CN101535533A - 制造ⅲ族氮化物晶体的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供制造III族氮化物晶体的方法，所述III族氮化物晶体(20)具有除{0001}以外的任意指定的面取向的主面(20m)，所述方法包括以下步骤：由III族氮化物块状晶体(1)切出多个具有指定面取向的主面(10pm)，(10qm)的III族氮化物晶体衬底(10p)，(10q)；在横向上将所述衬底(10p)，(10q)互相邻接地布置，使得所述衬底(10p)，(10q)的主面(10pm)，(10qm)互相平行，并使得所述衬底(10p)，(10q)的[0001]方向以相同的方式取向；以及使所述III族氮化物晶体(20)在所述衬底(10p)，(10q)的主面(10pm)，(10qm)上生长。

Description

制造Ⅲ族氮化物晶体的方法
技术领域
本发明是关于制造III族氮化物晶体的方法，其涉及制造具有除{0001}以外的任意指定的面取向的主面的III族氮化物晶体的方法。
背景技术
通常，适用于包括发光器件的半导体电子器件和半导体传感器中的III族氮化物晶体通过下述方法制造：根据诸如氢化物气相外延(HVPE)或金属有机化学气相淀积(MOCVD)之类的气相技术，或者通过助熔剂生长法或其他液相技术，使晶体在具有(0001)面的主面的蓝宝石衬底上或在具有(111)A面的主面的GaAs衬底上生长。因此，通常获得的III族氮化物晶体具有面取向为{0001}的主面。
对于在这样衬底上的发光器件，所述衬底为具有面取向为{0001}的主面的III族氮化物晶体，并且其中已将作为发光层的多量子阱(MQW)结构淀积在所述主面上，由于III族氮化物晶体的<0001>取向的极性，使得在发光层中产生自发极化，从而导致发光效率降低。因此，正在寻求具有除{0001}以外的面取向的主面的III族氮化物晶体的制造方法。
参考例如日本专利特开No.2005-162526：以下方法已被提出作为制造具有任意面取向的表面的氮化镓晶体，并且不影响衬底主面的面取向的方法。即，根据专利文献No.2005-162526中公开的方法，由通过气相淀积生长的GaN晶体切出多个矩形晶体块。同时，将二氧化硅膜涂布在单独准备的蓝宝石衬底的表面上，并且随后在膜中形成多个直达衬底的凹部。其后，以使得多个晶体块的顶面具有相同面取向的方式将所述多个晶体块嵌入该凹部中。然后，用所述晶体块作为种子进行气相淀积，使具有任意面取向的表面的氮化镓晶体生长。
发明内容
本发明要解决的问题
然而，对于专利文献No.2005-162526中的方法，由于利用已嵌入蓝宝石衬底中的GaN晶体块作为种子来进行GaN晶体的生长，因蓝宝石与GaN之间热膨胀系数的不同，当在生长过程后冷却晶体时，在GaN晶体中出现破裂和变形，从而无法获得具有优异结晶性的GaN晶体。
此外，如果通过专利文献No.2005-162526中的方法使含Al的III族氮化物晶体如AlxGayIn1-x-yN(x>0，y≥0，x+y≤1)生长，则由于Al前体对二氧化硅膜不具有选择性，使得AlxGayIn1-x-yN也在二氧化硅膜上生长，因此无法获得具有优异结晶性的AlxGayIn1-x-yN晶体。
为了解决上述问题，本发明的目的是提供可用的制造具有优异结晶性的III族氮化物晶体的方法，该III族氮化物晶体具有除{0001}以外的任意指定的面取向的主面。
本发明提供制造III族氮化物晶体的方法，该III族氮化物晶体具有除{0001}以外的任意指定的面取向的主面，该制造III族氮化物晶体的方法包括以下步骤：由III族氮化物块状晶体切出多个具有指定的面取向的主面的III族氮化物晶体衬底的步骤；在横向上将所述衬底互相邻接地布置，使得所述衬底的主面互相平行，并使得所述衬底的[0001]方向以相同的方式取向的步骤；以及在所述衬底的所述主面上生长III族氮化物晶体的步骤。
在本发明的制造III族氮化物晶体的方法中，相对于选自{1-10x}(其中x为0以上的整数，以下相同)、{11-2y}(其中y为0以上的整数，以下相同)和{hk-(h+k)0}(其中h和k为除0以外的整数，以下相同)的任何结晶学等价面取向，所述除{0001}以外的任意指定的面取向的偏角可为5°以下。另外，相对于选自{1-100}、{11-20}、{1-102}和{11-22}的任何结晶学等价面取向，所述指定的面取向的偏角可为5°以下。此外，相对于{1-100}，所述指定的面取向的偏角可为5°以下。此外，在本发明制造III族氮化物晶体的方法中，所述衬底可沿平均粗糙度Ra为50nm以下的面互相邻接。
此外，在本发明制造III族氮化物晶体的方法中，可将III族氮化物晶体的生长温度设为2000℃以上。另外，可将III族氮化物晶体的生长方法设为升华生长法。
本发明能提供制造具有优异结晶性的III族氮化物晶体的方法，该III族氮化物晶体具有除{0001}以外的任意指定的面取向的主面。
附图说明
图1A为概括地表示衬底切出步骤的示意性斜视图，用于示例本发明制造III族氮化物晶体的方法的一个实施方式。
图1B为概括地表示衬底排列步骤的示意性斜视图，用于示例本发明制造III族氮化物晶体的方法的一个实施方式。
图1C为概括地表示晶体生长步骤的示意性截面图，用于示例本发明制造III族氮化物晶体的方法的一个实施方式。
图2A为表示示意性平面图，概括地示例用于使块状III族氮化物晶体生长的下部衬底(undersubstrate)。
图2B为表示沿着图2A中IIB-IIB的示意性截面图，概括地示例用于使块状III族氮化物晶体生长的基础衬底。
图3A为概括地表示衬底切出步骤的示意性斜视图，用于示例本发明制造III族氮化物晶体的方法的一个实例。
图3B为概括地表示衬底排列步骤的示意性斜视图，用于示例本发明制造III族氮化物晶体的方法的一个实例。
图3C为概括地表示晶体生长步骤的示意性截面图，用于示例本发明制造III族氮化物晶体的方法的一个实例。
图4为截面图，概括地表示本发明制造III族氮化物晶体的方法的另一个实例中的晶体生长步骤。
图5A为概括地表示衬底切出步骤的示意性斜视图，用于示例本发明制造III族氮化物晶体的方法的再一个实例。
图5B为概括地表示衬底排列步骤的示意性斜视图，用于示例本发明制造III族氮化物晶体的方法的再一个实例。
图5C为概括地表示晶体生长步骤的示意性截面图，用于示例本发明制造III族氮化物晶体的方法的再一个实例。
图6A为概括地表示切出衬底的步骤的示意性斜视图，用于示例本发明制造III族氮化物晶体的方法的再一个实例。
图6B为概括地表示衬底排列步骤的示意性斜视图，用于示例本发明制造III族氮化物晶体的方法的再一个实例。
图6C为概括地表示晶体生长步骤的示意性截面图，用于示例本发明制造III族氮化物晶体的方法的再一个实例。
图7A为概括地表示衬底切出步骤的示意性斜视图，用于示例本发明制造III族氮化物晶体的方法的再一个实例。
图7B为概括地表示衬底排列步骤的示意性斜视图，用于示例本发明制造III族氮化物晶体的方法的再一个实例。
图7C为概括地表示晶体生长步骤的示意性斜视图，用于示例本发明制造III族氮化物晶体的方法的再一个实例。
图8A为概括地表示衬底切出步骤的示意性斜视图，用于示例本发明制造III族氮化物晶体的方法的再一个实例。
图8B为概括地表示衬底排列步骤的示意性斜视图，用于示例本发明制造III族氮化物晶体的方法的再一个实例。
图8C为概括地表示晶体生长步骤的示意性截面图，用于示例本发明制造III族氮化物晶体的方法的再一个实例。
图9A为概括地表示衬底切出步骤的示意性斜视图，用于示例本发明制造III族氮化物晶体的方法的再一个实例。
图9B为概括地表示衬底排列步骤的示意性斜视图，用于示例本发明制造III族氮化物晶体的方法的再一个实例。
图9C为概括地表示晶体生长步骤的示意性截面图，用于示例本发明制造III族氮化物晶体的方法的再一个实例。
图10为示意性斜视图，概括地表示六边形III族氮化物晶体的晶胞中的{1-10x}(x为0以上的整数)面的具体例子。
图11为示意性斜视图，概括地表示六边形III族氮化物晶体的晶胞中的{11-2y}(y为0以上的整数)面的具体例子。
图12为示意性斜视图，概括地表示六边形III族氮化物晶体的晶胞中的{hk-(h+k)0}(h和k为除0以外的整数)面的具体例子。
标记说明
1：III族氮化物块状晶体
10p、10q：III族氮化物晶体衬底
10pm、10qm、20m：主面
10pt、10qt：邻接面
20：III族氮化物晶体
20f：小面(facet)
20s：衬底正上方的区域
20t：衬底邻接的上方区域
20v：凹部
21：III族氮化物晶片
90：下部衬底
91：掩模
91w：窗口
具体实施方式
在结晶学中，为了表示晶面的面取向，使用诸如(hkl)和(hkil)之类的符号(米勒符号)。在诸如III族氮化物晶体之类的六方晶系的晶体中，晶面的面取向由(hkil)表示。此处，h、k、i和l均为被称作米勒指数的整数，其中存在关系式i＝-(h+k)。面取向(hkil)的面称为(hkil)面。与(hkil)面垂直的方向((hkil)面的法线方向)称为[hkil]方向。同时，“{hkil}”通常表示包括(hkil)的面取向以及其各个结晶学等价取向，“<hkil>”则通常表示包括[hkik]的方向以及其各个结晶学等价方向。
参考图1，本发明制造III族氮化物晶体的方法的一个实施方式为制造具有除{0001}以外的任意指定的面取向{h0k0i0l0}的主面20m的III族氮化物晶体20的方法，并且包括以下步骤。如图1A所示，第一步骤是将III族氮化物块状晶体l切出多个具有{h0k0i0l0}主面10pm，10qm的III族氮化物晶体衬底10p，10q(以下，其也将称为“衬底切出步骤”)。如图1B所示，第二步骤是在横向上将衬底10p，10q互相邻接地布置，使得所述多个III族氮化物晶体衬底10p，10q的主面10pm，10qm互相平行，并且使得衬底10p，10q的[0001]方向以相同的方式取向(以下，其也将称为“衬底布置步骤”)。如图1C所示，第三步骤是在所述多个III族氮化物晶体衬底10p，10q的主面10pm，10qm上生长III族氮化物晶体20(以下，其也将称为“晶体生长步骤”)。
在本实施方式的第一步骤(衬底切出步骤)中，从III族氮化物块状晶体1中切出多个具有{h0k0i0l0}主面10pm，10qm的III族氮化物晶体衬底10p，10q。
对在该第一步骤中利用的III族氮化物块状晶体1没有特别限制；通过常用方法制造的晶体就可满足要求，该常用方法即是通过HVPE、MOCVD或其他气相淀积技术，或者通过助熔剂生长法或其他液相技术，使晶体在例如具有(0001)主面的蓝宝石衬底或具有(111)A面的主面的GaAs衬底上生长。因此，尽管对III族氮化物块状晶体没有特别限制，但通常其具有{0001}主面。这里，从减少位错密度和提高结晶性的观点看，优选的是III族氮化物块状晶体1通过如日本特开专利No.2001-102307中公开的小面(facet)生长技术生长，该小面生长技术的特征在于在晶体生长的表面(晶体生长面)上形成小面，并且在无需填充小面的情况下进行晶体生长。
同样，对于从III族氮化物块状晶体1中切出具有{h0k0i0l0}主面10pm、10qm的多个III族氮化物晶体衬底10p、10q的方法没有特别限制；如图1A所示，可将III族氮化物块状晶体1切出沿<hkil>方向具有预定垂直间距的多个面(这些面的面取向为{hkil}，它们也称为{hkil}面，以下相同)。
如图1B所示，在本实施方式的第二步骤(衬底布置步骤)中，在横向上将所述多个切出的III族氮化物晶体衬底10p，10q互相邻接地布置，使得衬底10p，10q的主面10pm，10qm互相平行，并且使得衬底10p，10q的[0001]方向以相同的方式取向。在这种情况下，虽然所述多个III族氮化物晶体衬底中的两个邻接的III族氮化物晶体衬底10p，10q已由图1B中的标号标注，但其他邻接的III族氮化物晶体衬底也具有相同的情形。
在横向上布置所述多个III族氮化物晶体衬底10p，10q，使得衬底10p，10q的主面10pm，10qm互相平行，其因为在于，如果由衬底的主面和它们的晶轴形成的角沿着衬底的主面不均匀，则在衬底的主面上生长的III族氮化物晶体的化学组成沿着与衬底主面平行的面也将不均匀。衬底10p，10q的主面10pm，10qm互相平行就足够了；它们不需要互相处于同一平面上。然而，两个邻接的III族氮化物晶体衬底10p，10q的主面10pm，10qm之间的高度差ΔT优选为0.1mm以下，更优选为0.01mm以下。
此外，从通过使所述多个III族氮化物晶体衬底10p，10q的晶体取向相同来设计更均匀的晶体生长的观点看，以使得衬底10p，10q的[0001]方向以相同方式取向的方式横向布置衬底10p，10q。同时，将所述多个III族氮化物晶体衬底10p，10q互相邻接地布置，因为如果衬底间存在间隙，则在该间隙上生长的晶体的结晶性将受到损害。
参考图1A和1B：通过第一步骤(衬底切出步骤)和第二步骤(衬底布置步骤)，从III族氮化物块状晶体1中获得了以如下方式横向布置的具有{h0k0i0l0}主面10pm，10qm的多个III族氮化物晶体衬底10p，10q，所述方式使得所述多个III族氮化物晶体衬底10p，10q的主面10pm，10qm互相平行，并且使得衬底10p，10q的[0001]方向以相同的方式取向。
在本实施方式的第三步骤(晶体生长步骤)中，在所述多个III族氮化物晶体衬底10p，10q的主面10pm，10qm上生长III族氮化物晶体20。在这种情况下，III族氮化物晶体20的生长为外延生长。由于所述多个III族氮化物晶体衬底10p，10q的主面10pm，10qm具有{h0k0i0l0}面取向，在所述主面10pm，10qm上外延生长的III族氮化物晶体20的主面20m具有与所述多个III族氮化物晶体衬底10p，10q的主面10pm，10qm相同的面取向{h0k0i0l0}。此外，由于在所述多个III族氮化物晶体衬底10p，10q的主面10pm，10qm上生长III族氮化物晶体20，衬底10p，10q与生长的III族氮化物晶体20之间的热膨胀系数差很小，因此在晶体生长后的冷却期间，在已经生长的晶体中不太可能出现破裂和变形，从而得到具有优异结晶性的III族氮化物晶体。从这些观点看，优选所述多个III族氮化物晶体衬底10p，10q与已生长的III族氮化物晶体20具有相同的化学组成。使得能够制备具有{h0k0i0l0}主面20m和优异结晶性的III族氮化物晶体20。
在本实施方式的制造III族氮化物晶体的方法中，上述{h0k0i0l0}优选为选自{1-10x}(其中x为0以上的整数)、{11-2y}(其中y为0以上的整数)和{hk-(h+k)0}(其中h和k为除0以外的整数)的任何结晶学等价面取向。在因此受限制的III族氮化物晶体中，具有{1-10x}、{11-2y}或{hk-(h+k)0}中任一面取向的面为稳定面，因此，在具有该面取向的主面上可稳定地生长具有优异结晶性的III族氮化物晶体。
此外，如果{h0k0i0l0}不是选自{1-10x}、{11-2y}和{hk-(h+k)0}的任何结晶学等价面取向，则{h0k0i0l0}相对于这些面取向中的任何一个的偏角可为5°以下。相对于选自{1-10x}、{11-2y}和{hk-(h+k)0}的任何结晶学等价面取向，偏角为5°以下的面取向使得能够以与{1-10x}、{11-2y}或{hk-(h+k)0}情形中相同的方式生长晶体，因此在具有该面取向的主面上可稳定地生长具有优异结晶性的III族氮化物晶体。此处，“偏角”指由任何给定的面取向和任何其他面取向形成的角，并且根据X射线衍射法测量。
此处作为参考的目的，在图10～12中描述了六边形III族氮化物晶体的晶胞中的{1-10x}面(x为0以上的整数)、{11-2y}面(y为0以上的整数)和{hk-(h+k)0}面(h和k为除0以外的整数)。此处，箭头a1、a2、a3和c为六边形III族氮化物晶体的晶胞的晶轴。
在III族氮化物晶体中，具有选自{1-10x}、{11-2y}和{hk-(h+k)0}的任何结晶学等价面取向的面为稳定面。在III族氮化物晶体的生长中，通过气相淀积、尤其是HVPE技术提供的高晶体生长速率的特征在于c轴方向(即，[0001]方向)上的晶体生长迅速。因此，在通过诸如HVPE之类的气相技术生长的III族氮化物晶体中，(1-101)面、(1-102)面、(11-21)面和(11-22)面证明是更稳定的。另一方面，因为利用液相生长法的晶体生长的速率低，在通过液相技术生长的III族氮化物晶体中，(1-103)面和(11-23)面证明是更稳定的。
在本实施方式制造III族氮化物晶体的方法中，优选上述{h0k0i0l0}为选自{1-100}、{11-20}、{1-102}和{11-22}的任何结晶学等价面取向。此处，因为面取向为{1-100}、{11-20}、{1-102}或{11-22}的III族氮化物晶体面均为稳定面，因此在具有该面取向的主面上可稳定地生长具有优异结晶性的III族氮化物晶体。
此外，{h0k0i0l0}可以不是选自{1-100}、{11-20}、{1-102}和{11-22}的任何结晶学等价面取向，而是相对于这些面取向中的任何一个具有5°以下的偏角。相对于选自{1-100}、{11-20}、{1-102}和{11-22}的任何结晶学等价面取向，偏角5°以下的面取向使得能够以与{1-100}、{11-20}、{1-102}和{11-22}情形中相同的方式生长晶体，因此在具有该面取向的主面上可稳定地生长具有优异结晶性的III族氮化物晶体。
在本实施方式制造III族氮化物晶体的方法中，也优选{h0k0i0l0}为{1-100}。在III族氮化物晶体中，{1-100}为稳定面并且同时为解理面；因此，可稳定地生长具有优异结晶性的III族氮化物晶体，并且通过沿着{1-100}面解理所述生长的III族氮化物晶体，可容易地制造具有{1-100}面取向的主面并具有优异结晶性的III族氮化物晶体衬底。
此外，{h0k0i0l0}可以不是{1-100}，而是相对于该面取向具有5°以下的偏角。相对于{1-100}，偏角5°以下使得能够以与{1-100}的情形中相同的方式生长晶体，因此在具有该面取向的主面上可稳定地生长具有优异结晶性的III族氮化物晶体。
此外，在本实施方式制造III族氮化物晶体的方法中，所述多个III族氮化物晶体衬底10p，10q互相邻接所沿着的面10pt，10qt(这里称为“邻接面10pt，10qt”，并且以下相同)的平均粗糙度Ra优选为50nm以下，更优选为5nm以下。如果邻接面10pt，10qt的平均粗糙度Ra超过50nm，则在III族氮化物晶体20中邻接面10pt，10qt及其附近的上方区域20t(其将称为“衬底邻接的上方区域20t”)的结晶性将受到损害。这里，“表面的平均粗糙度Ra”指在JIS B0601中定义的算术平均粗糙度Ra，具体地讲，其是指从粗糙度曲线沿着它的平均线选取一基准长度，并对该选取部分的从平均线到粗糙度曲线的距离(偏差的绝对值)进行加和，并用基准长度进行平均求得的值。表面的平均粗糙度Ra可利用原子力显微镜(AFM)等进行测量。
然后，在本实施方式制造III族氮化物晶体的方法中，为了使所述多个III族氮化物晶体衬底10p，10q的邻接面10pt，10qt的平均粗糙度Ra为50nm以下，在第一步骤(衬底切出步骤)之后和第二步骤(衬底布置步骤)之前，优选包括对将要成为邻接面10pt，10qt的所述多个III族氮化物晶体衬底10p，10q的侧面进行研磨和/或抛光的步骤(以下也称为研磨和/或抛光步骤)。
此外，在本实施方式制造III族氮化物晶体的方法中，从进一步提高已生长的III族氮化物晶体的结晶性的观点来看，在第一步骤(衬底切出步骤)之后和第二步骤(衬底布置步骤)之前，优选包括对所述多个III族氮化物晶体衬底10p，10q的{h0k0i0l0}主面10pm，10qm(其为III族氮化物晶体生长的表面)进行研磨和/或抛光的步骤(研磨和/或抛光步骤)。由这种研磨和/或抛光步骤产生的{h0k0i0l0}主面10pm，10qm的表面粗糙度优选为50nm以下；粗糙度更优选为5nm。
在本实施方式制造III族氮化物晶体的方法中，另一个有利条件是III族氮化物晶体20的生长温度为2000℃以上。这是因为，对于在2000℃以上的温度下生长的III族氮化物晶体，在晶体生长的整个表面上都是结晶性均匀的。这里，“结晶性均匀”表示在由{h0k0i0l0}面的X射线衍射摇摆曲线分析产生的峰的半峰全宽的面内分布是窄的，以及通过阴极发光光谱(CL)或腐蚀坑密度(EPD)测量法定量测定的位错密度的面内分布是窄的。
在本实施方式制造III族氮化物晶体的方法中，再一个有利条件是使III族氮化物晶体20的生长方法为升华生长法。这是因为，通过升华法，使得III族氮化物晶体在2000℃以上的温度下生长，由此生长的III族氮化物晶体在晶体生长的整个表面上的结晶性都是均匀的。
实施例
III族氮化物块状晶体的准备1
参照图2、通过如下方法制造GaN块状晶体，作为在本发明制造III族氮化物晶体的方法中使用的III族氮化物块状晶体。
最初，通过溅射淀积使厚度为100nm的SiO2层作为掩模层91在作为下部衬底90并具有(111)A面的主面、直径为50mm、厚度为0.8mm的GaAs衬底上形成。其后，如图2A和2B中所示，通过光刻和蚀刻在掩模中形成直径D为2μm的窗口91w，所述窗口91w以4μm的间距P布置形成六边形的紧密图案。在这种情况下，通过窗口91w使GaAs衬底90暴露。
其后，通过HVPE使作为III族氮化物块状晶体的GaN块状晶体在已形成有具有多个窗口91w的掩模91的GaAs衬底90上生长。具体地讲，在500℃下通过HVPE使厚度为80nm的GaN低温层在GaAs衬底上生长，随后在950℃下使厚度为60μm的GaN中间层在该层上生长，之后在1050℃下使厚度为5mm的GaN块状晶体在中间层上生长。
其后，通过采用王水的蚀刻工艺从GaN块状晶体中除去GaAs衬底，以获得直径为50mm和厚度为3mm的GaN块状晶体作为III族氮化物块状晶体。
实施例1
首先，参考图3A，对GaN块状晶体(III族氮化物块状晶体1)的两个主面(0001)面和(000-1)面进行研磨和抛光，以使该两个主面的平均粗糙度Ra为5nm。这里，表面平均粗糙度Ra用AFM进行测量。
其后，参考图3A，沿着与<1-100>方向垂直的多个面切割其两个主面的平均粗糙度Ra均已为5nm的上述GaN块状晶体(III族氮化物块状晶体1)，以切出具有{1-100}主面且宽度S为3mm、长度L为20～50mm和厚度T为1mm的多个GaN晶体衬底(III族氮化物晶体衬底10p，10q)。随后，对切出的各GaN晶体衬底的未研磨和未抛光的四个侧面进行研磨和抛光，以使该四个面的平均粗糙度Ra为5nm。由此，获得{1-100}主面的平均粗糙度Ra为5nm的多个GaN晶体衬底。在这些GaN晶体衬底中，存在主面的面取向与{1-100}不完全一致的GaN晶体衬底，但是在所有情况中，相对于{1-100}，该GaN晶体衬底主面的面取向的偏角均为5°以下。这里，偏角通过X射线衍射法测量。
其后，参考图3B，在横向上将这些GaN晶体衬底互相邻接地布置，使得所述多个GaN晶体衬底(III族氮化物晶体衬底10p，10q)的(1-100)主面10pm，10qm互相平行，并且使得GaN晶体衬底(III族氮化物晶体衬底10p，10q)的[0001]方向以相同的方式取向。在这种情况下，进一步参考图3C，所述多个GaN晶体衬底(III族氮化物晶体衬底10p，10q)的邻接面10pt，10qt的平均粗糙度Ra为5nm。
其后，再次参考图3C，在10体积％氯化氢和90体积％氮的气体混合物的气氛中，于800℃下，对所布置的所述多个GaN晶体衬底(III族氮化物晶体衬底10p，10q)的(1-100)主面10pm，10qm处理2小时，然后通过HVPE并且在1050℃的晶体生长温度下，以20μm/hr的淀积速率使GaN晶体(III族氮化物晶体20)在主面10pm，10qm上生长50小时。
所获得的甚至在衬底邻接的上方区域20t中也无异常生长的GaN晶体(III族氮化物晶体20)具有(1-100)主面20m。GaN晶体(III族氮化物晶体20)的结晶性由(1-100)面的X-射线衍射摇摆曲线分析进行评价。对于该GaN晶体，衬底正上方的区域20s(意思是在所述多个III族氮化物晶体衬底10p，10q正上方的区域20s，以下相同)显示出在尖端未***的衍射峰，同时半峰全宽为100弧度秒。在衬底邻接的上方区域20t中，显示出在尖端***的衍射峰，同时半峰全宽为300弧度秒。
此外，通过阴极发光光谱(以下称为“CL”)测定GaN晶体的(1-100)主面20m的穿透位错密度，结果在衬底正上方的区域20s中的密度为1×107cm-2，在衬底邻接的上方区域20t中的密度为3×107cm-2。另外，通过霍尔效应测量法测定GaN晶体中的载流子浓度，结果为5×1018cm-3。根据SIMS(二次离子质谱，以下相同)检测的GaN晶体中的主要杂质为氧(O)原子和硅(Si)原子。结果列在表1中。
应当理解，在实施例1中，所述多个GaN晶体衬底的主面(其为GaN晶体在其上生长的面)的面取向均为(1-100)，但是即使几个或更多主面为(-1100)(其与(1-100)结晶学等价)，仍能得到相同的结果。
实施例2
再次参考图3A：除对GaN块状晶体(III族氮化物块状晶体1)的两个主面即(0001)面和(000-1)面进行研磨和抛光以使该两个主面的平均粗糙度Ra为50nm之外，以与实施例1中相同的方法切出多个GaN晶体衬底(III族氮化物晶体衬底10p，10q)，并且对各GaN晶体衬底的未研磨和未抛光的四个侧面进行研磨和抛光，以使该四个面的平均粗糙度Ra为5nm。在所述多个GaN晶体衬底中，存在主面的面取向与{1-100}不完全一致的GaN晶体衬底，但是在所有情况中，相对于{1-100}，该GaN晶体衬底的主面的面取向偏角均为5°以下。
其后，参考图3B，以与实施例1中相同的方式布置所述多个GaN晶体衬底(III族氮化物晶体衬底10p，10q)。在这种情况下，进一步参考图4，所述多个GaN晶体衬底的邻接面10pt，10qt的平均粗糙度Ra为50nm。
其后，再一次参考图4：以与实施例1中相同的方式对所布置的所述多个GaN晶体衬底(III族氮化物晶体衬底10p，10q)的(1-100)主面10pm，10qm进行处理，其后在与实施例1中相同的条件下，在主面10pm，10qm上生长GaN晶体(III族氮化物晶体20)。
所获得的GaN晶体(III族氮化物晶体20)具有(1-100)主面20m，在该主面20m中在衬底邻接的上方区域20t中形成有由多个小面20f构成的凹部20v。此外，在GaN晶体(III族氮化物晶体20)的(1-100)面的X-射线衍射摇摆曲线分析中，衬底正上方的区域20s显示出在尖端未***的衍射峰，同时半峰全宽为100弧度秒。同时在衬底邻接的上方区域20t中，显示出在尖端***的衍射峰，同时半峰全宽为800弧度秒。
此外，GaN晶体的(1-100)主面20m的穿透位错密度在衬底正上方的区域20s中为1×107cm-2，在衬底邻接的上方区域20t中为8×107cm-2。另外，GaN晶体中的载流子浓度为5×1018cm-3，而主要杂质为氧原子和硅原子。结果列在表1中。
应当理解，在实施例2中，所述多个GaN晶体衬底的主面(其为GaN晶体在其上生长的面)的面取向均为(1-100)，但即便几个或更多主面为(-1100)(其与(1-100)结晶学等价)，仍能得到相同的结果。
实施例3
首先，参考图5A，对GaN块状晶体(III族氮化物块状晶体1)的两个主面(0001)面和(000-1)面进行研磨和抛光，以使该两个主面的平均粗糙度Ra为5nm。
其后，再次参考图5A：沿着与<11-20>方向垂直的多个面切割其两个主面的平均粗糙度Ra已为5nm的上述GaN块状晶体(III族氮化物块状晶体1)，以切出具有{11-20}主面且宽度S为3mm、长度L为20～50mm和厚度T为1mm的多个GaN晶体衬底(III族氮化物晶体衬底10p，10q)。随后，对切出的各GaN晶体衬底的未研磨和未抛光的四个侧面进行研磨和抛光，以使该四个面的平均粗糙度Ra为5nm。由此获得{11-20}主面的平均粗糙度Ra为5nm的多个GaN晶体衬底。在这些GaN晶体衬底中，存在主面的面取向与{11-20}不完全一致的GaN晶体衬底，但是在所有情况中，相对于{11-20}，该GaN晶体衬底的主面的面取向的偏角均为5°以下。
其后，参考图5B，在横向上将这些GaN晶体衬底互相邻接地布置，使得所述多个GaN晶体衬底(III族氮化物晶体衬底10p，10q)的(11-20)主面10pm，10qm互相平行，并且使得GaN晶体衬底的[0001]方向以相同的方式取向。在这种情况下，进一步参考图5C，所述多个GaN晶体衬底的邻接面10pt，10qt的平均粗糙度Ra为5nm。
其后，再一次参考图5C：以与实施例1中相同的方式对所布置的所述多个GaN晶体衬底(III族氮化物晶体衬底10p，10q)的(11-20)主面10pm，10qm进行处理，其后在与实施例1中相同的条件下，在主面10pm，10qm上生长GaN晶体(III族氮化物晶体20)。
所获得的GaN晶体(III族氮化物晶体20)具有(11-20)主面20m，在该主面20m中在衬底邻接的上方区域20t中形成有由多个小面20f限定的凹部20v。此外，在GaN晶体(III族氮化物晶体20)的(11-20)面的X-射线衍射摇摆曲线分析中，衬底正上方的区域20s显示出在尖端未***的衍射峰，同时半峰全宽为250弧度秒。在衬底邻接的上方区域20t中，显示出在尖端***的衍射峰，同时半峰全宽为620弧度秒。
此外，GaN晶体的(11-20)主面20m的穿透位错密度在衬底正上方的区域20s中为1×107cm-2，在衬底邻接的上方区域20t中为8×107cm-2。另外，GaN晶体中的载流子浓度为5×1018cm-3，而主要杂质为氧原子和硅原子。结果列在表1中。
应当理解，在实施例3中，所述多个GaN晶体衬底主面(其为GaN晶体在其上生长的面)的面取向均为(11-20)，但即便几个或更多个主面为(-1-120)(与(11-20)结晶学等价)，仍能得到相同的结果。
实施例4
首先，参考图6A，对GaN块状晶体(III族氮化物块状晶体1)的两个主面(0001)面和(000-1)面进行研磨，以使该两个主面的平均粗糙度Ra为50nm。
其后，再次参考图6A：沿着与<1-102>方向垂直的多个面切割其两个主面的平均粗糙度Ra已为50nm的上述GaN块状晶体(III族氮化物块状晶体1)，以切出具有{1-102}主面且宽度S为5mm、长度L为20～50mm和厚度T为1mm的多个GaN晶体衬底(III族氮化物晶体衬底10p，10q)。随后，对切出的各GaN晶体衬底的六个侧面进行研磨和抛光，以使表面的平均粗糙度Ra为5nm。由此获得{1-102}主面的平均粗糙度Ra为5nm的多个GaN晶体衬底。在这些GaN晶体衬底中，存在主面的面取向与{1-102}不完全一致的GaN晶体衬底，但是在所有情况中，相对于{1-102}，该GaN晶体衬底的主面的面取向的偏角均为5°以下。
其后，参考图6B，在横向上将这些GaN晶体衬底互相邻接地布置，使得所述多个GaN晶体衬底(III族氮化物晶体衬底10p，10q)的(1-102)主面10pm，10qm互相平行，并使得GaN晶体衬底的[0001]方向以相同的方式取向。在这种情况下，进一步参考图6C，所述多个GaN晶体衬底的邻接面10pt，10qt的平均粗糙度Ra为5nm。
其后，再一次参考图6C：以与实施例1中相同的方式对所布置的所述多个GaN晶体衬底(III族氮化物晶体衬底10p，10q)的(1-102)主面10pm，10qm进行处理，其后在与实施例1中相同的条件下，在主面10pm，10qm上生长GaN晶体(III族氮化物晶体20)。
所获得的甚至在衬底邻接的上方区域20t中也无异常生长的GaN晶体具有(1-102)主面20m。在GaN晶体(III族氮化物晶体20)的(1-102)面的X-射线衍射摇摆曲线分析中，衬底正上方的区域20s显示出在尖端未***的衍射峰，同时半峰全宽为120弧度秒。同时在衬底邻接的上方区域20t中，显示出在尖端***的衍射峰，半峰全宽为480弧度秒。
此外，GaN晶体的(1-102)主面20m的穿透位错密度在衬底正上方的区域20s中为1×107cm-2，在衬底邻接的上方区域20t中为6×107cm-2。另外，GaN晶体中的载流子浓度为5×1018cm-3，而主要杂质为氧原子和硅原子。结果列在表1中。
应当理解，在实施例4中，所述多个GaN晶体衬底的主面(其为GaN晶体在其上生长的面)的面取向均为(1-102)，但即便几个或更多个主面为(-1102)(与(1-102)结晶学等价)，仍能得到相同的结果。
实施例5
首先，参考图7A，对GaN块状晶体(III族氮化物块状晶体1)的两个主面(0001)面和(000-1)面进行研磨，以使该两个主面的平均粗糙度Ra为50nm。
其后，再次参考图7A：沿着与<11-22>方向垂直的多个面切割其两个主面的平均粗糙度Ra已为50nm的上述GaN块状晶体(III族氮化物块状晶体1)，以切出具有{11-22}主面且宽度S为5mm、长度L为20～50mm和厚度T为1mm的多个GaN晶体衬底(III族氮化物晶体衬底10p，10q)。随后，对切出的各GaN晶体衬底的六个侧面进行研磨和抛光，以使该六个面的平均粗糙度Ra为5nm。由此获得{11-22}主面的平均粗糙度Ra为5nm的多个GaN晶体衬底。在这些GaN晶体衬底中，存在主面的面取向与{11-22}不完全一致的GaN晶体衬底，但是在所有情况中，相对于{11-22}，该GaN晶体衬底的主面的面取向的偏角均为5°以下。
其后，参考图7B，在横向上将这些GaN晶体衬底互相邻接地布置，使得所述多个GaN晶体衬底(III族氮化物晶体衬底10p，10q)的(11-22)主面10pm，10qm互相平行，并使得GaN晶体衬底的[0001]方向以相同的方式取向。在这种情况下，所述多个GaN晶体衬底的邻接面10pt，10qt的平均粗糙度Ra为5nm。
其后，参考图7C：以与实施例1中相同的方式对所布置的所述多个GaN晶体衬底(III族氮化物晶体衬底10p，10q)的(11-22)主面10pm，10qm进行处理，其后在与实施例1中相同的条件下，在主面10pm，10qm上生长GaN晶体(III族氮化物晶体20)。
所获得的甚至在衬底邻接的上方区域20t中也无异常生长的GaN晶体具有(11-22)主面20m。在GaN晶体(III族氮化物晶体20)的(11-22)面的X-射线衍射摇摆曲线分析中，衬底正上方的区域20s显示出在尖端未***的衍射峰，同时半峰全宽为90弧度秒。在衬底邻接的上方区域20t中，显示出在尖端***的衍射峰，同时半峰全宽为380弧度秒。
此外，GaN晶体的(11-22)主面20m的穿透位错密度在衬底正上方的区域20s中为1×107cm-2，在衬底邻接的上方区域20t中为4×107cm-2。另外，GaN晶体中的载流子浓度为5×1018cm-3，而主要杂质为氧原子和硅原子。结果列在表1中。
应当理解，在实施例5中，所述多个GaN晶体衬底的主面(其为GaN晶体在其上生长的面)的面取向均为(11-22)，但即便几个或更多个主面为(-2112)(与(11-22)结晶学等价)，仍能得到相同的结果。
实施例6
首先，参考图8A，对GaN块状晶体(III族氮化物块状晶体1)的两个主面(0001)面和(000-1)面进行研磨和抛光，以使该两个主面的平均粗糙度Ra为5nm。
其后，再次参考图8A：沿着与<12-30>方向垂直的多个面切割其两个主面的平均粗糙度Ra已为5nm的上述GaN块状晶体(III族氮化物块状晶体1)，以切出具有{12-30}主面且宽度S为3mm、长度L为20～50mm和厚度T为1mm的多个GaN晶体衬底(III族氮化物晶体衬底10p，10q)。随后，对切出的各GaN晶体衬底的未研磨和未抛光的四个侧面进行研磨和抛光，以使该四个面的平均粗糙度Ra为5nm。由此获得{12-30}主面的平均粗糙度Ra为5nm的多个GaN晶体衬底。在这些GaN晶体衬底中，存在主面的面取向与{12-30}不完全一致的GaN晶体衬底，但是在所有情况中，相对于{12-30}，该GaN晶体衬底的主面的面取向的偏角均为5°以下。
其后，参考图8B，在横向上将这些GaN晶体衬底互相邻接地布置，使得所述多个GaN晶体衬底(III族氮化物晶体衬底10p，10q)的(12-30)主面10pm，10qm互相平行，并使得GaN晶体衬底的[0001]方向以相同的方式取向。在这种情况下，进一步参考图8C，所述多个GaN晶体衬底的邻接面10pt，10qt的平均粗糙度Ra为5nm。
其后，再次参考图8C：以与实施例1中相同的方式对所布置的所述多个GaN晶体衬底(III族氮化物晶体衬底10p，10q)的(12-30)主面10pm，10qm进行处理，其后在与实施例1中相同的条件下，在主面10pm，10qm上生长GaN晶体(III族氮化物晶体20)。
所获得的GaN晶体(III族氮化物晶体20)具有(12-30)主面20m，在该主面20m中在衬底邻接的上方区域20t中形成有由多个小面20f构成的凹部20v。此外，在GaN晶体(III族氮化物晶体20)的(12-30)面的X-射线衍射摇摆曲线分析中，衬底正上方的区域20s显示出在尖端未***的衍射峰，同时半峰全宽为280弧度秒。同时，在衬底邻接的上方区域20t中，显示出在尖端***的衍射峰，半峰全宽为660弧度秒。
此外，GaN晶体的(12-30)主面20m的穿透位错密度在衬底正上方的区域20s中为1×107cm-2，在衬底邻接的上方区域20t中为7×107cm-2。另外，GaN晶体中的载流子浓度为4×1018cm-3，而主要杂质为氧原子和硅原子。结果列在表1中。
应当理解，在实施例6中，所述多个GaN晶体衬底的主面(其为GaN晶体在其上生长的面)的面取向均为(12-30)，但即便几个或更多个主面为(-3210)(与(12-30)结晶学等价)，仍能得到相同的结果。
实施例7
首先，参考图9A，对GaN块状晶体(III族氮化物块状晶体1)的两个主面(0001)面和(000-1)面进行研磨和抛光，以使该两个主面的平均粗糙度Ra为5nm。
其后，再次参考图9A：沿着与<23-50>方向垂直的多个面切割其两个主面的平均粗糙度Ra已为5nm的上述GaN块状晶体(III族氮化物块状晶体1)，以切出具有{23-50}主面且宽度S为3mm、长度L为20～50mm和厚度T为1mm的多个GaN晶体衬底(III族氮化物晶体衬底10p，10q)。随后，对切出的各GaN晶体衬底的未研磨和未抛光的四个侧面进行研磨和抛光，以使该四个面的平均粗糙度Ra为5nm。由此获得{23-50}主面的平均粗糙度Ra为5nm的多个GaN晶体衬底。在这些GaN晶体衬底中，存在主面的面取向与{23-50}不完全一致的GaN晶体衬底，但是在所有情况中，相对于{23-50}，该GaN晶体衬底的主面的面取向的偏角均为5°以下。
其后，参考图9B，在横向上将这些GaN晶体衬底互相邻接地布置，使得所述多个GaN晶体衬底(III族氮化物晶体衬底10p，10q)的(23-50)主面10pm，10qm互相平行，并使得GaN晶体衬底的[0001]方向以相同的方式取向。在这种情况下，所述多个GaN晶体衬底的邻接面10pt，10qt的平均粗糙度Ra为5nm。
参考图9C：然后通过助熔剂生长法，使GaN晶体(III族氮化物晶体20)淀积在所布置的所述多个GaN晶体衬底(III族氮化物晶体衬底10p，10q)的(23-50)主面10pm，10qm上。具体地说，使Ga-Na熔体(Ga和Na熔化的混合物)在所述多个GaN晶体衬底的(23-50)主面10pm，10qm上接触，并且在870℃和4MPa(40个大气压)的晶体生长温度和晶体生长压力(氮气压)的条件下，以5μm/hr的淀积速率使GaN晶体(III族氮化物晶体20)在GaN晶体衬底的(23-50)主面10pm，10qm上生长100小时。
所获得的甚至在衬底邻接的上方区域20t中也无异常生长的GaN晶体具有(23-50)主面20m。在GaN晶体(III族氮化物晶体20)的(23-50)面的X-射线衍射摇摆曲线分析中，衬底正上方的区域20s显示出在尖端未***的衍射峰，同时半峰全宽为230弧度秒。同时，在衬底邻接的上方区域20t中，显示出在尖端***的衍射峰，半峰全宽为490弧度秒。
此外，GaN晶体的(23-50)主面20m的穿透位错密度在衬底正上方的区域20s中为1×107cm-2，在衬底邻接的上方区域20t中为4×107cm-2。另外，GaN晶体中的载流子浓度为3×1018cm-3，而主要杂质为氧原子和硅原子。结果列在表1中。
应当理解，在实施例7中，所述多个GaN晶体衬底的主面10pm，10qm(其为GaN晶体在其上生长的面)的面取向均为(23-50)，但即便几个或更多个主面为(-5230)(与(23-50)结晶学等价)，仍能得到相同的结果。
表1
Figure A200780042700D00251
正如由表1显见的那样，具有{h0k0i0l0}主面的III族氮化物晶体是通过包括以下步骤的III族氮化物晶体制造方法而获得的：由III族氮化物块状晶体切出多个具有除{0001}以外的任意指定面取向{h0k0i0l0}的主面的III族氮化物晶体衬底；在横向上将所述多个III族氮化物晶体衬底互相邻接地布置，使得所述多个III族氮化物晶体衬底的主面互相平行，并使得衬底的[0001]方向以相同的方式取向；以及在所述多个III族氮化物晶体衬底的主面上生长III族氮化物晶体。
此处如实施例1～7所示，所述{h0k0i0l0}是，相对于选自{1-10x}(其中x为0以上的整数)、{11-2y}(其中y为0以上的整数)和{hk-(h+k)0}(其中h和k为除0以外的整数)的任何结晶学等价面取向，偏角均为5°以下，由此可获得具有{h0k0i0l0}主面和优异结晶性的III族氮化物晶体。特别地，如实施例1所示，通过使{h0k0i0l0}为{1-100}可获得具有特别优异结晶性的III族氮化物晶体。
此外，如实施例1和2所示，从使III族氮化物晶体稳定生长的观点看，所述多个III族氮化物晶体衬底邻接所沿的面的平均粗糙度Ra优选为50nm以下，更优选为5nm以下。
III族氮化物块状晶体的准备2
通过如下方法制造AlN块状晶体，作为在本发明制造III族氮化物晶体的方法中使用的III族氮化物块状晶体。
首先，通过升华生长法使AlN块状晶体淀积在作为下部衬底的直径为51mm、厚度为0.5mm的SiC衬底的(0001)面的主面上。在AlN块状晶体生长期间，在使生长温度为1700℃的同时供给0.1质量％CO2气体(含IV族元素的气体)，以将晶体和作为IV族掺杂剂的碳原子掺杂在一起，直到晶体生长至厚度为0.5mm为止。其后，将生长温度维持在1800℃，同时停止供给所述含IV族元素的气体，并且使生长至厚度为5.5mm的AlN块状晶体(包括掺杂有碳原子的上述0.5mm厚的部分)。在生长的AlN块状晶体的(0001)面上形成有由多个小面限定的多个六角锥状凹部。
其后，采用机械抛光，将SiC衬底从上述AlN块状晶体中除去，以获得作为III族氮化物块状晶体的直径为50mm和厚度为3mm的AlN块状晶体。此时，将通过供给含IV族元素的气体而掺杂有IV族掺杂剂(碳元素)并生长至0.5mm厚的所述部分除去。
实施例8
首先，参考图3A，对AlN块状晶体(III族氮化物块状晶体1)的两个主面(0001)面和(000-1)面进行研磨和抛光，以使两个主面的平均粗糙度Ra为5nm。
其后，再次参考图3A：沿着与<1-100>方向垂直的多个面切割其两个主面的平均粗糙度Ra已为5nm的上述AlN块状晶体，以切出具有{1-100}主面且宽度S为3mm、长度L为20～50mm和厚度T为1mm的多个AlN晶体衬底(III族氮化物晶体衬底10p，10q)。随后，对切出的各AlN晶体衬底的未研磨和未抛光的四个侧面进行研磨和抛光，以使该四个面的平均粗糙度Ra为5nm。由此获得{1-100}主面的平均粗糙度Ra为5nm的多个AlN晶体衬底。在这些AlN晶体衬底中，存在主面的面取向与{1-100}不完全一致的AlN晶体衬底，但是在所有情况中，相对于{1-100}，该AlN晶体衬底的主面的面取向的偏角均为5°以下。
其后，参考图3B，在横向上将这些AlN晶体衬底互相邻接地布置，使得所述多个AlN晶体衬底(III族氮化物晶体衬底10p，10q)的(1-100)主面10pm，10qm互相平行，并使得AlN晶体衬底的[0001]方向以相同的方式取向。在这种情况下，进一步参考图3C，所述多个AlN晶体衬底的邻接面10pt，10qt的平均粗糙度Ra为5nm。
其后，再次参考图3C，在2200℃于氮气环境下，通过升华生长法，以100μm/hr的淀积速率使AlN晶体(III族氮化物晶体20)在已布置的所述多个AlN晶体衬底(III族氮化物晶体衬底10p，10q)的(1-100)主面10pm，10qm上淀积50小时。
所获得的甚至在衬底邻接的上方区域20t中也无异常生长的AlN晶体(III族氮化物晶体20)具有(1-100)主面20m。通过(1-100)面的X-射线衍射摇摆曲线分析对AlN晶体(III族氮化物晶体20)的结晶性进行评价。对于这种AlN晶体，衬底正上方的区域20s显示出在尖端未***的衍射峰，同时半峰全宽为30弧度秒。类似地，在衬底邻接的上方区域20t中，也显示出在尖端未***的衍射峰，同时半峰全宽为50弧度秒。
此外，以以下方式测定AlN晶体(1-100)主面20m的穿透位错密度。即，如图3C所示，将具有(1-100)面为最宽区域的AlN晶片(III族氮化物晶体晶片21)切出。将该AlN晶片(III族氮化物晶体晶片21)加热至250℃，并且通过在熔融KOH-NaOH液化混合物(质量比，KOH:NaOH＝50:50)中浸渍该晶片1小时来蚀刻(1-100)主面。通过在光学显微镜下观察所蚀刻的AlN晶片(III族氮化物晶体晶片21)的(1-100)主面，对100μm×100μm正方形面内的腐蚀坑数目进行计数，以计算出腐蚀坑密度(EPD)作为主面穿透位错密度。
上述AlN晶体(1-100)主面20m的穿透位错密度在衬底正上方的区域20s中为1×105cm-2，在衬底邻接的上方区域20t中为2×105cm-2。同时，根据SIMS(二次离子质谱)检测到AlN晶体中的主要杂质为氧原子和碳原子。结果列在表2中。
应当理解，在实施例8中，所述多个AlN晶体衬底的主面(其为AlN晶体在其上生长的面)的面取向均为(1-100)，但即便几个或更多个主面为(-1100)(与(1-100)结晶学等价)，仍能得到相同的结果。
实施例9
首先，参考图3A，对AlN块状晶体的两个主面(0001)面和(000-1)面进行研磨和抛光，以使两个主面的平均粗糙度Ra为50nm。
其后，再次参考图3A：沿着与<1-100>方向垂直的多个面切割其两个主面的平均粗糙度Ra已为50nm的上述AlN块状晶体，以切出具有{1-100}主面且宽度S为3mm、长度L为20～50mm和厚度T为1mm的多个AlN晶体衬底(III族氮化物晶体衬底10p，10q)。随后，对切出的各AlN晶体衬底的未研磨和未抛光的四个侧面进行研磨和抛光，以使该四个面的平均粗糙度Ra为5nm。由此获得{1-100}主面的平均粗糙度Ra为5nm的多个AlN晶体衬底。在这些AlN晶体衬底中，存在主面的面取向与{1-100}不完全一致的AlN晶体衬底，但是在所有情况中，相对于{1-100}，该AlN晶体衬底的主面的面取向的偏角均为5°以下。
其后，参考图3B，在横向上将这些AlN晶体衬底互相邻接地布置，使得所述多个AlN晶体衬底(III族氮化物晶体衬底10p，10q)的(1-100)主面10pm，10qm互相平行，并使得AlN晶体衬底的[0001]方向以相同的方式取向。在这种情况下，进一步参考图3C，所述多个AlN晶体衬底的邻接面10pt，10qt的平均粗糙度Ra为50nm。
其后，再一次参考图3C，在2200℃于氮气环境下，通过升华生长法，以100μm/hr的淀积速率使AlN晶体(III族氮化物晶体20)在已布置的所述多个AlN晶体衬底(III族氮化物晶体衬底10p，10q)的(1-100)主面10pm，10qm上淀积50小时。
所获得的甚至在衬底邻接的上方区域20t中也无异常生长的AlN晶体(III族氮化物晶体20)具有(1-100)主面20m。在AlN晶体的(1-100)面的X-射线衍射摇摆曲线分析中，衬底正上方的区域20s显示出在尖端未***的衍射峰，同时半峰全宽为100弧度秒。类似地，在衬底邻接的上方区域20t中，也显示出在尖端未***的衍射峰，同时半峰全宽为150弧度秒。此外，AlN晶体的(1-100)主面20m的穿透位错密度在衬底正上方的区域20s中为3×105cm-2，在衬底邻接的上方区域20t中为4×105cm-2。同时，AlN晶体中的主要杂质为氧原子和碳原子。结果列在表2中。
应当理解，在实施例9中，所述多个AlN晶体衬底的主面(其为AlN晶体在其上生长的面)的面取向均为(1-100)，但即便几个或更多个主面为(-1100)(其与(1-100)结晶学等价)，仍能得到相同的结果。
表2
正如由表2显见的那样，具有{h0k0i0l0}主面的III族氮化物晶体是通过包括以下步骤的III族氮化物晶体制造方法而获得的：由III族氮化物块状晶体切出多个具有除{0001}以外的任意指定面取向{h0k0i0l0}的主面的III族氮化物晶体衬底；在横向上将所述衬底互相邻接地布置，使得所述多个III族氮化物晶体衬底的主面互相平行，并使得衬底的[0001]方向以相同的方式取向；以及在所述多个III族氮化物晶体衬底的主面上生长III族氮化物晶体。
此处，正如由表1中实施例1～7与表2中实施例8～9之间的比较而显见的那样，发现在III族氮化物晶体的制造方法中，通过使III族氮化物晶体的生长温度为2000℃以上，结果使III族氮化物晶体的主面的穿透位错密度显著降低。
本发明公开的实施方式和实施例在所有方面均应被认为是示例性的，而不是限制性的。本发明的范围不是通过上述说明书限定，而是通过本申请权利要求的范围限定，并且意在包括等价于本发明权利要求的范围和在该范围内的所有变化。
工业适用性
由本发明制造方法制造的III族氮化物晶体用于包括光学元件(如发光二极管和激光二极管)的应用，以及用于半导体电子器件(如整流器、双极晶体管、场效应晶体管或高电子迁移率晶体管(HEMTs))、半导体传感器(如温度传感器、压力传感器、辐射传感器或可见-盲区紫外探测器)、声表面波器件(SAW器件)、加速度传感器、微机电***(MEMS)部件、压电振荡器、共振器、压电驱动器。

Claims (7)

1.一种制造III族氮化物晶体的方法，所述III族氮化物晶体具有除{0001}以外的任意指定的面取向的主面，所述III族氮化物晶体制造方法包括：
由III族氮化物块状晶体切出多个具有所述指定的面取向的主面的III族氮化物晶体衬底的步骤；
在横向上将所述衬底互相邻接地布置，使得所述衬底的主面彼此平行，并使得所述衬底的[0001]方向以相同的方式取向的步骤；以及
在所述衬底的所述主面上生长III族氮化物晶体的步骤。
2.根据权利要求1所述的制造III族氮化物晶体的方法，其中相对于选自{1-10x}、{11-2y}和{hk-(h+k)0}的任何结晶学等价面取向，所述指定的面取向的偏角为5°以下，其中x为0以上的整数，y为0以上的整数，h和k为除0以外的整数。
3.根据权利要求1所述的制造III族氮化物晶体的方法，其中相对于选自{1-100}、{11-20}、{1-102}和{11-22}的任何结晶学等价面取向，所述指定的面取向的偏角为5°以下。
4.根据权利要求1所述的制造III族氮化物晶体的方法，其中相对于{1-100}，所述指定的面取向的偏角为5°以下。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的制造III族氮化物晶体的方法，其中所述衬底沿平均粗糙度Ra为50nm以下的面互相邻接。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的制造III族氮化物晶体的方法，其中所述III族氮化物晶体的生长温度为2000℃以上。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的制造III族氮化物晶体的方法，其中所述III族氮化物晶体的生长方法是升华生长法。
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