[发明专利]GaN单晶衬底、基于GaN的半导体器件及它们的制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及适用于制造特性偏差小的基于GaN的半导体器件的GaN单晶衬底，特别涉及如下GaN单晶衬底，其具有大的面积，且其主面的面取向不同于(0001)和(000-1)(即不同于{0001})，并具有主面中载流子浓度基本均匀分布、主面中位错密度基本均匀分布、和主面中光弹性变形(photoelasticity distortion)小中的至少一种特性，所述光弹性变形为通过光测弹性法测得的变形，本发明还涉及制造所述GaN单晶衬底的方法。另外，本发明涉及基于GaN的半导体器件和制造所述基于GaN的半导体器件的方法，所述基于GaN的半导体器件包括上述GaN单晶衬底和在所述衬底主面上形成的至少一个基于GaN的半导体层。

背景技术

通常，利用气相法如HVPE(氢化物气相外延)和MOCVD(有机金属化学气相沉积)、以及液相法如助熔剂法在主面为(0001)面的蓝宝石衬底的主面上或者在主面为(111)A面的GaAs衬底的主面上生长晶体，从而制造适用于发光器件、电子器件、半导体传感器等的III族氮化物晶体。因此，通常所获得的III族氮化物晶体具有面取向为{0001}的主面。

关于包含主面面取向为{0001}的III族氮化物晶体的衬底和在所述主面上的MQW(多量子阱)结构的发光层的发光器件，在所述III族氮化物晶体的<0001>方向上的极性引起发光层中的自发极化，导致巨大的发光蓝移和劣化的发光效能。因此，需要主面面取向不同于{0001}的III族氮化物晶体。

为了满足这种需要，日本特开2008-143772号公报(专利文献1)公开了一种制造如下III族氮化物晶体的方法，其主面的面取向具有相对于面取向{1-10X}(其中X为0以上的整数)、{11-2Y}(其中Y为0以上的整数)和{HK-(H+K)0}(其中H和K各自为不同于0的整数)中的一种面取向具有5°以下的偏离角(off angle)，具体地，所述主面的面取向为{1-100}、{11-20}、{1-102}、{11-22}、{12-30}和{23-50}中的一种。

即使使用日本特开2008-143772号公报(专利文献1)中公开的制造方法，在面取向为{1-100}、{11-20}或{23-50}的主面上生长的III族氮化物晶体仍发生部分多晶化(polycrystallized)，造成难以获得大面积单晶衬底的问题。而且，在面取向为{1-102}或{11-22}的主面上生长的III族氮化物晶体的晶体生长表面处，产生具有面取向{0001}的小平面和具有不同于{0001}的面取向的小平面。

本文中，从面取向为{0001}的小平面中提取杂质的效率与面取向不同于{0001}的小平面明显不同。因此，产生的问题在于，在已经生长的III族氮化物晶体的主面中，载流子浓度发生巨大变化且比电阻发生巨大变化，因此，使用这种衬底的半导体器件的特性发生巨大变化。

此外，在具有{0001}面取向的小平面为晶体生长表面的生长部分中，位错沿垂直于{0001}面的方向(即<0001>方向)传播。在面取向不同于{0001}的小平面为晶体生长表面的生长部分中，位错沿平行于{0001}面的方向传播。因此，产生的问题在于，在生长的III族氮化物晶体的主面中位错密度发生巨大变化，由此，使用这种衬底的半导体器件的特性发生巨大变化。

此外，因为在生长的III族氮化物晶体的主面中位错密度发生巨大变化，所以由这种III族氮化物晶体制成的III族氮化物晶体衬底具有如下主面，其中发生变形的微观变化，造成发生巨大局部变形的问题。

日本特开2005-101475号公报(专利文献2)公开了具有基本均匀分布的载流子浓度的基于III-V族氮化物的半导体衬底(具体地为自立式GaN衬底)、以及制造所述半导体衬底的方法。尽管日本特开2005-101475号公报(专利文献2)公开了，关于主面面取向为(0001)的基于III-V族氮化物的半导体衬底，使得晶体生长平坦化以提供基本均匀分布的载流子浓度，但是关于主面面取向不是(0001)的基于III-V族氮化物的半导体衬底，专利文献2并未公开或提出使得载流子浓度的分布基本均匀。