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氮化镓衬底
    【技术领域】
     本发明涉及氮化镓衬底。背景技术 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(0 ≤ X ≤ 1) 的组成。该衬底的断裂韧性值为 (1.2-0.7X)MPa· m1/2 以上。该衬底的主面积为 20cm2 以上。
     发明内容
     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。
     但是， 在使氮化镓基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。
     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。
     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。
     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 面大幅倾斜的主面上生长， 能够降低含有 In 的层中产生的压电场。
     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。
     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。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。
     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 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。
     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。
     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。
     另外， 氮化镓衬底的主面与衬底结晶的 C 面所成的角可以为 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 75° ±4° 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。 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。
     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
     图 1 是示意地表示一个实施方式的氮化镓衬底的剖面图。 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。 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
     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。
     图 1 是示意地表示一个实施方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。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 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 θ)， 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 75° ±4°以内都允许。
     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 20°以上、 160°以下时， 由后述的实验结果可 3/2 知， 只要 GaN 单晶的断裂韧性为 1.36MN/m 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。
     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 3×1020cm-3 以下。另外， 通过使氮化镓衬底 10 的掺杂剂浓度为 3×1020cm-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 1×1016cm-3。这是 因为当氮化镓衬底 10 的掺杂剂浓度低于 1×1016cm-3 时， 掺杂剂浓度的控制变得困难。 氮化 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。
     KIc ＝ 0.016×(E/H)0.5×(P/c1.5)… (1)
     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。
     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。
     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 75° ±4°以内时， 相比 [11-20] 方向氮化镓衬底 10 更容 易沿着与 [11-20] 方向垂直的方向解理。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。
     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 500μm。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。
     ( 实施例 1)
     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 1Ω· cm 以下。该 GaN 17 -3 锭的载流子浓度为 1×10 cm 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。
     通过将上述 GaN 锭 IA、 IB 切片， 制作 11 片具有 500μm 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， 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。
     另外， 在本实施例中， 计数不产生具有 10μm 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。
     ( 实施例 2) 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 WA ～ WD 的切片后的厚度为 500μm， 然后， 通过进 行磨削和研磨使衬底 WA ～ WD 的厚度为 400μm。
     图 3 是表示衬底 WA ～ WD 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。
     ( 实施例 3)
     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 9.80665g· m/ 2 s )， 将载荷保持时间设定为 2 秒。
     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。
     ( 实施例 4)
     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
     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， 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。
     测定衬底 WE ～ WH 上产生的、 具有 10μm 以上深度的划痕的数量。 然后， 对衬底 WE ～ WH 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/AH)， 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。
     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。
     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。