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CN107227490B - Iii族氮化物半导体及其制造方法 - Google Patents

Iii族氮化物半导体及其制造方法 Download PDF

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CN107227490B CN201710077426.0A CN201710077426A CN107227490B CN 107227490 B CN107227490 B CN 107227490B CN 201710077426 A CN201710077426 A CN 201710077426A CN 107227490 B CN107227490 B CN 107227490B
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nitride semiconductor
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Abstract

本发明的课题在于得到高品质的包含III族氮化物结晶的III族氮化物半导体。所述III族氮化物半导体具有：包含通式RAMO4所表示的单晶体(通式中，R表示选自Sc、In、Y、和镧系元素中的一个或多个三价元素，A表示选自Fe(III)、Ga、和Al中的一个或多个三价元素，M表示选自Mg、Mn、Fe(II)、Co、Cu、Zn、和Cd中的一个或多个二价元素)的RAMO4基板；在所述RAMO4基板上配置的III族氮化物结晶；和在所述RAMO4基板与所述III族氮化物结晶之间，由不同于所述RAMO4基板和所述III族氮化物结晶的材料构成，且具有多个开口的异种膜。

Description

III族氮化物半导体及其制造方法
技术领域
本发明涉及III族氮化物半导体及制造方法。
背景技术
以往，已知使用ScAlMgO4基板的GaN系激光元件的制造方法(例如参照专利文献1)。ScAlMgO4与GaN的晶格常数的失配(不匹配率(GaN的晶格常数-ScAlMgO4的晶格常数)/GaN的晶格常数))为-1.9％，与蓝宝石基板的不匹配率(+16％)相比较小。因此，若将ScAlMgO4基板作为种基板，使GaN结晶生长，则可以得到与蓝宝石基板相比缺陷密度少的GaN结晶。专利文献1中示出了，在ScAlMgO4基板上以600℃左右的低温形成无定形或多晶的缓冲层后，利用有机金属气相生长法(Metal Organic Chemical Vapor Deposition：以下称为MOCVD法)，以1050℃的高温形成GaN单晶薄膜的方法。
另外，专利文献2中公开了，在蓝宝石基板等与GaN不同的异种基板的一部分区域形成掩模，在该掩模上使GaN结晶选择横向生长的手法。该专利文献2中，通过氨热(ammonothermal)横向外延生长法，以650～690℃左右的温度，在蓝宝石基板或ScAlMgO4基板上使GaN结晶生长。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2015-178448号公报
专利文献2：日本特开2014-111527号公报
发明内容
发明要解决的问题
然而，专利文献1和专利文献2的任一技术中，都存在晶格常数的失配，有在生长的结晶与种基板的界面应力集中的问题。向界面的应力集中成为结晶轴的倾斜、翘曲的发生等结晶品质降低的原因。因此，本发明的课题在于得到比以往更高品质的包含III族氮化物结晶的III族氮化物半导体、及其制造方法的实现。
本发明解决了上述课题，目的在于提供高品质的III族氮化物半导体及其制造方法。
用于解决问题的手段
为了达成上述目的，本发明提供一种III族氮化物半导体，其具有：包含通式RAMO4所表示的单晶体(通式中，R表示选自Sc、In、Y、和镧系元素中的一个或多个三价元素，A表示选自Fe(III)、Ga、和Al中的一个或多个三价元素，M表示选自Mg、Mn、Fe(II)、Co、Cu、Zn、和Cd中的一个或多个二价元素)的RAMO4基板；在所述RAMO4基板上形成、由不同于所述RAMO4基板的材料构成、且具有多个开口的异种膜；和在所述异种膜上和所述异种膜的开口内形成、由不同于所述异种膜的材料构成、且含有上述通式中M表示的元素的III族氮化物结晶。
发明效果
根据本发明，能够提供高品质的包含III族氮化物结晶的III族氮化物半导体及其制造方法。
附图说明
图1为本发明的实施方式涉及的III族氮化物半导体的工序截面图。
图2为本发明的实施方式的变形例涉及的III族氮化物半导体的截面示意图。
图3为本发明的实施方式涉及的III族氮化物半导体的截面示意图。
图4为表示利用二次离子质量分析法测定本发明的实施方式涉及的III族氮化物结晶中的元素浓度的分布的图表。
图5为表示向GaN掺杂Mg时的晶格常数(a轴晶格常数)的Mg原子浓度依存性的图表。
具体实施方式
以下对本发明的实施方式参照附图进行说明。
(实施方式)
将本发明涉及的III族氮化物半导体100示于图3。III族氮化物半导体100包括包含通式RAMO4所表示的大致单晶体的RAMO4基板001，在该RAMO4基板001上，隔着异种膜002层叠有III族氮化物结晶004。本实施方式中，在III族氮化物半导体的制作时，将RAMO4基板001作为种基板，III族氮化物结晶004的一部分外延生长。上述通式中，R表示选自Sc、In、Y、和镧系元素(原子序号67-71)中的一个或多个三价元素，A表示选自Fe(III)、Ga、和Al中的一个或多个三价元素，M表示选自Mg、Mn、Fe(II)、Co、Cu、Zn、和Cd中的一个或多个二价元素。另外，RAMO4的大致单晶体是指，构成使III族氮化物外延生长的面(外延生长面)的RAMO4包含90at％以上，且关注于任意的结晶轴时，在外延生长面的任何部分其方向都相同那样的结晶质固体。但是，结晶轴的方向局部地改变的结晶、包含局部的晶格缺陷的结晶也视为单晶体。需要说明的是，上述通式中，O为氧。另外，上述通式中，期望R为Sc、A为Al、M为Mg。
另外，构成III族氮化物结晶的III族元素金属最优选镓(Ga)，但可以为例如铝(Al)、铟(In)、铊(Tl)等。另外，本实施方式中，III族氮化物结晶包含上述通式中M表示的元素。需要说明的是，III族氮化物结晶无需全部包含上述M表示的元素，只要一部分包含该元素即可。
以下，以上述通式中的R为Sc、A为Al、M为Mg、即RAMO4为ScAlMgO4、并且III族氮化物为GaN的情况为例进行说明，但本发明不限于该实施方式。
如前所述，本实施方式的III族氮化物半导体100具有包含ScAlMgO4单晶体的ScAlMgO4基板001(参照图3)。在ScAlMgO4基板001上，配置有由不同于ScAlMgO4基板001的材料构成、且具有多个开口008的异种膜(以下，也称“掩模层”)002。掩模层002由覆盖ScAlMgO4基板001的多个凸部009、和在凸部009间形成且ScAlMgO4基板001露出的多个开口008构成。另外，在掩模层002上，配置有由不同于掩模层002的材料构成的GaN结晶004。
本实施方式的III族氮化物半导体100中，在ScAlMgO4基板001上隔着掩模层002形成有GaN结晶004，因此即使将ScAlMgO4基板001用作种基板，也能够形成高品质的GaN结晶004。
在此，期望掩模层002与ScAlMgO4基板001直接接触。若掩模层002与ScAlMgO4基板001接触，则在掩模层002的开口008内，能够以ScAlMgO4基板001为种基板使GaN外延生长。
在此，期望掩模层002的凸部009由电介质或金属构成。若凸部009由电介质或金属构成，则在GaN的气相生长法中，能够使GaN选择性地生长，可以得到高品质的GaN结晶。
作为构成掩模层002的凸部009的电介质的具体例，可以举出氮化硅、氧化硅、氧化氮化硅、氧化铝、氮化氧化铝、氧化钛、氧化锆、和氧化铌，这些可以单独使用，也可以并用2种以上。
另外特别优选掩模层002的凸部009由高熔点金属或高熔点金属化合物构成。用于形成GaN结晶004的MOCVD等气相生长法中，一般在高温(例如1000℃左右)下进行结晶生长，而高熔点金属或高熔点金属化合物即使在这样的高温气氛中也难以分解，难以产生杂质。作为高熔点金属或高熔点金属化合物的具体例，可以举出钨、钼、铌、钨硅化物、钼硅化物、和铌硅化物等，这些可以单独使用，也可以并用2种以上。
期望掩模层002的凸部009的膜厚为10nm以上且100nm以下。若存在比10nm更薄的区域，则有时GaN难以选择生长。另一方面，若凸部009的膜厚比100nm更厚，则GaN结晶004横向生长时，在与凸部009接触的区域，有时产生空孔、缺陷，GaN结晶004的品质有时降低。
优选凸部009的宽度较宽。若凸部009的宽度较宽，则在凸部009上形成的、缺陷少的GaN结晶004的面积充分变大。作为凸部009的宽度，具体来说期望为3μm以上且30μm以下。
另一方面，期望开口008的宽度为1μm以上且100μm以下。若开口008的宽度过宽，则相对地凸部009的宽度变窄，在凸部009上形成的、缺陷少的GaN结晶004的面积变窄。该情况下，缺陷降低效果减小。另一方面，若开口008的宽度过窄，则在开口008内难以形成足够尺寸的GaN结晶。
需要说明的是，凸部009的形状若为在掩模层002具备多个开口008的形状则没有特别限制，例如可以为条状，也可以为此外的形状。另外，开口008的形状也没有特别限制，例如可以为条状，也可以为点状。但是，开口008优选在凸部009之间周期性地配置。
在此，优选GaN结晶004经由多个开口008与ScAlMgO4基板001直接接触。若它们直接接触，则GaN能够以ScAlMgO4基板001为种基板进行外延生长。需要说明的是，本实施方式中，由于部分地形成有掩模(凸部009)，因此GaN结晶004和ScAlMgO4基板001只是部分地接触。因此，在它们的界面产生的应力与在整个区域接触的情况相比降低。其结果是，难以在GaN结晶004中产生翘曲，进而界面缺陷的产生也被抑制。并且，这样的GaN结晶004可以作为更高品质的III族氮化物结晶的模板。
接着，对本实施方式的III族氮化物半导体100的制造方法利用图1进行说明。
首先，进行准备作为单晶体的ScAlMgO4基板001的工序(图1(a)。接着，进行在ScAlMgO4基板001上堆积包含掩模层的材料的层002a的工序(图1(b))。然后，进行在该层002a的上面涂布抗蚀剂膜003(图1(c))，通过光刻法将涂布的抗蚀剂膜图案化为条状的工序(图1(d))。通过该工序，在层002a上形成抗蚀剂图案013。
其后，进行将层002a的一部分蚀刻除去的工序(图1(e))、和将残留的抗蚀剂图案013除去的工序(图1(f))。由此，形成具有多个条状的凸部009、和多个开口008的掩模层002。蚀刻方法没有特别限制，可以为例如干式蚀刻等。另外，本实施方式中形成的掩模层002重复具有由截面宽度约为3μm的开口008部、和截面宽度约为12μm的凸部009构成的图案。
接着，进行在掩模层002上形成GaN结晶004的工序(图1(g)和图1(h))。作为形成GaN结晶004的方法，可以利用例如有机金属气相生长法(以下、MOCVD法)。MPCVD法中，在900～1000℃左右的高温气氛下使GaN结晶生长。本实施方式中，将三甲基镓(TMGa)和氨用作原料。对于载气使用氢和氮的混合气体。本工序中，严格来说，以在掩模层002的多个开口008露出的ScAlMgO4基板001为起点，使GaN分别结晶生长。即，GaN结晶004按照在ScAlMgO4基板001上直接接触的方式形成。但是，随着结晶生长的进行，GaN结晶004在掩模层002的凸部009上直接接触。并且，若GaN结晶004进一步生长，则在掩模层002的凸部009的上面，GaN结晶004沿横(面)向延伸。由此，形成多个具有薄膜结构的GaN结晶004(图1(g))。
若成为薄膜结构的多个GaN结晶004进一步生长，则在位于凸部009的大致中央的结合部006邻接的GaN结晶004彼此结合，而一体化(图1(h)。如此，在ScAlMgO4基板001上，形成由单晶体构成的GaN结晶004，制造出具有高品质的GaN结晶004的GaN半导体。
在此，对于本方法中制造的III族氮化物半导体的III族氮化物结晶变成高品质的理由，在以下进行说明。
如前所述，与ScAlMgO4相比，GaN的晶格常数小。因此，在上述ScAlMgO4基板001与GaN结晶004之间，晶格的不匹配率存在-1.9％。因此，在它们的界面附近形成的GaN结晶004中，产生缺陷313(穿透位错threading dislocation)。该缺陷313与GaN结晶004的生长方向基本平行地传播。因此，若像本实施方式那样使GaN结晶生长，则缺陷313在掩模层002的开口008附近集中。另一方面，在掩模层002的凸部009上横向生长的GaN结晶004中，作为缺陷313的位错难以传播。即，能够使缺陷313局部地集中于掩模层002的开口008附近，在该区域外，可以得到缺陷313少的高品质的结晶。
需要说明的是，使用蓝宝石作为种基板，使GaN异质外延生长的情况下，蓝宝石与GaN的晶格的不匹配率的绝对值较大为16％。因此，即使像本实施方式那样，在作为种基板的蓝宝石基板上形成掩模层，使GaN的结晶生长，也难以抑制位错的传播。也就是说，将蓝宝石等用作种基板的情况下，在基板与掩模层之间，需要进一步设置非晶质AlN等低温缓冲层。
与此相对，若像本实施方式那样使用ScAlMgO4基板作为种基板，则即使在ScAlMgO4基板001上直接形成掩模层002，也能够如上述那样制作高品质的结晶。也就是说，在进行GaN(III族氮化物结晶)的异质外延生长时，没有必要一定设置非晶质AlN等低温缓冲层等，就能够高效地形成更高品质的GaN(III族氮化物)结晶。
接着，利用图3，对本实施方式的III族氮化物半导体的制造方法的技术意义进行更具体的说明。如上所述，本实施方式的制造方法中，在ScAlMgO4基板001上形成具有多个开口008的掩模层002。并且，以在该掩模层002的多个开口008露出的ScAlMgO4基板001为起点，使GaN结晶004生长。并且，若GaN结晶004生长，则多个微小的GaN结晶004选择性地横向生长，邻接的GaN结晶004彼此在凸部009的中央附近合体。而且，若GaN结晶004生长，则平坦的结晶面沿c轴方向生长。需要说明的是，GaN结晶004的表面(与ScAlMgO4基板001相反侧)为c面。另外，GaN结晶004的膜厚可以为例如5μm。
如上所述，本实施方式的制造方法中得到的GaN结晶004中，缺陷313集中在多个开口008的中央区域，形成缺陷多的区域317。另一方面，在掩模层002的凸部009上部的区域，形成缺陷少的区域318。对于GaN结晶004中的缺陷少的区域318彼此而言，ScAlMgO4基板001与GaN结晶004的晶格不匹配的影响小，它们不会翘曲或倾斜而能够平滑地合体。因此，在该区域318基本不产生新的缺陷。因此，除掩模层002的开口008的附近，可以使GaN结晶004的位错密度为1×106m-2以下。
在此，若在900～1000℃左右的高温的气氛十利用MOCVD法使GaN结晶生长，则ScAlMgO4基板001中的Mg原子一部分分解、蒸发，向GaN结晶004中扩散。对于掩模层002的开口008附近(图3的320所示的区域)的ScAlMgO4基板001和开口008内的GaN结晶004，将利用二次离子质量分析法(SIMS；Secondary Ion Mass Spectrometry)测定深度方向的Mg浓度的分布的结果示于图4。如图4所示，开口008内的GaN结晶004的Mg浓度(图3的区域317的Mg浓度)为7×1017[原子/cm3(atoms/cm3)]以上，可知在GaN结晶004中包含Mg。另外，如图4所示，越接近ScAlMgO4基板001，则Mg浓度越高，可以说Mg原子从ScAlMgO4基板001扩散。需要说明的是，若开口008内的GaN结晶004的Mg浓度超过5×1021[原子/cm3]，则计算上晶格常数变大，但置换III族元素的Mg浓度超过III族氮化物结晶的全部构成原子的10％，发生III族氮化物半导体本身的结晶品质降低的问题。因此，该Mg浓度优选为7×1017～5×1021[原子/cm3]。
需要说明的是，对于在掩模层002的凸部009上(图3中的区域318)形成的GaN结晶004，也同样地测定Mg浓度，结果该区域GaN结晶004中不含Mg原子，实质上没有确认到Mg原子的扩散。
在上述区域317，若在GaN结晶004中混入一定程度(例如7×1017～5×1021[原子/cm3])的Mg原子，则在该区域形成的GaN结晶004的晶格常数变大。其结果是，GaN结晶004的晶格常数变得与ScAlMgO4基板001的晶格常数更接近，GaN结晶004与ScAlMgO4基板001的界面处的应力减小，结晶轴的倾斜、翘曲变小。也就是说，像本实施方式那样，通过采用在高温下进行结晶生长的MOCVD法，能够在区域317形成翘曲、结晶轴的倾斜少的GaN结晶4。
进而，更优选开口008内的GaN结晶004的Mg浓度为1×1020～5×1021[原子/cm3]。对于其理由，利用图5所示的、在GaN中掺杂Mg时的、晶格常数(a轴晶格常数)的Mg原子浓度依存性图表进行说明。本图表是基于Mg置换GaN结晶中的Ga原子位置时的Ga-Mg之间的键长的值，发明人等通过计算平均晶格常数而得到的。在计算Ga与N的键长的变化时，将GaN结晶中位于Ga位点的Ga的电荷假定为0(中性)。另外，本图表的晶格常数为结晶生长的c面即(0001)面内的晶格常数(垂直于c轴的方向的晶格常数)。由此可知，若GaN结晶中的Mg浓度为1×1020[原子/cm3]以上则GaN的晶格常数显著变大。因此，通过将GaN结晶004的Mg浓度设为1×1020～5×1021[原子/cm3]，可以使种基板与在其上生长的III族氮化物结晶的晶格常数之差更小，并且得到结晶品质好的III族氮化物。
在此，由与ScAlMgO4基板001的界面产生的位错(缺陷313)集中在区域317的GaN结晶中，凭借位错而Mg原子的扩散被促进。由此，与ScAlMgO4基板001相接的区域整体的GaN结晶004与其它区域相比晶格常数变大。并且，对于这样的GaN结晶004而言，即使沿厚膜生长也难以发生翘曲。
另一方面，在图3中的区域317以外的区域、即与区域317邻接的区域318等，难以发生Mg的扩散。因此，该区域的Mg的含有浓度实质上为零。这也可以由例如以下报告等得到证实，在Japanese Journal of Applied Physics44号(2005年)6495-6504页中报告，在没有位错的情况下，与有位错的情况相比，原子的扩散系数减小3个数量级左右。因此，可以判断在与区域317邻接的GaN结晶004(区域317以外的区域的GaN结晶)中，实质上不发生Mg的扩散。
在此，对于Mg扩散了的GaN结晶004，若进一步使结晶生长，则发生位错的聚集，缓缓地Mg原子的扩散也被抑制。并且，接近具有均匀的晶格常数的GaN模板。即，图3中的区域317的GaN结晶004中，ScAlMgO4基板侧的Mg浓度变高，相反侧的面的Mg浓度变低。
根据以上，若利用本实施方式的制造方法制造III族氮化物半导体，则在III族氮化物结晶(GaN结晶)的一部分中，可以使RAMO4基板中包含的二价原子(本实施方式中，ScAlMgO4基板的Mg原子)在III族氮化物结晶中部分包含。这样的部分包含二价原子的III族氮化物结晶与RAMO4基板的晶格常数相近，翘曲和结晶轴的倾斜少。并且，通过将部分包含二价原子的III族氮化物结晶作为模板，进一步使结晶生长，从而可以得到缺陷少的、具有高品质的III族氮化物结晶的III族氮化物半导体。
需要说明的是，以往公开的氨热横向外延生长中，使GaN结晶生长时的温度为650～690℃左右而较低。因此，即使使用ScAlMgO4基板使GaN结晶生长，Mg原子也基本不向GaN结晶004中扩散。例如，若使用Solid-State Electronics 43(1999年)621～623页的GaN中的Mg扩散的活化能来计算扩散系数，则与基于MOCVD法的GaN生长时的Mg扩散系数相比，基于氨热法的GaN生长时的Mg扩散系数小10～30倍左右。因此，利用氨热法使GaN结晶生长的情况下，实质上不发生Mg的扩散。因此，以往公开的氨热横向外延生长中结晶生长的GaN结晶中，实质上不含Mg。
在此，若利用上述方法制作GaN结晶，则能够使区域318的GaN结晶的位错密度为1×106m-2以下，与此相对，若不设掩模层002而使GaN结晶生长，则GaN结晶(膜厚为2μm左右)的位错密度为3～5×107cm-2左右。另外，若代替ScAlMgO4基板而将蓝宝石基板作为种基板使GaN外延生长，则生长的GaN结晶的位错密度进一步变大1～2个数量级左右。
GaN结晶的位错因种基板相对于进行生长的GaN结晶(III族氮化物结晶)的晶格不匹配、以及热膨胀不匹配而被导入。因此，只要是异质外延，就难以完全消除位错。在此，若GaN的位错密度超过1×107cm-2，则作为照明用、汽车用前照灯用发光二极管、激光二极管的基板来说品质不充分。因此，实用上要求位错密度为1×106m-2以下的GaN结晶，根据本实施方式涉及的III族氮化物半导体，能够满足这一要求。
(变形例)
本发明的III族氮化物半导体如图2所示，在ScAlMgO4基板001与GaN结晶004之间，可以具有AlxGa1-xN层007(0≤x＜1)。图2为变形例涉及的III族氮化物半导体101的截面示意图。
AlxGa1-xN层007可以利用例如以下方法形成。在此，将AlxGal-xN层007的膜厚设为2μm。另外，Al的组成x设为0.02(2atm％)。
首先，准备作为种基板的ScAlMgO4基板001。将准备的基板在1000℃左右的氢气氛中热清洁后，在600℃左右的低温以20～50nm左右的膜厚形成缓冲层。然后，以1050℃利用MOCVD法使AlxGa1-xN层007生长。通过形成缓冲层，可以得到更高品质的结晶。缓冲层的组成优选与AlxGa1-xN层007相同。
AlxGa1-xN层007的Al的组成若为2atm％以上且10atm％以下，则不会与GaN的晶格常数过于偏离，因此没有问题。形成AlxGa1-xN层007后，形成上述实施方式中说明的掩模层002。需要说明的是，该变形例中，掩模层002按照具有条状的开口008的方式形成，但掩模层002的开口008的形状不限于该形状。在此，上述实施方式中ScAlMgO4基板001在掩模层002的开口008直接露出，与此相对，在该变形例中，AlxGa1-xN层007在掩模层002的开口008露出。并且，该变形例中，以露出的AlxGa1-xN层007为起点使GaN结晶004生长。
该变形例中，也在多个开口008附近形成的AlxGa1-xN层007和GaN结晶004中产生缺陷313，但这些仅集中在掩模层002的开口008附近，因此缺陷没有传播到GaN结晶004的大部分区域。因此，在掩模层002的凸部009上形成的GaN结晶004显示出高结晶性。
在此，若在种基板(ScAlMgO4基板001)与生长的GaN结晶004之间大量存在晶格不匹配、热膨胀不匹配，则有时因残留应力的影响而生长的GaN结晶004发生翘曲，以结合部316结合时不会以原子层水平平滑地结合，在该区域产生新的缺陷。该新的缺陷伴随GaN的进一步生长，向周边部分散，最终成为GaN结晶004整体的位错密度增加的要因。与此相对，通过像该变形例那样，设置AlxGa1-xN层007，能够减小晶格不匹配和热膨胀不匹配的影响。因此，在除了缺陷多的区域317的大致整面，能够形成缺陷更少的区域318。缺陷少的区域318的位错密度可以为小于1×106m-2。
该变形例中，Mg从ScAlMgO4基板001向AlxGa1-xN层007和GaN结晶004扩散而增大晶格常数的效果也与上述实施方式同样。也就是说，在掩模层002的开口008附近的区域319中，Mg原子从ScAlMgO4基板001向GaN结晶004侧扩散。其结果是，GaN结晶004的翘曲减少，可以得到高品质的GaN结晶004。
需要说明的是，还可以使用包含添加了In的AlxGayIn1-x-yN(0≤x＜1、x+y＝1)混晶的层来代替上述AlxGa1-xN层007。
(其他)
本发明的III族氮化物半导体可以用于各种用途。例如，本发明的III族氮化物半导体还可以用于各种发光元件的基板等。该情况下，利用MOCVD法等使作为波长范围为紫外～红色带的发光二极管、激光二极管的发光层的AlGaInN系的结晶，在上述的III族氮化物结晶上生长。通过使用本发明的III族氮化物半导体形成这样的发光层，从而发光层的缺陷密度变低。其结果是，能够大幅提高发光元件的发光效率和工作寿命。
另外，在上述实施方式中，说明了利用MOCVD法制作GaN结晶，也可以利用例如氢化物气相生长法(Hydride Vapor Phase Epitaxy：HVPE法)、氧化镓法(Oxide Vapor PhaseEpitaxy：OVPE法)等方法制作GaN结晶。需要说明的是，HVPE法和OVPE法都与MOCVD法同样，结晶生长时的基板温度为1000℃左右以上，从ScAlMgO4基板发生Mg原子的扩散。另外，可以在利用上述MOCVD法制作的III族氮化物半导体的GaN结晶上，利用HVPE法、OVPE法，进一步形成数百微米～数mm的GaN层后，利用研磨等手法除去ScAlMgO4基板，来制作GaN的自支撑基板。
另外，上述说明中，对形成GaN结晶作为III族氮化物结晶的例子进行了说明，但本实施方式中形成的III族氮化物结晶不限于GaN结晶。例如，可以通过与上述同样的方法，在900～1000℃左右的高温下形成AlxGa1-xN(0≤x≤1)。但是，若Al组成变高，则AlN的多晶堆积在掩模层002上，结晶的选择生长性降低。因此，该结晶中含有的Al的浓度优选为超过0atm％且10atm％以下，更优选为超过0atm％且5atm％以下。
需要说明的是，可以在利用上述方法制作GaN结晶后，除去ScAlMgO4基板(RAMO4基板)和异种膜，取出III族氮化物结晶，将其用作III族氮化物半导体。ScAlMgO4基板(RAMO4基板)和异种膜的除去通过磨削或研磨等加工来实施。
在此，若利用本发明的方法制作III族氮化物半导体，则可以得到具有III族氮化物结晶的III族氮化物半导体，所述III族氮化物结晶中，在构成结晶的同一面内，含有选自Mg、Mn、Fe(II)、Co、Cu、Zn、和Cd中的一个或多个二价元素的区域、与不含该二价元素的区域交替分布。该III族氮化物半导体由于包含含有上述二价元素的区域，因此成为在III族氮化物结晶的制作时产生的RAMO4基板与III族氮化物结晶的晶格常数的失配被改善的高品质的III族氮化物半导体。需要说明的是，含有上述二价元素的区域的二价元素的浓度优选为7×1017～5×1021[原子/cm3]，更优选为1×1020～5×1021[原子/cm3]。通过含有该范围的浓度的二价元素，从而成为高品质的III族氮化物半导体。另外，如前所述，使用ScAlMgO4作为制作上述III族氮化物半导体时的基板的情况下，上述二价元素成为Mg。另外，这样的III族氮化物半导体中的III族氮化物结晶优选为GaN结晶。
产业上的可利用性
本发明的III族氮化物半导体可以用作照明和汽车用前照灯等中使用的白色LED和半导体激光二极管的结晶生长用种基板等。
符号说明
001 ScAlMgO4基板(RAMO4基板)
002 掩模层(异种膜)
003 抗蚀剂膜
004 GaN结晶(III族氮化物结晶)
006 结合部
007 AlxGa1-xN层
008 开口
009 凸部
313 缺陷
316 结合部
317 缺陷多的区域
318 缺陷少的区域
319、320 发生Mg的扩散的区域

Claims (17)

1.一种III族氮化物半导体，其具有：
包含通式RAMO4所表示的单晶体的RAMO4基板，通式RAMO4中，R表示选自Sc、In、Y、和镧系元素中的一个或多个三价元素，A表示选自Fe(III)、Ga、和Al中的一个或多个三价元素，M表示选自Mg、Mn、Fe(II)、Co、Cu、Zn、和Cd中的一个或多个二价元素；
在所述RAMO4基板上形成、由不同于所述RAMO4基板的材料构成、且具有多个开口的异种膜；和
在所述异种膜上和所述异种膜的开口内形成、由不同于所述异种膜的材料构成、且含有所述通式中M表示的元素的III族氮化物结晶，
所述III族氮化物结晶的RAMO4基板侧的二价元素M的浓度高，相反侧的面的二价元素M的浓度低。
2.如权利要求1所述的III族氮化物半导体，其中，所述III族氮化物结晶的所述异种膜的所述开口内的、所述M表示的元素的浓度为7×1017～5×1021原子/cm3。
3.如权利要求1所述的III族氮化物半导体，其中，所述III族氮化物结晶的所述异种膜的所述开口内的、所述M表示的元素的浓度为1×1020～5×1021原子/cm3。
4.如权利要求1所述的III族氮化物半导体，其中，所述异种膜与所述RAMO4基板直接接触。
5.如权利要求1所述的III族氮化物半导体，其中，所述异种膜为电介质或金属。
6.如权利要求1所述的III族氮化物半导体，其中，所述III族氮化物结晶经由所述多个开口与所述RAMO4基板直接接触。
7.如权利要求1所述的III族氮化物半导体，其中，所述通式中的R为Sc、A为Al、M为Mg。
8.一种III族氮化物半导体，其中，在构成结晶的同一面内，具有含有选自Mg、Mn、Fe(II)、Co、Cu、Zn、和Cd中的一个或多个二价元素的区域、与不含所述二价元素的区域交替地分布的III族氮化物结晶，
在含有所述二价元素的区域中穿透位错集中。
9.如权利要求8所述的III族氮化物半导体，其中，在含有所述二价元素的区域，所述二价元素的浓度为7×1017～5×1021原子/cm3。
10.如权利要求8所述的III族氮化物半导体，其中，在含有所述二价元素的区域，所述二价元素的浓度为1×1020～5×1021原子/cm3。
11.如权利要求1所述的III族氮化物半导体，其中，
所述III族氮化物结晶为GaN。
12.一种III族氮化物半导体的制造方法，其包括：
准备包含通式RAMO4所表示的单晶体的RAMO4基板的工序、
在所述RAMO4基板上，形成由不同于所述RAMO4基板的材料构成、且具有多个开口的异种膜的工序、
在所述异种膜上，以900～1000℃形成由不同于所述异种膜的材料构成的III族氮化物结晶的工序，
通式RAMO4中，R表示选自Sc、In、Y、和镧系元素中的一个或多个三价元素，A表示选自Fe(III)、Ga、和Al中的一个或多个三价元素，M表示选自Mg、Mn、Fe(II)、Co、Cu、Zn、和Cd中的一个或多个二价元素，
所述III族氮化物结晶的RAMO4基板侧的二价元素M的浓度变高，相反侧的面的二价元素M的浓度变低。
13.如权利要求12所述的III族氮化物半导体的制造方法，其中，按照与所述RAMO4基板直接接触的方式形成所述异种膜。
14.如权利要求12所述的III族氮化物半导体的制造方法，其中，所述异种膜由电介质或金属构成。
15.如权利要求12所述的III族氮化物半导体的制造方法，其中，按照经由所述多个开口与所述RAMO4基板直接接触的方式形成所述III族氮化物结晶。
16.如权利要求12所述的III族氮化物半导体的制造方法，其中，所述通式中的R为Sc、A为Al、M为Mg。
17.如权利要求12所述的III族氮化物半导体的制造方法，其中，所述III族氮化物结晶为GaN。
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