[发明专利]IIIA族氮化物晶体的制造方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2011年9月14日在日本申请的日本专利申请No.2011-201206的优先权，其全部内容作为参考在此引入。

技术领域

本发明涉及IIIA族氮化物晶体的制造方法。

背景技术

基于氮化镓（GaN）的半导体材料用于蓝色LED（发光二极管）或白色LED以及如半导体激光器（也称作“LD：激光二极管”）的半导体设备。白色LED用于照明目的或手机的背光、LC（液晶）显示等。蓝色LED用于交通灯或其它照明目的等等。另一方面，紫蓝色半导体激光用作蓝光光盘的光源。目前，大多数基于GaN的用作UV或紫蓝绿色光源的半导体设备是利用MO-CVD（金属有机物化学气相沉积）方法或MBE（分子束外延）方法在蓝宝石或SiC衬底上生长晶体来制造。

蓝宝石或SiC用作衬底的场合存在问题。由于在衬底和IIIA族氮化物之间热膨胀系数或晶格常数存在显著差异，增加了晶体缺陷。这样的缺陷会影响设备性能。例如，延长发光设备的寿命变得更难。并且，操作功耗会增加。为了处理这些问题，更优选的方法是使用氮化镓衬底，其由与在该衬底上生长的晶体相同的材料所构成。

目前，用如下方法制造自支撑GaN衬底，厚的氮化镓晶体通过HVPE（氢化物气相外延）利用ELO（侧向外延生长）在如蓝宝石衬底或GaAs衬底的异质衬底上生长，这种方法可以减少位错密度，然后这层氮化镓厚膜从异质衬底上分离。上述方法所制造的氮化镓衬底具有降到10⁶cm^-2量级的位错密度，并使得尺寸达到2英寸，在实际应用中主要用于激光设备。目前，在电子设备中对于达到4英寸或6英寸的直径更大的衬底或削减白色LED的成本存在进一步的需求。

异质衬底和氮化镓之间热膨胀系数或晶格常数的不同可能引起的翘曲或开裂阻碍了衬底直径的扩大。上述的位错密度依然存在。在从异质衬底上分离氮化镓厚膜并把其磨光形成氮化镓衬底的过程中，也存在制造成本高的问题。

另一方面，作为实现氮化镓衬底的液相方法之一，很多努力都用来开发助熔剂法，通过把氮气从气相溶解到IIIA族金属和碱金属的熔融混合物中来形成氮化镓晶体。

在助熔剂法中，把包含了碱金属如钠（Na）和钾（K）以及IIIA族金属如镓（Ga）的熔融混合物在氮压小于或等于10MPa的气氛中加热到大约600到900摄氏度。因此，氮气从气相溶解并与IIIA族金属在熔融混合物中反应形成IIIA族氮化物晶体。相对于其它液相方法而言，助熔剂法允许晶体生长于较低的温度和较低的气压下。由助熔剂法所形成的晶体具有优越地低于10⁶cm^-2的低位错密度。

有报告称在以下条件下形成了氮化镓晶体：将用作材料源的叠氮化钠（NaN₃）和金属Ga放入并密封到氮气气氛下的不锈钢反应容器中（关于容器内部尺寸，内直径是7.5毫米，长度是100毫米），并将反应容器保持在600到800摄氏度持续24到100小时（《材料化学（Chemistry of Material）》第9卷（1997）413-416）。

日本公开专利申请No.2008-94704公开了氮化镓柱状晶体的制造方法，为了提供氮化镓大晶体通过使用氮化铝（AlN）针状晶体作为籽晶。日本公开专利申请No.2006-045047公开了成为籽晶的氮化铝针状晶体的制造方法。日本公开专利申请No.2009-126771公开了观察到黄光发光效果的籽晶，以及在该籽晶上形成、晶体层观察不到黄光发光效果的氮化镓晶体。

但是，在由氮化铝作为籽晶形成氮化镓晶体的场合，氮化铝和氮化镓之间晶格常数的不同可能导致因晶格不匹配而引起的位错。由于氮化铝和氮化镓之间的热膨胀系数也不同，在从晶体生长温度到室温的冷却过程中，热应力也会引起新的位错乃至开裂。

因此，为了生长具有低位错密度的高质量氮化镓晶体，更优选的是用和目标晶体具有相同晶格常数或相同热膨胀系数的氮化镓晶体作为籽晶。但是，用日本公开专利申请No.2006-045047中公开的方法生长针状氮化镓晶体是困难的。因此，用任何传统方法获得高质量块状晶体是困难的。

发明内容

本发明的目标至少部分解决了传统技术中的问题。