TW201538811A - β－ＧａＯ系單晶基板 - Google Patents
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Abstract
β-Ga2O3系單晶基板包含β-Ga2O3系單晶晶體。該β-Ga2O3系單晶晶體包括小於75秒的x-射線搖擺曲線之半鋒全幅值。
Description
本發明有關β-Ga2O3系單晶基板。
使用EFG方法來成長β-Ga2O3單晶晶體是已知的事，例如請見Hideo Aida、Kengo Nishiguchi、Hidetoshi Takeda、Natsuko Aota、Kazuhiko Sunakawa、Yoichi Yaguchi發表在日本應用物理學雜誌2008年47卷11期8506~8509頁上的非專利文獻：「使用限定邊緣膜餵成長法成長β-Ga2O3單晶晶體(Growth of β-Ga2O3 Single Crystals by the Edge-Defined Film Fed Growth Method)」。該非專利文獻揭示一種方法，該方法是在成長β-Ga2O3單晶晶體時，同時從與種晶接觸的部位開始朝向底部逐漸加寬該β-Ga2O3單晶晶體的寬度，也就是同時在寬度方向上進行肩部加寬，從而允許得到比種晶具有更大寬度的平板狀晶體。
又，該非專利文獻揭示所成長之β-Ga2O3單晶晶體的x-射線搖擺曲線之半鋒全幅值(FWHM)為75秒且蝕刻斑密度(pit density)為9x104cm-2。
至今尚未製造出高性價比(high quality-worth)的氧化鎵單晶晶體。此外，習知技術僅能製造如該非專利文獻中所揭示般低品質的氧化鎵單晶晶體，且仍不清楚是否有任何方法能製造出較高品質的氧化鎵單晶晶體。
本發明之目的是提供一種具有極佳結晶品質的β-Ga2O3-系單晶基板。
根據本發明一實施例提供如以下[1]至[10]中陳述的β-Ga2O3-系單晶基板。
[1]一種β-Ga2O3-系單晶基板，該基板包含β-Ga2O3-系單晶晶體，其中該β-Ga2O3-系單晶晶體包括小於75秒的x-射線搖擺曲線之半鋒全幅值。
[2]如[1]所述之β-Ga2O3-系單晶基板，其中該x-射線搖擺曲線之半鋒全幅值是在該β-Ga2O3-系單晶晶體的(-201)平面或(001)平面處取得。
[3]如[1]或[2]所述之β-Ga2O3-系單晶基板，其中該β-Ga2O3-系單晶晶體包括主表面，該主表面具有(-201)、(101)或(001)的平面取向。
[4]如[1]至[3]其中一者所述之β-Ga2O3-系單晶基板，其中該半鋒全幅值不超過35秒。
[5]一種β-Ga2O3-系單晶基板，該基板包括小於9x104cm-2的平均位錯密度(average dislocation density)。
[6]如[5]所述之β-Ga2O3-系單晶基板，其中該平均位錯密度不超過7.8x104cm-2。
[7]如[5]或[6]所述之β-Ga2O3-系單晶基板，該基板進一步包括具有(-201)、(101)或(001)平面取向的主表面。
[8]如[1]至[7]其中一者所述之β-Ga2O3-系單晶基板，其中該基板不含任何雙晶晶體(twinned crystal)。
[9]如[1]至[8]其中一者所述之β-Ga2O3-系單晶基板，其中該基板進一步包括不小於2英吋的直徑。
[10]如[1]至[7]其中一者所述之β-Ga2O3-系單晶基板，該基板進一步包括不含任何雙晶平面的區域，且其中該區域在與介於雙晶平面及主表面之間的交叉線成垂直的方向上包括最大寬度，且該最大寬度不小於2英吋。
根據本發明一實施例可提供一種具有極佳結晶品質的β-Ga2O3-系單晶基板。
T‧‧‧厚度方向
W‧‧‧寬度方向
Ws‧‧‧寬度
1‧‧‧β-Ga2O3-系單晶基板
2‧‧‧區域
3‧‧‧雙晶平面
4‧‧‧主表面
10‧‧‧EFG結晶製造設備
11‧‧‧坩鍋
12‧‧‧模具
12a‧‧‧狹縫
12b‧‧‧開口
13‧‧‧蓋
14‧‧‧種晶固持器
15‧‧‧軸
16‧‧‧支撐底座
17‧‧‧熱絕緣體
18‧‧‧石英管
19‧‧‧高頻線圈
20‧‧‧後熱器
21‧‧‧反射板
22‧‧‧底部
23‧‧‧腳部
30‧‧‧Ga2O3-系熔融物
31‧‧‧種晶
32‧‧‧β-Ga2O3-系單晶晶體
33‧‧‧水平面向表面
34‧‧‧主表面
35‧‧‧種晶
36‧‧‧β-Ga2O3-系單晶晶體
40‧‧‧半導體多層結構
41‧‧‧緩衝層
42‧‧‧氮化物半導體層
50‧‧‧LED元件
51‧‧‧β-Ga2O3-系單晶基板
52‧‧‧緩衝層
53‧‧‧n-型包覆層
54‧‧‧發光層
55‧‧‧p-型包覆層
56‧‧‧接觸層
57‧‧‧p-側電極
58‧‧‧n-側電極
59‧‧‧絕緣膜
100‧‧‧EFG結晶製造設備
112‧‧‧模具
112b‧‧‧開口
113‧‧‧蓋
接著將配合附圖更詳細地解說本發明，其中：第1A圖及第1B圖為圖示第一實施例中之β-Ga2O3-系單晶基板的平面圖；第2A圖及第2B圖為圖示第一實施例中具有少許雙晶晶體之β-Ga2O3-系單晶基板的剖面圖；第3A圖及第3B圖為圖示在第一實施例中，利用x-射線搖擺曲線測量法在具有(-201)取向之主表面的β-Ga2O3-系單晶基板上所測得的x-射線繞射光譜圖；第3C圖為圖示利用x-射線搖擺曲線測量法在具有(-201)取向之主表面的習知β-Ga2O3單晶基板上所測得的x-射線繞射光譜圖；第4A圖及第4B圖為圖示在第一實施例中，利用x-射線搖擺曲線測量法在具有(001)取向之主表面4的β-Ga2O3-系單晶基板1上所測得的x-射線繞射光譜圖；第5圖為圖示第一實施例中之EFG結晶製造設備的垂直剖面圖；第6圖為圖示在第一實施例中，β-Ga2O3-系單晶晶體成長過程的狀態透視圖；第7圖為圖示β-Ga2O3-系單晶晶體成長期間的狀態透視圖，並從該單晶晶體上切下種晶；第8圖為圖示第二實施例中之半導體多層結構的垂直剖面圖；第9圖為圖示第三實施例中之LED元件的垂直剖面圖。
第一實施例
β-Ga
2
O
3
-系單晶基板的結構組態
第1A圖及第1B圖為圖示第一實施例中之β-Ga2O3-系單晶基板1的平面圖。第1A圖圖示不含雙晶的β-Ga2O3-系單晶基板1，及第1B圖圖示含有少許雙晶的β-Ga2O3-系單晶基板1。
β-Ga2O3-系單晶基板1是由β-Ga2O3-系單晶晶體所形成。β-Ga2O3-系單晶晶體在此是β-Ga2O3單晶晶體或摻有諸如Mg、Fe、Cu、Ag、Zn、Cd、Al、In、Si、Ge、Sn或Nb等元素的β-Ga2O3單晶晶體。
β-Ga2O3-系晶體具有屬於單斜晶系的β-三氧化二鎵結構，且不含雜質之β-Ga2O3晶體的典型晶格常數為a0=12.23Å、b0=3.04Å、c0=5.80Å、α=γ=90°及β=103.8°。
該β-Ga2O3-系單晶基板1的主表面取向不限於特定取向且可例如是(-201)、(101)或(001)。
第1A圖中所示不含雙晶之β-Ga2O3-系單晶基板1的直徑較佳不小於2英吋。該β-Ga2O3-系單晶基板1是從β-Ga2O3-系單晶晶體上切下來的，且該β-Ga2O3-系單晶晶體是利用以下所述的新方法成長而得且不含或幾乎不含雙晶。故而能夠切出不小於2英吋且不含雙晶的大型基板來作為β-Ga2O3-系單晶基板1。
該β-Ga2O3-系單晶晶體在(100)平面上具有高劈裂性，及在結晶成長過程中可能會形成具有(100)平面的雙晶而成為雙晶平面(對稱面)。
第1B圖中所示具有少許雙晶的β-Ga2O3-系單晶基板1較佳具有不小於2英吋的直徑且更佳具有區域2，在區域2中，寬度Ws不小於2英吋且未出現雙晶平面3。區域2的寬度Ws在此是指在與該β-Ga2O3-系單晶基板1之雙晶平面3與主表面的交叉線成垂直之方向上的最大寬度。由於具有雙晶平面3的區域不利於作為用來進行磊晶成長的基底，因此該區域2的寬度Ws以較大為佳。
第2A圖及第2B圖為圖示具有少許雙晶之β-Ga2O3-系單晶基板1的剖面圖。第2A圖及第2B圖各自圖示通過該β-Ga2O3-系單晶基板1之中心且與該雙晶平面3成垂直的剖面圖。β-Ga2O3單晶晶體是該β-Ga2O3-系單晶基板1的基本材料，且該等圖式右方所示的座標軸標示出該β-Ga2O3單晶晶體的a軸、b軸及c軸的方向。
第2A圖圖示當β-Ga2O3-系單晶基板1其中一側上出現雙晶平面3時的區域2實例，及第2B圖圖示當β-Ga2O3-系單晶基板1的兩側上皆出現雙晶平面3時的區域2另一實例。在第2A圖及第2B圖中示出具有(-201)平面之β-Ga2O3-系單晶基板1的剖面以作為示範。
β-Ga
2
O
3
-系單晶基板的結晶取向及位錯密度
第3A圖及第3B圖是圖示利用x-射線搖擺曲線測量法在具有(-201)取向之主表面4的兩個β-Ga2O3-系單晶基板1上所得到的x-射線繞射光譜圖。第3C圖為圖示利用x-射線搖擺曲線測量法在具有(-201)取向之主表面的習知β-Ga2O3單晶基板上所得到的x-射線繞射光譜圖。該習知β-Ga2O3單晶基板是由利用習知EFG結晶製造設備所成長之β-Ga2O3單晶晶體切割而成的基板，該習知EFG結晶製造設備不具有以下所述的後熱器20及反射板21。
第3A圖至第3C圖中示出在各個β-Ga2O3-系單晶基板1之主表面4的中心點上及在該習知β-Ga2O3單晶基板之主表面的中心點上所測得的x-射線繞射光譜。
在第3A圖至第3C圖中，水平軸表示x-射線在β-Ga2O3-系單晶基板1上或在習知β-Ga2O3單晶基板上的入射角ω(度)，及垂直軸表示該x-射線的繞射強度(任意單位)。
第3A圖至第3C圖中所示的繞射波鋒是由構成β-Ga2O3-系單晶基板1或構成習知β-Ga2O3單晶基板的β-Ga2O3-系單晶晶體之(-201)平面的繞射作用所
造成，且該等波鋒的半鋒全幅值(FWHM)分別是14秒(arcseconds，角秒)、74秒及200秒。β-Ga2O3-系單晶基板1的小FWHM意味著該β-Ga2O3-系單晶基板1在與該(-201)平面成垂直的方向上具有極佳取向。
當該β-Ga2O3-系單晶基板1的主表面4取向為例如(-201)時，在與該(-201)平面成垂直的方向上具有極佳取向這件事代表著該β-Ga2O3-系單晶晶體之主表面的取向極佳。
實驗結果顯示，發現從具有(-201)取向之主表面的β-Ga2O3-系單晶基板1的(-201)平面所得到的繞射波鋒之FWHM值落在約不少於14秒至不超過100秒的範圍間。此範圍內的FWHM值主要依據用來成長β-Ga2O3-系單晶晶體(下述的β-Ga2O3-系單晶晶體32)的種晶(下述的種晶31)結晶品質而改變(其中所成長的β-Ga2O3-系單晶晶體將被切成β-Ga2O3-系單晶基板1)。
藉著將x-射線搖擺曲線波鋒位置繪製成圖可判斷出此處之種晶31的品質，圖中的水平軸代表在種晶31上的測量位置，及垂直軸代表該種晶31的旋轉角度ω。當一組標繪點所形成的曲線越接近直線時，則可斷定該結晶品質越高。在x-射線搖擺曲線測量中是例如通過(010)平面來測量該種晶31之(111)平面處的繞射作用。
亦發現，尤其是當使用具有高結晶品質的種晶31時，從具有(-201)取向之主表面的β-Ga2O3-系單晶基板1之(-201)平面所得到的繞射波鋒FWHM值會落在約不少於14秒至不超過35秒的範圍間。
同樣在β-Ga2O3-系單晶基板1上進行x-射線搖擺曲線測量，且該β-Ga2O3-系單晶基板1之主表面4的取向並不是(-201)，而例如是與該(-201)平面偏離一預定角度地傾斜(偏斜角度例如為±1°)，從該(-201)平面所得到的繞射波鋒之FWHM範圍與當該主表面4之取向為(-201)時的繞射波鋒之FWHM範圍實質相同。
例如當從一單晶晶塊上切下不具有斜角的基板及具有斜角的基板時，唯一的差別是在切片時，線鋸與該單晶晶塊的主表面之間會形成一角度，且構成該基板的結晶品質是相同的，因此，相同的結晶平面會得到相同的繞射波鋒FWHM值。
第4A圖及第4B圖為圖示利用x-射線搖擺曲線測量法在具有(001)取向之主表面4的兩個β-Ga2O3-系單晶基板1上所得到的x-射線繞射光譜圖。
第4A圖及第4B圖中示出在各個β-Ga2O3-系單晶基板1之主表面4的中心點上所測得的x-射線繞射光譜。
在第4A圖及第4B圖中，水平軸代表x-射線在該β-Ga2O3-系單晶基板1上的入射角ω(度)，及垂直軸代表x-射線的繞射強度(任意單位)。
第4A圖及第4B圖中所示的該等繞射波鋒是由構成β-Ga2O3-系單晶基板1的β-Ga2O3-系單晶晶體之(001)平面的繞射作用所造成，且該等繞射波鋒的FWHM分別是36秒及87秒。β-Ga2O3-系單晶基板1的小FWHM值意味著該β-Ga2O3-系單晶基板1在與(001)平面成垂直的方向上具有極佳取向。
當β-Ga2O3-系單晶基板1的主表面4取向為例如(001)時，在與該(001)平面成垂直的方向上具有極佳取向這件事代表該β-Ga2O3-系單晶晶體之主表面的取向極佳。
在該β-Ga2O3-系單晶晶體中，該(-201)平面與該(001)平面兩者皆與<010>軸的方向呈平行且具有相似的結晶取向。故認為來自(001)平面之繞射波鋒的FWHM範圍與來自(-201)平面之繞射波鋒的FWHM範圍實質相同。
同樣在β-Ga2O3-系單晶基板1上進行x-射線搖擺曲線測量，其中該β-Ga2O3-系單晶基板1之主表面4的取向並不是(001)，而例如是與該(001)平面偏離一預定角度地傾斜(偏斜角度例如為±1°)，從該(001)平面所得到的繞射波鋒之
FWHM範圍與當該主表面4之取向為(001)平面時的繞射波鋒之FWHM範圍實質相同。
構成β-Ga2O3-系單晶基板1之β-Ga2O3-系單晶晶體中的結晶結構紊亂情形不僅僅是特定方向上的取向紊亂。因此，來自該β-Ga2O3-系單晶晶體之任何結晶平面(例如來自該(101)平面)的繞射波鋒之FWHM範圍與來自(-201)平面的繞射波鋒之FWHM範圍實質相同。
同時，在具有(-201)取向之主表面4的兩個β-Ga2O3-系單晶基板1中的平均位錯密度分別是3.9x104cm-2及7.8x104cm-2，藉由該等平均位錯密度可確定該等基板僅含有少許位錯。
另一方面，在具有(-201)取向之主表面的習知β-Ga2O3單晶基板中的平均位錯密度是1.1x105cm-2。該習知β-Ga2O3單晶基板是從利用習知EFG結晶製造設備所成長出之β-Ga2O3單晶晶體上所切下來的基板，該習知EFG結晶製造設備不具有以下所描述的後熱器20及反射板21。
從β-Ga2O3-系單晶基板1之主表面4或習知β-Ga2O3單晶基板之主表面上的蝕刻斑密度平均值各自推算出此等平均位錯密度。確認該β-Ga2O3-系單晶基板1之主表面4上的位錯密度與蝕刻斑密度實質相等。
當使用熱磷酸等化學劑來化學蝕刻該經過鏡面研磨的β-Ga2O3-系單晶基板1時，在具有缺陷之部位處的蝕刻速度會提高，且此會導致形成凹陷(蝕刻斑)。在蝕刻斑部位的缺陷評估中，觀察到該等蝕刻斑部位一對一地對應到位錯處。此顯示可從蝕刻斑密度來估計位錯密度。在光學顯微鏡下計算該基板上五個點(中心點及中心點附近的四個點)處的每單位面積之蝕刻斑數目，並將所計算的數目加以平均而得到平均蝕刻斑密度。
同樣地，當該β-Ga2O3-系單晶基板1之主表面4的取向不是(-201)，而例如是(101)或(001)時，該平均位錯密度會與當主表面4的取向是(-201)時的平均位錯密度實質相同。
利用前述非專利文獻中所揭示之習知EFG方法成長出之β-Ga2O3-系單晶晶體的FWHM及平均位錯密度為75秒及9x104cm-2，而β-Ga2O3-系單晶基板1之x-射線搖擺曲線的FWHM及平均位錯密度則可降低至小於75秒及小於9x104cm-2。該β-Ga2O3-系單晶基板1是從利用以下所述新方法成長出的β-Ga2O3-系單晶晶體上切下來的，而此結果顯示出，相較於從利用習知EFG方法所成長出之β-Ga2O3-系單晶晶體上所切下來的β-Ga2O3-系單晶基板而言，該β-Ga2O3-系單晶基板1具有較佳的結晶取向及較少位錯。
製造β-Ga
2
O
3
-系單晶基板的方法
第5圖是圖示第一實施例中之EFG(限定邊緣膜餵成長法)結晶製造設備10的垂直剖面圖。
EFG結晶製造設備10具有：坩鍋11，該坩鍋11置於石英管18中並含有Ga2O3-系熔融物30；模具12，該模具置於坩鍋11中且具有狹縫12a；蓋13，該蓋13蓋住坩鍋11的開口，使得含有開口12b的模具12之頂表面露出來；用來固定種晶31的種晶固持器14；軸15，該軸15可垂直移動地支撐該種晶固持器14；用來放置坩鍋11的支撐底座16；熱絕緣體17，該熱絕緣體17沿著石英管18的內壁配置；用於進行高頻感應加熱的高頻線圈19，該高頻線圈19設置在石英管18周圍；底部22，該底部22是用來支撐石英管18及熱絕緣體17；及腳部23，該等腳部23連接至底部22。
EFG結晶製造設備10進一步包括後熱器20及反射板21。後熱器20是由銥(Ir)等材料所形成，且該後熱器20配置成環繞著坩鍋11上方用來成長
β-Ga2O3-系單晶晶體32的區域。反射板21是由銥(Ir)等材料所形成，且該反射板21可如同蓋子般地設置在後熱器20上。
坩鍋11容納Ga2O3-系熔融物30，熔化Ga2O3-系原料可獲得Ga2O3-系熔融物30。坩鍋11是由能夠容納Ga2O3-系熔融物30的高熱阻材料所形成，例如銥(Ir)。
模具12具有狹縫12a以利用毛細作用拉起坩鍋11中的Ga2O3-系熔融物30。可採用與坩鍋11相同的方式用高熱阻材料(例如，Ir)形成模具12。
蓋13防止坩鍋11中的高溫Ga2O3-系熔融物30蒸發並進一步防止已蒸發的物質附著至位在坩鍋11外部的構件。
高頻線圈19螺旋狀地配置在石英管18周圍，並由圖中未示出的電源供應高頻電流而使該高頻線圈19感應加熱方式加熱該坩鍋11及後熱器20。此會造成坩鍋內的Ga2O3-系原料熔化，並從而得到Ga2O3-系熔融物30。
熱絕緣體17設置在坩鍋11周圍且留有預定縫隙。熱絕緣體17留住熱量，從而能夠抑制該經感應加熱的坩鍋11等構件發生快速溫度變化的情形。
後熱器20藉由感應加熱來產生熱，且反射板21會將從後熱器20及坩鍋11輻射出來的熱向下反射。本案發明人確認後熱器20能夠減小熱區中的徑向(水平)溫度梯度，及反射板21能夠減小該熱區中之結晶成長方向上的溫度梯度。
在EFG結晶製造設備10上提供後熱器20及反射板21能夠減小β-Ga2O3-系單晶晶體32之x-射線搖擺曲線的FWHM及平均位錯密度。此允許由β-Ga2O3-系單晶晶體32來得到具有小的x-射線搖擺曲線之FWHM及較小平均位錯密度的β-Ga2O3-系單晶基板1。
第6圖是圖示在第一實施例中之β-Ga2O3-系單晶晶體32成長期間的狀態透視圖。第6圖中省略了位在β-Ga2O3-系單晶晶體32周圍之構件的圖解。
為了成長β-Ga2O3-系單晶晶體32，首先，透過模具12的狹縫12a拉起坩鍋11中的Ga2O3-系熔融物30到達該模具12的開口12b，且隨後使種晶31與出現在模具12之開口12b內的Ga2O3-系熔融物30接觸。接著，垂直向上拉起該已與Ga2O3-系熔融物30接觸的種晶31，進而成長β-Ga2O3-系單晶晶體32。
種晶31是沒有或幾乎沒有雙晶平面的β-Ga2O3-系單晶晶體。種晶31的寬度及厚度與該欲成長之β-Ga2O3-系單晶晶體32的寬度及厚度實質相同。因此，能成長β-Ga2O3-系單晶晶體32而無需在寬度方向W上及厚度方向T上加寬β-Ga2O3-系單晶晶體32的肩部。
由於β-Ga2O3-系單晶晶體32的成長不涉及寬度方向W上的肩部加寬程序，因此β-Ga2O3-系單晶晶體32的雙晶作用受到抑制。同時，與在寬度方向W上進行肩部加寬情況不同的是，當在厚度方向T上進行肩部加寬時，較少形成雙晶，因此β-Ga2O3-系單晶晶體32的成長可包含在厚度方向T上進行肩部加寬的程序。然而，若不在厚度方向T上進行肩部加寬的程序時，實質上整個β-Ga2O3-系單晶晶體32會變成平板狀的區域，該區域可切割成諸多基板，且此可降低基板製造成本。因此，較佳方式是不要在厚度方向T上進行肩部加寬的程序，而是如第6圖所示，改用厚的種晶31以確保β-Ga2O3-系單晶晶體32具有足夠厚度。
此外，當成長β-Ga2O3-系單晶晶體並同時加寬該β-Ga2O3-系單晶晶體的肩部時，視加寬該肩部的角度而定可能發生結晶取向劣化或位錯增加的情形。反之，由於成長β-Ga2O3-系單晶晶體32時至少不涉及在寬度方向W上加寬肩部的程序，因此可抑制因肩部加寬所造成的結晶取向劣化或位錯增加情形。
種晶31之水平面向表面33的取向與該β-Ga2O3-系單晶晶體32之主表面34的取向一致。因此，為了從β-Ga2O3-系單晶晶體32取得具有例如(-201)取向之主表面4的β-Ga2O3-系單晶基板1，在使種晶31之表面33的取向為(-201)的狀態下成長β-Ga2O3-系單晶晶體32。
接著將描述使用四角柱狀的窄寬度種晶來形成寬種晶31的方法，該寬種晶31與該β-Ga2O3-系單晶晶體32具有相等的寬度。
第7圖是圖示β-Ga2O3-系單晶晶體36的成長狀態透視圖，並且會將該單晶晶體36切成種晶31。
從β-Ga2O3-系單晶晶體36中不具有或幾乎不具有雙晶平面的區域切出種晶31。因此，該β-Ga2O3-系單晶晶體36的寬度(在寬度方向W上的尺寸)大於該種晶31的寬度。
同時，β-Ga2O3-系單晶晶體36的厚度(在厚度方向T上的尺寸)可能小於該種晶31的厚度。在此種情況下，並不直接從β-Ga2O3-系單晶晶體36上切下種晶31。而是先用從β-Ga2O3-系單晶晶體36切出的種晶來成長β-Ga2O3-系單晶晶體且同時在厚度方向T上加寬肩部，且隨後將該β-Ga2O3-系單晶晶體切成種晶31。
可使用EFG結晶製造設備100來成長β-Ga2O3-系單晶晶體36，該EFG結晶製造設備100與用來成長β-Ga2O3-系單晶晶體32的EFG結晶製造設備10具有實質相同的結構。然而，由於β-Ga2O3-系單晶晶體36的寬度或寬度及厚度與該β-Ga2O3-系單晶晶體32的寬度或寬度及厚度並不相同，因此該EFG結晶製造設備100之模具112的寬度或寬度及厚度與該EFG結晶製造設備10之模具12的寬度或寬度及厚度不相同。模具112之開口112b的尺寸可能與模具12之開口12b的尺寸相同。
種晶35是四角柱狀的β-Ga2O3-系單晶晶體，該β-Ga2O3-系單晶晶體的寬度可能小於該欲成長之β-Ga2O3-系單晶晶體36的寬度。
為了成長β-Ga2O3-系單晶晶體36，首先，透過模具112的狹縫拉起坩鍋11中的Ga2O3-系熔融物30到達該模具112的開口112b，隨後使該種晶35的水平位置沿著寬度方向W偏離該模具112位在寬度方向W上之中心的狀態下，使種晶35與出現在模具112之開口112b內的Ga2O3-系熔融物30接觸。就此方面而言，更
佳者，是使該種晶35的水平位置沿著寬度方向W位在該模具112之邊緣處的狀態下，使種晶35與覆蓋住模具112之頂表面的Ga2O3-系熔融物30接觸。
接著，垂直向上拉起該已與Ga2O3-系熔融物30接觸的種晶35，進而成長β-Ga2O3-系單晶晶體36。
如上述般，該β-Ga2O3-系單晶晶體在(100)平面上具有高劈裂性，及在結晶成長期間可能會在肩部加寬程序中形成具有(100)平面的雙晶而成為雙晶平面(對稱面)。因此，較佳是使β-Ga2O3-系單晶晶體32沿一方向成長且該β-Ga2O3-系單晶晶體32的成長方向與(100)平面呈平行，例如使β-Ga2O3-系單晶晶體32沿b-軸方向或沿著c-軸方向成長，以使得從該β-Ga2O3-系單晶晶體32切下不含雙晶之晶體的尺寸可達到最大。
由於該β-Ga2O3-系單晶晶體傾向沿b-軸方向成長，因此沿著b-軸方向成長β-Ga2O3-系單晶晶體32尤為優選。
同時，若是在寬度方向上進行肩部加寬程序期間該成長中的β-Ga2O3-系單晶晶體產生雙晶的情況中，雙晶平面可能會形成在靠近種晶的區域內且較不易形成在遠離種晶的位置處。
第一實施例中成長β-Ga2O3-系單晶晶體36的方法利用了此等β-Ga2O3-系單晶晶體的雙晶性質。在第一實施例中，相較於使該種晶35的水平位置沿著寬度方向W放置在該模具112中心處的狀態下所成長的β-Ga2O3-系單晶晶體36而言，由於是在使該種晶35的水平位置沿著寬度方向W偏離該模具112在寬度方向W上之中心的狀態下所成長出的β-Ga2O3-系單晶晶體36，因此在該β-Ga2O3-系單晶晶體36中會在與該種晶35相距一大段距離處產生一區域(如第7圖中所示的水平加寬區域)。在此種區域中較不易形成雙晶平面，因而可切割出寬大的種晶31。
可使用日本專利申請案第2013-102599號中所揭示的技術利用種晶35來成長β-Ga2O3-系單晶晶體36及將β-Ga2O3-系單晶晶體36切割成種晶。
接下來，將描述把所成長的β-Ga2O3-系單晶晶體32切成β-Ga2O3-系單晶基板1的方法實例。
首先，成長出厚度例如18毫米的β-Ga2O3-系單晶晶體32，且隨後使該β-Ga2O3-系單晶晶體32退火以解除單晶成長期間產生的熱應力並增進電性質。該退火步驟是在不反應性環境(例如氮氣)中進行，同時使溫度保持在1400℃至1600℃持續進行6至10小時。
接下來，使用鑽石刀進行切割以分開該種晶31與β-Ga2O3-系單晶晶體32。首先，在β-Ga2O3-系單晶晶體32與碳台座之間使用熱熔蠟而使β-Ga2O3-系單晶晶體32固定於碳台座。把固定於碳台座上的β-Ga2O3-系單晶晶體32安裝在切割機上並進行切割以分割該晶體32。刀片的粒度號較佳為約#200至#600(JIS B 4131所定義)，且切割速度較佳為約每分鐘6毫米至10毫米。切完後，藉由加熱使β-Ga2O3-系單晶晶體32脫離碳台座。
下一步是利用超音波機械加工裝置或線切割放電加工機(wire-electrical discharge)把β-Ga2O3-系單晶晶體32的邊緣塑造成圓形。在圓形β-Ga2O3-系單晶晶體32的邊緣處可能形成取向平面。
接著，使用複線鋸把圓形的β-Ga2O3-系單晶晶體32切片成約1毫米厚，從而得到β-Ga2O3-系單晶基板1。在此製程中，可以期望的偏斜角度進行切片。較佳使用固定磨料線鋸。切片速度較佳為約每分鐘0.125毫米至0.3毫米。
接下來，使β-Ga2O3-系單晶基板1退火以降低處理應力並增進電性質及磁導率。於溫度升高期間在氧環境中進行退火步驟，並且當溫度升高之後而保持溫度時，在不反應性環境(例如氮氣環境)中進行退火。此處欲保持的溫度較佳為1400℃至1600℃。
之後，將β-Ga2O3-系單晶基板1的邊緣去角(斜切處理)成期望的角度。
接著，利用鑽石研磨劑磨輪把β-Ga2O3-系單晶基板1研磨至期望厚度。該磨輪的粒度號較佳為約#800至#1000(由JIS B 4131所定義)。
接著，使用旋轉臺及鑽石漿來研磨該β-Ga2O3-系單晶基板至期望厚度。較佳使用金屬系或玻璃系材料所形成的旋轉臺。鑽石漿的顆粒尺寸較佳為約0.5微米。
接下來，使用研磨布及化學機械研磨(CMP)漿料研磨該β-Ga2O3-系單晶基板1，直到獲得原子級的平坦度。該研磨布以尼龍(nylon)、絲纖維或氨基甲酸乙酯(urethane)等材料所形成者為較佳。較佳使用膠態氧化矽漿。經CMP製程處理後的β-Ga2O3-系單晶基板1之主表面具有約Ra=0.05至0.1奈米的平均粗糙度。
第二實施例
第二實施例是半導體多層結構的實施例，該半導體多層結構包含第一實施例中的β-Ga2O3-系單晶基板1。
半導體多層結構的結構組態
第8圖是圖示第二實施例中之半導體多層結構40的垂直剖面圖。半導體多層結構40具有β-Ga2O3-系單晶基板1及氮化物半導體層42，且該氮化物半導體層42是藉由磊晶成長而形成在β-Ga2O3-系單晶基板1的主表面4上。如第8圖所示，較佳亦在β-Ga2O3-系單晶基板1與氮化物半導體層42之間提供緩衝層41，藉以減少β-Ga2O3-系單晶基板1與氮化物半導體層42之間的晶格不匹配情形(lattice mismatch)。
β-Ga2O3-系單晶基板1可含有導電性雜質，例如Si。β-Ga2O3-系單晶基板1的厚度為例如400微米。如第一實施例中所述般，β-Ga2O3-系單晶基板1具有極佳的結晶取向及較少位錯。因此利用磊晶成長形成在β-Ga2O3-系單晶基板1上的氮化物半導體層42亦具有極佳結晶取向及較少位錯。
緩衝層41是由AlxGayInzN(0x1；0y1；0z1；x+y+z=1)結晶所形成。在β-Ga2O3-系單晶基板1上，緩衝層41可形成島狀圖案或形成膜狀形式。緩衝層41可含有導電性雜質，例如Si。
此外，在多種AlxGayInzN結晶之中，AlN結晶(x=1，y=z=0)特別適合用來形成緩衝層41。當緩衝層41是由AlN結晶所形成時，會進一步提高β-Ga2O3-系單晶基板1與氮化物半導體層42之間的附著力。緩衝層41的厚度為例如1奈米至5奈米。
在約370℃至500℃的成長溫度下磊晶成長AlxGayInzN(0x1；0y1；0z1；x+y+z=1)結晶以在β-Ga2O3-系單晶基板1的主表面4上形成緩衝層41。
氮化物半導體層42是由AlxGayInzN(0x1；0y1；0z1；x+y+z=1)結晶所形成且特別是較佳由GaN結晶(y=1；x=z=0)所形成，且容易從該GaN結晶獲得高品質結晶。氮化物半導體層42的厚度為例如5微米。氮化物半導體層42可含有導電性雜質，例如Si。
藉著例如在約1000℃的成長溫度下藉由緩衝層41磊晶成長AlxGayInzN(0x1；0y1；0z1；x+y+z=1)結晶而在β-Ga2O3-系單晶基板1的主表面4上形成氮化物半導體層42。
第三實施例
第三實施例是半導體元件的實施例，該半導體元件包含第二實施例中的半導體多層結構40。以下將描述LED元件作為此種半導體元件的實例。
半導體元件的結構組態
第9圖是圖示第三實施例中之LED元件50的垂直剖面圖。LED元件50具有β-Ga2O3-系單晶基板51、位在β-Ga2O3-系單晶基板51上的緩衝層52、位在緩衝層52上的n-型包覆層53、位在n-型包覆層53上的發光層54、位在發光層54上的
p-型包覆層55、位在p-型包覆層55上的接觸層56、位在接觸層56上的p-側電極57及位在緩衝層52反側處之β-Ga2O3-系單晶基板51表面上的n-側電極58。
之後，使用絕緣膜59覆蓋住由緩衝層52、n-型包覆層53、發光層54、p-型包覆層55及接觸層56所組成之疊層的側表面。
此處，分別對構成第一實施例中之半導體多層結構40的β-Ga2O3-系單晶基板1、緩衝層41及氮化物半導體層42進行分割或圖案化而形成β-Ga2O3-系單晶基板51、緩衝層52及n-型包覆層53。β-Ga2O3-系單晶基板51、緩衝層52及n-型包覆層53的厚度分別是例如400微米、5奈米及5微米。
添加導電性雜質可使β-Ga2O3-系單晶基板51具有導電性，且從而能使用β-Ga2O3-系單晶基板51來形成如同LED元件50般的垂直型半導體元件，在垂直型半導體元件中是在厚度方向上傳導電力。此外，β-Ga2O3-系單晶基板51可讓廣波長範圍的光通過。因此，在如同LED元件50般的發光元件中，能在β-Ga2O3-系單晶基板51之側上引出光線。
n-型包覆層53是由該半導體多層結構40的氮化物半導體層42所形成，且該n-型包覆層53具有極佳結晶取向及較少位錯(dislocation)。因此，利用磊晶成長而形成在此種n-型包覆層53上的發光層54、p-型包覆層55及接觸層56也具有極佳結晶取向及較少位錯。因此，LED元件50在漏電流特性、可靠性及驅動性能等方面上表現極佳。
發光層54是例如由三層的多量子井結構及位在多量子井結構上之10奈米厚的GaN結晶膜所組成。每個多量子井結構是由8奈米厚的GaN結晶膜及2奈米厚的InGaN結晶膜所組成。例如可在750℃的成長溫度下在n-型包覆層53上磊晶成長各個結晶膜而形成發光層54。
p-型包覆層55是例如150奈米厚且含Mg的GaN結晶膜，且該GaN結晶膜所含的Mg濃度為5.0x1019/cm3。例如可在1000℃的成長溫度下在發光層54上磊晶成長含Mg的GaN結晶而形成該p-型包覆層55。
接觸層56是例如10奈米厚且含有Mg的GaN結晶膜，且該GaN結晶膜所含的Mg濃度為1.5x1020/cm3。例如藉著在1000℃的成長溫度下在p-型包覆層55上磊晶成長含Mg的GaN結晶而形成該接觸層56。
為形成緩衝層52、n-型包覆層53、發光層54、p-型包覆層55及接觸層56，可使用三甲基鎵(TMG)氣體作為Ga原料、三甲基銦(TMI)氣體作為In原料、二乙基矽烷((C2H5)2SiH2)氣體作為Si原料、雙(環戊二烯)鎂(Cp2Mg)氣體作為Mg原料及使用氨氣(NH3)作為N原料。
絕緣膜59是由絕緣材料(例如，SiO2)所形成，且是利用例如濺射法形成該絕緣膜59。
p-側電極57及n-側電極58是分別與接觸層56及與β-Ga2O3-系單晶基板51形成歐姆接觸的電極，且是使用例如氣相沈積設備來形成該p-側電極57及n-側電極58。
在晶圓形式的β-Ga2O3-系單晶基板51(β-Ga2O3-系單晶基板1)上形成緩衝層52、n-型包覆層53、發光層54、p-型包覆層55、接觸層56、p-側電極57及n-側電極58，且隨後藉由切割把該β-Ga2O3-系單晶基板51切成尺寸為例如300微米見方的晶片，從而得到LED元件50。
LED元件50是例如LED晶片，該LED晶片配置成能在該β-Ga2O3-系單晶基板51之側上引出光線，並使用Ag膏將該LED元件50安裝在筒型桿(CAN type stem)上。
儘管已描述LED元件50(該元件50為發光元件)作為包含第二實施例之半導體多層結構40的半導體元件實例，但該半導體元件並不限於LED元件且
可能是其他發光元件(例如雷射二極體)或是其他元件(例如電晶體)。即使使用該半導體多層結構40來形成其他元件時，也會因為利用與LED元件50相同的磊晶成長方式在該半導體多層結構40上形成的膜層具有極佳結晶取向及極少位錯，而能得到高品質元件。
該等實施例的功效
本申請案之發明人是率先利用第一實施例中所述新方法成功成長出新穎高品質β-Ga2O3-系單晶晶體的第一人。在第一實施例中，藉由處理新的高品質β-Ga2O3-系單晶晶體，可能得到具有高結晶品質的β-Ga2O3-系單晶基板，該基板具有極佳的結晶取向且較少位錯。
在第二實施例中，使用具有高結晶品質的β-Ga2O3-系單晶基板允許在該基板上磊晶成長高品質膜層，從而能獲得具有高結晶品質的半導體多層結構。
在第三實施例中，使用具有高結晶品質的半導體多層結構允許在該結構上磊晶成長高品質膜層，從而能獲得具有高結晶品質的高性能半導體元件。
本發明不欲受限於該等實施例，且在不偏離本發明主旨的情況下，當可做出各種修飾變化。
此外，根據請求項所述之本發明並不受限於實施例。更應注意的是，未必需要動用到該等實施例中所述特徵的所有組合來解決本發明的問題。
1‧‧‧β-Ga2O3系單晶基板
Claims (10)
- 一種β-Ga2O3-系單晶基板，該基板包括一β-Ga2O3-系單晶晶體，其中該β-Ga2O3-系單晶晶體包括小於75秒的一x-射線搖擺曲線之半鋒全幅值。
- 如請求項1所述之β-Ga2O3-系單晶基板，其中該x-射線搖擺曲線之半鋒全幅值是在該β-Ga2O3-系單晶晶體的一(-201)平面或一(001)平面處取得。
- 如請求項1或請求項2所述之β-Ga2O3-系單晶基板，其中該β-Ga2O3-系單晶晶體包括一主表面，該主表面具有一(-201)、(101)或(001)的平面取向。
- 如請求項1或請求項2所述之β-Ga2O3-系單晶基板，其中該半鋒全幅值不超過35秒。
- 一種β-Ga2O3-系單晶基板，該基板包括小於9x104cm-2的一平均位錯密度。
- 如請求項5所述之β-Ga2O3-系單晶基板，其中該平均位錯密度不超過7.8x104cm-2。
- 如請求項5或請求項6所述之β-Ga2O3-系單晶基板，該基板進一步包括一主表面，該主表面具有一(-201)、(101)或(001)的平面取向。
- 如請求項1或請求項5所述之β-Ga2O3-系單晶基板，其中該基板不含任何雙晶晶體。
- 如請求項1或請求項5所述之β-Ga2O3-系單晶基板，其中該基板進一步包括不小於2英吋的一直徑。
- 如請求項1或請求項5所述之β-Ga2O3-系單晶基板，該基板進一步 包括一不含任何雙晶平面的區域；及其中該區域在與介於一雙晶平面及一主表面之間的一交叉線成垂直的一方向上包括一最大寬度，且該最大寬度不小於2英吋。
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