TW201601341A - β-GaO系單晶基板 - Google Patents
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Abstract
本發明的問題在於提供一種結晶品質優異的β-Ga2O3系單晶基板。
為了解決此問題,作為一實施型態,提供一種β-Ga2O3系單晶基板1,其平均差排密度是未滿7.31×104cm-2。
Description
本發明是關於一種β-Ga2O3系單晶基板。
以往,已知有一種藉由限邊饋膜生長法(EFG法)來培育β-Ga2O3單晶的方法(例如,參照非專利文獻1)。若依據非專利文獻1所記載之方法,則藉由一邊使β-Ga2O3單晶自其與晶種接觸之部份向下方漸漸擴展寬度,亦即向寬度方向擴展肩部,並一邊使其成長,能夠得到比晶種的寬度大的平板狀結晶。
在非專利文獻1中,揭示了所培育出來的β-Ga2O3單晶的蝕刻孔密度(pit density)是9×104cm-2。
非專利文獻1:Hideo Aida, Kengo Nishiguchi, Hidetoshi Takeda, Natsuko Aota, Kazuhiko Sunakawa, Yoichi Yaguchi, “Growth of β-Ga2O3 Single Crystals by the Edge-Defined, Film Fed Growth Method”, Japanese Journal of Applied Physics, Volume 47, No. 11, pp. 8506-8509 (2008)
因為以往並未製作出可謂是高品質的氧化鎵單晶,且在以往的技術中,僅可得到如非專利文獻1所揭示程度之品質的氧化鎵單晶,故無法得知是否可製作出更高品質的氧化鎵單晶。
因此,本發明的目的在於提供一種結晶品質優異的β-Ga2O3系單晶基板。
為了達成上述目的,本發明的一態樣提供了〔1〕~〔6〕之β-Ga2O3系單晶基板。
〔1〕一種β-Ga2O3系單晶基板,其平均差排密度是未滿7.31×104cm-2。
〔2〕如前述〔1〕所述之β-Ga2O3系單晶基板,其中,前述平均差排密度是6.14×104cm-2以下。
〔3〕如前述〔1〕或〔2〕所述之β-Ga2O3系單晶基板,其中,其主面的晶面方向是(-201)、(101)或(001)。
〔4〕如前述〔1〕或〔2〕所述之β-Ga2O3系單晶基板,其中,其不包含雙晶。
〔5〕如前述〔1〕或〔2〕所述之β-Ga2O3系單晶基板,其中,其直徑是2吋以上。
〔6〕如前述〔1〕或〔2〕所述之β-Ga2O3系單晶基板,其中,具有不包含雙晶面之區域,該區域在垂直於雙晶面與主面的交線之方向的最大寬度是2吋以上。
若依據本發明,則能夠提供一種結晶品質優異的β
-Ga2O3系單晶基板。
1、51‧‧‧β-Ga2O3系單晶基板
2‧‧‧區域
3‧‧‧雙晶面
4、34‧‧‧主面
10、100‧‧‧限邊饋膜生長法結晶製造裝置
11‧‧‧坩堝
12、112‧‧‧模具
12a‧‧‧狹縫
12b、112b‧‧‧開口部
13‧‧‧蓋子
14‧‧‧晶種保持具
15‧‧‧軸
16‧‧‧支撐台
17‧‧‧絕熱材料
18‧‧‧石英管
19‧‧‧高頻線圈
20‧‧‧後熱器
21‧‧‧反射板
22‧‧‧基部
23‧‧‧腳部
30‧‧‧Ga2O3系熔融液
31、35‧‧‧晶種
32、36‧‧‧β-Ga2O3系單晶
33‧‧‧晶面
40‧‧‧半導體積層結構體
41、52‧‧‧緩衝層
42‧‧‧氮化物半導體層
50‧‧‧LED元件
53‧‧‧n型被覆層
54‧‧‧發光層
55‧‧‧p型被覆層
56‧‧‧接觸層
57‧‧‧p側電極
58‧‧‧n側電極
59‧‧‧絕緣膜
W‧‧‧寬度方向
Ws‧‧‧寬度
T‧‧‧厚度方向
a、b、c‧‧‧晶軸
第1A圖是關於第1實施型態的不包含雙晶之β-Ga2O3系單晶基板的平面圖。
第1B圖是關於第1實施型態的包含少量雙晶之β-Ga2O3系單晶基板的平面圖。
第2A圖是包含少量雙晶之β-Ga2O3系單晶基板的剖面圖。
第2B圖是包含少量雙晶之β-Ga2O3系單晶基板的剖面圖。
第3圖是關於第1實施型態的限邊饋膜生長法結晶製造裝置的垂直剖面圖。
第4圖是表示關於第1實施型態的β-Ga2O3系單晶的成長中的狀態的斜視圖。
第5圖是表示培育用以切取晶種之β-Ga2O3系單晶的狀態的斜視圖。
第6圖是顯示β-Ga2O3系單晶基板的平均差排密度的累積相對頻率分佈的圖表。
第7圖是關於第2實施型態的半導體積層結構體的垂直剖面圖。
第8圖是關於第3實施型態的LED元件的垂直剖面圖。
〔第1實施型態〕
(β-Ga2O3系單晶基板的結構)
第1A圖、第1B圖是關於第1實施型態的β-Ga2O3(β-氧化鎵)系單晶基板1的平面圖。第1A圖表示不包含雙晶之β-Ga2O3系單晶基板1,第1B圖表示包含少量雙晶之β-Ga2O3系單晶基板1。
β-Ga2O3系單晶基板1是由β-Ga2O3系單晶所構成。此處,β-Ga2O3系單晶是β-Ga2O3單晶、或是添加有Mg(鎂)、Fe(鐵)、Cu(銅)、Ag(銀)、Zn(鋅)、Cd(鎘)、Al(鋁)、In(銦)、Si(矽)、Ge(鍺)、Sn(錫)、Nb(鈮)等元素而成之β-Ga2O3單晶。
β-Ga2O3系結晶具有屬於單斜晶系之β-高盧(β-galia)結構,且不包含雜質之β-Ga2O3結晶的典型晶格常數是a0=12.23Å,b0=3.04Å,c0=5.80Å,α=γ=90°,β=103.8°。
β-Ga2O3系單晶基板1的主面的晶面方向並不限於特定的晶面方向,例如是(-201)、(101)或(001)。
第1A圖所示之不包含雙晶之β-Ga2O3系單晶基板1的直徑較佳是2吋以上。因為β-Ga2O3系單晶基板1是切取自後述使用雙晶少之晶種並藉由在寬度方向不擴展肩部的方法所培育而成之β-Ga2O3系單晶,且此β-Ga2O3系單晶不包含雙晶或幾乎不包含雙晶,故β-Ga2O3系單晶基板1能夠被切取為2吋以上如此大型且不包含雙晶之基板。
β-Ga2O3系單晶,在(100)面之解理性(劈開性,cleavable)強,在結晶成長過程中,容易產生將(100)面作為雙晶面(對稱面)之雙晶。
第1B圖所示的包含少量雙晶之β-Ga2O3系單晶基
板1,較佳是具有2吋以上的直徑,更佳是具有區域2,其寬度Ws是2吋以上且不包含雙晶面3。此處,區域2的寬度Ws是在垂直於雙晶面3與β-Ga2O3系單晶基板1的主面的交線之方向的最大寬度。因為使用包含雙晶面3之區域來作為磊晶成長的基底較為不佳,故較佳是區域2的寬度Ws大。
第2A圖、第2B圖是包含少量雙晶之β-Ga2O3系單晶基板1的剖面圖。第2A圖、第2B圖表示了通過β-Ga2O3系單晶基板1的中心並垂直於雙晶面3之剖面。圖式右側的軸是表示β-Ga2O3單晶的a軸、b軸、c軸的方向,此β-Ga2O3單晶為β-Ga2O3系單晶基板1的母結晶。
第2A圖顯示了β-Ga2O3系單晶基板1的單側存在雙晶面3時之區域2的例子,第2B圖顯示了β-Ga2O3系單晶基板1的二側存在雙晶面3時之區域2的例子。在第2A圖、第2B圖中,作為一例,顯示主面4是(-201)面之β-Ga2O3系單晶基板1的剖面。
(β-Ga2O3系單晶基板的製造方法)
第3圖是關於第1實施型態的限邊饋膜生長法(EFG)結晶製造裝置10的垂直剖面圖。
EFG結晶製造裝置10具有:坩堝11,其設置於石英管18內,並容納Ga2O3系熔融液30;模具12,其設置於此坩堝11內,並具有狹縫12a;蓋子13,其以使模具12的包含開口部12b之頂面露出的方式,將坩堝11的開口部封閉;晶種保持具14,其保持晶種31;軸(shaft)15,其將晶種保持具14支撐成可升降;支撐台16,其用以載置坩堝11;
絕熱材料17,其沿著石英管18的內壁設置;高頻線圈19,其設置於石英管18的周圍且為高頻感應加熱用;基部22,其支撐石英管18和絕熱材料17;及,腳部23,其裝配於基部22。
EFG結晶製造裝置10進一步具有:後熱器(after heater)20,其在坩堝11上以包圍β-Ga2O3系單晶32的培育區域的方式設置,並由Ir(銥)等所構成;及,反射板21,其在後熱器20上以蓋子的方式設置,並由Ir等所構成。後熱器20和反射板21,能夠從EFG結晶製造裝置10自由地裝卸。
坩堝11容納使Ga2O3系原料熔解所得到之Ga2O3系熔融液30。坩堝11由可容納Ga2O3系熔融液30之Ir等具有高耐熱性的材料所構成。
模具12具有狹縫12a,其用以使坩堝11內的Ga2O3系熔融液30藉由毛細現象上升。模具12與坩堝11同樣是由Ir等具有高耐熱性的材料所構成。
蓋子13防止來自於坩堝11之高溫的Ga2O3系熔融液30蒸發,並防止蒸發物附著於坩堝11以外的部件上。
高頻線圈19呈螺旋狀地配置於石英管18的周圍,藉由未繪示的電源所供給的高頻電流來感應加熱坩堝11和後熱器20。藉此,坩堝內的Ga2O3系原料會熔解,而得到Ga2O3系熔融液30。
絕熱材料17具有預定間隔地設置於坩堝11的周圍。絕熱材料17具有保溫性,能夠抑制被感應加熱的坩堝11等的急遽溫度變化。
後熱器20藉由感應加熱來發熱,反射板21會將由後熱器20及坩堝11所發出的熱反射至下方。本案發明人確認了後熱器20能夠減低熱區域(hot zone)在直徑方向(水平方向)的溫度梯度,反射板21能夠減低熱區域在結晶成長方向的溫度梯度。
藉由將後熱器20和反射板21設置於EFG結晶製造裝置10,能夠減低β-Ga2O3系單晶32的X光搖擺曲線(X-ray rocking curve)的半高寬和平均差排密度。因此,能夠從β-Ga2O3系單晶32得到X光搖擺曲線的半高寬和平均差排密度小的β-Ga2O3系單晶基板1。
第4圖是表示關於第1實施型態的β-Ga2O3系單晶32成長時的狀態的斜視圖。在第4圖中,省略β-Ga2O3系單晶32的周圍部件的圖式。
當培育β-Ga2O3系單晶32時,首先,會使坩堝11內的Ga2O3系熔融液30通過模具12的狹縫12a上升至模具12的開口部12b為止,再使晶種31接觸至位於模具12的開口部12b之Ga2O3系熔融液30。其後,將接觸至Ga2O3系熔融液30之晶種31在垂直方向提拉,以使β-Ga2O3系單晶32成長。
晶種31是不包含雙晶面、或幾乎不包含雙晶面之β-Ga2O3系單晶。晶種31與所培育的β-Ga2O3系單晶32的寬度和厚度約略相等。因此,能夠在寬度方向W和厚度方向T不擴展肩部地來培育β-Ga2O3系單晶32。
因為β-Ga2O3系單晶32的培育不包含在寬度方向
W擴展肩部的步驟,故會抑制β-Ga2O3系單晶32的雙晶化。另外,對厚度方向T的肩部擴展與寬度方向W的肩部擴展不同而難以產生雙晶,故β-Ga2O3系單晶32的培育可以包含在厚度方向T擴展肩部的步驟,但是,因為不進行對厚度方向T的肩部擴展時,β-Ga2O3系單晶32幾乎全體會成為能夠切取基板之平板狀區域,而能夠減低基板製造的成本,故如第4圖所示,為了確保β-Ga2O3系單晶32的厚度,較佳是使用厚度大的晶種31而不進行對厚度方向T的肩部擴展。
又,肩部擴展地來培育β-Ga2O3系單晶時,依據肩部擴展的角度,會有引起結晶的方向性(orientation)劣化或差排增加的可能性,但是因為β-Ga2O3系單晶32的培育至少不包含在寬度方向W擴展肩部的步驟,故能夠抑制肩部擴展所造成的結晶的方向性劣化或差排增加。
朝向晶種31的水平方向之晶面33的晶面方向會與β-Ga2O3系單晶32的主面34的晶面方向一致。因此,例如要從β-Ga2O3系單晶32切取主面4的晶面方向是(-201)之β-Ga2O3系單晶基板1時,則要在晶種31的晶面33的晶面方向是(-201)的狀態下來培育β-Ga2O3系單晶32。
其後,針對使用四角柱狀且寬度小的晶種來形成與β-Ga2O3系單晶32具有同等寬度之寬度大的晶種31的方法來進行敘述。
第5圖是表示培育用以切取晶種31之β-Ga2O3系單晶36的狀態的斜視圖。
晶種31是從β-Ga2O3系單晶36中的不包含或幾
乎不包含雙晶面之區域所切取。因此,β-Ga2O3系單晶36的寬度(寬度方向W的尺寸)比晶種31的寬度大。
又,雖然β-Ga2O3系單晶36的厚度(厚度方向T的尺寸)可以比晶種31的厚度小,但在此情況下,就不會從β-Ga2O3系單晶36直接切取晶種31,而是會使用從β-Ga2O3系單晶36所切取的晶種在厚度方向T擴展肩部地來培育β-Ga2O3系單晶,再從此β-Ga2O3系單晶切取晶種31。
就β-Ga2O3系單晶36的培育而言,雖然能夠使用EFG結晶製造裝置100,其與用於培育β-Ga2O3系單晶32之EFG結晶製造裝置10為約略相同結構,但因為β-Ga2O3系單晶36的寬度、或寬度及厚度與β-Ga2O3系單晶32不同,故EFG結晶製造裝置100的模具112的寬度、或寬度及厚度會與EFG結晶製造裝置10的模具12不同。模具112的開口部112b的尺寸通常會與模具12的開口部12b相等,但也可以不相等。
晶種35是寬度比所培育的β-Ga2O3系單晶36小之四角柱狀β-Ga2O3系單晶。
當培育β-Ga2O3系單晶36時,首先,會使坩堝11內的Ga2O3系熔融液30通過模具112的狹縫而上升至模具112的開口部112b為止,然後於晶種35在水平方向的位置是從模具112的寬度方向W的中心向寬度方向W偏移的狀態下,使晶種35接觸至位於模具112的開口部112b之Ga2O3系熔融液30。此時,更佳是在晶種35在水平方向的位置是位於模具112的寬度方向W的端點的狀態下,使晶種35接觸至覆蓋
於模具112頂面之Ga2O3系熔融液30。
其後,在垂直方向將已接觸至Ga2O3系熔融液30之晶種35提拉來使β-Ga2O3系單晶36成長。
如上所述,β-Ga2O3系單晶在(100)面的解理性強,在結晶成長的肩部擴展的過程中,會容易產生將(100)面作為雙晶面(對稱面)之雙晶。因此,為了從β-Ga2O3系單晶32盡可能切取不包含大的雙晶之結晶,較佳是在(100)面成為平行於β-Ga2O3系單晶32的成長方向這樣的方向,例如b軸方向或c軸方向,來使β-Ga2O3系單晶32成長。
特別是,因為β-Ga2O3系單晶具有容易向b軸方向成長的性質,故更佳是使β-Ga2O3系單晶32在b軸方向成長。
又,所培育的β-Ga2O3系單晶在對寬度方向的肩部擴展步驟中雙晶化時,在接近晶種之區域容易產生雙晶面,自晶種遠離之位置則難以產生雙晶面。
本實施型態的β-Ga2O3系單晶36的培育方法是利用如此的β-Ga2O3系單晶的雙晶化性質者。若依據本實施型態,則因為是在晶種35在水平方向的位置是從模具12的寬度方向W的中心向寬度方向W偏移的狀態下來使β-Ga2O3系單晶36成長,故與晶種35在水平方向的位置是位於模具12的寬度方向W的中心的狀態下來使β-Ga2O3系單晶36成長的情況相比,在β-Ga2O3系單晶36中較會產生離晶種35距離大的區域。因為在這樣的區域中雙晶面難以產生,故能夠切取寬闊的晶種31。
並且,就使用上述晶種35之β-Ga2O3系單晶36的培育、及從β-Ga2O3系單晶36切取晶種而言,能夠應用日本專利申請案第2013-102599號所揭示的技術。
其後,針對從所培育的β-Ga2O3系單晶32切取β-Ga2O3系單晶基板1的方法的一例來進行敘述。
首先,例如,培育厚度是18mm的β-Ga2O3系單晶32後進行退火,該退火的目的在於緩和單晶培育時的熱應變與提昇電特性。此退火例如可藉由在氮等惰性氣氛中保持1400~1600℃的溫度6~10小時來進行。
其後,為了進行晶種31與β-Ga2O3系單晶32的分離,使用鑽石刀來進行切斷。首先,將β-Ga2O3系單晶32經由熱蠟固定於碳系載台上。將固定於載台之β-Ga2O3系單晶32設置於切斷機來進行切斷。刀刃的粒度較佳是#200~#600(依據JISB4131的規定)程度,切斷速度較佳是每分鐘6~10mm左右。切斷後,加熱以將β-Ga2O3系單晶32從碳系載台取下。
其後,使用超音波加工機或金屬線放電加工機,將β-Ga2O3系單晶32的邊緣加工為圓形。又,在已加工為圓形的β-Ga2O3系單晶32的邊緣,可以形成定向平面(orientation flat)。
其後,藉由多線鋸(multi-wire saw)將已加工為圓形的β-Ga2O3系單晶32切片為1mm程度的厚度,而得到β-Ga2O3系單晶基板1。在此步驟中,能夠帶有所需偏移角(offset angle)來進行切片。線鋸較佳是使用固定磨粒方式者。
切片速度較佳是每分鐘0.125~0.3mm程度。
其後,對β-Ga2O3系單晶基板1施行退火,其目的在於緩和加工應變和提昇電特性。在昇溫時,進行於氧氣氛中的退火,在昇溫後保持溫度期間,切換為氮氣氛等惰性氣氛來進行退火。保持溫度較佳是1400~1600℃。
其後,對β-Ga2O3系單晶基板1的邊緣,以所需角度施行去角取面(斜切,beveling)加工。
其後,使用鑽石的磨削磨石將β-Ga2O3系單晶基板1磨削至成為所需厚度為止。磨石的粒度較佳是#800~1000(依據JISB4131的規定)程度。
其後,使用研磨盤與鑽石漿料將β-Ga2O3系單晶基板研磨至成為所需厚度為止。研磨盤較佳是金屬系或玻璃系材質。鑽石漿料的粒徑較佳是0.5μm程度。
其後,使用拋光布與CMP(Chemical Mechanical Polishing,化學機械研磨)用漿料,將β-Ga2O3系單晶基板1研磨至得到原子等級的平坦性為止。拋光布較佳是尼龍、絲纖維、氨基甲酸乙酯等材質者。就漿料而言,較佳是使用膠態二氧化矽。CMP步驟後,β-Ga2O3系單晶基板1的主面的平均粗糙度是Ra 0.05~0.1nm左右。
更且,CMP步驟後,較佳是對β-Ga2O3系單晶基板1施行使用氯系氣體等的乾式蝕刻。藉由此乾式蝕刻,能夠除去由於CMP而產生於β-Ga2O3系單晶基板1的表面的研磨損傷。
(β-Ga2O3系單晶基板的差排密度)
第6圖是顯示β-Ga2O3系單晶基板1的平均差排密度的累積相對頻率分佈的圖表。
第6圖中所繪示的符號◇、△、○是從β-Ga2O3系單晶32所切取的β-Ga2O3系單晶基板1的數值,且此β-Ga2O3系單晶32是藉由具有後熱器20和反射板21之EFG結晶製造裝置10所培育。
第6圖中所繪示的符號◆、●是從β-Ga2O3系單晶32所切取的β-Ga2O3系單晶基板1的數值,且此β-Ga2O3系單晶32是藉由不具有後熱器20和反射板21之EFG結晶製造裝置10所培育。
符號◇、◆是β-Ga2O3系單晶基板1的數值,且此β-Ga2O3系單晶基板1實施至上述β-Ga2O3系單晶基板1的製造方法中的CMP步驟為止。又,符號△、○、●是β-Ga2O3系單晶基板1的數值,且此β-Ga2O3系單晶基板1實施至該CMP步驟後的使用氯系氣體的乾式蝕刻為止。此乾式蝕刻的蝕刻深度,對關於符號△之β-Ga2O3系單晶基板1是4μm,對關於符號○、●之β-Ga2O3系單晶基板1是10μm。
關於第6圖的測定平均差排密度的β-Ga2O3系單晶基板1的主面4,其任一者皆為(-201)面。
差排密度是藉由測量β-Ga2O3系單晶基板1的主面4的蝕刻孔密度所得到。已確認β-Ga2O3系單晶基板1的主面4的表面差排密度與蝕刻孔密度約略相等。
蝕刻孔的量測是在對各基板的主面4施行磷酸蝕刻
後進行。若實施磷酸蝕刻,則存在缺陷的部份因為蝕刻速度變大而會產生凹孔(蝕刻孔)。進行此蝕刻孔部的缺陷評估的結果,會觀察到以約略1對1的狀態對應至蝕刻孔部之差排。由此可知,從蝕刻孔密度能夠推定差排密度。
上述平均差排密度,是使用光學顯微鏡測量各基板的主面4上5點(中心點及其周圍4點)的蝕刻孔密度(每1cm2的個數)後,再將其平均者。
第6圖顯示了藉由在CMP步驟後施行乾式蝕刻,能夠減低β-Ga2O3系單晶基板1的差排密度。又,顯示了相較於乾式蝕刻的蝕刻深度是4μm的情況,乾式蝕刻的蝕刻深度是10μm之情況較能夠減低差排密度。
又,第6圖顯示了在CMP步驟後施行乾式蝕刻時,培育β-Ga2O3系單晶32之EFG結晶製造裝置10具有後熱器20和反射板21之情況,相較於不具有後熱器20和反射板21之情況,其差排密度成為較低。
又,在CMP步驟後不施行乾式蝕刻的情況中,會無法觀察到藉由EFG結晶製造裝置10具有後熱器20和反射板21所得到的差排密度減低,被認為是因為差排密度強烈受到CMP所造成的研磨損傷的影響。如上所述,若在CMP後實施乾式蝕刻,則能夠除去如此CMP所造成的研磨損傷。
並且,藉由後熱器20和反射板21所得到的單晶培育時的溫度梯度減低效果、及CMP步驟後乾式蝕刻的效果被認為會不受主面4的晶面方向影響而發揮,故即使β-Ga2O3系單晶基板1的主面4的晶面方向是(-201)以外的情況,例如
是(101)或(001)的情況,也與主面4的晶面方向是(-201)面的情況同樣具有平均差排密度低下的傾向,而具有約略相等的平均差排密度。
在以下的表1中,表示了第6圖所示的各測定點的數值。
如第6圖、表1所示,在未實施本實施型態的基板的製造方法的特徵時,亦即,在未實施藉由具有後熱器20和反射板21之EFG結晶製造裝置10所進行的單晶培育、及CMP步驟後的乾式蝕刻的任一者時,β-Ga2O3系單晶基板1的差排密度的最小值是7.31×104cm-2。
再者,在實施藉由具有後熱器20及反射板21之EFG結晶製造裝置10所進行的單晶培育、及CMP步驟後的乾式蝕刻的任一者時,能夠使β-Ga2O3系單晶基板1的差排密度小於7.31×104cm-2。
特佳是實施藉由具有後熱器20和反射板21之EFG結晶製造裝置10所進行的單晶培育、及CMP步驟後的乾式蝕刻二者。在此情況中,例如,乾式蝕刻的蝕刻深度是10μm時,能夠使β-Ga2O3系單晶基板1的差排密度成為6.14×
104cm-2、1.42×104cm-2、或7.52×103cm-2。
〔第2實施型態〕
第2實施型態是針對半導體積層結構體的型態,其包含關於第1實施型態的β-Ga2O3系單晶基板1。
(半導體積層結構體的結構)
第7圖是關於第2實施型態的半導體積層結構體40的垂直剖面圖。半導體積層結構體40具有:β-Ga2O3系單晶基板1;及,氮化物半導體層42,其藉由磊晶成長形成於β-Ga2O3系單晶基板1的主面4上。又,如第7圖所示,為了緩和β-Ga2O3系單晶基板1與氮化物半導體層42的晶格不匹配,較佳是在β-Ga2O3系單晶基板1與氮化物半導體層42之間設置緩衝層41。
β-Ga2O3系單晶基板1可以包含Si(矽)或Sn(錫)等導電型摻雜物。β-Ga2O3系單晶基板1的厚度是例如400μm。β-Ga2O3系單晶基板1如第1實施型態所示,其差排密度低。因此,藉由磊晶成長而形成於β-Ga2O3系單晶基板1上的氮化物半導體層42的差排也少。
緩衝層41是由AlxGayInzN(0≦x≦1,0≦y≦1,0≦z≦1,x+y+z=1)結晶所構成。緩衝層41可以在β-Ga2O3系單晶基板1上形成為島狀,也可以形成為膜狀。緩衝層41可以包含Si等導電型摻雜物。
又,在AlxGayInzN結晶之中,緩衝層41特佳是由AlN(氮化鋁)結晶(x=1,y=z=0)所構成。緩衝層41是由AlN結晶所構成時,β-Ga2O3系單晶基板1與氮化物半導體層
42的密著性會進一步提高。緩衝層41的厚度例如是1~5nm。
緩衝層41例如是藉由在β-Ga2O3系單晶基板1的主面4上,於400~600℃程度的成長溫度使AlxGayInzN(0≦x≦1,0≦y≦1,0≦z≦1,x+y+z=1)結晶磊晶成長所形成。
氮化物半導體層42是由AlxGayInzN(0≦x≦1,0≦y≦1,0≦z≦1,x+y+z=1)結晶所構成,特佳是由容易得到高品質結晶之GaN(氮化鎵)結晶(y=1,x=z=0)所組成。氮化物半導體層42的厚度例如是5μm。氮化物半導體層42可以包含Si等導電型摻雜物。
氮化物半導體層42例如是藉由在β-Ga2O3系單晶基板1的主面4上,隔著緩衝層41,於1000~1100℃程度的成長溫度使AlxGayInzN(0≦x≦1,0≦y≦1,0≦z≦1,x+y+z=1)結晶磊晶成長所形成。
〔第3實施型態〕
第3實施型態是針對半導體元件的型態,其包含關於第2實施型態的半導體積層結構體40。以下,作為該半導體元件的一例,針對LED(發光二極體)元件來說明。
(半導體元件的結構)
第8圖是關於第3實施型態的LED元件50的垂直剖面圖。LED元件50具有:β-Ga2O3系單晶基板51;緩衝層52,其位於β-Ga2O3系單晶基板51上;n型被覆層(cladding layer)53,其位於緩衝層52上;發光層54,其位於n型被覆層53上;p型被覆層55,其位於發光層54上;接觸層56,其位於p型被覆層55上;p側電極57,其位於接觸層56上;
及,n側電極58,其位於β-Ga2O3系單晶基板51的緩衝層52相反側之面上。
又,由緩衝層52、n型被覆層53、發光層54、p型被覆層55、及接觸層56所構成之積層體的側面,被絕緣膜59所覆蓋。
此處,β-Ga2O3系單晶基板51、緩衝層52、及n型被覆層53是將構成第1實施型態的半導體積層結構體40之β-Ga2O3系單晶基板1、緩衝層41、及氮化物半導體層42,分別分割或圖案化者。β-Ga2O3系單晶基板51、緩衝層52、及n型被覆層53的厚度,例如分別是400μm、5nm、5μm。
β-Ga2O3系單晶基板51因為能夠藉由添加導電型摻雜物來賦予其導電性,故能夠用於LED元件50這樣的在厚度方向通電的縱型半導體元件。又,因為β-Ga2O3系單晶基板51對於廣範圍的波長的光是透明的,故在LED元件50這樣的發光元件中,能夠取出來自β-Ga2O3系單晶基板51側的光。
因為由半導體積層結構體40的氮化物半導體層42所形成的n型被覆層53的差排少,故藉由磊晶成長而形成於n型被覆層53上之發光層54、p型被覆層55、及接觸層56的差排也少。因此,LED元件50的漏電流特性、可靠性、驅動特性等優異。
發光層54例如是由3層多重量子井結構與其上之厚度10nm的GaN結晶膜所構成。各個多重量子井結構是由厚
度6nm的GaN結晶膜與厚度2nm的InGaN(氮化銦鎵)結晶膜所構成。發光層54例如是藉由在成長溫度700~800℃使各結晶膜磊晶成長於n型被覆層53上所形成。
p型被覆層55例如是GaN結晶膜,其厚度是100nm且包含濃度5.0×1019/cm3地Mg(鎂)。p型被覆層55例如是藉由在成長溫度900~1050℃使包含Mg之GaN結晶磊晶成長於發光層54上所形成。
接觸層56例如是GaN結晶膜,其厚度是10nm且包含濃度1.5×1020/cm3的Mg。接觸層56例如是藉由在成長溫度900~1050℃使包含Mg之GaN結晶磊晶成長於p型被覆層55上所形成。
在緩衝層52、n型被覆層53、發光層54、p型被覆層55、及接觸層56的形成中,作為Ga(鎵)原料,能夠使用TMG(三甲基鎵)氣體;作為In(銦)原料,能夠使用TMI(三甲基銦)氣體;作為Si原料,能夠使用MtSiH3(單甲基矽烷)氣體;作為Mg原料,能夠使用Cp2Mg(雙環戊二烯基鎂)氣體;作為N(氮)原料,能夠使用NH3(氨)氣體。
絕緣膜59是由SiO2(二氧化矽)等絕緣材料所構成,並藉由例如濺鍍法來形成。
p側電極57和n側電極58是分別歐姆接觸至接觸層56及β-Ga2O3系單晶基板51之電極,並使用例如蒸鍍裝置來形成。
LED元件50是在晶圓狀態的β-Ga2O3系單晶基板51(β-Ga2O3系單晶基板1)上形成緩衝層52、n型被覆層53、
發光層54、p型被覆層55、接觸層56、p側電極57、及n側電極58後,藉由切割β-Ga2O3系單晶基板51所得到,例如藉由分割為300μm見方的晶片尺寸所得到。
LED元件50例如是將來自β-Ga2O3系單晶基板51側的光加以取出的LED晶片,並使用Ag(銀)膠而被安裝於罐型(can-type)主幹上。
並且,如上所述,作為包含第1實施型態的半導體積層結構體40之半導體元件,舉出了實為發光元件之LED元件50來作為一例,但半導體元件並不限於此,也可以是雷射二極體等其他發光元件或電晶體等其他元件。在使用半導體積層結構體40形成其他元件的情況中,也與LED元件50同樣地,因為藉由磊晶成長形成於半導體積層結構體40上的膜層的差排少,故能夠得到高品質的元件。
(實施型態的效果)
若依據上述第1實施型態,則能夠得到差排密度低且不包含或幾乎不包含雙晶,結晶品質優異的β-Ga2O3系單晶基板。
若依據上述第2實施型態,則藉由使用結晶品質優異的β-Ga2O3系單晶基板,來使高品質的結晶膜磊晶成長於β-Ga2O3系單晶基板上,能夠得到結晶品質優異的半導體積層結構體。
若依據上述第3實施型態,則藉由使用結晶品質優異的半導體積層結構體,來使高品質的結晶膜磊晶成長於半導體積層結構體上,能夠得到結晶品質優異的高性能半導體
元件。
本發明並不限於上述實施型態,在未超出本發明主旨之範圍內,能夠實施各種變形。
又,上述實施型態並非用以限定關於申請專利範圍的發明。再者,應注意並非全部在實施型態中所說明的特徵的組合皆對於用以解決發明問題的手段為必須。
Claims (6)
- 一種β-Ga2O3系單晶基板,其平均差排密度是未滿7.31×104cm-2。
- 如請求項1所述之β-Ga2O3系單晶基板,其中,前述平均差排密度是6.14×104cm-2以下。
- 如請求項1或2所述之β-Ga2O3系單晶基板,其中,其主面的晶面方向是(-201)、(101)或(001)。
- 如請求項1或2所述之β-Ga2O3系單晶基板,其中,其不包含雙晶。
- 如請求項1或2所述之β-Ga2O3系單晶基板,其中,其直徑是2吋以上。
- 如請求項1或2所述之β-Ga2O3系單晶基板,其中,其具有不包含雙晶面之區域,該區域在垂直於雙晶面與主面的交線之方向的最大寬度是2吋以上。
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