1、(10)申请公布号 CN 102031564 A(43)申请公布日 2011.04.27CN102031564A*CN102031564A*(21)申请号 201010194965.0(22)申请日 2010.05.312009-227768 2009.09.30 JPC30B 29/40(2006.01)(71)申请人住友电气工业株式会社地址日本大阪府大阪市(72)发明人八乡昭广(74)专利代理机构中原信达知识产权代理有限责任公司 11219代理人樊卫民 郭国清(54) 发明名称氮化镓衬底(57) 摘要本发明提供不易断裂且能提高制造成品率的氮化镓衬底。氮化镓衬底(10)由例如具有2英寸直径和
2、1cm厚度的GaN单晶锭制作。主面(12)相对于GaN单晶的C面的倾斜角()为20以上、160以下。氮化镓衬底(10)的断裂韧性为1.36MN/m3/2以上。根据这样的氮化镓衬底(10),能够使裂纹不易产生,从而能够减少断裂。(30)优先权数据(51)Int.Cl.(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 1 页CN 102031567 A 1/1页21.一种氮化镓衬底,其中,具有主面,所述主面相对于衬底结晶的C面的倾斜角为20以上、160以下,断裂韧性为1.36MN/m3/2以上。2.如权利要求1所述的氮化镓衬底,其中,主面向1-100
3、方向倾斜。3.如权利要求2所述的氮化镓衬底,其中,主面的形状为以11-20方向为长度方向、以与11-20方向垂直的方向为宽度方向的细长形状。4.如权利要求2所述的氮化镓衬底,其中,主面与衬底结晶的C面所成的角为754以内。5.如权利要求4所述的氮化镓衬底,其中,具有沿与11-20方向垂直的方向的解理面。权 利 要 求 书CN 102031564 ACN 102031567 A 1/5页3氮化镓衬底技术领域0001 本发明涉及氮化镓衬底。背景技术0002 由氮化物半导体单晶构成的衬底(参考日本特开2006-044982号公报)已经公开。该衬底具有AlXGa1-XN(0X1)的组成。该衬底的断裂韧
4、性值为(1.2-0.7X)MPam1/2以上。该衬底的主面积为20cm2以上。发明内容0003 氮化镓(GaN)、InGaN等氮化镓基化合物半导体具有高的带隙能。因此,期待将氮化镓基化合物半导体用于发出蓝光或绿光这样短波长的光的发光元件的用途。通常,氮化镓基化合物半导体在由具有与氮化镓基化合物半导体的热膨胀系数接近的热膨胀系数的不同材料(Si、SiC、蓝宝石等)构成的衬底上,通过MBE(分子束外延,Molecular BeamEpitaxy)、MOCVD(金属有机化学气相沉积,Metal Organic ChemicalVapor Deposition)等方法生长。0004 但是,在使氮化镓基
5、化合物半导体在由不同的材料构成的衬底上生长时,由于热膨胀系数的差异、晶格失配等而在衬底上产生应力。该应力引起器件的翘曲、薄膜的剥离、位错密度的增加,因此对器件特性带来不良影响。另一方面,在使氮化镓基化合物半导体在氮化镓衬底上生长时,氮化镓基化合物半导体的热膨胀系数和晶格常数与氮化镓衬底的热膨胀系数和晶格常数为彼此相同的水平,因此不发生上述的问题。因此,能得到良好的器件特性。0005 但是,在制造氮化镓衬底时,氮化镓衬底在由蓝宝石等不同材料构成的衬底上生长。因此,氮化镓衬底与现有的半导体衬底即硅衬底相比具有大量的结晶缺陷,因此容易断裂。另一方面,由于氮化镓结晶的生长速度的缓慢性和材料成本等,每片
6、氮化镓衬底的成本高。因此,在氮化镓衬底的制造中,要求降低因断裂等导致的不合格品率。0006 另外,根据发光元件所要求的发光波长,有时使含有铟(In)的氮化镓基化合物半导体(InGaN、InAlGaN等)在氮化镓衬底上生长。In原子的直径比Ga原子的直径大,因此如果提高In的含量,则含有In的层的内部应变因晶格失配而增大。其结果是,在含有In的层的内部产生大的压电场,再结合概率降低,从而使发光效率被抑制得较低。0007 作为用于解决上述问题的技术,正在研究使含有In的氮化镓基化合物半导体在从GaN结晶的C面大幅倾斜的主面上生长的技术。这是因为,通过使含有In的氮化镓基化合物半导体在从C面大幅倾斜
7、的主面上生长,能够降低含有In的层中产生的压电场。0008 但是,根据本发明人的研究,表明了下述事实。即,具有从GaN结晶的C面大幅倾斜的主面的氮化镓衬底,即使具有对于具有作为C面的主面的氮化镓衬底来说充分的断裂韧性,也容易断裂。0009 本发明的目的在于提供不易断裂且能够提高制造成品率的氮化镓衬底。说 明 书CN 102031564 ACN 102031567 A 2/5页40010 本发明的氮化镓衬底具有主面,主面相对于衬底结晶的C面的倾斜角为20以上、160以下,氮化镓衬底的断裂韧性为1.36MN/m3/2以上。0011 根据本发明,能够得到不易断裂的氮化镓衬底。在主面相对于衬底结晶的C
8、面的倾斜角为20以上、160以下时,只要断裂韧性为1.36MN/m3/2以上,则不易产生裂纹,断裂减少。0012 另外,上述氮化镓衬底的主面也可以沿1-100方向倾斜。根据本发明人进行的实验,在主面向1-100方向倾斜时,与主面向11-20方向倾斜时相比,更不易产生裂纹,断裂进一步减少。0013 另外,上述氮化镓衬底的主面的形状可以是以11-20方向为长度方向、以与11-20方向垂直的方向为宽度方向的细长形状。根据本发明人的实验,衬底在11-20方向上较长时,与在垂直于11-20方向的方向上较长时相比,更不易产生裂纹,断裂进一步减少。0014 另外,氮化镓衬底的主面与衬底结晶的C面所成的角可以
9、为75 4以内。通过使用具有这样的主面的氮化镓衬底,可以适合制造短波长的发光元件(特别是激光二极管)。此时,氮化镓衬底可以具有沿与11-20方向垂直的方向的解理面。在此,解理面是指用于构成例如激光的共振端面的切割面。通常,具有作为C面的主面的衬底的解理方向为1-100方向和11-20方向。但是,本发明人发现,具有从C面倾斜的主面的氮化镓衬底的解理特性随着倾斜角而变化。氮化镓衬底的主面与衬底结晶的C面所成的角为754以内时,相比11-20方向氮化镓衬底更容易沿着与11-20方向垂直的方向解理。因此,在制作例如激光二极管这样需要镜面的半导体元件时,优选将氮化镓衬底沿着与11-20方向垂直的方向解理
10、。0015 本发明的上述目的和其它目的、特征以及优点,通过以下参考附图进行的本发明优选实施方式的详细说明可以更容易地理解。0016 如上所述,根据本发明的一个方面,提供不易断裂且制造成品率高的氮化镓衬底。附图说明0017 图1是示意地表示一个实施方式的氮化镓衬底的剖面图。0018 图2是表示实施例1中的衬底的断裂韧性值与裂纹的产生情况的图表。0019 图3是表示实施例2中的衬底加工时的断裂情况的图表。具体实施方式0020 下面,在参考附图的同时使用图1图3详细地说明本发明的氮化镓衬底的实施方式。另外,在附图说明中对相同的要素赋予相同的标记,并省略重复的说明。0021 图1是示意地表示一个实施方
11、式的氮化镓衬底的剖面图。图1所示的氮化镓衬底10是从例如具有2英寸(1英寸可换算为2.54cm)的直径且具有1cm的厚度的GaN单晶锭上切下来的。该氮化镓衬底10优选由六方晶或立方晶的GaN单晶构成。作为六方晶的GaN单晶,可以列举具有纤锌矿结构的GaN单晶。六方晶的GaN单晶中,存在称为C面的(0001)面、称为M面的(1-100)面、称为A面的(11-20)面、称为R面的(01-12)面和称为S面的(10-11)面。说 明 书CN 102031564 ACN 102031567 A 3/5页50022 氮化镓衬底10具备进行了镜面研磨的主面12。主面12上形成有器件。作为器件,可以列举例如
12、LED、激光二极管等发光元件。主面12从构成氮化镓衬底10的GaN单晶的C面恰好倾斜预定的角度。在本实施方式中,主面12相对于GaN单晶的C面的倾斜角(即,主面12的垂直向量V与c轴所成的角),为能使压电场的影响有效得到抑制的20以上、160以下,例如为23、75等数值。特别是在使用氮化镓衬底10制造短波长的发光元件(特别是激光二极管)时,为了抑制压电场的产生,优选主面12相对于GaN单晶的C面的倾斜角为75。此时,只要实质上为同等的倾斜角即754以内都允许。0023 构成氮化镓衬底10的GaN单晶的断裂韧性为1.36MN/m3/2以上。如本实施方式这样主面12相对于GaN单晶的C面的倾斜角为
13、20以上、160以下时,由后述的实验结果可知,只要GaN单晶的断裂韧性为1.36MN/m3/2以上,则不易产生裂纹,断裂减少,因此能得到不易断裂的氮化镓衬底10。0024 GaN单晶的断裂韧性可以通过掺杂剂浓度来调节。用于实现上述断裂韧性的氮化镓衬底10的掺杂剂浓度,例如在掺杂氧原子而具有n导电型时,为31020cm-3以下。另外,通过使氮化镓衬底10的掺杂剂浓度为31020cm-3以下,能够在不破坏GaN单晶的结晶性的情况下维持器件特性。另外,氮化镓衬底10的掺杂剂浓度的下限为例如11016cm-3。这是因为当氮化镓衬底10的掺杂剂浓度低于11016cm-3时,掺杂剂浓度的控制变得困难。氮化
14、镓衬底10的断裂韧性的大小,可以通过测定将金刚石的压头(维氏压头)压入氮化镓衬底10的表面(例如主面12)而产生的裂纹的长度而得知。此时,断裂韧性的大小KIc通过以下的数学式(1)求出。0025 KIc0.016(E/H)0.5(P/c1.5)(1)0026 另外,在数学式(1)中,KIc为断裂韧性值(单位MN/m3/2),E为杨氏模量,H为维氏硬度,P为载荷,c为裂纹长度。0027 另外,优选主面12从GaN单晶的C面向1-100方向(即m轴方向)倾斜。这是因为,由后述的实验结果可知,在主面12向1-100方向倾斜时,与主面12向11-20方向倾斜时相比,更不易产生裂纹,断裂进一步减少。00
15、28 在此,主面12向1-100方向倾斜,是指主面12的垂直向量包含在由GaN单晶的c轴向量和1-100方向向量(即m轴向量)构成的平面内,且为该垂直向量与c轴向量形成大于0的角度的状态。另外,在主面12从GaN单晶的C面向1-100方向倾斜时,氮化镓衬底10优选具有沿与11-20方向垂直的方向的解理面。通常,具有作为C面的主面的衬底的解理方向为1-100方向和11-20方向。但是,由后述的实验结果可知,当氮化镓衬底10具有从C面倾斜的主面12时,氮化镓衬底10的解理特性随着倾斜角而变化。主面12与GaN单晶的C面所成的角为754以内时,相比11-20方向氮化镓衬底10更容易沿着与11-20方
16、向垂直的方向解理。在制作例如激光二极管这样需要镜面的半导体元件时,优选沿着与11-20方向垂直的方向解理。0029 对氮化镓衬底10的形状的例子进行说明。例如,主面12为细长形状,以11-20方向为长度方向,以与11-20方向垂直的方向为宽度方向。这样的氮化镓衬底10的尺寸的例子是:长度方向的长度为15mm,宽度方向的宽度为10mm,厚度为500m。这样,使氮化镓衬底10的11-20方向的长度比与11-20方向垂直的方向的氮化镓衬底10的宽度长即可。由后述的实验结果可知,氮化镓衬底10的长度方向为11-20方向时,与氮化镓衬说 明 书CN 102031564 ACN 102031567 A 4
17、/5页6底10的长度方向为与11-20方向垂直的方向时相比,更不易产生裂纹,断裂进一步减少。0030 (实施例1)0031 准备掺杂了氧原子的、具有2英寸直径和1cm厚度的GaN锭。该GaN锭具有作为六方晶结构中的(0001)面(即C面)的主面。该GaN锭的比电阻为1cm以下。该GaN锭的载流子浓度为11017cm-3以上。在本实施例中,通过使杂质的掺杂量彼此不同,准备具有彼此不同的断裂韧性的两个GaN锭IA、IB。0032 通过将上述GaN锭IA、IB切片,制作11片具有500m的厚度的衬底。此时,以从1-100方向(即m轴方向)倾斜0、18、23和75的倾斜角将GaN锭IA、IB切片。然后
18、,将分别具有上述倾斜角的衬底各制作1片,测定它们的断裂韧性。0033 另外,在本实施例中,计数不产生具有10m以上长度的裂纹的衬底的片数,将这样的衬底在半数以上(50以上)的情况判断为良好。图2是表示分别具有0、18、23和75的倾斜角的各衬底的断裂韧性的测定结果和裂纹判定结果的图表。如图2所示,可知主面从GaN单晶的C面倾斜的倾斜角为23以上、且断裂韧性值为1.36以上时,能够有效地控制裂纹的产生。0034 (实施例2)0035 准备实施例1中使用的GaN锭IB。将该GaN锭IB从11-20方向(即a轴方向)切片,并且使该切割面相对于C面向11-20方向倾斜,准备切割面相对于C面的倾斜角分别
19、为23、75的两种衬底WA、WB各10片。另外,从1-100方向将GaN锭IB切片,并且使该切割面相对于C面向1-100方向倾斜,准备切割面相对于C面的倾斜角分别为23、75的两种衬底WC、WD各10片。这些衬底WAWD的切片后的厚度为500m,然后,通过进行磨削和研磨使衬底WAWD的厚度为400m。0036 图3是表示衬底WAWD各10片中经过加工没有断裂的衬底的数量的图表。如图3所示,具有向11-20方向(a轴方向)倾斜的主面的衬底WA、WB与具有向1-100方向(m轴方向)倾斜的主面的衬底WC、WD相比,无论倾斜角的大小,衬底WC、WD均比衬底WA、WB的裂纹产生少,且不易断裂。0037
20、 (实施例3)0038 对上述实施例2中制作的、具有向1-100方向倾斜75的主面的衬底WB施加载荷。此时,使用动态微小硬度计(岛津制作所制,DUH-201S)。另外,以三角锥形的Berkovich压头的棱线在衬底WB的表面上投影的方向(换言之,是从与衬底WB的表面垂直的方向观察时,该表面上产生的压痕的凹线延伸的方向)与11-20方向(a轴方向)和与11-20方向垂直的方向一致的方式施加载荷。此时,将载荷设定为100gF(1gF可换算为9.80665gm/s2),将载荷保持时间设定为2秒。0039 在本实施例中,通过施加上述载荷在衬底WB上产生了裂纹,无论Berkovich压头的朝向,裂纹均沿
21、着与11-20方向垂直的方向延伸。因此可知,相比11-20方向(a轴方向)衬底WB更容易沿着与11-20方向垂直的方向断裂。0040 (实施例4)0041 准备衬底WE、WF、WG、WH各5片。衬底WE具有从C面向1-100方向倾斜23的主面,11-20方向的长度为10mm,与11-20方向垂直的方向的长度为5mm。衬底WF具有从C面向1-100方向倾斜23的主面,11-20方向的长度为5mm,与11-20方向垂直的方说 明 书CN 102031564 ACN 102031567 A 5/5页7向的长度为10mm。衬底WG具有从C面向1-100方向倾斜75的主面,11-20方向的长度为10mm
22、,与11-20方向垂直的方向的长度为5mm。衬底WH具有从C面向1-100方向倾斜75的主面,11-20方向的长度为5mm,与11-20方向垂直的方向的长度为10mm。0042 测定衬底WEWH上产生的、具有10m以上深度的划痕的数量。然后,对衬底WEWH各5片,分别计算划痕数的平均值。计算以11-20方向为长度方向的衬底WE的划痕数的平均值AE与以垂直于11-20方向的方向为长度方向的衬底WF的划痕数的平均值AF之比(AE/AF),为0.78。同样地计算以11-20方向为长度方向的衬底WG的划痕数的平均值AG与以垂直于11-20方向的方向为长度方向的衬底WH的划痕数的平均值AH之比(AG/A
23、H),为0.65。由此可知,衬底的长度方向为11-20方向时,不易产生裂纹。0043 在上述的实施方式和实施例中,对氮化镓衬底具有向1-100方向倾斜的主面的情况以及具有向11-20方向倾斜的主面的情况进行了说明,但本发明中,氮化镓衬底的主面也可以向其它方向倾斜。0044 在优选的实施方式中对本发明的原理进行了图示说明,但本领域技术人员应当了解,本发明可在不脱离其原理的范围内对配置及细节加以变更。本发明并不限定于本实施方式中所公开的特定构成。因此,请求保护权利要求书请求的范围及根据其精神范围而得到的所有修改及变更。说 明 书CN 102031564 ACN 102031567 A 1/1页8图1图2图3说 明 书 附 图CN 102031564 A
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