[发明专利]GaN晶体的制造方法、GaN晶体、GaN晶体基板、半导体装置及GaN晶体制造装置

说明书

技术领域

本发明涉及GaN晶体的制造方法、GaN晶体、GaN晶体基 板、半导体装置及GaN晶体制造装置。

背景技术

III族元素氮化物晶体的半导体被用于例如异质结高速电 子器件及光电子器件(半导体激光器、发光二极管(LED)、传 感器等)等领域，尤其氮化镓(GaN)晶体受到关注。一直以 来，为了得到氮化镓的单晶，而使镓与氮气直接进行反应(参 照非专利文献1)。但是，这样的情况需要1300～1600℃、8000～ 17000atm(约800～1700MPa)的超高温高压。为了解决这一问 题，开发了在钠(Na)熔剂(熔体)中培育氮化镓单晶的技术 (以下记为“Na熔剂法”)(例如参照专利文献1～3、非专利文 献2、3)。通过这种方法，加热温度大幅下降，为600～800℃， 另外压力也下降到约50atm(约5MPa)程度。前述Na熔剂法是 在前述Na熔剂中预先放入晶种，将该晶种作为核来培育晶体的 方法。通过该方法，也可以得到块状的晶体。作为前述晶种， 在培育GaN单晶时，使用例如通过MOCVD法、HVPE法在蓝宝 石基板上形成GaN晶体薄膜层的层积基板。这样的技术也称为 “液相外延生长法”。

在使用GaN单晶的电子器件中，发光二极管(LED)在照 明上的应用受到期待，研究开发盛行。这是因为与荧光灯等以 往的照明器具相比，使用GaN单晶的LED可以节约大量电力。 但是，以往使用的GaN单晶的LED在提高亮度上有限度，不能 实现理论预测水平的高亮度。其理由是由于存在下述的3个问 题。

(1)LED内部的电荷的极化

(2)高亮度化引起的发光波长的变化

(3)LED内部的高电阻部分的存在

如果在GaN晶体基板的非极性面上制作LED，理论上可以 解决前述(1)～(3)的三个问题。前述非极性面是指没有电 荷的极化的面。但是，现有技术不可能在GaN晶体基板的非极 性面上制作LED。图1表示LED的基本构成。如图所示，LED具 有如下构成：在由蓝宝石或碳化硅形成的基板1上，按顺序层积 低温缓冲层2、GaN晶体(掺杂Si)层3、n-AlGaN(掺杂Si)层 5、InGaN层6、p-AlGaN(掺杂Mg)层7、p-GaN(掺杂Mg)层 8、透明电极层9和p层电极10，且在前述GaN晶体(掺杂Si)层 3的一部分上配置n层电极4。在以往的LED的制作中，如图2所 示，由于是在蓝宝石等基板1上，隔着低温缓冲层2，采用液相 外延生长法生长GaN晶体层3，因此前述GaN晶体只有c面能够 生长，前述GaN晶体层3的侧面32成为M面，前述GaN晶体层3 的上表面31成为c面。另外，即使试图勉强形成M面等非极性面， 由于得到的晶体的品质差，实际上不能实现提高亮度的目的。

进一步，使用Na熔剂(熔体)的液相外延生长法中，在前 述熔剂中生成晶种以外的核，由于这个原因出现GaN晶体的品 质和收率变差的问题。图8的图中示出了氮气压力与基板上形成 的GaN晶体的厚度(膜厚)的关系的一个实例。如图所示，随 着氮气的压力上升，GaN晶体的厚度也增加，但是氮气压力超 过某一点(在图8中为约34atm)时，相反地GaN晶体的厚度开 始变薄。这是由于，如图8所示，在Na熔剂中，生成了晶种以 外的核。

这样的非极性面的生长的问题和成核的问题是GaN晶体的 制造中应该解决的重要的问题，在其他的III族元素氮化物晶体 的制造方法中也是应该解决的重要的问题。

专利文献1：日本特开2000-327495号公报

专利文献2：日本特开2001-102316号公报

专利文献3：日本特开2003-292400号公报

非专利文献1：J.Phys.Chem.Solids，1995，56，639

非专利文献2：日本晶体成长学会志30，2，pp38-45(2003)

非专利文献3：J.J.Appl.Phys.42，ppL879-L881(2003)

发明内容

因此，本发明的目的在于提供可以实现防止成核和高结晶 性非极性面生长中的至少一个方面的GaN晶体的制造方法、 GaN晶体、GaN晶体基板、半导体装置以及GaN晶体制造装置。