszenzspektrum spiegelt Verunreinigungen in einem Kristall des Halbleitersubstrats oder einen aus den Verunreinigungen resultierenden Defekt (atomare Leerstelle oder dergleichen) wider. Dementsprechend dient die Intensität der gelben Lumineszenz als Qualitätsindikator für das Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III. Wenn die Photolumineszenzmessung in einem Bereich der gesamten Region der Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III durchgeführt wird, können außerdem Schwankungen von Verunreinigungen oder einem Defekt (atomare Leerstelle oder dergleichen), die aus den Verunreinigungen in der gesamten Region der Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III resultieren, erfasst werden.
Das Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist einen Variationskoeffizienten einer Intensität der gelben Lumineszenz in einem Bereich auf, der 92% oder mehr der gesamten Region der Hauptoberfläche entspricht, von vorzugsweise 0,3 oder weniger, bevorzugter 0,25 oder weniger, noch bevorzugter 0,2 oder weniger, besonders bevorzugt 0,18 oder weniger, basierend auf einem Photolumineszenzspektrum, das durch Photolumineszenzmessung eines Bereichs der gesamten Region der Hauptoberfläche erhalten wurde. Wenn der Variationskoeffizient innerhalb der vorstehend genannten Bereiche eingestellt wird, kann ein Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III bereitgestellt werden, bei dem trotz seines gro-ßen Durchmessers Qualitätsschwankungen in der Hauptoberfläche weiter unterdrückt werden.
Hierin bezieht sich der „Variationskoeffizient einer Intensität der gelben Lumineszenz in einem Bereich, der X% der gesamten Region der Hauptoberfläche entspricht, basierend auf einem Photolumineszenzspektrum, das durch Photolumineszenzmessung eines Bereichs der gesamten Region der Hauptoberfläche erhalten wurde“ auf einen Wert, der wie folgt erhalten wird. Aus einem Photolumineszenzspektrum, das durch Durchführung einer Photolumineszenzmessung an einem Bereich der gesamten Region der Hauptoberfläche in einem vorbestimmten Messintervall Y erhalten wurde, werden der Durchschnitt und die Standardabweichung der Intensitäten der gelben Lumineszenz in dem Bereich, der X% der gesamten Region der Hauptoberfläche entspricht, bestimmt, und ein Wert für den Variationskoeffizienten wird durch (Standardabweichung/Durchschnitt der Intensitäten der gelben Lumineszenz) berechnet.
Das Messintervall Y bei der Photolumineszenzmessung beträgt vorzugsweise 1 mm oder weniger. Wenn das Messintervall Y bei der Photolumineszenzmessung auf 1 mm oder weniger eingestellt ist, kann ein Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III bereitgestellt werden, bei dem trotz seines großen Durchmessers Qualitätsschwankungen in der Hauptoberfläche weiter unterdrückt werden.
„X%“ bedeutet das Verhältnis einer Region mit Ausnahme einer geeigneten Region zur gesamten Region der Hauptoberfläche. Die geeignete Region ist typischerweise eine Region eines äußeren Umfangsabschnitt, in der keine Vorrichtung gebildet wird. Wie in 2 dargestellt, ist der äußere Umfangsabschnitt, der eine solche Region ist, in der keine Vorrichtung gebildet wird, eine Region mit einem Abstand einer Breite D1 von einem äußeren Umfangsendabschnitt 12 in Richtung einer inneren Seitenrichtung der Hauptoberfläche 10 über die gesamte Runde. Die Breite D1 des äußeren Umfangsabschnitts der Hauptoberfläche ist ein Abstand, der von dem äußeren Umfangsendabschnitt 12 ausgeht und ein Abstand in Richtung der inneren Seitenrichtung der Hauptoberfläche 10 und in einer normalen Richtung zu einer Tangente an dem äußeren Umfangsendabschnitt 12 ist. Die Breite D1 ist vorzugsweise konstant.
Als Breite D1 kann jede geeignete Breite gewählt werden, soweit die Wirkungen der vorliegenden Erfindung nicht beeinträchtigt werden. Die Breite D1 ist vorzugsweise 5 mm oder weniger, bevorzugter 4 mm oder weniger, noch bevorzugter 3 mm oder weniger, besonders bevorzugt 2 mm oder weniger, am meisten bevorzugt 1 mm oder weniger, weil die Wirkungen der vorliegenden Erfindung in einem größeren Umfang ausgedrückt werden können. Der untere Grenzwert der Breite D1 beträgt vorzugsweise 0,3 mm oder mehr, weil die Wirkungen der vorliegenden Erfindung in größerem Umfang zum Ausdruck gebracht werden können.
Trotz der Tatsache, dass das Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einen großen Durchmesser hat, werden Qualitätsschwankungen in der Hauptoberfläche davon unterdrückt und daher weist das Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III eine kleine Verwerfung auf. Die Verwerfung beträgt vorzugsweise 100 µm oder weniger, bevorzugter 80 µm oder weniger, noch bevorzugter 50 µm oder weniger, besonders bevorzugt 30 µm oder weniger.
Das Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann durch jedes geeignete Verfahren zu einem Maße hergestellt werden, soweit die Wirkungen der vorliegenden Erfindung nicht beeinträchtigt werden. Um die Wirkungen der vorliegenden Erfindung in größerem Maße zum Ausdruck zu bringen, wird nachstehend ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung des Halbleitersubstrats von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
In dem Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird typischerweise, wie in 3(a) dargestellt, ein Impfkristallfilm 2 auf einer Hauptoberfläche 1a eines Basissubstrats 1 gebildet und eine Schicht 3 von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III wird auf einer polaren Oberfläche 2a von einem Element der Gruppe III des Impfkristallfilms 2 gebildet. Als Nächstes wird eine Schicht von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III (Keimkristallfilm 2+Schicht 3 von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III), die als freistehendes Substrat dient, von dem Basissubstrat 1 getrennt. Somit wird ein freistehendes Substrat 100' mit einer Hauptoberfläche 10' und einer Rückoberfläche 20' erhalten.
Als Material für das Basissubstrat kann jedes geeignete Material verwendet werden, sofern die Wirkung der vorliegenden Erfindung nicht beeinträchtigt wird. Beispiele für ein solches Material sind Saphir, kristallorientiertes Aluminiumoxid, Galliumoxid, Al_xGa_1-xN (0≤x≤1), GaAs und SiC.
Als Material für den Impfkristallfilm kann jedes geeignete Material verwendet werden, soweit die Wirkungen der vorliegenden Erfindung nicht beeinträchtigt werden. Beispiele für ein solches Material sind Al_xGa_1-xN (0≤x≤1) und In_xGa_1-xN (0≤x≤1 ). Von diesen ist Galliumnitrid bevorzugt. Das Material für den Impfkristallfilm ist bevorzugter Galliumnitrid, das bei der Beobachtung mit einem Fluoreszenzmikroskop einen gelben Lumineszenzeffekt zeigt. Der Begriff „gelbe Lumineszenz“ bezieht sich auf einen Peak (gelbe Lumineszenz (YL) oder eine gelbe Bande (YB)), der/die im Bereich von 2,2 eV bis 2,5 eV zusätzlich zu einem Exzitonenübergang (UV) von einer Bande zu einer anderen Bande auftritt.
Als Verfahren zur Bildung des Impfkristallfilms kann jedes geeignete Bildungsverfahren zu einem Maße verwendet werden, soweit die Wirkungen der vorliegenden Erfindung nicht beeinträchtigt werden. Ein solches Bildungsverfahren ist zum Beispiel ein Dampfwachstumsverfahren und bevorzugte Beispiele dafür sind eine metallorganische chemische Dampfabscheidung (MOCVD), eine Hydrid-Dampfphasenepitaxie (HVPE), eine gepulste Anregungsabscheidung (PXD), eine Molekularstrahlepitaxie (MBE) und ein Sublimationsverfahren. Von diesen Verfahren ist die metallorganische chemische Dampfabscheidung (MOCVD) das bevorzugte Verfahren zur Herstellung des Impfkristallfilms.
Die Herstellung des Impfkristallfilms nach dem MOCVD-Verfahren erfolgt vorzugsweise z.B. durch Abscheiden einer bei niedriger Temperatur gewachsenen Pufferschicht von 20 nm bis 50 nm bei 450°C bis 550°C und anschließendes Laminieren eines Films mit einer Dicke von 2 µm bis 4 µm bei 1000°C bis 1200°C.
Jede geeignete Wachstumsrichtung kann als Wachstumsrichtung einer Nitridkristallschicht eines Elements der Gruppe III in dem Maße angenommen wer-den, dass die Wirkungen der vorliegenden Erfindung nicht beeinträchtigt werden. Beispiele für eine solche Wachstumsrichtung sind: die senkrechte Richtung der c-Ebene einer Wurtzit-Struktur; die senkrechte Richtung der a-Ebene und der m-Ebene; und die senkrechte Richtung einer Ebene, die gegenüber der c-Ebene, der a-Ebene und der m-Ebene geneigt ist.
Jedes geeignete Bildungsverfahren kann als Verfahren zur Bildung der Nitridkristallschicht eines Elements der Gruppe III in dem Maße angenommen werden, dass die Wirkungen der vorliegenden Erfindung nicht beeinträchtigt werden, solange eine durch das Verfahren zu bildende Schicht eine Kristallrichtung aufweist, die im Wesentlichen der Kristallrichtung des Impfkristallfilms folgt. Beispiele für derartige Bildungsverfahren sind: Gasphasenwachstumsverfahren, wie ein metallorganisches chemisches Dampfabscheidungsverfahren (MOCVD), ein Hydriddampfphasenepitaxieverfahren (HVPE), ein gepulstes Anregungsabscheidungsverfahren (PXD), ein Molekularstrahlepitaxie-Verfahren (MBE) und ein Sublimationsverfahren; Flüssigphasenwachstumsverfahren, wie ein Na-Flux-Verfahren, ein ammonothermisches Verfahren, ein hydrothermales Verfahren und ein Sol-Gel-Verfahren; ein Pulverwachstumsverfahren, das Festphasenwachstum von Pulver verwendet; und eine Kombination davon.
Wenn das Na-Flux-Verfahren als Verfahren zur Bildung der Nitridkristallschicht eines Elements der Gruppe III angewandt wird, wird das Na-Flux-Verfahren vorzugsweise in Übereinstimmung mit einem in JP 5244628B2 beschriebenen Produktionsverfahren durchgeführt, indem die Bedingungen und dergleichen entsprechend angepasst werden, so dass die Wirkungen der vorliegenden Erfindung in größerem Umfang zum Ausdruck gebracht werden können.
Die Bildung der Nitridkristallschicht eines Elements der Gruppe III durch das Na-Flux-Verfahren wird typischerweise vorzugsweise wie folgt durchgeführt: ein Impfkristallsubstrat (Basissubstrat+Impfkristallfilm) wird in einem Tiegel, der als Wachstumsbehälter dient, unter einer Stickstoffatmosphäre angeordnet; eine Schmelzzusammensetzung, die ein Element der Gruppe III, das Metall Na, und je nach Bedarf ein Dotierungsmittel (z.B. ein Dotierungsmittel vom n-Typ, wie Germanium (Ge), Silizium (Si) oder Sauerstoff (O); oder ein Dotierungsmittel vom p-Typ, wie Beryllium (Be), Magnesium (Mg), Kalzium (Ca), Strontium (Sr), Zink (Zn) oder Cadmium (Cd)) enthält, wird weiter in den Tiegel geladen; der Tiegel wird verschlossen; der verschlossene Tiegel wird in einen Außenbehälter geladen; der Außenbehälter wird weiter in einen druckfesten Behälter geladen; und unter einer Stickstoffatmosphäre, nachdem die Temperatur und der Druck des Behälters auf vorzugsweise 700°C bis 1 000°C (bevorzugter 800°C bis 900°C) bzw. vorzugsweise 1 MPa bis 7 MPa (bevorzugter 2 MPa bis 6 MPa) erhöht worden sind, wird der Behälter gedreht, während die Temperatur und der Druck beibehalten werden.
Jeder geeignete Tiegel, der für das Na-Flux-Verfahren verwendet werden kann, kann zu dem Ausmaß als Tiegel verwendet werden, soweit die Wirkungen der vorliegenden Erfindung nicht beeinträchtigt werden. Ein Aluminiumoxid-Tiegel, der mit Aluminiumnitrid (AIN) beschichtet ist, wird vorzugsweise als Tiegel verwendet, da die Wirkungen der vorliegenden Erfindung in größerem Umfang zum Ausdruck gebracht werden können. Ein Aluminiumnitrid (AIN)-Tiegel, der bisher verwendet wurde, hat Probleme, dass es schwierig ist, die Größe des Tiegels zu erhöhen und der Tiegel weist hohe Kosten auf. Der mit Aluminiumnitrid (AIN) beschichtete Aluminiumoxid-Tiegel kann dagegen leicht vergrößert werden und eignet sich daher für die Herstellung von Halbleitersubstraten von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III mit großen Durchmessern. Wenn der Aluminiumoxid-Tiegel mit Aluminiumnitrid (AIN) beschichtet ist, kann außerdem die Vermischung von Verunreinigungen wie Sauerstoff wirksam vermindert werden. Auf diese Weise kann schließlich ein Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III hergestellt werden, bei dem trotz seines großen Durchmessers Qualitätsschwankungen in der Hauptoberfläche weiter unterdrückt werden.
Jeder geeignete Tiegeldeckel, der für das Na-Flux-Verfahren verwendet werden kann, kann zu einem Ausmaß als Tiegeldeckel verwendet werden, soweit die Wirkungen der vorliegenden Erfindung nicht beeinträchtigt werden. Ein Aluminiumoxid-Deckel, der mit Aluminiumnitrid (AIN) beschichtet ist, wird vorzugsweise als Deckel des Tiegels verwendet, da die Wirkungen der vorliegenden Erfindung in größerem Umfang zum Ausdruck gebracht werden können. Wenn der Aluminiumoxid-deckel mit Aluminiumnitrid (AIN) beschichtet ist, kann die Vermischung von Verunreinigungen wie Sauerstoff effektiv vermindert werden. So kann schließlich ein Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III bereitgestellt werden, bei dem trotz seines großen Durchmessers Qualitätsschwankungen an der Hauptoberfläche weiter unterdrückt werden.
Die Drehung wird typischerweise wie folgt durchgeführt: der Behälter wird auf einen Drehtisch gestellt und der Behälter wird mit einer konstanten Periode um eine Mittelachse gedreht.
Die Drehung wird so durchgeführt, dass die Kristallwachstumsrate der Nitridkristallschicht eines Elements der Gruppe III auf dem Impfkristallsubstrat vorzugsweise 5 µm/h bis 25 µm/h, bevorzugter 10 µm/h bis 25 µm/h beträgt. Wenn die Kristallwachstumsrate der Nitridkristallschicht eines Elements der Gruppe III auf dem Impfkristallsubstrat weniger als 5 µm/h beträgt, verlängert sich die Kristallwachstumszeit zu sehr, und die tatsächliche Produktion kann schwierig sein. Wenn die Kristallwachstumsrate mehr als 25 µm/h beträgt, kann der Gehalt an Einschlüssen erhöht sein.
Die Drehung wird vorzugsweise wie folgt durchgeführt: (i) die Drehung in eine Richtung wird ohne Umkehrdrehung durchgeführt; (ii) ein Umkehrbetrieb, der eine Drehung in eine Richtung für 1 Minute oder mehr und eine anschließende Drehung in die entgegengesetzte Richtung für 1 Minute oder mehr einschließt, wird wiederholt; oder (iii) ein intermittierender Betrieb, der eine Drehung in eine Richtung für 5 Sekunden oder mehr, gefolgt von einem Anhalten für 0,1 Sekunde oder mehr, und eine anschließende Drehung in die gleiche Richtung für 5 Sekunden oder mehr einschließt, wird wiederholt. Im Fall des vorstehend erwähnten Punktes (ii) oder (iii), wenn der Umkehrbetrieb oder der intermittierende Betrieb mit einer kürzeren Periode als der vorstehend erwähnten Periode wiederholt wird, wird die Kristallwachstumsrate zu sehr erhöht, und der Gehalt eines Einschlusses kann erhöht werden.
Die Drehung erfolgt vorzugsweise durch eine Bewegung im Uhrzeigersinn und eine Bewegung gegen den Uhrzeigersinn mit einer konstanten Periode, da so die Wirkungen der vorliegenden Erfindung in größerem Umfang zum Ausdruck kommen können.
Die Drehung ist eine Drehung, die eine Bewegung im Uhrzeigersinn und eine Bewegung gegen den Uhrzeigersinn mit einer konstanten Periode einschließt, und die maximale Drehungsgeschwindigkeit beträgt vorzugsweise 10 U/min oder mehr, bevorzugter 20 U/min oder mehr, noch bevorzugter 30 U/min oder mehr, besonders bevorzugt 40 U/min oder mehr, weil die Wirkungen der vorliegenden Erfindung in größerem Umfang zum Ausdruck kommen können. Die Obergrenze der maximalen Drehungsgeschwindigkeit liegt typischerweise bei 100 U/min oder weniger. Wenn die maximale Drehungsgeschwindigkeit innerhalb der vorstehend genannten Bereiche eingestellt wird, wird der Einschluss von Verunreinigungen in einem Kristall gleichmäßig in einer Ebene. Schließlich kann ein Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III bereitgestellt werden, bei dem trotz seines großen Durchmessers Qualitätsschwankungen in der Hauptoberfläche weiter unterdrückt werden.
Als Verweilzeit bei maximaler Drehungsgeschwindigkeit kann eine beliebige Zeit in Abhängigkeit von der angestrebten Dicke der Nitridkristallschicht des Elements der Gruppe III festgelegt werden. Die Verweilzeit bei maximaler Drehungsgeschwindigkeit beträgt vorzugsweise 10 Sekunden bis 100 Stunden, bevorzugter 50 Sekunden bis 10 Stunden, noch bevorzugter 100 Sekunden bis 1 Stunde, besonders bevorzugt 300 Sekunden bis 30 Minuten.
Die Zeit für die Drehung beinhaltet neben der Verweilzeit bei der maximalen Drehungsgeschwindigkeit eine Beschleunigungszeit, um die maximale Drehungsgeschwindigkeit zu erreichen, eine Verzögerungszeit von der maximalen Drehungsgeschwindigkeit bis zum Anhalten, um in die Rückwärtsbewegung zu wechseln, und eine Stoppzeit vom Anhalten bis zum Beginn der Beschleunigung in der Rückwärtsbewegung.
Die Beschleunigungszeit beträgt vorzugsweise ein Hundertstel oder mehr der Verweilzeit, bevorzugter ein Sechzigstel oder mehr der Verweilzeit, noch bevorzugter ein Vierzigstel oder mehr der Verweilzeit, besonders bevorzugt ein Dreißigstel oder mehr der Verweilzeit, am meisten bevorzugt ein Zwanzigstel oder mehr der Verweilzeit, da die Wirkungen der vorliegenden Erfindung in größerem Umfang ausgedrückt werden können. Der Maximalwert der Beschleunigungszeit ist typischerweise gleich oder kürzer als die Verweilzeit. Wenn die Beschleunigungszeit innerhalb der vorstehend erwähnten Bereiche eingestellt wird, wird der Einschluss von Verunreinigungen in einem Kristall in einer Ebene gleichmäßig. Schließlich kann ein Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III bereitgestellt werden, bei dem trotz seines großen Durchmessers Qualitätsschwankungen in der Hauptoberfläche weiter unterdrückt werden.
Insbesondere beträgt die Beschleunigungszeit vorzugsweise 6 Sekunden oder mehr, bevorzugter 10 Sekunden oder mehr, noch bevorzugter 15 Sekunden oder mehr, auch noch bevorzugter 20 Sekunden oder mehr, besonders bevorzugt 30 Sekunden oder mehr, am meisten bevorzugt 40 Sekunden oder mehr, weil die Wirkungen der vorliegenden Erfindung in größerem Umfang zum Ausdruck gebracht werden können. Der Maximalwert der Beschleunigungszeit beträgt typischerweise 600 Sekunden oder weniger. Wenn die Beschleunigungszeit innerhalb der vorstehend erwähnten Bereiche eingestellt wird, wird der Einschluss von Verunreinigungen in einem Kristall in einer Ebene gleichmäßig. Schließlich kann ein Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III bereitgestellt werden, bei dem trotz seines großen Durchmessers Qualitätsschwankungen in der Hauptoberfläche weiter unterdrückt werden.
Die Verzögerungszeit beträgt vorzugsweise ein Hundertstel oder mehr der Verweilzeit, bevorzugter ein Sechzigstel oder mehr der Verweilzeit, noch bevorzugter ein Vierzigstel oder mehr der Verweilzeit, besonders bevorzugt ein Dreißigstel oder mehr der Verweilzeit, am meisten bevorzugt ein Zwanzigstel oder mehr der Verweilzeit, da die Wirkungen der vorliegenden Erfindung in größerem Umfang auftreten können. Der Maximalwert der Verzögerungszeit ist typischerweise gleich oder kürzer als die Verweilzeit. Wenn die Verzögerungszeit innerhalb der vorstehend genannten Bereiche eingestellt wird, wird der Einschluss von Verunreinigungen in einem Kristall gleichmäßig in einer Ebene. Schließlich kann ein Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III bereitgestellt werden, bei dem trotz seines großen Durchmessers Qualitätsschwankungen in der Hauptoberfläche weiter unterdrückt werden.
Insbesondere beträgt die Verzögerungszeit vorzugsweise 6 Sekunden oder mehr, bevorzugter 10 Sekunden oder mehr, noch bevorzugter 15 Sekunden oder mehr, auch noch bevorzugter 20 Sekunden oder mehr, besonders bevorzugt 30 Sekunden oder mehr, am meisten bevorzugt 40 Sekunden oder mehr, da die Wirkungen der vorliegenden Erfindung in größerem Umfang zum Ausdruck gebracht werden können. Der Maximumwert der Verzögerungszeit beträgt typischerweise 600 Sekunden oder weniger. Wenn die Verzögerungszeit innerhalb der vorstehend genannten Bereiche eingestellt wird, wird der Einschluss von Verunreinigungen in einem Kristall gleichmäßig in einer Ebene. Schließlich kann ein Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III bereitgestellt werden, bei dem trotz seines großen Durchmessers Qualitätsschwankungen in der Hauptoberfläche weiter unterdrückt werden.
Die Stoppzeit beträgt typischerweise zwischen 0,1 und 5 Sekunden.
Als Nächstes kann das freistehende Substrat, das die Nitridkristallschicht der Gruppe III enthält, durch Trennen der Nitridkristallschicht der Gruppe III vom Basissubstrat erhalten werden.
Als Verfahren zur Abtrennung der Nitridkristallschicht eines Elements der Gruppe III vom Basissubstrat kann jedes geeignete Verfahren in einem Maße angewandt werden, soweit die Wirkungen der vorliegenden Erfindung nicht beeinträchtigt werden. Beispiele für solche Verfahren sind: ein Verfahren, das die spontane Abtrennung der Nitridkristallschicht eines Elements der Gruppe III von dem Basissubstrat durch Verwendung einer thermischen Schrumpfungsdifferenz in einem Temperatursenkungsschritt nach dem Wachstum der Nitridkristallschicht eines Elements der Gruppe III einschließt; ein Verfahren, das die Abtrennung der Nitridkristallschicht eines Elements der Gruppe III von dem Basissubstrat durch chemisches Ätzen einschließt; ein Verfahren, das das Trennen der Nitridkristallschicht eines Elements der Gruppe III von dem Basissubstrat durch ein Laserabhebungsverfahren einschließt, das das Anwenden von Laserlicht von einer Rückoberfläche 1b des Basissubstrats 1 einschließt, wie durch die Pfeile A angezeigt, wie in 3(a) dargestellt; und ein Verfahren zum Trennen der Nitridkristallschicht eines Elements der Gruppe III vom Basissubstrat durch Schleifen. Darüber hinaus kann das freistehende Substrat, das die Nitridkristallschicht eines Elements der Gruppe III enthält, durch Schneiden der Nitridkristallschicht eines Elements der Gruppe III durch Verwendung einer Drahtsäge oder dergleichen erhalten werden.
Bei der auf diese Weise durch das Na-Flux-Verfahren erhaltenen Nitridkristallschicht eines Elements der Gruppe III wird vorzugsweise eine Plattenoberfläche durch Schleifen mit Schleifsteinen oder dergleichen abgeflacht und die Plattenoberfläche anschließend geglättet, z.B. durch Läppen mit Diamantschleifkörnern.
Als Nächstes wird das freistehende Substrat durch Schleifen seines äußeren Umfangsabschnitts in eine Kreisform mit dem gewünschten Durchmesser gebracht.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein sogenanntes Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III mit großem Durchmesser und das freistehende Substrat weist einen Durchmesser von 100 mm oder mehr auf. Wenn das Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein solches Substrat mit großem Durchmesser ist, kann das Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III leicht auf ein elektronisches Hochfrequenz-/Hochleistungsgerät angewendet werden, insbesondere auf eine solche Vorrichtung zur Handhabung großer elektrischer Leistung, was eine Vergrößerung der Elementgröße zur Folge hat.
Spezielle Beispiele für das Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III mit großem Durchmesser sind ein 4-Inch-Wafer, ein 6-Inch-Wafer, ein 8-Inch-Wafer und ein 12-Inch-Wafer.
Als Nächstes wird die Hauptoberfläche und/oder die Rückoberfläche einer Abtragsbearbeitung unterzogen, z.B. durch Schleifen, Läppen oder Polieren, so dass das Halbleitersubstrat zu einer dünnen Platte mit einer gewünschten Dicke wird, gefolgt von einer Abflachung. So erhält man ein freistehendes Substrat.
Die Dicke des freistehenden Substrats (wenn die Dicke nicht konstant ist, die Dicke einer Stelle mit der größten Dicke) beträgt vorzugsweise 300 µm bis 1000 µm.
Die äußere Umfangskante des freistehenden Substrats wird bei Bedarf durch Schleifen abgeschrägt. Schließlich wird das Halbleitersubstrat 100 von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erhalten.
Ein Kristall kann auf der Hauptoberfläche (polare Oberfläche des Elements der Gruppe III) 10 des zu erhaltenden Halbleitersubstrats 100 von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III epitaktisch gezüchtet werden, und die Bildung einer funktionellen Schicht 4, wie in 3(c) dargestellt, liefert ein funktionelles Element 5. Die Bezugsziffer 20 steht für die Rückoberfläche (polare Stickstoffoberfläche) des Substrats.
Der Epitaxiekristall, der auf dem zu erhaltenden Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III gezüchtet werden soll, kann beispielsweise Galliumnitrid, Aluminiumnitrid, Indiumnitrid oder ein Mischkristall davon sein. Spezielle Beispiele für solche Epitaxiekristalle sind GaN, AIN, InN, Ga_xAl_1-xN (1>x>0), Ga_xIn_1-XN (1>x>0), Al_xIn_1-xN (1>x>0) und Ga_xAl_yIn_zN (1>x>0, 1>y>0, x+y+z=1). Darüber hinaus enthalten Beispiele für die Funktionsschicht, die auf dem zu erhaltenden Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III anzuordnen ist, eine Gleichrichterelementschicht, ein Schaltelement und eine Leistungshalbleiterschicht zusätzlich zu einer lichtemittierenden Schicht. Darüber hinaus können die Dicke und die Dickenverteilung des freistehenden Substrats vermindert werden, indem die polare Stickstoffoberfläche nach der Anordnung der Funktionsschicht auf der polaren Oberfläche von einem Element der Gruppe III des zu erhaltenden Halbleitersubstrats von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III einer Bearbeitung, wie Schleifen oder Polieren, unterzogen wird.
Beispiele
Die vorliegende Erfindung wird nachstehend anhand von Beispielen beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist jedoch keineswegs auf Beispiele beschränkt. Die Test- und Bewertungsverfahren in den Beispielen und dergleichen sind wie nachstehend beschrieben. Der Begriff „Teil(e)“ in der folgenden Beschreibung bedeutet „Gewichtsteil(e)“, sofern nicht anders angegeben, und der Begriff „%“ in der folgenden Beschreibung bedeutet „Gew.-%“, sofern nicht anders angegeben.
<Photolumineszenzmessung>
(Messverfahren)
Ein Photolumineszenzspektrum wurde mit einer Photolumineszenz-Kartierungs-Vorrichtung (DUV-PL, hergestellt von PHOTON Design Corporation) unter Verwendung eines He-Cd-Lasers bei einer Anregungswellenlänge von 325 nm bei Raumtemperatur (25°C) unter den Bedingungen einer Anregungsintensität von 10 W/cm², einer Belichtungszeit von 10 ms, einem Messwellenlängenbereich von 330 nm bis 680 nm und einer Wellenlängenauflösung von 0,5 nm erfasst. Die gesamte Region einer Hauptoberfläche eines Halbleitersubstrats von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III wurde der Messung unterzogen, so dass ein Intervall zwischen den Messpunkten 1 mm oder weniger betrug.
(Berechnung des Variationskoeffizienten der Intensität der gelben Lumineszenz)
Die Intensität (Einheit: a.u.) eines Peaks in einem Wellenlängenbereich von 480 nm bis 580 nm im erfassten Photolumineszenzspektrum wurde als Intensität der gelben Lumineszenz definiert. Der Mittelwert und die Standardabweichung der Intensitäten der gelben Lumineszenz in einem Bereich, der X % der gesamten Region der Hauptoberfläche entspricht, wurden bestimmt, und ein Variationskoeffizient wurde berechnet durch (Standardabweichung/Mittelwert der Intensitäten der gelben Lumineszenz).
<Messung der Verwerfung>
Die Verwerfung einer Hauptoberfläche eines Halbleitersubstrats von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III wurde gemessen und der Krümmungsradius desselben wurde aus der Verwerfung berechnet. Die Verwerfung kann mit einem Laserverschiebungssensor gemessen werden. Der „Laserverschiebungssensor“ bezieht sich auf eine Einrichtung zur Messung der Verschiebung jeder Oberfläche durch Bestrahlung der Oberfläche mit Laserlicht. Die Wellenlänge des Laserlichts ist auf 655 nm eingestellt, und ein konfokales System, ein Dreiecksmesssystem oder ein optisches Interferenzsystem kann als Messsystem gemäß der Oberflächenrauigkeit verwendet werden.
Es wurde eine Wellenform mit Ausnahme eines Bereichs mit einer Breite von 3 mm von einem Ende des Substrats erhalten. Anschließend wurde eine Kurve, die der Wellenform angenähert ist, durch eine Methode der kleinsten Quadrate unter Verwendung einer quadratischen Funktion ermittelt. Die Differenz zwischen dem Maximalwert und dem Minimalwert der Näherungskurve wurde auf jeder der zwei senkrecht zueinander stehenden Achsen auf der Oberfläche des Substrats gemessen und der Mittelwert der beiden Werte wurde als Verwerfung S definiert.
[Beispiel 1]
Ein Impfkristallfilm aus Galliumnitrid mit einer Dicke von 2 µm wurde auf einem Saphirsubstrat mit einem Durchmesser von 4 Inch durch ein MOCVD-Verfahren gebildet, um ein Impfkristallsubstrat bereitzustellen.
Das so entstandene Impfkristallsubstrat wurde in einem mit AIN beschichteten Aluminiumoxid-Tiegel in einer Glove-Box unter Stickstoffatmosphäre angeordnet.
Anschließend wurden Galliummetall und Natriummetall in den Tiegel gegeben, so dass sich das folgende Verhältnis ergab: Ga/(Ga+Na) (Mol%)=15 Mol%. Der Tiegel wurde mit einem mit AIN beschichteten Aluminiumoxid-Deckel verschlossen.
Der Tiegel mit Deckel wurde in einen Innenbehälter aus rostfreiem Stahl und in einen Außenbehälter aus rostfreiem Stahl geladen, der den Innenbehälter aufnehmen kann. Der Außenbehälter wurde mit einem Behälterdeckel verschlossen, der mit einem Stickstoffeinleitungsrohr versehen war. Der Außenbehälter wurde auf einem Drehtisch angeordnet, der sich auf einem Heizabschnitt in einer Kristallproduktionseinrichtung befand, die zuvor im Vakuum ausgeheizt worden war, und ein druckfester Behälter, der den Außenbehälter aufnahm, wurde verschlossen und versiegelt.
Anschließend wurde das Innere des druckfesten Behälters mit einer Vakuumpumpe auf 0,1 Pa oder weniger evakuiert. Anschließend wurden eine obere Heizerstufe, eine mittlere Heizerstufe und eine untere Heizerstufe so eingestellt, dass der beheizte Raum eine Temperatur von 870°C aufwies, Stickstoffgas aus einer Stickstoffgasflasche von bis zu 4,0 MPa eingeleitet und der Außenbehälter mit 40 U/min im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn mit einer konstanten Periode um eine Mittelachse gedreht. Die Drehungsbedingungen wurden wie folgt festgelegt: eine Beschleunigungszeit von 60 Sekunden, eine Verweilzeit von 600 Sekunden, eine Verzögerungszeit von 60 Sekunden und eine Stoppzeit von 0,5 Sekunden. Der Behälter wurde 40 Stunden lang in diesem Zustand gehalten und dann natürlich auf Raumtemperatur abgekühlt und der Druck auf Atmosphärendruck gesenkt. Danach wurde der Deckel des druckfesten Behälters geöffnet und der Tiegel entnommen. Das erstarrte Natriummetall im Tiegel wurde entfernt und ein freistehender Galliumnitridkristall ohne Risse wurde vom Impfkristallsubstrat abgeschält und gesammelt.
Die Vorderoberfläche und Rückoberfläche des freistehenden Galliumnitridkristalls wurde poliert. So wurde ein Wafer (1) hergestellt, der als freistehendes Galliumnitrid-Substrat dient.
Der Wafer (1) wies eine Verwerfung von 40 µm auf.
Die Photolumineszenzmessung wurde an der Hauptoberfläche des Wafers (1) durchgeführt. Die Photolumineszenzmessung wurde an 8000 Punkten in Intervallen von 1 mm auf der Hauptoberfläche durchgeführt.
In den Spektraldaten der jeweiligen Messpunkte, die bei der Photolumineszenzmessung gewonnen wurden, wurden Bandkantenlumineszenz (BEL) mit einem Peak um eine Wellenlänge von 365 nm und gelbe Lumineszenz (Tiefenlumineszenz) mit einem Peak in einem Wellenlängenbereich von 500 nm bis 600 nm beobachtet.
Um den Einfluss einer Nicht-Vorrichtungsregion im äußersten peripheren Abschnitt des Wafers (1) zu eliminieren, wurde eine Region mit einer Breite von 3 mm vom äußeren peripheren Endabschnitt der Hauptoberfläche ausgeschlossen und der Durchschnitt und die Standardabweichung der Intensitäten der gelben Lumineszenz in einem Bereich, der 88 % der gesamten Region der Hauptoberfläche entspricht, wurden bestimmt. Als Ergebnis wurden ein Durchschnitt der Intensitäten der gelben Lumineszenz von 176 (Einheit: a.u.) und eine Standardabweichung von 27 (Einheit: a.u.) erhalten und der Variationskoeffizient, dargestellt durch (Standardabweichung/Durchschnitt der Intensitäten der gelben Lumineszenz), betrug 0,15.
Unter der Annahme, dass der Wafer (1) als kleine Vorrichtung in Chipgröße, wie eine LED oder eine Laserdiode, verwendet wurde, wurde eine Region mit einer Breite von 2 mm vom äußeren peripheren Endabschnitt der Hauptoberfläche ausgeschlossen und der Durchschnitt und die Standardabweichung der Intensitäten der gelben Lumineszenz in einem Bereich, der 92 % der gesamten Region der Hauptoberfläche entspricht, wurden bestimmt. Als Ergebnis wurden ein Durchschnitt der Intensitäten der gelben Lumineszenz von 178 (Einheit: a.u.) und eine Standardabweichung von 29 (Einheit: a.u.) erhalten und der Variationskoeffizient, dargestellt durch (Standardabweichung/Durchschnitt der Intensitäten der gelben Lumineszenz), betrug 0,16.
[Beispiel 2]
Ein Wafer (2) wurde auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, dass ein Saphirsubstrat mit einem Durchmesser von 6 Inch anstelle des Saphirsubstrats mit einem Durchmesser von 4 Inch verwendet wurde.
Der Wafer (2) wies eine Verwerfung von 80 µm auf.
Die Photolumineszenzmessung wurde an der Hauptoberfläche des Wafers (2) durchgeführt. Die Photolumineszenzmessung wurde an 17189 Punkten in Intervallen von 1 mm auf der Hauptoberfläche durchgeführt.
In den Spektraldaten der jeweiligen Messpunkte, die bei der Photolumineszenzmessung gewonnen wurden, wurden Bandkantenlumineszenz (BEL) mit einem Peak um eine Wellenlänge von 365 nm und gelbe Lumineszenz (Tiefenlumineszenz) mit einem Peak in einem Wellenlängenbereich von 500 nm bis 600 nm beobachtet.
Um den Einfluss einer Nicht-Vorrichtungsregion im äußersten Umfangsbereich des Wafers (2) zu eliminieren, wurde eine Region mit einer Breite von 3 mm vom äu-ßeren Umfangsendabschnitt der Hauptoberfläche ausgeschlossen, und der Durchschnitt und die Standardabweichung der Intensitäten der gelben Lumineszenz in einem Bereich, der 94 % der gesamten Region der Hauptoberfläche entspricht, wurden bestimmt. Als Ergebnis wurden ein Durchschnitt der Intensitäten der gelben Lumineszenz von 210 (Einheit: a.u.) und eine Standardabweichung von 57 (Einheit: a.u.) erhalten und der Variationskoeffizient, dargestellt durch (Standardabweichung/Durchschnitt der Intensitäten der gelben Lumineszenz), betrug 0,27.
[Vergleichsbeispiel 1]
Ein Impfkristallfilm aus Galliumnitrid mit einer Dicke von 2 µm wurde auf einem Saphirsubstrat mit einem Durchmesser von 4 Inch durch ein MOCVD-Verfahren gebildet, um ein Impfkristallsubstrat bereitzustellen.
Das so entstandene Impfkristallsubstrat wurde in einem Aluminiumoxid-Tiegel in einer Glovebox unter Stickstoffatmosphäre angeordnet.
Anschließend wurden Galliummetall und Natriummetall in den Tiegel gegeben, so dass sich das folgende Verhältnis ergab: Ga/(Ga+Na) (Mol%)=15 Mol%. Der Tiegel wurde mit einer Aluminiumoxidplatte verschlossen.
Der Tiegel mit Deckel wurde in einen Innenbehälter aus rostfreiem Stahl und in einen Außenbehälter aus rostfreiem Stahl geladen, der den Innenbehälter aufnehmen kann. Der Außenbehälter wurde mit einem Behälterdeckel verschlossen, der mit einem Stickstoffeinleitungsrohr versehen war. Der Außenbehälter wurde auf einem Drehtisch angeordnet, der sich auf einem Heizerabschnitt in einer Kristallproduktionseinrichtung befand, die zuvor im Vakuum ausgeheizt worden war, und ein druckfester Behälter, der den Außenbehälter aufnahm, wurde verschlossen und versiegelt.
Anschließend wurde das Innere des druckfesten Behälters mit einer Vakuumpumpe auf 0,1 Pa oder weniger evakuiert. Danach wurden eine obere Heizerstufe, eine mittlere Heizerstufe und eine untere Heizerstufe so eingestellt, dass der beheizte Raum eine Temperatur von 870°C aufwies, Stickstoff aus einer Stickstoffgasflasche mit einem Druck von bis zu 4,0 MPa eingeleitet und der Außenbehälter mit 20 U/min im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn mit einer konstanten Periode um eine Mittelachse gedreht. Die Drehungsbedingungen wurden wie folgt festgelegt: eine Beschleunigungszeit von 12 Sekunden, eine Verweilzeit von 600 Sekunden, eine Verzögerungszeit von 12 Sekunden und eine Stoppzeit von 0,5 Sekunden. Der Behälter wurde 40 Stunden lang in diesem Zustand gehalten und dann auf Raumtemperatur abgekühlt und der Druck auf Atmosphärendruck gesenkt. Danach wurde der Deckel des druckfesten Behälters geöffnet und der Tiegel entnommen. Das erstarrte Natriummetall im Tiegel wurde entfernt und ein freistehender Galliumnitridkristall ohne Risse wurde vom Impfkristallsubstrat abgeschält und gesammelt.
Die Vorderoberfläche und Rückoberfläche des freistehenden Galliumnitridkristalls wurde poliert. So wurde ein Wafer (C1) hergestellt, der als freistehendes Galliumnitrid-Substrat dient.
Der Wafer (C1) wies eine Verwerfung von 121 µm auf.
Die Photolumineszenzmessung wurde an der Hauptoberfläche des Wafers (C1) durchgeführt. Die Photolumineszenzmessung wurde an 8000 Punkten in Intervallen von 1 mm auf der Hauptoberfläche durchgeführt.
In den Spektraldaten der jeweiligen Messpunkte, die bei der Photolumineszenzmessung gewonnen wurden, wurden Bandkantenlumineszenz (BEL) mit einem Peak um eine Wellenlänge von 365 nm und gelbe Lumineszenz (Tiefenlumineszenz) mit einem Peak in einem Wellenlängenbereich von 500 nm bis 600 nm beobachtet.
Um den Einfluss einer Nicht-Vorrichtungsregion im äußersten Umfangsabschnitt des Wafers (C1) zu eliminieren, wurde eine Region mit einer Breite von 3 mm vom äußeren Umfangsendabschnitt der Hauptoberfläche ausgeschlossen, und der Durchschnitt und die Standardabweichung der Intensitäten der gelben Lumineszenz in einem Bereich, der 88 % der gesamten Region der Hauptoberfläche entspricht, wurden bestimmt. Als Ergebnis wurden ein Durchschnitt der Intensitäten der gelben Lumineszenz von 532 (Einheit: a.u.) und eine Standardabweichung von 186 (Einheit: a.u.) erhalten, und der Variationskoeffizient, dargestellt durch (Standardabweichung/Durchschnitt der Intensitäten der gelben Lumineszenz), betrug 0,35.
Industrielle Anwendbarkeit
Das Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann als jedes der Substrate verschiedener Halbleitervorrichtungen verwendet werden.
Bezugszeichenliste

100: Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III
100': freistehendes Substrat
1: Basissubstrat
1a: Hauptoberfläche des Basissubstrats
1b: Rückoberfläche des Basissubstrats
2: Impfkristallfilm
2a: polare Oberfläche von einem Element der Gruppe III des Impfkristallfilms
3: Schicht von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III
4: Funktionsschicht
5: Funktionselement
10: Hauptoberfläche
10': Hauptoberfläche
12: äußerer peripherer Endabschnitt
20: Rückoberfläche
20': Rückoberfläche
22: äußerer peripherer Endabschnitt
30: Seitenoberfläche

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2005263609 A [0006]
JP 6203460 B1 [0006]
JP 6269368 B2 [0006]
JP 5244628 B2 [0055]

Claims

Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III, umfassend: eine erste Oberfläche; und eine zweite Oberfläche, wobei das Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III einen Durchmesser von 100 mm oder mehr aufweist, und wobei das Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III einen Variationskoeffizienten einer Intensität der gelben Lumineszenz in einem Bereich, der 88% oder mehr der gesamten Region der ersten Oberfläche entspricht, von 0,3 oder weniger, basierend auf einem Photolumineszenzspektrum, das durch Photolumineszenzmessung eines Bereichs der gesamten Region der ersten Oberfläche erhalten wurde, aufweist.
Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III nach Anspruch 1, wobei der Variationskoeffizient 0,2 oder weniger beträgt.
Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III einen Variationskoeffizienten einer Intensität der gelben Lumineszenz in einem Bereich, der 92% oder mehr der gesamten Region der ersten Oberfläche entspricht, von 0,3 oder weniger, basierend auf einem Photolumineszenzspektrum, das durch Photolumineszenzmessung eines Bereichs der gesamten Region der ersten Oberfläche erhalten wurde, aufweist.
Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III nach Anspruch 3, wobei der Variationskoeffizient 0,2 oder weniger beträgt.
Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei ein Messintervall Y bei der Photolumineszenzmessung 1 mm oder weniger beträgt.
Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Halbleitersubstrat von einem Nitrid eines Elements der Gruppe III eine Verwerfung von 100 µm oder weniger aufweist.