TW200835820A - Group III nitride semiconductor substrate - Google Patents

Description

200835820 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 口質職化物糊基板，特別係有關-種高 口口貝的弟Μ私虱化物半導體基板者。 、 产 【先前技術】 等、氮化銦郷剔) ' 氮化鋁鎵(A1GaN) 二極# 口體作為用於藍色發光二極體（LED)和錯射 “的ϋ，料而被關注。進而，為了發揮⑽系化合物半 魏性優良的特點，也開始了子裝置的 (MOVPE)等來外延生長GaN。 魏相生長法 Μΐ^ίί^ίί因為與⑽❸晶格常數不同，所以如果在 -、土板上直接生長GaN的話，就不能生長單晶膜。 而且，有機金屬氣相生長法中，如 生氣相反應，GaN的單晶外職長後，^ = 在低技>^之習知的方法是在藍寶石基板上，暫時 执或的緩衝層，因在低溫生長的緩衝声可讓曰

Zttittt, 〇aN ° 延生何娜—除㈣石基板和外 的缺陷。顯然，這種缺陷在製作⑽f = GaN有許夕 會成為障礙。 知仙必系LD或㈣度❺LED時， 由於上述原因，迫切希望出現⑽自支撐基板。⑽難以像 5 200835820

Si和GaAs那樣從熔融液生長成大型晶錠(1(^〇1^，所以，嘗試例 如超高溫高壓法、熔劑法（flux)、氫化物氣相外延法(11¥1>]£法 等各種方法。 其中做了最深入的研究是利用ΗγρΕ法的GaN基板。利用 HWE法㈣aN基獅紐慢地在發展，但觸始叙市場，期 待不僅可以用於LD，同時也能用於高亮度LED和電力轉換元件。 專利文獻1 :日本特開2003-37288號公報 【發明内容】

在可預知今後越來越高輸出化的第皿族氮化物半導體 灌产需f ί ^真地考慮抑制位錯密度和空位(vancy柳^缺陷 其他雜質形成複合體， 還有天壤之別。 貝GaAs羊之習知半導體相比 置=體:度上升大的纖裝置中 i已^的裝 的壽命‘二，所以陽電子 (Vancy_type)型缺陷濃度。，、疋利用此原理來估測空位 但是’在進行陽電子消減 特殊的裝置，麟频 6 200835820 是間接的測定，測定精度未必充分。 奋生1滅法因為是非常局部性的評價，所以對用於 貝際曰曰體生長的大面積的評價就很困難，因此， (vanc=pe)f_農度為主的研究至今幾乎沒有任何進展。 氮錄目的是解決上述問題，並提供高品質賴族 時，化物半導體基板形成LED元件 體的’本發9月提供了一種m族氮化物單晶半導 =直 數由溫度變： 在0.1小於等們間的差㈣L設為Δα時，杨的值 主面if=i徵ί ’在m族氮化物單晶半導體基板中，當滿足 内二最高的晶格面所成減的偏差在基板的主面 小於等位f密度是 斗 …在往亦隹貝線里在1χ10 cm小於等於的格 ίίϊί位(職y々pe)型缺陷濃度的增加可以用Μ 大面積内方便地評價，其中，Δα是樣品的外形尺寸 變化算出的線膨脹係數α與由晶格常數之溫 又艾化#出的線膨脹係數aL的差。 制作^本發^可以提供**觀魏化物半導縣板，它可以 =變小，=’工==上升引起輕位(vancy_type)型缺陷濃度的增 IJ 同’皿工作特性優良的裝置。 =日月可以提供高品質賴族氮化物半導體基板。而且，使 氮化物料縣板製成LED元件時，能夠提高元 200835820 【實施方式】 下面，參照附圖對本發明的第皿族氮化物半導體基板的實 方式進行詳細說明。對於圖4至目7，因為各晶體的大小 同，所以採用與實際尺寸相異的概略圖。 第1實施方式:關於空位(vancy-type)型缺陷濃度的評價和Δα/α 3圖—1是顯示Δα/α對C軸方位分佈互依性的研究結果的圖，圖 2疋顯不Δα/α對具有刃狀成分的位錯密度的互依性的研究結果的 圖，圖3是顯示Δα/α對雜質添加量(si)的互依性的研究結果"的圖。 • ^上述，作為測定空位(vancy4ype)型缺陷濃度的方法，有陽 _ 軒賊法。可是，在進行陽電子誠法的陽電子消滅實驗中， ^使畴殊祕置，不錢錢地評價纽(爾㈣⑽型缺陷 口此，對以Δα (-a-aL)作為指標來大面積的方便評價的方 Ια备進行如下說明’其中’如是樣品的外形尺寸由溫度變化算出 的線膨脹絲a與晶格常數由溫輕化算出的_脹係數^的 罢。 _ ^ i物質的熱膨服是由晶格間距離增大和空位(柯腎挪） 增加引起的。峰品大小依溫度變化得到的線膨 脹係數a被認為含有這兩方面的資訊。糊TMA(Thermai ==^編_)_射干妓直麵大小的化， k而得到線膨脹係數α。 罢將石英玻璃等參照樣品與被測樣品的熱膨脹的 差，用差動變壓器檢測的方法 ，.另:方面，利用X射線繞射(Dfflacti〇n)或電子射 ’晶格常數的根據溫度變化估測線膨脹係數此時，不 iirt Vry々P、e)型缺陷濃度增加的資訊。因此，根據α與aL (=a_aL)，可以提取出空位(職y-㈣型缺陷濃度增加 在不存在大型晶體的ΙΠ族氮化物半導體中，_高精度測定 200835820 aL，此前測定也也很困難。也就是說等於沒有空位 型缺陷濃度的指標，因此也難以對其加以改善。 =過近年，可以通過hype法製得具有直徑為5〇.8mm 英 寸），於大於面積的大型GaN晶體。因此，發明人著手進行了快 速測定aL與有效降低的研究。潛心研究後發現，雖然其物理 機理的闡明未必充分，但找出了以下的有效的方法。 (1) 宏觀應力的降低 ^ ^利用HVPE法製作的GaN基板帶有使Ga極性面彎向 =的祕。它被認為是由於⑽應力引起的，_部應力則 起因於生長初期過程的晶界密度的變化。 、 彻將―相騎GaN基板翹曲的曲率半徑，也就是相 明的基板主面與和主面平行度最高的晶格面所成 ί 巧佈)進行的繪圖。將具有刃狀成分的位錯密 内部應^變小，可以看出減小的趨勢。牛低 通常’研磨GaN基板的兩面來使用。此時，雖 =;格面的練、復原，所以G峨的主面】·斤 Ϊ = 板的面内位置而變化。研磨前馳曲越小f 和平仃度最高的晶格面所成角度的偏差在以 GaN ^板的面内換算是中心值士〇 〇3度以下，# (2) 微觀應力稱低 ㈣•射降低 除了上述的“宏觀應力，，，存在有被認為有助於產 力；ΪΓ那就是存在具有魏成分的二。在 ’存在舆位錯芯的距離成反比的應力場，它被i 為麥與了空位(vancy-type)型缺陷濃度的增加。 皮〜 圖2是Λα/α相對於具有刃狀成分位錯密度進 ^分佈GaN基板_算的t心值 進^圖;f方 為㈣W。杨隨著該位錯密度的減小而“=;隹= 200835820 撕的效果 所為了確保GaN基板充分的導電性，GaN基板通常添加n =雜質U Si、Ge和〇為代表。在㈣基板中，如果添加這些 活性雜質的話’由於電荷的中性條件的的要求而使空位— (^nCy-type靡彡雜餅低，目此，即使是从的也能_ 成空位(vancy-type)，所以容易產生空位(va^^^pe)。 ^ 3是Δα/α姆於Si添加量進行的賴。將綠分佈定為在 3算的中心值咖3度，將具有刃狀成分的位錯密度定 為2><1〇(^11。可以看出^〇1/〇1隨著汾濃度的增加而增大，為了 效地抑制Δα/α的增加，要將Si濃度抑制在lxl〇19cm_3小於等於。 圖4疋比較例中的GaN基板的製造方法的說明圖。 =aN賴2是在直徑2英寸的C面輯石基板丨上利 金屬氣相生長法_聰）’外延生長至厚度為_後，與藍寶石 基板1共同放入氳化物氣相生長(HvpE)爐中，以（^和贿^作 為原料外延生長至厚度為6〇〇gm的GaN厚膜3。生長溫度是 1 〇73°C，生長壓力是97kPa。原料氣體中以〇 6Mm〇1/min ^比例添 加8¾¾氣體，形成石夕摻雜劑的晶體。 ^在藍寶石基板1上外延生長的GaN厚膜3用鐳射剝離法除去 藍寶石基板1，然後通過研磨雙面得到直徑2英寸、厚度43〇陣 的作為第1 GaN基板的GaN自支撐基板4。 •這個GaN自支撐基板4的C軸的面内偏差在用X射線繞射 (Diffraction)法探測時，相對於中心值為士〇18度而較大。 而且，用SIMS分析測定晶體中的Si濃度是15xl〇i9cm-3。 進而伙(10-10)X射線回擺曲線半（RoekhgQjj'ye)峰寬估 測’帶有刃狀成分的錯位密度是lxl07cm-2。 另方面’利用TMA法和X射線繞射_|£^(^〇11)法測定線 膨脹係數的結果，估測出此GaN自支撐基板4的Δα/α值得大 約值是0.15。 200835820 圖5是使用自支撐基板4製作的LED元件示意圖，自支撐基 板4是基於圖4說明的GaN基板製造方法來製作。

GaN自支撐基板4作為GaN基板1〇再次放入MOPVE爐中， 用mopve法依次外延生長厚度為4|lm的n型〇必層打、厚度 為40nm的η型AlaiGa〇.9N層12、厚度為（牌層3 rnn，障 壁層 10 nm)的 Inai5Ga〇.85N/GaN_3-MQW 活性層 13、厚度為 40nm 的 p，AlaiGa〇.9N 層 14、厚度為 500nm 的 p 型 GaN 層 15。 這種外延生長的外延晶片被切下大小為〇 3mm的方塊，在上 下面上形成上部電極16和下部電極17，被切下大小為Q.3mm的 ⑩ 方塊晶片祕漿糊接合在電晶體座上，通過線焊、樹絲封製成 LED元株。 這種元件’在通電為1〇〇mA時的可靠性實驗結果中， 估測70件胥命大概是4000小時的程度。這種LED元件隨著高電 ，工作時的溫度上升而產生的許多空位⑽卿切e)，引起熱傳導 率低下和光吸收係數的增大，推測它是短壽命的原因。 圖6是本發明的第1實施方式中的GaN基板的製造方法的謂 明圖。 關於本發明GaN基板的製造方法中用作種晶的祕基板，如 ^士4戶ft ’是在直徑2英寸的C面藍f石基板1上利用有機金屬 Γίίί法iM0V^E) ’外延生長至厚度為3叫後，與藍寶石基相 从八同放人氣化物氣相生長(HYPE)爐巾，以GaC1和卿作為原制 外，生長至厚縣的GaN顧3。生長溫度是廳。。，生 =力是97kPa。原料氣體中以0.6μηι〇1/ηώι的比例添加 f二形成石夕摻雜劑的晶體。至此，用與上述比較·祕基相 的製造方法相同的步驟來製作。 雜、、ϋί二在ΐ寶石基板1上外延生長⑽n厚膜3用鐳射剥 去乂實石基板1，然後由研磨雙面成為直徑為5〇.8醜、厚 又μπι的GaN基板。以此GaN基板作為種晶祕基板5使用。 此GaN基板5再次放入hype爐中，繼續外延生長使i 200835820 ，到30mm。得到的單晶的GaN晶錠(IGN〇T)6通過切片法，得到 薄j GaN晶錠(IGNOT)7，薄片GaN晶錠(Ι(}Ν〇τ)7重新成為直徑 2英寸、厚度為430μηι的作為第2 GaN基板的GaN自支撐基板8。 從晶錠(IGNOT)前端附近切片的GaN自支撐基板8在用X射 線繞射(Diffraction)法調查面内偏差時，相對於中心值為进〇1度， 非常小。 而且，用SIMS分析測定的晶體中的Si濃度是1〇xl〇18em_3。 進而’從(KMG)X射線回擺曲線半高寬估測，帶有刃狀成分 的錯位密度是lxl〇5cm-2。 士,另一方面，利用™[A法和X射線繞射(Diffiaction)法測定線 =脹係數的絲，伽㈣此GaN自支雜板8的驗的值是〇 〇1 (測定下限值）。 日 1的第1實施方式中的LED元件構造的模式圖， 對使用GaN自支撐基板8製作LED元件進行說明。 P其ί 圖5所示的LED元件相同構造的元件，GaN自支 4糸作為GaN基板18再次放入M〇PVE爐中，用M0PVE 延生長厚絲4_的n型祕層n、厚縣伽㈤的n 二，^a〇.9N層12、厚度為13nm (牌層3麵，障壁層1〇胞） 細各MQW活性層13、厚度為4〇臟的P型 Π0·1 C二^、厚度為5〇〇nm的P型⑽層15。對和圖5有 同一構造的部分，使用同一符號。 下而生長的外延晶片被切下大小為a3mm的方塊，在上 =形成上部電極16和下部電極17，被切下大小03mm 方塊晶片用銀漿糊接合在兩曰鍊命 、 LED元件。 接在屯日日體座上，通過線焊、樹脂密封製成 it種LED元件，在通電為動牆時的 士 ^測=件壽命大概是u_小時 二^带 12 1 a的工位(vancy_type)少，熱傳導率和光 係數知化小，4是它長壽命化的原因。 200835820 第1實施方式的效果

等於’ f基板ί主面朴讀是·度擔 小於等於，從」、於等於、雜質的總量是lxl〇1W _的增大也二〒即使高溫條件下，空位(vaney々Pe)型缺陷 等，特別θ、隹ΐ、向品質GaN自支撐基板。使用它的LED、LD 高工作,顯著的提

第2實施方式 可P 的财式㈣led树私相對於她 技=在用第1實施方式得到的實施例中的祕自支 8 3曰曰曰鍵(IGN0T)6的切片位置，而各自具有不同 們製作和第1實施方式同樣的元件構造， △α/Ι主Ϊ·在貝結果，Δα/α*小，㈣★件的可靠性越高， 每田鸟ί在0小於專於時’可以判斷出能夠獲得10_小時的 只用料’所以可以得到多個實用性高的高品質⑽自 8 0 其他的應用例、變更例 上，貝施方式中’只記載了 LED元件，但並不局限於此， ΪΐΐΪΪ tLD或電力觀元件等對高輸& I作的元件也 妬舍揮同樣驗果。而且，只敍述了有_聰^法製作的 iff ίΐ 8 ’但並不局限於此，也可以考慮使用熔劑法、氨熱法 寻具他方法。 本發明不限於上述實施方式，可以在不超脫或不變更本發明 的技術思想的範圍内進行種種變更。 13 200835820 【圖式簡單說明】 圖1疋顯示Δα/α的C軸方位分佈附依性的研究έ士果 圖2之具有刃狀成分的位錯密度的研 圖3是顯示對^01/01之雜質添加量(si)的附依性的研究結果的 圖。 圖4，比較例中的GaN基板的製造方法的說明圖。 圖5是$用自支撐基板4製作的LED元件示意圖，其中，自 支撐基板4是基於用圖4說明的GaN基板的製&方法來 參 製作。 圖6疋本發明的第^實施方式中的GaN基板的製造方法的說 明圖。 圖7,本發明的第1實施方式中的LED元件構造的模式圖。 圖8是顯示本發明的第2實施方式中的LED元件壽命對Δα/α 的互依性的研究結果的圖。 【主要元件符號說明】 I 藍賃石基板 馨 2 氮化鎵(GaN)薄膜 3 GaN厚膜 ， 4 GaN自支撐基板 5 GaN基板 6 GaN 晶錠(IGNOT) 7 薄片GaN晶錠(IGNOT) 8 GaN自支撐基板 10 GaN基板 II η型GaN層 12 η 型 AUGa^N 層 13 In〇.i5Ga〇.85N/GaN-3-MQW 活性層 14 200835820 14 p 型 AlojGaoW 層 15 p型GaN層 16 上部電極 17 下部電極 GaN基板 18

Claims (1)

1. 200835820 十、申請專利範園： 1 ·一種第]Π族氮化物半導體基板，其特徵在於： 該基板，m族氮化物單晶構成，將具有直徑等於大於254_ 和厚度等於大於150μηι的基板的外形尺寸由溫度變化算出之 線膨脹係數設為α，及將該基板的晶格常數由溫度變化算出 的線膨脹係數設為aL，將它們之間的差a_aL設為Δα，則^ / 的值在小於等於(U者。 2·如申請專利範圍第！項所述之第皿族氮化物半導體基板，其 中、該基板的主面與和主面平行度最高的晶格面所成角度的 偏差在該基板的主面内是中心值小於等於士〇 〇3度者。又 3·如申，專利範圍第1項所述之第瓜族氮化物半導體基板，其 中，該基板的具有刃狀成分的位錯密度是小於等於2x1〇6c^_2 者0 4.如申請專利範圍第1項所述之第瓜族氮化物半導體基板，其 所述基板的電氣活性雜質總量為小於等於lxl〇19cm_3者。 16