[发明专利]单晶GaN基体的制造方法和单晶GaN基体

说明书

发明的技术领域

本发明是关于由3-5族氮化物系化合物半导体形成的在发光二极管(LED)和半导体激光器(LD)等发光装置中所用的单晶GaN基体的制造方法，及利用该法制得的单晶GaN基体。

现有技术

使用氮化物系半导体的发光装置，关于蓝色LED已达到实用化。以前，使用氮化物系半导体的发光装置，作为基体，几乎都使用兰宝石(Al₂O₃)。在兰宝石基体上外延生长成GaN、GaInN的薄膜。兰宝石是适宜GaN生长是非常稳定的基体材料。这一点是兰宝石的优点。

然而，兰宝石又是非常坚硬的材料。而且在LD中制作共振器时，没有很适宜的裂开性。因为不能进行自然裂开，必须进行机械切割，分割成晶体基片。存在的缺点是在发光二极管的制造过程中，由于切片工序而带来费用增高。在半导体激光器制造中，由于不能利用劈开制作反射面(共振器)，所以带来质量问题和费用增高。

兰宝石是绝缘性基体。将兰宝石作基体的LED，不能像通常的LED那样，在装置的上下用作电极。必须采用工艺方法，利用腐蚀去除基片的一部分，使下层部分露面，设置电极，制作装置。在腐蚀后，必须在横向上通入电流成为比较厚的导电层。这些过程会增加工序次数、工序时间，而带来费用的增高。进而，在同一面上必须形成2处电极，所以也就需要更大面积的基片。这一点也会带来费用的增加。

由于兰宝石基片具有这样的缺点，所以提出可利用SiC基体，作为GaN系发光元件的基体。SiC具有裂开性。利用自然裂开即可很容地分割成LED的基片，利用自然裂开可形成半导体激光的共振器。由于具有导电性，所以可在基片的上下配置电极。所以利用工艺办法是很方便的。然而，SiC基体的价格极高。存在制造量少难以满足需要的缺点。除以上外，SiC基体还存在结晶质量的问题，不适宜作GaN系半导体的基体。

虽然兰宝石也存在那样的问题，但当使用象SiC那样的异质基体时，存在的问题是GaN和基体材料之间的晶格常数不匹配，在外延层中会导入数量较多的转位等缺陷。现在可以说使用目前市售兰宝石基体的装置，在其GaN外延层中存在1×10⁹cm^-2的转位数。

使用SiC基体时，可以说比兰宝石，转位密度多少要小些，存在1×10⁸cm^-2以上的转位。作为LED，大量的转位在实际应用中不会形成很大的障碍。但是，在电流密度格外大的半导体激光器(LD)时，很明显这些缺陷就成为阻碍半导体激光器寿命长短的重要原因。

从这些理由可知，兰宝石基体、SiC基体都不是最适宜于作蓝色发光元件(LED、LD)的基体。

最理想的基体是GaN单晶。若得到GaN单晶基体，完全不存在结晶晶格失配的问题。而且，GaN具有裂开性，也能获得导电性。预计确实是很理想的。然而，结晶制造技术却很不成熟。很难制造出可用作制造装置的具有实用尺寸的GaN单晶基体。

可以说，在保持平衡状态的超高压下，可以合成GaN晶体，然而，在超高压下却不能合成大的GaN晶体。所以，用这方法是不能制作大型的GaN基体，以该方法，以工业规模供应GaN基体是不可能实现的。

对上述的技术问题进行了深入研究，结果提出了一种方法，在兰宝石基体上通过带窗的面层进行气相生长GaN，可降低转位缺陷。在以下文献中有报导。

①碓井彰“通过氢化物VPE生长厚膜GaN晶体”电子情报通信学会论文志Vol.J81-C-II，No.l，P58-64(1998年1月)

②酒井朗、碓井彰“通过GaN选择横向生长而减少转位密度”应用物理第68卷第7号、P774-779(1999)，等。

进而，本发明人在GaAs基体上，通过带窗的面层，已气相生长成GaN，并进一步发明了获得GaN基体的方法。

③特原平9-298300号

④特原平10-9008号

根据这种方法，可以生长成结晶缺陷密度比较低的大面积GaN晶体，这叫作外延横向附晶生长(Epitaxial Lateral Overgrowth：ELO)，这里简单称为横向生长法。

具体讲，该方法是通过HVPE等的气相合成法，在GaAs基体上形成具有很多条状窗或圆形窗的面层，再在其上横向生长GaN后，除去GaAs基体，获得GaN基体。