Iii族氮化物晶體的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種具有主面的III族氮化物晶體襯底，所述主面具有選自{20-21}、{20-2-1}、{22-41}和{22-4-1}中的面取向，所述III族氮化物晶體襯底的特征還在于滿足下列條件中的至少一種：1×1016cm-3以上且4×1019cm-3以下的氧原子濃度，和6×1014cm-3以上且5×1018cm-3以下的硅原子濃度。由此，本發(fā)明能夠提供具有面取向不同于{0001}的主面的高結(jié)晶度III族氮化物晶體。
【專利說明】NI族氮化物晶體
[0001] 本發(fā)明專利申請是基于2010年6月3日提交的發(fā)明名稱為"III族氮化物晶體及 其制造方法"的中國專利申請201080002480. 5號的分案申請。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002] 本發(fā)明涉及III族氮化物晶體和制造所述III族氮化物晶體的方法，還涉及具有 面取向不同于{0001}的主面的III族氮化物晶體和制造所述III族氮化物晶體的方法。

【背景技術(shù)】
[0003] 通常通過氣相生長法如氫化物氣相外延（HVPE)法或有機(jī)金屬化學(xué)氣相淀積 (M0CVD)法、或者液相生長法如助熔劑法在具有（0001)主面的藍(lán)寶石襯底或具有（lll)A主 面的GaAs襯底的主面上生長晶體來制造適用于發(fā)光器件、電子器件和半導(dǎo)體傳感器的III 族氮化物晶體。由此，通常所制造的III族氮化物晶體具有面取向為{0001}的主面。
[0004] 其中在具有面取向為{0001}的主面的III族氮化物晶體襯底的主面上形成具有 多重量子阱（MQW)結(jié)構(gòu)的發(fā)光層的發(fā)光器件，因為III族氮化物晶體在〈0001〉方向上的極 性而在發(fā)光層中產(chǎn)生自發(fā)極化。所述自發(fā)極化降低了發(fā)光效率。因此，需要制造一種III 族氮化物晶體，所述III族氮化物晶體具有面取向不同于{0001}的主面。
[0005] 作為制造具有面取向不同于{0001}的主面的III族氮化物晶體的方法，已經(jīng)提出 了下列方法。例如，日本特開2005-162526號公報（專利文獻(xiàn)1)公開了制造 GaN晶體的下 列方法，所述GaN晶體具有與襯底的面取向無關(guān)的任意面取向的表面。從通過氣相生長法 生長的GaN晶體中切割多個長方體結(jié)晶塊。在單獨準(zhǔn)備的藍(lán)寶石襯底的表面上形成二氧化 硅膜之后，形成達(dá)到襯底的多個凹部（depression)。將所述多個結(jié)晶塊嵌入所述凹部中，使 得結(jié)晶塊的上表面單向取向。然后，使用結(jié)晶塊作為晶種通過氣相生長法生長具有特定面 取向的表面的氮化鎵晶體。
[0006] 日本特開2006-315947號公報（專利文獻(xiàn)2)公開了制造能夠獲得低位錯密度和 大面積兩者的氮化物半導(dǎo)體晶片的下列方法。準(zhǔn)備由六方晶系氮化物半導(dǎo)體形成并具有兩 個面對的主C面的初始晶片（primary wafer)。然后，沿Μ面對所述初始晶片進(jìn)行切割而制 造多個氮化物半導(dǎo)體棒。然后，對所述多個氮化物半導(dǎo)體棒進(jìn)行布置使得鄰接的氮化物半 導(dǎo)體棒的C面相互面對且各個氮化物半導(dǎo)體棒的Μ面成為頂面。然后，在所布置的氮化物 半導(dǎo)體棒的頂面上再次生長氮化物半導(dǎo)體，從而形成具有連續(xù)Μ面作為主面的氮化物半導(dǎo) 體層。
[0007] 日本特開2008-143772號公報（專利文獻(xiàn)3)公開了制造具有不同于{0001}的主 面的高結(jié)晶度III族氮化物晶體的下列方法。從III族氮化物塊晶體中切割多個具有主面 的III族氮化物晶體襯底，所述主面具有特定的面取向。然后，以相互鄰接的方式橫向布置 所述襯底，使得所述襯底的所述主面相互平行且所述襯底具有相同的[0001]方向。然后， 在所述襯底的所述主面上生長III族氮化物晶體。
[0008] 引用列表
[0009] 專利文獻(xiàn)
[0010] 專利文獻(xiàn)1 :日本特開2005-162526號公報
[0011] 專利文獻(xiàn)2 :日本特開2006-315947號公報
[0012] 專利文獻(xiàn)3 :日本特開2008-143772號公報


【發(fā)明內(nèi)容】

[0013] 技術(shù)問題
[0014] 然而，在日本特開2005-162526號公報（專利文獻(xiàn)1)的方法中，其中使用嵌入藍(lán) 寶石襯底中的GaN晶體的結(jié)晶塊作為晶種來生長GaN晶體，藍(lán)寶石與GaN之間的熱膨脹系 數(shù)之差導(dǎo)致在晶體生長之后進(jìn)行冷卻期間在GaN晶體中產(chǎn)生裂紋或應(yīng)變。因此，這種方法 不能制造 1?結(jié)晶度的GaN晶體。
[0015] 日本特開2006-315947號公報（專利文獻(xiàn)2)的方法僅制造具有Μ面作為主面的 氮化物半導(dǎo)體晶片。此外，當(dāng)在高生長速率下使用Μ面作為主面生長氮化物半導(dǎo)體層時，在 所述主面上淀積多晶。因此，難以制造具有高結(jié)晶度的厚氮化物半導(dǎo)體層。
[0016] 在日本特開2008-143772號公報（專利文獻(xiàn)3)的方法中，在具有特定面取向的主 面上生長III族氮化物晶體。因此，所述特定面取向包括可穩(wěn)定生長晶體的面取向和不能 穩(wěn)定生長晶體的面取向。在可穩(wěn)定生長晶體的面取向中，難以制造厚的III族氮化物晶體， 因為III族氮化物晶體的生長速率低。在不能穩(wěn)定生長晶體的面取向中，難以實施III族 氮化物晶體的穩(wěn)定外延生長，并且由此生長的III族氮化物晶體易于具有裂紋。
[0017] 本發(fā)明的目的是解決上述問題并提供具有面取向不同于{0001}的主面的高結(jié)晶 度ΠΙ族氮化物晶體和制造 III族氮化物晶體的方法，在所述方法中能夠在高晶體生長速 率下生長III族氮化物晶體。
[0018] 解決問題的手段
[0019] 本發(fā)明提供了一種制造 III族氮化物晶體的方法，所述方法包括：從III族氮化 物塊晶體切割多個具有主面的III族氮化物晶體襯底的步驟，所述主面的面取向?qū)τ谶x自 {20-21}、{20-2-1}、{22-41}和{22-4-1}中的晶體幾何等價面取向的偏離角為五度以下； 以相互鄰接的方式橫向布置所述襯底使得所述襯底的所述主面相互平行且所述襯底具有 相同的[0001]方向的步驟；以及在所述襯底的所述主面上生長III族氮化物晶體的步驟。
[0020] 在本發(fā)明制造 III族氮化物晶體的方法中，所述襯底的所述主面的面取向?qū)τ谶x 自{20-2-1}和{20-21}中的晶體幾何等價面取向的偏離角可以為五度以下。相互鄰接的 各個所述襯底的接觸面的平均粗糙度Ra可為50nm以下。用于生長所述III族氮化物晶體 的方法可為氫化物氣相外延法。
[0021] 在本發(fā)明制造 III族氮化物晶體的方法的生長III族氮化物晶體的步驟中，可以 使所述III族氮化物晶體的晶體生長面保持平坦。在所述III族氮化物晶體襯底的所述主 面上生長III族氮化物晶體的步驟中，當(dāng)所述主面的面取向?qū)τ趝20-21}的偏離角為五度 以下時，所述III族氮化物晶體的生長速率可以小于80 μ m/小時，當(dāng)所述主面的面取向?qū)?于{20-2-1}的偏離角為五度以下時，所述III族氮化物晶體的生長速率可以小于90μπι/ 小時，當(dāng)所述主面的面取向?qū)τ趝22-41}的偏離角為五度以下時，所述III族氮化物晶體的 生長速率可以小于60μπι/小時，以及當(dāng)所述主面的面取向?qū)τ趝22-4-1}的偏離角為五度 以下時，所述III族氮化物晶體的生長速率可以小于80 μ m/小時。
[0022] 在本發(fā)明制造 III族氮化物晶體的方法的生長III族氮化物晶體的步驟中，所 述III族氮化物晶體可具有下列雜質(zhì)原子濃度中的至少一種雜質(zhì)原子濃度：lXl〇 16cnT3以 上且4X1019cnT3以下的氧原子濃度，6X10 14cnT3以上且5X1018cnT3以下的硅原子濃度， 6X 1016cm_3以上且IX 1018cm_3以下的氫原子濃度，以及IX 1016cm_3以上且IX 1018cm_3以下 的碳原子濃度。
[0023] 本發(fā)明的III族氮化物晶體為具有主面的III族氮化物晶體，所述主面具有選 自{20-21}、{20-2-1}、{22-41}和{22-4-1}中的晶體幾何等價面取向。所述III族氮化 物晶體具有下列雜質(zhì)原子濃度中的至少一種雜質(zhì)原子濃度：lXl〇 16cnT3以上且4X1019cnT3 以下的氧原子濃度，6X1014cnT3以上且5X1018cnT 3以下的硅原子濃度，6X1016cnT3以上且 lX1018cnT3以下的氫原子濃度，以及l(fā)X1016cnT 3以上且lX1018cnT3以下的碳原子濃度。所 述ΙΠ 族氮化物晶體可具有面積為10cm2以上的主面。
[0024] 有益效果
[0025] 本發(fā)明能夠提供具有面取向不同于{0001}的主面的高結(jié)晶度III族氮化物晶體、 和制造所述III族氮化物晶體的方法，在所述方法中能夠在高晶體生長速率下生長所述 III族氮化物晶體。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0026] 圖1為顯示根據(jù)本發(fā)明一個實施方案制造 III族氮化物晶體的方法的示意性橫斷 面視圖。（A)顯示了切割I(lǐng)II族氮化物晶體襯底的步驟，（B)顯示了布置III族氮化物晶體 襯底的步驟，（C)顯示了生長III族氮化物晶體的步驟，且（D)顯示了生長另外的III族氮 化物晶體的步驟。
[0027] 圖2為顯示根據(jù)本發(fā)明另一個實施方案制造 III族氮化物晶體的方法的示意性橫 斷面視圖。（A)顯示了切割I(lǐng)II族氮化物晶體襯底的步驟，（B)顯示了布置III族氮化物晶 體襯底的步驟，（C)顯示了生長III族氮化物晶體的步驟，且（D)顯示了生長另外的III族 氮化物晶體的步驟。
[0028] 圖3為顯示根據(jù)本發(fā)明還另一個實施方案制造 III族氮化物晶體的方法的示意性 橫斷面視圖。（A)顯示了切割I(lǐng)II族氮化物晶體襯底的步驟，（B)顯示了布置III族氮化物 晶體襯底的步驟，（C)顯示了生長III族氮化物晶體的步驟，且（D)顯示了生長另外的III 族氮化物晶體的步驟。
[0029] 圖4為顯示根據(jù)本發(fā)明還另一個實施方案制造 III族氮化物晶體的方法的示意性 橫斷面視圖。（A)顯示了切割I(lǐng)II族氮化物晶體襯底的步驟，（B)顯示了布置III族氮化物 晶體襯底的步驟，（C)顯示了生長III族氮化物晶體的步驟，且（D)顯示了生長另外的III 族氮化物晶體的步驟。
[0030] 圖5為其上要生長III族氮化物塊晶體的底部襯底的示意圖。（A)為示意性平面 圖，且（B)為沿（A)的線VB-VB所取的示意性橫斷面視圖。

【具體實施方式】
[0031] 在晶體幾何學(xué)中，使用指數(shù)（密勒（Miller)指數(shù)）如（hkl)和（hkil)表示晶面 的面取向。六方晶系晶體如III族氮化物晶體的晶面的面取向由（hkil)表示，其中h、k、 i和1為稱作密勒指數(shù)的整數(shù)并具有i = -(h+k)的關(guān)系。將具有面取向（hkil)的面稱作 (hkil)面。將垂直于（hkil)面的方向（(hkil)面的法線方向）稱作[hkil]方向。{hkil} 是指包含（hkil)和與（hkil)晶體幾何等價的面取向的總稱的面取向。<hkil>是指包含 [hkik]和與[hkik]晶體幾何等價的方向的總稱的方向。
[0032] III族氮化物晶體含有在〈0001 >方向上交替配置的III族原子面和氮原子面并因 此在〈0001〉方向上具有極性。在本申請中，確定所述晶軸，使得III族原子面為（0001)面 且氮原子面為（000-1)面。
[0033] 實施方案1
[0034] 參考圖1?4,根據(jù)本發(fā)明實施方案制造 III族氮化物晶體的方法包括：從III族 氮化物塊晶體1切割多個具有主面10pm和10qm的III族氮化物晶體襯底10p和10q的 步驟，所述主面的面取向?qū)τ谶x自{20-21}、{20-2-1}、{22-41}和{22-4-1}中的晶體幾何 等價面取向的偏離角為五度以下（下文中也稱作襯底切割步驟；參見圖1(A)?4(A));以 相互鄰接的方式橫向布置所述III族氮化物晶體襯底l〇P和l〇q使得所述III族氮化物晶 體襯底l〇P和l〇q的所述主面l〇pm和10qm相互平行且所述III族氮化物晶體襯底10p和 l〇q的各個[0001]方向相同的步驟（下文中也稱作襯底布置步驟；參見圖1(B)?4(B)); 以及在所述襯底l〇p和l〇q的所述主面l〇pm和10qm上生長III族氮化物晶體20的步驟 (下文中也稱作晶體生長步驟；參見圖1(C)?4(C))。
[0035] 根據(jù)本實施方案制造 III族氮化物晶體的方法，通過在多個具有主面10pm和10qm 的III族氮化物晶體襯底l〇P和l〇q上生長III族氮化物晶體，能夠在高晶體生長速率下生 長具有面取向不同于{0001}的主面的高結(jié)晶度ΠΙ族氮化物晶體，所述主面10pm和10qm 的面取向?qū)τ谶x自{20-21}、{20-2-1}、{22-41}和{22-4-1}中的晶體幾何等價面取向的偏 離角為五度以下。
[0036] 下面參考圖1?4對根據(jù)本實施方案制造 III族氮化物晶體的方法進(jìn)行進(jìn)一步的 詳細(xì)說明。
[0037] 參考圖1 (A)?4(A)，在本實施方案的襯底切割步驟中，從III族氮化物塊晶體1 切割多個具有主面l〇pm和10qm的III族氮化物晶體襯底10p和10q。所述主面10pm和 l〇qm的面取向?qū)τ谶x自{20-21}、{20-2-1}、{22-41}和{22-4-1}中的晶體幾何等價面取 向的偏離角為五度以下。如本文中所使用的，術(shù)語"偏離角"是指一個面取向與另一個面取 向之間的角且能夠通過X射線衍射法測量。
[0038] 未對用于襯底切割步驟中的III族氮化物塊晶體1進(jìn)行特殊限制，且通過普通方 法如氣相生長法如HVPE法或M0CVD法、或者液相生長法如助熔劑法在具有（0001)主面的 藍(lán)寶石襯底或具有（lll)A面作為主面的GaAs襯底的主面上生長晶體，可以制造所述III 族氮化物塊晶體1。因此，所述III族氮化物塊晶體通常但不總是具有{0001}主面。為了 降低位錯密度并提高結(jié)晶度，優(yōu)選通過小面生長法來生長III族氮化物晶體1，如在日本特 開2001-102307號公報中所公開的。在小面生長法中，在要生長晶體的面上形成小面（晶 體生長面）且在不嵌入所述小面的情況下生長晶體。
[0039] 可通過任意方法從所述III族氮化物塊晶體1切割多個具有主面10pm和10qm的 ΠΙ族氮化物晶體襯底10p和10q，所述主面的面取向?qū)τ谶x自{20-21}、{20-2-1}、{22-41} 和{22-4-1}中的晶體幾何等價面取向的偏離角為五度以下。例如，如圖1(A)?4(A)中所 示，可以沿垂直于〈20-21〉方向、〈20-2-1〉方向、〈22-41〉方向和〈22-4-1〉方向中的一個方 向的多個面（這些面具有與{20-21}、{20-2-1}、{22-41}和{22-4-1}中的一個晶體幾何等 價的面取向。下文中同樣適用。）以預(yù)定間隔從III族氮化物塊晶體1上切割I(lǐng)II族氮化 物晶體襯底l〇P和l〇q。
[0040] 如圖1 (B)?4(B)中所示，在本實施方案的襯底布置步驟中，以相互鄰接的方式橫 向布置切割的多個III族氮化物晶體襯底l〇P和l〇q，使得所述襯底l〇P和l〇q的所述主面 10pm和10qm相互平行且所述襯底10p和10q的各個[0001]方向相同。在圖1 (B)?4(B) 中，盡管為多個ΠΙ族氮化物晶體襯底中兩個鄰接的III族氮化物晶體襯底10p和10q提 供了參考符號，但是同樣適用于其他鄰接的ΠΙ族氮化物晶體襯底。
[0041] 在主面內(nèi)多個III族氮化物晶體襯底l〇p和l〇q的晶軸與主面之間的角度差，導(dǎo) 致在平行于襯底l〇P和l〇q主面的面內(nèi)在襯底l〇P和l〇q的主面上生長的III族氮化物晶 體的組成不均勻。因此，橫向布置襯底l〇P和l〇q使得襯底l〇P和l〇q的主面10pm和10qm 相互平行。襯底l〇P和l〇q相互平行的主面l〇pm和10qm不必在同一平面上。鄰接的兩個 III族氮化物晶體襯底l〇P和l〇q的主面l〇pm與10qm之間的高度差Λ T (未示出）優(yōu)選為 0· 1mm以下，更優(yōu)選0· 01mm以下。
[0042] 為了單向布置多個III族氮化物晶體襯底10p和10q的晶體取向以實現(xiàn)更均勻的 晶體生長，橫向布置襯底l〇P和l〇q使得襯底l〇P和l〇q的各個[0001]方向相同。在多個 III族氮化物晶體襯底l〇P與l〇q之間的間隙導(dǎo)致在所述間隙上生長的晶體的結(jié)晶度低。 因此，以相互接觸的方式布置所述III族氮化物晶體襯底l〇P和l〇q。
[0043] 參考圖1⑷?4⑷和圖1 (B)?4 (B)，所述襯底切割步驟和所述襯底布置布置 從III族氮化物塊晶體1得到多個III族氮化物晶體襯底l〇P和l〇q。橫向布置III族氮 化物晶體襯底l〇P和l〇q，使得多個III族氮化物晶體襯底l〇P和l〇q的主面10pm和10qm 相互平行且襯底l〇P和l〇q的各個[0001]方向相同。所述III族氮化物晶體襯底l〇P和 l〇q具有主面l〇pm和10qm，所述主面10pm和10qm的面取向?qū)τ谶x自{20-21}、{20-2_1}、 {22-41}和{22-4-1}中的晶體幾何等價面取向的偏離角為五度以下。
[0044] 參考圖1 (C)?4(C)，在本實施方案的晶體生長步驟中，在多個III族氮化物晶體 襯底l〇P和l〇q的主面l〇pm和10qm上生長III族氮化物晶體20。通過外延生長法來生長 ΠΙ族氮化物晶體20。
[0045] 所述多個III族氮化物晶體襯底l〇p和l〇q的主面l〇pm和10qm的面取向?qū)τ谶x 自{20-21}、{20-2-1}、{22-41}和{22-4-1}中的晶體幾何等價面取向的偏離角為五度以 下。因此，在所述主面l〇pm和10qm上外延生長的III族氮化物晶體20的主面20m具有與 所述多個ΠΙ族氮化物晶體襯底10p和10q的所述主面10pm和10qm相同的面取向（即， 對于選自{20-21}、{20-2-1}、{22-41}和{22-4-1}中的晶體幾何等價面取向的偏離角為五 度以下的面取向）。
[0046] 由于在多個III族氮化物晶體襯底10p和10q的主面10pm和10qm上生長III族 氮化物晶體20,且襯底10p和10q與所生長的III族氮化物晶體20的熱膨脹系數(shù)之差小， 所以在晶體生長之后的冷卻期間在III族氮化物晶體20中很少發(fā)生裂紋和應(yīng)變，由此制得 了高結(jié)晶度的ΠΙ族氮化物晶體。
[0047] 根據(jù)上述觀點，多個III族氮化物晶體襯底ΙΟρ和lOq與所生長的III族氮化物 晶體20優(yōu)選具有相同的化學(xué)組成。這些步驟能夠制得具有主面20m的高結(jié)晶度III族氮 化物晶體20,所述主面20m的面取向?qū)τ谶x自{20-21}、{20-2-1}、{22-41}和{22-4-1}中 的晶體幾何等價面取向的偏離角為五度以下。
[0048] 在根據(jù)本實施方案制造 III族氮化物晶體的方法中，多個III族氮化物晶體襯底 ΙΟρ 和 10q 的主面 10pm 和 10qm 的面取向?qū)τ谶x自{20-21}、{20-2-1}、{22-41}和{22-4-1} 中的晶體幾何等價面取向的偏離角為五度以下。因此，能夠以高晶體生長速率在多個III 族氣化物晶體襯底l〇P和l〇q的主面l〇pm和10qm上穩(wěn)定生長具有主面20m的商結(jié)晶度 ΠΙ族氮化物晶體20,所述主面20m的面取向?qū)τ谶x自{20-21}、{20-2-1}、{22-41}和 {22-4-1}中的晶體幾何等價面取向的偏離角為五度以下。
[0049] 由此形成的III族氮化物晶體20具有大的晶體厚度并因此具有高自由度的切割 方向。因此，能夠形成具有不同于選自{20-21}、{20-2-1}、{22-41}和{22-4-1}中的晶體 幾何等價面取向的任意面取向的ΠΙ族氮化物晶體和III族氮化物晶體襯底。
[0050] 當(dāng)多個III族氮化物晶體襯底ΙΟρ和l〇q的主面l〇pm和10qm的面取向?qū)τ谶x自 {20-21}、{20-2-1}、{22-41}和{22-4-1}中的晶體幾何等價面取向的偏離角超過五度時， 難以在主面l〇pm和10qm上穩(wěn)定生長高結(jié)晶度的III族氮化物晶體。
[0051] 在根據(jù)本實施方案制造 III族氮化物晶體的方法中，為了在更高晶體生長速率下 更穩(wěn)定地生長具有更高結(jié)晶度的III族氮化物晶體20,所述多個III族氮化物晶體襯底 ΙΟρ和10q的主面10pm和10qm優(yōu)選具有對于選自{20-2-1}和{20-21}中的晶體幾何等價 面取向的偏離角為五度以下的面取向。
[0052] 在根據(jù)本實施方案制造 III族氮化物晶體的方法中，相互鄰接的多個III族氮化 物晶體襯底l〇P和l〇q的各個接觸面（下文中稱作接觸面l〇pt和10qt)優(yōu)選具有50nm以 下、更優(yōu)選5nm以下的平均粗糙度Ra。當(dāng)各個接觸面10pt和10qt具有超過50nm的平均粗 糙度Ra時，在接觸面10pt和10qt附近上的III族氮化物晶體20的區(qū)域（下文中稱作襯 底界面上的區(qū)域20t)具有低結(jié)晶度。
[0053] 在從襯底接觸面10pt和10qt -端向上延伸的垂直面20tc的兩側(cè)上布置在襯底 界面上的區(qū)域20t。在襯底界面上的區(qū)域20t的寬度Λ W取決于接觸面10pt和10qt的平 均表面粗糙度Ra以及III族氮化物晶體的生長條件和結(jié)晶度。所述寬度Λ W為約10? 1000 μ m。通過對這些區(qū)域中X射線衍射峰的半峰寬和/或主面的線位錯密度（threading dislocation density)進(jìn)行比較能夠區(qū)分襯底上的區(qū)域20s (在多個III族氮化物晶體襯 底ΙΟρ和10q上不同于襯底界面上的區(qū)域的區(qū)域。下文中同樣適用。）和襯底界面上的區(qū) 域 20t。
[0054] 平均表面粗糙度Ra是指在JIS B 0601中定義的算術(shù)平均粗糙度Ra。更具體地， 在具有在平均線方向上的粗糙度曲線中截取的參考長度的部分中，將平均線與粗糙度曲線 之間的總距離（絕對偏差）以參考長度求平均值。利用原子力顯微鏡（AFM)能夠測量平均 表面粗糙度Ra。
[0055] 為了使多個III族氮化物晶體襯底ΙΟρ和10q的接觸面10pt和10qt具有50nm 以下的平均粗糙度Ra，根據(jù)本實施方案制造 III族氮化物晶體的方法優(yōu)選在襯底切割步驟 之后并在襯底布置步驟之前包括對用作接觸面l〇pt和10qt的多個III族氮化物晶體襯底 ΙΟρ和lOq的側(cè)面進(jìn)行研削和/或研磨的步驟（下文中稱作研削/研磨步驟）。
[0056] 為了進(jìn)一步提高要生長的III族氮化物的結(jié)晶度，根據(jù)本實施方案制造 III族氮 化物晶體的方法優(yōu)選在襯底切割步驟之后并在襯底布置步驟之前還包括對其上要生長III 族氮化物晶體的多個ΠΙ族氮化物晶體襯底ΙΟρ和10q的主面10pm和10qm進(jìn)行研削和/ 或研磨的步驟（研削/研磨步驟）。在研削/研磨步驟之后，各個主面l〇pm和10qm優(yōu)選具 有50nm以下、更優(yōu)選5nm以下的表面粗糙度。
[0057] 在根據(jù)本實施方案制造 III族氮化物晶體的方法中，用于生長III族氮化物晶體 20的方法不受特殊限制且可以為普通的方法如氣相生長法如HVPE法或M0CVD法、或者液相 生長法如助熔劑法。在這些制造方法中，優(yōu)選HVPE法，因為其晶體生長速率高。
[0058] 參考圖1 (C)?4(C)，中心波浪線的左側(cè)表示在使晶體生長面20g保持平坦的同時 生長ΠΙ族氮化物晶體20并形成平坦主面20m的情況，且中心波浪線的右側(cè)是指在晶體生 長面20g上形成多個小面20gf的同時生長III族氮化物晶體20且形成具有多個小面20mf 的主面20m的情況。
[0059] 參考圖1 (C)?4(C)中中心波浪線的左側(cè)，在根據(jù)本實施方案制造 III族氮化物 晶體的方法中的生長III族氮化物晶體的步驟中，優(yōu)選在使晶體生長面20g保持平坦的同 時生長III族氮化物晶體20。如本文中所使用的，從句"使晶體生長面20g保持平坦"是指 晶體生長面20g基本上平坦且不形成小面20gf。
[0060] 在根據(jù)本實施方案生長III族氮化物晶體的步驟中，在多個III族氮化物晶體襯 底ΙΟρ和10q的主面10pm和10qm上生長III族氮化物晶體20。主面10pm和10qm的面 取向?qū)τ谶x自{20-21}、{20-2-1}、{22-41}和{22-4-1}中的晶體幾何等價面取向的偏離 角為五度以下。在〈20-21〉方向、〈20-2-1〉方向、〈22-41〉方向和〈22-4-1〉方向中的一個 方向上生長III族氮化物晶體。在所述方向生長的III族氮化物晶體20傾向于在{0001} 面中（由于（0001)面內(nèi)與（000-1)面內(nèi)為相同的面內(nèi)，所以下文中將其統(tǒng)稱為{0001}面 內(nèi)）具有面缺陷和低結(jié)晶度。
[0061] 參考圖1 (C)?4(C)中中心波浪線的右側(cè)，III族氮化物晶體20的生長速率的特 殊增大導(dǎo)致在晶體生長面20g上形成多個小面20gf，其伴隨著在{0001}面內(nèi)面缺陷密度的 增加，從而導(dǎo)致低結(jié)晶度。
[0062] 因此，在III族氮化物晶體20的生長中，使晶體生長面20g保持平坦而不在晶體 生長面20g上形成多個小面20gf，能夠降低在所生長的III族氮化物晶體20的{0001}面 中面缺陷的密度，從而制得高結(jié)晶度的III族氮化物晶體。通過與III族氮化物晶體主面 從（0001)面或（000-1)面傾斜的方向垂直的橫斷面的陰極發(fā)光（CL)可以測定III族氮化 物晶體的{0001}面中的面缺陷密度。
[0063] 在III族氮化物晶體20的生長中，可以在低于預(yù)定速率的III族氮化物晶體20 的生長速率下使晶體生長面20g保持平坦。能夠使晶體生長面20g保持平坦的生長速率取 決于如下所述的多個ΠΙ族氮化物晶體襯底ΙΟρ和10q的主面10pm和10qm的面取向。當(dāng) 所述III族氮化物晶體襯底的主面的面取向?qū)τ趝20-21}的偏離角為五度以下時，所述III 族氮化物晶體的生長速率小于80 μ m/小時。當(dāng)所述III族氮化物晶體襯底的主面的面取向 對于{20-2-1}的偏離角為五度以下時，所述III族氮化物晶體的生長速率小于90μπι/小 時。當(dāng)所述III族氮化物晶體襯底的主面的面取向?qū)τ趝22-41}的偏離角為五度以下時， 所述III族氮化物晶體的生長速率小于60 μ m/小時。當(dāng)所述III族氮化物晶體襯底的主 面的面取向?qū)τ趝22-4-1}的偏離角為五度以下時，所述III族氮化物晶體的生長速率小于 80 μ m/小時。
[0064] 在III族氮化物晶體的生長中，當(dāng)III族氮化物晶體20的生長速率等于或大于預(yù) 定速率時，在III族氮化物晶體20的晶體生長面20g上形成多個小面20gf。所述多個小 面20gf具有多個條紋的形狀。各個條紋狀小面20gf在與晶體生長面20g從（0001)面或 (000-1)面傾斜的方向垂直的方向上延伸。所述小面20gf的各個條紋具有約2?300 μ m 的寬度和深度。在III族氮化物晶體20的生長期間在晶體生長面20g上形成小面20gf導(dǎo) 致在III族氮化物晶體20的{0001}面中產(chǎn)生面缺陷，由此降低了結(jié)晶度。在這種生長期 間在ΠΙ族氮化物晶體20的主面20m上形成的多個小面20mf具有與在晶體生長面20g上 形成的多個小面20gf相似的形狀、方向、寬度和深度。所述III族氮化物晶體20具有由主 面20m中的多個小面20mf形成的凹部20v。
[0065] 在生長III族氮化物晶體的步驟中，優(yōu)選生長具有下列雜質(zhì)原子濃度中的至少一 種雜質(zhì)原子濃度的III族氮化物晶體20 :1 X 1016cnT3以上且4X 1019cnT3以下的氧原子濃度， 6X 1014cm_3以上且5X 1018cm_3以下的娃原子濃度，6X 1016cm_3以上且IX 1018cm_3以下的氫 原子濃度，以及l(fā)Xl〇16cnT 3以上且lX1018cnT3以下的碳原子濃度。通過次級離子質(zhì)譜（下 文中也稱作SIMS)能夠測量III族氮化物晶體的雜質(zhì)原子如氧原子、硅原子、氫原子和碳原 子的濃度。
[0066] 將III族氮化物晶體的氧原子濃度、硅原子濃度、氫原子濃度和碳原子濃度中的 至少一種雜質(zhì)濃度設(shè)定為上述預(yù)定濃度，能夠降低在{0001}面中的面缺陷密度，從而制得 高結(jié)晶度的III族氮化物晶體。在III族氮化物晶體的生長中位錯的聚結(jié)降低了位錯數(shù) 和晶體體積，從而使晶體發(fā)生翹曲并增加了面缺陷。將雜質(zhì)原子濃度設(shè)定為上述預(yù)定濃度 可能降低晶體體積的下降，從而降低面缺陷密度。在雜質(zhì)原子濃度低于預(yù)定濃度時，可能 不能降低晶體體積的下降，這使得難以降低在{0001}面中面缺陷的形成。另一方面，在雜 質(zhì)原子濃度高于預(yù)定濃度時，雜質(zhì)原子可能在（0001)面中發(fā)生凝聚，從而使得難以降低在 {0001}面中面缺陷的形成。
[0067] 根據(jù)上述觀點，氧原子濃度更優(yōu)選為5X1016cnT3以上且lX10 19cnT3以下，還更優(yōu) 選1 X 1017cm_3以上且8X 1018cm_3以下。娃原子濃度更優(yōu)選為1 X 1015cm_3以上且3X 1018cm_3 以下，還更優(yōu)選1X 1016cnT3以上且1X 1018cnT3以下。氫原子濃度更優(yōu)選為1X 1017cnT3以上 且9X1017cm_3以下，還更優(yōu)選2X10 17cm_3以上且7X1017cm_3以下。碳原子濃度更優(yōu)選為 5X10 16cm_3以上且9X1017cm_3以下，還更優(yōu)選9X10 16cm_3以上且7X1017cm_3以下。
[0068] 為了進(jìn)一步降低在III族氮化物晶體的生長期間在{0001}面中面缺陷的形成，更 優(yōu)選2種、還更優(yōu)選3種、最優(yōu)選4種上述雜質(zhì)原子濃度（氧原子濃度、硅原子濃度、氫原子 濃度和碳原子濃度）滿足預(yù)定濃度。
[0069] 在生長III族氮化物晶體的方法中，可通過包括下列方法的任意一種方法向III 族氮化物晶體中添加雜質(zhì)原子?？墒褂茅?氣（氧氣），利用惰性氣體如N2氣、Ar氣或He 氣稀釋的〇2氣，含H20的載氣（如H2氣或N2氣）或含H 20的原料氣體（如HC1氣體或NH3 氣）來添加氧原子。可將石英容器用作晶體生長容器以使得反應(yīng)容器的石英與原料冊13氣 體發(fā)生反應(yīng)，從而產(chǎn)生要使用的H 20氣體?？墒褂霉杌衔餁怏w如SiH4氣體、SiH3Cl氣體、 SiH2Cl2氣體、SiHCl3氣體、SiCl4氣體、或SiF 4來添加硅原子?？蓪⑹⑷萜饔米骶w生長 容器以使得反應(yīng)容器的石英與原料NH3氣體發(fā)生反應(yīng)，從而產(chǎn)生要使用的含硅氣體?？墒?用載氣如H2氣和惰性氣體如N 2氣、Ar氣或He氣的氣體混合物來添加氫原子?？墒褂锰蓟?合物氣體如CH4氣體來添加碳原子?？蓪⑻疾牧希ɡ缣及澹┓湃刖w生長容器中以使得 碳材料的碳與充當(dāng)載氣的氫氣或充當(dāng)原料氣體的NH 3氣體發(fā)生反應(yīng)，從而產(chǎn)生要使用的含 碳?xì)怏w。
[0070] 防止雜質(zhì)原子對III族氮化物晶體造成污染的方法可以為下列方法。通過不使用 含氧原子和娃原子的氣體并利用既不含氧原子也不含娃原子的材料如BN對含氧原子和/ 或硅原子的晶體生長容器的內(nèi)壁進(jìn)行包覆可防止氧原子和硅原子的污染。通過不使用含氫 氣的載氣可防止氫原子的污染。通過既不使用碳材料也不使用含碳原子的氣體可防止碳原 子的污染。
[0071] 參考圖1(c)?4(C)和圖1(D)?4(D)，根據(jù)本實施方案制造 III族氮化物晶體 的方法可包括從按上述生長的III族氮化物晶體20準(zhǔn)備具有主面20pm的另外的III族氮 化物晶體襯底20p的步驟，所述主面20pm的面取向?qū)τ谶x自{20-21}、{20-2-1}、{22-41} 和{22-4-1}中的晶體幾何等價面取向的偏離角為五度以下；和在所述另外的III族氮化 物晶體襯底20p的主面20pm上生長另外的III族氮化物晶體30的步驟。這些步驟能夠制 得具有主面30m的另外的高結(jié)晶度III族氮化物晶體30,所述主面30m的面取向?qū)τ谶x自 {20-21}、{20-2-1}、{22-41}和{22-4-1}中的晶體幾何等價面取向的偏離角為五度以下。
[0072] 未對用于準(zhǔn)備另外的III族氮化物晶體襯底20p的步驟進(jìn)行特殊限制且可以通過 從所生長的III族氮化物晶體20對平行于多個III族氮化物晶體襯底10p和10q的主面 10pm和10qm的面進(jìn)行切割來實施所述準(zhǔn)備步驟。為了在主面20pm上生長具有高結(jié)晶度 的另外的ΠΙ族氮化物晶體30,由此切割的另外的III族氮化物晶體襯底20p的主面20pm 優(yōu)選具有50nm以下、更優(yōu)選5nm以下的平均粗糙度Ra。為了使得III族氮化物晶體襯底 20p的主面20pm具有50nm以下的平均粗糙度Ra，在對III族氮化物晶體襯底20p進(jìn)行切 割之后并在生長另外的III族氮化物晶體30之前，優(yōu)選對III族氮化物晶體襯底20p的主 面20pm進(jìn)行研削和/或研磨。
[0073] 在根據(jù)本實施方案制造 III族氮化物晶體的方法中，未對生長另外的III族氮化 物晶體30的方法進(jìn)行特殊限制，且可以是普通方法如氣相生長法如HVPE法或M0CVD法、或 者液相生長法如助熔劑法。在這些制造方法中，優(yōu)選HVPE法，因為其晶體生長速率高。
[0074] 參考圖1 (D)?4(D)，中心波浪線的左側(cè)表示在使晶體生長面30g保持平坦的同時 生長ΠΙ族氮化物晶體30并形成平坦主面30m的情況，且中心波浪線的右側(cè)是指在晶體生 長面30g上形成多個小面30gf的同時生長III族氮化物晶體30且形成具有多個小面30mf 的主面30m的情況。
[0075] 參考圖1 (D)?4(D)中中心波浪線的左側(cè)，在根據(jù)本實施方案制造 III族氮化物 晶體的方法中的生長另外的III族氮化物晶體的步驟中，優(yōu)選在使晶體生長面30g保持平 坦的同時生長另外的III族氮化物晶體30。如本文中所使用的，從句"使晶體生長面30g 保持平坦"是指晶體生長面30g基本上平坦且不形成小面30gf。
[0076] 此外，在根據(jù)本實施方案生長另外的III族氮化物晶體30的步驟中，在〈20-21〉 方向、〈20-2-1〉方向、〈22-41〉方向和〈22-4-1〉方向中的一個方向上生長的另外的III族 氮化物晶體30傾向于在{0001}面中具有面缺陷且結(jié)晶度低。
[0077] 參考圖1 (D)?4(D)中中心波浪線的右側(cè)，另外的III族氮化物晶體30的生長速 率的特殊增大導(dǎo)致在晶體生長面30g上形成多個小面30gf，其伴隨著在{0001}面內(nèi)面缺陷 密度的增加，從而導(dǎo)致低結(jié)晶度。
[0078] 因此，在另外的III族氮化物晶體30的生長中，使晶體生長面30g保持平坦而不 在晶體生長面30g上形成多個小面30fg，能夠降低在所生長的另外的III族氮化物晶體30 的{0001}面中面缺陷的密度，從而制得高結(jié)晶度的III族氮化物晶體。
[0079] 在另外的III族氮化物晶體30的生長中，可以在低于預(yù)定速率的另外的III族氮 化物晶體30的生長速率下使晶體生長面30g保持平坦。能夠使晶體生長面30g保持平坦的 生長速率取決于如下所述的另外的ΠΙ族氮化物晶體襯底20p的主面20pm的面取向。當(dāng)所 述另外的III族氮化物晶體襯底的主面的面取向?qū)τ趝20-21}的偏離角為五度以下時，所 述另外的III族氮化物晶體的生長速率小于140 μ m/小時。當(dāng)所述另外的III族氮化物晶 體襯底的主面的面取向?qū)τ趝20-2-1}的偏離角為五度以下時，所述另外的III族氮化物晶 體的生長速率小于150 μ m/小時。當(dāng)所述另外的III族氮化物晶體襯底的主面的面取向?qū)?于{22-41}的偏離角為五度以下時，所述另外的III族氮化物晶體的生長速率小于120 μ m/ 小時。當(dāng)所述另外的ΠΙ族氮化物晶體襯底的主面的面取向?qū)τ趝22-4-1}的偏離角為五 度以下時，所述III族氮化物晶體的生長速率小于140 μ m/小時。
[0080] 因此，即使在高晶體生長速率下，與在III族氮化物晶體20的生長中相比，在另外 的III族氮化物晶體30的生長中更易于使晶體生長面保持平坦。這可能是因為在鄰接的 ΠΙ族氮化物晶體襯底10p和10q的主面10pm和10qm上生長III族氮化物晶體20而在另 外的III族氮化物晶體襯底20p的主面20pm上生長另外的III族氮化物晶體30并因此能 夠在所述襯底的整個表面上更均勻地生長另外的III族氮化物晶體30。
[0081] 在另外的III族氮化物晶體的生長中，當(dāng)另外的III族氮化物晶體30的生長速率 等于或大于預(yù)定速率時，在另外的III族氮化物晶體30的晶體生長面30g上形成多個小面 30gf。所述多個小面30gf具有多個條紋的形狀。各個條紋狀小面30gf在與晶體生長面 30g從（0001)面或（000-1)面傾斜的方向垂直的方向上延伸。所述小面30gf的各個條紋 具有約2?300 μ m的寬度和深度。在III族氮化物晶體30的生長期間在晶體生長面30g 上形成小面30gf導(dǎo)致在III族氮化物晶體30的{0001}面中產(chǎn)生面缺陷，由此降低了結(jié)晶 度。在生長期間在III族氮化物晶體30的主面30m上形成的多個小面30mf具有與在晶體 生長面30g上形成的多個小面30gf相似的形狀、方向、寬度和深度。所述III族氮化物晶 體30具有由主面30m中的多個小面30mf形成的凹部30v。
[0082] 在生長另外的III族氮化物晶體30的步驟中，與在III族氮化物晶體20的生長 中一樣，優(yōu)選生長具有下列雜質(zhì)原子濃度中的至少一種雜質(zhì)原子濃度的III族氮化物晶體 30 :1X 1016cm_3以上且4X 1019cm_3以下的氧原子濃度，6X 1014cm_3以上且5X 1018cm_3以下 的硅原子濃度，6X1016cnT 3以上且lX1018cnT3以下的氫原子濃度，以及l(fā)X1016cnT 3以上且 lX1018cnT3以下的碳原子濃度。
[0083] 根據(jù)上述觀點，關(guān)于III族氮化物晶體30的雜質(zhì)原子濃度，氧原子濃度更優(yōu)選為 5X 1016cm_3以上且1 X 1019cm_3以下，還更優(yōu)選1 X 1017cm_3以上且8X 1018cm_3以下。娃原子 濃度更優(yōu)選為IX 1015cnT3以上且3X 1018cnT3以下，還更優(yōu)選IX 1016cnT3以上且IX 1018cnT3 以下。氫原子濃度更優(yōu)選為lX1017cnT3以上且9X1017cnT 3以下，還更優(yōu)選2X1017cnT3以 上且7X 1017cnT3以下。碳原子濃度更優(yōu)選為5X 1016cnT3以上且9X 1017cnT3以下，還更優(yōu)選 9X 1016cnT3以上且7X 1017cnT3以下。更優(yōu)選2種、還更優(yōu)選3種、最優(yōu)選4種上述雜質(zhì)原子 濃度（氧原子濃度、硅原子濃度、氫原子濃度和碳原子濃度）滿足預(yù)定濃度。
[0084] 在生長另外的III族氮化物晶體的方法中，用于向另外的III族氮化物晶體30添 加雜質(zhì)原子的方法和用于防止雜質(zhì)原子對另外的III族氮化物晶體30進(jìn)行污染的方法不 受特殊限制。能夠使用對III族氮化物晶體20的生長所述的方法。
[0085] 在另外的III族氮化物晶體的生長中，能夠在另外的III族氮化物晶體襯底20p 的襯底上的區(qū)域20s上形成另外的III族氮化物晶體30的襯底上的區(qū)域30s，并能夠在另 外的ΠΙ族氮化物晶體襯底20p的襯底界面上的區(qū)域20t上形成另外的III族氮化物晶體 30的襯底界面上的區(qū)域30t。
[0086] 實施方案2
[0087] 參考圖1?4,根據(jù)本發(fā)明另一個實施方案的III族氮化物晶體為具有主面的III 族氮化物晶體20和30,所述主面的晶體幾何等價面取向選自{20-21}、{20-2-1}、{22-41} 和{22-4-1}。所述III族氮化物晶體20和30具有下列雜質(zhì)原子濃度中的至少一種雜質(zhì) 原子濃度：lXl〇 16cnT3以上且4X1019cnT3以下的氧原子濃度，6X10 14cnT3以上且5X1018cnT3 以下的硅原子濃度，6X 1016cnT3以上且1 X 1018cnT3以下的氫原子濃度，以及1 X 1016cnT3以上 且lX1018cm_3以下的碳原子濃度。
[0088] 根據(jù)本實施方案的III族氮化物晶體20和30具有晶體幾何等價面取向選自 {20-21}、{20-2-1}、{22-41}和{22-4-1}中的主面20m和30m。因此，在其中在充當(dāng)襯底 的ΠΙ族氮化物晶體20和30的主面20m和30m上形成具有多重量子阱（MQW)結(jié)構(gòu)的發(fā)光 層的發(fā)光器件中，防止了在發(fā)光層中的自發(fā)極化。這降低了發(fā)光效率的下降。根據(jù)本實施 方案的ΠΙ族氮化物晶體具有下列雜質(zhì)原子濃度中的至少一種雜質(zhì)原子濃度：lX10 16cnT3 以上且4X1019cnT3以下的氧原子濃度，6X1014cnT 3以上且5X1018cnT3以下的硅原子濃度， 6X 1016cm_3以上且IX 1018cm_3以下的氫原子濃度，以及IX 1016cm_3以上且IX 1018cm_3以下 的碳原子濃度。由此，根據(jù)本實施方案的III族氮化物晶體因減少了 {0001}面中面缺陷的 形成而具有商結(jié)晶度。
[0089] 根據(jù)本實施方案的III族氮化物晶體20和30具有主面20m和30m，所述主面20m 和30m優(yōu)選具有10cm2以上、更優(yōu)選18cm2以上、還更優(yōu)選40cm2以上的面積。由此得到的 III族氣化物晶體具有大尺寸和商結(jié)晶度。
[0090] 實施例
[0091] 準(zhǔn)備III族氮化物塊晶體
[0092] 參考圖5,通過下列方法制造了 GaN塊晶體，所述GaN塊晶體為用于本發(fā)明制造 III族氮化物晶體的方法中的ΠI族氮化物塊晶體。
[0093] 首先，通過濺射在底部襯底90上形成具有100nm厚度的Si02層以作為掩模層91。 所述底部襯底90為具有（111)A面作為主面的GaAs襯底并具有50mm的直徑和0. 8mm的厚 度。如圖5(A)和（B)中所示，然后通過光刻法和腐蝕形成圖案。在所述圖案中，以4μπι間 隔Ρ對具有2 μ m直徑D的窗口 91W進(jìn)行六方密堆積。所述GaAs襯底（底部襯底90)從窗 口 91W露出。
[0094] 通過HVPE法，在其上形成了具有多個窗口 91w的掩模層91的GaAs襯底（底部襯 底90)上生長作為III族氮化物塊晶體的GaN塊晶體。更具體地，通過HVPE法在500°C下 在GaAs襯底上生長了具有80nm厚度的GaN低溫層。然后，在950°C下生長具有60 μ m厚度 的GaN中間層。然后在1050°C下生長具有5mm厚度的GaN塊晶體。
[0095] 然后，使用王水通過腐蝕將GaAs襯底從GaN塊晶體中除去，從而形成具有50mm直 徑和3mm厚度的GaN塊晶體，其為III族氮化物塊晶體。
[0096] 實施例1
[0097] 首先，參考圖1 (A)，將GaN塊晶體（III族氮化物塊晶體1)的兩個主面（0001)面 和（000-1)面研削和研磨至平均粗糙度Ra為5nm。利用AFM測定所述平均表面粗糙度Ra。
[0098] 參考圖1(A)，在垂直于〈20-21〉方向的方向上將各個主面的平均粗糙度Ra為5nm 的GaN塊晶體（III族氮化物塊晶體1)切割成多個GaN晶體襯底（III族氮化物晶體襯底 10p和10q)。所述GaN晶體襯底的寬度S為3. 1mm,長度L為20?50mm,厚度T為1mm,并 具有{20-21}主面。將尚未進(jìn)行研削和研磨的各個GaN晶體襯底的四個面研削和研磨至平 均粗糙度Ra為5nm。由此，準(zhǔn)備了多個GaN晶體襯底，其中{20-21}主面的平均粗糙度Ra 為5nm。在某些GaN晶體襯底中，主面的面取向并不與{20-21}完全一致。然而，在所有這 種GaN晶體襯底中，主面的面取向?qū)τ趝20-21}的偏離角為五度以下。通過X射線衍射法 測定所述偏離角。
[0099] 參考圖1(B)，在石英晶體生長容器中以相互鄰接的方式橫向布置多個GaN晶體襯 底，使得GaN晶體襯底（III族氮化物晶體襯底10p和10q)的（20-21)主面10pm和10qm 相互平行且GaN晶體襯底（III族氮化物晶體襯底10p和10q)的各個[0001]方向相互一 致。此外，參考圖1 (C)，多個GaN晶體襯底（III族氮化物晶體襯底10p和10q)的各個接觸 面10pt和10qt具有5nm的平均粗糙度Ra。在由此布置的多個GaN晶體襯底（III族氮化 物晶體襯底l〇P和l〇q)中內(nèi)接的圓具有50_的直徑。
[0100] 參考圖1 (C)，在10體積％氯化氫氣體和90體積％氮氣的混合氣氛中于800°C下 對布置在石英晶體生長容器中的多個GaN晶體襯底（III族氮化物晶體襯底10p和10q)的 (20-21)主面10pm和10qm進(jìn)行處理，并持續(xù)2小時。然后，通過HVPE法在1020°C的晶體 生長溫度下在主面l〇pm和10qm上生長GaN晶體（III氮化物晶體20)，并持續(xù)40小時。 [0101] 所述GaN晶體（III族氮化物晶體20)具有2. 4mm的厚度，如通過接觸厚度計（由 日本三豐株式會社（Mitutoyo Co.)制造的Digimatic Indicator)所測定的。因此，晶體 生長速率為60 μ m/小時。參考圖1(C)中中心部分的左側(cè)，所述GaN晶體（III族氮化物晶 體20)在襯底界面上的區(qū)域20t中和襯底上的區(qū)域20s中不存在異常晶體生長，并具有平 坦的（20-21)主面20m。通過（20-21)面的X射線搖擺曲線測量來測定GaN晶體（III族氮 化物晶體20)的結(jié)晶度。在GaN晶體的襯底上的區(qū)域20s中，觀察到具有100弧秒半峰寬 的未分裂衍射峰。在具有300 μ m寬度Λ W的襯底界面上的區(qū)域20t中，觀察到具有300弧 秒半峰寬的分裂的衍射峰。
[0102] 所述GaN晶體的（20-21)主面20m在襯底上的區(qū)域20s中具有1 X 107cnT2的線位 錯密度，并在襯底界面上的區(qū)域20t中具有3 X 107cnT2的線位錯密度，所述值通過陰極發(fā)光 (下文中稱作CL)測定。通過在垂直于〈1-210>方向上的GaN晶體橫斷面的陰極發(fā)光（CL)測 定了 GaN晶體{0001}面中的面缺陷密度，其為8. 3CHT1。所述GaN晶體具有5X 1018cnT3的載 流子濃度，如同由霍爾（Hall)測量所計算的。通過次級離子質(zhì)譜（SIMS)測量的GaN晶體的 主要雜質(zhì)原子的濃度如下：氧原子濃度[0]為5X1018cnT3,硅原子濃度[Si]為lX10 18cnT3， 氫原子濃度[Η]為4X 1016cnT3,以及碳原子濃度[C]為5X 1015cnT3。表I總結(jié)了所述結(jié)果。
[0103] 盡管在實施例1中在其上生長GaN晶體的多個GaN晶體襯底主面的全部面取向 都為（20-21)，但是即使在所述面取向的至少一部分為（-2201)(其與（20-21)晶體幾何等 價）的情況中，也獲得了基本相同的結(jié)果。
[0104] 實施例2
[0105] 首先，參考圖2(A)，將GaN塊晶體（III族氮化物塊晶體1)的兩個主面（0001)面 和（000-1)面研削和研磨至平均粗糙度Ra為5nm。
[0106] 參考圖2(A)，在垂直于〈20-2-1〉方向的方向上將各個主面的平均粗糙度Ra為 5nm的GaN塊晶體（III族氮化物塊晶體1)切割成多個GaN晶體襯底（III族氮化物晶體襯 底10p和10q)。所述GaN晶體襯底的寬度S為3. 1mm,長度L為20?50mm,厚度T為1mm 并具有{20-2-1}主面。將未進(jìn)行研削和研磨的各個GaN晶體襯底的四個面研削和研磨至 平均粗糙度Ra為5nm。由此，準(zhǔn)備了多個GaN晶體襯底，其中{20-2-1}主面的平均粗糙度 Ra為5nm。在某些GaN晶體襯底中，主面的面取向并不與{20-2-1}完全一致。然而，在所 有這種GaN晶體襯底中，主面的面取向?qū)τ趝20-2-1}的偏離角為五度以下。
[0107] 參考圖2(B)，在石英晶體生長容器中以相互鄰接的方式橫向布置多個GaN晶體襯 底，使得GaN晶體襯底（III族氮化物晶體襯底10p和10q)的（20-2-1)主面10pm和10qm 相互平行且GaN晶體襯底（III族氮化物晶體襯底10p和10q)的各個[0001]方向相互一 致。此外，參考圖2 (C)，多個GaN晶體襯底（III族氮化物晶體襯底10p和10q)的各個接觸 面10pt和10qt具有5nm的平均粗糙度Ra。在由此布置的多個GaN晶體襯底（III族氮化 物晶體襯底l〇P和l〇q)中內(nèi)接的圓具有50mm的直徑。
[0108] 參考圖2(C)，以與實施例1中相同的方法對布置在石英晶體生長容器中的多個 GaN晶體襯底（III族氮化物晶體襯底10p和10q)的（20-2-1)主面10pm和10qm進(jìn)行處理。 然后，通過與實施例1中相同的生長方法在與實施例1中相同的生長溫度下在主面l〇pm和 10qm上生長GaN晶體（III氮化物晶體20)并持續(xù)與實施例1中相同的時間。
[0109] 所述GaN晶體（III族氮化物晶體20)具有3. 2mm的厚度，且晶體生長速率為 80μπι/小時。參考圖2(C)中中心部分的左側(cè)，所述GaN晶體（III族氮化物晶體20)在襯 底界面上的區(qū)域20t中和襯底上的區(qū)域20s中不存在異常晶體生長并具有平坦的（20-2-1) 主面20m。通過（20-2-1)面的X射線搖擺曲線測量來測定GaN晶體（III族氮化物晶體 20)的結(jié)晶度。在襯底上的區(qū)域20s中，觀察到具有90弧秒半峰寬的未分裂衍射峰。在具 有100 μ m寬度Λ W的襯底界面上的區(qū)域20t中，觀察到具有360弧秒半峰寬的分裂的衍射 峰。
[0110] 所述GaN晶體的（20-2-1)主面20m在襯底上的區(qū)域20s中具有IX 107cnT2的線位 錯密度并在襯底界面上的區(qū)域20t中具有4X 107cm_2的線位錯密度。通過在垂直于〈1-210> 方向上的GaN晶體橫斷面的陰極發(fā)光（CL)測定了 GaN晶體{0001}面中的面缺陷密度，其 為6. lcnT1。所述GaN晶體具有l(wèi)X1018cnT3的載流子濃度，如同由霍爾測量所計算的。通 過次級離子質(zhì)譜（SIMS)測量的GaN晶體的主要雜質(zhì)原子的濃度如下：氧原子濃度[0]為 9X10 17cm_3,硅原子濃度[Si]為lX1018cm_3,氫原子濃度[H]為4X10 16cm_3,以及碳原子濃 度[C]為5X1015cnT3。表I總結(jié)了所述結(jié)果。
[0111] 盡管在實施例2中在其上生長GaN晶體的多個GaN晶體襯底主面的全部面取向都 為（20-2-1)，但是即使在所述面取向的至少一部分為（-202-1)(其與（20-2-1)晶體幾何等 價）的情況中，也獲得了基本相同的結(jié)果。
[0112] 與實施例1中制造的GaN晶體相比，實施例2中制造的GaN晶體具有更低的裂紋 形成。
[0113] 實施例3
[0114] 首先，參考圖3(A)，將GaN塊晶體（III族氮化物塊晶體1)的兩個主面（0001)面 和（000-1)面研削和研磨至平均粗糙度Ra為5nm。
[0115] 參考圖3(A)，在垂直于〈22-41〉方向的方向上將各個主面的平均粗糙度Ra為5nm 的GaN塊晶體（III族氮化物塊晶體1)切割成多個GaN晶體襯底（III族氮化物晶體襯底 10p和10q)。所述GaN晶體襯底的寬度S為3. 2mm,長度L為20?50mm,厚度T為1mm并 具有{22-41}主面。將未進(jìn)行研削和研磨的各個GaN晶體襯底的四個面研削和研磨至平均 粗糙度Ra為5nm。由此，準(zhǔn)備了多個GaN晶體襯底，其中{22-41}主面的平均粗糙度Ra為 5nm。在某些GaN晶體襯底中，主面的面取向并不與{22-41}完全一致。然而，在所有這種 GaN晶體襯底中，主面的面取向?qū)τ趝22-41}的偏離角為五度以下。
[0116] 參考圖3(B)，在石英晶體生長容器中以相互鄰接的方式橫向布置多個GaN晶體襯 底，使得GaN晶體襯底（III族氮化物晶體襯底10p和10q)的（22-41)主面10pm和10qm 相互平行且GaN晶體襯底（III族氮化物晶體襯底10p和10q)的各個[0001]方向相互一 致。此外，參考圖3 (C)，多個GaN晶體襯底（III族氮化物晶體襯底10p和10q)的各個接觸 面10pt和10qt具有5nm的平均粗糙度Ra。在由此布置的多個GaN晶體襯底（III族氮化 物晶體襯底l〇P和l〇q)中內(nèi)接的圓具有50mm的直徑。
[0117] 參考圖3(C)，以與實施例1中相同的方法對布置在石英晶體生長容器中的多個 GaN晶體襯底（III族氮化物晶體襯底10p和10q)的（22-41)主面10pm和10qm進(jìn)行處理。 然后，通過與實施例1中相同的生長方法在與實施例1中相同的生長溫度下在主面l〇pm和 10qm上生長GaN晶體（III氮化物晶體20)并持續(xù)與實施例1中相同的生長時間。
[0118] 所述GaN晶體（III族氮化物晶體20)具有3. 0mm的厚度，且晶體生長速率為 75μπι/小時。參考圖3(C)中中心部分的右側(cè)，所述GaN晶體（III族氮化物晶體20)在襯 底界面上的區(qū)域20t中和襯底上的區(qū)域20s中具有（22-41)主面20m。在（22-41)主面20m 上的多個小面20mf形成凹部20v。通過（22-41)面的X射線搖擺曲線測量來測定GaN晶體 (III族氮化物晶體20)的結(jié)晶度。在襯底上的區(qū)域20s中，觀察到具有120弧秒半峰寬的 未分裂衍射峰。在具有300 μ m寬度Λ W的襯底界面上的區(qū)域20t中，觀察到具有220弧秒 半峰寬的分裂的衍射峰。
[0119] 所述GaN晶體的（22-41)主面20m在襯底上的區(qū)域20s中具有3 X107cnT2的線位 錯密度并在襯底界面上的區(qū)域20t中具有7 X 107cm_2的線位錯密度。通過在垂直于〈10-10〉 方向上的GaN晶體橫斷面的陰極發(fā)光（CL)測定了 GaN晶體{0001}面中的面缺陷密度，其 為8.6CHT1。所述GaN晶體具有2X1018cnT 3的載流子濃度，如同由霍爾測量所計算的。通 過次級離子質(zhì)譜（SIMS)測量的GaN晶體的主要雜質(zhì)原子的濃度如下：氧原子濃度[0]為 2X10 18cm_3,硅原子濃度[Si]為9X1017cm_3,氫原子濃度[H]為4X10 16cm_3,以及碳原子濃 度[C]為5X1015cnT3。表I總結(jié)了所述結(jié)果。
[0120] 盡管在實施例3中在其上生長GaN晶體的多個GaN晶體襯底主面的全部面取向 都為（22-41)，但是即使在所述面取向的至少一部分為（-4221)(其與（22-41)晶體幾何等 價）的情況中，也獲得了基本相同的結(jié)果。
[0121] 實施例4
[0122] 首先，參考圖4(A)，將GaN塊晶體（III族氮化物塊晶體1)的兩個主面（0001)面 和（000-1)面進(jìn)行研削和研磨至平均粗糙度Ra為5nm。
[0123] 參考圖4(A)，在垂直于〈22-4-1〉方向的方向上將各個主面的平均粗糙度Ra為 5nm的GaN塊晶體（III族氮化物塊晶體1)切割成多個GaN晶體襯底（III族氮化物晶體襯 底10p和10q)。所述GaN晶體襯底的寬度S為3. 2mm,長度L為20?50mm,厚度T為1mm 并具有{22-4-1}主面。將未進(jìn)行研削和研磨的各個GaN晶體襯底的四個面進(jìn)行研削和研 磨至平均粗糙度Ra為5nm。由此，準(zhǔn)備了多個GaN晶體襯底，其中{22-4-1}主面的平均粗 糙度Ra為5nm。在某些GaN晶體襯底中，主面的面取向并不與{22-4-1}完全一致。然而， 在所有這種GaN晶體襯底中，主面的面取向?qū)τ趝22-4-1}的偏離角為五度以下。
[0124] 參考圖4(B)，在石英晶體生長容器中以相互鄰接的方式橫向布置多個GaN晶體襯 底，使得GaN晶體襯底（III族氮化物晶體襯底10p和10q)的（22-4-1)主面10pm和10qm 相互平行且GaN晶體襯底（III族氮化物晶體襯底10p和10q)的各個[0001]方向相互一 致。此外，參考圖4 (C)，多個GaN晶體襯底（III族氮化物晶體襯底10p和10q)的各個接觸 面10pt和10qt具有5nm的平均粗糙度Ra。在由此布置的多個GaN晶體襯底（III族氮化 物晶體襯底l〇P和l〇q)中內(nèi)接的圓具有50mm的直徑。
[0125] 參考圖4(C)，以與實施例1中相同的方法對布置在石英晶體生長容器中的多個 GaN晶體襯底（III族氮化物晶體襯底10p和10q)的（22-4-1)主面10pm和10qm進(jìn)行處理。 然后，通過與實施例1中相同的生長方法在與實施例1中相同的生長溫度下在主面l〇pm和 10qm上生長GaN晶體（III氮化物晶體20)并持續(xù)與實施例1中相同的生長時間。
[0126] 所述GaN晶體（III族氮化物晶體20)具有4. 0mm的厚度，且晶體生長速率為 100 μ m/小時。參考圖4(C)中中心部分的右側(cè)，所述GaN晶體（III族氮化物晶體20)在 襯底界面上的區(qū)域20t中和襯底上的區(qū)域20s中具有（22-4-1)主面20m。在（22-4-1)主 面20m上的多個小面20mf形成凹部20v。通過（22-4-1)面的X射線搖擺曲線測量來測定 GaN晶體（III族氮化物晶體20)的結(jié)晶度。在襯底上的區(qū)域20s中，觀察到具有140弧秒 半峰寬的未分裂衍射峰。在具有500 μ m寬度Λ W的襯底界面上的區(qū)域20t中，觀察到具有 200弧秒半峰寬的分裂的衍射峰。
[0127] 所述GaN晶體的（22-4-1)主面20m在襯底上的區(qū)域20s中具有3 X 107cnT2的線位 錯密度并在襯底界面上的區(qū)域20t中具有7 X 107cm_2的線位錯密度。通過在垂直于〈10-10〉 方向上的GaN晶體橫斷面的陰極發(fā)光（CL)測定了 GaN晶體{0001}面中的面缺陷密度，其 為7. 9cm'所述GaN晶體具有2X1018cnT3的載流子濃度，如同由霍爾測量所計算的。通 過次級離子質(zhì)譜（SIMS)測量的GaN晶體的主要雜質(zhì)原子的濃度如下：氧原子濃度[0]為 2X1018cm_3,硅原子濃度[Si]為9X1017cm_ 3,氫原子濃度[H]為4X1016cm_3,以及碳原子濃 度[C]為5X10 15cnT3。表I總結(jié)了所述結(jié)果。
[0128] 盡管在實施例4中在其上生長GaN晶體的多個GaN晶體襯底主面的全部面取向都 為（22-4-1)，但是即使在所述面取向的至少一部分為（-422-1)(其與（22-4-1)晶體幾何等 價）的情況中，也獲得了基本相同的結(jié)果。
[0129] 表 I
[0130]

【權(quán)利要求】
1. 一種具有主面的ΠΙ族氮化物晶體襯底，所述主面具有選自{20-21}、{20-2-1}、 {22-41}和{22-4-1}中的面取向，所述III族氮化物晶體襯底的特征還在于滿足下列條件 中的至少一種： lX1016cnT3以上且4X1019cnT3以下的氧原子濃度，和 6X1014cnT3以上且5X1018cnT3以下的娃原子濃度。
2. 如權(quán)利要求1所述的III族氮化物晶體襯底，其中所述主面具有至少10cm2的面積。
3. 如權(quán)利要求1所述的III族氮化物晶體襯底，其中所述主面具有至少40cm2的面積。
【文檔編號】C30B29/38GK104250853SQ201410411963
【公開日】2014年12月31日 申請日期:2010年6月3日 優(yōu)先權(quán)日:2009年6月29日
【發(fā)明者】上松康二, 長田英樹, 中畑成二, 藤原伸介 申請人:住友電氣工業(yè)株式會社