[发明专利]氮化物半导体晶体、氮化物半导体自支撑衬底的制造方法以及氮化物半导体器件

说明书

技术领域

本发明涉及氮化物半导体晶体、氮化物半导体自支撑衬底的制造方法以及氮化物半导体器件；进一步具体涉及可取得多张氮化物半导体自支撑衬底的氮化物半导体晶体、从氮化物半导体晶体制造氮化物半导体自支撑衬底的氮化物半导体自支撑衬底的制造方法，以及使用氮化物半导体自支撑衬底而制作的氮化物半导体器件。

背景技术

对于氮化镓(GaN)、氮化铝镓(AlGaN)、氮化铟镓(InGaN)等所代表的氮化物半导体而言，作为覆盖从紫外到绿色为止的波长区域的发光器件材料或作为高温工作、高输出工作的电子器件材料，受到人们注目。

对于除了氮化物半导体以外的以往的半导体而言，绝大多数情况下，是通过如下来实现并实用化各种器件，即：准备由与该半导体同种的单晶形成的自支撑衬底，在其上通过各种晶体生长法形成器件结构。

另一方面，就氮化物半导体而言，由于难以获得由GaN、AlN等氮化物半导体构成的单晶自支撑衬底，因此不得不使用蓝宝石、SiC等不同种的衬底。在此情况下，生长于异种衬底上的氮化物半导体层中产生高密度的缺陷(位错)，这成为了妨碍器件特性提高的重要原因。以代表性的例子来说，由于半导体激光器的寿命较强地依赖于晶体中的位错密度，因此通过在上述异种衬底上生长晶体从而形成的氮化物半导体元件难以获得实用的元件寿命。

近年来，通过各种技术供给低缺陷密度的GaN单晶自支撑衬底，终于将使用氮化物半导体的半导体激光器实现了实用化。作为GaN自支撑衬底的制造方法，提出有种种方法。作为代表性的方法，已知有如下方法：通过氢化物气相生长法(Hydride Vapor Phase Epitaxy，HVPE法)而在种衬底上厚厚地生长GaN，在生长中或者在生长之后去除种衬底的方法，使熔融Na中含有Ga金 属之后，通过用氮气对全体加压，从而在种晶上析出GaN的Na助熔剂法，在高温高压下直接从Ga、氮气合成GaN的高压合成法，使Ga或GaN溶解于氨水中，在相比于高压合成法而言为低温、低压的条件下在种晶上析出GaN的低热合成法，从Ga蒸气和氨合成GaN的升华法等。

上述方法之中，使用HVPE法的几种方法在目前取得最大成功，通过研磨根据使用HVPE法的方法而制作的GaN的自支撑单晶的正反面，从而实现了大面积(2～3英寸径)的GaN自支撑衬底。作为代表性的基于HVPE法的方法，已知有：在蓝宝石衬底上的GaN薄膜表面上蒸镀Ti，将其热处理，从而形成孔隙(void)，利用HVPE法在其上厚厚地生长GaN，从上述的孔隙部分剥离蓝宝石衬底的方法(Void-Assisted Separation Method＝VAS法，参照非专利文献1)；通过HVPE法，在利用绝缘体掩模而部分地将表面覆盖的GaAs衬底上，厚厚地生长GaN，其后去除GaAs衬底的方法(DEEP法，参照非专利文献2)。

非专利文献1：Yuichi OSHIMA等，J印anese Journal of Applied Physics(日本应用物理杂志)，Vo1.42(2003)，pp.L1-L3

非专利文献2：Kensaku Motoki等，Joumal of Crystal Growth(晶体生长杂志)，Vo1.305(2007)，pp.377-383.

发明内容

然而，现状为：即使是根据使用上述HVPE法的方法而制作的GaN衬底也依然价格很高，相比较于以往的GaAs、InP衬底等而言，存在单位面积10倍以上的价格差。其原因在于，由于根据这些方法而难以获得1mm以上厚度的自支撑单晶，因此从经过1次生长而获得的自支撑单晶仅能获得1张自支撑衬底。

就上述使用HVPE法的方法而言，由于是在异种衬底上生长氮化物半导体自支撑单晶，因此在生长初期在单晶中导入高密度的位错。虽然位错密度随着生长的进展而在减少，但是在该位错的减少过程中在氮化物半导体单晶中导入应变。如果氮化物半导体自支撑单晶变厚，那么晶体内部中蓄积的应变能量变大；如果该应变能量超过某临界值，那么在氮化物半导体晶体中产生裂纹、开裂。这成为根据上述使用HVPE法的方法而不能厚厚地生长氮化物半导体自支撑单晶的原因。

另一方面，在以往的通过例如LEC法等生长GaAs或InP的情况下，由于将同种的GaAs或InP的单晶作为种晶，因此晶体内部中产生的应变小，可通过1次的生长而获得数10cm长度的单晶。可通过将该单晶切片、研磨，从而从1个单晶获得数张～100张的衬底。由此，GaAs衬底、InP衬底相比于GaN衬底而言，便可以显著低的成本来生产。