CN1240304A - GaN单晶衬底及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种面积大、弯曲小的独立的GaN单晶衬底。在GaAs(111)衬底上形成具有交错式窗或条纹窗的掩模,用HVPE法或MOC法,在低温下形成GaN缓冲层,用HVPE法在高温下形成厚的GaN外延层,将GaAs衬底除去。将GaN独立膜作为种晶,用HVPE法使GaN加厚,制成GaN晶锭。利用切片机切断晶锭,并研磨,制成透明无色、弯曲小的GaN晶片。

Description

GaN单晶衬底及其制造方法
本发明涉及使用III-V族氮化物半导体(GaN系列)的发光二极管(LED)或激光二极管(LD)等蓝色发光元件用的GaN单晶衬底及其制造方法。
图1表示能成为GaN生长用的衬底的材料与GaN的晶格常数和热膨胀系数的比。对蓝宝石(Al2O3)、SiC、Si、GaAs、ZnO等进行衡量比较。迄今都采用使GaN薄膜等在蓝宝石衬底上进行外延生长，制成氮化物系列半导体发光器件或GaN系列发光器件。蓝宝石(Al2O3)衬底在化学上稳定，还有耐热性。通过形成其晶格常数与GaN相差16％左右的物质的缓冲层，GaN在该缓冲层上外延生长。由于有这样的优点，所以使用蓝宝石衬底。附加有GaN等的薄膜的蓝宝石衬底，就能直接作为LED、LD用。就是说是一种蓝宝石和GaN的复合元件。它是实用元件，蓝宝石衬底上的GaN系列LED市场上有售。另外GaN系列LD可以说市场上不久就会有售。
蓝宝石和GaN的晶格常数不一致。虽然如此，实用的GaN元件还是在蓝宝石衬底上生长。这是因为逐渐引起晶格常数的缓解。图2是表示蓝宝石上的GaN膜的厚度和晶格常数变化的关系曲线。随着膜厚的变化，晶格常数也逐渐变化。作为衬底，目前还是蓝宝石为最好。现在批量生产的全都具有GaN/Al2O3结构。这样的结构例如在下列文献中有说明：
①特开平5-183189号
②特开平6-260680号。
可是，蓝宝石衬底也存在问题。蓝宝石衬底上的GaN外延层的缺陷密度极高。这大概是由晶格失配造成的。缺陷密度怎么说也有109cm-2。可以说缺陷松散。可是，尽管如此，GaN-LED寿命不短。真是一种不可思议的材料。所以高密度缺陷想必是结晶学上的问题，但作为LED，可以说实际上没有太大问题。可是，作为LD，出现问题的可能性很大。
但是在蓝宝石中也有几个机械方面的难点。蓝宝石(Al2O3)在化学上稳定，硬度大。化学上稳定，看起来还可以，但实际上并不是那样。只将衬底刻蚀出去，留下GaN。最难的是劈开性。在于太硬。将GaN/蓝宝石衬底分割成LED芯片时分割加工难。由于不能自然分开，所以用刀之类的工具进行破坏性切断。有破损，成品率低。另外，用抛光剂将蓝宝石从GaN/蓝宝石衬底上除去，报告了进行实验的实例。
③S.Nakamura等，J.J.Appl.Phys.vol.37，Part2，No.3B(1988)，ppL309-L312当前处于实验阶段。
为了容易切割，考虑了将SiC之类的有劈开性的材料作为衬底。例如在，
④A.Kuramate等，J.J.Appl.Phys.vol.36，Part 2 No.9A/B(1997)，PP L1130-L1132中提出了SiC衬底GaN元件。可是SiC也有问题。化学上稳定，制作用的处理温度为1500℃以上。SiC衬底本身的制造难。另外目前尚处于开发阶段。因而衬底的价格高，使得GaN发光元件的成本高。实际上SiC不大可能用作GaN发光元件。
不管怎样，现有的GaN元件是在不同种类的衬底上使GaN生长，由于不除去衬底，所以仍带有蓝宝石。是一种复合器件。
为了使GaN在衬底上外延生长，必须将衬底加热到1000℃以上的高温。如果达不到这样的高温，就不能引起气相反应。在使GaN等的外延层生长后降温时，会出现由于薄膜和衬底的热膨胀系数不同而产生的影响。热膨胀系数是温度的函数，不是常数。所以如果简单地进行一下概略的比较，能得出以下的结果。设GaN的热膨胀系数为1，则GaAs的热膨胀系数约为1.08倍，SiC的热膨胀系数约为0.87倍，蓝宝石的热膨胀系数约为1.36倍。
薄膜、衬底之间的热膨胀系数的不同所产生的第一个问题是在GaN薄膜上产生热应力，在GaN薄膜上出现微小裂缝。热膨胀系数的不同所产生的第二个问题是冷却时发生弯曲。全体晶片受弯曲的影响而变形。特别是在使GaN的厚度生长的情况下，这些问题特别显著，如上所述，即使通过研磨将蓝宝石衬底除去，由于弯曲也不能获得大面积的GaN衬底。只报告了顶多为数mm见方的GaN衬底。在工业上无论如何也不能利用。
以前还进行了将GaAs作为衬底，使GaN生长的试验。可是GaAs衬底上有缺陷。生长时在高温气氛下As从GaAs表面蒸发。GaAs与氨反应。由于这样的原因，不可能在GaAs衬底上制造出优质的GaN晶体。因此使GaN在GaAs衬底上生长几乎没有希望。
现在保留下来的只有GaN/蓝宝石元件。可能就是使蓝宝石衬底法更纯化的几种开发。不管位错密度多高都可以，可以说LED寿命长，如果位错密度低，也许寿命长。其中蓝色LD的寿命迄今还不能满足。这也许是存在的高密度缺陷造成的。进一步试验了在蓝宝石衬底上生长缺陷更低的GaN。
⑤电子信息通信学会论文志C-II，vol.J81-C-II，p58～64
它是在蓝宝石衬底上形成条纹状的掩模，在该掩模上使GaN进行厚膜生长获得的。GaN生长不久便从被条纹沿横向分离的面越过条纹互相连接起来。有关于通过这样的条纹生长，使得缺陷密度大幅度减少的报告。缺陷密度减少是一个成果。可是，蓝宝石衬底上条纹生长法对于其他问题的解决没有什么结果。始终是蓝宝石上的生长，仍带有蓝宝石衬底。没有解决坚固难劈开的问题。由于难劈开，所以切割工序难，成品率低。由于仍带着蓝宝石，所以有热膨胀系数的差，致使GaN单晶上产生位错、以及许多微小裂缝。另外不能忽视弯曲。还存在由于弯曲而不适合于晶片加工的问题。
热膨胀系数不同、晶格常数不同的材料的使用常常受到限制。最理想的衬底是GaN衬底。不管怎么说也是GaN衬底好。可是不存在大的GaN衬底。作为晶片适合于半导体制造工序的晶片直径必须在一英寸以上，最好在两英寸以上。然而没有那么大的GaN衬底。
为了生长大型晶体，虽然有丘克拉斯基法、布里兹曼法等，但都是从某种原料熔液凝固成固体。由于能从熔液出发，所以能制造大的单晶。可是GaN只有加热才能变成熔液。升华会变成气体。少量的GaN添加到Ga中，在数万气压的超高压下加热，才能呈Ga-GaN熔液。可是能呈超高压的空间极其狭窄。在狭窄的空间不可能制作大的晶体。若制造大型的超高压装置，成本太高，不现实。由于不适用制造大型晶体的方法，所以至今不能制造大型的GaN，也就不存在GaN衬底。
利用薄膜生长法制作GaN薄膜。不管那一种方法都是从气相到固相的反应。在蓝宝石衬底上生长GaN薄膜的方法已知有以下4种。
1.HVPE法(氢化物气相生长法：Hydride Vapor PhaseEpitaxy)
2.MOC法(有机金属氯化物气相生长法：metallorganicchloride method)
3.MOCVD法(有机金属CVD法：metallorganic chloridevapor deposition)
4.升华法
MOC法是在热壁型炉内，使三甲基镓TMG等Ga的有机金属和HCl气体反应，一旦生长GaCl，就与在衬底附近流动的氨气NH3反应，在加热的衬底上使GaN薄膜生长。实际上将氢作为运载气体，输送有机金属气体、HCl气体。由于使用有机金属作为Ga原料，所以碳作为杂质混入GaN中。由于碳的作用而呈黄色。难以获得无色透明的GaN晶体。由于碳的作用，载体浓度(自由电子)增加，电子移动度下降。由于碳的作用，电气特性变坏。虽然有机金属氯化物气相制法是一种好的方法，但还有这样的缺点。
MOCVD法作为GaN薄膜生长法是用得最多的一种方法。在冷壁型反应炉中，将TMG等Ga的有机金属和氨NH3与氢气一起被送到加热的衬底上。在衬底上TMG和NH3反应，生成GaN薄膜。该方法由于使用大量的气体，原料气的回收率低。在形成象发光层那样的薄层的情况下，不知会不会成为大问题。可是如本申请所述，假定制作厚的GaN衬底，该问题将成为很大的难点。另外与MOC法一样，存在碳混入的问题。呈黄色。碳成为n型杂质放出电子。这样一来，移动率低。电气特性变坏。有这样的难点。
HVPE法使用金属Ga作为Ga原料。在热壁型炉内设有存蓄Ga用的容器，放入Ga金属。Ga的熔点低，在30℃以上就变成熔液。如果将氢气、HCl气体注入其中，便生成氯化镓。利用运载气体H2将GaCl输送到衬底附近，与氨反应，GaN淀积在衬底表面上。该方法在所使用的金属Ga原料中不包含碳。由于碳不混入薄膜中，所以不被染色。还具有电子移动率也不降低等优点。
GaN单晶最适合于制作GaN发光元件用的衬底。至今还没有大型GaN衬底。本发明的第一个目的在于提供一种能制成衬底的具有大面积的能独立的GaN晶体。本发明的第二个目的在于提供一种不弯曲的GaN衬底。本发明的第三个目的在于提供一种不含碳的无色透明的GaN衬底。但根据生长条件的不同，有时蒸汽压大的As被取入GaN单晶中，呈淡茶色。本发明的第四个目的在于提供一种制造GaN单晶晶锭，将它切成薄片，制造多个晶片的方法。
在GaAs(111)单晶衬底上，形成具有沿[11-2](注：-2即2，下同)方向等间隔地、且沿[-110]方向等间隔地分布的窗的掩模，在低温下在掩模上的窗的部分生长GaN缓冲层，接着升至高温，利用HVPE法，在缓冲层上和掩模上使GaN层进行外延生长，将GaAs衬底除去，制成GaN单晶衬底。这是制作一个衬底的方法。或者将该单晶衬底作为晶种，再在它上面形成厚的GaN外延层，作为至少具有10mm厚的GaN晶锭，将它切断或劈开，制成多个GaN衬底。这是本发明的GaN衬底的制造方法。利用王水能将GaAs衬底刻蚀除去。再将GaN表面研磨平滑。利用这样的作为薄膜的制造方法的外延生长法，制作大型晶体。
本发明的GaN晶体的最大特征在于它的大小。在本发明中，GaN衬底为圆形时，直径在1英寸以上，最好在2英寸以上。为了在工业上低成本地制造LED等发光元件，GaN衬底大者好。GaN衬底为方形时，最好是20mm见方以上。如果作为起始材料的GaAs衬底大，则能制造大面积的GaN晶体。
GaN衬底的厚度必须是能独立便于进行处理。因此最好为50μm～1mm。即使超过1mm，也能制造半导体，但晶片本身的价格变高。50μm以下的厚度时，不能保持本身的形状。厚度最好为70μm～1mm。
用这些方法制作的GaN衬底弯曲。在GaN衬底单晶中由于有内部应力，所以发生弯曲。在制作器件的晶片加工中，弯曲将成为重大的障碍。有必要降低衬底的弯曲。用这些方法进行GaN制作的最大课题是“减少弯曲”。为了减少弯曲，本发明者改良了生长过程，新提出了研磨衬底。
(1)改善生长过程…在掩模形状上下工夫的横向生长。
(2)研磨…如果多少有些厚度，即使弯曲，通过研磨能平坦化。
(3)表面研磨…通过对弯曲进行研磨，能使表面偏移规定的结晶方位。为了纠正结晶方位偏移，也有必要进行表面掩模。表面粗糙大时也进行表面研磨。经过这样处理，本发明者们在原来存在稍微弯曲的状态下，规定经过研磨处理的表面结晶方位的偏移，明确了作为GaN单晶衬底所应具有的结晶方位的偏移。
采用HVPE法是为了在原料中不含有碳。由于GaN中不含有碳，所以几乎不呈黄色。不会由于碳的作用、电子作为载体，电子移动度下降。由于碳不进入，所以GaN呈无色透明的晶片。实际上如果将本发明的GaN晶片放在字符上，则底层上的字符透明可见。好象玻璃似的。没有来自原料的混入。可是，由于从GaAs衬底一侧蒸发的As等的混入，有时带有淡黄色、浅茶色、暗灰色。可是由于掩模层和缓冲层防止了来自GaAs衬底的As的蒸发，所以As混入GaN中的量极少。该量在1017个cm-2以下。如果As的量多，则GaN的结晶性不好。在LED的情况下，As的特性劣化。可是如果采用HVPE法，就不必有这种担心。
图1是在x、y坐标上表示使GaN晶体生长用的衬底材料和GaN的热膨胀系数、晶格常数的差的曲线图。
图2是表示在蓝宝石衬底上使GaN外延生长时，通过改变GaN膜厚，使晶格常数圆滑地变化的曲线图。
图3是将交错型点状窗掩模固定在GaAs(111)A面上的平面图。
图4是在从掩模窗露出的部分上使GaN缓冲层外延生长的状态的平面图。
图5是表示使GaN在掩模、缓冲层上再进行外延生长后与来自相邻窗的晶体相遇后的状态的平面图。
图6(1)是表示将掩模载于GaAs衬底上，使GaN缓冲层、GaN外延层生长，将GaAs衬底刻蚀除去的工序的工序图，在GaAs(111)衬底上形成了掩模的工序图。
图6(2)是表示将掩模载于GaAs衬底上，使GaN缓冲层、GaN外延层生长，将GaAs衬底刻蚀除去的工序的工序图，在未用掩模覆盖的部分上使缓冲层生长的工序图。
图6(3)是表示将掩模载于GaAs衬底上，使GaN缓冲层、GaN外延层生长，将GaAs衬底刻蚀除去的工序的工序图，在缓冲层、掩模上使GaN外延层生长的工序图。
图6(4)是表示将掩模载于GaAs衬底上，使GaN缓冲层、GaN外延层生长，将GaAs衬底刻蚀除去的工序的工序图，将GaAs衬底除去而成GaN的独立膜的状态的图。
图7(1)是表示在GaN衬底上再使GaN的厚度生长制成GaN晶锭，将其切断而制成晶片的工序图，在GaN衬底上加厚了的GaN晶锭的图。
图7(2)是表示在GaN衬底上再使GaN的厚度生长制成GaN晶锭，将其切断而制成晶片的工序图，用内周刀切片机将晶锭切断成切割晶片的状态的图。
图7(3)是表示在GaN衬底上再使GaN的厚度生长制成GaN晶锭，将其切断而制成晶片的工序图，切出的晶片的图。
图8是HVPE装置的简略剖面图。
图9是表示在GaAs衬底上使GaN生长了的复合衬底受热应力作用而弯曲的状态的剖面图。
图10是表示假使内部应力为0，将GaAs除去后的GaN呈平坦状态的剖面图。
图11是表示假使GaN本身内部存在内部应力，即使将GaAs除去后还存在变形的剖面图。
图12表示GaN晶片的弯曲的定义的图。表示直径为50mm的晶片的中央部分上升最大处为H的弯曲情况。
图13(A)表示气流量为1800sccm～900sccm、Ga分压为1kPa的一群的膜厚和内部应力的测定值分布图，(B)表示气流量为900sccm、Ga的分压为2kPa的一群的膜厚和内部应力的测定值分布图。黑点是表面粗糙的B群。白点是表面平滑的A群。
图14表示上述的A群试样(6个)和B群试样(5个)的膜厚和曲率半径的分布的图。黑点是B群，白点是A群。
图15(a)是表示在有弯曲的GaN晶片中，衬底面法线和晶体面法线定义的图，在弯曲状态下衬底面法线和晶体面法线一致的情况。
图15(b)是表示在有弯曲的GaN晶片中，衬底面法线和晶体面法线定义的图，表示将凸面研磨成平坦面，衬底面法线变得平行，晶体面法线呈原来的扇形。
图15(c)是表示在有弯曲的GaN晶片中，衬底面法线和晶体面法线定义的图，在衬底面内，晶体面法线摇动的定义的图。
图16是表示有弯曲的直径为2英寸的晶片的端部的弯曲的角度⊙和弯曲的曲率半径的关系的曲线图。横轴表示曲率半径(mm)，纵轴表示端部的弯曲角。
图17是表示使用条纹状掩模和点状掩模时内部应力的各向异性的测定结果的曲线图。
从GaAs衬底开始进行本发明的GaN的制造。不使用蓝宝石。蓝宝石衬底以后难以除去。可是，GaAs能用王水，花费一定时间将其除去。如前面所述，使用GaAs衬底是从1970年开始试验的，因暂时没看到成果而被放弃。为什么现在又采用这个方法了呢？是因为本发明者重新发现在GaAs衬底上采用横向生长法这个有利的薄膜生长法。该方法是利用具有交错状的窗的掩模覆盖GaAs衬底，是一种从独立的窗使GaN独立地生长的方法。本发明者等开发的该方法是在GaAs衬底上实现GaN。这一点在特愿平10-078333号中进行了说明。
GaN是正六方晶系。(0001)面有六次对称性。GaAs是立方晶系，所以(100)或(110)面不具有三次对称性。因此将GaAs(111)A面或B面作为衬底用。这是与有三次对称性的轴正交的面。所谓A面是指Ga原子露出的面。B面是As原子露出的面。
图3表示横向生长中使用的掩模的一部分。掩模可以是不直接带有GaN的Si3N4或SiO2等。掩模厚度为100nm～数百nm。是具有等间隔的窗的掩模。窗呈小正方形。是数微米的小窗。它可以呈圆形、三角形、椭圆形、六边形等。由于是微细加工，所以固或椭圆容易加工。排列方式很重要。沿[11-2]方向排成列。间隔为L。沿与其正交的[-110]方向相邻的列错开半个间隔。与相邻的列之间的距离为d。最好为d＝31/2L/2。就是说窗最好配置在正三角形的顶点。例如使窗呈每边为2微米的正方形，窗间距L为6微米，列间隔d为5微米。这样呈正三角形分布的窗好的原因在于：如图5所示，从相邻的窗生长的GaN同时在边界处连接。可是，d或L也可以多少偏离上式。将这样的独立的窗排列成平行点列的形式称为点型或点式。
另外，即使是具有平行连续窗的条纹状的窗的掩模，也能使GaN生长。如果采用条纹状的窗，其优点在于全部掩模面达到覆盖GaN的时间短。但仍然有缺陷多、弯曲大的倾向。
越过带窗的掩模使GaN生长的横向生长法具有以下的意思。由于掩模与GaN不直接结合，所以基底上的GaAs和薄膜GaN只在窗部分结合。通常在GaN生长的情况下，在缓冲层上进行许多核生长，互相紧密地结合生长。这时导致许多缺陷。可是如本发明所述，在有掩模的情况下，不妨碍超出掩模横向生长的部分。由于不妨碍，所以可以认为几乎进行无缺陷地生长。由于连接面积小，所以在高温下生长后，即使温度下降，也能使热应力缓和。与全部面积结合的情况相比，与窗相关的横向生长层的热应力变得非常小。因此窗怎样排列分布都可以。不仅如此，如图5所示，窗的分布最好是使正六边形同时接触，以后能以均匀的厚度生长。另外图4、图5中的正六边形表示六角锥晶体的底部形状。
为了附加掩模，将掩模材料被覆在全部GaAs衬底上，利用光刻法等间隔地开设窗。图6(1)中的剖面图示出了该状态。
然后用较低的温度450℃～500℃，采用HVPE法形成数十nm～100nm的薄的GaN缓冲层。由于比掩模薄，所以缓冲层独立地存在于窗内。图(2)示出了该状态。
使温度达到800℃～1050℃的高温，用HVPE法形成GaN外延层。这时缓冲层结晶化。如图4所示，在独立的窗中产生核的GaN结晶通常形成六角锥。核发生后，六角锥逐渐沿高度方向和底部侧向生长。底面呈六边形扩展而将窗盖住。不久GaN便越过掩模扩展。它继续保持六角锥的形状。如图5所示，来自相邻窗的结晶接触后向上生长。由该外延生长层的厚度决定衬底晶体的大小。一个晶片具有的厚度为70微米～1mm即可。它呈图6(3)所示的状态。由于取上述的生长过程，所以生长表面呈打毛的玻璃面状态。为了透明必须进行研磨。
再用王水将GaAs部分刻蚀掉。将掩模部分研磨掉。呈图6所示的状态。这是一个GaN晶体。透明而独立。如果只制作一个晶片的话，则到此结束。
如果想再制作多个晶片的话，那么将该衬底作为种晶，再进行外延生长。图7(1)表示用HVPE法在GaN衬底上外延生长厚的GaN。成为圆柱形的GaN晶锭。厚度为10mm以上。通过将支撑构件固定在侧面，利用内周刀切片机等一个一个地切出晶片。将其示于图7(2)。对切刀切割的晶片研磨后，如图7(3)所示，制成透明平滑的GaN晶片。在此情况下As不混入GaN晶体。
用图8说明本发明中在外延生长中使用的HVPE法。圆筒形的加热器2围绕在纵向长的反应炉1上。在反应炉1的顶部有原料气导入口3、4。从原料气导入口3导入原料气HCl+H2。H2是运载气体。在其正下方有Ga容器5。将金属Ga收存在这里。由于熔点低，经加热而成Ga熔液6。将HCl导入Ga熔液后，引起 的反应，生成氯化镓GaCl。该GaCl和运载气体H2在反应炉的空间被运到下方。原料气导入口4在更下方开口。氨NH3+氢H2的混合气体从这里被导入反应炉内。由GaCl和NH3引起 的反应。
利用轴8升降旋转自如地设置着基座7。GaAs衬底9或GaN衬底被放置在基座7上。衬底被加热，气相反应的生成物GaN附着在衬底上。排放的气体从排气口10排出。HVPE法将Ga金属作为原料。而且将GaCl作为中间生成物。这是它的一个特征。
外延生长必须使原料成为气体，但没有含Ga的气体。Ga本身在30℃以上时为液体。为了成为气体，使用有机金属的方法有MOC法、MOCVD法。虽然变成气体，由于含有碳，所以碳作为杂质混入GaN晶体中。与此不同，HVPE法是加热Ga，将其变成液体，与HCl反应，生成GaCl。GaCl被大量的氢气作为气体运载。由于不使用有机金属，所以碳不会作为杂质进入晶体中，这是它的一个优点。
采用本发明制作的GaN单晶衬底虽然未掺杂，但它是n型的。载流子浓度为1×1016cm-3。本发明者发现具有n型传导性的物质在原料气中含有微量的氧。使用制作的高纯度的原料，HVPE法通过控制炉中的氧分压，能将载流子浓度控制在1×1016cm-3～1×1020cm-3的范围内。通过控制氧分压，能将电子移动度调整在80cm2/Vs～800cm2/Vs的范围内。比电阻能控制在1×10-4Ωcm～1×10Ωcm的范围内。在即使不控制氧分压，使用低纯度原料时，即使不掺杂，载流子浓度增加，电子移动度变小。载流子浓度随生长条件而变化，但最好在1×1017cm-3～1×1019cm-3的范围内。比电阻最好在5×10-2Ωcm以下的范围内。
这样制作的GaN衬底具有良好的特征。是一种大的独立膜，具有透明、无色等性质。但由于生长条件的不同，有时带有黄色、浅茶色、暗灰色。作为光器件用衬底，重要的条件是光的吸收少。因此要求无色、透明。作为GaN衬底这一点是重要的。根据Lambert-Beer规则，衬底的透明度由下式给出：
I＝I0exp(-αx)
式中，I0是入射光的强度，I是观测光的强度，α是吸收系数，x是衬底的厚度。α越小，表示光的透射率越大，越透明。由本发明获得的GaN衬底的吸收系数在400nm～600nm之间，较小，GaN衬底对这些波长的光具有较高的透明度。测定了经过两面研磨的GaN衬底的吸收系数。如果采用本发明，则容易获得该波长段的吸收系数为120cm-1以下的衬底。另外还制造了吸收系数为80cm-1以下的衬底。作为光器件用衬底，吸收系数越小越好。可是这并不够，仍存在问题。问题在哪呢？在于变形和内部应力的问题。内部应力大，弯曲就大，给光刻等晶片加工带来障碍。
使GaN在加热了的GaAs衬底上生长，在常温下从装置中取出复合体。由于热膨胀系数不同，所以由降温引起不同的形变。如图9所示，GaN/GaAs复合体弯曲。在GaN中发生应力。在GaAs中也发生反方向的应力。有两种应力。它们是热应力和本征应力。热应力是由于热膨胀系数不同的两种性质不同的材料粘贴时由于温度变化引起的应力。
如果仅仅是热应力，则将GaAs衬底除去后，热应力也就消失。因此如图10所示，GaN应是平坦的。如果是本征应力，情况就不同了。将GaAs衬底除去后，GaN上仍有应力。因此如图11所示，GaN本身变形。该弯曲与GaAs无关，表面和背面的应力不同，是由于厚度方向的应力倾斜所致。
以往GaN不能在GaAs衬底上很好地生长，就是因为本征应力大。包含热应力的内部应力过大，造成GaN有很多的缺陷，会剥落。减小本征的内部应力的方法实际上就是前面所述的使用掩模的横向生长法。在掩模上形成许多独立的窗，从这里生长GaN缓冲层，再重叠外延层生长。内部应力的原因可以认为在于位错等缺陷。在横向生长法中，由于利用掩模，与位错分离，所以在掩模上生长的部分缺陷少，因此能减少GaN的内部应力。
是这样吗，其实仍然有内部应力。因此GaN衬底仍有弯曲。如果弯曲大，不能进行晶片加工。必须对弯曲进行评价，确定所允许的弯曲的上限。
图12表示弯曲的测定法或表示方法的定义。制造直径一定的晶片，在平坦的台上测定中心隆起H。例如换算成直径为2英寸的晶片，求出中心隆起H。H是一种测定方法即表示法。
弯曲可以用晶片弯曲的曲率ξ或曲率半径R来定义。能用R＝D2/8H、或ξ＝8H/D2进行换算。D是晶片直径，在2英寸的晶片的情况下，D＝50mm。
弯曲或挠曲由于表现在外部，所以能直接测定。而内部应力潜在于内部，所以不能简单地测定。
圆片的曲率为δ，挠曲时的内部应力由下式给出 σ = E b 2 δ 3 ( 1 - ν ) I 2 d     (式1)
σ是内部应力，E是弹性模量，ν是泊松比，b是衬底的厚度，I是衬底直径，δ是挠度(相当于H)。I＝50mm时，在上述定义中δ＝H。这是根据挠度计算薄膜的内部应力的Stoney公式。只要制成薄膜即可(因为GaN为单层)，设d＝b σ = Edδ 3 ( 1 - ν ) I 2     (式2)
利用该式，根据挠度δ，计算了σ。该应力值σ可以解释为将弯曲的衬底平坦化后的内部应力值。弯曲、曲率半径、以及内部应力的关系如下。衬底厚度一定时，内部应力越大，弯曲越大，曲率半径越小。内部应力一定时，衬底厚度越厚，弯曲越小，曲率半径越大。本发明者们关于GaN衬底，提出了在衬底上加工器件的容易程度、衬底强度，研究了弯曲、曲率半径、内部应力的允许范围。
根据晶片的厚度，改变为适当的值，但一般来说，
1.曲率半径R：600mm以上(曲率为1.67×10-3mm-1以下)
2.弯曲H(直径为50mm)：0.55mm以下
3.内部应力σ：7Mpa以下
就是说，本发明者对晶片设置的条件为：R≥600mm，H≤0.55mm，σ≤7Mpa。另外内部应力σ最好在3Mpa以下。曲率半径在750mm以上更好。
在本发明中，除了制造一个GaN衬底的方法以外，还采用将GaN衬底作为种晶，在它上面进行GaN厚度的外延生长，制造单晶晶锭的方法。这时厚度为10毫米以上，可切割出数十个晶片。由于晶锭厚，所以弯曲小。由于弯曲小，所以能制作精度高的切片。由于厚度大，所以位错少。作为切片切出的晶片位错也少。因此弯曲也小。
在上述的有弯曲的衬底中，再附加研磨工序，能极大地减小衬底本身的弯曲。可是如果进行研磨，如图15所示，衬底本身的结晶方位摇动，通过直接研磨而被平坦化。图15(a)表示研磨前的状态，这是上方具有凸状弯曲的GaN衬底。由于有弯曲，所以衬底法线不平行，呈扇形分布。晶面的法线同样呈扇形分布。晶面法线和衬底表面的法线一致。如果对它进行研磨，如图15(b)所示。仅上表面变得平坦。即使变平坦了，但晶面的法线方向的扇形分布状态不变。可是衬底表面平坦化后，法线变得平行。在中央部分衬底法线和晶面法线一致。可是在周边部分晶面法线与衬底法线偏离。
设衬底表面的法线和晶面法线构成的角度为θ。在图15(a)所示的单纯凸形形变的情况下，设到中心的距离为x，衬底直径为L，x＝±L/2时，θ呈最小值、最大值。设该值为±⊙。即x＝-L/2时，该值为-⊙，x＝+L/2时，该值为+⊙。曲率半径为R的圆盘弯曲时，设直径为D，端部的弯曲角度为±⊙，2R⊙＝D。衬底的直径当然是各种各样的，但这里设衬底的直径为2英寸，确定曲率半径R和端部的弯曲角⊙的关系。如果用角度表示⊙，则上式能表示为πR⊙＝90D。D＝2英寸＝50mm，如果用角度表示⊙，则⊙＝1432/R。将该关系示于图16。
用2英寸归一化后，示出了曲率和端部角度的关系，并非晶片的直径经常为2英寸。如果直径为M英寸，则⊙＝716M/R。这样的换算容易。以下说明归一化为2英寸的情况。在2英寸的晶片中，为了使曲率半径为600mm以上，有必要使端部的晶面法线的偏移在±2°的范围内。即，必须使晶面和衬底平坦面的偏移角的总和在4°以下。
端部的偏移角⊙研磨时的位置一致，精度为±1°，根据上述的曲率半径为600mm以上的条件，再加上±2°，必须在±3°以下。即主晶面法线和衬底表面法线的偏移在±3°以内。这是衬底的弯曲条件。
另外如上所述，从原理上说，研磨后的表面呈镜面，应是平坦的。可是未必如此，研磨后有时重新发生弯曲。这可以认为是由GaN衬底内的内部应力引起的。各种研究的结果表明：研磨后的弯曲H(图12)能被抑制在0.2mm以下(换算为2英寸)，这是形成微细图形用的器件加工中所能允许的弯曲量。如上所述，由于曲率半径和弯曲H的关系为R＝D2/8H，所以H＝0.2mm的极限相当于R＝1563mm左右。另外如果考虑器件加工的适应性，则弯曲量最好在0.1mm以下。这时，同样H＝0.1mm的值相当于R＝3125mm。
[实施例1(采用HVPE法进行横向生长，制作一个GaN单晶)]
将GaAs(111)A衬底设置在反应容器内。衬底尺寸为30mm直径的圆形衬底。在常压(大气压)CVD装置中，在GaAs衬底上形成了厚0.1微米的Si3N4层。用光刻法在该层上开设了有规则分布的窗。采用了3种窗。图3所示的交错点窗、<11-2>条纹窗、<1-10>条纹窗共3种。
1.交错点窗…如图3～5所示，在平行于GaAs<11-2>的直线上形成并排相邻的窗群，彼此错开半个间距。d＝3.5微米，L＝4微米。
2.<11-2>条纹窗…平行于<11-2>方向的长窗(条纹)掩模。条纹宽为2微米，间隔为2微米，间距为4微米。
3.<1-10>条纹窗…平行于<1-10>方向的长窗(条纹)掩模。条纹宽为2微米，间隔为6微米，间距为8微米。
将开设了这样的窗的Si3N4作为掩模使用，使GaN缓冲层和外延层生长。
(1)GaN缓冲层的形成
将GaAs衬底设置在HVPE装置中，GaAs衬底被具有周期性的窗的掩模覆盖着。将HVPE装置抽成真空，将GaAs衬底加热到约500℃。将石英制的Ga容器加热到850℃以上，使Ga呈熔液。从原料气导入口将氢气H2和氯化氢HCl的混合气导入Ga容器中，合成了氯化镓GaCl。从另一个原料气导入口导入氢H2和氨NH3的混合气，在被加热到500℃的衬底附近引起GaCl+NH3→GaN的反应，将GaN淀积在GaAs衬底上。因此，在GaAs衬底上形成约70nm的GaN缓冲层。Si3N4具有抑制GaN生长的作用，在Si3N4掩模上不淀积GaN。缓冲层(70nm)比掩模(100nm)薄。因此只在窗的GaAs部分形成GaN缓冲层。
(2)GaN外延层的形成
停止HCl的导入。将衬底温度从500℃提高到约1000℃。再将HCl导入Ga容器中。与以前的工序一样，通过Ga和HCl反应，合成氯化镓GaCl。氢气作为载流子流动，所以GaCl也一起向下方流动。氨NH3和GaCl在被加热了的衬底附近进行反应，生成GaN。它在窗中的缓冲层上外延生长。一旦超过掩模厚度(100nm)，GaN晶体便在掩模上扩展成正六边形。但是掩模全部表面被GaN覆盖之前，GaN晶体呈六角锥。图4、图5是表示六角锥的底面部分的状态的示意图。窗位于正三角形的顶点，所以扩展成正六边形的GaN与从相邻的窗扩展的晶体恰好相连接。由于生长速度相等，所以正六角锥晶体处处接触。如果GaN晶层无遗漏地覆盖在掩模上面，则GaN便开始向上方淀积。生长速度为50微米/小时。生长成约100微米厚的外延层。这样由于从无数的小窗发生独立的核，进行结晶生长(横向生长)，所以能大幅度降低GaN中的内部应力。表面呈打毛的玻璃状。
(3)GaAs衬底的除去
其次，将试样设置在刻蚀装置中。用王水刻蚀约10小时。GaAs衬底被完全除去。只剩下GaN晶体。对两面进行研磨，制成GaN单晶衬底。它是独立膜。改变掩模窗尺寸、窗间距L、以及与相邻列的距离d，其他条件基本相同，GaN生长出3个试样。试样1是使用交错点窗(窗2微米角、L＝4微米、d＝3.5微米)掩模，生长的试样。试样2是使用<11-2>条纹掩模，生长的试样。试样3是使用<1-10>条纹掩模，生长的试样。
[表1]
掩模形状不同的3个试样的载流子浓度、电子移动度、比电阻
  试样号   掩模窗   载流子浓度cm-3  电子移动度cm2/Vsec   比电阻Ω·cm
    1   交错点窗   3×1018     200   8.3×10-3
    2   条纹窗   6×1018     150   6×10-3
    3   条纹窗   1×1019     120   3.5×10-3
(4)光学特性
非掺杂，呈n型电子传导型。考虑到维持结晶性，载流子浓度低者为好，电子移动速度高者为好。但是比电阻高者为好。这些电气特性随生长条件而变化。条纹掩模在降低内部应力方面不充分。这些试样呈透明的浅茶色。波长400nm～600nm的吸收系数为40cm-1～80cm-1。As的含量为9×1016cm-3。
(5)X射线衍射
在该GaN衬底中，利用X射线衍射装置，研究了衬底表面和GaN(0001)面的角度关系。其结果，弄清了衬底表面的法线和GaN(0001)面的法线构成的角度在衬底内为2.5°。另外，弄清了GaN(0001)面的法线的参数在衬底内为3.2°。另外对两个试样测定了研磨后的衬底的弯曲量，1英寸长(D＝25mm)时，H＝25微米，以及H＝48微米。由于R＝D2/8H，所以R＝3125mm，以及R＝1628mm。如前面所述，2英寸晶片的光刻极限为0.2mm，R＝1563mm，但该实施例在该极限以下。是可以通过光刻进行图形描绘的弯曲。
[实施例2(HVPE法、横向生长GaN种晶，HVPE法GaN加厚)]
将直径为2英寸的GaAs(111)A面作为衬底。在它上面形成了SiO2绝缘膜。利用光刻法设置了图3所示的窗。
(1)GaN缓冲层的形成
将具有掩模的GaAs衬底设置在HVPE装置中。使用图8所示的装置，但将Ga容器加热到800℃。作为原料气，将H2+HCl导入Ga容器中，将H2+NH3直接导入衬底上。在约500℃(衬底温度)的低温中，形成了GaN缓冲层。缓冲层厚度为80nm。
(2)外延层的形成
接着，将衬底温度提高到1000℃，使用相同的原料气，形成了厚度为80微米的GaN外延层。
(3)GaAs的除去
将GaN/GaAs衬底从HVPE装置中取出。确认生成了呈镜面状的GaN连续膜。将它放在王水中，将GaAs衬底刻蚀除去。
(4)GaN的加厚
将其充分清洗。呈图6(4)所示的状态。将只剩下的GaN再次置于HVPE装置中。使衬底温度为1020℃，利用HVPE法加厚GaN，获得GaN的晶锭。呈图7(1)所示的状态。该晶锭的中央部分呈稍微凹陷的状态。是最低高度约20mm、外径为55mm的晶锭。
(5)用切片机进行的晶片切割
利用内周刀切片机沿着与轴向垂直的方向切割晶锭。呈图7(2)所示的状态。获得外径约为50mm、厚350微米的GaN单晶衬底20个。对GaN进行了分析，砷(As)、碳(C)的含量都接近于背景。弄清了GaN中几乎不含有砷(As)、碳(C)。
(6)研磨
再进行抛光研磨、精加工研磨。呈图7(3)所示的透明晶片。由于进行机械加工，衬底上没有弯曲了。
(7)X射线衍射
与实施例1一样，利用X射线衍射装置，对该GaN衬底研究了衬底表面和GaN(0001)面的角度关系。弄清了衬底表面的法线和GaN(0001)面的法线构成的角度在衬底内最大为0.6°。弄清了GaN(0001)面的法线的方向的参数在衬底内为0.5°。另外研磨后的衬底的弯曲量，2英寸长(D＝50mm)时，H＝约15微米。由于R＝D2/8H，所以R＝20000mm左右。其平坦度能充分地适用于光刻。
(8)电气特性的测定
测定了从晶锭的上端(生长末期的部分)取得的晶片的电气特性。呈n型，载流子浓度为5×1018cm-3。电子移动度为200cm2/Vs。比电阻为0.017Ωcm。
从晶锭的下端(生长初期的部分)取得的晶片的电气特性如下。呈n型，载流子浓度为1018cm-3。电子移动度为150cm2/Vs。比电阻为0.01Ωcm。这是其两端部位的电气特性。中间部分想必是中间值了。
(9)光吸收的测定
这些晶片透明，呈暗灰色或无色。波长400nm～600nm的吸收系数为20cm-1～40cm-1。
(10)LED的制作
由于制成了GaN衬底，所以在它上面制作了将InGaN作为发光层的LED。与现有的蓝宝石衬底的LED相比较，发光辉度提高了约5倍。发光辉度提高的原因在于减少了位错。在现有的蓝宝石衬底LED中，激活层内存在大量的贯通位错，但GaN衬底的本发明的LED极大地减少了贯通位错。
[实施例3(MOC法、横向生长GaN种晶，HVPE法GaN加厚)]
将GaAs(111)B面作为衬底用。将SiO2加在衬底上，用光刻法形成了沿[1-10]方向延伸的条纹窗。
(1)GaN缓冲层的形成
利用有机金属氯化物气相生长法(MOC法)，在约490℃的低温下，在衬底上形成了90nm厚的GaN缓冲层。
(2)GaN外延层的形成
在同一装置中，将衬底温度提高到约970℃，形成了厚度为25微米的GaN外延层。
(3)GaAs衬底的除去
将GaN/GaAs试样从MOC装置中取出。生成了呈镜面状的GaN单晶。条纹掩模的方向是GaN的[11-20]方向。就是说GaN的[11-20]方向沿GaAs的[1-10]方向生长。利用王水将GaAs衬底溶解除去。
(4)GaN的加厚生长
将25微米厚的GaN作为种晶，置于HVPE装置中。加热到1000℃，用HVPE法使GaN的厚度进行外延生长。生长成圆柱状的最低高度约为3厘米的GaN晶锭。
(5)用内周刀切片机进行的晶片切割
利用内周刀切片机沿着与轴向垂直的方向切割晶锭，切出的厚度为400微米。切出25个切割晶片。
(6)研磨
对切出的晶片进行抛光研磨、精加工研磨。作为制成品获得GaN单晶晶片。
(7)电气特性的测定
测定了晶片的电气特性。呈n型，电子移动度为250cm2/Vs。比电阻为0.05Ωcm。
与实施例1一样，利用X射线衍射装置，对该GaN衬底研究了衬底表面和(0001)面的角度关系。衬底表面法线和(0001)面法线构成的角度在衬底内最大为±1.1°。GaN(0001)面的法线的方向的参数在衬底内为1.4°。另外研磨后的衬底的弯曲量，2英寸长时，H＝约45微米。R＝6900mm左右。
在该实施例中，将GaN本身作为种晶，使GaN单晶长厚。生长成厚的单晶GaN，用切片机将其切断，一举制成25个衬底。制造成本与一个一个地从GaAs开始生长的情况相比，降低了64％。能低成本地制造衬底。包括质量管理在内的每一个衬底的制造时间也能极大地缩短。对GaN进行了分析，砷(As)、碳(C)的含量都呈背景的程度。
在掩模窗位于正三角形的顶点位置使窗穿通的掩模最好。但也可以是具有条纹窗的掩模。因而有降低内部应力的效果。通过在掩模上的横向生长，能进一步降低晶体内的缺陷，降低内部应力，同时能减小GaAs和GaN的接触面积，能缓和内部应力。因此虽然温度变化大，但能抑制弯曲的发生。
[实施例4(Ga分压和表面结构·内部应力的关系)]
使用[1-10]条纹掩模、[11-2]条纹掩模、点掩模，利用HVPE法制作了GaN晶片。原料气为H2+NH3和H2+HCl。如果增大原料气中的Ga分压，则表面结构变得粗糙。可是可以认为有使内部应力减小的倾向。
[表2]
            表面结构和弯曲的关系
 试样号   温度(℃)  时间(分)   Ga分压(kPa)    NH3分压(kPa) 表面状态  膜厚(μm)   曲率半径(mm)   内部应力(MPa)
  1   1030   180    1     4 平坦   35   54    26
  2   1030   180    1     6 平坦   40   58    28
  3   970   180    2     6 粗糙   120   1000    4
  4   970   180    1     6 平坦   60   225    11
  5   970   180    1     6 平坦   40   61    26
  6   1020   240    2     6 粗糙   300   10417    1.2
  7   1020   240    1     6 平坦   120   167    29
  8   1030   240    1     6 平坦   70   125    23
  9   970   360    2     6 粗糙   200   1488    5.1
  10   970   180    2     12 粗糙   200   1359    5.9
  11   970   180    2     24 粗糙   200   2604    3.1
其中，1、2、3、4、5、6这六个是A组，7、8、9、10、11这五个是B组。
(A)Ga分压为1kPa(10-2atm)。在970℃的温度下，使GaN在缓冲层·掩模上生长1小时，再在1030℃的温度下，使GaN生长3小时。进行总共4小时的外延生长。在图13中，用白圈○表示其结果。6个试样(1、2、3、4、5、6)。它们的表面平坦，结构良好。可是内部应力大，试样产生了裂纹。在图13中，横轴是膜厚(微米)。膜厚分布在30微米～120微米的范围内。纵轴是内部应力(MPa)。白圈○所示的试样的内部应力为10MPa～30MPa。大部分呈现出大于10MPa的内部应力。可是内部应力最好在7MPa以下(7×10- 3Gpa)。
(B)Ga分压为2kPa。在970℃的温度下，使GaN在缓冲层·掩模上进行外延生长6小时。试样数为5个。与图13所示相同。膜厚分布在120微米～300微米之间。GaN试样的表面粗糙。Rmax约为20微米。GaN衬底尺寸为20mm×20mm。表面状态不好，但内部应力小。在图13中内部应力如黑圈所示，为1MPa～6MPa。目标为7MPa以下，所以合格。可是在相同的条件下，膜厚的离散大(120微米～300微米)。弯曲的曲率半径R为R＝1000mm～10417mm。
(X射线衍射)
利用X射线衍射装置，研究了衬底表面和(0001)面的法线的关系。在衬底内偏移的最大角为±2.0°。另外在衬底内GaN(0001)面的法线的离散为2.4°。另外研磨后衬底的弯曲量换算成2英寸，为60微米。它变成R＝5200mm。
[实施例5(曲率半径的关系)]
与上例相同，研究了(A)的试样6个、以及(B)的试样5个的膜厚和曲率半径的关系。利用触针法评价了弯曲情况。其结果示于图14。横轴是膜厚(微米)。纵轴是曲率半径(mm)。曲率半径最好为600mm以上。
(A)1030℃3小时、970℃3小时、1020℃4小时、1030℃4小时生长的试样A，其膜厚较薄，表面平坦，但弯曲大。曲率半径在225mm以下。所希望的曲率半径的范围为600mm以上。6个试样全部未达到目标。
(B)970℃3小时、1020℃4小时、970℃6小时、970℃3小时生长的试样B，其膜厚较厚，表面粗糙，但内部应力小，弯曲也小。5个B试样全部超过了所希望的600mm的范围。特别是虽然未公开数据，但无掩模生长时，曲率半径极小，弯曲大。
[实施例6(研磨)]
试样A的研磨失败了。试样B中研磨了膜厚为200微米、内部应力为5.4MPa、曲率半径为1488mm、Rmax为20微米的试样。通过研磨，膜厚减小到80微米。研磨后曲率半径增加到3500mm。通过研磨，表面粗糙度Rmax为7.2nm、减小到Ra为2nm。研磨使表面平滑，曲率半径增大。
(X射线衍射)
利用X射线衍射装置，研究了衬底表面法线和(0001)面法线的关系。衬底表面法线和(0001)面法线构成的角度的最大值为±1.7°。GaN(0001)面的法线方向的离散在衬底内为3.7°。另外研磨后衬底的弯曲量2英寸长时为90微米。曲率半径R＝3400mm。它也在光刻极限以内。
[实施例7(晶片内的内部应力的各向异性)]
对使用条纹掩模使GaN生长时、与使用点掩模使GaN生长时的内部应力进行了比较。图17所示的曲线图表示掩模和内部应力的关系。使用了以下两种GaN：
(1)在GaAs(111)面晶片上制作沿<11-2>方向延伸的条纹掩模，生长出平均膜厚(由于膜的厚度存在离散，所以采用平均值)为120微米的GaN；
(2)使用与实施例1同样的点掩模，生长出平均膜厚为160微米的GaN。
生长条件都是：Ga分压为1×10-2atm(1kPa)、NH3分压为0.24atm(24kPa)、生长温度为970℃、生长时间为240分钟。生长后进行冷却，将GaAs衬底除去。制成GaN独立膜，用X射线研究了GaN的内部应力。将其结果示于图17。使用点掩模制造的GaN衬底的各向异性极小，内部应力也小。与此相反，使用条纹掩模制造的GaN衬底在条纹方向和与其正交的方向上呈各向异性。特别是在平行于条纹的方向上出现大的弯曲。与垂直方向相比较达到10倍。图17所示的方位是与GaN结晶有关的方位。GaAs的<1-10>与GaN的<11-20>对应，GaAs的<11-2>与GaN的<1-100>对应。GaN的<11-20>与<1-100>正交。
本发明提供大型的GaN单晶片。由于采用通过带窗的掩模的横向生长法，所以GaN晶体中的位错等缺陷少。采用不使用碳的方法，使GaN加厚，所以成为透明度高的晶片。由于是横向生长，所以内部应力能被抑制得小，弯曲小。另外通过研磨使衬底表面平坦，所以弯曲极小。因弯曲微小，所以能使用光刻等现有的晶片加工方法。另外，晶面摇动也在实用范围内。能将该GaN单晶片作为GaN发光元件的衬底使用。由于薄膜部分与衬底一体，所以不出现弯曲。内部应力也小。因此位错密度也小。发光效率高。GaN-LED、GaN-LD的寿命长。

Claims (18)

1.一种GaN单晶衬底，其特征在于：该衬底有20mm以上的直径和0.07mm以上的厚度，且独立。
2.根据权利要求1所述的GaN单晶衬底，其特征在于：该衬底是无色透明的。
3.根据权利要求1所述的GaN单晶衬底，其特征在于：该衬底是透明的，但带有黄色、浅茶色、暗灰色。
4.根据权利要求1所述的GaN单晶衬底，其特征在于：波长400nm～600nm的光透过的吸收系数为120cm-1以下。
5.根据权利要求1所述的GaN单晶衬底，其特征在于：该衬底固有内部应力为7Mpa以下。
6.根据权利要求1所述的GaN单晶衬底，其特征在于：衬底弯曲的曲率半径为600mm以上。
7.根据权利要求1所述的GaN单晶衬底，其特征在于：长度为2英寸的衬底的挠曲量为0.55mm以下。
8.根据权利要求1所述的GaN单晶衬底，其特征在于：该衬底含有的As为1017个cm-3以下。
9.根据权利要求1所述的GaN单晶衬底，其特征在于：该衬底实际上不含有碳。
10.根据权利要求1所述的GaN单晶衬底，其特征在于：该衬底表面、背面都被研磨。
11.根据权利要求10所述的GaN单晶衬底，其特征在于：衬底表面的法线方向和与衬底表面的平行度最高的低指数晶面的法线方向的夹角在衬底内为3°以下。
12.根据权利要求10所述的GaN单晶衬底，其特征在于：和衬底表面的平行度最高的低指数晶面的法线在衬底内的离散为4°以下。
13.根据权利要求10所述的GaN单晶衬底，其特征在于：研磨后的衬底弯曲换算成2英寸后，为200微米以下。
14.根据权利要求10所述的GaN单晶衬底，其特征在于：衬底表面为GaN(0001)面。
15.一种GaN单晶衬底的制造方法，其特征在于：在(111)GaAs衬底上，形成具有沿[11-2]方向相距一定间隔、且沿[-110]方向错开半个间距的点状窗的掩模，或者形成具有沿[11-2]方向延伸的条纹状的窗的掩模或沿[-110]方向延伸的条纹状的窗的掩模，设置GaN缓冲层，利用HVPE法使GaN外延生长，将GaAs衬底除去。
16.一种GaN单晶衬底的制造方法，其特征在于：在(111)GaAs衬底上，形成具有沿[11-2]方向相距一定间隔、且沿[-110]方向错开半个间距的点状窗的掩模，或者形成具有沿[11-2]方向延伸的条纹状的窗的掩模或沿[-110]方向延伸的条纹状的窗的掩模，设置GaN缓冲层，利用HVPE法使GaN外延生长，将GaAs衬底除去，获得GaN衬底，利用HVPE法在该GaN衬底上使GaN单晶外延生长，从外延生长后的GaN晶锭，通过切断或劈开进行分离。
17.一种GaN单晶衬底的制造方法，其特征在于：在(111)GaAs衬底上，形成具有沿[11-2]方向相距一定间隔、且沿[-110]方向错开半个间距的点状窗的掩模，或者形成具有沿[11-2]方向延伸的条纹状的窗的掩模或沿[-110]方向延伸的条纹状的窗的掩模，设置GaN缓冲层，利用HVPE法使GaN外延生长，将GaAs衬底除去，制成GaN独立膜，至少对其一面研磨。
18.一种GaN单晶衬底的制造方法，其特征在于：在(111)GaAs衬底上，形成具有沿[11-2]方向相距一定间隔、且沿[-110]方向错开半个间距的点状窗的掩模，或者形成具有沿[11-2]方向延伸的条纹状的窗的掩模或沿[-110]方向延伸的条纹状的窗的掩模，设置GaN缓冲层，利用HVPE法使GaN外延生长，将GaAs衬底除去，获得GaN衬底，利用HVPE法在该GaN衬底上使GaN单晶外延生长，从外延生长后的GaN晶锭，通过切断或劈开进行分离，制成多个独立的晶片，至少对晶片的一面研磨。
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