多晶氮化鎵自立基板和使用該多晶氮化鎵自立基板的發(fā)光元件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及多晶氮化嫁自立基板和使用該多晶氮化嫁自立基板的發(fā)光元件。
【背景技術(shù)】
[0002] 作為使用單晶基板的發(fā)光二極管化ED)等發(fā)光元件，已知在藍寶石(a-氧化侶單 晶）上形成了各種氮化嫁(GaN)層的發(fā)光元件。例如，已經(jīng)開始批量生產(chǎn)具有在藍寶石基板 上依次層疊 n型GaN層、多量子阱層(MQW)、W及P型GaN層而形成的結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，所述多量子 阱層(MQW)是包含InGaN層的量子阱層和包含GaN層的勢壘層交替層疊而成的。另外，還提出 了適合運樣的用途的層疊基板。例如，專利文獻1(日本特開2012-184144號公報）中，提出了 一種氮化嫁結(jié)晶層疊基板，該氮化嫁結(jié)晶層疊基板包含藍寶石基底基板和在該基板上進行 結(jié)晶生長而形成的氮化嫁結(jié)晶層。
[0003] 但是，在藍寶石基板上形成GaN層的情況下，因為GaN層與作為異種基板的藍寶石 之間晶格常數(shù)和熱膨脹率不一致，所W容易發(fā)生位錯。另外，因為藍寶石是絕緣性材料，所 W無法在其表面形成電極，從而無法構(gòu)成在元件的正反面都包括電極的縱型結(jié)構(gòu)的發(fā)光元 件。于是，人們關(guān)注在氮化嫁(GaN)單晶上形成了各種GaN層的LED。如果是GaN單晶基板，貝U 因為材質(zhì)與GaN層相同，所W容易匹配晶格常數(shù)和熱膨脹率，與使用藍寶石基板的情況相比 能夠期待性能的提高。例如，在專利文獻2(日本特開2010-132556號公報）中，公開了厚度 為200]imW上的自立n型氮化嫁單晶基板。
[0004] 在先技術(shù)文獻
[0005] 專利文獻
[0006] 專利文獻1:日本特開2012-184144號公報
[0007] 專利文獻2:日本特開2010-132556號公報

【發(fā)明內(nèi)容】

[000引但是，單晶基板一般面積比較小且價格高。特別是，人們?nèi)找嬉蠼档褪褂么竺娣e 基板的Lm)的制造成本，但是，量產(chǎn)大面積單晶基板不容易，其制造成本更高。因此，希望找 到能夠成為氮化嫁等單晶基板的替代材料的廉價材料。本發(fā)明人率先在滿足運樣的要求的 多晶氮化嫁自立基板的制作方面取得了成功(運并非是公知的，不構(gòu)成現(xiàn)有技術(shù)），但希望 進一步改善多晶氮化嫁自立基板的結(jié)晶性。
[0009] 本發(fā)明人此番發(fā)現(xiàn):通過使多晶氮化嫁自立基板的構(gòu)成粒子在大致法線方向上沿 特定結(jié)晶方位取向，而且，使運些構(gòu)成粒子的取向方位W規(guī)定范圍內(nèi)的平均傾斜角來傾斜， 能夠降低基板表面的缺陷密度。另外，還發(fā)現(xiàn):通過使用運樣的多晶氮化嫁自立基板來構(gòu)成 發(fā)光元件，能夠獲得比使用構(gòu)成粒子的取向方位不傾斜的多晶氮化嫁自立基板的發(fā)光元件 高的發(fā)光效率。
[0010] 因此，本發(fā)明的目的在于提供能夠降低基板表面的缺陷密度的多晶氮化嫁自立基 板。此外，本發(fā)明的另一目的在于提供使用多晶氮化嫁自立基板能夠獲得高發(fā)光效率的發(fā) 光元件。
[0011] 根據(jù)本發(fā)明的一個方案提供一種多晶氮化嫁自立基板，該多晶氮化嫁自立基板由 在大致法線方向上沿特定結(jié)晶方位取向的多個氮化嫁系單晶粒子構(gòu)成，其中，基板表面的 利用電子背散射衍射法化BSD)的反極圖成像測定的各氮化嫁系單晶粒子的結(jié)晶方位按照 相對于特定結(jié)晶方位W各種角度傾斜的方式分布，其平均傾斜角為1~10°。
[0012] 根據(jù)本發(fā)明的另一方案提供一種發(fā)光元件，該發(fā)光元件包括:本發(fā)明的上述方案 的多晶氮化嫁自立基板和發(fā)光功能層，該發(fā)光功能層形成于該基板上，具有一層W上的在 大致法線方向上具有單晶結(jié)構(gòu)的由多個半導(dǎo)體單晶粒子構(gòu)成的層。
【附圖說明】
[0013] 圖1是表示使用本發(fā)明多晶氮化嫁自立基板而制作的縱型發(fā)光元件的一例的示意 截面圖。
[0014] 圖2是在例Al中測定的多晶氮化嫁自立基板的板表面的反極圖方位成像圖。
[0015] 圖3是表示在例Al中根據(jù)反極圖方位成像圖算出的最外表面構(gòu)成粒子的相對于C 軸方向的傾斜角的頻度的曲線。
【具體實施方式】
[001W 多晶氮化嫁自立基板
[0017] 本發(fā)明的氮化嫁基板可具有自立基板的形態(tài)。本發(fā)明中"自立基板"是指處理或使 用時不會因自重而變形或破損，能夠作為固體物進行處理或使用的基板。本發(fā)明的多晶氮 化嫁自立基板能夠用作發(fā)光元件等各種半導(dǎo)體器件的基板，除此之外，還可W用作電極(可 W是P型電極或n型電極）、p型層、n型層等基材W外的部件或?qū)?。?yīng)予說明，在W下的說明 中，W作為主要用途之一的發(fā)光元件為例說明本發(fā)明的優(yōu)點，但在無損技術(shù)整合性的范圍 內(nèi)，相同或近似的優(yōu)點也適用于其他半導(dǎo)體器件。
[0018] 本發(fā)明的多晶氮化嫁自立基板由在大致法線方向上沿特定結(jié)晶方位取向的多個 氮化嫁系單晶粒子構(gòu)成。而且，對于該多晶氮化嫁自立基板而言，基板表面(板表面)的利用 電子背散射衍射法化BSD)的反極圖成像測定的各氮化嫁系單晶粒子的結(jié)晶方位按照相對 于特定結(jié)晶方位(例如C軸、a軸等方位）W各種角度傾斜的方式分布，其平均傾斜角為1~ 10°。此外，EBSD是在對結(jié)晶性材料照射電子束時，利用在試樣表面產(chǎn)生的電子背散射衍射 來觀測菊池線衍射圖形、亦即EBSD圖形，得到與試樣的結(jié)晶系或結(jié)晶方位相關(guān)的信息的公 知方法，通過與掃描電子顯微鏡(SEM)進行組合，一邊使電子束掃描一邊測定并解析邸SD圖 形，得到與微小區(qū)域的結(jié)晶系或結(jié)晶方位的分布相關(guān)的信息。另外，通過如上所述那樣使多 晶氮化嫁自立基板的構(gòu)成粒子在大致法線方向上沿特定結(jié)晶方位取向，并且使運些構(gòu)成粒 子的取向方位W規(guī)定范圍內(nèi)的平均傾斜角傾斜，能夠降低基板表面的缺陷密度。降低缺陷 密度的原因雖然尚未闡明，但是，推測可能是W下原因：氮化嫁系單晶粒子的取向方位發(fā)生 若干傾斜，使得因與制造時使用的基底基板(典型的是取向多晶燒結(jié)體)的晶格不匹配而產(chǎn) 生的缺陷彼此締合，在粒子內(nèi)容易消失。而且，還可W認為是取向方位發(fā)生若干傾斜而使得 缺陷也相對于法線方向傾斜發(fā)展，在晶界部消失。
[0019] 在此基礎(chǔ)上，通過使用運樣的構(gòu)成粒子的取向方位傾斜了的多晶氮化嫁自立基板 來構(gòu)成發(fā)光元件，與使用構(gòu)成粒子的取向方位未傾斜的多晶氮化嫁自立基板的發(fā)光元件相 比，能夠獲得高發(fā)光效率。能夠獲得高發(fā)光效率的原因雖然尚未闡明，但是，推測可能是W 下原因：由于如上所述，基板的缺陷密度低，所W在其上生長的發(fā)光功能層的缺陷密度也 低，其結(jié)果，能夠獲得高發(fā)光效率。此外，推測還可能是由于在基板上形成的發(fā)光功能層也 具有取向方位發(fā)生了傾斜的結(jié)構(gòu)，因而光導(dǎo)出效率得W提高。
[0020] 構(gòu)成多晶氮化嫁自立基板的多個氮化嫁系單晶粒子在大致法線方向上沿特定結(jié) 晶方位取向。特定結(jié)晶方位可W是氮化嫁能夠具有的任意結(jié)晶方位(例如C面、a面等）。例 如、在多個氮化嫁系單晶粒子在大致法線方向上沿C面取向的情況下，基板表面的各構(gòu)成粒 子被配置成其C軸朝向大致法線方向（即、使C面從基板表面露出）。而且，構(gòu)成多晶氮化嫁自 立基板的多個氮化嫁系單晶粒子在大致法線方向上沿特定結(jié)晶方位取向，并且各個構(gòu)成粒 子W各種角度發(fā)生若干傾斜。即、基板表面整體上呈在大致法線方向上沿規(guī)定的特定結(jié)晶 方位取向，各氮化嫁系單晶粒子的結(jié)晶方位按照相對于特定結(jié)晶方位W各種角度傾斜的方 式分布。該特有的取向狀態(tài)如上所述，可W利用基板表面(板表面)的EBSD的反極圖成像(例 如參照圖2)來評價。即、基板表面的利用EBSD的反極圖成像測定的各氮化嫁系單晶粒子的 結(jié)晶方位按照相對于特定結(jié)晶方位W各種角度傾斜的方式分布，其傾斜角的平均值(平均 傾斜角）為1~10°，優(yōu)選1~8°，進一步優(yōu)選1~5°。此外，優(yōu)選利用邸SD的反極圖成像測定的 氮化嫁系單晶粒子的80% W上具有1~10°范圍內(nèi)的傾斜角，更優(yōu)選90% W上，進一步優(yōu)選 95% W上，特別優(yōu)選99% W上具有上述范圍內(nèi)的傾斜角。如果是上述運樣的傾斜角分布，貝U 缺陷密度能夠被有意降低。另外，優(yōu)選氮化嫁系單晶粒子的傾斜角按照高斯分布(也稱正態(tài) 分布)來分布，由此缺陷密度能夠被有意降低。
[0021] 多晶氮化嫁自立基板優(yōu)選如上所述那樣構(gòu)成粒子發(fā)生傾斜，使得缺陷密度降低。 例如、多晶氮化嫁自立基板優(yōu)選具有1乂104個八111明下、更優(yōu)選1乂10 3個八1112^下、進一步 優(yōu)選1 X IO2個/。!!!明下、特別優(yōu)選1 X 1〇1個/Cm2W下的缺陷密度，最優(yōu)選實質(zhì)上不包含缺陷 (即、約0個/cm2)。缺陷密度可W通過將利用陰極發(fā)光(CL)法發(fā)光微弱而看上去比周圍暗的 點(dark spot)作為出現(xiàn)于基板表面的位錯來加 W計數(shù)，從而計算出來。CL法是檢測對試樣 照射電子束時放射出的光的公知方法，可W-邊利用SEM像進行位置確認，一邊進行任意部 位的狀態(tài)分析。利用化法進行的測定例如可W使用安裝有陰極發(fā)光觀察檢測器的SEM(掃描 型電子顯微鏡)來進行。
[0022] 多晶氮化嫁自立基板優(yōu)選在大致法線方向具有單晶結(jié)構(gòu)。此時，多晶氮化嫁自立 基板可W包括:在大致法線方向具有單晶結(jié)構(gòu)的由多個氮化嫁系單晶粒子構(gòu)成的板。即、多 晶氮化嫁自立基板由在水平面方向二維連結(jié)的多個半導(dǎo)體單晶粒子構(gòu)成，因此，在大致法 線方向能夠具有單晶結(jié)構(gòu)。因此，多晶氮化嫁自立基板整體上并非單晶，但是，局部的疇單 位具有單晶結(jié)構(gòu)。通過采用運樣的構(gòu)成，在制作發(fā)光功能器件或太陽能電池等器件時能夠 獲得充分的特性。其原因雖然尚未闡明，但是，可W認為是由多晶氮化嫁基板的透光性或光 導(dǎo)出效率所致的效果。此外，通過W因 P型或者n型滲雜物的導(dǎo)入而具有導(dǎo)電性的氮化嫁為 基板，能夠?qū)崿F(xiàn)縱型結(jié)構(gòu)的發(fā)光元件，由此能夠提高亮度。而且，還能夠W低成本實現(xiàn)用于 面發(fā)光照明等的大面積的面發(fā)光元件。特別是，使用本實施方式的多晶氮化嫁自立基板來 制作縱型LED結(jié)構(gòu)的情況下，構(gòu)成自立基板的多個氮化嫁系單晶粒子在大致法線方向具有 單晶結(jié)構(gòu)，因此電流通路中不存在高電阻的晶界，其結(jié)果，可W預(yù)見能夠獲得希望的發(fā)光效 率。關(guān)于運一點，在法線方向上也存在晶界的取向多晶基板的情況下，即使是縱型結(jié)構(gòu)，由 于在電流通路上存在高電阻的晶界，因此發(fā)光效率也有可能降低。從運些觀點考慮，本實施 方式的多晶氮化嫁自立基板，即使是縱型Lm)結(jié)構(gòu)也能夠優(yōu)選使用。此外，由于電流通路中 不存在晶界，因此，不只是運樣的發(fā)光器件，功率器件或太陽能電池等也能夠應(yīng)用。
[0023] 優(yōu)選，構(gòu)成自立基板的多個氮化嫁系單晶粒子具有基本對齊大致法線方向的結(jié)晶 方位。"基本對齊大致法線方向的結(jié)晶方位"意思是并不一定限于完全對齊法線方向的結(jié)晶 方位，只要使用自立基板的發(fā)光元件等器件能夠確保期望的器件特性，則也可W是在某種 程度上對齊法線或者接近法線的方向的結(jié)晶方位。如果基于制法來表述，則也可W說氮化 嫁系單晶粒子具有與制造多晶氮化嫁自立基板時作為基底基材使用的取向多晶燒結(jié)體的 結(jié)晶方位基本一致地生長而成的結(jié)構(gòu)。"與取向多晶燒結(jié)體的結(jié)晶方位基本一致地生長而 成的結(jié)構(gòu)"意思是受到取向多晶燒結(jié)體的結(jié)晶方位的影響而結(jié)晶生長所形成的結(jié)構(gòu)，并不 一定限定于與取向多晶燒結(jié)體的結(jié)晶方位完全一致地生長而成的結(jié)構(gòu)，只要使用自立基板 的發(fā)光元件等器件能夠確保期望的器件特性，也可W是與取向多晶燒結(jié)體的晶體方位在某 種程度上一致地生長而成的結(jié)構(gòu)。即，該結(jié)構(gòu)也包括沿與取向多晶燒結(jié)體不同的晶體方位 生長的結(jié)構(gòu)。從運個意義上講，"與晶體方位基本一致地生長而成的結(jié)構(gòu)"運種表述方式也 可W說成是基本衍生結(jié)晶方位的方式生長而成的結(jié)構(gòu)"，該改述方式及上述定義同樣適 用于本說明書中的類似表述方式。因此，運樣的結(jié)晶生長優(yōu)選外延生長，但并不限定于此， 也可W是與之類似的各種結(jié)晶生長形態(tài)。不管哪種均可通過像運樣地生長，使多晶氮化嫁 自立基板具有晶體方位基本對齊大致法線方向的結(jié)構(gòu)。
[0024] 另外，在測定多晶氮化嫁自立基板的與基板表面(板表面)正交的截面的電子背散 射衍射法化BSD)的反極圖成像的情況下，也能夠確認到：構(gòu)成自立基板的氮化嫁系單晶粒 子的結(jié)晶方位在大致法線方向上沿特定結(jié)晶方位取向。但是，在與基板法線方向正交的板 表面方向上沒有取向。即、氮化嫁系單晶粒子是結(jié)晶方位僅在大致法線方向上取向的結(jié)構(gòu)， W大致法線方向為軸的氮化嫁系單晶粒子的扭轉(zhuǎn)(結(jié)晶軸的旋轉(zhuǎn))分布是隨機的。通過采用 運樣的結(jié)構(gòu)，在使用多晶氮化嫁自立基板來制作發(fā)光功能器件或太陽能電池等器件的情況 下能夠獲得充分的特性。其原因雖然尚未闡明，但是，可W認為是多晶氮化嫁基板表面的缺 陷密度降低的效果，或者光導(dǎo)出效率所帶來的效果。扭轉(zhuǎn)分布是隨機的而使得缺陷密度降 低的原因雖然尚未