TW201111565A - Gallium nitride substrate - Google Patents

Description

201111565 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種氮化嫁基板。 【先前技術】 已揭示出一種包含氮化物半導體單晶之基板（參照曰本 專利特開2006-(M4982號公報）。該基板具有AlxGai xN (〇S 1)之組成。該基板之破壞韌性值為（丨2_〇 7χ) 1 /ο • m 以上。該基板之主面積為20 cm2以上。 【發明内容】 氮化鎵（GaN)、InGaN等氮化鎵係化合物半導體具有較 高之帶隙能。因此’對於氮化鎵係化合物半導體，期待其 在發出藍色光或綠色光等短波長光之發光元件方面的用 途。一般而言，氮化鎵係化合物半導體係在包含具有與氮 化鎵係化合物半導體之熱膨脹係數接近之熱膨脹係數之不 同材料（Si、SiC、藍寶石等）的基板上，以MBE(M〇lecular

Beam Epitaxy，分子束磊晶）、MOCVD(Metal 〇rganic

Chemical Vapor Deposition，金屬有機化學氣相沈積）等方 法而成長。 但是’在使氮化鎵係化合物半導體於包含不同材料之基 板上成長時’由於熱膨脹係數之差異或晶格不匹配等而在 基板中產生應力。該應力會引起器件勉曲、薄膜剝離、錯 位密度增加，故對器件特性造成不良影響。另一方面在 使氮化鎵係化合物半導體於氮化鎵基板上成長時，氣化鎵 係化合物半導體之熱膨脹係數及晶格常數、與氮化鎵基板 148608.doc 201111565 之熱膨脹係數及晶格常數為彼此相同之程度，故不會產生 上述問題。因此，可取得良好之器件特性。 但疋，在製造氮化鎵基板時，氮化鎵基板係於包含藍寳 石等不同材料之基板上成長。因此，氮化鎵基板與作為先 刖之半導體基板之矽基板相比而具有較多的結晶缺陷，故 容易破損。另一方面，由於氮化鎵結晶之成長速度之緩慢 及材料成本等而導致每一片氮化鎵基板之成本較高。因 此，在氮化鎵基板之製造中，要求降低因破損等導致之不 良品率。 另外，根據發光元件所要求之發光波長，有時會使含有 銦（In)之氮化蘇系化合物半導體（InGaN、等）於氮 化鎵基板上成長。由於比原子之直徑大於Ga原子之直徑， 故右提尚In之組成，則含有In之層之内部應變會因晶格不 匹配而文大。其結果為，在含有In之層之内部產生較大之 壓電場，再結合概率降低，從而發光效率被抑制得較低。 作為用以解決上述問題之技術，正在研究一種使含有“ 之氮化鎵系化合物半導體於從GaN結晶之c面大幅傾斜之 主面上成長的技術。其原因在於，使含有In之氮化鎵系化 δ物半導體於從C面大幅傾斜之主面上成長，藉此可降低 在含有In之層中產生之壓電場。 但是，根據本發明者之研究’已判明如下事實。亦即， 關於具有從GaN結晶之c面大幅傾斜之主面之氮化鎵基 板，即便其具有對含有c面即主面之氮化鎵基板而言為充 分之破壞韌性’仍容易破損。 148608.doc 201111565 本發明之目的在於提供一種難以破損且可提高製造良率 之氮化鎵基板。 本發明之氮化鎵基板具有主面，且主面相對於基板結晶 之C面之傾斜角為20。以上、160。以下，氮化鎵基板之破壞 韌性為1.36 MN/m372以上。 根據本發明’可獲得難以破損之氮化鎵基板。在主面相 對於基板結晶之C面之傾斜角為20。以上、1 60。以下時，只 要破壞韌性為1.36 MN/m3/2以上，則難以產生龜裂，從而 可減少破損。 另外’上述氮化鎵基板之主面可朝[丨-丨00]方向傾斜。根 據本發明者的實驗，在主面朝方向傾斜時，與主面 朝[11-20]方向傾斜之情形相比，更難以產生龜裂，從而可 進一步減少破損。 另外，上述氮化鎵基板之主面之形狀可為以[丨丨_2〇]方向 作為長邊方向、且以與[U_2〇]方向垂直之方向作為短邊方 向的細長形狀。根據本發明者之實驗，和基板在與[u_2〇] :向垂直之方向上較長之情形相比，基板在[112〇]方向上 #又長時更難以產生龜裂，從而可進一步減少破損。 另外，氮化鎵基板 興暴板結晶之C面所成〜；g 為75 ±4 Μ内。使用具有上述主面之氮化鎵基板，可較 製k短波長之發光凡件（特別是雷射二極體”於此情 時’氮化鎵基板可具有沿著與⑴，方向垂直之方向之 理面。此處，所謂解理面’例如係指用以構成雷射光之 振端面之切割面。”，具有C：面即主面之基板之解理 148608.doc 201111565 向為[1-100]方向及⑴，方向。但是，本發明者發現具 有從c面傾斜之主面之氮化鎵基板之解理特性會根據傾斜 角而變化。當氮化鎵基板之主面與基板結晶之c面所成之 角為7544。以内時，與⑴，方向相比氮化錄基板在與 []方向垂直之方向上更容易被解理。因此，例如在製 作雷射二極體之類的需要鏡面之半導體元件時，宜將氮化 鎵基板在與[U-20]方向垂直之方向上解理。 本發月之上述目的及其他目的、特徵以及優點根據參 照圖不所進行之本發明較佳實施形態之以下詳細說明而更 容易明確瞭解。 如以上所說明，根據本發明之一態樣，提供一種難以破 損且製造良率高的氮化鎵基板。 【實施方式】 以下，參照圖示，使用圖丨〜圖3來詳細地說明本發明之 氮化鎵基板之實施形態。再者，於圖示之說明中，對於相 同之要素標s主相同之符號，省略重複之說明。 圖1係模式性表示一實施形態之氮化鎵基板之剖面圖。 圖1所示之氮化鎵基板1 〇例如係從具有2英吋（1英吋可換算 為2.54 cm)之直徑、且具有丨cm之厚度的GaN單晶錠上切 下者。該氮化鎵基板1 〇較佳為包含六方晶或立方晶之GaN 單晶。作為六方晶之GaN單晶，可列舉具有纖鋅礦結構 者。六方晶之GaN單晶中，存在有被稱為c面之（0001)面、 被稱為Μ面之（1-100)面、被稱為a面之（11_20)面、被稱為 R面之（01-12)面、及被稱為s面之（1〇_11)面。 148608.doc 201111565 氮化嫁基板1〇具備經鏡面研磨後之主面12。於主面12 上’形成有器件。作為器件，可列舉例如LED、雷射二極 體之類的發光元件。主面】w &上友

面12係攸構成氮化鎵基板10之GaN 單晶之〇面傾斜僅特定之角度。於本實施形態中，主面12 相對於GaN單晶之c面之傾钭备士 頃针角（即，主面12之垂線向量v 與c轴所成之角0)，為可右 马了有效地抑制壓電場之影響的2〇0以 上、16 0。以下’例如為2 3。、7 # > 75等數值。特別在將氮化鎵 基板10用於短波長之旅忠；▲ X先7L件（特別是雷射二極體）之製造 時，為了抑㈣電場之產生，較佳為主面12相對於GaN單 晶之C面之傾斜角為75。。 此呀/、要為實質上同等之傾斜 角，即為750士40以内，則皆允許。 構成氮化鎵基板10之GaN酱曰 i λ,χτ/ 3/2 , 早日日之破壞韌性為1.36 m以上。如本實施形能所千A 士 心所不s主面12相對於GaN單 日日之C面之傾斜角為20〇以上 160以下時，根據下述之實 驗結果’只要GaN單晶 ar ^ 破壞韌性為1_36 MN/m3/2以上， 則難以產生龜裂，從而 之氮化鎵基板10。 ^破抽’因此能獲得難以破損

GaN單晶之破壞韌性 摻雜有氧原子而具有η:::， 之氮化鎵基㈣之摻雜劑濃^=實現3上述破壞㈣ 使氮化鎵基板Π)之摻雜劑濃 em3J"下。再者’ 维^ 10 cm以下，藉此可 美“件特性而不破壞GaN單晶之結晶 基板之捧雜劑濃度之下限例 卜氛化餘 於，杏為 em 。其原因在 田氣化鍊基板1〇之摻雜劑濃度低於ΐχΐ〇ΐ6_3時，推 I48608.doc 201111565 雜劑濃度之控制變得困難。氮化鎵基板10之破壞韌性之大 小，係可藉由測定將金剛石之壓頭（維氏壓頭）壓入氮化鎵 基板ίο之表面（例如主面12)所產生的龜裂之長度而得知。 此時，破壞韌性之大小KIc可根據以下之數學式求出： KIc=〇.〇16x(E/H)° 5x(p/ci 5) (1)。 再者，於數學式（1)中，KIc為破壞韌性值（單位MN/m3,2)， E為揚氏模量，Η為維氏硬度，P為載荷，c為龜裂長度。 另外，主面丨2宜從GaN單晶之c面朝方向（即爪軸 方向）傾斜。其原因在於，根據下述之實驗結果，與主面 12朝[11-20]方向傾斜之情形相比，在主面12朝[11〇〇]方向 傾斜時，更難以產生龜裂，從而可進一步減少破損。 此處，所謂主面12朝[1-100]方向傾斜，係指主面12之卖 線向量包含在含有GaN單晶之c軸向量與[11〇〇]方向向量 (即m軸向量）之平面内，且該垂線向量與£；軸向量形成大於 〇。之角度的狀態。另外，在主面12從GaN單晶之c面朝 [ι-loo]方向傾斜時，氮化鎵基板10宜具有沿著與方 向垂直之方向的解理面。通常，具有c面即主面之基板之 解理方向為[1-1GG]方向及[u，方向。但是，根據下述之 實驗結果可知，當氮化鎵基板10具有從c面傾斜之主面12 時，氮化鎵基板1 〇之解理特性會隨傾斜角而變化。當主面 12與GaN單晶之c面所成之角為75。士4。以内時，與puo] 方6相比，氮化鎵基板在與方向垂直之方向上更 容易被解理。例如在製作雷射二極體之類的需要鏡面之半 導體元件時，宜在與[u_2〇]方向垂直之方向上解理。 I48608.doc 201111565 說明氮化鎵基板1 0之形狀之一例。例如，主面1 2為細長 形狀’將[11-20]方向作為長邊方向，將與[^-20]方向垂直 之方向作為短邊方向。該種氮化鎵基板丨〇之尺寸例如為： 長邊方向之長度為15 mm’短邊方向之寬度為1〇 mm，厚 度為500 μηι。如此一來，只要氮化鎵基板⑺之以卜川]方向 之長度較與[11-20]方向垂直之方向之氮化鎵基板1〇之寬度 更長即可。根據下述之實驗結果，與氮化鎵基板1〇之長邊 方向為與[11_2〇]方向垂直之方向之情形相比，當氮化鎵基 板10之長邊方向為[11-20]方向時，更難以產生龜裂，從而 可進一步減少破損。 (實施例1) 準備#雜有氧原子之具有2英吋直徑與1 cm厚度的GaN 晶錠。該GaN晶錠具有作為六方晶結構中之（〇〇〇〖）面（即€ 面）之主面。該GaN晶錠之比電阻為ιΩ · cm以下。該GaN 曰曰錠之載子濃度為IxlO17 cm-3以上。本實施例中，準備2 個GaN晶錠IA、IB，藉由使雜質之摻雜量彼此不同而具有 彼此不同之破壞韌性。 將該等GaN晶錠ΙΑ、Ιβ切片，以此製作u片具有5〇〇 _ 厚度之基板。此時，以從π_1〇〇]方向（即m軸方向）傾斜 〇 、18。、23。及75。之傾斜角將GaN晶錠Ia、Ib切片。然 後，各製作1片分別具有上述傾斜角之基板，測定其等之 破壞韌性。 另外，於本實施例中，計數未產生具有10 μηι以上長度 之龜裂之基板的片數，當該種基板為半數以上（50%以上） 148608.doc 201111565 時判定為良好。圖2係表示分別具有〇。、18。、23。及75。傾 斜角之各基板之破㈣性之測定結果與龜裂判定結果的圖 表。如圖2所示，可知當主面從GaN單晶之w傾斜之傾斜 角為23。以上，且破壞韌性值為1.36以上時，可有效地控制 龜裂之產生。 (實施例2) 準備實施例1中所使用之GaN晶錠Ib。將該⑽晶鍵^從 [11-20]方向（即a軸方向）切#’且使其切割面相對於c面而 朝[11-20]方向傾斜，準備切割面相對於c面之傾斜角分別 為23。、75。之2種基板wA、WB各1〇片。另外’從π_1〇〇]方 向將GaN晶錠1“刀[且使其切割面相對於C面而朝 [1-100]方向傾斜，準備切割面相對於C面之傾斜角分別為 23 、75。之2種基板Wc、Wd&1(^。該等基板在切 片後之厚度為500 μπι，然後，藉由進行研削及研磨而使基 板WA〜WD之厚度為400 μπι 〇 圖3係表示各10片的基板Wa〜Wd+未因加工而破損之基 板之數s的圖表。如圖3所示，將具有朝⑴_2〇]方向㈣ 方向）傾斜之主面之基板wa、WB、與具有朝[1_1〇〇]方向 軸方向）傾斜之主面之基板Wc、貨〇進行比較後可知，與基 板WA wB相比，基板Wc、貿〇之龜裂產生更少，更難以 破損，而與傾斜角之大小無關。 (實施例3) 對上述實施例2中所製作之具有朝方向傾斜以。之 主面的基板~8施加載荷。此時，使用動態微小硬度計（島 148608.doc 201111565 津製作所製，DUH_201S)。而且，以使三角錐形之 Berk〇vich壓頭之稜線投影於基板wB表面之方向（換言之， 在從與基板wB之表面垂直之方向觀察時，於該表面產生 之壓痕之凹線所延伸之方向m[u_2G]方向（a軸方向）及與 Π1-20]方向垂直之方向相一致的方式施加載荷。此時，使 載荷為100 gF(1㉛可換算為9 _65 g· m/s2)，且 保持時間為2秒》 本實施例中，藉由施加上述載荷而於基板^上產生龜 裂，與Berkovich壓頭之朝向無關，龜裂在相對於[u, 方向而垂直之方向上延伸。由此可明確瞭解，與[UN]方 向（a軸方向）相比，基板Wb在與[112〇]方向垂直之方向上 更易破損。 (實施例4) 準備基板We、Wf、Wg、WH各5片。基板We具有從〇面 朝[1-100]方向傾斜23。之主面，[u_2〇]方向之長度為1〇 mm，與[n_20]方向垂直之方向之長度為5爪爪。基板具 有從C面朝[丨-丨⑻]方向傾斜23。之主面，[112〇]方向之長度 為5 mm，與[11_20]方向垂直之方向之長度為ι〇爪爪。基^ WG具有從C面朝[1-100]方向傾斜75。之主面，[112〇]方向 之長度為10 mm,與[11-20]方向垂直之方向之長度為5 mm。基板Wh具有從c面朝[^丨⑽]方向傾斜75。之主面， [11-20]方向之長度為5 mm，與[u_2〇]方向垂直之方向之 長度為10 mm。 測定基板wE〜wH中產生之具有10 μιη以上深度之刮痕之 148608.doc 201111565 數量。然後’對每5片的基板WE〜WH，分別計算刮痕數之 平均值。計算以[U_20]方向作為長邊方向之基板wE之刮 痕數的平均值AE、與以和[11-20]方向垂直之方向作為長邊 方向之基板WF之刮痕數的平均值Af之比（Ae/Af)，為 0.78。同樣地’計算以[u-20]方向作為長邊方向之基板…^ 之刮痕數的平均值AG、與以和[11-20]方向垂直之方向作為 長邊方向之基板WH之刮痕數的平均值Ah之比（AG/AH)，為 〇_65 °由此可明確瞭解，當基板之長邊方向為^丨^…方向 時’難以產生龜裂。 於上述之實施形態及實施例中，已說明氮化鎵基板具有 朝[1 -100]方向傾斜之主面之情形、及具有朝[丨丨_2〇]方向傾 斜之主面之情形，但本發明中’氮化鎵基板之主面亦可朝 其他方向傾斜。 已於較佳實施形態中圖示說明了本發明之原理，但本領 域技術人員當認識’本發明在不脫離其原理之範圍内可於 配置及細節方面加以變更。本發明並不限定於本實施形態 中所揭示之特定之構成。因此，對於申請專利範圍及來自 其精神範圍之所有修正及變更申請權利。 【圖式簡單說明】 圖1係模式性表示一實施形態之氮化鎵基板之剖面圖。 圖2係表示實施例丨之基板之破壞韌性值及龜裂之產生狀 況的圖表。 圖3係表示實施例2之基板加工時之破損狀況之圖表。 【主要元件符號說明】 148608.doc -12· 201111565 10 氮化鎵基板 12 主面 Ια ' Ιβ GaN晶鍵 V 主面之垂線向量 θ 主面之垂線向量V與c軸所成之角 148608.doc - 13-

Claims (1)

1. 201111565 七、申請專利範圍： 1 · 一種氮化鎵基板’其係具有主面，該主面相對於基板結 晶之C面之傾斜角為20。以上、16〇。以下，破壞韌性為 1.36 MN/m3/2以上。 2. 如請求項1之氮化鎵基板，其中 主面係朝[1-100]方向傾斜。 3. 如請求項2之氮化鎵基板，其中 主面之形狀為以[U-20]方向作為長邊方向、且以盥 [11_20]方向垂直之方向作為短邊方向的細長形狀。 4. 如請求項2之氮化鎵基板，其中 5. 如 ”土 、.口 __ …〜行芍750±4〇以内。 請求項4之氮化鎵基板，其係i古 垂直之方向之解理面 具有沿著與[11-2〇]方向 直之方向之解理面。 148608.doc