[发明专利]第13族氮化物晶体和第13族氮化物晶体基板

说明书

技术领域

本发明涉及第13族氮化物晶体和第13族氮化物晶体基板(衬底，substrate)。

背景技术

基于氮化镓(GaN)的半导体材料用于半导体器件例如蓝色发光二极管(LED)、白色LED和激光二极管(LD)。白色LED例如用于移动电话屏幕和液晶显示器的背光灯和用于照明。蓝色LED例如用于交通灯和其它照明。蓝-紫LD用作蓝光光盘的光源。现在，用作紫外、紫-蓝-绿光源的大部分的基于GaN的半导体器件是通过使用例如金属有机化学气相沉积(MOCVD)或分子束外延(MBE)在蓝宝石或碳化硅(SiC)基板上进行晶体生长而制造的。

如果蓝宝石或SiC用作基板，由于与第13族氮化物在热膨胀系数和晶格常数方面的大的差异，晶体缺陷增加。这样的缺陷对器件特性具有负面影响，由此使得难以例如延长发光器件的寿命或提高负载功率。为了解决这些问题，最适合地使用由与在基板上生长的晶体相同的材料制成的GaN基板。

现在，自支撑GaN基板是通过如下制造的：使用用于减小位错密度的生长方法例如横向外延过生长(ELO)通过氢化物气相外延(HVPE)在不同的基板例如蓝宝石基板和砷化镓(GaAs)基板上厚厚地生长GaN；和将GaN厚膜从所述不同的基板分离。以这种方式制造的GaN基板的位错密度被减小至约10⁶cm^-2。此外，这样的具有2英寸尺寸的GaN基板被投入实际使用中并主要用于激光器件。近来，为了减少白色LED的成本和将基板应用于电子器件，需要具有4英寸或6英寸的更大直径的基板的设计。

然而，由于所述不同的基板材料和GaN之间在热膨胀系数和晶格常数方面的差异所导致的翘曲和裂纹的出现阻碍了大直径基板的设计。此外，以上描述的位错密度仍然存在。另外，由于GaN基板是通过将一个GaN厚膜从一个不同的基板分离且对该GaN厚膜进行抛光而制造的，制造该GaN基板花费大量成本。

相形之下，已研究和开发了使氮气从气相溶解到碱金属和第13族金属的混合熔体中以生长GaN晶体的助熔剂法(flux method)作为用于通过液相生长实现GaN基板的方法之一。

在助熔剂法中，通过将含有碱金属例如钠(Na)和钾(K)、以及第13族金属例如镓(Ga)的混合熔体在处于等于或低于10MPa的氮气压力的气氛下加热至约600℃-900℃，氮气从气相溶解。随后，通过使氮气与混合熔体中的第13族金属反应，生长第13族氮化物晶体。助熔剂法使得在比其它液相生长更低的温度和更低的压力下实现晶体生长。另外，由此生长的晶体有利地具有低于10⁶cm^-2的位错密度。

Chemistry of Materials Vol.9(1997)pp.413-416报道了通过如下生长GaN晶体的事实：将用作原材料的叠氮化钠(NaN₃)和金属Ga置于由不锈钢制成的反应容器(该容器的内部尺寸：7.5mm的内径和100mm的长度)中，和在氮气氛下密封住该容器，和将该反应容器保持在600℃-800℃的温度下24小时-100小时。

Proc.21st Century COE Joint Workshop on Bulk Nitrides IPAP Conf.Series4pp.14-20报道了当通过MOCVD和HVPE在蓝宝石基板上生长GaN时所产生的位错和倾斜晶界。

日本专利申请待审公布No.2010-100449公开了通过助熔剂法从基础基板生长GaN晶体的方法。日本专利No.4588340公开了在基础基板上形成图案化的掩模和通过助熔剂法选择性地生长GaN的方法。日本专利申请待审公布No.2008-94704公开了作为用于制造大的GaN晶体的方法的使用氮化铝(AlN)针晶作为种晶和生长GaN柱状晶的方法。日本专利申请待审公布No.2006-045047公开了用于制造用作种晶的AlN针晶的方法。日本专利申请待审公布No.2010-254576公开了通过将从基础基板生长的GaN晶体沿着平行于生长方法的面切片而制造具有低位错的GaN基板的方法。

然而，在常规技术中，由于c面的穿透位错(贯通位错，threadingdislocation)和基面位错的影响，难以提供高品质的块状(体，bulk)晶体。

因此，存在提供适用于高品质第13族氮化物半导体基板和第13族氮化物晶体基板的第13族氮化物晶体的需要。

发明内容

本发明的目的是至少部分地解决常规技术中的问题。