專利名稱：GaN單晶基底、氮化物類半導(dǎo)體外延生長基底、氮化物類半導(dǎo)體器件及其生產(chǎn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及GaN單晶基底、氮化物類半導(dǎo)體外延生長基底(epitaxialsubstrate)、氮化物類半導(dǎo)體器件及其用在發(fā)光器件等中的方法。
因此，通常使用其晶格常數(shù)與GaN的晶格常數(shù)相同但化學(xué)性能穩(wěn)定的藍(lán)寶石基底。通常用OMVPE作為在該藍(lán)寶石基底上外延生長GaN基底的方法。在OMVPE中，在氫氣氣氛中將基底溫度保持在約1050℃的同時(shí)將藍(lán)寶石基底清潔后，在約450-600℃的基底溫度下生長GaN或AlN的緩沖層，然后在至少1000℃的高溫下生長GaN層。
但是，使用藍(lán)寶石基底在下述方面存在問題首先，藍(lán)寶石基底的晶格常數(shù)接近但不等于GaN層的晶格常數(shù)，因此在藍(lán)寶石基底和GaN層的界面處會(huì)導(dǎo)入由于晶格錯(cuò)配所造成的多種缺陷如位錯(cuò)。這些缺陷在生長方向上延伸，以致于看起來象是外延生長層表面上的貫穿缺陷，這將極大地破壞發(fā)光器件如激光二極管的性能和壽命。另外，因?yàn)樗{(lán)寶石基底和GaN層的熱膨脹系數(shù)有很大的差別，所以外延生長基底有很大的翹曲。另外，因?yàn)樗{(lán)寶石基底沒有解理(cleavage)性能，所以用解理平面作為反射表面生產(chǎn)激光二極管非常困難。
鑒于這些情況，人們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了適用于形成氮化物類化合物半導(dǎo)體層的單晶GaN基底(國際公開專利申請(qǐng)WO99/23693)。在該方法中，在GaAs基底上形成條狀或環(huán)形掩模，在處于氣相中的基底上生長GaN層，然后從中除去GaAs基底，從而得到GaN基底。另外，該方法可以通過下述方式大規(guī)模生產(chǎn)GaN基底在GaN基底上再生長GaN層以制備鑄塊(ingot)，然后從鑄塊中切除GaN基底。即，這種新方法能夠大規(guī)模生產(chǎn)GaN單晶基底。
為了解決上述問題，本發(fā)明的目的是提供具有平整表面的GaN單晶基底、氮化物類半導(dǎo)體外延生長基底、氮化物類半導(dǎo)體器件及其生產(chǎn)方法。
本發(fā)明提供GaN單晶基底，其具有通過在至少含氨氣的混合氣氛中在基底溫度至少是1020℃的條件下熱處理至少10分鐘后平整的拋光表面。
在該GaN單晶基底中，在氨氣氣氛中在基底溫度至少是1020℃的條件下將預(yù)定的熱處理工藝進(jìn)行至少10分鐘，將因?yàn)閽伖舛纬捎写罅课⑿∪毕莸幕妆砻嬷械脑又嘏?，從而平整基底表面。因此可以使形成于基底上的外延生長層的表面平整。
另外，因?yàn)檫M(jìn)行了熱處理，所以表面的均方根粗糙度是0.2nm或更小。當(dāng)基底表面的均方根粗糙度是0.2nm或更小時(shí)，對(duì)于形成具有良好質(zhì)量的外延生長層來說，這樣的基底具有足夠高的平整度。
本發(fā)明提供包括上述GaN單晶基底和在GaN單晶基底上外延生長的氮化物類化合物半導(dǎo)體層的氮化物類半導(dǎo)體外延生長基底。
在氮化物類半導(dǎo)體外延生長基底中，在氨氣氣氛中在基底溫度至少是1020℃的條件下將預(yù)定的熱處理工藝進(jìn)行至少10分鐘的GaN單晶基底上形成氮化物類化合物半導(dǎo)體層。即，在對(duì)于形成外延生長層來說足夠平整的基底上外延生長氮化物類化合物半導(dǎo)體層，從而得到具有平整表面和良好結(jié)晶度的氮化物類化合物半導(dǎo)體層。另外，疊加在氮化物類化合物半導(dǎo)體層上的半導(dǎo)體層的表面平整且具有良好的結(jié)晶度，因此，使用該氮化物類化合物外延生長基底的發(fā)光器件和半導(dǎo)體器件如晶體管可以得到更高的性能和產(chǎn)率。
氮化物類化合物半導(dǎo)體層優(yōu)選包括AlxGayIn1-x-yN(0≤x≤1，0≤y≤1，x+y≤1)。
氮化物類化合物半導(dǎo)體層優(yōu)選包括GaN。在這種情況下，該半導(dǎo)體層與基底沒有錯(cuò)配，從而能夠抑制基底和外延生長層界面中發(fā)生的缺陷。
在GaN單晶基底上外延生長的氮化物類化合物半導(dǎo)體層優(yōu)選具有均方根粗糙度為0.2nm或更小的表面。在這種情況下可以得到具有平整表面和良好結(jié)晶度的氮化物類化合物半導(dǎo)體層。另外，當(dāng)在氮化物類化合物半導(dǎo)體層上外延生長所需的半導(dǎo)體時(shí)，可以在層狀結(jié)構(gòu)具有良好陡度和結(jié)晶度的條件下進(jìn)行外延生長。這樣可以形成具有平整表面的半導(dǎo)體層。
氮化物類化合物半導(dǎo)體層優(yōu)選具有100秒或更小的X射線衍射半峰寬度。X射線衍射半峰寬度表示外延生長層的晶軸波動(dòng)(鑲嵌性能(mosaicproperty)，如果半峰寬度是100秒或更小，則可以得到具有平整表面和良好結(jié)晶度的氮化物類化合物半導(dǎo)體層。疊加在外延生長層上的半導(dǎo)體層也具有良好的結(jié)晶度。
氮化物類化合物半導(dǎo)體層優(yōu)選具有1×106cm-2或更低的攻絲位錯(cuò)密度(threading disclocation density)。即，攻絲位錯(cuò)密度為1×106cm-2或更低的氮化物類化合物半導(dǎo)體層能夠抑制疊加在該氮化物類化合物半導(dǎo)體層(外延生長層)上的半導(dǎo)體層內(nèi)的攻絲位錯(cuò)密度。
本發(fā)明提供氮化物類半導(dǎo)體器件，其中，包括AlxGa1-xN(0＜x＜1)的n型包覆層疊加在上述具有n型電導(dǎo)率的GaN單晶基底上，活性層疊加在包覆層上，包括AlxGa1-xN(0＜x＜1)的p型包覆層疊加在活性層上，p型GaN層疊加在p型包覆層上。
在該氮化物類半導(dǎo)體器件中，包覆層和活性層疊加在具有平整表面的GaN單晶基底上，這得到良好的結(jié)晶度，從而可以得到具有高發(fā)光效率和長壽命的激光二極管器件。
本發(fā)明提供包括上述GaN單晶基底和疊加在其上的用AlxGayIn1-x-yN(0≤x≤1，0≤y≤1，x+y≤1)表示的多個(gè)氮化物類半導(dǎo)體層的氮化物類半導(dǎo)體器件。
在該氮化物類半導(dǎo)體器件中，例如，在具有平整表面和由該平整表面產(chǎn)生的良好結(jié)晶度的GaN單晶基底上連續(xù)形成由用AlGaInN表示的氮化物類半導(dǎo)體層制成的集電極、基極和發(fā)射極層，從而可以得到具有高電流放大倍數(shù)的晶體管。
本發(fā)明的GaN單晶基底優(yōu)選具有均方根粗糙度為0.2nm的表面。
當(dāng)基底表面的均方根粗糙度是0.2nm或更小時(shí)，對(duì)于形成具有良好質(zhì)量的外延生長層來說，這樣的基底具有足夠高的平整度。
本發(fā)明提供一種生產(chǎn)GaN單晶基底的方法，其包括下述步驟在至少含氨氣的混合氣氛中在基底溫度至少是1020℃的條件下將具有拋光表面的GaN單晶熱處理至少10分鐘，使GaN單晶基底表面的均方根粗糙度是0.2nm或更小。
在這種生產(chǎn)GaN單晶基底的方法中，在氨氣氣氛中在基底溫度至少是1020℃的條件下將GaN單晶基底在預(yù)定的熱處理工藝中進(jìn)行至少10分鐘，將因?yàn)閽伖舛纬捎写罅课⑿∪毕莸幕妆砻嬷械脑又嘏?，從而平整基底表面。因此可以使形成于基底上的外延生長層的表面平整。當(dāng)與該平整的外延生長層表面種類不同的單晶層在其上生長以形成異質(zhì)結(jié)時(shí)，結(jié)點(diǎn)的界面是平整的，因此，由該結(jié)點(diǎn)形成的器件具有比沒有平整結(jié)點(diǎn)界面的器件更高的性能。
混合氣體優(yōu)選含有氫氣。在這種情況下，當(dāng)由于氨氣的分解而使氫氣短缺時(shí)，補(bǔ)充短缺的氫氣。
本發(fā)明提供一種生產(chǎn)氮化物類半導(dǎo)體外延生長基底的方法，其包括下述步驟在不氧化GaN單晶基底表面的條件下在用上述生產(chǎn)GaN單晶基底的方法得到的GaN單晶基底上外延生長氮化物類化合物半導(dǎo)體層。
在這種生產(chǎn)氮化物類半導(dǎo)體外延生長基底的方法中，不氧化具有平整表面的GaN單晶基底，所以對(duì)于在基底上形成外延生長層來說沒有必要進(jìn)行再加工如熱處理。這可以簡化生產(chǎn)外延生長基底的工藝。
氮化物類化合物半導(dǎo)體層優(yōu)選是n型。當(dāng)外延生長層是n型時(shí)，用該n型基底可以生產(chǎn)其中n型半導(dǎo)體、活性層和p型半導(dǎo)體以這種順序連續(xù)疊加的發(fā)光器件、npn型雙極晶體管器件等。
氮化物類化合物半導(dǎo)體層優(yōu)選是p型。當(dāng)外延生長層是p型時(shí)，用該p型基底可以生產(chǎn)其中p型半導(dǎo)體、活性層和n型半導(dǎo)體以這種順序連續(xù)疊加的發(fā)光器件、pnp型雙極晶體管器件等。
優(yōu)選用OMVPE(有機(jī)金屬氣相外延生長法)、HVPE(氫化物氣相外延生長法)和MBE(分子束外延生長法)中的任何一種方法進(jìn)行外延生長。這樣可以在基底上形成良好的外延生長層。
優(yōu)選地是，GaN單晶基底的熱處理和外延生長都是在用于進(jìn)行外延生長的設(shè)備中進(jìn)行。這樣可以在保持基底表面清潔的同時(shí)生長具有良好結(jié)晶度的外延生長層。
本發(fā)明提供一種生產(chǎn)氮化物類半導(dǎo)體器件的方法，其包括下述步驟在用上述生產(chǎn)GaN單晶基底的方法得到的具有n型電導(dǎo)率的GaN單晶基底上疊加包括AlxGa1-xN(0＜x＜1)的n型包覆層，在包覆層上疊加活性層，在活性層上疊加包括AlxGa1-xN(0＜x＜1)的p型包覆層，在p型包覆層上疊加p型GaN層。
在這種生產(chǎn)氮化物類半導(dǎo)體器件的方法中，包覆層和活性層疊加在具有平整表面和由此產(chǎn)生的良好結(jié)晶度的GaN單晶基底上，從而可以得到具有高發(fā)光效率和長壽命的激光二極管器件。
本發(fā)明提供一種生產(chǎn)氮化物類半導(dǎo)體器件的方法，其包括下述步驟形成多個(gè)用AlxGayIn1-x-yN(0≤x≤1，0≤y≤1，x+y≤1)表示的并且疊加在用上述生產(chǎn)GaN單晶基底的方法得到的GaN單晶基底上的氮化物類半導(dǎo)體層。
在這種生產(chǎn)氮化物類半導(dǎo)體器件的方法中，例如，在具有平整表面和由此產(chǎn)生的良好結(jié)晶度的GaN單晶基底上連續(xù)形成由用AlGaInN表示的氮化物類半導(dǎo)體層制成的集電極、基極和發(fā)射極層，從而可以改善異質(zhì)結(jié)界面的平整度，結(jié)果可以得到具有高電流放大倍數(shù)的晶體管。


圖1是根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案的氮化物類半導(dǎo)體外延生長基底的剖面圖。這種氮化物類半導(dǎo)體外延生長基底10包括GaN單晶基底11和用OMVPE、HVPE、MBE等方法在其上外延生長的氮化物類化合物半導(dǎo)體層12。這種氮化物類半導(dǎo)體外延生長基底10是發(fā)光器件如發(fā)光二極管或激光二極管的中間產(chǎn)品，在其上形成合適的pn結(jié)，優(yōu)選是雙倍異質(zhì)結(jié)，更優(yōu)選是量子井結(jié)構(gòu)，然后連接用于供應(yīng)電流的電極，從而制成發(fā)光器件。
用于氮化物類化合物半導(dǎo)體層12的材料選自用AlxGayIn1-x-yN(0≤x≤1，0≤y≤1，x+y≤1)表示的二元至四元化合物半導(dǎo)體。其中最優(yōu)選GaN，因?yàn)樗軌蛞种苹?1和氮化物類化合物半導(dǎo)體層12界面中發(fā)生的缺陷，因?yàn)樗軌蛟贕aN單晶基底11上直接均相外延生長，并且二者之間沒有錯(cuò)配。
現(xiàn)在說明GaN單晶基底和氮化物類半導(dǎo)體外延生長基底10的生產(chǎn)方法(A)首先制備GaN單晶基底11，用拋光劑將制得的GaN單晶基底11進(jìn)行表面拋光，然后用凈水等進(jìn)行液體洗滌(單晶基底制備步驟)。
(B)然后將GaN單晶基底11置于含氨氣的預(yù)定混合氣體G1的氣氛中，并且在基底溫度T1下加熱時(shí)間t1(表面熱處理步驟)。
(C)然后在基底溫度T2的過熱狀態(tài)下將氮化物類化合物半導(dǎo)體層12的原料G2提供到表面上，使氮化物類化合物半導(dǎo)體層12在GaN單晶基底11上外延生長(外延生長步驟)。
現(xiàn)在對(duì)其詳細(xì)說明。
用拋光劑將生產(chǎn)的GaN單晶基底11進(jìn)行表面拋光，然后用凈水等進(jìn)行液體洗滌。對(duì)于液體洗滌來說，不僅可以使用凈水，而且可以使用有機(jī)溶劑、酸或堿溶液。通過機(jī)械拋光加工和改性層面時(shí)，在生產(chǎn)的GaN單晶基底11的表面上存在有損傷，但是這些損傷可以通過適當(dāng)?shù)谋砻婀に嚦?。此時(shí)，GaN單晶基底11的表面是平整的，以致于可以得到鏡面狀態(tài)。但是，當(dāng)在顯微鏡下觀察時(shí)，在基底11的表面上可以看到由于機(jī)械拋光所形成的微小損傷。作為一個(gè)一般的例子，圖2示出在原子力顯微鏡下觀察到的拋光的GaN單晶基底11的表面圖像。如圖所示，在基底11上可以看到由于拋光所造成的許多微小缺陷。該表面的均方根粗糙度(Rms)約為1.0nm。
結(jié)果，當(dāng)?shù)镱惢衔锇雽?dǎo)體層12直接在具有如此粗糙度的基底11上外延生長時(shí)，在具有高度差的區(qū)域如損傷內(nèi)將產(chǎn)生大量無規(guī)晶核，這些晶體可能三維生長，從而難以得到具有平整表面的氮化物類化合物半導(dǎo)體層12。
現(xiàn)在說明表面熱處理步驟。
在基底11的表面上，熱處理使表面粗糙度減小的機(jī)理可作如下推斷。即，如圖3A所示，當(dāng)氨氣供應(yīng)到基底11上時(shí)，氨氣首先分解成氮?dú)夂蜌錃?。如此形成的氫氣和GaN反應(yīng)，從而生成Ga原子。這些反應(yīng)可以用下式(1)和(2)表示
(1)(2)然后，Ga原子在高溫下在基底11的表面上移動(dòng)，然后集中在凹窩處，以降低表面能。然后如圖3B所示，Ga原子和氨氣反應(yīng)，生成GaN。這種原子重排填充基底11表面中的凹窩，從而得到平整表面(見圖3C)。該反應(yīng)可以用下式(3)表示(3)圖4示出用上述熱處理平整后的GaN單晶基底的一般表面觀察圖像。圖4所示的基底11是在混合氣體G1的氣氛中在基底溫度(T1)為1020℃、時(shí)間(t1)為10分鐘的條件下熱處理后的基底。該基底表面的Rms約為0.19nm，從而可以觀察到對(duì)應(yīng)于一個(gè)原子層的階梯結(jié)構(gòu)。即，這樣的熱處理能夠使GaN單晶基底11表面的Rms是0.2nm或更小。
在上述步驟中，重要的是使GaN在存在有氫氣的條件下分解，以如式(2)所示形成Ga原子。但是，式(1)的反應(yīng)速度很慢，即使在1000℃下也只有百分之幾的氨氣分解成氫氣和氮?dú)狻＿@種氫氣量不足以進(jìn)行上述表面熱處理步驟，因此優(yōu)選在混合氣體G1中加入氫氣。所以優(yōu)選在包括氨氣和氫氣的混合氣體的氣氛中進(jìn)行表面熱處理步驟。
在表面熱處理步驟中，熱處理溫度影響上述每一個(gè)反應(yīng)的反應(yīng)速度、Ga原子的移動(dòng)長度、Ga原子的解吸附速度等。即，基底溫度T1越高，Ga原子的移動(dòng)長度越長，Ga原子越有可能到達(dá)拋光損傷部分(凹窩)。相反，當(dāng)基底溫度T1很低時(shí)，Ga原子在到達(dá)拋光損傷部分之前與氨氣反應(yīng)，生成GaN，這樣將生成晶核，從而不能平整表面。假定表面以此機(jī)理被平整，本發(fā)明的發(fā)明人認(rèn)真研究了適用溫度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)基底溫度T1優(yōu)選是1020℃或更高。因此，在表面熱處理步驟中，基底溫度T1優(yōu)選至少是1020℃。
平整基底11表面需要的時(shí)間是由于Ga原子的移動(dòng)和GaN的生成而足以填充拋光損傷部分的時(shí)間。本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)盡管取決于基底11的拋光狀態(tài)，但是對(duì)于通過一般的機(jī)械拋光法修整的表面粗糙度約為1.0nm的基底11來說，熱處理至少10分鐘可以平整其表面。即，熱處理時(shí)間優(yōu)選至少是10分鐘。
現(xiàn)在說明外延生長步驟。
用上述熱處理步驟平整其表面的GaN單晶基底11適用于在其上直接外延生長和GaN同類的材料，即，用AlxGayIn1-x-yN(0≤x≤1，0≤y≤1，x+y≤1)表示的二元至四元化合物半導(dǎo)體。這是因?yàn)橄率鍪聦?shí)如圖4所示，對(duì)應(yīng)于一個(gè)原子層的階梯有序地排列在基底11的表面上，因此，晶格常數(shù)與其接近的氮化物類化合物半導(dǎo)體層12易于以階梯流動(dòng)方式生長。
還優(yōu)選在熱處理后和外延生長前使GaN單晶基底11與大氣隔離。這是因?yàn)橄率鍪聦?shí)當(dāng)暴露在大氣中時(shí)，基底11的表面氧化或吸收有機(jī)物及其它雜質(zhì)，從而對(duì)后續(xù)的外延生長造成負(fù)影響。在這種情況下，為了凈化基底11的表面，必須在外延生長前再次進(jìn)行表面處理，這將增加工藝步驟的數(shù)目。這表示在熱處理的GaN單晶基底11上外延生長氮化物類化合物半導(dǎo)體層12可以生產(chǎn)高質(zhì)量的外延生長基底10。氮化物類化合物半導(dǎo)體層12特別優(yōu)選是GaN，因?yàn)槠渚Ц癯?shù)與GaN單晶基底11的晶格常數(shù)一致，因此在界面中不會(huì)發(fā)生位錯(cuò)，所以不用害怕破壞氮化物類化合物半導(dǎo)體層12的結(jié)晶度。
如上所述，制備以Rms為0.2nm或更小的非常平整的表面作為高質(zhì)量外延生長層12的指標(biāo)的外延生長基底11有利于其后續(xù)器件結(jié)構(gòu)生長中保持表面平整度，并且能夠有效改善發(fā)光器件如發(fā)光二極管和激光二極管如雙極晶體管和場(chǎng)效應(yīng)晶體管的產(chǎn)率。
上述表面熱處理步驟還可以降低外延生長層12的晶軸波動(dòng)。更具體地說，氮化物類化合物半導(dǎo)體層12的X射線衍射半峰寬度是100秒或更小。即，外延生長基底12的表面變得平整，從而可以得到具有良好結(jié)晶度的外延生長基底。
上述表面熱處理步驟還可以將外延生長層12的攻絲位錯(cuò)密度抑制到1×106cm-2或更低。這能夠抑制疊加在外延生長層12上的半導(dǎo)體層的攻絲位錯(cuò)密度。
同樣，在減少表面上晶體缺陷的同時(shí)還可以改善外延生長層12的結(jié)晶度，從而使疊加在外延生長層12上的半導(dǎo)體層的結(jié)晶度變得良好，并且可以抑制半導(dǎo)體層內(nèi)發(fā)生晶體缺陷。因此，利用由外延生長層12形成的外延生長基底10可以有效改善發(fā)光器件如發(fā)光二極管和激光二極管、電子器件如雙極晶體管和場(chǎng)效應(yīng)晶體管等的性能、可靠性和產(chǎn)率。
可以控制形成于外延生長基底10上的外延生長層(未示出)的電導(dǎo)率，使其適應(yīng)各種導(dǎo)電器件的結(jié)構(gòu)。例如，可以用下述方法制備發(fā)光器件如LED和LD制備外延生長基底10，其中，在n型單晶基底11上生長n型GaN層12，然后在其上生長包括n型包覆層、活性層、p型包覆層和p型接觸層的基本結(jié)構(gòu)。其后，在制備激光二極管的情況下，為了完成這樣的器件，自然還會(huì)進(jìn)行諸如形成電極、連接電流端子、形成反射反面等步驟。
例如，n型GaN基底11和n型GaN層12的結(jié)合適用于npn型雙極晶體管器件，而半絕緣GaN基底優(yōu)選用于場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
在OMVPE設(shè)備中在各種條件下熱處理GaN基底11。另外，在同一個(gè)設(shè)備中外延生長GaN層12。如圖5所示，使用的OMVPE設(shè)備20包括豎直建造的生長爐(反應(yīng)室)22，這是為了以與基底11表面垂直的方向噴射材料氣體。生長爐22主要由下述部件構(gòu)成用于供應(yīng)材料氣體和載氣的材料供給管21a-21e、用于排出生長后的剩余氣體的廢氣管23o、用于置放多個(gè)基底11的樣品臺(tái)32和從下面加熱樣品臺(tái)32的加熱器33。在生長爐22的上部設(shè)置水冷夾套34，以防止材料氣體在到達(dá)基底11之前被加熱到相互反應(yīng)的溫度。
在在生長爐22的下面設(shè)置用于旋轉(zhuǎn)樣品臺(tái)32的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)40。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)40包括馬達(dá)41和旋轉(zhuǎn)軸43，馬達(dá)41的轉(zhuǎn)動(dòng)通過皮帶42傳送到旋轉(zhuǎn)軸43。旋轉(zhuǎn)軸43利用磁流體封閉44導(dǎo)入生長爐22，使其上端與樣品臺(tái)32的底面連接。磁流體封閉44設(shè)置在旋轉(zhuǎn)軸43的周圍，密封旋轉(zhuǎn)軸43穿過的生長爐22的通孔。可以使用SiC涂層炭的樣品臺(tái)32被如約1000rpm高速旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)40所驅(qū)動(dòng)。
在熱處理時(shí)，氨氣是11slm，而氫氣或氮?dú)馐?slm。生長GaN時(shí)的條件為基底溫度是1000℃，氨氣是11slm，氫氣是5slm，三甲基鎵是180-400μmol/min，壓力約為27kPa(即，200托)。作為一個(gè)對(duì)比實(shí)施例，同時(shí)生長用藍(lán)寶石作為基底并且預(yù)先生長有GaN層的GaN/藍(lán)寶石基底。
表1示出熱處理后在原子力顯微鏡下基底11表面的觀察結(jié)果，而表2示出原子力顯微鏡的評(píng)價(jià)結(jié)果及已生長有2μm的GaN層12的樣品的X射線衍射結(jié)果。X射線衍射通過各自表示c軸波動(dòng)的(0002)反射和表示c和a軸波動(dòng)的(10-11)反射的ω掃描半峰寬度值評(píng)價(jià)。
表1

表2

表1示出在基底溫度低于1020℃的條件下進(jìn)行熱處理不能改善平整度和表面粗糙度，而在氨氣和氫氣的混合氣氛中在基底溫度為1020℃或更高溫度下熱處理至少10分鐘時(shí)可以生產(chǎn)平整的、良好的、具有低粗糙度的GaN單晶基底。另一方面，表2示出在藍(lán)寶石上的對(duì)比實(shí)施例中，表面粗糙度和X射線衍射值都很大，但是當(dāng)使用GaN基底時(shí)有很大改善。特別是在氨氣和氫氣的混合氣氛中在基底溫度為1020℃或更高溫度下熱處理10分鐘可以大幅改善外延生長層的表面粗糙度和晶軸波動(dòng)。
在本發(fā)明中，不僅在NH3+N2的氣氛中的熱處理，而且在NH3+H2的氣氛中熱處理少于10分鐘或基底溫度低于1020℃時(shí)都不可取，因?yàn)楸砻娲植诙?Rms)大于0.2nm或X射線衍射半峰寬度大于100秒。盡管表2沒有測(cè)量熱處理后的表面粗糙度(Rms)，但是使外延生長層的表面粗糙度和晶軸波動(dòng)的條件與使熱處理后的表面粗糙度為0.2nm或更小的條件一致。即，為了得到良好的外延生長層，必須使用表面粗糙度為0.2nm或更小的GaN單晶基底。
在原子力顯微鏡下實(shí)際觀察，從坑狀缺陷測(cè)定攻絲位錯(cuò)密度時(shí)，在藍(lán)寶石基底上生長的外延生長層中的攻絲位錯(cuò)密度約為108-109cm-2，而在GaN基底11上生長的許多樣品中，外延生長層12中的攻絲位錯(cuò)密度是106cm-2或更小，因此是優(yōu)選的。
本發(fā)明可以降低GaN單晶的表面粗糙度，因此能夠提供適用于外延生長的GaN單晶基底。當(dāng)在本發(fā)明的GaN單晶基底上外延生長氮化物類化合物半導(dǎo)體層時(shí)，可以形成具有良好性能的氮化物類化合物半導(dǎo)體器件。
權(quán)利要求
1.一種GaN單晶基底，其具有通過在至少含氨氣的混合氣氛中在基底溫度至少是1020℃的條件下熱處理至少10分鐘后平整的拋光表面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的GaN單晶基底，其中，所說的表面在經(jīng)過所說的熱處理后的均方根粗糙度是0.2nm或更小。
3.一種氮化物類半導(dǎo)體外延生長基底，其包括根據(jù)權(quán)利要求1所述的GaN單晶基底和在所說的GaN單晶基底上外延生長的氮化物類化合物半導(dǎo)體層。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的氮化物類半導(dǎo)體外延生長基底，其中，所說的氮化物類化合物半導(dǎo)體層包括AlxGayIn1-x-yN(0≤x≤1，0≤y≤1，x+y≤1)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的氮化物類半導(dǎo)體外延生長基底，其中，所說的氮化物類化合物半導(dǎo)體層包括GaN。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的氮化物類半導(dǎo)體外延生長基底，其中，所說的在所說的GaN單晶基底上外延生長的氮化物類化合物半導(dǎo)體層具有均方根粗糙度為0.2nm或更小的表面。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的氮化物類半導(dǎo)體外延生長基底，其中，所說的氮化物類化合物半導(dǎo)體層具有100秒或更小的X射線衍射半峰寬度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的氮化物類半導(dǎo)體外延生長基底，其中，所說的氮化物類化合物半導(dǎo)體層具有1×106cm-2或更低的攻絲位錯(cuò)密度。
9.一種氮化物類半導(dǎo)體器件，其包括根據(jù)權(quán)利要求1所述的GaN單晶基底，所說的基底具有n型電導(dǎo)率；包括AlxGa1-xN(0＜x＜1)的n型包覆層疊加在所說的基底上；活性層疊加在所說的包覆層上；包括AlxGa1-xN(0＜x＜1)的p型包覆層疊加在所說的活性層上；和，p型GaN層疊加在所說的p型包覆層上。
10.一種氮化物類化合物半導(dǎo)體器件，其包括根據(jù)權(quán)利要求1所述的GaN單晶基底和疊加在所說的基底上的用AlxGayIn1-x-yN(0≤x≤1，0≤y≤1，x+y≤1)表示的多個(gè)氮化物類半導(dǎo)體層。
11.一種GaN單晶基底，其具有均方根粗糙度為0.2nm或更小的表面。
12.一種生產(chǎn)GaN單晶基底的方法，其包括下述步驟在至少含氨氣的混合氣氛中在基底溫度至少是1020℃的條件下將具有拋光表面的GaN單晶熱處理至少10分鐘，使所說的GaN單晶基底的所述表面的均方根粗糙度是0.2nm或更小。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的生產(chǎn)GaN單晶基底的方法，其中，所說的混合氣體含有氫氣。
14.一種生產(chǎn)氮化物類半導(dǎo)體外延生長基底的方法，其包括下述步驟在不氧化所說的GaN單晶基底的所述表面的條件下在用根據(jù)權(quán)利要求12所述的生產(chǎn)GaN單晶基底的方法得到的所說的GaN單晶基底上外延生長氮化物類化合物半導(dǎo)體層。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的生產(chǎn)氮化物類半導(dǎo)體外延生長基底的方法，其中，所說的氮化物類化合物半導(dǎo)體層是n型。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的生產(chǎn)氮化物類半導(dǎo)體外延生長基底的方法，其中，所說的氮化物類化合物半導(dǎo)體層是p型。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的生產(chǎn)氮化物類半導(dǎo)體外延生長基底的方法，其中，所說的外延生長利用OMVPE、HVPE和MBE中的一種方法。
18.根據(jù)權(quán)利要求14所述的生產(chǎn)氮化物類半導(dǎo)體外延生長基底的方法，其中，所說的GaN單晶基底的所述熱處理和所說的外延生長都是在用于進(jìn)行所說的外延生長的設(shè)備中進(jìn)行。
19.一種生產(chǎn)氮化物類半導(dǎo)體器件的方法，其包括下述步驟在用根據(jù)權(quán)利要求12所述的生產(chǎn)GaN單晶基底的方法得到的GaN單晶基底上疊加包括AlxGa1-xN(0＜x＜1)的n型包覆層，所說的基底具有n型電導(dǎo)率；在所說的包覆層上疊加活性層；在所說的活性層上疊加包括AlxGa1-xN(0＜x＜1)的p型包覆層；和，在所說的p型包覆層上疊加p型GaN層。
20.一種生產(chǎn)氮化物類半導(dǎo)體器件的方法，其包括下述步驟形成多個(gè)用AlxGayIn1-x-yN(0≤x≤1，0≤y≤1，x+y≤1)表示的并且疊加在用根據(jù)權(quán)利要求12所述的生產(chǎn)GaN單晶基底的方法得到的GaN單晶基底上的氮化物類半導(dǎo)體層。
全文摘要
本發(fā)明的GaN單晶基底11具有通過在至少含氨氣的混合氣氛中在基底溫度至少是1020℃的條件下熱處理至少10分鐘后平整的拋光表面。結(jié)果是將因?yàn)閽伖舛纬捎写罅课⑿∪毕莸幕?1表面中的原子重排，從而平整基底11表面。因此可以使形成于基底11上的外延生長層12的表面平整。
文檔編號(hào)H01S5/323GK1462060SQ0312516
公開日2003年12月17日 申請(qǐng)日期2003年5月13日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月13日
發(fā)明者上野昌記, 高須賀英良, 蔡樹仁, 陳鵬 申請(qǐng)人:住友電氣工業(yè)株式會(huì)社, 材料研究與工程研究院