本發(fā)明涉及13族元素氮化物結(jié)晶基板及使用了該13族元素氮化物結(jié)晶基板的功能元件。本發(fā)明能夠用在例如要求高品質(zhì)的技術(shù)領(lǐng)域、例如代替熒光燈的被稱之為新一代光源的高彩色再現(xiàn)性的白色led、高速高密度光存儲(chǔ)器用藍(lán)紫色激光器、led前燈、混合動(dòng)力車用逆變器中使用的大功率器件等之中。

背景技術(shù)：

隨著白色led的用途擴(kuò)大，要求led芯片進(jìn)一步高性能化。所謂高性能化，是指高效率化、高亮度化。作為氮化鎵自立基板的制法，熟知hvpe法。其中，作為得到高品質(zhì)結(jié)晶的方法，公開了deep法(專利文獻(xiàn)1、非專利文獻(xiàn)1)、vas法(專利文獻(xiàn)2、3)。

助熔劑法是液相法中的一種，在氮化鎵的情況下，通過使用金屬鈉作為助熔劑，能夠?qū)⒌壍慕Y(jié)晶生長(zhǎng)所需的溫度緩和到800℃左右，將壓力緩和到幾mpa。具體而言，氮?dú)馊芙獾浇饘兮c和金屬鎵的混合熔液中，氮化鎵達(dá)到過飽和狀態(tài)而作為結(jié)晶進(jìn)行生長(zhǎng)。這樣的液相法因?yàn)榕c氣相法相比不容易發(fā)生位錯(cuò)，所以能夠獲得位錯(cuò)密度低的高品質(zhì)氮化鎵。(專利文獻(xiàn)4)。

現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)

非專利文獻(xiàn)

非專利文獻(xiàn)1:seitechnicalreview2009年7月第175號(hào)p.10～18“窒化ガリウム基板の開発(氮化鎵基板的開發(fā))”

專利文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)1:日本特許-3801125

專利文獻(xiàn)2:日本特許-3631724

專利文獻(xiàn)3:日本特許-4396816

專利文獻(xiàn)4:日本特開2009-012986

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了制作led、激光二極管，13族元素氮化物結(jié)晶層必須具有高導(dǎo)電性。因此，本發(fā)明的發(fā)明人嘗試在該結(jié)晶層中摻雜(dope)si、氧等摻雜物，由此，使結(jié)晶層的導(dǎo)電性得到提高，使得輸出增大。

但是，實(shí)際上即使增加摻雜物(dopant)量，根據(jù)情況，有時(shí)也無法得到所希望的發(fā)光輸出。特別是所謂的縱型發(fā)光元件的情況下，有時(shí)即使將電壓增大某種程度以上、發(fā)光強(qiáng)度也不會(huì)提高。

本發(fā)明的課題是：在13族元素氮化物結(jié)晶基板中獲得所希望的導(dǎo)電性，并且，有效利用13族元素氮化物結(jié)晶的導(dǎo)電性而使功能得到提高。

本發(fā)明所涉及的結(jié)晶基板是由13族元素氮化物結(jié)晶構(gòu)成且具有第一主面及第二主面的結(jié)晶基板，其特征在于，

結(jié)晶基板包含：在第一主面與第二主面之間延伸的、低載流子(carrier)濃度區(qū)域和高載流子濃度區(qū)域，低載流子濃度區(qū)域的載流子濃度為10¹⁸/cm³以下，低載流子濃度區(qū)域的缺陷密度為10⁷/cm²以下，高載流子濃度區(qū)域的載流子濃度為10¹⁹/cm³以上，高載流子濃度區(qū)域的缺陷密度為10⁸/cm²以上。

另外，本發(fā)明包括：所述結(jié)晶基板、及形成在結(jié)晶基板上的功能層，所述功能層由13族元素氮化物形成。

例如，為了制作led、激光二極管，必須具有高導(dǎo)電性。但是，判明為了賦予導(dǎo)電性而將si、氧等摻雜物摻雜到13族元素氮化物結(jié)晶中時(shí)、很難均勻地?fù)诫s到晶片的整面。認(rèn)為這樣的摻雜不均勻性會(huì)導(dǎo)致電流泄漏(leakage)。

本發(fā)明的發(fā)明人為了解決摻雜不均勻性的問題進(jìn)行了各種研究，但實(shí)際上很難解決。不過，在其研究的過程中，發(fā)現(xiàn)：對(duì)于某種結(jié)晶基板，在觀察結(jié)晶基板的截面時(shí)，低載流子濃度區(qū)域和高載流子濃度區(qū)域分別呈條紋(stripe)狀從一方主面朝向另一方主面延伸，并貫穿結(jié)晶基板。

即，當(dāng)在該截面結(jié)構(gòu)的結(jié)晶基板上形成縱型led時(shí)，如果將電壓提高某種程度以上，則產(chǎn)生因電流泄漏而使得發(fā)光強(qiáng)度不會(huì)提高的現(xiàn)象。并且，詳細(xì)地考察了電流泄漏的機(jī)制，結(jié)果徹底查明了：13族元素氮化物結(jié)晶基板的截面結(jié)構(gòu)中，導(dǎo)電性高的區(qū)域的結(jié)晶性劣化，并且，電流容易流動(dòng)，因此，局部地發(fā)生電流集中，結(jié)果導(dǎo)致電流泄漏的發(fā)生。即，以顯微鏡熱成像儀(thermography)成功觀察到發(fā)生電流集中的位置的溫度升高。

進(jìn)而，確認(rèn)了：在結(jié)晶基板的截面結(jié)構(gòu)中，高載流子濃度區(qū)域的缺陷也相對(duì)較多，容易發(fā)生電流泄漏，并且，該高載流子濃度區(qū)域以貫穿基板的方式呈條紋狀在結(jié)晶基板的表面與背面之間進(jìn)行延伸。同時(shí)，確認(rèn)了：低載流子濃度區(qū)域也以貫穿基板的方式呈條紋狀在結(jié)晶基板的表面與背面之間進(jìn)行延伸。

應(yīng)予說明，迄今，施加到led芯片上的電流密度增加時(shí)的發(fā)光效率的降低減少被稱之為效率下降(droop)現(xiàn)象，有報(bào)道稱其原因在于載流子溢出(carrieroverflow)、非輻射復(fù)合、俄歇復(fù)合(augerrecombination)等。但是，這些都主要是橫型led結(jié)構(gòu)中的現(xiàn)象。

本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)的上述現(xiàn)象是與效率下降現(xiàn)象不同的現(xiàn)象，迄今完全沒有被報(bào)道過，是新發(fā)現(xiàn)的見解。基于上述觀察，首次發(fā)現(xiàn)局部發(fā)生電流集中。

基于該發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明的發(fā)明人嘗試：在如上所述的結(jié)晶基板的第一主面上形成發(fā)光元件結(jié)構(gòu)，此時(shí)，將至少一對(duì)電極設(shè)置在結(jié)晶基板的第一主面?zhèn)?，制作所謂的橫型發(fā)光元件。發(fā)現(xiàn)：這樣一來，如上所述的電流泄漏得到抑制、并且獲得比較高的發(fā)光強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。

由此，即使增加施加到結(jié)晶基板上的電壓也會(huì)抑制電流泄漏，因此，能夠有效利用結(jié)晶基板的導(dǎo)電性而使功能得到提高。

附圖說明

圖1中，(a)是表示本發(fā)明的實(shí)施方式所涉及的結(jié)晶基板1的剖視簡(jiǎn)圖，(b)是表示另一個(gè)實(shí)施方式所涉及的結(jié)晶基板2的剖視簡(jiǎn)圖。

圖2中，(a)表示在支撐基板7上設(shè)置有晶種膜8的狀態(tài)，(b)表示在晶種膜8上設(shè)置有由13族元素氮化物結(jié)晶構(gòu)成的結(jié)晶基板1的狀態(tài)。

具體實(shí)施方式

以下，適當(dāng)參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步進(jìn)行說明。

(結(jié)晶基板)

優(yōu)選的實(shí)施方式中，如圖1(a)、(b)所示，提供由13族元素氮化物構(gòu)成的結(jié)晶基板1、2。結(jié)晶基板1、2分別包含：在第一主面1a、2a與第二主面1b、2b之間貫穿的低載流子濃度區(qū)域4和高載流子濃度區(qū)域5。確認(rèn)了各區(qū)域4、5分別是在第一主面與第二主面之間貫穿結(jié)晶基板1、2而生成的。

此處，低載流子濃度區(qū)域4的載流子濃度為10¹⁸/cm³以下，低載流子濃度區(qū)域4的缺陷密度為10⁷/cm²以下。另外，高載流子濃度區(qū)域5的載流子濃度為10¹⁹/cm³以上，高載流子濃度區(qū)域5的缺陷密度為10⁸/cm²以上。由前述的機(jī)制發(fā)現(xiàn)：摻雜物集中在高載流子濃度區(qū)域從而使得載流子濃度升高，并且，缺陷也集中在相同區(qū)域，且在結(jié)晶基板的主面之間以貫穿結(jié)晶基板的方式進(jìn)行延伸。

此處，低載流子濃度區(qū)域的載流子濃度優(yōu)選為5×10¹⁷/cm³以下。另外，存在如上所述的高載流子濃度區(qū)域的結(jié)晶基板中，低載流子濃度區(qū)域的載流子濃度多數(shù)為1×10¹⁶/cm³以上。另外，低載流子濃度區(qū)域的缺陷密度優(yōu)選為5×10⁶/cm²以下。另外，低載流子濃度區(qū)域的缺陷密度多數(shù)為1×10⁶/cm²以上。

另外，高載流子濃度區(qū)域的載流子濃度為10¹⁹/cm³以上，優(yōu)選為2×10¹⁹/cm³以上。另外，存在如上所述的低載流子濃度區(qū)域的結(jié)晶基板中，高載流子濃度區(qū)域的載流子濃度多數(shù)為1×10²⁰/cm³以下。另外，高載流子濃度區(qū)域的缺陷密度優(yōu)選為1×10⁹/cm²以下。

此處，摻雜物為n型摻雜物(si、ge、氧等)的情況下，由于活化率高達(dá)98％以上，所以可以將摻雜物濃度看作載流子濃度。以下，從防止由電流集中導(dǎo)致的泄漏的本發(fā)明的觀點(diǎn)考慮，記載為“載流子濃度”，但是，還可以將活化率視為100％，將其稱為“摻雜物濃度”。

本發(fā)明中，如下測(cè)定并識(shí)別高載流子濃度區(qū)域及低載流子濃度區(qū)域。

使用陰極發(fā)光測(cè)定器(例如、(株)堀場(chǎng)制作所制mp系列)，倍率為50～500倍，使圖像拍攝區(qū)域?yàn)?.1～1mm見方。

按照實(shí)施例中記載的方法及條件來測(cè)定載流子濃度及缺陷密度。

構(gòu)成結(jié)晶基板的13族元素是指iupac制定的元素周期表中的第13族元素。13族元素具體為鎵、鋁、銦、鉈等。該13族元素氮化物特別優(yōu)選為氮化鎵、氮化鋁、氮化鎵鋁。另外，作為添加劑，可以舉出：碳、低熔點(diǎn)金屬(錫、鉍、銀、金)、高熔點(diǎn)金屬(鐵、錳、鈦、鉻等過渡金屬)。

從操作(把持)的觀點(diǎn)考慮，結(jié)晶基板的厚度優(yōu)選為250μm以上，更優(yōu)選為300μm以上。另外，從經(jīng)濟(jì)性及導(dǎo)電性的觀點(diǎn)考慮，結(jié)晶基板的厚度優(yōu)選為450μm以下。

(功能層及功能元件)

通過在結(jié)晶基板上形成規(guī)定的功能層，能夠得到功能元件。

該功能層可以為單層，也可以為多層。另外，作為功能，可用于高亮度·高彩色再現(xiàn)性的白色led、高速高密度光存儲(chǔ)器用藍(lán)紫色激光光盤、混合動(dòng)力汽車用逆變器中使用的大功率器件等。

在結(jié)晶基板上，通過氣相法、優(yōu)選有機(jī)金屬氣相生長(zhǎng)(mocvd)法制作半導(dǎo)體發(fā)光二極管(led)時(shí)，led內(nèi)部的位錯(cuò)密度與結(jié)晶基板的位錯(cuò)密度是等同的。

例如，從抑制引入碳等不需要的雜質(zhì)的觀點(diǎn)考慮，功能層的成膜溫度優(yōu)選為950℃以上，更優(yōu)選為1000℃以上。另外，從抑制缺陷的觀點(diǎn)考慮，功能層的成膜溫度優(yōu)選為1200℃以下，更優(yōu)選為1150℃以下。

功能層的材質(zhì)優(yōu)選13族元素氮化物。13族元素是指iupac制定的元素周期表中的第13族元素。13族元素具體為鎵、鋁、銦、鉈等。

發(fā)光元件結(jié)構(gòu)例如具備n型半導(dǎo)體層、設(shè)置在該n型半導(dǎo)體層上的發(fā)光區(qū)域以及設(shè)置在該發(fā)光區(qū)域上的p型半導(dǎo)體層。另外，上述發(fā)光元件結(jié)構(gòu)中可以進(jìn)一步設(shè)置沒有圖示的n型半導(dǎo)體層用的電極、p型半導(dǎo)體層用的電極、導(dǎo)電性接合層、緩沖層、導(dǎo)電性支撐體等。

本發(fā)光元件結(jié)構(gòu)中，如果通過從半導(dǎo)體層注入的空穴和電子的復(fù)合而在發(fā)光區(qū)域發(fā)光，則從p型半導(dǎo)體層上的透光性電極或13族元素氮化物單晶膜側(cè)引出光。應(yīng)予說明，透光性電極是指形成在p型半導(dǎo)體層的幾乎整面的由金屬薄膜或透明導(dǎo)電膜形成的光透過性的電極。

構(gòu)成n型半導(dǎo)體層、p型半導(dǎo)體層的半導(dǎo)體的材質(zhì)包括iii－v族系化合物半導(dǎo)體，可以列舉如下材料。

alyinxga1-x-yn(0≤x≤1、0≤y≤1)

作為用于賦予n型導(dǎo)電性的摻雜材料，可以舉出硅、鍺、氧。另外，作為用于賦予p型導(dǎo)電性的摻雜材料，可以舉出鎂、鋅。

構(gòu)成發(fā)光結(jié)構(gòu)的各半導(dǎo)體層的生長(zhǎng)方法可以舉出各種氣相生長(zhǎng)方法。例如可以采用有機(jī)金屬化合物氣相生長(zhǎng)法(mocvd(movpe)法)、分子束外延法(mbe法)、氫化物氣相生長(zhǎng)法(hvpe法)等。其中，利用mocvd法時(shí)，能夠得到各半導(dǎo)體層的結(jié)晶性、平坦度良好的產(chǎn)品。mocvd法中，作為ga源，多使用tmg(三甲基鎵)、teg(三乙基鎵)等烷基金屬化合物，作為氮源，使用氨、肼等氣體。

發(fā)光區(qū)域包含量子阱活性層。量子阱活性層的材料設(shè)計(jì)成帶隙比n型半導(dǎo)體層以及p型半導(dǎo)體層的材料小。量子阱活性層可以為單一量子阱(sqw)結(jié)構(gòu)，也可以為多量子阱(mqw)結(jié)構(gòu)。量子阱活性層的材質(zhì)可以列舉如下。

作為量子阱活性層的優(yōu)選例，可以舉出將作為alxga1-xn/alyga1-yn系量子阱活性層(x＝0.15、y＝0.20)的、膜厚分別為3nm/8nm的量子阱活性層以3～10個(gè)周期形成而得到的mqw結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明對(duì)于所謂的橫型功能元件、特別是發(fā)光元件而言是優(yōu)選的。

此處，關(guān)于橫型功能元件，在本發(fā)明的結(jié)晶基板的第一主面上形成功能元件結(jié)構(gòu)時(shí)，將至少一對(duì)驅(qū)動(dòng)電極設(shè)置在結(jié)晶基板的第一主面?zhèn)取Ｒ虼?，向電極之間施加電壓時(shí)，朝向與結(jié)晶基板的第一主面大致平行的方向施加電場(chǎng)。

本發(fā)明的結(jié)晶基板中，在三維觀察時(shí)為柱狀的高載流子濃度區(qū)域和低載流子濃度區(qū)域朝向第一主面與第二主面之間進(jìn)行延伸，因此，如果與主面大致平行地施加電壓，則電場(chǎng)交替通過多個(gè)高載流子濃度區(qū)域和低載流子濃度區(qū)域。結(jié)果，抑制了電極之間的漏電流，能夠發(fā)揮與電壓相對(duì)應(yīng)的功能。

(結(jié)晶基板的制造)

優(yōu)選的實(shí)施方式中，在晶種上形成結(jié)晶基板。晶種可以由其自身形成自立基板(支撐基板)或者也可以為形成在另一支撐基板上的晶種膜。該晶種膜可以為一層或者也可以在支撐基板側(cè)包含緩沖層。

例如圖2(a)所示，在支撐基板7的表面7a形成晶種膜8。晶種膜8包含13族元素氮化物。

在支撐基板上形成晶種膜的情況下，對(duì)構(gòu)成支撐基板的單晶的材質(zhì)沒有限定，可以舉出：藍(lán)寶石、aln模板、gan模板、gan自立基板、硅單晶、sic單晶、mgo單晶、尖晶石(mgal2o4)、lialo2、ligao2、laalo3，lagao3，ndgao3等鈣鈦礦型復(fù)合氧化物、scam(scalmgo4)。另外，也可以使用組成式〔a1－y(sr1－xbax)y〕〔(al1－zgaz)1－u·du〕o3(a為稀土元素；d為從由鈮及鉭構(gòu)成的組中選擇的一種以上元素；y＝0.3～0.98；x＝0～1；z＝0～1；u＝0.15～0.49；x+z＝0.1～2)的立方晶系的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)復(fù)合氧化物。

13族元素氮化物結(jié)晶層的培養(yǎng)方向可以是纖鋅礦結(jié)構(gòu)的c面的法線方向，另外也可以是a面、m面各自的法線方向。

從降低設(shè)置在晶種上的結(jié)晶基板的位錯(cuò)密度的觀點(diǎn)考慮，希望在晶種表面8a的位錯(cuò)密度低。從該觀點(diǎn)考慮，晶種的位錯(cuò)密度優(yōu)選為7×10⁸cm^－2以下，更優(yōu)選為5×10⁸cm^－2以下。另外，從品質(zhì)方面考慮，晶種的位錯(cuò)密度越低越良好，所以，對(duì)下限沒有特別限定，一般多為5×10⁷cm^－2以上。

晶種的制法沒有特別限定，可以舉出：有機(jī)金屬化學(xué)氣相生長(zhǎng)(mocvd：metalorganicchemicalvapordeposition)法、氫化物氣相生長(zhǎng)(hvpe)法、脈沖激發(fā)堆積(pxd)法、mbe法、升華法等氣相法、助熔劑法等液相法。

接下來，如圖2(b)所示，在晶種8上形成結(jié)晶基板1。

優(yōu)選的實(shí)施方式中，通過助熔劑法培養(yǎng)結(jié)晶基板1。此時(shí)，助熔劑的種類只要能夠生成13族元素氮化物即可，沒有特別限定。優(yōu)選的實(shí)施方式中，使用包含堿金屬和堿土金屬中的至少一方的助熔劑，特別優(yōu)選包含金屬鈉的助熔劑。

在助熔劑中混合13族元素的原料物質(zhì)，進(jìn)行使用。作為該原料物質(zhì)，可使用金屬單質(zhì)、合金、化合物，從操作方面考慮，優(yōu)選13族元素的金屬單質(zhì)。

以助熔劑法形成結(jié)晶基板的情況下，為了促進(jìn)縱向的生長(zhǎng)，使過飽和度盡可能地低，并且抑制熔液的對(duì)流，由此，使其盡量?jī)H以濃度梯度為驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行結(jié)晶生長(zhǎng)。從而，抑制核的形成，自核朝向上方進(jìn)行結(jié)晶生長(zhǎng)。

具體而言，優(yōu)選通過以下方法培養(yǎng)結(jié)晶基板。

(1a)通過提高坩堝內(nèi)的熔液的平均培養(yǎng)溫度來減小過飽和度，從而抑制核的形成。

(2a)通過將坩堝的上部保持在比坩堝的底部高的溫度來抑制熔液在坩堝內(nèi)的對(duì)流。

(3a)不對(duì)熔液進(jìn)行攪拌，或者減小攪拌速度。

(4a)降低含氮?dú)怏w的分壓。

例如，可適用如下條件。

(1a)使坩堝內(nèi)的熔液的平均培養(yǎng)溫度為870～885℃。

(2a)保持坩堝的上部的溫度比坩堝的底部的溫度高0.5～1℃。

(3a)不對(duì)熔液進(jìn)行攪拌，或者使攪拌速度為30rpm以下。另外，使攪拌方向?yàn)閱蜗颉?/p>

(4a)使含氮?dú)怏w的分壓為3.5～3.8mpa。

該條件下，在高載流子濃度區(qū)域內(nèi)存在更多的結(jié)晶缺陷。這是因?yàn)椋阂灾鶢钭韵露辖Y(jié)晶生長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)中，摻雜物較多的部位存在載流子、結(jié)晶缺陷均增加的傾向。

此處所稱的結(jié)晶缺陷是指穿透位錯(cuò)(threadingdislocation)，其包括螺旋位錯(cuò)(screwdislocation)、刃型位錯(cuò)(edgedislocation)、及它們的混合位錯(cuò)(mixeddislocation)這3種。可以通過透射電子顯微鏡(tem)或者陰極發(fā)光(cl)來確認(rèn)這些位錯(cuò)。

助熔劑法中，在包含含有氮原子的氣體的氣氛下對(duì)單晶進(jìn)行培養(yǎng)。該氣體優(yōu)選為氮?dú)?，也可以為氨氣。氣氛中的含有氮原子的氣體以外的氣體沒有限定，優(yōu)選為惰性氣體，特別優(yōu)選為氬氣、氦氣、氖氣。

在上述的(1a)～(4a)的條件下，優(yōu)選保持1小時(shí)以上，更優(yōu)選保持2小時(shí)以上。

另外，還可以在(1a)～(4a)的條件下培養(yǎng)后設(shè)置像下面的(1b)～(4b)這樣的培養(yǎng)階段。

(1b)使坩堝內(nèi)的熔液的平均培養(yǎng)溫度比(1a)階段低。例如可以使坩堝內(nèi)的熔液的平均培養(yǎng)溫度為850～865℃。

(2b)通過將坩堝的上部的溫度保持在坩堝的底部的溫度以下，促進(jìn)熔液在坩堝內(nèi)的對(duì)流。例如保持坩堝的上部的溫度比坩堝的底部的溫度低0.5～1℃。

(3b)使熔液的攪拌速度為30rpm以上，并使攪拌方向定期反轉(zhuǎn)。

(4b)使含氮?dú)怏w的分壓比(4a)階段中的分壓高。例如使含氮?dú)怏w的分壓為3.9～4.2mpa。

從本發(fā)明的觀點(diǎn)考慮，優(yōu)選熔液中的13族元素氮化物/助熔劑(例如鈉)的比率(mol比率)高，優(yōu)選為18mol％以上，更優(yōu)選為25mol％以上。但是，如果該比例變得過大，則結(jié)晶品質(zhì)有下降的傾向，所以，優(yōu)選為40mol％以下。

(氣相法)

例如hvpe法的情況下，在生長(zhǎng)初期階段，使氫混合比高(例如50％以上)，使生長(zhǎng)速度慢(例如10～20微米/hr)，成為自核朝向上方優(yōu)先生長(zhǎng)的狀態(tài)。

以助熔劑法生長(zhǎng)的13族元素氮化物，在照射波長(zhǎng)330～385nm的光(例如汞燈的光)時(shí)，發(fā)出在波長(zhǎng)440～470nm處具有峰的較寬的熒光(藍(lán)色的熒光)。與此相對(duì)，通過氣相法制作的13族元素氮化物，在照射波長(zhǎng)330～385nm的光時(shí)，發(fā)出在波長(zhǎng)540～580nm處具有峰的較寬的熒光(黃色的熒光)。因此，能夠通過照射波長(zhǎng)330～385nm的光時(shí)發(fā)出的熒光的顏色來區(qū)分由助熔劑法得到的13族元素氮化物和由氣相法得到的13族元素氮化物。

(結(jié)晶層的加工及形態(tài))

如圖2(b)所示，在晶種8上形成結(jié)晶基板1后，可以在結(jié)晶基板的第一主面1a上形成規(guī)定的功能層?；蛘?，通過磨削加工、剝離法等從晶種8上除去結(jié)晶基板1，由此，如圖1(a)所示，能夠分離出結(jié)晶基板1。這種情況下，在分離得到的結(jié)晶基板1的第一主面1a上設(shè)置規(guī)定的功能層。此時(shí)，通過對(duì)結(jié)晶基板的第二主面1b實(shí)施研磨加工，能夠減少結(jié)晶基板的翹曲。

或者，對(duì)結(jié)晶基板1的表面1a進(jìn)行研磨，由此，如圖1(b)所示，能夠使結(jié)晶基板2的第一主面2a成為研磨面。另外，此時(shí)，通過對(duì)結(jié)晶基板1的第二主面1b實(shí)施研磨加工，能夠使結(jié)晶基板2的第二主面2b成為研磨面。

優(yōu)選的實(shí)施方式中，13族元素氮化物結(jié)晶層為圓形板狀，也可以為方板等其它形態(tài)。另外，優(yōu)選的實(shí)施方式中，結(jié)晶層的尺寸為直徑以上。由此，能夠提供適合功能元件的量產(chǎn)、操作容易的結(jié)晶層。

就對(duì)結(jié)晶基板的第一主面、第二主面進(jìn)行磨削、研磨加工的情況進(jìn)行說明。

磨削(grinding)是指一邊使將研磨粒子用粘合劑固定而得到的固定研磨粒子高速旋轉(zhuǎn)，一邊使其接觸對(duì)象物，對(duì)對(duì)象物的表面進(jìn)行磨削。通過這樣的磨削，形成粗糙面。在對(duì)氮化鎵基板的底面進(jìn)行磨削的情況下，優(yōu)選使用包含由硬度高的sic、al2o3、金剛石以及cbn(立方氮化硼、下同)等形成的、粒徑為10μm～100μm左右的研磨粒子的固定研磨粒子。

另外，研磨(lapping)是指使平臺(tái)和對(duì)象物間隔著游離研磨粒子(沒有被固定的研磨粒子、下同)彼此邊旋轉(zhuǎn)邊接觸，或使固定研磨粒子和對(duì)象物彼此邊旋轉(zhuǎn)邊接觸，對(duì)對(duì)象物的表面進(jìn)行研磨。通過這樣的研磨，能夠形成面粗糙度比磨削時(shí)小且比微研磨(polishing)時(shí)粗糙的面。優(yōu)選使用由硬度高的sic、al2o3、金剛石以及cbn等形成的、粒徑為0.5μm～15μm左右的研磨粒子。

微研磨(polishing)是指使研磨墊和對(duì)象物間隔著游離研磨粒子彼此邊旋轉(zhuǎn)邊接觸，或使固定研磨粒子和對(duì)象物彼此邊旋轉(zhuǎn)邊接觸，對(duì)對(duì)象物的表面進(jìn)行微細(xì)研磨而平滑化。通過這樣的微研磨，能夠形成面粗糙度比研磨時(shí)小的結(jié)晶生長(zhǎng)面。

實(shí)施例

(實(shí)施例1)

按照參照?qǐng)D1～圖2說明的順序，制作結(jié)晶基板2及橫型發(fā)光元件。

(晶種基板的制造)

使用mocvd法，在直徑2英寸、厚度500μm的c面藍(lán)寶石基板7上，于530℃沉積低溫gan緩沖層20nm，然后，于1050℃層疊厚度2μm的由gan形成的晶種膜8。通過tem(透射型電子顯微鏡)進(jìn)行觀察得到的缺陷密度為1×10⁹/cm²。用有機(jī)溶劑、超純水分別超聲波清洗10分鐘后，進(jìn)行干燥，將其作為晶種基板。

(結(jié)晶基板的生長(zhǎng))

在填充有惰性氣體的手套箱中，按摩爾比20：80稱量金屬ga和金屬na，與晶種基板一同配置在氧化鋁制坩堝的底部。進(jìn)而，作為摻雜物，添加相對(duì)于ga而言為1mol/cm³的量的液體鍺原料。將3個(gè)該坩堝堆起來，在最上面的坩堝上蓋上氧化鋁制蓋子。將這些坩堝收納在不銹鋼制保持容器(內(nèi)部容器)中，再將4個(gè)收納有多個(gè)坩堝的該內(nèi)部容器堆起來，收納在不銹鋼制保持容器(內(nèi)容器)中。

接下來，通過使設(shè)置在耐壓容器內(nèi)部的加熱器發(fā)熱，使坩堝內(nèi)的原料熔解，產(chǎn)生ga－na混合熔液。一邊加熱使坩堝溫度為880℃，一邊從氮?dú)馄恐袑?dǎo)入氮?dú)庵敝?.8mpa，開始結(jié)晶生長(zhǎng)。5小時(shí)后，將坩堝溫度經(jīng)20小時(shí)降溫至850℃，使壓力變?yōu)?.0mpa，同時(shí)開始通過旋轉(zhuǎn)臺(tái)的連續(xù)反轉(zhuǎn)進(jìn)行攪拌，使其進(jìn)行結(jié)晶生長(zhǎng)。旋轉(zhuǎn)條件如下：使其以30rpm的速度繞著中心軸以一定周期的順時(shí)針和逆時(shí)針進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。加速時(shí)間＝6秒、保持時(shí)間＝200秒、減速時(shí)間＝6秒、停止時(shí)間＝1秒。在該狀態(tài)下保持24小時(shí)。gan結(jié)晶的厚度增加了約300微米。

通過對(duì)得到的結(jié)晶基板1的表面1a進(jìn)行研磨加工，使厚度為150微米。通過陰極發(fā)光(以下簡(jiǎn)稱為cl)法測(cè)定表面的100微米見方區(qū)域中的黑點(diǎn)密度，結(jié)果為2×10⁵/cm²。將該黑點(diǎn)密度作為缺陷密度。通過霍爾測(cè)定來測(cè)定從該結(jié)晶板上切出為6mm見方的樣品的載流子濃度，結(jié)果為5×10¹⁸/cm³。

另外，由汞燈對(duì)得到的氮化鎵結(jié)晶基板照射波長(zhǎng)330～385nm的光時(shí)，發(fā)出在440～470nm處具有峰的較寬的熒光(藍(lán)色的熒光)。

(晶片的制作)

然后，對(duì)基板進(jìn)行激光剝離加工，將支撐基板7及晶種膜8從結(jié)晶基板1上分離出來。通過機(jī)械加工及干法刻蝕對(duì)結(jié)晶基板1的兩面1a、1b實(shí)施平坦加工，制作厚度250μm的2英寸晶片(結(jié)晶基板)2。

利用cl觀察該結(jié)晶基板2的截面結(jié)構(gòu)。結(jié)果，分為明亮發(fā)光的區(qū)域5和較暗區(qū)域4，在截面處進(jìn)行觀察時(shí)可知均以條紋狀生長(zhǎng)。另外，在明亮發(fā)光的區(qū)域5的中心部確認(rèn)到起因于位錯(cuò)集中部的暗線。明亮發(fā)光的區(qū)域5的缺陷密度為2～5×10⁸/cm²，載流子濃度為1×10¹⁹/cm³。發(fā)光強(qiáng)度較弱的區(qū)域4的缺陷密度大體均勻，為2×10⁶/cm²，載流子濃度為5×10¹⁷/cm³。

應(yīng)予說明，關(guān)于載流子濃度，使用預(yù)先通過渦流方式測(cè)定判明的5個(gè)樣品(1×10¹⁷/cm³、5×10¹⁷/cm³、1×10¹⁸/cm³、5×10¹⁸/cm³、1×10¹⁹/cm³)進(jìn)行cl測(cè)定，將其圖像的亮度以8位色(255個(gè)色階)進(jìn)行圖像處理，對(duì)于載流子濃度與cl圖像的亮度的關(guān)系，制作校正曲線。使用校正曲線，計(jì)算出載流子濃度。

(發(fā)光元件的制作)

使用得到的結(jié)晶基板，利用mocvd法制作led結(jié)構(gòu)，然后，形成電極圖案，對(duì)背面進(jìn)行背面拋光(backpolishing)。背面拋光后的結(jié)晶基板的厚度為70微米。然后，通過切割(dicing)制作1mm見方的橫型結(jié)構(gòu)的藍(lán)色led。測(cè)定350ma驅(qū)動(dòng)時(shí)的內(nèi)部量子效率，結(jié)果得到約80％的高值。發(fā)光強(qiáng)度在面內(nèi)是均勻的。進(jìn)而，使驅(qū)動(dòng)電流增加至1000ma，測(cè)定其內(nèi)部量子效率，結(jié)果維持65％的高值。另外，施加2v時(shí)的漏電流低至5na。

另外，使用得到的結(jié)晶基板，利用mocvd法制作led結(jié)構(gòu)，然后，形成電極圖案，對(duì)背面進(jìn)行背面拋光。背面拋光后的結(jié)晶基板的厚度為70微米。然后，通過切割制作1mm見方的縱型結(jié)構(gòu)的藍(lán)色led。

關(guān)于得到的縱型led元件，測(cè)定350ma驅(qū)動(dòng)時(shí)的內(nèi)部量子效率，結(jié)果得到約75％的比較高的值，但發(fā)光強(qiáng)度在面內(nèi)不均勻。進(jìn)而，使其增加至1000ma測(cè)定其內(nèi)部量子效率，結(jié)果降低至55％，發(fā)光強(qiáng)度不均更加明顯。另外，施加2v時(shí)的漏電流為0.1μa，較大。

由以上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：基底層的明亮發(fā)光區(qū)域5中的缺陷集中部構(gòu)成漏電流的原因。

(實(shí)施例2)

與實(shí)施例1同樣地得到晶種基板。通過氣相法在該晶種基板上制作結(jié)晶基板。

(氣相法gan結(jié)晶生長(zhǎng))

iii族原料使用鎵(ga)和氯化氫(hcl)的反應(yīng)生成物、即氯化鎵(gacl)，v族原料使用氨氣(nh3)，通過氫化物vpe法培養(yǎng)氮化鎵結(jié)晶。將晶種基板放置在氫化物vpe的生長(zhǎng)裝置中，在氨氣氛下升溫到生長(zhǎng)溫度1000℃。生長(zhǎng)溫度穩(wěn)定后，以40cc/分鐘的流量供給hcl，以1000cc/分鐘的流量供給nh3、并且以0.01cc/分鐘的流量供給硅烷(sih4)，使n型的gan結(jié)晶進(jìn)行生長(zhǎng)。

在該狀態(tài)下保持4小時(shí)，在氨氣氛下冷卻至常溫，從生長(zhǎng)裝置中取出，結(jié)果gan結(jié)晶生長(zhǎng)了約300微米。

通過對(duì)得到的結(jié)晶基板1的表面1a進(jìn)行研磨加工，使厚度為250微米。利用cl法測(cè)定表面的黑點(diǎn)密度，結(jié)果為8×10⁶/cm²。將該黑點(diǎn)密度作為缺陷密度。通過霍爾測(cè)定來測(cè)定從該結(jié)晶基板上切出為6mm見方的樣品的載流子濃度，結(jié)果為5×10¹⁸/cm³。

(晶片的制作)

然后，對(duì)基板進(jìn)行激光剝離加工，將支撐基板7及晶種膜8從結(jié)晶基板1上分離出來。通過機(jī)械加工及干法刻蝕對(duì)結(jié)晶基板1的兩面1a、1b實(shí)施平坦加工，制作厚度250μm的2英寸晶片(結(jié)晶基板)2。

利用cl觀察該結(jié)晶基板2的截面結(jié)構(gòu)。結(jié)果，分為明亮發(fā)光的區(qū)域5和較暗區(qū)域4，在截面處進(jìn)行觀察可知均以條紋狀進(jìn)行生長(zhǎng)。另外，在明亮發(fā)光的區(qū)域5的中心部確認(rèn)到起因于位錯(cuò)集中部的暗線。明亮發(fā)光的區(qū)域5的缺陷密度為2×10⁸/cm²，載流子濃度為2×10¹⁹/cm³。發(fā)光強(qiáng)度較弱的區(qū)域5的缺陷密度大體均勻，為5×10⁵/cm²，載流子濃度為8×10¹⁷/cm³。

另外，由汞燈對(duì)得到的氮化鎵結(jié)晶板照射波長(zhǎng)330～385nm的光時(shí)，發(fā)出在540～580nm處具有峰的較寬的熒光(黃色的熒光)。

(發(fā)光元件的制作)

使用得到的結(jié)晶基板，利用mocvd法制作led結(jié)構(gòu)，然后，形成電極圖案，對(duì)背面進(jìn)行背面拋光。背面拋光后的結(jié)晶基板的厚度為70微米。然后，通過切割制作1mm見方的橫型結(jié)構(gòu)的藍(lán)色led。測(cè)定350ma驅(qū)動(dòng)時(shí)的內(nèi)部量子效率，結(jié)果得到約80％的高值。發(fā)光強(qiáng)度在面內(nèi)是均勻的。進(jìn)而，使驅(qū)動(dòng)電流增加至1000ma測(cè)定其內(nèi)部量子效率，結(jié)果維持65％的高值。另外，施加2v時(shí)的漏電流低至5na。

另外，使用得到的結(jié)晶基板，利用mocvd法制作led結(jié)構(gòu)，然后，形成電極圖案，對(duì)背面進(jìn)行背面拋光。背面拋光后的結(jié)晶基板的厚度為70微米。然后，通過切割制作1mm見方的縱型結(jié)構(gòu)的藍(lán)色led。

關(guān)于得到的縱型led元件，測(cè)定350ma驅(qū)動(dòng)時(shí)的內(nèi)部量子效率，結(jié)果得到75％的比較高的值，但發(fā)光強(qiáng)度在面內(nèi)不均勻。進(jìn)而，使其增加至1000ma測(cè)定其內(nèi)部量子效率，結(jié)果降低至55％，發(fā)光強(qiáng)度不均更加明顯。另外，施加2v時(shí)的漏電流為1μa，較大。