[发明专利]往氮化镓结晶掺杂氧的方法和掺杂氧的n型氮化镓单晶基板

说明书

技术领域

本发明涉及由3～5族氮化物系化合物半导体构成的发光二极管以及半导体激光等发光装置，以及在电子装置中用的氮化镓(GaN)单晶基板结晶的掺杂氧的方法。在基板上，在外延成长的GaN薄膜成长及GaN大块结晶成长时，往GaN结晶本体掺杂杂质。与氮化物系化合物半导体一样表现的是，它层压的薄膜不仅是GaN薄膜，而且，是往里添加In、P、As......等成分的三元混晶膜、四元混晶膜等层压膜。发光活性层是GaInN。而主体是GaN。因还有其他成分，所以，与氮化物系一起正确加以叙述。因此，在以后的叙述中，GaN系装置或GaInN系装置可认为是表现相同的装置。

现有技术

采用氮化物系半导体的发光装置，首先是蓝色LED，早已实用化。从前，采用的氮化物系半导体的发光装置，是用蓝宝石作为基板。在单晶蓝宝石基板上，使GaN层、GaInN层等进行外延生长，作为外晶片。对于GaN，作为n型掺杂剂使用的是Si。在外晶片上，通过晶片工艺制造GaInN-LED装置。蓝宝石是极稳定的坚固基板。在蓝宝石基板上能良好外延成长GaN层以及再在其上良好生长GaInN层。目前，GaN系蓝色LED可在蓝宝石基板上制作。蓝宝石(α-Al₂O₃)和GaN的晶格常数不同(失配)，然而，GaN层还是在蓝宝石基板上良好成长。而且，GaN层虽然有很大的转位重排，但未劣化，仍然坚固。

因为蓝宝石形成三方晶系单晶，所以，使GaN薄膜在其C面上成长。由于蓝宝石和GaN的晶系不同，仅在是3维对称性的C面上使GaN进行外延成长。因此，现在实际使用的GaInN-LED，都是在C面的蓝宝石基板上，由在C轴方向成长的薄膜聚集而构成的。

即，蓝宝石面上的GaN及GaInN薄膜等表层全都是C面成长。仅限于使用蓝宝石的基板上，进行C面成长。在其他面方位上，不可能外延成长。因此，现在制造使用的GaInN-LED、GaInN-LD，全都是C面成长的GaN、GaInN层等聚集而成的，而不存在其他面方位的薄膜。然而，ELO(外延横向附生)及pendeo-epi，在成长中段，于端部呈现C面以外的面，但不限于这些。

蓝宝石和GaN的晶格失配大，缺陷多，然而，GaN在陶瓷附近是坚固的，缺陷不能成长，不能说缺陷增大就变脆。很高的缺陷密度，使GaN-LED可以长寿命，已得到明显的实用业绩，获得相当高的评价。

但是，蓝宝石基板有几个缺点。蓝宝石基板极硬，不能解离面。因此，采用晶片工艺，在晶片上形成装置后，在切成晶片时，采用劈开进行分离也是不可能的。采用机械切割(切成小块)的其他方法也不行。因为要有切块工序，所以，成本增加。

LED的场合也一样，然而，LD(半导体激光)的场合，形成共振器的反射镜面必须在活性层的两侧。因为无解离面，所以，通过自然解离不能形成反射镜面。采用RIE(活性离子蚀刻)等气相蚀刻等，把端面加工成精度良好平坦平滑，制出反射镜面。这不是简单的作业。而必须在加工各种基片时，需繁杂的作业。生产共振器面的作业是造成GaInN系-LD制造成本上升的原因。

因为蓝宝石是绝缘体，不能在底面形成电极。p电极、n电极等必须在上面形成。在蓝宝石基板上，n型层要使几层加以层压。因为电流横向流过，所以，必须形成厚的n型导电层。在层压的n型层上，叠放p型层，形成pn接合。当然，在上面的p型层上带有p电极也可以，然而，稍许去除外周部分的p型层，则使n型层露出，在该部分使n电极进行电阻性接合是繁杂的。工序数、工序时间增加，成本加高。因为在同一面上的两处形成电极的必要性，所以，要加大必要的晶片面积。因这一点引起成本增大。蓝宝石基板的GaN系LED已有实际应用，然而，上述缺点没有克服。

可以解决这些问题的理想基板是GaN单晶基板。因为GaN及GaInN等表层被堆积，所以，如果是GaN基板，结晶晶格的失配问题完全没有。如果这样制作n型GaN，则从晶片底面制造n型电极是可能的。如在其上下配置p电极、n电极，装置的制造也变得更加容易，在往组件上实际安装时，引线接合也容易。可以减少必要的晶片面积。