專利名稱：制造第III族氮化物半導(dǎo)體單晶的方法及制造GaN襯底的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于制造第III族氮化物半導(dǎo)體單晶的方法及用于制造GaN襯底的方法。更具體地，所述發(fā)明涉及用于制造第III族氮化物半導(dǎo)體單晶的方法及用于制造GaN襯底的方法，所述方法使用熔劑法。
背景技術(shù)：
已知多種用于制造半導(dǎo)體晶體的方法，并且這些方法的示例包括氣相生長法如金屬有機化學(xué)氣相沉積(MOCVD)和氫化物氣相外延(HVPE)、分子束外延(MBE)以及液相外延(LPE)。一種液相外延技術(shù)是使用Na熔劑的熔劑法。在Na熔劑法中，為了生長GaN晶體，Na(鈉)和Ga(鎵)的熔融混合物在約800°C和數(shù)十個大氣壓下與氮反應(yīng)。在Na熔劑法中，通常使用籽晶。在所述方法中使用的籽晶的示例包括GaN襯底和所謂的模板襯底，該模板襯底由藍寶石襯底和通過HVPE或類似技術(shù)形成于其上的GaN層組成。專利文獻I公開了作為籽晶的由底部襯底和形成于其上的底層膜組成的模板襯底的用途。模板襯底的底部襯底由藍寶石或類似材料制成，以及底層膜由GaN、AIN、AlGaN, GaN/AlN等形成。專利文獻2公開了包括將C(碳)添加到熔融混合物的Ng熔劑法。通過添加碳，防止了雜晶的產(chǎn)生并且提高了氮溶解度。但是，沒有詳細說明其過程。專利文獻1:日本公開特許公報(kokai)N0.2006-131454專利文獻2:日本公開特許公報(kokai)N0.2011-132110
Na熔劑法的缺點在于:在晶體生長的開始到熔融混合物的氮濃度達到過飽和水平的時刻的時間段期間，GaN籽晶熔化(B卩，經(jīng)歷回熔)。當回熔發(fā)生時，溫度分布曲線以及熔融混合物的組成改變，并且籽晶的表面未能具有均勻的厚度。具體地，在將碳添加到熔融混合物的情況下，GaN籽晶更容易經(jīng)歷回熔，并且局部進行蝕刻，從而顯著地削弱表面平坦度，這是有問題的。當模板襯底用作籽晶時，在一些情況下，模板襯底部分經(jīng)歷回熔，并且露出藍寶石襯底表面的一部分。在露出區(qū)域上，GaN不能夠生長。為了避免回熔的影響，形成于藍寶石襯底上的GaN的厚度通常被調(diào)整到5 μ m至30μπι厚。但是，形成這樣厚的GaN層需要長的時間段，從而削弱了模板襯底生產(chǎn)率。誠然，厚的GaN層的形成避免了如下問題，即由于通過回熔露出藍寶石襯底而提供了 GaN非生長區(qū)域。但是，籽晶表面未能具有均勻的厚度。因此，不能夠獲得GaN的均勻的晶體生長。專利文獻I公開，為了在GaN的晶體生長期間抑制回熔，操作溫度維持在比生長溫度低的水平，并且之后溫度提高到生長溫度。但是，當生長溫度降低時，形成了不期望的雜晶。專利文獻I也公開了不僅在GaN的情況下而且在AlN的情況下發(fā)生回熔。因此，在AlGaN的情況下也可能發(fā)生回熔。但是，與根據(jù)專利文獻I估計的AlGaN的可能的回熔相比，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)在AlGaN的情況下沒有發(fā)生顯著的回熔，并且籽晶的回熔的量被抑制到500nm或更小。本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)可以通過將籽晶的回熔的量降低到500nm或更小來顯著地提高形成于籽晶上的晶體的品質(zhì)。同時,在通過熔劑法在底層(underlayer)上生長GaN單晶的情況下，GaN單晶的晶體特性源自底層的晶體特性。即，待形成的單晶的位錯密度源自底層。在專利文獻I中公開的生長的情況下，該特征相同。在這樣的情況下，GaN單晶的位錯密度是約lX106/cm2，并且更小的位錯密度是優(yōu)選的。例如，I XlOVcm2或更小的位錯密度是優(yōu)選的。因此，為了制造具有較小位錯密度的GaN單晶，必須在GaN單晶的生長期間顯著地降低位錯密度。同時，當通過熔劑法生長GaN單晶時，底層經(jīng)歷回熔。通常，已經(jīng)經(jīng)歷回熔的底層的表面不平坦并且具有不規(guī)則結(jié)構(gòu)。在半導(dǎo)體單晶的隨后的生長中，一些位錯彎曲，結(jié)果，從不規(guī)則結(jié)構(gòu)延伸的位錯減少。盡管回熔能夠減少一部分位錯，但是，減少的影響不明顯。由于回熔以不均勻的方式發(fā)生，因此在減少整個晶片的位錯方面遇到了難題。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服常規(guī)技術(shù)中含有的前述缺點，設(shè)想出了本發(fā)明。因此，本發(fā)明的一個目的是提供一種用于制造具有優(yōu)異的結(jié)晶度的第III族氮化物半導(dǎo)體單晶的方法，所述方法包括控制回熔。本發(fā)明的另一目的是提供一種用于制造具有優(yōu)異的結(jié)晶度的GaN襯底的方法，所述方法包括控制回熔。在本發(fā)明的第一方面，提供了一種用于制造第III族氮化物半導(dǎo)體單晶的方法，所述方法包括:制備籽晶的籽晶制備步驟，該步驟包括在底層上形成由AlxInYGa(1_x_Y)N(0 < X，O ( Y,X+Y ( 1)制成的掩模層，從而形成其中底層的一部分覆蓋有掩模層并且其中底層的剩余部分未覆蓋有掩模層的籽晶；在包含至 少堿金屬的熔體中對所述底層的未覆蓋有所述掩模層的露出部分進行回熔的籽晶蝕刻步驟；以及在包含至少第III族金屬和堿金屬的熔融混合物中在所述籽晶上生長第III族氮化物半導(dǎo)體單晶的半導(dǎo)體單晶形成步驟。在用于制造第III族氮化物半導(dǎo)體單晶的上述方法中，隨著坩鍋的內(nèi)部溫度提高，底層的未覆蓋有掩模層的剩余部分逐漸溶解在熔劑中。之后，由籽晶的作為生長起始點的掩模層形成第III族氮化物半導(dǎo)體單晶。因此，底層的未覆蓋有掩模層的剩余部分的位錯實際上未被第III族氮化物半導(dǎo)體單晶得到。本發(fā)明的第二方面是第一方面的用于制造第III族氮化物半導(dǎo)體單晶的方法的一個具體實施方案，其中，在籽晶蝕刻步驟中，通過回熔露出底層的小平面(facet plane)。本發(fā)明的第三方面是第二方面的用于制造第III族氮化物半導(dǎo)體單晶的方法的一個具體實施方案，其中，在半導(dǎo)體單晶形成步驟中，第III族氮化物半導(dǎo)體單晶在籽晶上生長使得小平面不被第III族氮化物半導(dǎo)體單晶掩蓋。根據(jù)第三方面，在底層的未覆蓋有掩模層的剩余部分中留下了腔(即，提供了空間)。如本文中使用的，術(shù)語“空間”指其中沒有生長半導(dǎo)體晶體的部分(即，非晶部分)，而不是指填充有氣體例如空氣的空間。實際上，每個空間填充有熔劑。由于這樣的非晶部分，所形成的半導(dǎo)體單晶并沒有從底層得到位錯。同時，由于非晶部分與半導(dǎo)體單晶之間的剝離強度弱，所以形成的半導(dǎo)體單晶能夠容易地與生長襯底分離。本發(fā)明的第四方面是第三方面的用于制造第III族氮化物半導(dǎo)體單晶的方法的一個具體實施方案，其中，在半導(dǎo)體單晶形成步驟中，形成由第III族氮化物半導(dǎo)體單晶的小平面和底表面限定的非晶部分。本發(fā)明的第五方面是第四方面的用于制造第III族氮化物半導(dǎo)體單晶的方法的一個具體實施方案，其中，非晶部分是填充有熔融混合物的空間。本發(fā)明的第六方面是第三方面的用于制造第III族氮化物半導(dǎo)體單晶的方法的一個具體實施方案，其中，在籽晶蝕刻步驟中，通過回熔沒有露出底層的c面。根據(jù)第六方面，半導(dǎo)體單晶不覆蓋小平面。本發(fā)明的第七方面是第二方面的用于制造第III族氮化物半導(dǎo)體單晶的方法的一個具體實施方案，其中，在半導(dǎo)體單晶形成步驟中，在籽晶上生長第III族氮化物半導(dǎo)體單晶，使得小平面被第III族氮化物半導(dǎo)體單晶掩蓋。本發(fā)明的第八方面是第七方面的用于制造第III族氮化物半導(dǎo)體單晶的方法的一個具體實施方案，其中，在籽晶蝕刻步驟中，通過回熔露出底層的c面。本發(fā)明的第九方面是第七方面的用于制造第III族氮化物半導(dǎo)體單晶的方法的一個具體實施方案，其中，小平面是U，I，-2,2}晶面。本發(fā)明的第十方面是第二方面的用于制造第III族氮化物半導(dǎo)體單晶的方法的一個具體實施方案，其中，小平面是{1，0，-1，1}`晶面。本發(fā)明的第十一方面是第二方面的用于制造第III族氮化物半導(dǎo)體單晶的方法的一個具體實施方案，其中，在籽晶制備步驟中，通過移除掩模層的區(qū)域的整個厚度以及移除穿過底層的部分厚度的對應(yīng)區(qū)域而在底層中形成多個溝槽。本發(fā)明的第十二方面是第二方面的用于制造第III族氮化物半導(dǎo)體單晶的方法的一個具體實施方案，其中，在籽晶制備步驟中，掩模層由AlGaN層形成。實際上，AlGaN層在熔劑中不熔化并且實現(xiàn)高品質(zhì)的單晶的生長。本發(fā)明的第十三方面是第二方面的用于制造第III族氮化物半導(dǎo)體單晶的方法的一個具體實施方案，其中，在籽晶制備步驟中，將掩模層中的Al組成比X調(diào)整到0.02至1.00。當X落入該范圍內(nèi)時，掩模層不容易溶解在熔劑中。本發(fā)明的第十四方面是第二方面的用于制造第III族氮化物半導(dǎo)體單晶的方法的一個具體實施方案，其中，在籽晶制備步驟中，將掩模層的厚度調(diào)整到2nm至2 μ m。當厚度落入該范圍內(nèi)時，掩模層更不容易溶解在熔劑中，從而獲得高品質(zhì)單晶的生長。本發(fā)明的第十五方面是第二方面的用于制造第III族氮化物半導(dǎo)體單晶的方法的一個具體實施方案，其中，籽晶制備步驟還包括:在形成掩模層之前，形成GaN層作為底層的底層形成步驟。底層能夠通過回熔溶解。在本發(fā)明的第十六方面中，提供一種用于制造第III族氮化物半導(dǎo)體單晶的方法，該方法包括:制備具有包含Al的第III族氮化物半導(dǎo)體層作為最外層的籽晶的籽晶制備步驟；通過包含至少第III族金屬和堿金屬的熔融混合物與包含至少氮的氣體的反應(yīng)在籽晶上生長第III族氮化物半導(dǎo)體單晶的步驟，同時將籽晶的回熔抑制到500nm或更小。
第III族金屬是Ga、Al和In中的至少一種。在它們中，Ga是特別優(yōu)選的。通常將Na(鈉)用作堿金屬。但是,也可以使用K(鉀)，或者也可以使用Na和K的混合物?；蛘撸梢詫i (鋰)或堿土金屬與堿金屬結(jié)合使用。可以將摻雜劑添加到熔融混合物以控制待生長的第III族氮化物半導(dǎo)體的物理特性(例如，導(dǎo)電類型和磁性)、促進晶體生長、抑制雜晶的形成、控制生長方向等。特別地，優(yōu)選將C(碳)添加到熔融混合物。通過添加C，抑制了雜晶的形成，并且增強了氮溶解度，從而提高晶體生長率?；蛘?，Ge(鍺)等可以被用作η型摻雜劑，并且Zn(鋅)、Mg(鎂)等可以被用作P型摻雜劑。添加到熔融混合物的堿金屬的C的量基于堿金屬的量優(yōu)選地是0.1摩爾％至2摩爾％。當C的量落入該范圍內(nèi)時，能夠充分獲得添加C的效果。更優(yōu)選地，C的量是0.2摩爾％至1.2摩爾％。特別地，當C的量落入該范圍內(nèi)時，沿橫向方向的GaN的回熔增強。包含氮的氣體是包含氮作為主要元素的化合物(例如，分子氮或氨)的氣體或這樣的氣體的混合物。或者，可以使用惰性氣體(例如，稀有氣體)稀釋含氮氣體。對籽晶的結(jié)構(gòu)沒有強加具體的限制，只要它具有含Al的第III族氮化物半導(dǎo)體層(優(yōu)選地，AlGaN層)作為最外層即可。當籽晶本身是襯底時，襯底用作最外層；并且當籽晶是襯底和堆疊在襯底上的一層或多層的沉積結(jié)構(gòu)時，相對于襯底最遠的層用作最外層。由于AlGaN層的表面平面度增加，因此，AlGaN層優(yōu)選地堆疊在GaN層上。另外的層可以置于GaN層與AlGaN層之間。這樣的結(jié)構(gòu)的示例包括具有生長襯底(例如，藍寶石襯底)以及依次堆疊于其上的GaN層和AlGaN層的模板襯底以及具有GaN襯底和堆疊在襯底上的AlGaN層的模板襯底。GaN層或AlGaN層可以未摻雜或摻雜有η型或P型雜質(zhì)。在模板襯底的情況下，緩沖層(AIN、GaN或AlGaN)設(shè)置在生長襯底與GaN層之間。 含Al的第III族氮化物半導(dǎo)體層優(yōu)選地具有2摩爾％至50摩爾％的相對于第111族金屬Al的組成比(下文中可以簡稱為Al組成比)。換言之，在組成式AlxGaYInzN(0<X，Y，Z彡I, X+Y+Z = I )中，X優(yōu)選地是0.02至0.5。當Al組成比超過50摩爾％時，在熔融混合物中形成了雜晶，并且第III族氮化物半導(dǎo)體的結(jié)晶度被削弱。當Al組成比小于2摩爾％時，不能充分獲得含Al的第III族氮化物半導(dǎo)體層的回熔抑制效果。因此，Al組成比更優(yōu)選地是3摩爾％至10摩爾%。含Al的第III族氮化物半導(dǎo)體層的厚度(在生長第III族氮化物半導(dǎo)體晶體之前)優(yōu)選地是2nm至2 μ m。當厚度超過2 μ m時,形成含Al的第III族氮化物半導(dǎo)體層需要長的時間段，從而降低籽晶生產(chǎn)率并且進一步降低形成的第III族氮化物半導(dǎo)體晶體的結(jié)晶度。當厚度小于2μπι時，不能夠充分獲得含Al的第III族氮化物半導(dǎo)體層的回熔抑制效果。因此，厚度優(yōu)選地是IOnm至200nm。本發(fā)明的第十七方面是第十六方面的用于制造第III族氮化物半導(dǎo)體單晶的方法的一個具體實施方案，其中，含Al的第III族氮化物半導(dǎo)體層是AlGaN層。本發(fā)明的第十八方面是第十七方面的用于制造第III族氮化物半導(dǎo)體單晶的方法的一個具體實施方案，其中，第III族金屬是Ga，堿金屬是Na，并且待生長的第III族氮化物半導(dǎo)體晶體是GaN晶體。本發(fā)明的第十九方面是第十八方面的用于制造第III族氮化物半導(dǎo)體單晶的方法的一個具體實施方案，其中，籽晶是具有GaN層以及堆疊在GaN層上的AlGaN層的堆疊結(jié)構(gòu)。
在本發(fā)明的第二十方面中，提供有一種用于制造GaN襯底的方法，該方法包括:制備籽晶的籽晶制備步驟，其包括在底層上形成由AlxInYGa(1_x_Y)N(0 < X，0彡Y，x+Y^ I)制成的掩模層，從而形成其中底層的一部分覆蓋有掩模層并且其中底層的剩余部分未覆蓋有掩模層的籽晶；在包含至少堿金屬的熔體中對所述底層的未覆蓋有所述掩模層的露出部分進行回熔的籽晶蝕刻步驟；在包含至少第III族金屬和堿金屬的熔融混合物中在所述籽晶上生長第III族氮化物半導(dǎo)體單晶的半導(dǎo)體單晶形成步驟；以及從籽晶移除GaN單晶的半導(dǎo)體單晶分離步驟。在用于制造GaN襯底的上述方法中，隨著坩堝的內(nèi)部溫度升高，底層的未覆蓋有掩模層的剩余部分逐漸溶解在熔劑中。之后，由籽晶的作為生長起始點的掩模層形成GaN單晶。本發(fā)明使得能夠提供用于制造具有優(yōu)異的結(jié)晶度的第III族氮化物半導(dǎo)體單晶的方法以及用于制造具有優(yōu)異的結(jié)晶度的GaN襯底的方法，每種方法均包括控制回熔。


當結(jié)合附圖考慮時，通過參考對優(yōu)選實施方案的以下詳細描述，可以更好地理解本發(fā)明，并且將更容易認識到本發(fā)明的各種其他目的、特征以及許多伴隨的優(yōu)點，附圖中:圖1是實施方案中所采用的用于制造第III族氮化物半導(dǎo)體單晶的裝置的概圖；圖2是用于描述根據(jù)實施方案I的用于制造第III族氮化物半導(dǎo)體單晶的方法的步驟(I)的概圖；圖3是用于描述根據(jù)實施方案I的用于制造第III族氮化物半導(dǎo)體單晶的方法的步驟⑵的概圖；圖4是用于描述根據(jù)實施方案I的用于制造第III族氮化物半導(dǎo)體單晶的方法的步驟⑶的概圖；圖5是用于描述根據(jù)實施方案I的用于制造第III族氮化物半導(dǎo)體單晶的方法的步驟⑷的概圖；圖6是用于描述根據(jù)實施方案I的用于制造第III族氮化物半導(dǎo)體單晶的方法的步驟(5)的概圖；圖7是用于描述根據(jù)實施方案I的用于制造第III族氮化物半導(dǎo)體單晶的方法的步驟(6)的概圖；圖8是用于描述根據(jù)實施方案I的用于制造第III族氮化物半導(dǎo)體單晶的方法的步驟(7)的概圖；圖9是用于描述根據(jù)實施方案2的用于制造第III族氮化物半導(dǎo)體單晶的方法的步驟(I)的概圖；圖10是用于描述根據(jù)實施方案2的用于制造第III族氮化物半導(dǎo)體單晶的方法的步驟⑵的概圖；圖11是用于描述根據(jù) 實施方案2的用于制造第III族氮化物半導(dǎo)體單晶的方法的步驟⑶的概圖12是用于描述根據(jù)實施方案2的用于制造第III族氮化物半導(dǎo)體單晶的方法的步驟⑷的概圖；圖13是用于描述根據(jù)實施方案3的用于制造第III族氮化物半導(dǎo)體單晶的方法的步驟的概圖；圖14是用于描述根據(jù)實施方案4的用于制造第III族氮化物半導(dǎo)體單晶的方法的步驟⑴的概圖；圖15是用于描述根據(jù)實施方案4的用于制造第III族氮化物半導(dǎo)體單晶的方法的步驟⑵的概圖；圖16是用于描述根據(jù)實施方案4的用于制造第III族氮化物半導(dǎo)體單晶的方法的步驟⑶的概
圖17是通過根據(jù)實施方案4的用于制造第III族氮化物半導(dǎo)體單晶的方法而制造的第III族氮化物半導(dǎo)體單晶中的穿透位錯(threading dislocation)的概圖；圖18是通過用于制造第III族氮化物半導(dǎo)體單晶的常規(guī)方法而制造的第III族氮化物半導(dǎo)體單晶中的穿透位錯的概圖；圖19是用于描述根據(jù)實施方案4的用于制造第III族氮化物半導(dǎo)體單晶的方法的步驟⑴的概圖；圖20是用于描述根據(jù)實施方案4的用于制造第III族氮化物半導(dǎo)體單晶的方法的步驟⑵的概圖；圖21是根據(jù)實施方案7的用于制造GaN晶體的方法中的籽晶的結(jié)構(gòu)的概圖；圖22是根據(jù)實施方案7的GaN晶體制造步驟的概圖；圖23是根據(jù)實施方案8的GaN晶體制造步驟的概圖；圖24是完成晶體生長之后的實施例6的籽晶的CL圖象；以及圖25是完成晶體生長之后的對比例I的籽晶的CL圖象。
具體實施例方式下文中，將參考附圖描述本發(fā)明的一個具體實施方案。但是，給出這些實施方案僅出于示出目的并且不應(yīng)該認為本發(fā)明局限于此。在附圖中，每個層的厚度不是實際測得的厚度而是概念上的厚度。將描述用于制造具有優(yōu)異的結(jié)晶度的GaN晶體的方法的實施方案。在下面的實施方案中，通過控制回熔獲得了優(yōu)異的結(jié)晶度。但是，本發(fā)明的制造方法不限于GaN晶體并且除GaN晶體之外可應(yīng)用于第III族氮化物半導(dǎo)體單晶的制造。實施方案I至3的特性特征在于:多個溝槽設(shè)置在底層中，并且GaN晶體生長為使得晶體不覆蓋溝槽。實施方案4至6的特性特征在于:多個溝槽設(shè)置在底層中，并且GaN晶體生長成使得晶體覆蓋溝槽。與實施方案I至6的特性特征不同的實施方案7和8的特性特征在于:在底層中不設(shè)置多個溝槽，在AlGaN層上生長GaN晶體。實施方案9是用于制造GaN襯底的方法，該方法包括從籽晶移除如實施方案I至3中描述的GaN晶體。實施方案I將描述實施方案I。在實施方案I中，通過熔劑法在GaN襯底上生長第111族氮化物半導(dǎo)體單晶。在第III族氮化物半導(dǎo)體單晶中利用GaN晶體作為一個實例來描述實施方案I。1.單晶制造裝置接下來將描述用于實施方案I的GaN晶體的制造裝置的構(gòu)造。如圖1所示，制造裝置I包括壓力容器10、反應(yīng)器11、坩堝12、加熱裝置13、供給管14、16以及排出管15、17。壓力容器10是由不銹鋼制成的耐壓空心圓筒。供給管16和排出管17連接到壓力容器10。反應(yīng)器11和加熱裝置13設(shè)置在壓力容器10中。通過將反應(yīng)器10放置在壓力容器中，反應(yīng)器10不需要特別的抗高壓性。因此，反應(yīng)器10可以由廉價的材料制成，并且提高了再循環(huán)性。反應(yīng)器11由SUS制成并且具有耐熱性。在反應(yīng)器11中放置坩堝12。坩堝12由材料如W(鎢)、Mo (鑰)、BN(氮化硼)、氧化鋁或YAG(釔鋁石榴石)制成。坩堝12裝有包含Ga和Na的熔融混合物2，并且籽晶18保持在熔融混合物21中。供給管14和排出管15連接到反應(yīng)器11。通過附接到供給管14和排出管15的閥(未示出)的操作，在反應(yīng)器11中執(zhí)行充氣并且將氮供給到反應(yīng)器11中，并且控制反應(yīng)器11內(nèi)部的壓力。氮也經(jīng)由供給管16供給到壓力容器10。通過附接到供給管16和排出管17的閥(未示出)的操作，控制氮流量和排出流量，由此壓力容器10內(nèi)部的壓力幾乎與反應(yīng)器11的壓力相等 。借助于加熱裝置13來控制反應(yīng)器11內(nèi)部的溫度。提供一種裝置，該裝置能夠旋轉(zhuǎn)坩堝12以攪拌容納在坩堝12中的熔融混合物21，由此在生長GaN晶體期間攪拌熔融混合物21。由于該裝置，熔融混合物21能夠具有均勻的Na、Ga或N濃度分布曲線，由此能夠生長均一品質(zhì)的GaN晶體。能夠旋轉(zhuǎn)坩堝12的裝置具有旋轉(zhuǎn)軸22、轉(zhuǎn)臺23以及驅(qū)動單元24。旋轉(zhuǎn)軸22從反應(yīng)器11的內(nèi)部延伸到壓力容器10的外部。轉(zhuǎn)臺23設(shè)置在反應(yīng)器10中并且連接到旋轉(zhuǎn)軸22使得支撐坩堝12。驅(qū)動單元24控制旋轉(zhuǎn)軸22的旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)臺23通過由驅(qū)動單元24驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)軸22的旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)，由此由轉(zhuǎn)臺23支撐的坩堝12旋轉(zhuǎn)。同時，當使用的反應(yīng)器11具有耐壓性時，不是必須使用壓力容器10。此外，為了在生長GaN晶體器件防止Na的汽化，坩堝12可以設(shè)置有蓋。代替或除坩堝12旋轉(zhuǎn)裝置以夕卜，可以設(shè)置有坩堝12搖擺裝置。在說明書中，將使用另外的附圖標記(T10、T20等)表示籽晶18。2.用于制造第III族氮化物半導(dǎo)體單晶的方法實施方案I的用于制造第III族氮化物半導(dǎo)體單晶的方法包括以下步驟:(A)籽晶制備步驟，(Α-3)掩模層形成步驟，(Α-4)溝槽形成步驟，(B)籽晶蝕刻步驟，以及(C)半導(dǎo)體單晶形成步驟。接下來將詳細描述這些步驟。2-1.⑷籽晶制備步驟2-1-1.(Α-3)掩模層形成步驟首先，提供GaN襯底G10。GaN襯底GlO是自立式(self-standing) GaN襯底并且具有約5X IOfVcm2的位錯密度。GaN襯底GlO也用作其上待形成掩模層的底層。因此，在GaN襯底GlO上形成掩模層140。掩模層140基本上不經(jīng)歷由在隨后的步驟中供給的熔劑進行的回熔，或者具有顯著小于底層的蝕刻速率的蝕刻速率。最后，制造出圖2中示出的堆疊結(jié)構(gòu)BI I。掩模層140 具有組成 AlxInYGa(1_x_Y)N(0 < X，0 彡 Y,X+Y ( I)。掩模層 140 優(yōu)選為AlGaN層。掩模層140的Al組成比X優(yōu)選地是0.02至1.0。特別地，如表I所示，掩模層140的Al組成比X更優(yōu)選地是0.03至0.50。當Al組成比X小于0.03時，掩模層通過熔劑容易地回熔，而當Al組成比X大于0.50時,在下述半導(dǎo)體單晶形成步驟中形成的GaN晶體的品質(zhì)削弱。如表I所示，掩模層140優(yōu)選地具有2nm至2μπι的厚度。當掩模層140的厚度小于2nm時,如下所述的回熔的效果弱,而當掩模層140的厚度超過2 μ m時,在下述半導(dǎo)體單晶形成步驟中形成的GaN晶體的品質(zhì)被削弱。[表I]
權(quán)利要求
1.一種用于制造第III族氮化物半導(dǎo)體單晶的方法，所述方法包括: 制備籽晶的籽晶制備步驟，所述步驟包括在底層上形成由AlxInYGa(1_x_Y)N(0 < X,O ( Y,X+Y ( I)制成的掩模層，從而形成其中所述底層的一部分覆蓋有所述掩模層并且其中所述底層的剩余部分未覆蓋有所述掩模層的籽晶； 在包含至少堿金屬的熔體中對所述底層的未覆蓋有所述掩模層的露出部分進行回熔的籽晶蝕刻步驟；以及 在包含至少第III族金屬和堿金屬的熔融混合物中在所述籽晶上生長第III族氮化物半導(dǎo)體單晶的半導(dǎo)體單晶形成步驟。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于制造第III族氮化物半導(dǎo)體單晶的方法，其中，在所述籽晶蝕刻步驟中，通過回熔露出所述底層的小平面。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于制造第III族氮化物半導(dǎo)體單晶的方法，其中，在所述半導(dǎo)體單晶形成步驟中，在所述籽晶上生長所述第III族氮化物半導(dǎo)體單晶以使所述小平面不被所述第III族氮化物半導(dǎo)體單晶掩蓋。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于制造第III族氮化物半導(dǎo)體單晶的方法，其中，在所述半導(dǎo)體單晶形成步驟中， 形成由所述小平面和所述第III族氮化物半導(dǎo)體單晶限定的非晶部分。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于制造第III族氮化物半導(dǎo)體單晶的方法，其中，所述非晶部分是填充有熔融混合物的空間。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于制造第III族氮化物半導(dǎo)體單晶的方法，其中，在所述籽晶蝕刻步驟中，通過回熔不露出所述底層的c面。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于制造第III族氮化物半導(dǎo)體單晶的方法，其中，在所述半導(dǎo)體單晶形成步驟中，在所述籽晶上生長所述第III族氮化物半導(dǎo)體單晶以使所述小平面不被所述第III族氮化物半導(dǎo)體單晶掩蓋。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的用于制造第III族氮化物半導(dǎo)體單晶的方法，其中，在所述籽晶蝕刻步驟中，通過回熔露出所述底層的c面。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于制造第III族氮化物半導(dǎo)體單晶的方法，其中，所述小平面是{1,0,-1,1}晶面。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項所述的用于制造第III族氮化物半導(dǎo)體單晶的方法，其中，在所述籽晶制備步驟中，通過移除所述掩模層的區(qū)域的全部厚度和移除穿過所述底層的部分厚度的對應(yīng)區(qū)域來在所述底層中形成多個溝槽。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項所述的用于制造第III族氮化物半導(dǎo)體單晶的方法，其中，在所述籽晶制備步驟中，所述掩模層由AlGaN層形成。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項所述的用于制造第III族氮化物半導(dǎo)體單晶的方法，其中，在所述籽晶制備步驟中，所述掩模層中的Al組成比X調(diào)整到0.02至1.00。
13.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項所述的用于制造第III族氮化物半導(dǎo)體單晶的方法，其中，在所述籽晶制備步驟中，所述掩模層的所述厚度調(diào)整到2nm至2 μ m。
14.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項所述的用于制造第III族氮化物半導(dǎo)體單晶的方法，其中，所述籽晶制備步驟還包括在形成所述掩模層之前形成作為底層的GaN層的底層形成步驟。
15.一種用于制造第III族氮化物半導(dǎo)體單晶的方法，所述方法包括: 制備具有作為最外層的含Al的第III族氮化物半導(dǎo)體層的籽晶的籽晶制備步驟； 通過包含至少第III族金屬和堿金屬的熔融混合物與包含至少氮的氣體的反應(yīng)在所述籽晶上生長第III族氮化物半導(dǎo)體單晶的步驟，同時所述籽晶的回熔抑制到500nm或更小。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的用于制造第III族氮化物半導(dǎo)體單晶的方法，其中，所述含Al的第III族氮化物半導(dǎo)體層是AlGaN層。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的用于制造第III族氮化物半導(dǎo)體單晶的方法，其中，所述第III族金屬是Ga，所述堿金屬是Na，以及待生長的所述第III族氮化物半導(dǎo)體晶體是GaN晶體。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的用于制造第III族氮化物半導(dǎo)體單晶的方法，其中，所述籽晶是具有GaN層和堆疊在所述GaN層上的AlGaN層的堆疊結(jié)構(gòu)。
19.一種用于制造GaN襯底的方法，所述方法包括: 制備籽晶的籽晶制備步驟，所述步驟包括在底層上形成由AlxInYGa(1_x_Y)N(0 < X,O ( Y,X+Y ( I)制成的掩模層，從而形成其中所述底層的一部分覆蓋有所述掩模層并且所述底層的剩余部分未覆蓋有所述掩模層的籽晶； 在包含至少堿金屬的熔體中對所述籽晶的未覆蓋有所述掩模層的露出部分進行回熔的籽晶蝕刻步驟； 在包含至少第III族金屬和堿金屬的熔融混合物中在所述籽晶上生長GaN單晶的半導(dǎo)體單晶形成步驟；以及 從所述籽晶移除所述GaN單晶的半導(dǎo)體單晶分離步驟。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的用于制造GaN襯底的方法，其中，在所述籽晶蝕刻步驟中，通過回熔露出所述底層的小平面。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的用于制造GaN襯底的方法，其中，在所述半導(dǎo)體單晶形成步驟中，在所述籽晶上生長所述GaN單晶以使所述小平面不被所述第III族氮化物半導(dǎo)體單晶掩蓋。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的用于制造GaN襯底的方法，其中，在所述半導(dǎo)體單晶形成步驟中，形成由所述小平面和所述GaN單晶限定的非晶部分。
23.根據(jù)權(quán)利要求20所述的用于制造GaN襯底的方法，其中，在所述半導(dǎo)體單晶形成步驟中，在所述籽晶上生長所述GaN單晶以使所述小平面被所述第III族氮化物半導(dǎo)體單晶掩蓋。
24.根據(jù)權(quán)利要求20所述的用于制造GaN襯底的方法，其中，所述小平面是{1，0，-1,1}晶面。
25.根據(jù)權(quán)利要求19至24中任一項所述的用于制造GaN襯底的方法，其中，在所述籽晶制備步驟中，所述掩模層由AlGaN層形成。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于制造具有優(yōu)異的結(jié)晶度的第III族氮化物半導(dǎo)體單晶的方法以及一種用于制造具有優(yōu)異的結(jié)晶度的GaN襯底的方法，所述方法包括控制回熔。具體地，在用作生長襯底的GaN襯底上形成掩模層。之后，通過光刻形成穿過掩模層并且到達GaN襯底的多個溝槽。獲得的籽晶和單晶的原材料被供給到坩堝并且在加壓和高溫條件下經(jīng)歷處理。在熔劑中使GaN襯底的露出到溝槽的部分經(jīng)歷回熔。通過GaN襯底的溶解，溝槽的尺寸增加，以提供大溝槽。GaN層從掩模層的作為起始點的表面生長。
文檔編號C30B19/02GK103243389SQ20131004848
公開日2013年8月14日 申請日期2013年2月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月8日
發(fā)明者永井誠二, 守山實希, 久米川尚平, 山崎史郎 申請人:豐田合成株式會社