專利名稱：單晶氮化鎵基板及其生長方法與制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及可以當(dāng)作第III-V族氮化物類半導(dǎo)體構(gòu)成的藍色發(fā)光二極管(LED)以及藍色半導(dǎo)體機激光(LD)等藍色發(fā)光元件的基板使用的單晶氮化鎵(GaN)基板、單晶氮化鎵基板(GaN)生長方法、以及單晶氮化鎵基板(GaN)制造方法。
藍寶石制造方便、容易搞到、且便宜，另外化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、物理性質(zhì)上也呈牢固晶體，故其作發(fā)光元件的基板最佳。藍寶石基板不但作為藍色LED基板業(yè)已實際采用過，而且在將來也繼續(xù)可以被使用。
然而，藍寶石基板的發(fā)光元件也存在一些不足。即，欠缺劈開性、呈絕緣性。不具劈開性的話，在芯片切割時就會出現(xiàn)問題。在藍寶石晶片上通過晶片制造工序制作出多個LED后切割芯片時，不能利用自然劈開，只能靠刀具切割(dicing)出芯片，所以收獲率低，成本高。
另一方面，由于呈絕緣性，電流不能通過基板，即，不能把n型電極(負極)附在基板底面上。對此，要在藍寶石基板上制作厚的n型GaN層，再于其上通過取向生長形成InGa類的LED構(gòu)造，然后以蝕刻除去從最頂部的p-GaN薄膜到最下層的n-GaN的一部分，使n型部分露出，從而向該處附N型電極(負極)，而在剩余部分的最頂部p-GaN附加p電極。n-GaN必須要相當(dāng)厚且導(dǎo)電性強。另外，兩個電極都在上面，必須要經(jīng)兩次導(dǎo)線結(jié)合。基于這些理由，工序增多、制造時間加長。又，因n電極存在而使發(fā)光面積削減，所以發(fā)光面積變窄。反過來講，為了獲得給定發(fā)光面積，芯片面積變大。這將造成成本提高。
上述這些是作為LED基板時的不足之處，在作半導(dǎo)體激光(LD)的場合，由于不具劈開性，存在不能通過劈開制作激光共振器端面這一難題。共振器端面要靠研磨及蝕刻等形成，耗費時間。還有一個缺點是到底是缺陷密度高。藍寶石基板上的GaN具有達109cm-2左右的缺陷較多。就LED而言這不構(gòu)成問題，可高效發(fā)光。但是就LD而言，由于電流密度特別高，卻可能會因缺陷而開始劣化。故此，雖然藍寶石基板被當(dāng)作藍色InGaN發(fā)光元件的基板使用過，但卻不能說是最佳基板。
最適合作氮化物類發(fā)光元件基板的到底是GaN單晶基板。迄今，由于制造高質(zhì)量GaN單晶基板的技術(shù)尚未成熟，搞不到具有大面積的GaN基板。如果說能夠制造出高質(zhì)量GaN基板的話，其對氮化物發(fā)光元件來說可謂最好的基板。GaN單晶具有自然劈開特性，這樣一來芯片分割將變得簡單而精確，可以通過劈開形成LD的共振器端面。GaN當(dāng)n型基板的話，具有導(dǎo)電性，可在n型基板底面附加n電極，故可以簡化元件構(gòu)造、加大發(fā)光面積。而且，其同取向薄膜之間不存在晶格常數(shù)不匹配的問題。這些都是可以預(yù)見到的優(yōu)點。
但是，GaN多晶原料一加熱就會升華，不能制成GaN熔融液。因此，不能利用通過冷卻加熱熔融液來制造固體晶體的橋克拉爾斯基法、布氏(Bridgemen)法等普通熱平衡大型晶體制造技術(shù)。有人說加高壓可以做到維持熱平衡狀態(tài)的單晶生長。果真可以的話，也只會得到小型晶體，制造出可以適于商業(yè)水平的大型晶片是無望的。
對此，有人提出這樣的GaN基板制造方法以氣相生長法在適當(dāng)單晶基板上生成厚的GaN晶體后除掉基板，從而得到GaN單晶自立膜。這可以說是對薄膜生長法加以擴展的方法。但是，由于藍寶石基板化學(xué)特性穩(wěn)定、物理特性上看也較硬，GaN生長后除不掉，不適于作基板。最近，還嘗試了一種利用激光分離藍寶石基板的方法，但是估計在制作大型基板時收獲率低。
應(yīng)該選長晶后容易除掉且同GaN匹配性好的基板。譬如，通過在GaAs的具有三次對稱性面(111)之上沿c軸方向氣相合成GaN，來制作具有C面的厚GaN。由于基板和GaN在晶格常數(shù)及熱膨脹率上都不同，所以GaN在基板上生長得不是十分順利。譬如，即便長晶，但內(nèi)應(yīng)力大，不會得到高質(zhì)量單晶基板。故尚需進一步攻關(guān)。
對此，本發(fā)明人等創(chuàng)立了所謂橫行生長法(Lateral Overgrowth)，該方法是將具有多窗的掩模罩在GaAs基板上，從掩模上面讓GaN氣相生長，據(jù)此制作出內(nèi)應(yīng)力小、缺陷少的GaN晶體。該方法內(nèi)容在下列日本專利中有記載。
(1)特愿平9-298300號(2)特愿平10-9008號(3)特愿平10-102546號(4)特愿平10-171276號(5)特愿平10-183446號譬如，在具有三次對稱性面(111)的GaAs基板上，罩上分布有條紋(stripe)、圓形窗的SiN掩模(譬如100nm厚)。在裝設(shè)時掩模的長方形、圓形窗具有6次對稱性、要同正三角形反復(fù)出現(xiàn)的圖案的正三角形頂點位置對準(zhǔn)。所以，在一個窗來看，成60°中心角、有6個最接近的窗。
在圖案上，正三角形的邊譬如平行于GaAs的[-110]或[11-2]方向。掩模具有排除GaN的作用，GaN從GaN窗的GaAs面生長，在掩模上不附著GaN。最初是在低溫(500-600℃)下形成比掩模薄(譬如80nm厚)的緩沖層，由于它比掩模低，所以它是只能在掩模內(nèi)部形成的層。它是在獨立的GaN的核孤立的窗內(nèi)獨立生長出來的。
然后，在高溫下實施GaN氣相生長，于是GaN在緩沖層上堆積，直到同掩模一樣高。雖說GaN沒有附著于掩模上，但是GaN卻從窗內(nèi)部向上長，故，其后GaN無論在縱向還是橫向都向掩模上生長。其結(jié)果，GaN薄膜按著以窗中心為中心的正六棱臺形生長下去。雖然在GaN晶體中出現(xiàn)大量變位，但它卻以平行于生長方向而延續(xù)下去。由于在掩模的邊緣生長方向一時朝向橫向，所以變位的延續(xù)方向也一時朝橫向變化。由于GaN是一邊保持正六棱臺形狀一邊長晶，所以變位的轉(zhuǎn)換點排列在從掩模邊緣引出的朝外傾斜的面上。
橫向生長的薄膜最終會同從鄰接窗朝橫向生長的薄膜會合。由于在6個方向上都有同等的窗、由此以等速朝橫向(水平)生長，所以各薄膜在連結(jié)窗的線即垂直二等分線上同時合體。這時，由于變位是朝橫向延伸，所以呈反平行而造成沖突，因沖突而使變位集中。也有時一部分變位會因此而消滅。變位若高密度集中于局部，其它部分就變成低變位，足可以當(dāng)作發(fā)光元件的基板來利用。
從鄰接窗生長的GaN薄膜在二等分線會合后，變?yōu)橄蛏仙L，于是沿c軸生長。這稱作保持C面的生長。花時間使之氣相生長會得到相當(dāng)厚(數(shù)百μm)的GaN/掩模/GaAs坯料。只要除掉掩模及GaAs、形成單剩下GaN的自立膜，就得到GaN的基板晶體。在此，GaAs可以用王水溶解除掉，而掩模也可以簡單地除去。
橫行生長法具有變位延伸方向兩次改變、變位密度因此而降低的優(yōu)點。據(jù)此，首次可以生長出相當(dāng)大的GaN單晶。其具有足夠的厚度(100μm以上)、能自立，是由本發(fā)明人首次獲得的GaN單晶基板。
但是，若氮化鎵基板本身質(zhì)量不高的話，在其上是不可能制作出優(yōu)良半導(dǎo)體裝置的。尤其是作為大批量生產(chǎn)的基板，要求晶體質(zhì)量優(yōu)異，即在廣范圍內(nèi)變位密度低。
即使靠使用多窗掩模進行氣相生長的橫行生長法，變位密度也達1-2×107cm-2左右，達不到低變位，當(dāng)作InGaN類LD用基板的話還不行。
對此，本發(fā)明人為了獲得高質(zhì)量低變位的氮化鎵單晶研究了一種新的在長晶同時可以降低變位密度的方法，見下列公報。
(6)特開2000-102307號(特愿平11-273882號)這一方法是在GaAs上利用掩模實施橫行生長時，不是一邊保持平坦的C面一邊進行氣相生長，而是一邊保持凹凸不平的粗糙面(facet面，凹凸面)一邊長晶；不是沿c軸方向進行C面生長，而是一邊使傾斜于C面的面露出于表面一邊生長。在此，將之稱為凹凸生長法(facet生長法)。
參照

圖1-3來說明一下這一凹凸生長法。GaN晶體2進行c生長、以使平坦表面7C面。傾斜于C面7的面6稱作凹凸面。在不是使凹凸面6被埋上而是在使凹凸面6露出的情況下生長。由于晶體向上堆積，所以集結(jié)于凹凸面6而形成倒錐形的坑4?？?看起來象圓形，實際上是六棱錐({11-2m}或{1-10m})或十二棱錐({11-2m}及{1-10m})(在此，m為整數(shù)，晶體取向后述)。圖1-2是因為繪制方便而表示成倒錐形的坑4，但實際上更頻繁出現(xiàn)的是十二棱錐。
這種不埋上坑4而持續(xù)生長正是凹凸法之訣竅。由于隨著生長凹面的凹凸面6上升，所以平行于生長方向推進的變位相對于凹凸面朝內(nèi)推進，集合于不同取向的凹凸面的交界線(棱線8)。到達棱線的變位隨生長推進而向內(nèi)推進，到達坑底而集結(jié)于復(fù)合點D。在相互間夾角為60°的棱線部，存在許多集結(jié)途中的變位，集結(jié)于復(fù)合點D者構(gòu)成線形變位集合缺陷部11。集合途中的變位群含在從交界線下到底面的垂直平面中。這些相互間成60°夾角的3個集中了變位的面稱為面狀缺陷10。尤其是，當(dāng)許多變位集中于這里時，其往往達到相當(dāng)穩(wěn)定的狀態(tài)。
若此，上述凹凸生長法具有這樣的作用在凹凸面上收攏變位，將之向面狀缺陷及中心即復(fù)合點收攏。長晶在整體上看是向上(向c軸)推進，但變位束是向3個交界平面(面狀缺陷10)集中。由于生長方向總是向內(nèi)傾斜的面的方向，所以最終會有某部分變位束集中而形成線形缺陷束11。
由于生成向凹凸面構(gòu)成的坑的底集中變位的束即面狀缺陷及線形缺陷，故剩余部分就構(gòu)成低變位。再讓其生長到適當(dāng)厚度后，取出GaN/GaAs坯料、除掉GaAs基板及掩模。于是，可得到單剩下GaN的自立膜。其是透明的，經(jīng)研磨后成為平坦的基板。是一種肉眼看上去象平坦光滑的玻璃一樣的材料，看不出變位。只有用特別蝕刻液體蝕刻而讓坑出現(xiàn)后用顯微鏡觀察才會看到變位。另外，材料的不同用熒光顯微鏡也能看到。
用顯微鏡觀察基板上的低變位區(qū)的變位密度時，你會吃驚地發(fā)現(xiàn)一下子降低到106cm-2以下。采用橫行生長時變位密度為1-2×107cm-2左右，相比之下降低了一位數(shù)。這真是巧妙而有用的發(fā)明。
然而，即便是這等絕妙的發(fā)明，一擺出制作可用作LD基板的GaN單晶這一課題，也會發(fā)現(xiàn)其存在問題。
由于是通過在不埋上凹凸面構(gòu)成的坑的情況下生長晶體而使變位向坑底集中，所以變位集中于窄小空間內(nèi)。但是有這樣的問題并非只是完全地集中于一點，而是多少有些分散。譬如，假設(shè)形成的是直徑100μm的坑，從集中部位看，變位集中于坑中央的數(shù)μm這一窄小的范圍內(nèi)，但是、在其它部位上也有一些變位稀稀拉拉地分散在30μm左右的范圍內(nèi)。
這是由于開頭集中的變位又零亂地散開了。有時還會出現(xiàn)集中變位綻開。業(yè)已發(fā)現(xiàn)，零亂地擴展開的變位筋含有相當(dāng)數(shù)量的變位。就是說，有時在某部位上的變位束是以坑中心為芯如云一樣零亂地擴展開的。這種零亂狀可以通過熒光顯微鏡直接觀察到。圖3示意了坑底的變位集合束15散亂不齊、變位在周圍擴展開的情形。
可以看出，為了擴展低變位區(qū)而將坑口徑擴大的話，零亂狀的變位筋就會有進一步增多的趨勢。坑口徑一擴大，向中心芯集中的變位的數(shù)量就會增加，所以綻開成星云狀的變位的數(shù)量及面積也增大。
那么，為什么曾凝縮的變位又會從芯開始散開呢？出現(xiàn)綻開的原因究竟何在呢？本發(fā)明人研究了這些事情，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)其原因在于作用于變位之間的排斥力。
變位是隨著生長而沿著生長方向延伸的，雖然存在離合聚散，但不會輕易消滅，只會是不消滅而集中。由于變位是晶體之錯亂，所以變位一接近平行就會使晶體不整合壓縮，造成晶格能量增大。晶格能量的增大則帶來排斥力。變位在一維上可以到處延伸，但相互一接近就會使晶體構(gòu)造錯亂集中而提高能量，因而產(chǎn)生排斥力。這種活力是在使得變位成千倍甚至萬倍地凝集后才開始出現(xiàn)的，但這一點迄今無人知曉。
1000條或10000條變位線集中在窄范圍時，其間排斥力開始顯著。故此本來凝集的一部分變位又會消散。這產(chǎn)生了看起來象似飄在芯周圍的零亂星云狀構(gòu)造。
零亂狀變位線上的變位密度大約為107cm-2order，比含有其它部分的平均變位密度(106cm-2order)要大10倍以上。零亂狀變位線的變位密度就LD基板而言是不行的。從能夠應(yīng)用于LD基板的角度來考慮，到底還是期望變位密度低于106cm-2order。在此，綻開所引起的零亂狀變位是第一問題。
其次的問題是變位集中于凹凸面6構(gòu)成的坑4的底時在坑中央部相互間成60°夾角而成的面狀缺陷10。維持坑而生長時，變位集中于凹凸面交界、在此滯留，故集中成面狀而構(gòu)成面狀缺陷10?？梢哉J(rèn)為含在坑軸線上、相互間成60°夾角、具有6次對稱性的面狀缺陷10是變位平行排列成面狀的變位塊。面狀缺陷也同上述零亂狀變位一樣屬晶體缺陷問題。面狀缺陷與坑芯成60°角、呈放射狀。有時，可能會在面狀缺陷兩側(cè)面出現(xiàn)晶面錯位。在基板上制造LD元件時，可以預(yù)見這些面狀缺陷的存在將會造成質(zhì)量下降、縮短激光壽命。故有必要減少面狀缺陷。
最后一個問題是更根本的問題。它就是坑分布具有不可預(yù)見的偶然性、概率性。即，缺陷分布是隨機的。根據(jù)前述的通過不埋上凹凸坑而生長來減少變位的凹凸生長法，是不可能預(yù)先規(guī)定或知道坑在何處的。凹凸面構(gòu)成的坑只不過偶然地形成于某處，于是變位偶然地在該處集中。故，變位束分布概率性、偶然性構(gòu)成問題。
在采用GaN晶片并實施晶片工序制造多片GaN-LD芯片時，LD的條紋(stripe，即活性層)常常會碰到變位束。若在發(fā)光層上存在缺陷束的話，LD壽命就會變短。由于條紋碰到變位束之處的LD須要去掉，這導(dǎo)致激光制造收獲率降低。
GaN基板上制作的LD芯片尺寸并非一定，在此假設(shè)其寬400μm、長600μm，中央縱向形成的發(fā)光層(條紋)為2-3μm寬×600μm，在晶片上制造400μm×600μm矩形LD。那么，在全部寬度為400μm當(dāng)中，只有3μm是條紋。所以，或許有人以為變位芯及零亂狀變位重合于條紋的現(xiàn)象少，但是卻非如此。條紋的寬度確實窄，但其長度卻同芯片長度一樣，而且肯定是直線。故，變位芯(變位集中點)碰到條紋的現(xiàn)象頻繁出現(xiàn)。
為了制造LD用基板，需要變位芯及零亂狀變位不碰到條紋的基板。所以不知道變位束(變位芯)在何處確是為難。因此就想對變位芯位置主動地進行控制。雖說變位芯出現(xiàn)是沒有辦法的事，但是只要是在制造LD時能進行適當(dāng)配置、并預(yù)先得知配置即可。若此，期望有一種能夠?qū)崿F(xiàn)變位芯(束)位置控制的長晶方法。
上述三點即是本發(fā)明的課題。即本發(fā)明是要解決如下三個難題(1)降低自凹凸面構(gòu)成的坑的中央的變位集合部之變位的零亂分布。
(2)消滅凹凸面構(gòu)成的坑的中央的變位集合部之面狀缺陷。
(3)控制凹凸面構(gòu)成的坑的中央的變位集合部的位置。
在描述本發(fā)明之前先稍解釋一下用語。首先是關(guān)于氣相生長法，作為GaN薄膜形成法采用氣相生長法，這其中有HVPE法、MOCVD法、MOC法及升華法。在基板制造中也用到該方法。
I關(guān)于HVPE法(Hydride Vapor Phase Epitaxy，氫化物氣相生長法)以金屬Ga為Ga原料，氮原料為氨NH3，把基板放到熱壁型反應(yīng)爐下方的基座上、GaN金屬放到上方的板上加熱，向其中吹入氫氣和HCL氣，生成GaCL。這載在氫氣上飄向下方而貼到已加熱的基板上。在基板附近供給氫氣和氨氣，使GaCL和氨反應(yīng)而合成GaN，堆積到已加熱的基板上。由于以金屬Ga為原料來制備GaCL，所以具有GaN薄膜內(nèi)不混入碳這一優(yōu)點。
II關(guān)于MOCVD法(Metallorganic Chemical Vapor Deposition，有機金屬CVD)它是最常用的GaN薄膜生長法。在冷壁型反應(yīng)爐中將TMG(三甲基鎵)等Ga的有機金屬原料、氨NH3同氫氣(H2)一道吹到已加熱的基板上。將有機金屬當(dāng)作鎵原料使用這在形成GaN以外的鎵化合物薄膜上經(jīng)常采用。在加熱基板上TMG和氨反應(yīng)而合成GaN，堆積起來形成薄膜。該方法是作為薄膜形成方法實用過的。但是，要想制作厚基板晶體而不是薄膜的話就有問題了。由于該方法要用大量的氣體，所以原料氣體收率低。就薄膜而言，這不構(gòu)成問題，但是就形成基板而言，收率低就是缺點。還有一個問題是由于原料含有機物、有碳，所以在形成GaN時會混入碳。有時，碳成為深給予體、使電子遷移率降低、導(dǎo)致電特性惡化。
III關(guān)于MOC法(Metallorganic Chloride，有機金屬氯化物氣相生長法)以TNG等有機金屬化合物為Ga原料，氮原料為氨NH3。同MOCVD法不同，它不是直接讓TMG和氨化合。在熱壁型反應(yīng)爐內(nèi)，先通過讓TMG和HCL氣反應(yīng)而合成GaCL。將此在氣態(tài)下流到已加熱的基板上。由于在基板附近供給氨，所以氨和GaCL在基板附近反應(yīng)而合成GaN，漸漸堆積起來。由于使用有機金屬，所以該方法也存在會在薄膜中混入碳這一缺點。但比起MOCVD法來其原料收率要高。
IV升華法在此不以氣體為原料，而以多晶GaN為原料。在反應(yīng)爐中固體GaN和基板分別置于不同處、設(shè)置溫度梯度，將固體GaN加熱氣化，使之向溫度較低的基板處移動，從而在基板上堆積GaN薄膜。
以下說一下晶體取向。這在本行業(yè)被視為常識，但未必誰都知道，存在著概念混亂、空間幾何學(xué)方面的解釋不能被讀者理解等情況。因為以后要借晶體取向來敘述本發(fā)明構(gòu)造，所以應(yīng)明確一下取向的定義。GaN屬于六方晶系，那么顯示面和取向的指數(shù)既有使用3個的，也有用4個的。在此為使用4個。就此敘述一下表達方式。
關(guān)于晶面和晶體取向的表現(xiàn)，各有一些約定。表達面取向的總表達是采用大括弧{}，如{hkmn}，h、k、m、n稱晶面指數(shù)(或鏡面指數(shù))，不一定是整數(shù)。個別面取向的表達是采用圓括弧()，如表達成(hkmn)。晶體取向的總表達是采用中括弧<>，如表達成<hkmn>。晶體取向的個別表達是采用括弧[]，如表達成[hkmn]。具有相同晶面指數(shù)的晶面和晶體取向是正交的，即正交于(hkmn)的方向是<hkmn>。
容許的對稱操作是由晶體所屬對稱群決定的，在通過對稱轉(zhuǎn)換操作恢復(fù)原狀時，晶面和取向都以同一總表達來表達。在六方晶系的場合，由于對于最初的3個指數(shù)容許操作3次，所以h、k、m相互替換的對稱操作是同等的。但是，c軸的指數(shù)n特殊，不能同這三個指數(shù)互換。以總表達表達成{hkmn}的總晶面包含了從一個個別面(hkmn)出發(fā)能通過容許對稱操作到達的所有個別面。即便同是六方晶系，可容許對稱操作也會因晶體而有多種，不能說哪一個被包含在總表達里。
GaN具有3次對稱性，所以(hkmn)，(kmhn)，(mhkn)，(hmkn)，(khmn)，(mkhn)是包含在總表達{hkmn}里的6個面。反之，6個總表達{hkmn}，{kmhn}，{mhkn}，{hmkn}，{khmn}，{mkhn}是同等的表達。晶面指數(shù)是指數(shù)，當(dāng)為負數(shù)時習(xí)慣上要附上線，但是由于在說明書中沒辦法附加上線，故以在前面附負號代替。在晶面指數(shù)之間不加逗點，故可以簡單地區(qū)別出是晶面指數(shù)還是坐標(biāo)。
GaN屬六方晶系、有3個具3次對稱性的軸。其中有兩個軸稱a軸和b軸，第3個軸尚無名稱，為方便1起見權(quán)稱其為d軸。那么，abd三軸就是成120度中心角而設(shè)的。同包含這三個軸的面正交的是c軸。c軸是六方晶系中特殊的軸，其不具有abd軸之間的對稱性。所謂晶面就是朝向同一方向的相互平行的無數(shù)面之集合。晶面取向是將第1個晶面切各個軸的切片的長度用用軸長度來除得到的商的倒數(shù)。譬如，用a/h切a軸、用b/k切b軸、用d/m切d軸、用c/n切c軸時，晶面指數(shù)就表達為(hkmn)。
可見，晶面指數(shù)越小就越呈基本面，面數(shù)也越少。晶體取向[hkmn]被定義為正交于面(hkmn)的方向。4個指數(shù)當(dāng)中頭三個指數(shù)h、k、m是非獨立的。由于屬于二維，故可以兩個指數(shù)表達，實際上也有用兩個指數(shù)表達的。但是，在此為便于看到對稱性，用4個指數(shù)表達。因此，雖然h、k、m是一次從屬，但是其間總有容易辨認(rèn)的拇指法則存在h+k+m＝0。
拿GaN來說，代表面有三個，其中一個是C面，它可以表達為(0001)面，即它是和c軸正交的面。面和軸相互正交，后述中以大寫字母表示面、以小寫字母表示軸，以示區(qū)別。GaN具有環(huán)繞c軸的3次對稱性，即具有通過120度旋轉(zhuǎn)可以回到原位的對稱性。在異種基板上長晶GaN的場合，一定是沿c軸方向生長。在GaAs基板和藍寶石基板上異質(zhì)外延生長的場合，一定是沿c軸方向生長。GaN沒有反轉(zhuǎn)對稱性，所以(0001)面和(000-1)不是同一面。
第2個具代表性的面稱M面，它是劈開面，是通過對稱的3個軸(a，b，c)中的一個軸的前端、并和其他兩個軸當(dāng)中的某一軸及c軸平行的面，其可以用總表達{1-100}、{01-10}、{-1010}、{-1100}、{0-110}、{10-10}以及個別表達(1-100)、(01-10)、(-1010)、(-1100)、(0-110)、(10-10)等進行表達?？偙磉_都是等效的，但個別表達卻表達不同的面。不同的面相互間成60度角。應(yīng)注意的是不是90度而是60度。M面是通稱，在表達GaN的代表取向時很方便。
第3個具有代表性的面稱A面，它是連結(jié)對稱的3個軸(a，b，c)中的兩個軸的前端、并和c軸平行的面，其可以用總表達{2-1-10}、{-12-10}、{-1-120}、{-2110}、{1-210}、{11-20}以及個別表達(2-1-10)、(-12-10)、(-1-120)、(-2110)、(1-210)、(11-20)進行表達。總表達{...}都是等效的，但個別表達卻表達不同的面。
由于GaN沒有6次對稱性，所以上述個別面顯示出兩種面。各個別面相互間成60度角。應(yīng)注意的是不是90度而是60度。A面是通稱，是很方便的表達。應(yīng)和a軸區(qū)別開。具有同A面一樣的晶面指數(shù)的取向<2-1-10>是正交于A面的取向，其和M面的某一個平行，似乎可以稱作a取向，但卻沒有那樣說的。具有同M面一樣的晶面指數(shù)的取向<1-100>是正交于M面的取向，其和A面平行，似乎可以稱作m取向，但卻沒有那樣說的?？梢姡珿aM具有3個具代表性的面即C面、A面、M面。
后述的凹凸面是將A面及M面稍微向c軸方向傾斜而構(gòu)成的。譬如是從A面派生的凹凸{2-1-11}、{2-1-12}、及從M面派生的凹凸{1-101}、{1-102}等。等價的6個面集合起來就構(gòu)成坑。六棱錐形的坑就是由從A面派生的凹凸{2-1-11}、{2-1-12}構(gòu)成的、或者是由從M面派生的凹凸{1-101}、{1-102}構(gòu)成的。A面也同M面一樣具有6個相互間成60度角的面、構(gòu)成洞時就形成六棱錐形的坑。另外，也可以形成十二棱錐形的坑，這是由于A面凹凸{2-1-11}、{2-1-12}和M面凹凸{1-101}、{1-102}組合起來而成為十二角形。當(dāng)成為十二角形時，有時會看到這些面有些錯位。
第4個指數(shù)n，就上述凹凸而言為1或2。由于這種低面指數(shù)比較多見，所以對其作下敘述。譬如，將A面{2-1-10}稍微相對于c軸一傾斜就會變成{2-1-11}面，再進一步傾斜則變成{2-1-12}面。第4個指數(shù)n的值越大相對c軸的傾斜也就越大，即接近于水平。雖然也出現(xiàn)過具有更高的的n指數(shù)的凹凸面，但大體上是n＝1或2。
后面還要提到二段重合凹凸這一概念，出現(xiàn)兩種凹凸——構(gòu)成坑的凹凸和比其淺的凹凸。為了不至文理混亂，在此預(yù)先描述一下。所謂淺是指在水平上更接近于C面，即c軸方向的晶面指數(shù)n大。
如后面所述，通常，出現(xiàn)于坑周圍的凹凸是{11-22}、{1-101}，這將在后面加以描述。設(shè)a代表a軸長度、c代表c軸長度，則{1-101}面相對C面的傾角為tan-1(31/2a/2c)，{11-22}面相對C面的傾角為tan-1(a/c)。
若說淺凹凸，則是說{11-23}、{1-102}、{11-24}、{1-103}等n比較大者。{1-10n}(n≥2)面相對C面傾斜的角度為tan-1(31/2a/2cn)，n大于2時，該值小于n＝1場合下的值。{11-2n}(n≥3)面相對C面傾斜的角度為tan-1(2a/nc)，n大于3時，該值小于n＝2場合下的值。因此，將大n者稱做淺凹凸。
GaN屬六方晶系、纖鋅礦，具有如下各面有Ga原子存在于正六角形的6個頂點和中心的底面、有Ga原子存在于正六角形的6個頂點和中心的上面、位于底面和上面之間但稍靠下方的有N原子存在于正六角形的6個頂點和中心的下中間面、稍靠其上的有3個Ga原子存在的中間面、更在其上的有3個N原子存在的上中間面。其具有3次對稱性，但沒有反轉(zhuǎn)對稱性，也不具有6次對稱性。
以藍寶石、Si、GaAs等為襯底基板。藍寶石(α-Al2O3)屬三方晶系，但其對稱性差、不具備3次對稱性，也沒有反轉(zhuǎn)對稱性。由于對稱性差，故還不具劈開性。
Si不屬六方晶系、而是立方晶系，為鉆石構(gòu)造。所以晶面指數(shù)是3個?？?個指數(shù)完全可以記述面取向(khm)。3個指數(shù)獨立，不適用前述的拇指法則，k+h+m≠0。3次對稱軸是在對角線方向，和(111)面相交。通常，Si半導(dǎo)體裝置是采用(001)面，但其不具3次對稱性。在此，由于需要3次對稱性，故用Si時使用(111)面。
GaAs不屬六方晶系而是立方晶系、為閃鋅礦(ZnS，Zinc Blende)構(gòu)造。所以晶面指數(shù)是3個?？?個指數(shù)完全可以記述面取向。3次對稱軸是在對角線方向，和(111)面相交。通常，制作GaAs半導(dǎo)體裝置時，從劈開角度考慮，使用(001)面。但該面不具有3次對稱性。在此，由于需要3次對稱性，故用GaAs時也使用(111)面。GaAs沒有反轉(zhuǎn)對稱性，即便說(111)面也只有兩種，即As向外部突出的(111)面和Ga向外部突出的(111)面。必要時稱作(111)As面和(111)Ga面，以示區(qū)別。
(2)消滅凹凸面構(gòu)成的坑的中央的變位集合部之面狀缺陷。
(3)控制凹凸面構(gòu)成的坑的中央的變位集合部之位置。
下面進一步說明一下這些難題。
在一邊形成并維持凹凸?fàn)羁右贿呴L晶這一本發(fā)明人的在先申請所存在的問題可以認(rèn)為在于變位的集合狀態(tài)。圖3(1)和(2)示意了在先申請的坑處變位集合。在GaN晶體12的某部分產(chǎn)生了凹凸14構(gòu)成的坑14?？?4的生成位置不能預(yù)定，具有偶然性。平坦面17在C面方向上生長的話，凹凸面10也上升，變位15滯留在坑14底。如圖3(2)所示，有可能是，變位群15只一時存在于坑底，然后變位本身散開、開放、再擴展開。
在凹凸面構(gòu)成的坑部，利用在凹凸面的變位的傳播方向之異向性使大量變位集中于坑中央之際，其變位的集合狀態(tài)構(gòu)成問題。雖然可讓變位集中于坑中央，但是，由于變位處于高密度集中狀態(tài)、不消滅、坑開放著，這會引起各種各樣問題。
本發(fā)明人的方法，雖然是利用一邊維持凹凸生長的坑形狀一邊長晶來將大量變位集中于坑中央，但是高密度的變位集合帶來新的問題。
可能有時侯具有逆方向貝克頻譜的變位相互沖突而消滅。但是，由一個凹凸面收集的變位中同符號的比較多。所以可以說集合的變位因符號不同而互相抵消的情況幾乎沒有。相同符號的變位集合時，變位不消滅、始終殘留著。只不過具有集中后剩余部分低變位化這一優(yōu)點。
但是，若是相同符號的變位穩(wěn)穩(wěn)當(dāng)當(dāng)?shù)丶杏诰€及面上也可，而實際上不是這樣。如上所述，可以從變位集中部分看到零亂狀變位的擴散。那么，為什么會這樣呢？究其原因，可以認(rèn)為是由于相同符號變位一集中在變位之間就產(chǎn)生排斥力。
晶格錯位連續(xù)就是變位，同一變位一集中到錯位方向上錯位方向就加倍，造成晶格力學(xué)能量增大。為此就要降低能量，于是構(gòu)成排斥力。因作用于變位之間的排斥力，變位從變位集中體的一部分脫開，零亂狀變位擴展。本來是好不容易使之集中起來，到頭來卻有部分變位脫離擴散開，令人頗傷腦筋。
而且，坑合體、變位群錯亂，因變位群合流而致變位濃縮，變位密度進一步上升。為此，也可能會使零亂狀變位擴展下去。這就是上述的變位零亂分布的問題。
還有，有時，在變位向凹凸構(gòu)成的坑的中央集合之際，還會形成相互間夾角為60°呈放射狀的變位的集合體。這是指圖1(b)的面狀缺陷10。這是由于變位以60度角集合的緣故。相同符號的變位集合時，有時變位會因變位之間有排斥力作用而不能集中于中央，而是集中于放射狀面狀缺陷10。這會更強化面狀缺陷。
又，多個坑合體而使坑大型化時，向坑中央集合的變位的數(shù)量也增多，于是面狀缺陷也隨著進一步大面積化。
進一步，由于凹凸產(chǎn)生不過是任其自然發(fā)展，所以沒有規(guī)律?？游恢镁哂信既恍?、不可預(yù)定，無法控制。由于坑位置無規(guī)律、無限定、是隨機的，故，零亂狀變位群面積增大的話，阻礙在基板制作半導(dǎo)體裝置，半導(dǎo)體裝置的質(zhì)量和收獲率都會降低。
為了解決這些問題，本發(fā)明人以為問題關(guān)鍵在于在一邊維持凹凸面構(gòu)成的坑一邊長晶而使變位集中于坑中央之際，變位只是滯留在集合部而不收斂。(見圖3(2)的變位群15)本發(fā)明人以為如若是在變位的集合部有變位消滅機構(gòu)、積蓄機構(gòu)的話，在集合部的變位群就會被固定而不再擴散，這是有效的。
本發(fā)明人以為如若在晶體群中有變位消滅機構(gòu)或積蓄機構(gòu)的話，即便變位集中在窄區(qū)域內(nèi)也可以將變位消滅、積蓄。因此，變位就不會散亂、形成面狀缺陷。
那么，用什么來作變位消滅機構(gòu)、積蓄機構(gòu)呢？本發(fā)明人是這樣做的在單晶中故意形成晶粒界面等缺陷，利用缺陷面來消滅或積蓄變位。就是積極地生成晶粒界面等缺陷，據(jù)此來穩(wěn)定地積蓄或消滅變位。這是本發(fā)明第一新穎的構(gòu)思。
本發(fā)明就要新生成晶粒界面并有效加以利用。圖4示意了這一點。在GaN晶體22上生成具有凹凸面26的坑24。在長晶同時變位介于凹凸面26平行于C面移動，達到坑24的底部29。其后，變位延伸方向和生長方向(c軸方向)平行。接底部29作成封閉缺陷集合區(qū)25。封閉缺陷集合區(qū)25會吸收上述變位。變位或消滅或被積蓄在封閉缺陷集合區(qū)25。
一旦被積蓄起來，就難以再跑到外部。因此，從這一意義上講也能看出所謂“封閉”的含義。進行封閉的是圍在封閉缺陷集合區(qū)25之外的晶粒界面K。其將封閉缺陷集合區(qū)25封鎖，所以變位被捕獲、難以再擴散。
那么，怎樣作成封鎖封閉缺陷集合區(qū)25的晶粒界面K呢？前面已說過，在一邊維持凹凸一邊進行凹凸長晶時，變位集中于凹凸構(gòu)成的坑的中央底部。在該中央部，通過形成同周圍單晶不同的晶體就可以在其分界產(chǎn)生晶粒界面K。由于只要形成同周圍單晶不同的晶體就行，所以既可以是取向不同的單晶，也可以是取向不能作唯一定義的多晶。無論怎樣，周圍的單晶都具有同一取向、整體上仍是單晶，所以若在坑中央部形成同周圍單晶不同的晶體就應(yīng)該在異質(zhì)晶體之間產(chǎn)生晶粒界面K。先描述一下在中央部形成多晶時的情形。
具體來說是在中央部形成多晶區(qū)。于是在周圍單晶區(qū)和坑底窄域處形成的多晶區(qū)之間產(chǎn)生晶粒界面K。將該晶粒界面K當(dāng)作變位消滅與積蓄之所。本該減少變位，然而卻新生成了含許多變位的晶粒界面K，這是將晶粒界面K有效反用。當(dāng)然，不僅是這些晶粒界面K，被晶粒界面K所包圍的內(nèi)部區(qū)域也可以當(dāng)作變位的積蓄之所。這是非常出乎意外的想法，是嶄新的。
本發(fā)明，通過形成變位的集溝(吸入)可以防止零亂狀分布生長而使一部分消滅，另外也可以促進從坑中央部擴展開的面狀缺陷的降低和消滅。
再進一步研究則發(fā)現(xiàn)能起這種能消滅和積蓄變位作用的區(qū)域并非僅僅限于多晶。如果接著坑底部生成單晶區(qū)，那么只要其和其他單晶晶體取向不同，也可以在其間產(chǎn)生晶粒界面K，該晶粒界面K可作變位的消滅和積蓄之所。譬如，有時c軸反轉(zhuǎn)、即構(gòu)成Ga面和氮面逆轉(zhuǎn)的反轉(zhuǎn)層。所謂反轉(zhuǎn)層是指在GaN晶體的給定區(qū)，同比其他區(qū)只有GaN晶體的<0001>方向逆轉(zhuǎn)180度、極性(polarity)反轉(zhuǎn)。GaN晶體的(0001)面，其表面為Ga原子面，但(000-1)面則是氮原子面。
進一步還了解到即便某單晶同其他區(qū)單晶取向一樣，但是當(dāng)被面缺陷所包圍、以小傾斜角晶粒界面包圍時，該小傾斜晶粒界面K也可構(gòu)成變位的消滅和積蓄之所。即，只要是下述接著坑中央部底部的區(qū)域，就可以在這些區(qū)域同各自周圍區(qū)域之間產(chǎn)生晶粒界面K。
A.多晶區(qū)B.同周圍單晶取向不同的單晶區(qū)C.同周圍單晶取向同一但被小傾斜角晶粒界面包圍的單晶區(qū)因此，晶粒界面K具有使變位消滅、積蓄的作用。雖說若能消滅變位才是有效的，但只要將之積蓄起來不釋放也是有效的。這種構(gòu)成晶體芯的部分都內(nèi)含晶體缺陷，而且被晶粒界面K包圍，所以可稱為“被封閉的缺陷集合區(qū)”。這部分構(gòu)造本身就是新穎的。
被封閉的缺陷集合區(qū)一詞太冗長，那么簡稱為封閉缺陷集合區(qū)H。它意味著是這樣一來的區(qū)域具有一個芯——在凹凸生長中在凹凸面集合即坑的底部生成并帶有某種不同于周圍單晶的晶體特性——的芯S，其表面被晶粒界面K所包圍。即芯S是上述A、B及C中的某一個，封閉缺陷集合區(qū)H由芯S和晶粒界面K構(gòu)成。形象地來表述的話，可以寫成下式H＝S+KK＝S，B或CK是晶粒界面，可以消滅和積蓄變位。芯S處于K內(nèi)部，具有某種不同于周圍單晶的晶體特性，是在凹凸生長中在坑的底部生成的。這兩種成分合在一起稱做封閉缺陷集合區(qū)H?？幼钌畈吭诜忾]缺陷集合區(qū)H中，變位的集合部產(chǎn)生于此。在以上敘述中似乎讓人感覺只有晶粒界面K具有消滅和積蓄變位的作用，其實不僅如此，封閉缺陷集合區(qū)H內(nèi)部的芯S也具有消滅和積蓄變位的作用。K和S兩者都具有消滅和積蓄變位的作用。
在本發(fā)明人的在先申請(特開2001-102307號)中尚不能預(yù)先指定坑產(chǎn)生于何處。那樣的話，也就不能預(yù)先確定接著坑產(chǎn)生的封閉缺陷集合區(qū)H會產(chǎn)生于何處。但是，知道在坑中央產(chǎn)生封閉缺陷集合區(qū)H這一相關(guān)是有意義的。發(fā)明人做了進一步研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)可以預(yù)先確定封閉缺陷集合區(qū)H。
換句話說，若通過某種手段能夠預(yù)先確定封閉缺陷集合區(qū)H位置，就可以確定坑出現(xiàn)之處。應(yīng)該注意到，這些觀點將帶來飛躍。
關(guān)于封閉缺陷集合區(qū)H確定手段以后詳述。簡而言之，就是在襯底基板的期望產(chǎn)生封閉缺陷集合區(qū)H的位置有規(guī)律地配置所謂“種子”。一在其上生長GaN，坑就會接著種子而產(chǎn)生、而封閉缺陷集合區(qū)H接著坑產(chǎn)生。
當(dāng)確定了封閉缺陷集合區(qū)H時，該區(qū)域比其他C面的生長速度慢，對比其他C面生長部分就出現(xiàn)了低洼(坑)。一有低洼，其周圍就被安定的具有低等面指數(shù)的凹凸面包圍。隨著長晶，凹凸面大大地生長，結(jié)果形成坑。由于坑不消滅而是在凹凸生長其間被維持，所以封閉缺陷集合區(qū)H接著坑連續(xù)生長。由于是在縱向生長，所以從最初確定的封閉缺陷集合區(qū)H的位置往上都是封閉缺陷集合區(qū)。根據(jù)這一方法可以控制坑位置，可以在任意位置形成封閉缺陷集合區(qū)H。這也是本發(fā)明顯著特征之一。
還有另外一種封閉缺陷集合區(qū)H產(chǎn)生機制。雖然坑由凹凸面構(gòu)成，但是在其底部容易形成較淺傾斜(c軸面指數(shù)n大)的其他凹凸面(見圖5(b)之(3))，角度淺的凹凸面形成于坑底，于是構(gòu)成雙重凹凸面構(gòu)造。這固定了坑中心。封閉缺陷集合區(qū)H接著淺凹凸面而產(chǎn)生。后面還要詳述，封閉缺陷集合區(qū)H由相對于周圍只在GaN晶體的<0001>方向180度逆轉(zhuǎn)的c軸方向的反轉(zhuǎn)層構(gòu)成時，這一現(xiàn)象會明顯地出現(xiàn)。
關(guān)于封閉缺陷集合區(qū)H有如下觀點。在種子之上形成了多晶時，封閉缺陷集合區(qū)H變成多晶，明顯有別于其他單晶部分，在交界處產(chǎn)生晶粒界面K。
但是，有時封閉缺陷集合區(qū)H不光是多晶，也有單晶。雖說是單晶，但和周圍單晶部分的取向不同。方向不同，呈多樣性，以后詳述。為什么晶體取向不同呢？這是由于坑底部形成小的傾斜凹凸面(n大)，封閉缺陷集合區(qū)H以它為一個面而形成，所以即便封閉缺陷集合區(qū)H為單晶，其也和其他單晶部分的晶體取向不同。由于晶體取向不同，封閉缺陷集合區(qū)H和其他單晶部分的交界一定會產(chǎn)生晶粒界面K?？烤Я＝缑鍷，封閉缺陷集合區(qū)H的芯S完全被密封取向，形成封閉的缺陷集合。這就是封閉缺陷集合區(qū)H。
若此，以形成H＝S+K的封閉缺陷集合區(qū)方式進行GaN凹凸長晶的方法，可以完全解決上述三個難題。從坑中央擴散的零亂狀變位靠晶粒界面K吸收積蓄而不脫離，所以不會向外部跑出。從坑中央底部產(chǎn)生的成60度角的面狀缺陷被晶粒界面K吸引積蓄而不會向外部跑出。
由于坑中心位置不確定而使得在制作LD時活性層(條紋)重合于坑這一偶然性問題，靠預(yù)先積極地確定封閉缺陷集合區(qū)H即坑產(chǎn)生的位置而得到解決。也可以說，可以確定坑位置這一點是本發(fā)明最有用的優(yōu)點。
以上說明了本發(fā)明的原理，和說明了根據(jù)本發(fā)明能夠解決上述三個問題(坑中央的零亂變位、面狀缺陷、位置控制困難)。以下更詳細地描述一下本發(fā)明具體實施方案。
圖2是說明本發(fā)明人在特開平2001-102307中提出的一邊在表面形成并維持凹凸面構(gòu)成的坑一邊進行GaN長晶的凹凸生長法中，凹凸在平均生長方向以外向坑內(nèi)生長從而在生長同時變位收攏于凹凸棱線并進一步集中于坑底重合點的俯視圖。
圖3是坑的截面圖，其是為了說明下述情形的圖本發(fā)明人在特開平2001-102307中提出的一邊在表面形成并維持凹凸面構(gòu)成的坑一邊進行GaN長晶的凹凸生長法中，凹凸在平均生長方向以外向坑內(nèi)生長從而在生長同時變位收攏于凹凸棱線并進一步集中于坑底重合點、接著底在縱向形成變位集合束。其中，(1)是說明生長同時變位向坑底集中從而形成在縱向延伸的變位束的截面圖；(2)是說明如是情形的截面圖生長同時變位向坑底集中從而形成在縱向延伸的變位束、但沒有被覆蓋的變位集合開放、變位之間產(chǎn)生強排斥力，致使曾一旦集合的變位又散開、向周圍擴展，從而出現(xiàn)零亂狀的變位擴散。
圖4是說明本發(fā)明單晶氮化鎵基板生長方法——在一邊在表面形成并維持凹凸面構(gòu)成的坑一邊進行GaN長晶的凹凸生長法基礎(chǔ)上凹凸在平均生長方向以外向坑內(nèi)生長從而在生長同時變位收攏于凹凸棱線并進一步集中于坑底重合點，接著底在縱向形成變位集合束即封閉缺陷集合區(qū)H，從而使變位集結(jié)于封閉的空間，變位不再散開——之概要的截面圖。其中，(1)是說明生長同時變位向坑底集中、讓變位束集結(jié)于在縱向延伸的封閉缺陷集合區(qū)H的截面圖；(2)是說明生長同時變位向坑底上升、但封閉缺陷集合區(qū)H總是隨著底走而吸收變位的截面圖。
圖5是說明本發(fā)明單晶氮化鎵基板的生長方法的圖，據(jù)該方法，在襯底基板上配置種子，在其上進行GaN凹凸生長，在坑底形成封閉缺陷集合區(qū)H，在其周圍形成單晶低變位伴隨區(qū)Z，在其周圍設(shè)單晶低變位剩余區(qū)Y。
圖6是說明本發(fā)明單晶氮化鎵基板的生長方法的俯視圖，據(jù)該方法，在襯底基板上配置種子，在其上進行GaN凹凸生長，在坑底形成封閉缺陷集合區(qū)H，在其周圍形成單晶低變位伴隨區(qū)Z，在其周圍設(shè)單晶低變位剩余區(qū)Y。由此可知，是在襯底基板上幾何學(xué)地有規(guī)律地配置種子。
圖7是說明本發(fā)明單晶氮化鎵基板的立體圖，該基板是這樣形成的襯底基板上配置種子，在其上進行GaN凹凸生長，在坑底形成封閉缺陷集合區(qū)H，在其周圍形成單晶低變位伴隨區(qū)Z，在其周圍設(shè)單晶低變位剩余區(qū)Y，于是，在這樣長晶后，除去襯底基板、平坦化。
圖8是以6次對稱圖案在襯底基板上配置種子而長晶這一本發(fā)明單晶氮化鎵基板的俯視圖。
圖9是以4次對稱圖案在襯底基板上配置種子而長晶這一本發(fā)明單晶氮化鎵基板的俯視圖。
圖10是以2次對稱圖案在襯底基板上配置種子而長晶這一本發(fā)明單晶氮化鎵基板的俯視圖。
圖11是本發(fā)明實施例1的單晶氮化鎵基板的生長方法示意圖，該基板是這樣形成的襯底基板上生長GaN取向生長層，在其上配置種子進行GaN凹凸生長，在坑底形成封閉缺陷集合區(qū)H，在其周圍形成單晶低變位伴隨區(qū)Z，在其周圍設(shè)單晶低變位剩余區(qū)Y，于是，在這樣長晶后，除去襯底基板和GaN取向生長層、平坦化。
圖12是本發(fā)明實施例2的單晶氮化鎵基板的生長方法示意圖，該基板是這樣形成的襯底基板上配置種子，在其上進行GaN凹凸生長，在坑底形成封閉缺陷集合區(qū)H，在其周圍形成單晶低變位伴隨區(qū)Z，在其周圍設(shè)單晶低變位剩余區(qū)Y，于是，在這樣長晶后，除去襯底基板、平坦化。
圖13是本發(fā)明實施例4的單晶氮化鎵基板的生長方法示意圖，該基板是這樣形成的在藍寶石等異種基板上生長GaN取向生長層，在其上配置GaN粒子即種子進行GaN凹凸生長，在坑底形成封閉缺陷集合區(qū)H，在其周圍形成單晶低變位伴隨區(qū)Z，在其周圍設(shè)單晶低變位剩余區(qū)Y，于是，在這樣長晶后，除去藍寶石基板和GaN取向生長層、平坦化。
圖14是本發(fā)明實施例5的單晶氮化鎵基板的生長方法示意圖，該基板是這樣形成的在藍寶石等異種基板上生長GaN取向生長層，在GaN取向生長層上通過蝕刻而開孔，在孔上進行GaN凹凸生長，在坑底形成封閉缺陷集合區(qū)H，在其周圍形成單晶低變位伴隨區(qū)Z，在其周圍設(shè)單晶低變位剩余區(qū)Y，于是，在這樣長晶后，除去藍寶石基板和GaN取向生長層、平坦化。
圖15是本發(fā)明實施例6的單晶氮化鎵基板的制造步驟示意圖，在此，以利用本發(fā)明實施例1的圖案A做成的GaN基板為襯底基板，不配置種子，在其上生長GaN取向生長層，在封閉缺陷集合區(qū)H之上形成封閉缺陷集合區(qū)H，在單晶低變位伴隨區(qū)Z、單晶低變位剩余區(qū)Y之上形成單晶低變位伴隨區(qū)Z與單晶低變位剩余區(qū)Y兩者其一，對得到的厚GaN晶體進行切薄片加工，和進行研磨，從而得到多張GaN基板。
在保證凹凸面構(gòu)成的坑總存在于表面、缺陷集合即封閉缺陷集合區(qū)H存在于內(nèi)部的情況下讓氮化鎵生長，將封閉缺陷集合區(qū)H和其周圍的單晶低變位伴隨區(qū)Z的交界面即晶粒界面K當(dāng)作消滅和積蓄變位之所，據(jù)此來減少封閉缺陷集合區(qū)H周圍的單晶低變位伴隨區(qū)Z和單晶低變位剩余區(qū)Y的變位，從而獲得低變位GaN晶體基板。
或者是，在保證凹凸面構(gòu)成的坑總存在于表面、且缺陷集合即封閉缺陷集合區(qū)H存在于內(nèi)部的情況下讓氮化鎵生長，將封閉缺陷集合區(qū)H和其周圍的單晶低變位伴隨區(qū)Z的交界面即晶粒界面K和其內(nèi)部的芯S當(dāng)作消滅和積蓄變位之所，據(jù)此來減少封閉缺陷集合區(qū)H周圍的單晶低變位伴隨區(qū)Z和單晶低變位剩余區(qū)Y的變位，從而獲得低變位晶體基板。
作為實際上的實現(xiàn)方法是在長晶時的生長表面，形成凹凸面構(gòu)成的坑，總將封閉缺陷集合區(qū)H保持在坑底而長晶，在封閉缺陷集合區(qū)H捕獲變位，據(jù)此來減少其周圍的單晶部(單晶低變位剩余區(qū)Y、單晶低變位伴隨區(qū)Z)的變位。
這是本發(fā)明的基本構(gòu)思。只在晶體表面生成凹凸面構(gòu)成的坑是不夠的，需要接著坑在其底形成封閉缺陷集合區(qū)H。封閉缺陷集合區(qū)H由內(nèi)部(稱芯S)和表面(稱晶粒界面K)構(gòu)成，但這是缺陷集合體，而且是靠晶粒界面K被完全封閉的空間。這一點很重要。于是，晶粒界面K或者再加上芯S負責(zé)積蓄和消滅變位，故其他部分變位減少。
所謂“其他部分”一分為二，包括接在坑下的部分處在坑外的部分。在此，把被坑所覆蓋的部分稱作單晶低變位伴隨區(qū)Z。處在坑外的部分稱作單晶低變位剩余區(qū)Y。兩者都是低變位，而且是單晶。
封閉缺陷集合區(qū)H的作用在于使單晶低變位剩余區(qū)Y和單晶低變位伴隨區(qū)Z成為低變位單晶。這是由于晶粒界面K和芯S吸收變位而使之消滅或?qū)⒅e蓄起來不得脫離。本發(fā)明最重要之處是封閉缺陷集合區(qū)H。封閉缺陷集合區(qū)H具有本發(fā)明最根本的重要性。
那么，表面的坑為什么必要呢？其具有兩個作用。其一，封閉缺陷集合區(qū)H要保持在坑底。封閉缺陷集合區(qū)H接著坑底形成，沒有坑就不能形成封閉缺陷集合區(qū)H，是連著坑的封閉缺陷集合區(qū)H。從這點來看必須要生成坑。但反過來則未必是真。有時，即便有坑也沒有封閉缺陷集合區(qū)H。這時候，將之稱為空坑?？湛邮遣辉试S的。
本發(fā)明人的在先申請(特開2001-103207號)是將坑作為必要條件的，但那是指不伴隨封閉缺陷集合區(qū)H的空坑，所以不能消滅積蓄變位。在空坑底部可以產(chǎn)生成60度角的面狀缺陷及線狀缺陷，但不能封閉變位。
本發(fā)明是在坑底形成封閉缺陷集合區(qū)H。把這種底部具有封閉缺陷集合區(qū)H的坑稱為“實坑”。因此，本發(fā)明就是通過生成實坑、設(shè)封閉缺陷集合區(qū)H來將變位永久地消滅積蓄在封閉缺陷集合區(qū)H。
坑的另一個作用是在取向生長同時向內(nèi)傾斜，使周圍(單晶低變位伴隨區(qū)及單晶低變位剩余區(qū))的變位被拉入內(nèi)側(cè)而向封閉缺陷集合區(qū)H收攏?？記]有傾斜的話，變位就只有直接朝上(平行于生長方向)伸展，而不會集結(jié)于封閉缺陷集合區(qū)H。不集結(jié)變位就減少。因此，坑要具有保持封閉缺陷集合區(qū)H的作用和集中變位而將之導(dǎo)入封閉缺陷集合區(qū)H的作用。
那么怎樣形成封閉缺陷集合區(qū)H呢？為此要在長晶初期要讓種子分布于基板面上。通過讓種子存在于基板面上才可以在其上形成封閉缺陷集合區(qū)H和坑。通過積極地把種子配置在基板面上，可以正確地指定封閉缺陷集合區(qū)H和坑的位置。實際上，本發(fā)明的新獨創(chuàng)性構(gòu)思就在于種子的播種。通過幾何學(xué)地有規(guī)律地配置種子，可以幾何學(xué)地有規(guī)律地生成封閉缺陷集合區(qū)H和坑。
假設(shè)封閉缺陷集合區(qū)H是缺陷集合而不能使用，則剩余的單晶低變位伴隨區(qū)Z和單晶低變位剩余區(qū)Y就可以使用。如果封閉缺陷集合區(qū)H位置可通過播種預(yù)先精密地指定，則也可以預(yù)先指定單晶低變位剩余區(qū)Y及單晶低變位伴隨區(qū)Z。這種空間上的控制性起因于播種。本發(fā)明的價值就在于通過播種能指定單晶低變位剩余區(qū)及單晶低變位伴隨區(qū)這一空間上的控制性之高。
從根本上來說，封閉缺陷集合區(qū)H對于本發(fā)明來說是重要的。故有必要來詳細描述一下封閉缺陷集合區(qū)H。封閉缺陷集合區(qū)H不只采用一種構(gòu)造，可以有多晶、單晶等多種構(gòu)造。拿單晶來說也有各種不同類型。下面說說封閉缺陷集合區(qū)的種類。無論采用那種構(gòu)造的封閉缺陷集合區(qū)H都可以根據(jù)本發(fā)明基本原理達到減少變位的效果。
(1)多晶封閉缺陷集合區(qū)H這是指封閉缺陷集合區(qū)H是取向不一的多晶GaN。這時，只有封閉缺陷集合區(qū)H為多晶，伴隨在封閉缺陷集合區(qū)H周圍的坑下面的單晶低變位伴隨區(qū)Z及其外側(cè)的單晶低變位剩余區(qū)Y是單晶。封閉缺陷集合區(qū)H是多晶的話，其就是晶粒界面的集合。所謂封閉缺陷集合區(qū)H外周的晶粒界面K意味著最外的晶粒界面的連續(xù)體。
(2)不同取向的單晶封閉缺陷集合區(qū)H這是指封閉缺陷集合區(qū)H是同周圍單晶不同的一定取向的單晶GaN的一個以上的集合。在C方向長晶的場合，單晶低變位伴隨區(qū)Z及單晶低變位剩余區(qū)Y是(0001)面平行于表面的單晶。封閉缺陷集合區(qū)H是具有一定取向的晶體的集合，但是c軸、b軸等同單晶的c軸、b軸等不吻合。
(3)取向只<0001>一致的單晶封閉缺陷集合區(qū)H這是指封閉缺陷集合區(qū)H是同周圍單晶只有<0001>共通而其他則不同的一定取向的單晶GaN的一個以上的集合。在C方向長晶的場合，單晶低變位伴隨區(qū)Z及單晶低變位剩余區(qū)Y是(0001)面平行于表面的單晶。封閉缺陷集合區(qū)H的c軸平行于單晶部分的c軸(<0001>)，而a軸、b軸不同于單晶的a軸、b軸。即，繞c軸旋轉(zhuǎn)。如將封閉缺陷集合區(qū)H反向地繞c軸旋轉(zhuǎn)，則取向會變成和單晶部分一樣。
(4)極性反轉(zhuǎn)的單晶封閉缺陷集合區(qū)H
這是指封閉缺陷集合區(qū)H的c軸反向平行于單晶部分的c軸。即，在封閉缺陷集合區(qū)H，相對其周圍只在<0001>取向逆轉(zhuǎn)180度，變成極性反轉(zhuǎn)的單晶。如將封閉缺陷集合區(qū)H的c軸旋轉(zhuǎn)180度，則取向會變成和單晶部分一樣。雖然GaN晶體具有極性、(0001)面的表面為Ga原子面，而(000-1)面為氮原子面。所以，在只有<0001>方向逆轉(zhuǎn)180度、極性反轉(zhuǎn)時，在區(qū)域交界處存在晶粒界面。該封閉缺陷集合區(qū)H既可以是單晶，也可以是只有<0001>方向逆轉(zhuǎn)180度的一個以上的晶粒構(gòu)成的多晶。
(5)以面狀缺陷隔開的封閉缺陷集合區(qū)H封閉缺陷集合區(qū)H是被面狀缺陷同周圍單晶部分隔開的一個以上的晶粒。
(6)以線狀缺陷隔開的封閉缺陷集合區(qū)H封閉缺陷集合區(qū)H是被線狀缺陷同周圍單晶部分隔開的一個以上的晶粒。
(7)以面狀缺陷隔開的同一取向的封閉缺陷集合區(qū)H封閉缺陷集合區(qū)H同周圍單晶部分晶體取向同一，但它是被面狀缺陷隔開的一個以上的晶粒。
(8)以線狀缺陷隔開的同一取向的封閉缺陷集合區(qū)H封閉缺陷集合區(qū)H同周圍單晶部分晶體取向同一，但它是被線狀缺陷隔開的一個以上的晶粒。
(9)微傾斜封閉缺陷集合區(qū)H封閉缺陷集合區(qū)H同周圍單晶部分晶體取向幾乎一致，但稍微傾斜。
以上描述的是封閉缺陷集合區(qū)H的晶體取向的多樣性。接著晶體取向再說說缺陷。在封閉缺陷集合區(qū)H內(nèi)部晶體缺陷特別多，封閉缺陷集合區(qū)H是多晶(1)的場合當(dāng)然有晶粒界面。但是，封閉缺陷集合區(qū)H為單晶場合其缺陷也變多。凹凸面構(gòu)成的坑的底位于封閉缺陷集合區(qū)H內(nèi)部。有時，在封閉缺陷集合區(qū)H內(nèi)部形成變位群集合部、形成缺陷。因此，有時封閉缺陷集合區(qū)H含有缺陷、被面狀缺陷同周圍單晶部隔開。
(10)含缺陷、被面狀缺陷隔開的封閉缺陷集合區(qū)H封閉缺陷集合區(qū)H含有晶體缺陷、被面狀缺陷同周圍單結(jié)部分隔開。
(11)含缺陷、被線狀缺陷隔開的封閉缺陷集合區(qū)H封閉缺陷集合區(qū)H含有晶體缺陷、被線狀缺陷同周圍單結(jié)部分隔開。
(12)含面狀缺陷、線狀缺陷的封閉缺陷集合區(qū)H封閉缺陷集合區(qū)H含有晶體缺陷，該缺陷往往是面狀缺陷或線狀缺陷。
上面描述了各種各樣的封閉缺陷集合區(qū)H。那么下面再說說晶體生長取向。通常，長晶方向是c軸方向。由于在異種基板上生長六方晶系氮化鎵，所以當(dāng)在具有3次對稱性的c軸方向長晶時，能夠讓異種基板和GaN的晶體取向的對稱性一致起來。因此，往往在c軸方向生長。如果可以將GaN本身當(dāng)作基板的話，在c軸以外方向生長也可，但是由于是異種基板，故主要是c軸生長。
在這種場合，凹凸面構(gòu)成的坑變成倒六棱錐或倒十二棱錐。這是由于GaN是六方晶系，具有6個同等的傾斜面，可形成六棱錐坑。圖1示出了在C面產(chǎn)生的坑。倒六棱錐坑具有六個傾斜面。平均生長方向是c軸方向即圖中上方。但是，傾斜面(凹凸面)如圖中箭頭所示，是向內(nèi)生長的。同等的傾斜面如有兩組，則會形成十二棱錐。即，(hkmn)的前三個指數(shù)h、k、m互換后也同等，所以有6個同等的面。
凹凸面的面指數(shù)一般可以表達成{kk-2kn}(k、n為整數(shù))和{k-k0n}。這兩種面分別每隔60度存在一個，兩組面的成30度角，故能構(gòu)成30度刻面。因此可以產(chǎn)生十二棱錐。當(dāng)只有某一方群優(yōu)越時則形成倒六棱錐。
其中，最常見的凹凸面是{11-22}面和{1-101}面。只靠某一方就可以產(chǎn)生倒六棱錐，雙方并存時則會形成倒十二棱錐。有時{11-21}面也會出現(xiàn)。
進一步，凹凸面構(gòu)成的坑有時是傾斜角不同的二段重合的倒六棱錐或倒十二棱錐。這是c軸指數(shù)不同者，譬如是指{11-22}、{11-21}，或{1-101}、{1-102}。傾斜淺的跑到中心(n大者)；傾斜大的跑到外周(n小者)，但接著單晶低變位伴隨區(qū)Z。
描述一下封閉缺陷集合區(qū)H和長晶時凹凸之關(guān)系。業(yè)已知道封閉缺陷集合區(qū)H和凹凸面的面指數(shù)具有一定關(guān)系。
封閉缺陷集合區(qū)H處于凹凸面構(gòu)成的坑的底部。封閉缺陷集合區(qū)H具有與坑的凹凸面的面指數(shù)稍有不同的面。如上所述，構(gòu)成坑的大部分凹凸面的面指數(shù)是{11-22}和{1-101}。
但是，封閉缺陷集合區(qū)H的頂部(坑底)比凹凸的傾斜面傾斜淺。譬如圖5(b)(3)所示的二段傾斜面，由于其c軸的指數(shù)較大，所以出現(xiàn){11-24}、{11-25}、{11-26}、{1-102}、{1-104}等，構(gòu)成坑底的傾斜面。接著凹凸面構(gòu)成的坑的底的封閉缺陷集合區(qū)H，相對單晶低變位伴隨區(qū)Z及單晶低變位剩余區(qū)Y，只<0001>方向180度逆轉(zhuǎn)、而極性反轉(zhuǎn)時，以傾斜角顯著較小的晶面取向為表面生長。這時，傾斜角小的晶面取向包括{11-2-4}、{11-2-5}、{11-2-6}、{1-10-2}、{1-10-3}、{1-10-4}。由于其隨著生長而埋上、構(gòu)成封閉缺陷集合區(qū)H，所以封閉缺陷集合區(qū)H具有這種n較大的面指數(shù)。處于凹凸面構(gòu)成的坑的底的封閉缺陷集合區(qū)H的交界形成于比構(gòu)成坑的凹凸面角度淺的交界部。這一現(xiàn)象尤其在這種場合能明顯確認(rèn)出封閉缺陷集合區(qū)H相對于周圍單晶區(qū)只<0001>方向180度逆轉(zhuǎn)、極性反轉(zhuǎn)。坑底傾斜面角度淺是一重要觀念。
處于凹凸面構(gòu)成的坑的底的封閉缺陷集合區(qū)H，是集中成點狀而存在的。在此，所謂點狀不是指線狀或環(huán)狀，而是指點集中于已于一處。譬如，圖7的同心圓中心的黑的部分是封閉缺陷集合區(qū)H，集中成點狀。由于集中成點狀，所以具有這樣的優(yōu)點即便將GaN基板向哪個方向劈開，封閉缺陷集合區(qū)H出現(xiàn)于斷面上的概率都比較低。
由于封閉缺陷集合區(qū)H難以露出于劈開面上，所以可以有效地利用劈開面。故，也帶來劈開容易的好處。這是由于若在想劈開的平面上出現(xiàn)缺陷就妨礙劈開。
坑底形成的封閉缺陷集合區(qū)H可以在保持1μm-200μm直徑下生長。雖然也關(guān)系到生長條件，但總之，通過將封閉缺陷集合區(qū)H的直徑保持在1μm-200μm下生長，可以將變位集中于坑中央的封閉缺陷集合區(qū)H。
最好是，凹凸?fàn)羁拥闹睆叫r，封閉缺陷集合區(qū)H的直徑也??；凹凸?fàn)羁拥闹睆酱髸r，封閉缺陷集合區(qū)H的直徑也大。在實際上，在小時，封閉缺陷集合區(qū)H的直徑若為1μm，則有效(變位減少)，在大時，考慮經(jīng)濟上的因素，直徑最大不超過200μm為適當(dāng)。
凹凸面構(gòu)成的坑的底的封閉缺陷集合區(qū)H，其形狀(橫截面)通常為不定形。這是由于，隨著封閉缺陷集合區(qū)H生長，能量也變得不穩(wěn)定，為此，基于同晶體取向的關(guān)系，封閉缺陷集合區(qū)H相應(yīng)于凹凸形狀而變形。
有時，封閉缺陷集合區(qū)H的形狀(橫截面)也可以為圓形。當(dāng)封閉缺陷集合區(qū)H的多晶粒子數(shù)量多時或封閉缺陷集合區(qū)H直徑大時常見到圓形截面。
另一方面，當(dāng)凹凸面構(gòu)成的坑的底的封閉缺陷集合區(qū)H的多晶粒子數(shù)量少時或封閉缺陷集合區(qū)H直徑小時，有時封閉缺陷集合區(qū)H的形狀變成角形。
當(dāng)平均長晶方向是c軸方向時，在實際的長晶的最表面，凹凸面構(gòu)成的坑的底的多晶區(qū)部，隨著長晶而接著坑底形成，其結(jié)果，在晶體中，多晶區(qū)平行于c軸呈柱狀以伸展的形態(tài)而存在。
在其時，還有這樣的機制起作用在凹凸面構(gòu)成的坑的底的封閉缺陷集合區(qū)H和周圍的單晶部(單晶低變位剩余區(qū)Y、單晶低變位伴隨區(qū)Z)的交界，集中從單晶部朝封閉缺陷集合區(qū)H平行C面伸展的變位，將變位消滅積蓄于晶粒界面K，以減少單晶部的變位。
這一變位集中機制是在從傾斜C面的凹凸面構(gòu)成的坑，隨著凹凸面生長變位平行C面向坑中心伸展，集中于封閉缺陷集合區(qū)H，據(jù)此可減少在單晶部Z和Y的貫通的變位。譬如根據(jù)圖1的(a)和(b)，如箭頭所示，凹凸面向內(nèi)積層，所以變位如箭頭所示平行于C面向內(nèi)推進。即，變位向坑中心集中、被中心部的封閉缺陷集合區(qū)H所吸收。圖2是在凹凸面上的變位移動示意圖。向內(nèi)推進的變位一碰到六棱錐的棱線8，就轉(zhuǎn)換到棱線方向上，沿棱線水平推進。所以會集中于中央的復(fù)合點D。
這是在先申請也描述過的變位減少機制。但是，在先申請中復(fù)合點處不存在封閉缺陷集合區(qū)H，如圖1(b)所示，面狀缺陷10大，變位減少不夠充分。
圖3示意了在先申請的變位運動，坑底沒有封閉缺陷集合區(qū)H。所以變位雖然集中，但開放著，有再展開的可能性。其集中度也低。開放系是不行的。
本發(fā)明則如圖4所示，在坑底有封閉缺陷集合區(qū)H，變位被封閉缺陷集合區(qū)H所吸收。其中，一部分被消滅，另一部分被積蓄。其部位是封閉缺陷集合區(qū)H外周即晶粒界面K和內(nèi)部芯S。有時只是晶粒界面K，有時是K和S兩者。無論哪種情況，封閉缺陷集合區(qū)H都是被晶粒界面K所封閉而成封閉空間。從原理上講，變位一旦進入封閉缺陷集合區(qū)H就再也跑不出來。所以在單晶低變位剩余區(qū)Y和單晶低變位伴隨區(qū)Z的變位減少是永久性的。圖3和圖4可看出在先申請和本發(fā)明的鮮明對比。
下面描述一下在實際制造氮化鎵基板中如何應(yīng)用本發(fā)明方法。由于使用異種基板，所以具有3次對稱性的c軸方向為生長方向。
作為實際晶體基板長晶方法，是將在長晶時的表面形成有凹凸面構(gòu)成的坑、坑中央底部有封閉缺陷集合區(qū)H之物作為基本構(gòu)造物，將之有規(guī)律地排列、進行長晶。
那是指空間上有規(guī)律地排列坑、封閉缺陷集合區(qū)H。在圖6(b)、圖7、圖8(a)、(b)等顯示了有規(guī)律的基本構(gòu)造體排列。最好是，有規(guī)律地按相同圖案將所有空間都埋上。這種場合，可能的圖案自然而然地就確定了。
若此，在對凹凸面構(gòu)成的中央具有封閉缺陷集合區(qū)H的坑有規(guī)律地到處排列時，只有6次對稱性(排列正三角形、在頂點配置)、4次對稱性(排列正方形、在頂點配置)、2次對稱性(排列長方形、在頂點配置)這三種圖案。若放棄以相同圖案到處排列這一條件，則可能會有更多的圖案。
(1)6次對稱性(圖8(a)、(b))(L55)如圖8所示，由于坑接近圓錐形，為12角形、6角形，所以是最稠密的排列。正三角形一邊的長稱間距p，它是圖案重復(fù)周期。如果鄰接坑相互接觸，坑直徑d就基本等于間距p(p＝d)。圖8(a)中，間距的方向平行于GaN晶體的<11-20>方向。圖8(b)中，間距的方向平行于GaN晶體的<1-100>方向。
在圖中，同心圓中心的黑圓點就是封閉缺陷集合區(qū)H。其周圍的白圈部分表示坑的擴展，同時也表示單晶低變位伴隨區(qū)Z的范圍。鄰接的同心圓之間間隙形成的窄三角形區(qū)是單晶低變位剩余區(qū)Y。所謂最稠密配置是指一定面積中單晶低變位伴隨區(qū)Z所占面積最大，但同時封閉缺陷集合區(qū)H面積也變成最大，而單晶低變位剩余區(qū)Y面積則變成最小。從C面生長的區(qū)(單晶低變位剩余區(qū)Y)電阻率有變高的趨勢，所以就導(dǎo)電性基板而言，期望采用Y窄的6次對稱性圖案。
(2)4次對稱性圖案(圖9(a)、(b))(L56)如圖9所示，由于坑接近圓形，為12角形、6角形，所以是中等稠密的排列。正方形一邊的長稱間距p，它是圖案重復(fù)周期。如果鄰接坑相互接觸，坑直徑d就基本等于間距p(p＝d)。圖9(a)中，間距的方向平行于GaN晶體的<11-20>和<1-100>方向。圖9(b)中，間距的方向相對于GaN晶體的<11-20>和<1-100>方向成45度角。這一取向不能用低晶面指數(shù)表示。
在圖中，同心圓中心的黑圓點就是封閉缺陷集合區(qū)H。其周圍的白圈部分表示坑的擴展，同時也表示單晶低變位伴隨區(qū)Z的范圍。鄰接的同心圓之間間隙形成的星形區(qū)是單晶低變位剩余區(qū)Y。這里，與上例1相比，單晶低變位剩余區(qū)Y所占面積大，從C面生長的區(qū)(單晶低變位剩余區(qū)Y)電阻率高，所以不宜作導(dǎo)電性基板，但是如果GaN半導(dǎo)體裝置芯片形狀為正方形，它就是相當(dāng)好的了。實際可以當(dāng)作半導(dǎo)體裝置芯片利用的是單晶低變位剩余區(qū)Y和單晶低變位伴隨區(qū)Z，由于它是有規(guī)律地擴展開的，足以進行半導(dǎo)體裝置配置。若將半導(dǎo)體裝置間距和坑間距一致起來，就可以在所有相同條件下制作半導(dǎo)體裝置，劈開也變得容易。
(3)2次對稱性圖案(圖10(a)、(b))(L57)如圖10所示，由于坑接近圓形，為12角形、6角形，所以是中等稠密的排列。基本是長方形排列。必須要區(qū)別短邊間距p和長邊間距q，就是說圖案重復(fù)周期有異向性。如果鄰接坑相互接觸，坑直徑d就基本等于間距p(p＝d)。圖10(a)中，短間距p的方向平行于GaN晶體的<11-20>方向。圖10(b)中，短間距p的方向平行于GaN晶體的<1-100>方向。
在圖中，同心圓中心的黑圓點就是封閉缺陷集合區(qū)H。其周圍的白圈部分表示坑的擴展，同時也表示單晶低變位伴隨區(qū)Z的范圍。鄰接的同心圓之間間隙形成的寬帶狀區(qū)是單晶低變位剩余區(qū)Y。這里，隨著使q比p更大，同上述兩例相比，單晶低變位剩余區(qū)Y所占面積更大。可以當(dāng)作半導(dǎo)體裝置芯片有效利用的是單晶低變位剩余區(qū)Y和單晶低變位伴隨區(qū)Z，由于它是有規(guī)律地擴展開的，足以進行半導(dǎo)體裝置配置。由于實際上半導(dǎo)體裝置芯片是矩形，所以可以說這種圖案是最適合的。
在長晶時的晶體表面將大量底部具有封閉缺陷集合區(qū)H的凹凸面構(gòu)成的坑有規(guī)律地排列時，期望坑之間的最短中心距離(間距p)為50μm-2000μm。
考慮一下實際在其上制作半導(dǎo)體裝置的場合的話，若坑間距比半導(dǎo)體裝置芯片尺寸小就難以使用。所以低變位單晶坑的間隔距最低要達到50μm，低于它的話就難以制造半導(dǎo)體裝置。
另一方面，坑間距的上限是2000μm。若間距太大則坑深度變大。坑部分是要通過研磨除去的。若坑大，則深度大、研磨厚度大，故浪費增加。由于這樣一來變得不經(jīng)濟，所以坑間距要定在2000μm以下。但這只是因經(jīng)濟原因而設(shè)的限制，其實間距超過該限制也足可以達到本發(fā)明的變位減少之效果。
描述一下在凹凸面構(gòu)成的坑的中央底部所形成的封閉缺陷集合區(qū)H之形成方法。圖5(a)、(b)示意了一個坑的生長。圖6是基板示意圖。
在本發(fā)明長晶中，使用作為襯底的襯底基板21。當(dāng)然可以采用氮化鎵作襯底基板21。然而，由于大型GaN單晶基板不易制造，實際上是采用異種材料作基板。無論是異種基板還是GaN基板，都要在襯底基板21的應(yīng)構(gòu)成封閉缺陷集合區(qū)H的部位配置封閉缺陷集合區(qū)H的種子23。在圖中只顯示了一組坑、種子及封閉缺陷集合區(qū)H，實際上表面形成有大量的坑。
種子23幾何學(xué)地有規(guī)律地配置在基板表面。如圖6(a)所示，在襯底基板21上的成6次對稱的位置處配置種子23。襯底基板21的其余部分19則露出基板表面。讓GaN晶體22在襯底基板21和種子23之上生長。GaN在種子23上生長困難、在襯底上容易生長。正是利用這種生長難易差來生成坑。這是一種巧妙的方法。如圖5(a)、(b)之(2)所示，GaN晶體22在基低面上厚厚地結(jié)了一層，其上生成平坦面27(C面)。由于種子23上晶體難以附著，所以形成坑24(凹部)。坑24由6個或12個凹凸面26構(gòu)成。在種子23上形成坑24這一點是重要的。
GaN晶體22再進一步生長的話，相對的凹凸面26在種子23上會合。于是，在種子23上也有部分GaN晶體堆積起來。這一部分構(gòu)成坑24的底29。隨著生長坑24向上方移動，坑24的底部29也漸漸地有晶體堆積。圖5(a)、(b)之(3)顯示了這種狀態(tài)。
連接于底部29生長的晶體25同其他部分的晶體22是異質(zhì)的。同底部29下的種子23對著的部分晶體25稱作封閉缺陷集合區(qū)H。封閉缺陷集合區(qū)H和其他晶體22的交界線30是晶粒界面K。對此，內(nèi)部稱作芯S。即，種子23、封閉缺陷集合區(qū)H、底部29依序自下到上排列。在種子23上方一定有坑中央底，種子和坑底之間有封閉缺陷集合區(qū)H。
凹凸面26緊下面的部分晶體相當(dāng)于單晶低變位伴隨區(qū)Z。平坦面27緊下面的晶體相當(dāng)于單晶低變位剩余區(qū)Y。
坑底部29有兩種情況，在圖5(a)中，坑底部29的傾斜同凹凸面26的傾斜一樣，是相同晶體取向的面；而在圖5(b)中，坑底部29的傾斜比凹凸面26的傾斜淺。傾斜淺的坑底部29是同凹凸面26稍有不同的面，即，c軸方向的面指數(shù)n稍大。假設(shè)凹凸面26是(11-22)，則接著它的底部29可表達為(11-24)。
作為封閉缺陷集合區(qū)H之本的種子23既可以直接附著在襯底基板上，也可以先在襯底基板上薄薄地涂上一層GaN層后再附著于其上。
種子23應(yīng)是在空間上有規(guī)律地配置。上面已經(jīng)提到有6次對稱、4次對稱、2次對稱的種子圖案。
至于種子材料，只要是難于進行GaN生長的材料即可，譬如象薄膜、粒子、異種基板面等。拿薄膜來說，非晶質(zhì)薄膜和多晶薄膜兩者都可以采用。因薄膜、粒子、基板面等形態(tài)的不同，種子的制作方法、配置方法也不同。
在襯底基板的應(yīng)構(gòu)成封閉缺陷集合區(qū)H的部位放上薄膜種子。薄膜具有二維形狀，可以按期望形狀及分布加以圖案化。在圖案化時，可以采用光刻方法、使用金屬掩模蒸鍍的方法、利用掩模的印刷法等。通過高精度圖案化可以提高封閉缺陷集合區(qū)H位置精度。
各個種子的形狀可以是圓形、多角形等。所謂多角形包括三角形、4角形、6角形、8角形等。其也影響到封閉缺陷集合區(qū)H的形狀。最好是，圖案化成圓形、多角形的非晶質(zhì)、多晶薄膜的直徑為1μm-300μm。種子的大小大體上可以決定在其上生長的封閉缺陷集合區(qū)H的大小。由于封閉缺陷集合區(qū)H直徑以1μm-300μm左右為佳，所以種子大小也就如此。但比起種子直徑來封閉缺陷集合區(qū)H直徑要略小一點。
用作種子的多晶薄膜、非晶質(zhì)薄膜既可以是金屬也可以是氧化物。尤其是下列一些效果比較好a.SiO2薄膜(多晶或非晶質(zhì))b.Si3N4薄膜(多晶或非晶質(zhì))c.Pt(鉑)薄膜(多晶)d.W(鎢)薄膜(多晶)[種子制作方法2(粒子場合)]種子未必僅限于薄膜。通過在襯底基板上有規(guī)律地配置GaN多晶粒子可以構(gòu)成封閉缺陷集合區(qū)H的種子。通過在襯底基板上配置GaN單晶粒子，就會在其上生長同周圍單晶部不同取向的多晶。
本來就是GaN粒子，卻要延遲在其上生長GaN而形成坑，這似乎很奇怪。但是，由于粒子取向不同，所以盡管同屬一種材料即GaN也是可阻止長晶的。并不僅限于GaN，任何材料的粒子都可以。但若是GaN的話，不會因擴散而造成污染，故其是最佳的。
雖然粒子同薄膜不同，具有三維結(jié)構(gòu)，但是照樣具有薄膜那樣的形成坑、封閉缺陷集合區(qū)H的效果。粒子是獨立的，自由地放到襯底基板21上即可。
種子未必僅限于薄膜、粒子，還可以將異種襯底基板本身當(dāng)作種子。由于襯底基板與GaN不同、所以可以提供生成坑的原動力。這也是一種精選的方法。
讓非GaN的異種基板面周期地從GaN層露出而當(dāng)作種子。光這樣說比較難懂，其實是這樣的在襯底基板上先薄薄地生長一層GaN取向生長層(GaN緩沖層)，然后除去應(yīng)該生成封閉缺陷集合區(qū)H的部位處的GaN取向生長層以使襯底基板露出，接著再在其上取向生長GaN，因襯底基板上長晶慢而生成坑，可形成封閉缺陷集合區(qū)H。
關(guān)于通過露出襯底基板而形成種子的方法，是在沒有GaN緩沖層處生長GaN，往往封閉缺陷集合區(qū)H產(chǎn)生于其上。前述的薄膜種子可以通過光刻生成，但在基板面的場合，應(yīng)該注意陰陽倒過來了。襯底基板可以采用藍寶石、尖晶石、SiC、GaAs等。
種子并不僅限于直接將薄膜設(shè)在襯底基板上而形成。這種方法也是可行的在襯底基板上先生長GaN取向生長層，在其上堆積一層異種材料的多晶、非晶質(zhì)薄膜掩模，通過光刻除去部分掩模后，把剩余的掩模當(dāng)作種子。即，構(gòu)成襯底基板/GaN/薄膜種子這一構(gòu)造。先頭描述過的是沒有GaN的，是襯底基板/薄膜種子這種構(gòu)造，必須要區(qū)分開。靠這種薄膜種子也可以從此生長坑、接著坑底生長封閉缺陷集合區(qū)H。
在襯底基板上直接堆一層異種材料的多晶、非晶質(zhì)薄膜掩模，通過光刻除去部分掩模后，就可以把剩余的掩模當(dāng)作種子。即，構(gòu)成襯底基板/薄膜種子這一構(gòu)造。
在設(shè)了種子的襯底基板上，除了種子以外的部位，GaN都取向生長。由于種子有阻止GaN生長的作用，所以GaN生長延遲。雖然在此延遲但周圍襯底基板上取向生長層卻高高地生長，進而侵入，結(jié)果在種子上也堆上了GaN。其根據(jù)生長條件有種種變化。有時，在種子上生成的GaN是多晶(A)。
有時，種子上有周圍的單晶堆來，那么種子上的就是單晶，這時同周圍單晶的晶體取向不同(B)。有時，晶體取向不同但極性反轉(zhuǎn)。還有時，<0001>軸共通，偏轉(zhuǎn)于周圍單晶。或者有時是取向稍有不同的單晶。由于種子之上生成的GaN就是封閉缺陷集合區(qū)H，所以根據(jù)條件，封閉缺陷集合區(qū)H的構(gòu)造呈多樣變化。
所謂ELO(Epitaxial lateral Overgrowth)是指將有規(guī)律地配置了小窗的掩模附在襯底基板上，讓陷在小窗面內(nèi)的GaN層取向生長，當(dāng)GaN層一超過掩模厚度，變位方向就變成橫向，當(dāng)GaN層在鄰接小窗之間的二等分線處匯合時，變位相沖突而消滅。這是能夠在最初減少變位的精妙方法。在本發(fā)明人的在先申請?zhí)卦钙?-298300號、特愿平10-9008號也提到過。因為是層越過掩模橫向延伸、讓變位橫向跑，故稱橫行，還由于是越過掩模生長，所以又稱超越生長。
ELO掩模是一種掩蓋部面積大、開口部面積窄、有規(guī)律地星星點點地開著小面積小窗的陰型掩模(掩蓋面積大于50％)。往往將各小窗配置在遍布并集在一起的正三角形的頂點處，掩模圖案成6次對稱。這一點也同目前為止所描述的封閉缺陷集合區(qū)H的種子圖案類似。
但是存在著明顯的不同。ELO掩模的小窗小、小窗排列間距細小，無論是小窗口徑還是間距都在數(shù)μm左右。是一種掩蓋部面積大、開口部面積窄的陰型掩模(掩蓋面積大于50％)。
種子圖案是一種較大種子(直徑1μm-300μm)廣而松散地(50μm-2000μm)分布的圖案。是一種掩蓋部面積小、開口部面積大的陽型掩模(掩蓋面積小于50％)。若此，上述兩者形狀、尺寸不同。
其作用也不同，不可混同。畢竟ELO是以消滅變位為目的，而封閉缺陷集合區(qū)H的種子則是以積極地形成封閉缺陷集合區(qū)H為目的。
種子圖案的空白部(襯底基板露出部分)廣，ELO掩模放在該空白部上。即，襯底基板被種子圖案和其空白部上形成的ELO掩模這兩個不同種掩模所掩蓋。這真是一種頗為復(fù)雜而洗練的方法。譬如圖6(a)所示，種子23被6次對稱地配置在襯底基板21上，剩余有很廣的空白部19。ELO掩模就放到空白部19上。掩模材料相同也行。可以采用SiO2、SiN、或金屬掩模。若掩模材料相同，可以一次蒸鍍、光刻或印刷形成掩模。
這種復(fù)合掩模的作用不一。ELO掩模下的GaN生長時具有讓變位橫向、在最初減少變位的作用。而靠種子掩模的種子，則可以形成坑和封閉缺陷集合區(qū)H。雖說這兩個作用是簡單地相加，但是，由于在生長初期變位減少、變少的變位又被封閉缺陷集合區(qū)H所吸收而消滅積蓄，所以可進一步推進單晶低變位伴隨區(qū)Z和單晶低變位剩余區(qū)Y的低變位化。
將ELO掩模放到種子的空白部19(圖6(a))上的上述方法，具有掩模形成和GaN生長一次完成的優(yōu)點。但是，由于是將ELO掩模只放到?jīng)]有種子23的空白部19上，所以生長條件因場所而異。當(dāng)不希望這樣的時候，可以進行兩階段生長，即，先在襯底基板21上附上ELO掩模進行ELO生長，以生成薄的低變位GaN層；然后在其上附上種子掩模進行凹凸生長。也可以是在襯底基板上生長了GaN薄緩沖層后再附上ELO掩模。其后步驟一樣，即，進行ELO生長、附上種子掩模進行凹凸生長。
根據(jù)上述方法，是在襯底基板上或具有GaN緩沖層的襯底基板上形成ELO掩模。這可以這樣形成先形成SiO2、SiN等薄膜(100-200nm)，然后以蝕刻除去到處排列的一個邊為數(shù)μm的正三角形的頂點位置處的小窗(圓形、角形、長方形)。在其上以低溫氣相生長形成GaN緩沖層(80-130nm)。緩沖層是用于調(diào)整晶格不整合的層，在其上以高溫相生長形成GaN取向?qū)?。利用橫行超越生長將GaN層低變位化。
在其上設(shè)上述種子圖案。它用薄膜或粒子都可。由于圖案尺寸大，故可以同ELO區(qū)別開。當(dāng)在具有種子圖案的GaN取向?qū)由仙L了GaN時在接著種子形成坑，在坑底部生成封閉缺陷集合區(qū)H。在坑傾斜面下能生成單晶低變位伴隨區(qū)Z。在坑和坑之間生長C面，在其下生成單晶低變位剩余區(qū)Y。由于采用兩階段不同的低變位化生長，所以GaN晶體更進一步低變位化。
當(dāng)把種子圖案配置在襯底基板上(在襯底基板上設(shè)GaN緩沖層也可)、在其上凹凸生長GaN時，就一一對應(yīng)地在種子上生成坑。這是本發(fā)明根本所在，到此為止業(yè)已多次說明過。比較一下圖6(a)的種子圖案和(b)的GaN厚膜配置就能很好理解了。
根據(jù)本發(fā)明，在襯底基板上預(yù)先配置用于生成坑的種子，在其上讓GaN長晶，在種子所在處優(yōu)先生成坑。
具體來說可以這樣做先把業(yè)已圖案化的非晶質(zhì)、多晶種子離散地周期性地配置在襯底基板上，然后在其上生長GaN，在薄膜種子上優(yōu)先生成坑。這是由于當(dāng)在業(yè)已圖案化的非晶質(zhì)、多晶薄膜種子上讓GaN長晶時，種子和襯底基板空余部分的生長條件不同，種子部分的生長緩慢，故可以形成以種子為底的坑。
至于構(gòu)成種子的物質(zhì)，是任意的，譬如金屬、氧化物、氮化物等，既可以是薄膜也可以是粒子。通過襯底基板和GaN緩沖層的組合搭配也可以形成種子。這已經(jīng)詳述過。作為非晶質(zhì)多晶薄膜，SiO2膜、SiN膜是特別有效的。作為種子，也可以采用微粒子。直接在襯底基板上或在襯底基板上設(shè)了薄GaN緩沖層后有規(guī)律地配置微粒子，在其上凹凸生長GaN。于是，因微粒子和其他部位的生長條件不同，就會在微粒子上形成帶底的坑。
上述用途的微粒子，既可以采用異種金屬微粒子或氧化物微粒子等，也可以采用GaN多晶微粒子、GaN單晶微粒。這樣，通過在襯底基板有規(guī)律地空間上配置種子、在其上凹凸生長GaN，就會在種子所在處形成坑底?？梢灶A(yù)先確定坑的位置。由于在坑底有封閉缺陷集合區(qū)H、在坑的傾斜面(凹凸)下有單晶低變位伴隨區(qū)Z、在坑外的C面生長平坦部有單晶低變位剩余區(qū)Y，所以通過種子配置可以嚴(yán)密而準(zhǔn)確地設(shè)定H、Y、Z三區(qū)。
以往在GaAs等基板上讓氮化鎵長晶時，都無一例外地是采取平坦C面長晶。在C面長晶的場合，可一邊保持漂亮的平坦面一邊長晶，大量變位均勻地分布、呈高變位，而表面平坦。上述ELO(Epitaxial lateralOvergrowth)長晶也是平坦C面長晶。這樣的話，就可以照舊利用平坦面。
但是，在本發(fā)明人的在先申請(特開平2001-102307)中初次提出了凹凸生長。本發(fā)明也提出了在凹凸生長之上通過種子播種生成封閉缺陷集合區(qū)H的生長方法。由于該放方法也是在一邊維持凹凸面一邊長晶的，所以生成的晶體表面含有大量凹凸面構(gòu)成的坑，極富凹凸變化，不作處理的話，因有凹凸，是不能制作半導(dǎo)體裝置的。
因此，根據(jù)本發(fā)明方法制造出的氮化鎵基板必須要進行機械加工研磨。經(jīng)機械加工研磨后的氮化鎵基板具有平坦面，可以用作制造半導(dǎo)體裝置的晶片。所述機械加工可以采用薄片加工、磨削加工、拋光加工等。另外，要把附著在背面的襯底基板通過蝕刻、研磨、機械磨削等除去。除去襯底基板的背面也同樣要進行研磨以平坦化。
根據(jù)本發(fā)明，在GaN長晶中，是在一邊保持封閉缺陷集合區(qū)H一邊長晶，把封閉缺陷集合區(qū)H的芯S和晶粒界面K當(dāng)作消滅積蓄變位之所利用，據(jù)此，將周圍的單晶低變位伴隨區(qū)Z和單晶低變位剩余區(qū)Y低變位化，對這樣得到的GaN晶體機械加工，然后把它當(dāng)作具有平坦表面的襯底基板。
或者，根據(jù)本發(fā)明，在GaN長晶中，在長晶表面形成凹凸面構(gòu)成的坑，一邊在坑底保持封閉缺陷集合區(qū)H一邊長晶，把封閉缺陷集合區(qū)H的芯S和晶粒界面K當(dāng)作消滅積蓄變位之所利用，據(jù)此，將周圍的單晶低變位伴隨區(qū)Z和單晶低變位剩余區(qū)Y低變位化，對這樣得到的GaN晶體機械加工、研磨，然后把它當(dāng)作具有平坦表面的基板。
所述機械加工可以采用薄片加工、磨削加工、拋光加工中的一種加工或其兩種以上組合加工。
作為本發(fā)明的長晶襯底基板，可以采用GaN、藍寶石、SiC、尖晶石、GaAs、Si等的單晶。
另外，在上述過的制造方法中，進行GaN長晶之際，通過把厚長晶的GaN當(dāng)作坯料施以薄片加工，可以得到多張氮化鎵晶體。進一步，可以把業(yè)已利用本發(fā)明方法制作出的GaN基板當(dāng)作種子晶體而在其上厚厚地長晶。這時要注意的是這里是在種子晶體的封閉缺陷集合區(qū)H之上生長封閉缺陷集合區(qū)H，在單晶低變位伴隨區(qū)Z和單晶低變位剩余區(qū)Y之上生長單晶低變位伴隨區(qū)Z或單晶低變位剩余區(qū)Y。換一種說法就是，在種子晶體的封閉缺陷集合區(qū)H之上形成凹凸面構(gòu)成的坑，于此形成封閉缺陷集合區(qū)H，又在單晶低變位伴隨區(qū)Z和單晶低變位剩余區(qū)Y之上形成凹凸面構(gòu)成的坑的斜面及水平凹凸面，生長單晶低變位伴隨區(qū)Z或單晶低變位剩余區(qū)Y。結(jié)果，在把根據(jù)本發(fā)明的GaN晶體用作種子晶體而讓GaN厚厚地長晶的場合，能得到同上述坯料基本一樣的坯料。通過加工這些坯料就可以得到多張氮化鎵晶體。
描述一下根據(jù)本發(fā)明長晶方法、制造方法制作的氮化鎵基板。由于其是經(jīng)機械加工研磨的基板，所以平坦、而且襯底基板也已除去。圖7給出了本發(fā)明的襯底基板已除去并經(jīng)平坦化處理的GaN基板。它簡明易懂地以立體圖示意了CL(陰極發(fā)光)觀察圖像，它既不是肉眼可視圖像也不是顯微鏡圖像。用肉眼看的話只不過象透明玻璃一樣。
圖案有規(guī)律地排列著，是反復(fù)出現(xiàn)有一個個同心圓的圖案。中心黑色部分是封閉缺陷集合區(qū)H，是接著坑底生長的部分，由芯S和包圍它的晶粒界面K構(gòu)成。晶粒界面K與芯S或晶粒界面K構(gòu)成消滅積蓄變位之所?？咏又N子形成。由于種子有規(guī)律地配置到襯底基板上，所以封閉缺陷集合區(qū)H本身是有規(guī)律地排列著的。
在這樣的狀態(tài)下，由于基板經(jīng)研磨被平坦化，所以既沒有坑也沒有種子，只在上下方向中間部留有封閉缺陷集合區(qū)H。將封閉缺陷集合區(qū)H包圍并同心的白圓圈部分是單晶低變位伴隨區(qū)Z，是作為坑的傾斜壁生長起來的部分，即，是過去的坑的傾斜壁部分?？油ㄟ^機械磨削而被除去、不復(fù)存在，而相當(dāng)于其遺痕的部分就是單晶低變位伴隨區(qū)Z。
單晶低變位伴隨區(qū)Z是呈圓狀(十二角、六角)，尺寸基本一樣。鄰接部分之間的單晶部是單晶低變位剩余區(qū)Y。單晶低變位剩余區(qū)Y也是單晶低變位伴隨區(qū)Z的低變位、是單晶，以C面為表面。但是，在CL圖象中，存在明顯差異，表現(xiàn)出亮度差。
本發(fā)明氮化鎵基板，在基板表面一部分具有封閉缺陷集合區(qū)H，在其周圍具有單晶低變位區(qū)(Y、Z)。
這不過是由H+Y+Z構(gòu)成的單位基本組織體。按單位切割出的每一個小片就是這樣的。有時，坑口徑較大、整個基板就形成一個坑。
或者，本發(fā)明氮化鎵基板由多個基本組織體構(gòu)成而每個(單位)基本組織體(H+Y+Z)是這樣構(gòu)成的在基板表面一部分具有封閉缺陷集合區(qū)H，在其周圍具有單晶低變位區(qū)(Y、Z)。(L2)以上是本發(fā)明單晶氮化鎵基板的基本結(jié)構(gòu)。
到此為止業(yè)已多次提到過，封閉缺陷集合區(qū)H具有多樣性。既有單晶的也有多晶的。即便是單晶的，也同周圍單晶(Y、Z)晶體取向不同。即使說是取向不同，也不是一種情況，有的是與周圍單晶<0001>軸共通而在該軸周圍旋轉(zhuǎn)的單晶，而有的卻是<0001>軸反轉(zhuǎn)，還有的同周圍單晶的晶體取向稍有些偏離。
A.多晶的場合封閉缺陷集合區(qū)H是多晶，周圍部分(Z、Y)是低變位單晶。這時，由于取向不同，和周圍部分之間明顯存在晶粒界面K。
B.同周圍單晶部不同取向的單晶的場合有時，封閉缺陷集合區(qū)H是單晶，但是由同周圍單晶取向不同的一個以上單晶構(gòu)成。
有時，封閉缺陷集合區(qū)H由一個以上晶粒構(gòu)成，這些晶粒均是這樣的晶體取向同周圍單晶部比，只<0001>軸一致，其余3軸都不同。
封閉缺陷集合區(qū)H是由同周圍單晶部比在<0001>軸方向的晶體取向差180度、極性反轉(zhuǎn)的單晶區(qū)構(gòu)成時，有效。另外，封閉缺陷集合區(qū)H不是單晶也行，由在<0001>軸方向的晶體取向差180度的一個以上的晶粒構(gòu)成也可。
這時候，以晶粒界面K為分界，在內(nèi)外(0001)Ga面和(000-1)面相反。由于GaN沒有反轉(zhuǎn)對稱性，所以 和
面不同。
封閉缺陷集合區(qū)H還可以由具有比周圍單晶部略傾斜的晶體取向的一個以上的晶粒構(gòu)成。
有時，封閉缺陷集合區(qū)H和周圍單晶部被以面狀缺陷隔開。
有時，封閉缺陷集合區(qū)H和周圍單晶部被以線狀缺陷隔開。
C.同周圍單晶部晶體取向同一的場合有時，封閉缺陷集合區(qū)H是和周圍單晶部的晶體取向相同的單晶，但同周圍單晶部之間被以面狀缺陷隔開。
還有時，封閉缺陷集合區(qū)H是和周圍單晶部的晶體取向相同的單晶，但同周圍單晶部之間被以線狀缺陷隔開。
封閉缺陷集合區(qū)H內(nèi)部晶體缺陷特別多。有時形成有變位群集合、面狀缺陷等。有時，交界即晶粒界面K是面狀缺陷、線狀缺陷的集合，而有時內(nèi)部的芯S是面狀缺陷、線狀缺陷的集合。
本發(fā)明的封閉缺陷集合區(qū)H和周圍單晶區(qū)域(Z、Y)在其交界部被以面狀缺陷隔開，成為內(nèi)部含有晶體缺陷的晶體區(qū)域。
或者，本發(fā)明的封閉缺陷集合區(qū)H和周圍單晶區(qū)域(Z、Y)在其交界部被以線狀缺陷集合體隔開，成為內(nèi)部含有晶體缺陷的晶體區(qū)域。
含在本發(fā)明的封閉缺陷集合區(qū)H的芯S中的晶體缺陷往往是線狀缺陷或面狀缺陷。
封閉缺陷集合區(qū)H直徑為1μm-200μm。這可簡單地利用種子直徑來控制。
有時，封閉缺陷集合區(qū)H在基板表面以點(dot)狀存在，其直徑為5μm-70μm，實際上最好是20μm-70μm。所謂點是為了表現(xiàn)以獨立一點處于群體中這一情形的詞，并非限定形狀。至于形狀，見如下。
有時，在基板表面上封閉缺陷集合區(qū)H是不定形的。
有時，在基板表面上封閉缺陷集合區(qū)H是圓形的。
還有時，在基板表面上封閉缺陷集合區(qū)H是角形的。
封閉缺陷集合區(qū)H形狀因種子形狀、長晶條件、控制狀況等而改變。
對本發(fā)明氮化鎵基板作了變位密度估計。關(guān)于單晶低變位伴隨區(qū)Z、單晶低變位剩余區(qū)Y，平均貫通變位密度為5×106cm-2以下。
進一步再詳細觀察，還可以觀察到在極為接近封閉缺陷集合區(qū)H的(單晶低變位伴隨區(qū)Z)30μm以內(nèi)區(qū)域，有貫通變位密度略為提高即達1×107cm-2-3×107cm-2的區(qū)域。但是，一離開此處就能看到貫通變位密度極低即不足105cm-2左右的區(qū)域。還能看到最低的地方即5×104cm-2的區(qū)域。
可以看出，平均變位密度具有隨著同封閉缺陷集合區(qū)H的距離的增加而減小的傾向這是由于封閉缺陷集合區(qū)H對變位的封閉不完全，出現(xiàn)了變位從H脫離。
這些變位密度可以利用透射式電子顯微鏡(TEM)、陰極發(fā)光(CL)、蝕坑密度(EPD)測定等估計。
本發(fā)明帶來的變位降低效果，在當(dāng)?shù)夐L晶方向為<0001>時尤其顯著。即，在切割時使平均長晶表面是(0001)面、并且以C面為表面的話，表面的變位密度顯著降低。此時，最終氮化鎵基板的表面將是C面。
本發(fā)明單晶氮化鎵基板，在當(dāng)平均長晶方向為c軸方向時，在表面上一邊形成并維持大量的凹凸面構(gòu)成的坑一邊長晶?？拥讕в蟹忾]缺陷集合區(qū)H。由于凹凸面在正交于面的方向生長、變位面對坑中心平行于C面而移動，所以變位向中心集中。圖4(1)的水平箭頭98、99示意變位平行于C面而朝向中心的方向。凹凸面構(gòu)成的坑具有變位向心作用(Centripetal Function)。正是利用該機制而讓變位向中心的封閉缺陷集合區(qū)H集中。因此，在周圍的單晶低變位伴隨區(qū)Z，大部分變位呈平行于C面朝向封閉缺陷集合區(qū)H的向心分布(Centripetal Distribution)。
本發(fā)明單晶氮化鎵基板，在當(dāng)平均長晶方向為c軸方向時，封閉缺陷集合區(qū)H是以在晶體內(nèi)部沿c軸方向延長之形態(tài)而存在。即，封閉缺陷集合區(qū)H在厚度方向橫穿基板。這是由于長晶時封閉缺陷集合區(qū)H也平行于長晶方向而延伸。因此，當(dāng)平坦的GaN基板表面為(0001)面(C面)時，封閉缺陷集合區(qū)H垂直于基板表面延伸。
本發(fā)明的長晶，由于是在表面上一邊形成并維持大量的凹凸面構(gòu)成的坑一邊長晶，所以會出現(xiàn)坑坑洼洼。因此，必須要進行機械磨削、研磨，以加工成具有平坦光滑面的基板。在當(dāng)平均長晶方向為c軸方向時，這樣得到的平面狀基板就是以(0001)面為表面的氮化鎵基板。當(dāng)然，當(dāng)封閉缺陷集合區(qū)H由多晶構(gòu)成時，只該部分是多晶。另外，當(dāng)封閉缺陷集合區(qū)H相對于周圍的單晶區(qū)在c軸方向反轉(zhuǎn)180度時，只該部分成為(000-1)面即Ga面。這種場合，研磨過后在封閉缺陷集合區(qū)H出現(xiàn)高度差，變得稍低。這可以說是由于耐研磨程度不同的緣故。
關(guān)于封閉缺陷集合區(qū)H的周期性有規(guī)律地分布的圖案，雖然業(yè)已描述過，但在此還要重復(fù)一遍。
本發(fā)明的GaN晶體是以基本組織體為單位，而每個基本組織體是由垂直于表面延伸并含有多個缺陷的封閉缺陷集合區(qū)H、和與其同心并將其包圍的單晶低變位伴隨區(qū)Z、以及處于外側(cè)的其余空間即單晶低變位剩余區(qū)Y構(gòu)成的。GaN晶體既可由一個單位基本組織體構(gòu)成，也可將之多個有規(guī)律地排列起來而構(gòu)成。
在二維上有規(guī)律地排列的圖案有4種A、6次對稱(圖8)，B、4次對稱(圖9)，C、2次對稱(圖10)，D、3次對稱。其中，A-C業(yè)已反復(fù)說明過，其實D也是可能的一種。在此，描述一下所有可能的排列。
A、6次對稱圖案(圖8)它是將由封閉缺陷集合區(qū)H和其周圍的單晶低變位伴隨區(qū)Z與單晶低變位剩余區(qū)Y構(gòu)成的基本組織體作為一個單位、6次對稱地、即讓封閉缺陷集合區(qū)H處于遍布的正三角形的頂點的形態(tài)進行排列。這是最稠密的排列。嚴(yán)格地說坑不是圓而是十二角形，但是為便于敘述權(quán)稱為圓，而認(rèn)為鄰接坑相互外接。
正三角形的邊方向即最短間距p方向可以是<1-100>方向(圖8(b))。設(shè)坑直徑為d，則間距p＝d。劈開時可以擴寬封閉缺陷集合區(qū)H的間距h。GaN的劈開面為M面{1-100}，但方向是<11-20>。設(shè)在<11-20>方向切斷時坑直徑為d，則封閉缺陷集合區(qū)H的間隔h＝31/2d。在與劈開正交的方向的重復(fù)間距q窄，q＝d。
正三角形的邊方向即最短間距p方向可以是<11-20>方向(圖8(a))。則間距p＝d。劈開(沿<11-20>方向切斷)時的封閉缺陷集合區(qū)H的間距h窄。封閉缺陷集合區(qū)H的間隔h＝d，而可增大與劈開正交的方向的重復(fù)間距q，q＝31/2d。
比較一下H、Z、Y的截面積。只要圖案確定，單晶低變位伴隨區(qū)Z與單晶低變位剩余區(qū)Y之比也就確定，但是同心的Z和H之比卻不會確定。若設(shè)Z與H半徑之比為ξ(ξ＞1)，則有下式成立Z∶H＝ξ2-1∶1Y∶(H+Z)＝2×31/2-π∶π＝1∶10是單晶低變位剩余區(qū)Y變得最窄的圖案。單晶低變位剩余區(qū)Y是C面生長的部分、傳導(dǎo)率低。由于單晶低變位剩余區(qū)Y比率低，所以適于作導(dǎo)電性基板。
B、4次對稱圖案(圖9)它是將由封閉缺陷集合區(qū)H和其周圍的單晶低變位伴隨區(qū)Z與單晶低變位剩余區(qū)Y構(gòu)成的基本組織體作為一個單位、4次對稱地、即讓封閉缺陷集合區(qū)H處于遍布的正方形的頂點的形態(tài)進行排列。
正方形的邊方向可以是<1-100>方向(圖9(a))。設(shè)坑直徑為d，則間距p＝d。劈開(沿<11-20>方向切斷)時封閉缺陷集合區(qū)H的間距h窄(h＝d)。在與劈開正交的方向的重復(fù)間距q也窄(q＝d)。
正方形對角線方向可以是<1-100>方向(圖9(b))。設(shè)坑直徑為d，則間距p＝d。劈開(沿<11-20>方向切斷)時的封閉缺陷集合區(qū)H的間距h寬(h＝21/2d)，與劈開正交的方向的重復(fù)間距q也寬(q＝21/2d)。
比較一下H、Z、Y的截面積，有下式成立Z∶H＝ξ2-1∶1Y∶(H+Z)＝4-π∶π＝1∶3.66其中，ξ是Z與H半徑之比。
單晶低變位剩余區(qū)Y變大，封閉缺陷集合區(qū)H的間隔也變大，適于制作正方形芯片的半導(dǎo)體裝置。
C、2次對稱圖案(圖10)它是將由封閉缺陷集合區(qū)H和其周圍的單晶低變位伴隨區(qū)Z與單晶低變位剩余區(qū)Y構(gòu)成的基本組織體作為一個單位、2次對稱地、即讓封閉缺陷集合區(qū)H處于遍布的長方形的頂點的形態(tài)進行排列。設(shè)ξ為長方形的長邊與短邊之比。(ξ＞1)。
長方形的短邊方向可以是<11-20>方向(圖10(a))。設(shè)坑直徑為d，則短邊方向的間距p＝d，長邊方向的間距為ξd。劈開(沿<11-20>方向切斷)時封閉缺陷集合區(qū)H的間距h寬(h＝d)。在與劈開正交的方向的重復(fù)間距q窄(q＝ξd)。
長方形的短邊方向可以是<1-100>方向(圖10(b))。設(shè)坑直徑為d，則短邊方向的間距p＝d，長邊方向的間距為ξd。劈開(沿<11-20>方向切斷)封閉缺陷集合區(qū)H的間距h窄(h＝ξd)。在與劈開正交的方向的重復(fù)間距q寬(q＝d)。
比較一下H、Z、Y的截面積，有下式成立Z∶H＝ξ2-1∶1Y∶(H+Z)＝4ξ-π∶π＝1+4.66(ξ-1)∶3.66其中，ξ是Z與H半徑之比。
單晶低變位剩余區(qū)Y變得更大，封閉缺陷集合區(qū)H的間隔也變大，適于制作正方形芯片及長方形芯片的半導(dǎo)體裝置。
D、3次對稱圖案它是將由封閉缺陷集合區(qū)H和其周圍的單晶低變位伴隨區(qū)Z與單晶低變位剩余區(qū)Y構(gòu)成的基本組織體作為一個單位、3次對稱地、即讓封閉缺陷集合區(qū)H處于遍布的正六角形的頂點的形態(tài)進行排列。其是從圖8所示構(gòu)造中每隔一個基本組織體即去掉一個而形成的，所以排列稀疏。
正六角形的邊方向即最短間距p的方向可以是<1-100>方向。正六角形的邊方向即最短間距p的方向也可以是<11-20>方向。
比較一下H、Z、Y的截面積，只要圖案確定，單晶低變位伴隨區(qū)Z與單晶低變位剩余區(qū)Y之比也就確定，但是同心的Z和H之比卻不會確定。若設(shè)Z與H半徑之比為ξ(ξ＞1)，則有下式成立Z∶H＝ξ2-1∶1Y∶(H+Z)＝3×31/2-π∶π＝1∶1.5是單晶低變位剩余區(qū)Y變大的圖案，大約是6次對稱的6倍。由于單晶低變位剩余區(qū)Y是低變位、單晶，所以其若大的話在制作半導(dǎo)體裝置時就會顯得綽綽有余。
在本發(fā)明氮化鎵基板中，封閉缺陷集合區(qū)H之間的中心距離為50μm-2000μm。這由來于坑形成上的限制。

在本發(fā)明氮化鎵基板中，封閉缺陷集合區(qū)H是在c軸方向延伸。封閉缺陷集合區(qū)H是以貫通基板的形態(tài)而存在的。
在c軸方向長晶體的場合，封閉缺陷集合區(qū)H沿c軸方向延伸；以C面為表面的基板的場合，封閉缺陷集合區(qū)H是在厚度方向貫通基板。
可以利用上述單晶氮化鎵基板制作半導(dǎo)體激光裝置。由于是變位非常低的導(dǎo)電性基板，所以可以制作出壽命長、性能好的激光裝置。
關(guān)于氮化鎵生長方法，如上所述，有HVPE法、MOCVD法、MBE法、MOC法及升華法。本發(fā)明方法無論采用哪一制造方法都可以實施。
關(guān)于實施例實施例1(藍寶石基板，圖11)敘述一下本發(fā)明的GaN基板制造方法(實施例1)。制造步驟如圖11所示。采用藍寶石C面基板51作襯底基板。圖11(1)給出了藍寶石基板51。藍寶石是三方晶系，GaN屬六方晶系。已經(jīng)實用化的LED、LD專門使用藍寶石C面基板。
首先，預(yù)先利用MOCVD法(有機金屬CVD法)在藍寶石基板51上設(shè)厚約2μm的GaN取向生長層52。據(jù)此，表面變成GaN的C面。
在GaN取向生長層52上面均勻地形成厚約100nm的SiO2膜。這是為了把種子53有規(guī)律地設(shè)置在GaN取向生長層52上。利用光刻形成所期望的種子53。有時種子圖案也稱掩模。種子圖案52是只留下處于遍布各處且靠在一起的正三角形——尺寸都相同、一邊方向都為<11-20>(a方向)的正三角形——的各頂點處的大量的圓形部53而除去其余部分后形成的圖案。所述圓形部即構(gòu)成種子53。正三角形的配置，如圖8、9所示，為6次對稱配置，這對應(yīng)于C面上的GaN的6次對稱。其狀態(tài)如圖11(3)所示。
雖然種子圖案是6次對稱的，但是卻通過改變圓形部分的直徑和圓形之間距而設(shè)有如下4種圖案A-D。各種圖案的圓形部分的直徑和圓形之間距(正三角形邊長)如下所示。
圖案A——圓形部口徑50μm，正三角形邊長400μm圖案B——圓形部口徑200μm，正三角形邊長400μm圖案C——圓形部口徑2μm，正三角形邊長20μm
圖案D——圓形部口徑300μm，正三角形邊長2000μm將分別具有種子圖案A、B、C、D的坯料稱作樣品A、B、C、D。
(1)樣品A、樣品B的生長在具有種子圖案A的樣品A和具有種子圖案B的樣品B上，進行GaN長晶。生長方法采用HVPE法?？v向長的反應(yīng)爐，在內(nèi)部上方設(shè)有收容Ga金屬的隔板，在下方設(shè)有可將基板朝上而承載的基座?；寰驮O(shè)置在基座上。在此，樣品A和樣品B放在基座上，在相同條件下進行Ga長晶。
從反應(yīng)爐上方給Ga板提供氫氣和HCL氣，向承載在基座上的基板附近提供氨氣(NH3)和氫氣。氫氣是載體氣體。
在本實施例中，反應(yīng)爐以常壓加熱Ga板到800℃以上，加熱藍寶石基板到1050℃。Ga和HCL合成為GaCL。GaCL下到基板附近和氨反應(yīng)，其生成物GaN在GaN取向生長層52和種子53上堆積。
取向生長層的生長條件如下生長溫度1050℃NH3分壓0.3atm(30kPa)HCL分壓 0.02atm(30kPa)生長時間10小時生長結(jié)果，在圖案A、圖案B上得到具有1200μm厚的GaN取向生長層的樣品A、樣品B。圖11(4)給出了其狀態(tài)。
首先對樣品A進行了觀察。樣品A的一面具有倒十二棱錐的凹凸面56構(gòu)成的坑，利用顯微鏡觀察得知凹凸面56構(gòu)成的坑在基板有規(guī)律地排列著。
坑排列的規(guī)律性是同最初的掩模(種子圖案)一致的。而且，凹凸面56構(gòu)成的坑的中心59位置準(zhǔn)確地同最初在GaN層上形成的圓形部(種子)的位置吻合。就是說種子53的正上方是坑中心59?？又行?9排列在上述圖案中的正三角形的頂點處。正三角形的一邊為400μm。
在樣品A表面出現(xiàn)的坑的直徑約為400μm，這等于圓形部排列間距(正三角形的一邊長)。這就是說，坑在種子圖案53(SiO2)上是呈圓錐形生長的。進一步還知道，相互鄰接種子處生長的坑相互接觸。
這就是說，凹凸面56構(gòu)成的坑，是以重合于遍布各處且靠在一起的正三角形的頂點而設(shè)的種子(圓形部)53為中心，生長著的。參見圖11(4)，在種子53之上存在研缽狀坑。研缽狀坑的底59構(gòu)成上述封閉缺陷集合區(qū)55(H)。(封閉缺陷集合區(qū)55周圍的交界線60構(gòu)成晶粒界面K)。在鄰接坑的聯(lián)結(jié)部存在平坦部57。聯(lián)結(jié)部平坦部(C面)57是基板面上除了圓形坑以外的十字形部分。
為了加速理解，先就晶體內(nèi)部與坑之間關(guān)系作下歸結(jié)。在晶體內(nèi)部，包括生長于種子53之上的部分和其他部分。生長于種子53之上的部分是封閉缺陷集合區(qū)55和坑底59，這是生長最慢的部分。所以當(dāng)坑底59變成封閉缺陷集合區(qū)H55后繼續(xù)生長時，其上下都成了封閉缺陷集合區(qū)H。由于種子53(SiO2)不是GaN、生長緩慢，所以會在此形成坑底59。由于坑一邊集結(jié)缺陷一邊生長，所以缺陷集中在生長最慢的種子正上方處、形成封閉缺陷集合區(qū)55。即，在晶體中表面的坑底59和封閉缺陷集合區(qū)H55及種子53呈現(xiàn)出上下一一對應(yīng)。
在坑的傾斜面的正下方生長的部分相當(dāng)于單晶低變位伴隨區(qū)54(Z)，該部分Z為單晶。在上下方向上具有種子周圍—單晶低變位伴隨區(qū)Z54—坑傾斜壁56這樣的對應(yīng)關(guān)系。在坑與坑的聯(lián)結(jié)部僅僅留下一點點的平坦部57。平坦部57的正下方構(gòu)成單晶低變位剩余區(qū)58。該部分也為單晶。在上下方向上具有種子間隙—單晶低變位剩余區(qū)58—平坦部57這樣的對應(yīng)關(guān)系。
根據(jù)顯微鏡觀察得知十二角形的坑之間間隙處的平坦部57都呈鏡面狀的(0001)面，坑內(nèi)部傾斜面(凹凸面)為{11-22}面、{1-101}面的集合，在坑底還存在角度略淺的凹凸面59。
將樣品A以{1-101}劈開面劈開，觀察劈開面上的坑斷面。利用掃描型電子顯微鏡(SEM)和陰極發(fā)光(CL)對斷面進行觀察。
觀察結(jié)果顯示有一個部分(以后命名為封閉缺陷集合區(qū))可以同其他部分區(qū)別開，它處于坑底59下、具有某一寬度、沿c軸方向(生長方向)延伸。該可以區(qū)別開的在生長方向延伸的部分(封閉缺陷集合區(qū)H)，直徑大約為40μm，據(jù)CL觀察，同其他區(qū)域比較有反差(暗)。該部分明顯可以同其他區(qū)域區(qū)分開。進一步，通過以各種方式劈開后得知。該可以區(qū)別開的在c軸方向延伸的部分是以三維的棱柱形形態(tài)而存在的。
進一步，對接著坑底59的棱柱形部分利用CL、TEM進行了詳細分析。得知變位情況和其他部分顯著不同。即，在被暗線形交界線60包圍的部分(封閉缺陷集合區(qū))存在大量變位，該處變位密度高達108-109cm-2。暗線形交界線60(以后得知是晶粒界面K)是變位集合體。
還得知被交界線60(晶粒界面K)包圍的部分55是晶體缺陷集合(其對應(yīng)于同芯S)。延伸于長晶方向、具有三維構(gòu)造的該區(qū)域55具有大量晶體缺陷，明顯地被交界線60所包圍。于是，將該部分55稱作芯S。那么，把含缺陷的芯S和包圍它的缺陷集合體即交界線(晶粒界面K)加在一塊稱作封閉缺陷集合區(qū)H(H＝K+S)。封閉缺陷集合區(qū)H比起其他部分來缺陷密度格外高，晶體性質(zhì)也不同。能把此處區(qū)別于其他是重要的。
由于封H位置。這種控制的可行性預(yù)示著本發(fā)明將會得到廣泛應(yīng)用。
再來看一下封閉缺陷集合區(qū)H的外側(cè)。在暗交界線(晶粒界面K)外側(cè)區(qū)域，變位密度極低。即，以交界線為界顯示出明顯的非對稱性。交界線外側(cè)是低變位密度，極為接近交界線處存在變位密度居中即為106-107cm-2的部分。隨著離開交界線，變位密度也趨降低。當(dāng)離開交接線100μm時，變位密度竟低到104-105cm-2。在有些地方，即便距交界線很近，也有變位密度在104-105cm-2的部分?？梢?，在交界線外部，隨著離開坑中心59，變位密度逐漸降低。
雖然這部分的變位少，但其延伸方向都幾乎平行于C面，具有平行于C面而且朝中心的封閉缺陷集合區(qū)H方向延伸的趨勢。另外，還得知封閉缺陷集合區(qū)外部的變位密度最初較高，但隨著長晶變位密度卻會變低。即，在交界線外部，比較積層初期和后期可看出，變位密度是漸漸降低的。還得知交界線外部是單晶。
即，上述事實說明交界線外側(cè)的缺陷在長晶同時通過凹凸面被收攏到中央部(封閉缺陷集合區(qū)H)而被積蓄于交界線，因此外部變位密度降低、交界線處變位密度高，缺陷可從交界線進一步進入到內(nèi)部的芯S。至于存在于交界線部和芯S的變位缺陷之比率等詳細情況，目前尚不清楚。
由于稱作交界線的外部比較麻煩，所以取其性質(zhì)之意想把它叫作單晶低變位區(qū)。說到交界線外部也有兩個可區(qū)別開的區(qū)域，即，坑的傾斜壁56通過的部分54和坑間隙處的平坦部57通過的部分58?？拥膬A斜壁56正下方的部分54隨著凹凸生長變成低變位，故這里稱為“單晶低變位伴隨區(qū)Z”，由于其伴隨于凹凸，故稱伴隨區(qū)。由于該部分伴隨于封閉缺陷集合區(qū)，所以該部分會因封閉缺陷集合區(qū)高密度地(種子高密度地)存在而增大。
平坦部57(平行于C面的鏡面部分)的正下方部分58變位最低、是漂亮的晶質(zhì)區(qū)。在此雖然沒有凹凸面通過，卻因受凹凸面影響而變成低變位。由于凹凸是以圓形、十二角形向上延伸，所以無論如何會留有多余部分。既可以同等的正三角形形態(tài)遍布于整個平面，也可以同等的正六角形形態(tài)遍布于整個平面。
但是，不能以正十二角形、圓形等形態(tài)遍布于整個平面，無論如何會留有一部分。即便以相同口徑的圓形相鄰接形態(tài)來到處配置，也仍然會留下十字形部分。業(yè)已知道該部分會變成平坦部57下的58，但仍然是低變位、單晶。由于是處于凹凸外側(cè)，故稱“單晶低變位剩余區(qū)Y”。所謂“剩余”是說凹凸的殘余部分。該部分面積隨著封閉缺陷集合區(qū)H高密度地存在而減小。這點同剛剛說過的單晶低變位伴隨區(qū)Z不同，但是兩者在晶體是低變位的單晶這一點上是一樣的。
即，整個GaN表面T是封閉缺陷集合區(qū)H、單晶低變位伴隨區(qū)Z、單晶低變位剩余區(qū)Y之和，封閉缺陷集合區(qū)H是芯S與晶粒界面K之和。即——T＝H+Z+YH＝S+K就這樣，對用語加以定義，以對晶體作區(qū)別。據(jù)此，本發(fā)明GaN晶體構(gòu)造就更加明確了。
進一步，再詳細討論一下封閉缺陷集合區(qū)H與坑內(nèi)凹凸面56之關(guān)系。形成坑的凹凸面以{11-22}面和{1-101}面為主，在坑底59存在一個相對這些凹凸面56角度略淺的凹凸面59。這在前面已提到過。那么淺凹凸面59是什么呢？據(jù)調(diào)查得知因較淺的部分而長晶的部分相當(dāng)于封閉缺陷集合區(qū)H。接著角度淺的凹凸面59和角度深的凹凸面56之交界的是封閉缺陷集合區(qū)H的交界即晶粒界面K(60)。業(yè)已搞清在樣品A的場合，角度淺的凹凸面形成封閉缺陷集合區(qū)H。
還有，角度淺的凹凸面59是從坑底兩側(cè)形成的。在周圍部，角度淺的凹凸沿c軸方向延伸而形成晶粒界面K，在中心部，角度淺的凹凸面沿c軸方向延伸而形成芯S；這兩部分合在一起就構(gòu)成了封閉缺陷集合區(qū)H。芯S的部分變位密度高，因凹凸面{11-22}面和{1-101}面而集中于坑中央的變位被積蓄在封閉缺陷集合區(qū)H的芯S。據(jù)此，周圍部構(gòu)成底變位的單晶低變位伴隨區(qū)Z和單晶低變位剩余區(qū)Y。
到此，已很明確本發(fā)明是通過一邊總保持凹凸一邊長晶來使封閉缺陷集合區(qū)H伴隨于凹凸底部而且使缺陷收斂于晶粒界面K。也許有一部分還積蓄在芯S里。這樣，根據(jù)本發(fā)明的長晶方法，可以靠凹凸面減少封閉缺陷集合區(qū)H周圍部分的變位。
對樣品A也利用SEM、TEM、CL進行了觀察，得到類似結(jié)果。但是在樣品B，封閉缺陷集合區(qū)H加大，達到180μm。而樣品A的封閉缺陷集合區(qū)H直徑只有40μm。這說明樣品B的直徑為樣品A的4倍以上，而面積則為20倍。關(guān)于封閉缺陷集合區(qū)H形狀，斷面形狀為不定形，在三維上呈棱柱形。
進一步，對樣品B的封閉缺陷集合區(qū)H進行了詳細調(diào)查，得知封閉缺陷集合區(qū)H相對于周圍的單晶區(qū)Z、Y略傾斜，還得知在封閉缺陷集合區(qū)H內(nèi)部存在著一些晶體取向不同的部分區(qū)。部分區(qū)域的晶體取向各有所傾斜。還得知樣品B的封閉缺陷集合區(qū)H包括含有變位缺陷及面狀缺陷并略傾斜的晶粒。
(樣品A、樣品B的加工)對樣品A和樣品B的基板進行了磨削。通過磨削加工去掉了背面的藍寶石基板。其后，對表面進行磨削加工，達到平板狀。隨后，進行研磨加工，制成具有平坦表面的GaN基板。到此，得到直徑約為1英時的GaN基板，形狀如圖11(5)所示。凹凸沒有了，但有凹凸中心部正下方的封閉缺陷集合區(qū)H(55)、凹凸壁下的單晶低變位伴隨區(qū)Z(54)、平坦部(C面)正下方的單晶低變位剩余區(qū)Y(58)。晶粒界面K提供交界60。圖11(5)是放大截面圖，故能有區(qū)別地加以示意。其實，用肉眼看的話只不過象玻璃板一樣的透明板而已。即使用顯微鏡也看不出那樣的區(qū)別。
這一GaN基板是以(0001)面、C面為表面的基板，基板本身透明平坦，但是觀察一下基板表面的CL像就會觀察到以反差顯示出的長晶遺痕。以接近GaN光頻帶端的波長360nm的光進行CL觀察時，得知封閉缺陷集合區(qū)H以400μm間距有規(guī)律地排列著。這同掩模53的間距一樣。
另外，雖然往往封閉缺陷集合區(qū)H是以暗反差被看到的，但是因場所不同也有亮反差的時候，其性質(zhì)未必吻合。所謂明暗是就CL像而言的，用肉眼觀察到處都一樣——透明平坦。即使用顯微鏡觀察也是透明平坦的。只有通過CL像才看出明暗差異。
接著凹凸坑壁56生長的單晶低變位伴隨區(qū)Z是以十二角形明反差被看到的。
平坦部57下方的單晶低變位剩余區(qū)Y則是以暗反差被看到的。這是C面生長部分。
利用CL觀察，可以通過反差簡單地區(qū)別出圓的封閉缺陷集合區(qū)H、與其同心的圓的單晶低變位伴隨區(qū)Z、余下的單晶低變位剩余區(qū)Y。
封閉缺陷集合區(qū)H在c軸方向延伸。封閉缺陷集合區(qū)H是以貫通基板晶體并垂直于基板表面的形態(tài)而存在的。但是，不是說基板帶孔，基板是均勻的充實物，是靠CL才可以看到的組織。但是，有時封閉缺陷集合區(qū)H會出現(xiàn)一些高度差、有凹陷。特別是，在樣品A上看到了0.3μm左右的高度差。這可以說是在封閉缺陷集合區(qū)H研磨時因研磨速度有些許差異而造成的。
達到平坦的基板形狀后，就容易測定貫通變位密度了。可以利用CL像、蝕坑、TEM等觀察。但用CL像觀察最容易。
CL像觀察時貫通變位表現(xiàn)為暗點。得知在樣品A和樣品B，貫通變位集中于封閉缺陷集合區(qū)H內(nèi)部。還得知變位集結(jié)于封閉缺陷集合區(qū)H的交界，呈線狀排列。這相當(dāng)于三維的面狀缺陷。用CL也可以明顯地以暗閉合曲線(交界線，晶粒界面K)區(qū)別出封閉缺陷集合區(qū)H。
樣品A的封閉缺陷集合區(qū)H，其直徑為40μm(種子直徑為50μm)、形狀為角形、不定形。而樣品B的封閉缺陷集合區(qū)H，其直徑為180μm(種子直徑為200μm)、形狀為有圓角的不定形。樣品A和B的不同僅僅在于封閉缺陷集合區(qū)H的直徑，這是由種子(SiO2)大小來決定的。
無論樣品A還是樣品B，在其封閉缺陷集合區(qū)H的外側(cè)(單晶低變位伴隨區(qū)Z、單晶低變位剩余區(qū)Y)變位都少，隨著漸漸離開封閉缺陷集合區(qū)H，變位密度也逐漸降低。在有些地方，一離開封閉缺陷集合區(qū)H變位密度就劇減。在單晶低變位伴隨區(qū)Z、單晶低變位剩余區(qū)Y，平均變位密度在5×106cm-2以下。在單晶低變位剩余區(qū)Y、單晶低變位伴隨區(qū)Z，多數(shù)變位是平行于C面朝封閉缺陷集合區(qū)H而去。所以變位能被封閉缺陷集合區(qū)H所吸收積蓄，其他區(qū)域(單晶低變位伴隨區(qū)Z、單晶低變位剩余區(qū)Y)的變位變少。
通過加溫并使用KOH水溶液蝕刻樣品A和B的GaN基板。觀察樣品B后得知尤其在封閉缺陷集合區(qū)H存在容易被選擇性蝕刻的部分，其他的單晶低變位伴隨區(qū)Z和單晶低變位剩余區(qū)Y難以蝕刻。在封閉缺陷集合區(qū)H存在容易和不容易被選擇性蝕刻的部分是說封閉缺陷集合區(qū)H不僅有Ga面即(0001)面(難蝕刻)，還有N(氮)面即(000-1)面部分。單晶低變位伴隨區(qū)Z和單晶低變位剩余區(qū)Y光是Ga面、難以蝕刻，而封閉缺陷集合區(qū)H有一部分極性反轉(zhuǎn)、出現(xiàn)氮面(000-1)，所以出現(xiàn)容易被KOH蝕刻的部分?？梢?，在封閉缺陷集合區(qū)H存在有部分極性反轉(zhuǎn)部位。
另一方面，仔細觀察樣品A后得知大部分的封閉缺陷集合區(qū)H被蝕刻、有凹陷。進一步，結(jié)合TEM(透射電子顯微鏡)觀察結(jié)果分析后得知樣品A的大部分封閉缺陷集合區(qū)H是同周圍單晶區(qū)相比其相對于晶體取向<0001>方向逆轉(zhuǎn)180度的單晶。因此，從研磨后的表面來看，周圍單晶區(qū)是Ga面，而封閉缺陷集合區(qū)H則是氮面。進一步，根據(jù)詳細解析結(jié)果搞清在樣品A的大量封閉缺陷集合區(qū)H中，還有相對于晶體取向<0001>方向逆轉(zhuǎn)180度的多個晶粒構(gòu)成的部分。
根據(jù)這些結(jié)果可以認(rèn)為在樣品A長晶時，相當(dāng)于封閉缺陷集合區(qū)H的小傾角凹凸的面指數(shù)是{11-2-4}、{11-2-5}、{11-2-6}、{1-10-2}、{1-10-3}、{1-10-4}。
樣品A(種子口徑50μm)和樣品B(種子口徑200μm)的GaN基板，在基本性質(zhì)上是一致，其最大不同在于封閉缺陷集合區(qū)H的大小(有40μm和180μm之別)，這可以由種子大小預(yù)先確定。為了盡可能地有效利用基板，最好是讓變位多的封閉缺陷集合區(qū)H小一些，而讓單晶低變位伴隨區(qū)Z和單晶低變位剩余區(qū)Y大一些。
但是，封閉缺陷集合區(qū)H作得過小(縮小種子)的話，有時會根本形成不了封閉缺陷集合區(qū)H。這樣一來，就不能利用凹凸生長來收集缺陷，不能形成單晶低變位伴隨區(qū)Z和單晶低變位剩余區(qū)Y，不能降低變位密度。
(2)樣品C(種子口徑2μm、間距20μm)的生長在業(yè)已將口徑2μm的種子分布在20μm邊長的正三角形的頂點的樣品C上，進行GaN長晶。這是種子直徑和間距都小的例子。生長方法同上述樣品A和B的一樣也采用HVPE法。然而，即便是埋上了口徑2μm的種子(SiO2)而實施凹凸生長，但卻得不到從種子上形成凹凸底的因果關(guān)系。因此不能通過種子53來規(guī)定凹凸中心。凹凸分布是隨機的，坑位置無法控制。故有問題存在。
于是，拋棄NVPE法而改用MOCVD法，以緩慢生長速度進行GaN長晶。之所以要降低速度，是由于要讓坑從種子(SiO2)上產(chǎn)生。
在MOCVD法中不是以金屬Ga而是以含Ga的有機金屬為原料。氣體原料采用三甲基鎵(TMG，第III族氣體)和氨(NH3，第V族氣體)及氫氣(H2，載體氣體)。
將樣品C放在反應(yīng)爐的基座上加熱至1030℃，在常壓下以第III族第V族＝1∶2000的比例提供原料氣體，以進行GaN長晶。生長速度是4μm/h，生長時間為30小時。于是生長出厚120μm左右的GaN層。
就這樣，進行了具有以種子53為底的坑狀凹凸的長晶。由于坑底同種子53的位置吻合，所以坑位置可以控制。封閉缺陷集合區(qū)H接著坑底。
關(guān)于樣品C，種子口徑僅為2μm、極小，在坑底形成的封閉缺陷集合區(qū)H也因此而小，直徑只有1μm左右。這說明，種子53不但提供封閉缺陷集合區(qū)H的位置還左右其大小。
接著坑的傾斜面56下生長出了單晶低變位伴隨區(qū)Z，由于間距窄，其是較小的圓。通過TEM觀察確認(rèn)出它是低變位的單晶。對應(yīng)于坑間平坦面(C面)57生成了單晶低變位剩余區(qū)Y，這里也是低變位的單晶。這些性質(zhì)是同樣品A和B一致的。樣品C的特征在于封閉缺陷集合區(qū)H極小。在此，即便不能使用HVPE法，也可以利用MOCVD法得到同小種子的配置尺寸一致的封閉缺陷集合區(qū)H的分布。
(3)樣品D(種子口徑300μm、間距2000μm)的生長在業(yè)已將口徑300μm的種子分布在2000μm邊長的正三角形的頂點的樣品D上，進行GaN長晶。這是種子直徑和間距都大的例子。生長方法同上述樣品A和B的一樣也采用HVPE法。HVPE的生長條件如下生長溫度1030℃NH3分壓0.3atm(30kPa)HCL分壓 2.5×10-2atm(2.5kPa)生長時間30小時生長結(jié)果，得到具有厚度4.3mm的GaN厚膜晶體。在樣品D上，可以看到倒12棱錐形的凹凸面構(gòu)成的坑。封閉缺陷集合區(qū)H有規(guī)律地排列著。其位置同在最初的GaN膜上形成的種子(SiO2掩模)53的位置一致。
但是，有不少地方的坑形狀破損。另外，除了對應(yīng)于掩模有規(guī)律地排列著的坑以外，還生成了小坑?？游恢每刂菩赃€不完善。
封閉缺陷集合區(qū)H以2000μm間距存在，這和當(dāng)初掩模(種子)53的間距相等。處于有規(guī)律的位置上的坑，有的直徑在2000μm左右、呈漂亮的十二棱錐形。但是，也有的坑，盡管以間距2000μm左右處于給定位置上，但形狀卻壞了、同鄰接坑連在了一起。這種形狀破損的坑(雖然位置正確但)直徑只有200μm左右、很小。封閉缺陷集合區(qū)H的變位高。
但是，在封閉缺陷集合區(qū)形狀雖破損但卻處于給定位置上的封閉缺陷集合區(qū)H的周圍，生成了單晶低變位剩余區(qū)Y和單晶低變位伴隨區(qū)Z，該部分的平均變位密度在5×106cm以下，為低變位。
也有的地方，在從有規(guī)律的位置錯開的部位(不對應(yīng)種子位置)生成的封閉缺陷集合區(qū)H的周圍，單晶低變位伴隨區(qū)Z、單晶低變位剩余區(qū)Y的生成不明確、夠不上低變位。
通過樣品A-D的實驗得知在以下條件下可以充分達到本發(fā)明效果封閉缺陷集合區(qū)H直徑1-200μm提供封閉缺陷集合區(qū)H的種子(掩模，圓形部)的直徑2-300m封閉缺陷集合區(qū)H的間距20-2000μm實施例2(GaAs、Si、藍寶石基板，圖案A、H(A+ELO)，圖12)預(yù)備了如下三種異種材料的基板A、(111)面GaAs基板B、C面(0001)藍寶石基板C、(111)面Si基板Si為鉆石構(gòu)造立方晶系。GaAs為閃鋅礦(Zinc Blende)構(gòu)造立方晶系。GaN屬六方晶系。其C面具有3次旋轉(zhuǎn)對稱性。立方晶系只有(111)面具有3次對稱性。因此GaAs、Si基板采用3次對稱性的(111)面基板。藍寶石屬三方晶系，為了使其在c軸方向長晶，藍寶石是以具有C面(0001)的單晶為基板。
圖12(1)-(3)示出了GaN長晶方法。在樣品A-D中，是在異種基板上形成2μm厚的GaN層后覆蓋上掩模(SiO2)材料而形成種子53的。但是，在本實施例2，是最初在異種襯底基板51上覆蓋上掩模材料而形成種子53的。直接在異種基板51上形成0.1μm厚的SiO2層，利用光刻形成圖案即種子53，該圖案是在周期性設(shè)的正三角形頂點處留下圓形部而形成的，具有6次對稱性。
實施例2采用的種子53的配置圖案有圖案A和圖案H兩種。圖案A同實施例1的一樣，而圖案H是在圖案A之上重疊了ELO(橫行生長)掩模的混合型。
關(guān)于圖案A——同實施例1的圖案A(直徑50μm，間距400μm)的配置一樣，即想象有邊長400μm的正三角形集合，在其頂點設(shè)直徑50μm的圓形部，而其余面(空白19，見圖16(a))什么也不加。
關(guān)于圖案H——在圖案A(直徑50μm，間距400μm)之上重疊了ELO掩模的混合型掩模。這里，圖案A的配置是想象有邊長400μm的正三角形集合，在其頂點設(shè)直徑50μm的圓形部。它是開口部占的面積較大的圖案。在沒有圓形部的部分(空白部19)附ELO掩模。ELO掩模是用于橫向超越的圖案，是一種開口部少而掩模面積大的圖案。在此假設(shè)它是在將邊長為4μm正三角形遍布各處且靠在一起而形成的圖案中的正三角形頂點上配置直徑為2μm的點狀開口部(窗)。作為基準(zhǔn)的正三角形的一邊同圖案A的正三角形的一邊的方向平行。由于過分細小的緣故，在圖12(1)中省略了ELO圖案，但實際上在種子53之間設(shè)有具有很多窗的薄膜層。
由于是在異種基板上直接放上掩模圖案，所以其取向不能由GaN晶體取向定義，要用異種基板取向來定義。在圖案A的場合，以正三角形邊的方向為基準(zhǔn)方向。在GaAs基板的場合，以<1-10>方向為基準(zhǔn)方向。在藍寶石基板的場合為<1-100>方向。在Si基板的場合則為<1-10>方向。就這樣，在基板不同、圖案不同的情況下制作了4種樣品E-H。各樣品詳見于下。
樣品E在GaAs基板(111)上直接將圖案A(直徑50μm，間距400μm)當(dāng)作種子配置。
樣品F在藍寶石基板(111)上直接將圖案A(直徑50μm，間距400μm)當(dāng)作種子配置。
樣品G在Si基板(111)上直接形成圖案A的種子圖案。
樣品H在GaAs基板上直接形成圖案H(圖案A+ELO)。
這些樣品試料附上了掩模的狀態(tài)見圖12(1)。同實施例1不同之處在于不在異種基板上附GaN層而是直接在基板上形成掩模圖案。同實施例1一樣，對樣品E-H采用HVPE法形成GaN層。HVPE法是這樣實施的反應(yīng)爐上方設(shè)有金屬Ga隔板，在下方設(shè)有承載基板的基座。從反應(yīng)爐上方給Ga板提供氫氣和HCL氣以生成GaCL，GaCL流向下方，在和已被加熱的基板接觸的部位供給氨氣，通過和GaCL反應(yīng)而合成GaN。在掩模上低溫生長了GaN緩沖層后，再以高溫厚厚地生長一層GaN取向生長層。即，讓GaN分兩階段生長。
(1、GaN緩沖層的生長)在GaAs、Si、藍寶石基板等上面利用HVPE法在以下條件下生長了GaN緩沖層。通常是經(jīng)常設(shè)GaN緩沖層的。
氨分壓 0.2atm(20kPa)HCL分壓2×10-3atm(200Pa)生長溫度 490℃生長時間 15分鐘緩沖層厚 50nm(2、GaN取向生長層的生長)在低溫生長出的GaN緩沖層之上利用HVPE法以高溫形成了GaN取向生長層。
氨分壓 0.2atm(20kPa)HCL分壓2.5×10-2atm(2500Pa)生長溫度 1010℃生長時間 11小時取向生長層厚 約1300μm(1.3mm)象這種低溫生長緩沖層、高溫生長取向生長層的方法很常見。關(guān)于樣品E-H得到的都是厚1.3mm的透明GaN基板，外觀同實施例1的一樣，透明、具有玻璃感。通過CL觀察才可以知道封閉缺陷集合區(qū)H、單晶低變位伴隨區(qū)Z、單晶低變位剩余區(qū)Y等的差別，但由于是凹凸生長，所以通過顯微鏡觀察也可以看出表面的凹凸(坑)。
圖12(2)給出了截面圖。在4個樣品的表面上都有許多凹凸面56構(gòu)成的坑?？又行奈恢?底)59同最初作為種子(SiO2)53設(shè)的掩模的位置一致。即，同實施例1一樣，最稠密排列著的直徑為400μm的坑互相挨著存在于表面上，還確認(rèn)出坑呈倒十二棱錐形、其中心部存在角度較小的凹凸。
在種子53之上接著封閉缺陷集合區(qū)(H)55，再上面是坑底59?？拥膬A斜面56之下是單晶低變位伴隨區(qū)Z，C面的平坦面57之下是單晶低變位剩余區(qū)(Y)58。單晶低變位剩余區(qū)Y和單晶低變位伴隨區(qū)Z都是低矮變位、單晶。
(磨削加工)對樣品E-H進行了磨削加工。首先，磨削背面去掉了異種基板51即GaAs基板、Si基板、藍寶石基板。接著把種子53也除去。進一步，對表面也進行磨削以除去坑、使表面平坦。于是制成具有平坦表面和背面的基板。到此，得到直徑約為2英時的平坦光滑透明的基板，形狀如圖12(3)所示。這些基板都是以GaN(0001)面(C面)為表面的透明基板。在基板表面6次對稱地排列著封閉缺陷集合區(qū)(H)55，其中心同最初設(shè)的種子53是一致的。各封閉缺陷集合區(qū)H為不定形。封閉缺陷集合區(qū)H的直徑大約為40μm，該尺寸同種子圖案(直徑50μm，間距400μm)是對應(yīng)的?？紤]到是在具有6次對稱性的SiO2種子53上生長封閉缺陷集合區(qū)H的話，這一結(jié)果是可以接受的。
在封閉缺陷集合區(qū)H內(nèi)部變位密度高，但是隨著離開封閉缺陷集合區(qū)H變位密度降低。在封閉缺陷集合區(qū)H外側(cè)的單晶低變位剩余區(qū)(Y)58、單晶低變位伴隨區(qū)Z處變位密度低，無論拿哪個樣品來說，都是5×106cm-2以下的低變位。更具體一點來說，單晶低變位伴隨區(qū)Z、單晶低變位剩余區(qū)Y的平均變位密度如下樣品E(GaAs基板)2×106cm-2樣品F(藍寶石基板) 1×106cm-2樣品G(Si基板) 3×106cm-2樣品H(GaAs基板)9×105cm-2可見，都是低的變位密度。好象對襯底基板有依存性。在樣品E、F、G中，變位密度最低的是藍寶石基板(F)，次低是GaAs基板(E)，好象Si基板(G)的變位降低作用最差。
并用了ELO方法的樣品H的低變位化最突出，其同只有種子掩模的樣品E相比，平均變位密度大約降低了一半。故可以做這樣的推論種子掩模帶來的降低(封閉缺陷集合區(qū)H)和ELO掩模(方向轉(zhuǎn)換與沖突帶來的變位降低)的作用大體相同。
封閉缺陷集合區(qū)H的狀態(tài)也同實施例1的一樣。凹凸面構(gòu)成的坑在最初的種子53上生長，在坑底變位集中而形成封閉缺陷集合區(qū)H。由于變位集中于封閉缺陷集合區(qū)，所以其他的單晶低變位伴隨區(qū)Z和單晶低變位剩余區(qū)Y處變位降低。
(樣品E的不可思議)關(guān)于樣品E(GaAs基板，圖案A)，共制作了兩張樣品。不可思議的是這兩張樣品的長晶情況不一樣。其中一張樣品E，拿實施例1或?qū)嵤├?來說，如上述一樣，可以明確地區(qū)分開封閉缺陷集合區(qū)H、單晶低變位伴隨區(qū)Z、單晶低變位剩余區(qū)Y，在Z+Y處變位低。但是另外一張樣品E卻不是這樣，雖然凹凸面構(gòu)成的坑在種子53上正確地在6次對稱的位置上生長，但是在坑中央?yún)s不存在封閉缺陷集合區(qū)H。這是通過看CL像得知的。同樣的制法卻生成不同的東西，實在是不可思議。
(缺少封閉缺陷集合區(qū)H的樣品E)進一步更仔細地研究該樣品E后得知本該接著坑底59的封閉缺陷集合區(qū)H不存在、應(yīng)該被凹凸收集的變位束散布在寬廣的區(qū)域上。平均變位密度為6×106cm-2。所以比起其他樣品的單晶低變位伴隨區(qū)Z和單晶低變位剩余區(qū)Y來變位密度高。在該樣品E的一些坑處，變位從坑中央59呈線狀排列著，在線狀缺陷的周圍還存在面狀缺陷。該面狀缺陷是象圖1(b)所示的相互成60度角的面狀缺陷，線狀缺陷在面狀缺陷的交線即坑底正下方延伸。也有的面狀缺陷是在從坑中心延伸100μm以上?？梢哉J(rèn)為這是由于一旦集中的變位又七零八落地分散開了。
象這樣的樣品E，若封閉缺陷集合區(qū)H消失的話，不能很好地進行變位在凹凸構(gòu)成的坑處積蓄集中，會造成變位散開、面狀缺陷出現(xiàn)在坑底。當(dāng)然，即便是這種場合，坑的排列也仍然是正確地復(fù)制了種子的排列，但是，在坑底部卻不能形成封閉缺陷集合區(qū)H(空坑)。故，沒有實現(xiàn)低變位化，空坑是不行的。
即，要使欲制作低變位GaN晶體的本發(fā)明具有實效性的話，必須要具有以下兩個條件第一，坑要能夠忠實地復(fù)制種子的排列而生長；第二，要在坑底生成封閉缺陷集合區(qū)H。只做到坑有規(guī)律地形成是不夠的，還必須要在坑底生成封閉缺陷集合區(qū)H。那么，可以理解封閉缺陷集合區(qū)H對于本發(fā)明GaN基板的重要性了吧。
實施例3(掩模種類)作為襯底基板預(yù)備了多個具有面取向(111)As面的GaAs基板，為了確認(rèn)一下掩模(種子圖案)差異將帶來怎樣的效果而在基板上制作不同的薄膜種子圖案。
制作了直接在(111)As-GaAs基板上形成厚0.15μm的Si3N4薄膜后所得到的物(I)、形成厚0.2μm的Pt薄膜后所得到的物(J)、形成厚0.2μm的W薄膜后所得到的物(K)、形成厚0.1μm的SiO2薄膜后所得到的物(L、M)。
通過涂布抗蝕劑后進行光刻和蝕刻，除掉了部分薄膜，從而制作出了種子圖案。
對于SiN薄膜(I)、Pt薄膜(J)及W薄膜，種子圖案定為實施例1所述的6次對稱圖案A(圖6(a))。圖案A是這樣的在重復(fù)出現(xiàn)的邊長400μm的正三角形的各頂點處配置直徑50μm的種子。正三角形一邊(間距)方向平行于GaAs基板的<1-10>方向。
對于SiO2薄膜基板，制作了4次對稱圖案L和2次對稱圖案M。圖案L是這樣的在重復(fù)出現(xiàn)的邊長400μm的正方形的各頂點處配置直徑50μm的圓形種子，4次對稱。而圖案M是這樣的在重復(fù)出現(xiàn)的邊長400μm×600μm的長方形的各頂點處配置直徑50μm的圓形種子，2次對稱。圖案L的重復(fù)出現(xiàn)正方形的一邊方向平行于GaAs基板的<1>10>方向。而圖案M的重復(fù)出現(xiàn)長方形的短邊方向平行于GaAs基板的<1-10>方向。
對這4種薄膜利用X線折射法進行了調(diào)查。Si3N4薄膜(I)是非晶質(zhì)，Pt薄膜(J)是多晶，W薄膜(K)是多晶，SiO2薄膜是非晶質(zhì)。
將具有這5種掩模的試料當(dāng)作樣品I、J、K、L、M。
樣品I直接形成了Si3N4薄膜圖案A的GaAs基板樣品J直接形成了Pt薄膜圖案A的GaAs基板樣品K直接形成了W薄膜圖案A的GaAs基板樣品L直接形成了SiO2薄膜圖案L的GaAs基板樣品M直接形成了SiO2薄膜圖案M的GaAs基板然后，利用HVPE法在這些樣品基板上進行GaN生長。實施例3的HVPE法的實施同實施例1、2的一樣。
在熱壁型反應(yīng)爐上方有Ga板，在下方設(shè)有承載基板的基座。Ga被加熱到800℃以上而變成Ga熔融液體。基板也被加熱至下述溫度。從上方給Ga板提供氫氣和HCL氣、以合成為GaCL。GaCL從下方到基板附近和被導(dǎo)入的NH3(+氫氣)反應(yīng)，生成GaN。GaN在基板上堆積而形成GaN層。
最初是低溫薄薄地生長GaN緩沖層，然后再以高溫在其上厚厚地生長一層取向生長層。生長條件如下(緩沖層的生長條件，HVPE法)生長溫度 490℃NH3分壓 0.2atm(20kPa)HCL分壓 2×10-3atm(200Pa)生長時間 20分鐘膜厚 60nm(取向生長層的生長條件，HVPE法)生長溫度 1030℃NH3分壓 0.25atm(25kPa)HCL分壓 2.5×10-2atm(2.5kPa)生長時間 13小時膜厚 1800μm在堆積了平均膜厚為1.8mm的樣品的表面上具有許多坑。樣品I、J、K，在外觀上幾乎具有一樣的表面形態(tài)，具有許多倒十二角錐上的凹凸面構(gòu)成的坑，而且其位置同當(dāng)初基板上設(shè)的圓形點狀的種子的位置一致，有規(guī)律地呈6次對稱地排列著。即，變成如圖6(a)所示形態(tài)。是間距約為400μm、坑直徑也約為400μm、鄰接坑外接的二維最稠密排列。外觀上同實施例1的樣品A完全一樣。即，種子位置和坑中心位置相吻合。
樣品L、M也一樣都能看到許多倒十二角錐的凹凸構(gòu)成的坑。但是，其排列不一樣，樣品L是間距400μm的正方形圖案構(gòu)成的、4次對稱。樣品M是短邊長400μm、長邊長600μm的矩形圖案構(gòu)成的、2次對稱。這兩者也都是種子位置和坑中心位置相吻合的。
在樣品M中，沿著長方形長邊在坑與坑之間產(chǎn)生了大間隙(單晶低變位剩余區(qū)Y)。在該單晶低變位剩余區(qū)Y可以看到了一些零散的不對應(yīng)于種子而生成的坑。但大體上坑和種子是上下對應(yīng)的。
對凹凸面構(gòu)成的坑的底部形狀作了觀察。在樣品I、J、K、L、M上確認(rèn)出在坑底存在比形成坑傾斜面的凹凸面角度淺的凹凸面(c軸指數(shù)n大)。但是，關(guān)于樣品J看到了在坑底有疙疙瘩瘩的凹凸。
其后，對這5種樣品I-M進行了磨削加工。即，通過磨削加工去掉了背面的GaAs基板，其后，對表面進行磨削加工，達到平板狀。隨后，進行研磨加工，制成具有平坦光滑表面的基板。到此，得到直徑約為2英時的基板。
樣品I、J、K的基板是以(0001)面即C面為表面的基板?；灞旧砥教雇该鳌Ｔ诒砻嫔嫌幸?guī)律地排列著封閉缺陷集合區(qū)H。樣品I-K的封閉缺陷集合區(qū)H是6次對稱地排列的。至于封閉缺陷集合區(qū)H形狀，樣品I、K、L、M的是包含角形的不定形，直徑約40μm。但是，樣品J的封閉缺陷集合區(qū)H，其直徑大小不等，在50-80μm之間，形狀多為圓形、帶圓角的不定形。
無論哪個樣品，其封閉缺陷集合區(qū)H的外側(cè)變位都少，隨著離開封閉缺陷集合區(qū)H，變位密度也趨降低。還確認(rèn)出在有些地方，一離開封閉缺陷集合區(qū)H的交界，變位密度就劇減。
封閉缺陷集合區(qū)H外側(cè)的單晶低變位伴隨區(qū)Z、單晶低變位剩余區(qū)Y的平均變位密度都在5×106cm-2以下，具體如下所示樣品I1×106cm-2樣品J4×106cm-2樣品K2×106cm-2樣品L2×106cm-2樣品M4×106cm-2樣品I、K、L、M的封閉缺陷集合區(qū)H情況和實施例1的樣品A的一樣。一是凹凸面構(gòu)成的坑以圓形掩模(種子)為中心而形成、封閉缺陷集合區(qū)H在圓形掩模(種子)之上并接著坑底生長；二是變位集中于封閉缺陷集合區(qū)H。
通過對基板表面拍CL像觀察得知以Pt為種子的樣品J的情況多少有些不同。搞清了封閉缺陷集合區(qū)H是多晶。
通過利用CL像、TEM對封閉缺陷集合區(qū)H構(gòu)造進行解析得知封閉缺陷集合區(qū)H有各種各樣的形態(tài)。
即得知有各種各樣的封閉缺陷集合區(qū)H既有象樣品J那樣的由若干晶粒構(gòu)成的多晶，也有的只一個晶粒(單晶)但晶體取向不同于其周圍的單晶區(qū)(Z、Y)，還有的是同周圍單晶區(qū)只在<0001>軸一致而晶體取向不同。
即便是以Pt為種子的樣品J，其在如下方面也是同其他樣品一樣的凹凸面構(gòu)成的坑以圓形掩模為中心而形成、封閉缺陷集合區(qū)H在圓形掩模之上形成、封閉缺陷集合區(qū)H接著坑底生長，據(jù)此，變位集中于封閉缺陷集合區(qū)H。
在樣品J突出顯現(xiàn)的多晶封閉缺陷集合區(qū)H，在樣品A或樣品E也被看到，尤其是在樣品J可以清楚地看到。之所以產(chǎn)生多晶封閉缺陷集合區(qū)H，可以認(rèn)為是由于長晶初期圓形掩模上形成的GaN構(gòu)成的多晶首先延伸、以至于在被角度淺的凹凸面埋上之前業(yè)已充分延伸的緣故。
樣品L的封閉缺陷集合區(qū)H是在邊長400μm的正方形頂點、4次對稱的位置上生成的。樣品M的封閉缺陷集合區(qū)H是在邊長400μm×600μm的長方形頂點、2次對稱的位置上生成的。鄰接封閉缺陷集合區(qū)H的最接近方向(間距方向)為GaAs基板的<11-20>方向?？繕悠稬、M那樣的配置，可以將封閉缺陷集合區(qū)H、坑的位置按正交關(guān)系配置。在制作正方形、長方形的半導(dǎo)體裝置時，可以分別將變位分布、晶體性質(zhì)同一化。關(guān)于樣品L、M，雖然上面是將圖案的排列方向(間距方向)設(shè)為<11-20>，但也可以設(shè)為<1-100>。
實施例4(以GaN粒子為種子，圖13)將GaN單晶、GaN多晶粉碎，制作GaN微粒子。該微粒子是GaN單晶、多晶微粒子，直徑大小不等，在10-50μm之間。
還制作了帶有微細孔的金屬板，這些微細孔是在假想的遍布各處且靠在一起的邊長500μm的正三角形頂點處穿的孔。由于不能使用光刻，所以為了將微粒子有規(guī)律地進行播種而使用金屬板作型板。
預(yù)備了以C面為表面的藍寶石基板61作基板(圖13(1))。預(yù)先利用HVPE法在藍寶石基板61整個表面生長一層厚約3μm的GaN取向生長層62。(圖13(2))。
在藍寶石基板的GaN層上放上金屬板并使正三角形邊方向與GaN的<11-20>方向平行，然后從上面播撒GaN微粒子。微粒子嵌入微細孔里而附著在GaN層上。一去掉金屬板，作為種子的微粒子就配置在了GaN層的6次對稱位置上。其狀態(tài)見圖13(3)。
制作了分別將單晶GaN微粒子和多晶GaN微粒子通過金屬板播撒在GaN層上的兩種基板，分別當(dāng)作樣品N和O。
樣品N將GaN單晶微粒子當(dāng)作種子配置的帶GaN層的藍寶石基板樣品O將GaN多晶微粒子當(dāng)作種子配置的帶GaN層的藍寶石基板采用HCPE法在這些基板上形成厚GaN層。其方法同實施例1、2及3一樣。在上方設(shè)有Ga隔板、下方設(shè)有基座的反應(yīng)爐的基座上承載基板，將Ga板加熱到800℃，向Ga板提供氫氣和HCL氣體、向基座導(dǎo)入氨氣和氫氣，以在合成GaCL后再同氨氣反應(yīng)，從而在基板上堆積GaN層。
(取向生長條件)生長溫度1050℃NH3分壓0.3atm(30kPa)HCL分壓 2.5×10-2atm(2.5kPa)生長時間10小時生長膜厚約1400μm通過長晶得到厚約1400μm的GaN厚膜層。樣品N和O在外觀上幾乎具有一樣的表面形態(tài)，截面形狀如圖13(4)所示。倒十二角錐的凹凸面66構(gòu)成的坑有規(guī)律地排列在表面上?？釉诒砻娲篌w上呈二維最稠密排列，直徑500μm的坑相互外接。在坑之間具有平坦部67(C面)。當(dāng)觀察坑底69時還觀察到比凹凸面66傾斜角淺的另外一個凹凸面(c軸面指數(shù)n大)。
接著底69的部分是封閉缺陷集合區(qū)(H)65，被晶粒界面(K)70分隔開。在凹凸面66正下方、晶粒界面K70外側(cè)是單晶低變位伴隨區(qū)Z(64)。在平坦面67正下方是單晶低變位剩余區(qū)Y(68)。即，坑底69一封閉缺陷集合區(qū)(H)65-種子63上下排列，凹凸面66-單晶低變位伴隨區(qū)Z及平坦部67-單晶低變位剩余區(qū)(Y)68上下排列。
由于樣品N、O的基板上有凹凸，所以進行了磨削。首先磨削加工背面去掉了藍寶石基板61和種子(微粒子)63。其后，對表面進行磨削加工以消除坑，達到平坦表面。隨后，進行研磨加工，制成具有平坦光滑表面的平板基板。到此，得到直徑約為2英時的GaN基板。
如圖13(5)示出了平坦光滑基板。從斷面可見封閉缺陷集合區(qū)H和其兩端的單晶低變位伴隨區(qū)Z、處在離開部位上的單晶低變位剩余區(qū)Y?；錘、O是以(0001)面即C面為表面的基板?；灞旧硎峭该鞯?，用肉眼看的話只不過象均勻透明物。利用CL、TEM一觀察，就可以區(qū)別出封閉缺陷集合區(qū)H、單晶低變位伴隨區(qū)Z、單晶低變位剩余區(qū)Y。封閉缺陷集合區(qū)H有規(guī)律地(同種子一樣)排列在6次對稱位置上。其(橫截面)形狀為不定形。封閉缺陷集合區(qū)H的直徑大小不等，在10-70μm之間，這反映出種子即微粒子直徑大小不等。
在封閉缺陷集合區(qū)H內(nèi)部存在高密度缺陷。在單晶低變位伴隨區(qū)Z、單晶低變位剩余區(qū)Y變位少，隨著離開封閉缺陷集合區(qū)H，變位密度也趨降低。在有些地方，稍一離開晶粒界面K(70)變位密度就劇減。無論哪個樣品，單晶低變位伴隨區(qū)Z、單晶低變位剩余區(qū)Y的平均變位密度都在5×106cm-2以下，具體如下所示樣品N1×106cm-2樣品O2×106cm-2封閉缺陷集合區(qū)H的情況同實施例1的樣品A一樣。
在實施例4中，由于利用金屬板來定位微粒子，因而在微粒子口徑和播撒上都不均，故位置精度不如使用光刻的實施例1、2那樣高。就這樣，微粒子也可以當(dāng)作封閉缺陷集合區(qū)H的種子使用這一點得到了確證。另外，還得知使用GaN單晶微粒子(樣品N)和使用GaN多晶微粒子(樣品O)并無差別。
在此，是為了避免雜質(zhì)而將GaN本身當(dāng)作微粒子的，但是其他半導(dǎo)體材料、金屬材料及絕緣材料的微粒子也同樣可以當(dāng)作封閉缺陷集合區(qū)H的種子。這時候，由于也是要通過磨削背面去掉襯底基板61和種子63，所以最后的平坦基板的內(nèi)部構(gòu)造不變。
實施例5(以襯底基板一部分露出部為種子，圖14)預(yù)備了以C面為表面的藍寶石基板71作基板(圖14(1))。利用MOCVD法在藍寶石基板71整個表面生長一層厚約2μm的GaN取向生長層72。(圖14(2))。
在藍寶石基板上先假想有這樣的種子圖案邊長400μm的正三角形遍布各處且靠在一起、正三角形邊方向與GaN72的<11-20)方向平行。在對著該種子圖案的正三角形頂點的GaN層72的部位上開成直徑70μm的圓形孔。于是變成圖14(3)所示形態(tài)。在襯底基板面即圓形孔處的襯底基板73之上的GaN生長要比GaN層72上的緩慢，所以圓形孔處的襯底基板露出部73可以起種子作用。實施例5就是以襯底基板露出部為種子73的例子。由于不使用其他材料，所以具有GaN純度高、可以利用光刻準(zhǔn)確定位的優(yōu)點。種子圖案也是間距400μm、種子口徑70μm、6次對稱的圖案。設(shè)其為圖案P，以具有該圖案P的基板作樣品P。
樣品P具有當(dāng)作種子的異種材料的襯底基板露出部的帶GaN層的藍寶石基板。
采用HCPE法在基板P上形成GaN厚層。其方法同實施例1、2、3及4一樣。在上方設(shè)有Ga隔板、下方設(shè)有基座的反應(yīng)爐的基座上承載基板，將Ga板加熱到800℃以上，向Ga板提供氫氣和HCL氣體、向基座導(dǎo)入氨氣和氫氣，以在合成GaCL后再同氨氣反應(yīng)，從而在基板上堆積GaN層。
(取向生長條件)生長溫度1030℃NH3分壓0.25atm(25kPa)HCL分壓 2.0×10-2atm(2kPa)生長時間12小時生長膜厚約1500μm
通過長晶得到厚約1500μm的GaN厚膜層。樣品P截面形狀如圖14(4)所示。倒十二角錐的凹凸面76構(gòu)成的坑有規(guī)律地排列在表面上。坑在表面大體上呈二維最稠密排列，直徑400μm的坑相互外接。在坑之間具有平坦部77(C面)。當(dāng)觀察坑底79時還觀察到比凹凸面76傾斜角淺的另外一個凹凸面(c軸面指數(shù)n大)。
接著底79的部分是封閉缺陷集合區(qū)(H)75，被晶粒界面(K)80分隔開。在凹凸面76正下方、晶粒界面(K)80外側(cè)是單晶低變位伴隨區(qū)Z。在平坦面77正下方是單晶低變位剩余區(qū)Y(78)。即，坑底79-封閉缺陷集合區(qū)(H)75-種子73上下排列，凹凸面76-單晶低變位伴隨區(qū)(Z)74及平坦部77-單晶低變位剩余區(qū)(Y)78上下排列。
由于樣品P的基板上有凹凸，所以進行了磨削。首先磨削加工背面去掉了藍寶石基板71和GaN層72(夾著種子73的部分)。其后，對表面進行磨削加工以消除坑，達到平坦表面。隨后，進行研磨加工，制成具有平坦光滑表面的平板基板。到此，得到直徑約為2英時的GaN基板。如圖14(5)示出了平坦光滑基板。從斷面可見封閉缺陷集合區(qū)H和其兩端的單晶低變位伴隨區(qū)Z、處在離開部位上的單晶低變位剩余區(qū)Y。
基板N、O是以(0001)面即C面為表面的基板。基板本身是透明的，用肉眼看的話只不過象均勻透明物。利用CL或TEM一觀察，就可以區(qū)別出封閉缺陷集合區(qū)H、單晶低變位伴隨區(qū)Z、單晶低變位剩余區(qū)Y。封閉缺陷集合區(qū)H有規(guī)律地(同種子一樣)排列在6次對稱位置上。其(橫截面)形狀為不定形。封閉缺陷集合區(qū)H的直徑大體上為50μm左右。由于是利用光刻準(zhǔn)確地形成襯底基板露出部73，所以直徑上的不均程度低、位置上的錯位也少。這是精度高的方法。
在封閉缺陷集合區(qū)H內(nèi)部存在高密度缺陷。在單晶低變位伴隨區(qū)Z、單晶低變位剩余區(qū)Y上變位少，隨著離開封閉缺陷集合區(qū)H，變位也趨降低。在有些地方，一離開晶粒界面K(80)變位就劇減。樣品P的單晶低變位伴隨區(qū)Z、單晶低變位剩余區(qū)Y的平均變位密度在1×106cm-2以下，封閉缺陷集合區(qū)H的情況同實施例1的樣品A一樣。
就這樣，除去部分GaN層后露出的襯底基板露出面73也可以當(dāng)作封閉缺陷集合區(qū)H的種子使用這一點得到了確證。在此，由于是將GaN本身當(dāng)作種子根底利用，所以不存在雜質(zhì)污染問題。由于種子部分的GaN總是要除掉的，所以不存在GaN晶體厚度方向不均問題。
實施例6(GaN基板、圖案A，圖15)在實施例6預(yù)備了兩種樣品。一個是利用實施例1采用的圖案A(種子圖案圓形部直徑50μm、圓形部間距400μm)制作的GaN基板(圖15(1))，其業(yè)已除去襯底基板，表面加工和研磨也已進行，已可以在基板上進行取向生長。設(shè)該樣品為樣品Q。
另一個是在藍寶石基板上形成了SiO2薄膜的樣品。其是這樣形成的預(yù)先利用MOCVD法在藍寶石基板上生長一層厚2μm的GaN取向生長層，再在取向生長層表面形成厚0.1μm的SiO2薄膜，而后利用光刻形成圖案。其制作過程同實施例1一樣，采用圖案A。將該樣品稱為樣品R。
在樣品Q和樣品R上同時厚厚地形成一層GaN取向生長層(圖15(2)、(3))。這里，同上述各實施例一樣，生長法是采用HVPE法。將基板設(shè)置到反應(yīng)爐內(nèi)后，以氫氣為載體氣體進行升溫，以1030℃高溫生長GaN取向生長層。GaN取向生長層的生長條件如下，其中樣品Q和樣品R的基板口徑都是30mm。
(取向生長條件)生長溫度 1030℃NH3分壓 0.25atm(25kPa)HCL分壓2×10-2atm(2kPa)生長時間 80小時生長膜厚 約10mm其結(jié)果，樣品Q和樣品R都得到了厚約10mm的GaN晶體坯料(ingot)。這兩個坯料分別稱Q坯料和R坯料。這兩個坯料是在同樣表面形態(tài)下生長的。即，呈相應(yīng)于原來圖案大體為二維最稠密排列、將口徑400μm的凹凸構(gòu)成的坑集在一起的形狀。特別應(yīng)留意的是Q坯料，雖然并沒有設(shè)圖案而只是在業(yè)已制成的GaN基板上再進行生長而已，但是生長后的表面形態(tài)卻是同形成了圖案時的表面形態(tài)等同。
進一步，將Q坯料和R坯料的端部縱向切開后對截面進行了觀察。Q坯料的截面如圖15(3)所示。結(jié)果得知在Q坯料的封閉缺陷集合區(qū)(H)55上封閉缺陷集合區(qū)(H)85接著生長出來，而單晶低變位伴隨區(qū)(Z)54和單晶低變位剩余區(qū)(Y)58上未必一樣，但不是有單晶低變位伴隨區(qū)(Z)84就是有單晶低變位剩余區(qū)(Y)88會生長出來。當(dāng)然，封閉缺陷集合區(qū)H85是處于凹凸面86構(gòu)成的坑的底部89的。
對這兩種坯料進行切薄片加工而切出了多張GaN基板后，進行表面磨削加工、研磨加工。切薄片加工是采用鋼絲鋸。其結(jié)果，從各坯料均得到9張GaN基板(見圖15(4))。
這些基板當(dāng)中，在生長終期的2-3張中發(fā)現(xiàn)了異物缺陷等，而生長初期的6-7張卻良好。這些基板是以(0001)面即C面為表面的基板，基板本身是透明的。在基板表面上封閉缺陷集合區(qū)H大體上是有規(guī)律地呈6次對稱排列，其形狀為不定形，口徑為50μm左右。在封閉缺陷集合區(qū)H外側(cè)變位少，隨著離開封閉缺陷集合區(qū)H，變位密度也趨降低。在有些地方，一離開封閉缺陷集合區(qū)H的交界變位就劇減。封閉缺陷集合區(qū)H外側(cè)的平均變位密度均在5×106cm-2以下，足以充當(dāng)實用GaN基板。
這一方法可以認(rèn)為是提高長晶生產(chǎn)性的有效制造方法。
本發(fā)明靠凹凸生長將變位集中于坑底部以使其他部分低變位化，在坑底部形成封閉缺陷集合區(qū)H，不會出現(xiàn)變位被封閉后又散開的現(xiàn)象。因為有了封閉缺陷集合區(qū)H，所以本發(fā)明可以一舉解決前述過的3大難題——(1)降低自凹凸面構(gòu)成的坑的中央的變位集合部之變位的零亂分布。
(2)消滅凹凸面構(gòu)成的坑的中央的變位集合部之面狀缺陷。
(3)控制凹凸面構(gòu)成的坑的中央的變位集合部之位置。
根據(jù)本發(fā)明方法，可以準(zhǔn)確地控制變位集結(jié)的封閉缺陷集合區(qū)H的位置，制作出低變位的氮化鎵基板。另外，本發(fā)明的GaN基板，將變位有規(guī)律地集中在特定窄小的部分，用于半導(dǎo)體裝置重要部分的部分(單晶低變位伴隨區(qū)Z和單晶低變位剩余區(qū)Y)為低變位單晶。提供了最適于作InGaN藍紫激光二極管(LD)等的低變位GaN基板的基板。
權(quán)利要求
1.一種單晶氮化鎵基板，其特征在于在氮化鎵基板表面具有封閉缺陷集合區(qū)H——是貫通基板表面而延伸、內(nèi)部含有多個缺陷集合而成的芯S、被晶粒界面K所區(qū)分開的封閉區(qū)域，和單晶低變位伴隨區(qū)Z——伴隨于封閉缺陷集合區(qū)H而在其周圍形成的區(qū)域，以及單晶低變位剩余區(qū)Y——存在于單晶低變位伴隨區(qū)Z的外部、具有同一晶體取向的區(qū)域。
2.一種單晶氮化鎵基板，其特征在于由多個基本組織體組合而成，單位基本組織體是由在氮化鎵J基板表面上具有的如下區(qū)域構(gòu)成的封閉缺陷集合區(qū)H——是貫通基板表面而延伸、內(nèi)部含有多個缺陷集合而成的芯S、被晶粒界面K所區(qū)分開的封閉區(qū)域，和單晶低變位伴隨區(qū)Z——伴隨于封閉缺陷集合區(qū)H而在其周圍形成的區(qū)域，以及單晶低變位剩余區(qū)Y——存在于單晶低變位伴隨區(qū)Z的外部、具有同一晶體取向的區(qū)域。
3.按權(quán)利要求1或2所述的單晶氮化鎵基板，其特征在于封閉缺陷集合區(qū)H為多晶，周圍的單晶低變位伴隨區(qū)Z與單晶低變位剩余區(qū)Y均為單一的單晶。
4.按權(quán)利要求1至3中任一項所述的單晶氮化鎵基板，其特征在于封閉缺陷集合區(qū)H是由與周圍的單晶低變位伴隨區(qū)Z與單晶低變位剩余區(qū)Y的晶體取向不同的一個以上的晶粒構(gòu)成的。
5.按權(quán)利要求1至3中任一項所述的單晶氮化鎵基板，其特征在于封閉缺陷集合區(qū)H由一個以上晶粒構(gòu)成，這些晶粒均和周圍的單晶低變位伴隨區(qū)Z與單晶低變位剩余區(qū)Y除了只在<0001>方向一致而外，其它晶體取向都不同。
6.按權(quán)利要求1或2所述的單晶氮化鎵基板，其特征在于封閉缺陷集合區(qū)H由單晶構(gòu)成，該單晶和周圍的單晶低變位伴隨區(qū)Z與單晶低變位剩余區(qū)Y在晶體取向上只在<0001>方向上有180度逆轉(zhuǎn)、極性反轉(zhuǎn)。
7.按權(quán)利要求1至3中任一項所述的單晶氮化鎵基板，其特征在于封閉缺陷集合區(qū)H由一個以上晶粒構(gòu)成，這些晶粒均和周圍的單晶低變位伴隨區(qū)Z與單晶低變位剩余區(qū)Y在晶體取向上只在<0001>方向上有180度逆轉(zhuǎn)、極性反轉(zhuǎn)。
8.按權(quán)利要求1至3中任一項所述的單晶氮化鎵基板，其特征在于封閉缺陷集合區(qū)H由一個以上晶粒構(gòu)成，這些晶粒的晶體取向相對于周圍的單晶低變位伴隨區(qū)Z與單晶低變位剩余區(qū)Y的晶體取向均略有傾斜。
9.按權(quán)利要求1至3中任一項所述的單晶氮化鎵基板，其特征在于封閉缺陷集合區(qū)H是被以面狀缺陷或線狀缺陷同周圍單晶低變位伴隨區(qū)隔開的、具有和周圍的單晶低變位伴隨區(qū)Z同一的晶體取向的同一的單晶區(qū)域，或者，是由被以面狀缺陷或線狀缺陷同周圍單晶低變位伴隨區(qū)隔開的一個以上晶粒構(gòu)成、內(nèi)部含有晶體缺陷的晶體區(qū)域。
10.按權(quán)利要求1至9中任一項所述的單晶氮化鎵基板，其特征在于含在封閉缺陷集合區(qū)H中的晶體缺陷是線狀缺陷或面狀缺陷。
11.按權(quán)利要求1至10中任一項所述的單晶氮化鎵基板，其特征在于封閉缺陷集合區(qū)H的直徑為1μm-200μm，在基板表面呈點狀間隔分布。
12.按權(quán)利要求1至10中任一項所述的單晶氮化鎵基板，其特征在于封閉缺陷集合區(qū)H的直徑為5μm-70μm，在基板表面呈點狀間隔分布。
13.按權(quán)利要求1或12所述的單晶氮化鎵基板，其特征在于在基板表面上封閉缺陷集合區(qū)H的形狀是不定形、圓形或多角形。
14.按權(quán)利要求1或2所述的單晶氮化鎵基板，其特征在于在單晶低變位伴隨區(qū)Z的靠封閉缺陷集合區(qū)H附近的30μm以內(nèi)區(qū)域，貫通變位密度略為提高，為3×107cm-2以下。
15.按權(quán)利要求1或2所述的單晶氮化鎵基板，其特征在于單晶低變位剩余區(qū)Y與單晶低變位伴隨區(qū)Z的平均貫通變位密度略為5×106cm-2以下，隨著離開封閉缺陷集合區(qū)H而減小。
16.按權(quán)利要求1或2所述的單晶氮化鎵基板，其特征在于基板表面是(0001)面。
17.按權(quán)利要求1、2、6及7中任一所述的單晶氮化鎵基板，其特征在于封閉缺陷集合區(qū)H以外區(qū)域的表面為(0001)面，只封閉缺陷集合區(qū)H的表面為(000-1)面。
18.按權(quán)利要求1、2、6及7中任一項所述的單晶氮化鎵基板，其特征在于封閉缺陷集合區(qū)H以外區(qū)域的表面為Ga面，只封閉缺陷集合區(qū)H的表面極性不同、為氮面。
19.按權(quán)利要求18所述的單晶氮化鎵基板，其特征在于相對封閉缺陷集合區(qū)H以外區(qū)域，只在封閉缺陷集合區(qū)H的表面略帶高度差、偏低。
20.按權(quán)利要求1或2所述的單晶氮化鎵基板，其特征在于在單晶低變位伴隨區(qū)Z，大部分變位平行于C面延伸。
21.按權(quán)利要求1或2所述的單晶氮化鎵基板，其特征在于在基板晶體內(nèi)部，封閉缺陷集合區(qū)H平行于c軸方向延伸。
22.按權(quán)利要求1或2所述的單晶氮化鎵基板，其特征在于在基板表面周期性地有規(guī)律地配置基本組織體Q，基本組織體Q是由封閉缺陷集合區(qū)H、將其包圍的單晶低變位伴隨區(qū)Z、以及將其包圍的單晶低變位剩余區(qū)Y構(gòu)成。
23.按權(quán)利要求22所述的單晶氮化鎵基板，其特征在于由封閉缺陷集合區(qū)H、將其包圍的單晶低變位伴隨區(qū)Z、以及將其包圍的單晶低變位剩余區(qū)Y構(gòu)成基本組織體Q，在基板表面周期性地有規(guī)律地配置基本組織體Q時，將基本組織體Q以二維最稠密排列方式配置在基板表面上，讓封閉缺陷集合區(qū)H同由重復(fù)出現(xiàn)的同一尺寸正三角形構(gòu)成的具6次對稱性的6次對稱排列圖案中的正三角形頂點吻合。
24.按權(quán)利要求23所述的單晶氮化鎵基板，其特征在于由封閉缺陷集合區(qū)H、將其包圍的單晶低變位伴隨區(qū)Z、以及將其包圍的單晶低變位剩余區(qū)Y構(gòu)成基本組織體Q，在基板表面周期性地有規(guī)律地配置基本組織體Q時，封閉缺陷集合區(qū)H以最短間距周期性地排列的方向即6次對稱排列圖案中的正三角形的邊方向是<1-100>取向或<11-20>取向。
25.按權(quán)利要求22所述的單晶氮化鎵基板，其特征在于由封閉缺陷集合區(qū)H、將其包圍的單晶低變位伴隨區(qū)Z、以及將其包圍的單晶低變位剩余區(qū)Y構(gòu)成基本組織體Q，在基板表面周期性地有規(guī)律地配置基本組織體Q時，在讓封閉缺陷集合區(qū)H同由重復(fù)出現(xiàn)的同一尺寸正方形構(gòu)成的具4次對稱性的4次對稱排列圖案中的正方形頂點吻合的情況下，將基本組織體Q配置在基板表面上。
26.按權(quán)利要求25述的單晶氮化鎵基板，其特征在于封閉缺陷集合區(qū)H以最短間距周期性地排列的方向即4次對稱排列圖案中的正方形的邊方向或?qū)蔷€方向是<1-100>取向。
27.按權(quán)利要求22所述的單晶氮化鎵基板，其特征在于由封閉缺陷集合區(qū)H、將其包圍的單晶低變位伴隨區(qū)Z、以及將其包圍的單晶低變位剩余區(qū)Y構(gòu)成基本組織體Q，在基板表面周期性地有規(guī)律地配置基本組織體Q時，在讓封閉缺陷集合區(qū)H同由重復(fù)出現(xiàn)的同一尺寸長方形或菱形構(gòu)成的具2次對稱性的2次對稱排列圖案中的長方形或菱形的頂點吻合的情況下，將基本組織體Q配置在基板表面上。
28.按權(quán)利要求27述的單晶氮化鎵基板，其特征在于封閉缺陷集合區(qū)H以最短間距周期性地排列的方向即2次對稱排列圖案中的長方形的短邊或菱形的短對角線方向是<1-100>取向或<11-20>取向。
29.按權(quán)利要求22至28中任一項所述的單晶氮化鎵基板，其特征在于在周期性地有規(guī)律地排列著基本組織體的基板表面上，鄰接的封閉缺陷集合區(qū)H之間的最短距離L為50μm-2000μm。
30.按權(quán)利要求1或2所述的單晶氮化鎵基板，其特征在于封閉缺陷集合區(qū)H在基板晶體內(nèi)部沿c軸方向延伸、并貫通基板晶體內(nèi)部。
31.一種單晶氮化鎵基板的生長方法，其特征在于在長晶表面形成凹凸面構(gòu)成的坑，接著坑底部生長封閉缺陷集合區(qū)H，將封閉缺陷集合區(qū)H周圍的單晶低變位伴隨區(qū)Z與單晶低變位剩余區(qū)Y的變位吸入而加以消滅或蓄積，據(jù)此來減少單晶低變位伴隨區(qū)Z與單晶低變位剩余區(qū)Y的變位。
32.一種單晶氮化鎵基板的生長方法，利用氣相生長法在襯底基板上生長氮化鎵晶體，其特征在于在襯底基板上設(shè)用于生成凹凸面集合構(gòu)成的坑的種子；讓氮化鎵在襯底基板上長晶；在種子上形成位于坑底部并沿c軸方向伸展的封閉缺陷集合區(qū)H，該封閉缺陷集合區(qū)H在與襯底基板垂直的方向上延伸、是由多個缺陷集合而成的芯S和包圍該芯S的晶粒界面K所構(gòu)成的封閉空間；在襯底基板的種子以外部位并且是在封閉缺陷集合區(qū)H周圍，形成單晶即單晶低變位伴隨區(qū)Z，并使之處于坑的凹凸面之下；在單晶低變位伴隨區(qū)Z外周形成具有同樣晶體取向的單晶低變位剩余區(qū)Y，并使之處于坑以外的C面生長部分之下；一邊形成上述各區(qū)域一邊長晶；由在封閉缺陷集合區(qū)H與單晶低變位伴隨區(qū)Z的交界面處生成的晶粒界面K或被該晶粒界面K所包圍的芯S，來從單晶低變位剩余區(qū)Y和單晶低變位伴隨區(qū)Z中收集平行于C面伸展的變位，將之加以消滅或蓄積，以減少單晶變位。
33.按權(quán)利要求31或32所述的單晶氮化鎵基板的生長方法，其特征在于在隨著長晶凹凸面構(gòu)成的坑上升之后形成的封閉缺陷集合區(qū)H為多晶，其周圍的單晶低變位伴隨區(qū)Z與處于其外部的單晶低變位剩余區(qū)Y為同一取向的單晶。
34.按權(quán)利要求31或32所述的單晶氮化鎵基板的生長方法，其特征在于單晶低變位伴隨區(qū)Z與處于其外部的單晶低變位剩余區(qū)Y為同一取向的單晶，封閉缺陷集合區(qū)H是由與單晶低變位伴隨區(qū)Z與單晶低變位剩余區(qū)Y的晶體取向不同的一個以上的晶粒構(gòu)成的。
35.按權(quán)利要求31或32所述的單晶氮化鎵基板的生長方法，其特征在于單晶低變位伴隨區(qū)Z與處于其外部的單晶低變位剩余區(qū)Y為同一取向的單晶，封閉缺陷集合區(qū)H由一個以上晶粒構(gòu)成，這些晶粒和單晶低變位伴隨區(qū)Z與單晶低變位剩余區(qū)Y除了只在<0001>軸一致而外，其它晶體取向都不同。
36.按權(quán)利要求31或32所述的單晶氮化鎵基板的生長方法，其特征在于單晶低變位伴隨區(qū)Z與處于其外部的單晶低變位剩余區(qū)Y為同一取向的單晶，封閉缺陷集合區(qū)H由單晶構(gòu)成，該單晶和單晶低變位伴隨區(qū)Z與單晶低變位剩余區(qū)Y在晶體取向上只在<0001>方向上有180度逆轉(zhuǎn)、極性反轉(zhuǎn)。
37.按權(quán)利要求31或32所述的單晶氮化鎵基板的生長方法，其特征在于單晶低變位伴隨區(qū)Z與處于其外部的單晶低變位剩余區(qū)Y為同一取向的單晶，封閉缺陷集合區(qū)H由一個以上晶粒構(gòu)成，這些晶粒均和周圍的單晶低變位伴隨區(qū)Z與單晶低變位剩余區(qū)Y在晶體取向上只在<0001>方向上有180度逆轉(zhuǎn)、極性反轉(zhuǎn)。
38.按權(quán)利要求31或32所述的單晶氮化鎵基板的生長方法，其特征在于單晶低變位伴隨區(qū)Z與處于其外部的單晶低變位剩余區(qū)Y為同一取向的單晶，封閉缺陷集合區(qū)H由一個以上晶粒構(gòu)成，這些晶粒的晶體取向相對于單晶低變位伴隨區(qū)Z與單晶低變位剩余區(qū)Y的晶體取向均略有傾斜。
39.按權(quán)利要求31或32所述的單晶氮化鎵基板的生長方法，其特征在于單晶低變位伴隨區(qū)Z與處于其外部的單晶低變位剩余區(qū)Y為同一取向的單晶，封閉缺陷集合區(qū)H的芯S含有晶體缺陷、由一個以上晶粒構(gòu)成，包圍芯S的晶粒界面K是面狀缺陷或線狀缺陷。
40.按權(quán)利要求31或32所述的單晶氮化鎵基板的生長方法，其特征在于單晶低變位伴隨區(qū)Z與處于其外部的單晶低變位剩余區(qū)Y為同一取向的單晶，封閉缺陷集合區(qū)H的芯S含有晶體缺陷、是具有與單晶低變位伴隨區(qū)Z與單晶低變位剩余區(qū)Y同一取向的單晶，包圍芯S的晶粒界面K是面狀缺陷或線狀缺陷。
41.按權(quán)利要求39或40所述的單晶氮化鎵基板的生長方法，其特征在于構(gòu)成封閉缺陷集合區(qū)H的芯S的晶體區(qū)域的晶體缺陷是線狀缺陷或面狀缺陷。
42.按權(quán)利要求31至41中任一項所述的單晶氮化鎵基板的生長方法，其特征在于單晶低變位伴隨區(qū)Z與單晶低變位剩余區(qū)Y的平均長晶方向為c軸方向。
43.按權(quán)利要求31或32所述的單晶氮化鎵基板的生長方法，其特征在于凹凸面構(gòu)成的坑是六棱錐或倒十二棱錐形，或者，是側(cè)面角度不同的二段重合的倒六棱錐或側(cè)面角度不同的二段重合的倒十二棱錐。
44.按權(quán)利要求43所述的單晶氮化鎵基板的生長方法，其特征在于構(gòu)成坑的凹凸面的面指數(shù)是{kk-2kn}面及{k-k0n}面，其中，k、n為整數(shù)。
45.按權(quán)利要求44所述的單晶氮化鎵基板的生長方法，其特征在于構(gòu)成坑的凹凸面的面指數(shù)是{11-22}面及{1-101}面。
46.按權(quán)利要求31或32所述的單晶氮化鎵基板的生長方法，其特征在于接著凹凸面構(gòu)成的坑的封閉缺陷集合區(qū)H是一邊維持具有同構(gòu)成坑的凹凸面不同的面指數(shù)的表面一邊生長的。
47.按權(quán)利要求46所述的單晶氮化鎵基板的生長方法，其特征在于接著凹凸面構(gòu)成的坑的封閉缺陷集合區(qū)H，是以面指數(shù)不同于構(gòu)成坑的凹凸面并且傾斜角較小的面取向為表面而生長的。
48.按權(quán)利要求31或32所述的單晶氮化鎵基板的生長方法，其特征在于接著凹凸面構(gòu)成的坑的封閉缺陷集合區(qū)H，與單晶低變位伴隨區(qū)Z與單晶低變位剩余區(qū)Y只在<0001>方向上有180度逆轉(zhuǎn)、極性反轉(zhuǎn)，并且以傾斜角較小的面取向為表面而生長。
49.按權(quán)利要求31或32所述的單晶氮化鎵基板的生長方法，其特征在于接著凹凸面構(gòu)成的坑的封閉缺陷集合區(qū)H，與單晶低變位伴隨區(qū)Z與單晶低變位剩余區(qū)Y只在<0001>方向上有180度逆轉(zhuǎn)、極性反轉(zhuǎn)，并且是傾斜角較小的面取向，該面取向包括{11-2-4}、{11-2-5}、{11-2-6}、{1-10-2}、{1-10-3}及{1-10-4}。
50.按權(quán)利要求31或32所述的單晶氮化鎵基板的生長方法，其特征在于接著凹凸面構(gòu)成的坑的封閉缺陷集合區(qū)H，與周圍的單晶低變位伴隨區(qū)Z與單晶低變位剩余區(qū)Y只在<0001>方向上有180度逆轉(zhuǎn)、極性反轉(zhuǎn)，其交界同構(gòu)成坑的凹凸面與比其角度小的面之間的交界線一致。
51.按權(quán)利要求31或32所述的單晶氮化鎵基板的生長方法，其特征在于接著凹凸面構(gòu)成的坑的封閉缺陷集合區(qū)H，一邊呈點狀集中一邊生長。
52.按權(quán)利要求31-51中任一項所述的單晶氮化鎵基板的生長方法，其特征在于接著凹凸面構(gòu)成的坑的封閉缺陷集合區(qū)H，一邊維持1μm-200μm直徑一邊生長。
53.按權(quán)利要求31-52中任一項所述的單晶氮化鎵基板的生長方法，其特征在于接著凹凸面構(gòu)成的坑的封閉缺陷集合區(qū)H的橫截面形狀是不定形、圓形或多角形。
54.按權(quán)利要求31或32所述的單晶氮化鎵基板的生長方法，其特征在于在襯底基板上有規(guī)律地配置多個種子，在長晶時的表面上將多個由凹凸面集合構(gòu)成的并且在中央底部具有封閉缺陷集合區(qū)H的坑有規(guī)律地排列，按此進行長晶。
55.按權(quán)利要求54所述的單晶氮化鎵基板的生長方法，其特征在于在長晶時的表面上將多個由凹凸面集合構(gòu)成的并且在中央底部具有封閉缺陷集合區(qū)H的坑有規(guī)律地排列之際，以如下方式排列坑達到二維最稠密排列、讓封閉缺陷集合區(qū)H處在由重復(fù)出現(xiàn)的同一尺寸正三角形構(gòu)成的具6次對稱性的6次對稱排列圖案中的正三角形頂點。
56.按權(quán)利要求54所述的單晶氮化鎵基板的生長方法，其特征在于在長晶時的表面上將多個由凹凸面集合構(gòu)成的并且在中央底部具有封閉缺陷集合區(qū)H的坑有規(guī)律地排列之際，以如下方式排列坑而長晶讓封閉缺陷集合區(qū)H處在由重復(fù)出現(xiàn)的同一尺寸正方形構(gòu)成的具4次對稱性的4次對稱排列圖案中的正方形頂點。
57.按權(quán)利要求54所述的單晶氮化鎵基板的生長方法，其特征在于在長晶時的表面上將多個由凹凸面集合構(gòu)成的并且在中央底部具有封閉缺陷集合區(qū)H的坑有規(guī)律地排列之際，以如下方式排列坑而長晶讓封閉缺陷集合區(qū)H處在由重復(fù)出現(xiàn)的同一尺寸長方形或菱形構(gòu)成的具2次對稱性的2次對稱排列圖案中的長方形或菱形頂點。
58.按權(quán)利要求54至57中任一項所述的單晶氮化鎵基板的生長方法，其特征在于在長晶時的表面上將多個由凹凸面集合構(gòu)成的并且在中央底部具有封閉缺陷集合區(qū)H的坑有規(guī)律地排列之際，這些坑之間的最短距離是中心距，為50μm-2000μm。
59.按權(quán)利要求31或32所述的單晶氮化鎵基板的生長方法，其特征在于將多晶或非晶質(zhì)薄膜當(dāng)作封閉缺陷集合區(qū)H的種子配置在襯底基板上。
60.按權(quán)利要求59所述的單晶氮化鎵基板的生長方法，其特征在于將圖案化為圓形或多角形或其他給定形狀的多晶或非晶質(zhì)薄膜當(dāng)作封閉缺陷集合區(qū)H的種子配置在襯底基板上。
61.按權(quán)利要求60所述的單晶氮化鎵基板的生長方法，其特征在于將圖案化為直徑1μm-300μm圓形或多角形或其他給定形狀的多晶或非晶質(zhì)薄膜當(dāng)作封閉缺陷集合區(qū)H的種子配置在襯底基板上。
62.按權(quán)利要求59所述的單晶氮化鎵基板的生長方法，其特征在于將下列任一薄膜當(dāng)作封閉缺陷集合區(qū)H的種子配置在襯底基板上SiO2薄膜、Si3N4薄膜、Pt薄膜及W薄膜。
63.按權(quán)利要求3 1或32所述的單晶氮化鎵基板的生長方法，其特征在于將下列任一種粒子當(dāng)作封閉缺陷集合區(qū)H的種子配置在襯底基板上GaN多晶粒子、GaN單晶粒子、GaN以外的異種材料單晶粒子。
64.按權(quán)利要求63所述的單晶氮化鎵基板的生長方法，其特征在于在襯底基板上制成了GaN取向生長層后，蝕刻除去部分GaN取向生長層以使襯底基板露出，將露出的襯底基板的部分表面當(dāng)作封閉缺陷集合區(qū)H的種子使用。
65.按權(quán)利要求59所述的單晶氮化鎵基板的生長方法，其特征在于在襯底基板上直接或介于GaN取向生長層形成非GaN的異種材料構(gòu)成的多晶或非晶質(zhì)薄膜掩模層，蝕刻除去部分該掩模層而得到圖案化成給定形狀的掩模層，將圖案化成給定形狀的掩模層當(dāng)作封閉缺陷集合區(qū)H的種子使用。
66.按權(quán)利要求60所述的單晶氮化鎵基板的生長方法，其特征在于將圖案化為給定形狀的多晶或非晶質(zhì)薄膜當(dāng)作封閉缺陷集合區(qū)H的種子配置在襯底基板上，在不存在種子的襯底基板表面上配置用于進行取向橫行超越生長的ELO圖案，在具有種子圖案和ELO圖案的襯底基板上進行GaN長晶。
67.按權(quán)利要求60所述的單晶氮化鎵基板的生長方法，其特征在于將ELO圖案配置在襯底基板上，以取向橫行超越法生長低變位GaN薄膜，在低變位GaN薄膜上形成非GaN的異種材料構(gòu)成并業(yè)已圖案化為給定形狀的多晶或非晶質(zhì)薄膜層，以當(dāng)作封閉缺陷集合區(qū)H的種子使用。
68.按權(quán)利要求59至67中任一項所述的單晶氮化鎵基板的生長方法，其特征在于襯底基板材料為下列任一種GaN、藍寶石、SiC、尖晶石、GaAs、Si。
69.一種單晶氮化鎵基板的制造方法，其特征在于(1)對低變位的單晶體，進行機械加工——至少包括薄片加工、磨削加工、拋光加工等當(dāng)中的一種加工——之后，施以研磨，從而做成具有平坦表面的氮化鎵基板；(2)所述低變位的單晶體是利用氣相生長法在襯底基板上生長氮化鎵晶體而生成，該生長方法具備如下步驟在襯底基板上設(shè)用于生成凹凸面集合構(gòu)成的坑的種子；讓氮化鎵在襯底基板上長晶；在種子上形成位于坑底部并沿c軸方向伸展的封閉缺陷集合區(qū)H，該封閉缺陷集合區(qū)H在與襯底基板垂直的方向上延伸、是由多個缺陷集合而成的芯S和包圍該芯S的晶粒界面K所構(gòu)成的封閉空間；在襯底基板的種子以外部位并且是在封閉缺陷集合區(qū)H周圍，形成單晶即單晶低變位伴隨區(qū)Z，并使之處于坑的凹凸面之下；在單晶低變位伴隨區(qū)Z外周形成具有同樣晶體取向的單晶低變位剩余區(qū)Y，并使之處于坑以外的C面生長部分之下；一邊形成上述各區(qū)域一邊長晶；由在封閉缺陷集合區(qū)H與單晶低變位伴隨區(qū)Z的交界面處生成的晶粒界面K或被該晶粒界面K所包圍的芯S，來從單晶低變位剩余區(qū)Y和單晶低變位伴隨區(qū)Z中收集平行于C面伸展的變位，將之加以消滅或蓄積，以減少單晶變位。
70.一種單晶氮化鎵基板的制造方法，其特征在于讓晶體——通過在長晶表面形成凹凸面構(gòu)成的坑、接著坑底部生長封閉缺陷集合區(qū)H、將封閉缺陷集合區(qū)H周圍的單晶低變位伴隨區(qū)Z與單晶低變位剩余區(qū)Y的變位吸入而被削減了變位——的晶體厚厚地生長，當(dāng)作坯料，對該晶體施以薄片加工，據(jù)此得到多張氮化鎵晶體。
71.一種單晶氮化鎵基板的制造方法，其特征在于制成晶體坯料，對該晶體施以薄片加工，據(jù)此得到多張氮化鎵晶體；所述坯料是按如下步驟制成的(1)預(yù)備單晶氮化鎵基板，該基板表面具有封閉缺陷集合區(qū)H——是貫通基板表面而延伸、內(nèi)部含有多個缺陷集合而成的芯S、被晶粒界面K所區(qū)分開的封閉區(qū)域，和單晶低變位伴隨區(qū)Z——伴隨于封閉缺陷集合區(qū)H而在其周圍形成的區(qū)域，以及單晶低變位剩余區(qū)Y——存在于單晶低變位伴隨區(qū)Z的外部、具有同一晶體取向的區(qū)域；(2)把所述單晶氮化鎵基板當(dāng)作種子晶體而在其上厚厚地進行氮化鎵長晶，據(jù)此，在種子晶體的封閉缺陷集合區(qū)H之上生長封閉缺陷集合區(qū)H，在單晶低變位伴隨區(qū)Z和單晶低變位剩余區(qū)Y之上生長單晶低變位伴隨區(qū)Z或單晶低變位剩余區(qū)Y。
72.一種單晶氮化鎵基板的制造方法，其特征在于制成晶體坯料，對該晶體施以薄片加工，據(jù)此得到多張氮化鎵晶體；所述坯料是按如下步驟制成的(1)預(yù)備單晶氮化鎵基板，該基板表面具有封閉缺陷集合區(qū)H——是貫通基板表面而延伸、內(nèi)部含有多個缺陷集合而成的芯S、被晶粒界面K所區(qū)分開的封閉區(qū)域，和單晶低變位伴隨區(qū)Z——伴隨于封閉缺陷集合區(qū)H而在其周圍形成的區(qū)域，以及單晶低變位剩余區(qū)Y——存在于單晶低變位伴隨區(qū)Z的外部、具有同一晶體取向的區(qū)域；(2)把所述單晶氮化鎵基板當(dāng)作種子晶體而在其上厚厚地進行氮化鎵長晶，據(jù)此，在種子晶體的封閉缺陷集合區(qū)H之上形成凹凸面構(gòu)成的坑，于此形成封閉缺陷集合區(qū)H，又在單晶低變位伴隨區(qū)Z和單晶低變位剩余區(qū)Y之上形成凹凸面構(gòu)成的坑的斜面及水平凹凸面，生長單晶低變位伴隨區(qū)Z或單晶低變位剩余區(qū)Y。
全文摘要
一種單晶氮化鎵基板的生長方法，在襯底基板上有規(guī)律地設(shè)種子圖案，在其長形成凹凸面構(gòu)成的坑并加以維持，同時讓GaN凹凸生長而接著坑底部形成封閉缺陷集合區(qū)H，將變位集結(jié)于此，實現(xiàn)封閉缺陷集合區(qū)H周圍的單晶低變位伴隨區(qū)Z與單晶低變位剩余區(qū)Y的低變位化。由于封閉缺陷集合區(qū)H是封閉的，所以變位被封閉不會再釋放。
文檔編號H01S5/323GK1405903SQ02142450
公開日2003年3月26日 申請日期2002年9月19日 優(yōu)先權(quán)日2001年9月19日
發(fā)明者元木健作, 岡久拓司, 中畑成二, 弘田龍, 上松康二 申請人:住友電氣工業(yè)株式會社