氧化鎵單晶和氧化鎵單晶襯底的制作方法
【專利摘要】提供能夠提高發(fā)光效率的氧化鎵單晶和氧化鎵單晶襯底；氧化鎵單晶（13)的位錯密度為3.5X106個/cm2以下；氧化鎵單晶（13)是利用EFG法而制造；另外，EFG法的晶種接觸溫度為193CTC以上且195CTC以下；氧化鎵單晶（13)的晶頸部（13a)的直徑為0.8mm以下；氧化鎵單晶襯底（21)由氧化鎵單晶（13)構成。
【專利說明】氧化鎵單晶和氧化鎵單晶襯底

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及氧化鎵單晶和氧化鎵單晶襯底。

【背景技術】
[0002] 由氧化鎵（Ga2O3)單晶構成的Ga2O 3襯底被使用于例如對GaN系的薄膜器件進行成 膜而制造發(fā)光元件等中。雖提出了利用各種方法制造上述Ga2O 3單晶，但作為用于制造大型 的單晶襯底的晶體生長法，EFG法（Edge Defined Film Fed Growth、導模法）受到關注。
[0003] 例如，在專利文獻1中記載有：設有堅立設置于收容Ga2O3熔融液的坩堝中且具有 縫隙的模具，并且，通過使晶種與沿著設置于模具截面內的縫隙上升的Ga 2O3熔融液接觸后 提拉晶種，從而得到具有規(guī)定的尺寸、形狀的Ga2O 3單晶。
[0004] 【現(xiàn)有技術文獻】
[0005] 【專利文獻】
[0006] 專利文獻1 :日本公報、特開2004-56098號


【發(fā)明內容】

[0007] 但是，在GaN系薄膜器件的生長襯底中所使用的例如Ga2O3單晶的晶體中，雖優(yōu)選 原子呈理想的周期性排列，但是在實際的晶體生長中，由于使晶種與熔融液接觸時的熱沖 擊、或以不當?shù)木w生長速度進行生長，而導致存在排列于直線上的原子的位置集中發(fā)生 偏移這一情況，如此的線狀的晶體缺陷被稱為"位錯"。
[0008] -般情況下，為了得到高發(fā)光效率而優(yōu)選使用不存在位錯的Ga2O3單晶襯底，但是 獲得無位錯的單晶襯底是困難的，利用目前的晶體生長技術所得到的Ga 2O3單晶含有有限 的位錯。在使用上述單晶制作襯底時，根據晶體中的位錯方向與切斷晶體的方向之間的關 系，位錯顯示于襯底主面上的方式不同，例如在與位錯方向垂直地切斷晶體并進行切片加 工時，如圖4(a)至圖4(c)中以虛線所示，襯底主面上顯示出大量位錯。
[0009] 在表面存在有位錯的Ga2O3襯底上制作器件、例如GaN系LED時，存在下述問題： 艮P，如圖5所示，Ga 2O3襯底上的位錯（虛線部分）也傳播至陰影線所示的生長的GaN層（包 括發(fā)光層），從而發(fā)光層中的位錯密度變大而發(fā)光效率降低。
[0010] 本發(fā)明是鑒于上述問題而完成的，其目的在于提供能夠提高發(fā)光效率的氧化鎵單 晶和氧化嫁單晶襯底。
[0011] 為了達成上述目的，本發(fā)明第一觀點涉及的氧化鎵單晶的特征在于，位錯密度為 3. 5 X IO6 個 /cm2 以下。
[0012] 本發(fā)明的氧化鎵單晶優(yōu)選利用EFG法、即導模法而制造，且晶頸直徑為0. 8mm以 下。
[0013] 另外，優(yōu)選EFG法的晶種接觸溫度為1930°C以上且1950°C以下。
[0014] 本發(fā)明第二觀點涉及的氧化鎵單晶襯底的特征在于，其由第一觀點涉及的氧化鎵 單晶構成。
[0015] 另外，本發(fā)明的氧化鎵單晶襯底優(yōu)選至少為一英寸。
[0016] (發(fā)明效果）
[0017] 根據本發(fā)明，能夠提高發(fā)光效率。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018] 圖1中的（a)是對利用EFG法的氧化鎵單晶制造方法的一例的生長爐進行說明的 模式剖面圖；(b)是對（a)中的晶種和氧化鎵單晶以及模具頂部上的氧化鎵熔融液部分進 行表示的部分放大圖。
[0019] 圖2是利用EFG法制造的氧化鎵單晶的概略圖。
[0020] 圖3是表示縮頸條件與氧化鎵單晶的位錯密度之間的關系的圖。
[0021] 圖4中的（a)是對Ga2O3單晶表面上顯示出位錯的狀態(tài)進行說明的說明圖；(b)是 表示將（a)的Ga 2O3單晶與位錯方向垂直地進行切片加工的狀態(tài)的說明圖；（c)是用于說明 在襯底表面上顯示有位錯的狀態(tài)的圖，且是表示包含有穿透位錯的Ga 2O3單晶襯底的說明 圖。
[0022] 圖5是用于說明發(fā)光效率降低的狀態(tài)的圖。
[0023] (符號說明）
[0024] 1…氧化鎵單晶制造裝置
[0025] 2…氧化鎵熔融液
[0026] 3…坩堝
[0027] 4…支撐臺
[0028] 5…模具
[0029] 5A…縫隙
[0030] 5B…開口
[0031] 6 …蓋
[0032] 7…熱電偶
[0033] 8…絕熱材料
[0034] 9…加熱部
[0035] 10…晶種
[0036] 11…晶種保持件（夾具）
[0037] 12 …軸
[0038] 13…氧化鎵單晶
[0039] 21…氧化鎵單晶襯底

【具體實施方式】
[0040] 以下，參照附圖對本發(fā)明的氧化鎵（Ga2O3)單晶和氧化鎵單晶襯底進行說明。
[0041] 本發(fā)明的氧化鎵單晶的位錯密度為3. 5X106個/cm2以下。如此，在使用位錯密度 ?。ㄎ诲e少）的氧化鎵單晶制作氧化鎵單晶襯底并在該氧化鎵單晶襯底上制作GaN外延膜 時，能夠將來自GaN薄膜發(fā)光層的發(fā)光效率的損失抑制在10%以下。因此，通過將氧化鎵單 晶的位錯密度設定為3. 5 X IO6個/cm2以下，能夠提高發(fā)光效率。
[0042] 氧化鎵單晶的位錯密度優(yōu)選為3. 5X IO6個/cm2以下，更優(yōu)選為I X IO6個/cm2以 下，最優(yōu)選為5X105個/cm2以下。通過設定為上述范圍，能夠進一步提高發(fā)光效率。另外， 對于氧化鎵單晶的位錯密度的下限值，只要是在能夠制造（生長）氧化鎵單晶的范圍內，便 沒有特別的限定，但視為設定為超過〇個/cm 2。
[0043] 本發(fā)明中的氧化鎵單晶的位錯密度是通過下述方式測定：S卩，利用透射電子顯微 鏡（TEM)并以深淺圖案來觀察位錯，并計量位錯的數(shù)量，由此測定位錯密度。當位錯密度為 IO4個/cm2以下時，通過利用X射線形貌術（XRT)進行X射線衍射強度的測繪（mapping)， 從而也能夠以深淺圖案的方式來測定位錯。
[0044] 另外，通過適當?shù)剡x擇晶頸直徑（neck diameter)和晶種接觸溫度（seed-touch temperature)，能夠控制位錯密度。作為獲得含有上述位錯密度的氧化鎵單晶的方法之一， 優(yōu)選使晶頸直徑（后述的晶頸部13a的直徑）為I. 4mm以下。這是因為：通過縮小氧化鎵 單晶的晶頸直徑而容易降低位錯密度。氧化鎵單晶的晶頸直徑更優(yōu)選為1.2mm以下，進一 步優(yōu)選為I. Omm以下。尤其是，在使氧化鎵單晶的晶頸直徑為〇. 8mm以下時，能夠容易地將 氧化鎵單晶的位錯密度控制為3. 5X IO6個/cm2以下。
[0045] 另外，對于氧化鎵單晶的晶頸直徑的下限值，只要是能夠制造（生長）氧化鎵單晶 的直徑，便沒有特別的限定，但是考慮到生長出的單晶的搬運，優(yōu)選為〇. 2_以上。
[0046] 本發(fā)明的氧化鎵單晶襯底是將位錯密度為3. 5X IO6個/cm2以下的氧化鎵單晶 切成規(guī)定尺寸、例如1英寸而成的襯底。在將氧化鎵單晶襯底用于半導體器件襯底時，需 要將其表面平坦成原子級。在用于將表面平坦成原子級的精加工中適用CMP(Chemical Mechanical Polish、化學機械拋光）加工。另外，CMP加工是將化學蝕刻效果與機械加工 組合的加工。
[0047] 接著，對上述的氧化鎵單晶和氧化鎵單晶襯底的制造方法進行說明。在本實施方 式中，以通過利用EFG法（Edge Defined Film Fed Growth、導模法）的晶體生長來制造氧化 鎵單晶的情況為例進行說明。
[0048] 所謂的EFG法，是指將氧化鎵原料投入收容有具備縫隙（slit)的模具（die)的坩 堝內并進行加熱，并使經由縫隙溢出至模具頂部的氧化鎵原料的熔融液與晶種接觸從而制 造（生長）氧化鎵單晶的方法。
[0049] 圖I (a)是對利用EFG法的氧化鎵單晶制造方法的一例的生長爐進行說明的模式 剖面圖，圖1(b)是對圖1(a)的晶種和氧化鎵單晶以及模具頂部（die top)上的氧化鎵熔 融液部分進行表不的部分放大圖。
[0050] 首先，對使用了氧化鎵單晶制造裝置的氧化鎵單晶制造方法簡單地進行說明。
[0051] 如圖1(a)所示，在氧化鎵單晶制造裝置1的內部，配置有收容作為氧化鎵單晶原 料的氧化鎵熔融液2的坩堝3。坩堝3形成為有底的圓筒狀，并被載置于支撐臺4上，通過 熱電偶7對坩堝3的底面溫度進行測定。坩堝3由具有耐熱性的金屬材料、例如銥（Ir)形 成，以能夠收容氧化鎵熔融液2,通過未圖示的原料投入部將所需量的原料投入坩堝3內。
[0052] 在坩堝3內配置有模具5。模具5形成為例如大致長方體狀，并且設有從其下端 延伸至上端（開口 5B)的一條或多條縫隙5A。例如，在圖1(a)中，在模具5的厚度方向的 中央設有一條縫隙5A。該模具5根據制造的氧化鎵單晶的形狀、片數(shù)等而使用所希望的模 具。
[0053] 該一條縫隙5A設置為遍及模具5的大致全幅，另外在模具5的厚度方向上以規(guī)定 的間隔而設置。該縫隙5A具有利用毛細現(xiàn)象使氧化鎵熔融液2從模具5的下端上升至縫 隙5A的開口 5B的作用。
[0054] 在坩堝3的上面配置有蓋6。蓋6形成為將除去模具5之外的坩堝3的上表面閉 塞的形狀。因此，在坩堝3的上面配置有蓋6的狀態(tài)下，坩堝3的上表面除了縫隙5A的開 口 5B之外的其他部分均被閉塞。這樣，蓋6防止了高溫的氧化鎵熔融液2從坩堝3內蒸發(fā)， 進而抑制了氧化鎵熔融液2的蒸汽附著在縫隙5A上面以外的其他部分上。
[0055] 另外，在被設置為將坩堝3包圍的絕熱材料8的周圍，配置有例如由高頻線圈構成 的加熱部9。利用該加熱部9將坩堝3加熱至規(guī)定的溫度，從而使坩堝3內的原料熔解而形 成氧化鎵熔融液2。原料的熔解溫度被確認為例如放置于縫隙5A的開口 5B上的氧化鎵顆 粒的熔化溫度（tip melt、芯模熔融）。絕熱材料8被配置為與坩堝3具有規(guī)定的間隔，且 具有抑制被加熱部9加熱的坩堝3發(fā)生急劇溫度變化的保溫性。
[0056] 另外，在縫隙5A的上部配置有保持晶種10的晶種保持件（夾具）11。晶種保持件 11被連接在軸12上，該軸12將晶種保持件11 (晶種10)以能夠升降的方式加以支撐。
[0057] 而且，通過軸12降下晶種保持件11，并使利用毛細現(xiàn)象而上升且從開口 5B露出 的模具頂部上的烙融液2A與晶種10接觸（seed touch、晶種接觸），進而,通過軸12使晶 種保持件11上升，形成細的晶頸部13a(necking process、縮頸工序）（參照圖1(b))。然 后，以使氧化鎵單晶13朝向模具5的寬度方向擴展的方式進行晶體生長，從而生長成擴肩 部13b (spreading process、擴肩工序），在擴寬至模具5的寬度（full-spread、完全擴肩） 后，生長成與模具5的寬度相同的等徑直體部13c (等徑生長工序）。
[0058] 圖2表示通過上述氧化鎵單晶制造裝置制造（生長）的氧化鎵單晶13的概略圖。 如圖2所示，氧化鎵單晶13形成為大致片狀。氧化鎵單晶13形成為與生長工序對應的晶 體形狀，并具有在縮頸工序所形成的晶頸部13a、在擴肩工序所形成的擴肩部13b、以及在 等徑生長工序所形成的等徑直體部13c。另外，作為氧化鎵單晶襯底21而利用的，通常是等 徑直體部13c的晶體。
[0059] 在上述的氧化鎵單晶的制造方法中，為了得到本發(fā)明的位錯密度為3. 5 X IO6個/ cm2以下的氧化鎵單晶，存在例如使晶頸部13a的位錯減少而生長氧化鎵單晶的方法。具體 而言，在縮頸工序中，為了降低晶種與熔融液接觸時的熱沖擊，而盡可能地提高晶種接觸時 的熱電偶7的顯示溫度（晶種接觸溫度）后進行晶種接觸，并且，為了減少晶頸部13a中所 產生的位錯的數(shù)量，而將晶頸部13a的直徑（晶頸直徑）制作成細徑。
[0060] 將以上述方法控制了位錯密度的氧化鎵單晶切出而得到1英寸的襯底，在該襯底 上成膜GaN薄膜而形成GaN襯底，并利用公知的方法制作了 GaN系LED器件。為了評價發(fā) 光效率，在上述LED的制造途中取出成膜至發(fā)光層的晶體并觀察了陰極發(fā)光（CL)圖像后， 發(fā)現(xiàn)在GaN襯底表面產生位錯的位置其位錯傳播至發(fā)光層而成為非發(fā)光區(qū)域。
[0061] 將由上述位錯密度不同的氧化鎵單晶制造的氧化鎵單晶襯底的位錯密度、GaN薄 膜表面的位錯密度、發(fā)光層的發(fā)光效率的評價結果表示于表1中。另外，發(fā)光效率定義為： 觀察CL圖像時的發(fā)光區(qū)域相對于觀察區(qū)域的比例。由此明確了 ：通過將氧化鎵單晶襯底的 位錯密度設定為3. 5 X IO6個/cm2以下，能夠使發(fā)光效率為90%以上。
[0062] 另外，同樣地將制作各襯底時所使用的氧化鎵單晶的縮頸條件（晶頸直徑和晶種 接觸溫度）表示于表1中。

【權利要求】
1. 一種氧化鎵單晶，其特征在于，位錯密度為3. 5X IO6個/cm2以下。
2. 如權利要求1所述的氧化鎵單晶，其特征在于，其是利用EFG法、即導模法而制造，并 且，晶頸直徑為〇? 8mm以下。
3. 如權利要求2所述的氧化鎵單晶，其特征在于，所述EFG法的晶種接觸溫度為 1930°C以上且1950°C以下。
4. 一種氧化鎵單晶襯底，其特征在于，由權利要求1?3中任意一項所述的氧化鎵單晶 構成。
5. 如權利要求4所述的氧化鎵單晶襯底，其特征在于，該氧化鎵單晶襯底至少為一英 寸。
【文檔編號】C30B15/24GK104220650SQ201380019173
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2013年5月8日 優(yōu)先權日:2012年5月16日
【發(fā)明者】會田英雄, 西口健吾, 小山浩司, 池尻憲次朗, 中村元一 申請人:并木精密寶石株式會社