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      Ⅲ族氮化物晶體、其制造方法以及Ⅲ族氮化物晶體襯底及半導(dǎo)體器件的制作方法

      文檔序號:8029585閱讀:372來源:國知局
      專利名稱:Ⅲ族氮化物晶體、其制造方法以及Ⅲ族氮化物晶體襯底及半導(dǎo)體器件的制作方法
      技術(shù)領(lǐng)域
      本發(fā)明涉及一種具有低位錯密度的III族氮化物晶體及其制造方法,以及涉及一種III族氮化物晶體襯底和半導(dǎo)體器件。
      背景技術(shù)
      通常,在制造諸如GaN晶體或AlN晶體的III族氮化物晶體的方法中,生長與III族氮化物襯底相同類型的III族氮化物晶體,或不同類型,藍寶石襯底、SiC襯底等等被用作籽晶晶體,以及在垂直于表面的方向上,從該籽晶晶體的最寬表面(以下稱為主表面)生長III族氮化物晶體。因此,在垂直于該主表面的方向上,占主導(dǎo)的位錯從籽晶晶體傳播作為貫通位錯。
      當通過上述制造方法制造的III族氮化物晶體被用作制造半導(dǎo)體器件如光學(xué)器件或電子器件的襯底時,III族氮化物晶體的主表面中存在的貫通位錯使光學(xué)器件的壽命減短,以及增加電子器件的漏電流、降低半導(dǎo)體器件的性能。
      為了減小III族氮化物晶體的主表面中的位錯,(例如,在日本專利號3139445(專利文獻1)和Isamu AKASAKI ed.,Group III-NitrideSemiconductor,first edition,Kabushiki Kaisha Baifukan.1999年12月第122-124頁(非專利文獻1)),提出了諸如ELO(外延橫向過生長)的方法,其中在籽晶晶體的主表面上的多個部分局部地橫向生長晶體。
      但是,如上所述的ELO方法,需要形成掩模、光刻和刻蝕的步驟,導(dǎo)致高成本。此外,這是在籽晶晶體的主表面上局部地聚集位錯,以減小另一部分的位錯數(shù)目的方法,因此,減小位錯的效果并不總是足夠的。
      專利文獻1專利號3139445非專利文獻1Isamu AKASAKI ed.,Group III-NitrideSemiconductor,first edition,Kabushiki Kaisha Baifukan,December1999,pp.122-124發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明解決的問題本發(fā)明的目的是通過從籽晶晶體減小占主導(dǎo)的位錯,提供一種具有低位錯密度的III族氮化物晶體、制造該III族氮化物晶體的方法、III族氮化物晶體襯底以及由該III族氮化物晶體獲得的半導(dǎo)體器件。
      解決問題的方法根據(jù)一個方面,本發(fā)明提供一種制造III族氮化物晶體的方法,包括以下步驟制備籽晶晶體,以及通過液相方法,在該籽晶晶體上生長第一III族氮化物晶體;其中在該籽晶晶體上生長第一III族氮化物晶體的步驟中,平行于籽晶晶體的主表面方向上的晶體生長速度高于垂直于籽晶晶體的主表面的方向上的晶體生長速度。
      本發(fā)明的制造III族氮化物晶體的方法,還包括以下步驟在第一III族氮化物晶體上生長第二III族氮化物晶體;其中在第一III族氮化物晶體上生長第二III族氮化物晶體的步驟中,平行于籽晶晶體的主表面的方向上的晶體生長速度低于垂直于籽晶晶體的主表面的方向上的晶體生長速度。此外,可以通過液相方法或氣相方法執(zhí)行在第一III族氮化物晶體上生長第二III族氮化物晶體的步驟。
      此外,在本發(fā)明的III族氮化物晶體的制造方法中,籽晶晶體可以是III族氮化物籽晶晶體或在底襯底上形成的III族氮化物籽晶晶體。此外,該III族氮化物籽晶的主表面可以是{0001}面。
      根據(jù)另一方面,本發(fā)明提供一種通過制造III族氮化物晶體的上述方法制造的III族氮化物晶體,其中平行于籽晶晶體主表面的表面的位錯密度最多5×106/cm2。
      根據(jù)再一方面,本發(fā)明提供一種由如上所述的III族氮化物晶體獲得的III族氮化物晶體襯底,其中主表面的位錯密度最多5×106/cm2。
      根據(jù)再一方面,本發(fā)明提供一種在如上所述的III族氮化物晶體襯底的主表面上,具有至少一個III族氮化物半導(dǎo)體層的半導(dǎo)體器件。
      發(fā)明的效果如上所述,根據(jù)本發(fā)明,可以減小由籽晶晶體占主導(dǎo)的位錯,因此,可以提供一種具有低位錯密度的III族氮化物晶體及其制造方法以及由該III族氮化物晶體獲得的III族氮化物晶體襯底和半導(dǎo)體器件。


      圖1示出了在籽晶晶體上生長第一III族氮化物晶體的步驟的示意性剖面圖。
      圖2示出了在該第一III族氮化物晶體上生長第二III族氮化物晶體的步驟的示意性剖面圖。
      圖3示出了在底襯底上形成的III族氮化物籽晶晶體上生長第一III族氮化物晶體的步驟的示意性剖面圖。
      圖4包括示意性剖面圖,表示根據(jù)本發(fā)明制造III族氮化物晶體的方法的實施例,其中(a)示出了其中在籽晶晶體上生長第一III族氮化物晶體的狀態(tài),(b)示出了其中完成第一III族氮化物晶體的生長和開始第二III族氮化物晶體的生長的狀態(tài),以及(c)示出了其中在第一III族氮化物晶體上生長第二III族氮化物晶體的狀態(tài)。
      圖5包括示意性剖面圖,表示根據(jù)本發(fā)明制造III族氮化物晶體的方法的另一實施例,其中(a)示出了其中在籽晶晶體上生長第一III族氮化物晶體的狀態(tài),(b)示出了其中完成第一III族氮化物晶體的生長和開始第二III族氮化物晶體的生長的狀態(tài),以及(c)示出了其中在第一III族-氮化物晶體上生長第二III族-氮化物晶體的狀態(tài)。
      圖6包括示意性剖面圖,表示由III族氮化物晶體制造III族氮化物晶體襯底的步驟,其中(a)示出了由籽晶晶體和第一III族氮化物晶體構(gòu)成的襯底,(b)示出了由第一III族氮化物晶體構(gòu)成的襯底,(c)示出了由第一和第二III族氮化物晶體構(gòu)成的襯底,以及(d)和(e)示出了由第二III族氮化物晶體構(gòu)成的襯底.
      圖7是表示根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體器件的示意性剖面圖。
      參考符號的描述1反應(yīng)容器,8支撐基體,9底層,10籽晶晶體,10h主表面,20III族氮化物晶體,21第一III族氮化物晶體,22第二III族氮化物晶體,30熔化,40氮原材料氣體,70GaN晶體襯底,71n型GaN層,72多量子阱結(jié)構(gòu),73p型Al0.20Ga0.80N層,74p型GaN層,75p-側(cè)電極,76n-側(cè)電極,80發(fā)射。
      具體實施例方式
      (實施例1)參考圖1,根據(jù)本發(fā)明制造III族氮化物晶體的方法包括以下步驟制備籽晶晶體10,以及通過液相方法,在籽晶晶體10上生長第一III族氮化物晶體21,以及在籽晶晶體10上生長第一III族氮化物晶體21的步驟的特點在于,在平行于籽晶晶體10的主表面10h的方向上的晶體生長速度VH大于垂直于籽晶晶體10的主表面10h的方向上的晶體生長速度VV。
      在生長第一III族氮化物晶體21的步驟中,因為VH>VV,籽晶晶體10的表面上的大多數(shù)位錯D在平行于籽晶晶體的主表面的方向上傳播,以及在垂直于籽晶晶體10的主表面10h的方向上幾乎不傳播。因此,在生長第一III族氮化物晶體21中,從籽晶晶體10的主表面10h的位錯密度顯著地減小平行于籽晶晶體10的主表面10h的表面的位錯密度。
      從抑制在籽晶晶體和將在其上生長的III族氮化物晶體之間界面的位錯產(chǎn)生的觀點,優(yōu)選,III族氮化物晶體被優(yōu)選作為籽晶晶體,以及,與將生長的III族氮化物晶體相同類型的III族氮化物晶體是更優(yōu)選的,盡管不是限制。例如,作為用于生長GaN晶體的籽晶晶體,優(yōu)選諸如GaN籽晶晶體或AlN籽晶晶體的III族氮化物晶體,特別優(yōu)選GaN籽晶晶體。
      盡管沒有限制,作為液相方法,優(yōu)選使用熔化方法或高氮(N2)壓溶方法,以便容易生長具有低位錯密度的第一III族氮化物晶體。
      這里,在熔化(flux)方法中,在約600至約1400℃的溫度下,以及在約0.1MPa至約10MPa的壓力下,用溶入包含III族元素和助熔劑(flux)的熔料(melt),生長III族氮化物晶體。堿金屬元素或過渡金屬元素被用作助熔劑。例如,當III族元素是Ga時,優(yōu)選使用作為堿金屬元素的Na,以及當III族元素是Al時,優(yōu)選使用Fe、Mn或Cr作為過渡金屬元素。在高氮壓溶方法中,在約1500℃的高溫下,在約1GPa至約2GPa的高N2壓力下,利用溶入III族元素(例如,Ga熔料)的熔料生長III族氮化物晶體(例如,GaN晶體)。
      (實施例2)參考圖1和2,根據(jù)本發(fā)明的制造III族氮化物晶體的另一方法包括以下步驟制備籽晶晶體10,通過液相方法,在籽晶晶體10上生長第一III族氮化物晶體21,以及在第一III族氮化物晶體21上生長第二III族氮化物晶體22。這里,如圖1所示,在籽晶晶體10上生長第一III族氮化物晶體21的步驟的特點在于,在平行于籽晶晶體10的主表面10h的方向上的晶體生長速度VH大于垂直于籽晶晶體10的主表面10h的方向上的晶體生長速度VV。此外,如圖2所示,在第一III族氮化物晶體21上生長第二III族氮化物晶體22的步驟的特點在于,在平行于籽晶晶體10的主表面10h的方向上的晶體生長速度VH小于垂直于籽晶晶體10的主表面10h的方向上的晶體生長速度VV。
      如圖1所示,在生長第一III族氮化物晶體21的步驟中,因為VH>VV,籽晶晶體10的表面上的大多數(shù)位錯D在平行于籽晶晶體的主表面的方向上傳播,以及在垂直于籽晶晶體10的主表面10h的方向上幾乎不傳播。因此,在生長第一III族氮化物晶體21中,從籽晶晶體10的主表面10h的位錯密度顯著地減小平行于籽晶晶體10的主表面10h的表面的位錯密度。
      接下來,如圖2所示,在第一III族氮化物晶體21上生長第二III族氮化物晶體22的步驟中,因為VH<VV,第一III族氮化物晶體的表面上的大多數(shù)位錯在垂直于籽晶晶體10的主表面10h的方向上傳播,以及在平行于籽晶晶體10的主表面10h的方向上幾乎不傳播。此外,與籽晶晶體的表面的位錯密度相比較,在第一III族氮化物晶體21中,平行于籽晶晶體10的主表面10h的表面的位錯密度被顯著地減小。因此,當生長第二III族氮化物晶體時,僅僅少量位錯在垂直于籽晶晶體10的主表面10a的方向上傳播。因此,在第二III族氮化物晶體21中,平行于籽晶晶體10的主表面10h的表面的位錯密度顯著地低于籽晶晶體的表面的位錯密度。
      這里,第一和第二III族氮化物晶體沒有被特別限制。但是,從抑制位錯產(chǎn)生的觀點,優(yōu)選相同類型的III族氮化物晶體。當?shù)谝籌II族氮化物晶體和第二III族氮化物晶體是相同類型的晶體時,第一和第二III族氮化物晶體可以被處理作為一個III族氮化物晶體,相互沒有區(qū)別。
      在本實施例中,執(zhí)行在第一III族氮化物晶體上生長第二III族氮化物的步驟的方法沒有被特別限制。但是,從生長具有低位錯密度的晶體的觀點,優(yōu)選使用液相方法或氣相方法。
      盡管沒有限制,但是作為液相方法,優(yōu)選使用熔化方法或高氮(N2)壓溶方法,以便容易生長具有由第一III族氮化物晶體的位錯密度占主導(dǎo)的低位錯密度的第二III氮化物晶體。
      作為氣相方法,盡管沒有限制,但是優(yōu)選使用HVPE(氫化物汽相處延)、MOCVD(金屬有機化學(xué)氣相淀積)或MPE(分子束外延)方法,以便容易生長具有由第一III族氮化物晶體的低位錯密度占主導(dǎo)的低位錯密度的第二III族氮化物晶體。為了加快晶體生長,更優(yōu)選HVPE方法。
      在HVPE方法中,III族元素的鹵化物和含氮材料如氨氣(NH3)以氣相反應(yīng),以生長III族氮化物晶體。當生長GaN晶體時,例如,在NH3氣體和通過金屬Ga和氯化氫(HCl)的反應(yīng)產(chǎn)生的GaCl氣體之間引起反應(yīng)。通過HVPE方法,晶體生長速度可以被增加高達約100μm/hr,因此,可以容易地獲得厚的III族氮化物晶體。
      (實施例3)參考圖3,根據(jù)本發(fā)明制造III族氮化物晶體的另一方法包括以下步驟,制備籽晶晶體30,在底襯底9上形成的III族氮化物晶體,通過液相方法,在籽晶晶體10上生長第一III族氮化物晶體21,以及在籽晶晶體10上生長第一III族-氮化物晶體21的步驟的特點在于,在平行于籽晶晶體10的主表面10h的方向上的晶體生長速度VH大于垂直于籽晶晶體10的主表面10h的方向上的晶體生長速度VV。
      本實施例的特點在于,如圖3所示,在底襯底9上形成的III族氮化物晶體被用作籽晶晶體。本實施例的III族氮化物籽晶晶體在底襯底9上形成薄膜,以及垂直于籽晶晶體的主表面的表面面積是非常小的。因此,在垂直于籽晶晶體的主表面的表面上僅僅有少量位錯。由此,盡管在VH>VV的條件下,生長第一III族氮化物時,垂直于籽晶晶體的主表面的表面的位錯在平行于籽晶晶體的主表面的方向上傳播,但是這種位錯本身的數(shù)目是小的,由此,傳播的位錯數(shù)目是非常小的。在VH>VV的生長條件下,在垂直于籽晶晶體的主表面的方向上籽晶晶體的位錯幾乎不傳播。因此,通過使用底襯底上形成的薄III族氮化物籽晶晶體,可以進一步減小生長的III族氮化物晶體的位錯密度。
      盡管沒有限制,作為底襯底,但是,從僅僅從底襯底上形成的部分III族氮化物籽晶晶體在平行于籽晶晶體的主表面的方向上生長晶體的觀點,優(yōu)選使用藍寶石襯底、SiC襯底。此外,III族氮化物籽晶晶體的厚度應(yīng)該優(yōu)選最多100μm,以及更優(yōu)選,最多10μm,以便減小位錯密度。這里,III族氮化物籽晶晶體沒有被特別限制。但是,從抑制位錯產(chǎn)生的觀點,優(yōu)選與將生長的III族氮化物晶體相同類型的晶體。在底襯底上形成III族氮化物籽晶晶體的方法沒有特別限制。但是,從容易生長具有低位錯密度的薄III族氮化物籽晶晶體的觀點,優(yōu)選MOCVD方法、MBE方法或HVPE方法。
      (實施例4)根據(jù)本發(fā)明制造III族氮化物晶體的另一方法包括以下步驟制備在底襯底上形成的III族氮化物籽晶晶體作為籽晶晶體,通過液相方法在該籽晶晶體上生長第一III族氮化物晶體,以及在第一III族氮化物晶體上生長第二III族氮化物晶體。這里,如圖3所示,在作為籽晶晶體10的III族氮化物籽晶晶體上生長第一III族氮化物晶體21的步驟的特點在于,在平行于籽晶晶體10的主表面10h的方向上的晶體生長速度VH大于垂直于籽晶晶體10的主表面10h的方向上的晶體生長速度VV。盡管未示出,在第一III族氮化物晶體上生長第二III族氮化物晶體的步驟的特點在于,在平行于籽晶晶體的主表面的方向上的晶體生長速度小于垂直于籽晶晶體的主表面1的方向上的晶體生長速度VV。
      在本實施例中,在實施例2的籽晶晶體上生長第一III族氮化物晶體的步驟被修改為實施例3的步驟,以及由實施例2和3的描述可以明白,在第二III族氮化物晶體中,平行于籽晶晶體主表面的表面的位錯密度可以被進一步減小。
      在如上所述的實施例1至4中,從容易使用III族氮化物晶體作為籽晶晶體,獲得大的III族氮化物晶體的觀點,籽晶晶體的主表面優(yōu)選是{0001}面。這里,{0001}面泛指對稱的等效面,以及包括(0001)面和(000-1)面。
      (實施例5)通過根據(jù)如上所述的實施例1至4的任意制造方法制造本發(fā)明的III族氮化物晶體,以及III族氮化物晶體具有平行于籽晶晶體的主表面的位錯密度為最多5×106/cm2,優(yōu)選1×106/cm2。通過如上所述的制造方法,可以獲得在平行于籽晶晶體的主表面的平面中具有低位錯密度的III族氮化物晶體。這里,可以使用TEM(透射電子顯微鏡)測量晶體的位錯密度。
      (實施例6)本發(fā)明的III族氮化物晶體襯底是具有最多5×106/cm2的主表面位錯密度的III族氮化物晶體襯底,優(yōu)選由如上所述的III族氮化物晶體獲得的1×106/cm2。具體地,如圖6所示,例如,在作為籽晶晶體10的III族氮化物籽晶晶體上,生長相同類型的III族氮化物晶體20(包括第一III族氮化物晶體21和第二III族氮化物晶體22),此后,平行于籽晶晶體10的主表面10h切割I(lǐng)II族氮化物晶體20以及該表面被拋光,由此獲得本發(fā)明的III族氮化物晶體襯底。這里,為了切割該晶體,可以使用內(nèi)周邊邊緣、外周邊邊緣或激光。為了拋光該晶體表面,可以使用諸如機械拋光、化學(xué)機械拋光(CMP)以及刻蝕的各種拋光方法。
      在圖6中,圖6(b)的襯底由第一III族氮化物晶體形成,圖6(c)的襯底由第一和第二III族氮化物晶體形成,以及圖6(d)和(e)的襯底由第二III族氮化物晶體形成,以及可以使用任意襯底作為用于半導(dǎo)體器件的襯底。
      (實施例7)本發(fā)明的半導(dǎo)體器件是具有在如上所述的III族氮化物晶體襯底的主表面上形成的至少一層III族氮化物晶體半導(dǎo)體層的半導(dǎo)體器件。參考圖7,作為本發(fā)明的半導(dǎo)體器件的例子,通過MOCVD方法,在作為III族氮化物晶體襯底的GaN晶體襯底70的主表面上,形成n型GaN層71作為III族氮化物晶體層,連續(xù)地形成具有一對或多對層疊的In0.15Ga0.85N層和GaN層、p型Al0.20Ga0.80N層73和p型GaN層74的多量子阱結(jié)構(gòu)72,在GaN襯底的下側(cè)上形成n-側(cè)電極76以及在p型GaN層74的上側(cè)面上形成p-側(cè)電極75,由此提供LED(發(fā)光二極管)發(fā)光80。根據(jù)本發(fā)明的LED采用具有低位錯密度的主表面的III族氮化物晶體襯底,因此,它獲得高發(fā)射強度。
      實驗(實驗1)參考圖4的圖4(a),首先,通過熔化方法,使用GaN籽晶晶體(位錯密度5×107/cm2,尺寸3mm直徑×400μm厚度)作為籽晶晶體10,生長第一GaN晶體作為第一III族氮化物晶體,以便在平行于(0001)面(直徑為3mm的盤形表面)的方向上的晶體生長速度VH大于垂直于籽晶晶體10的主表面10h的方向上的晶體生長速度VV,該(0001)面作為籽晶晶體10的主表面10h。
      具體地,在作為反應(yīng)容器1的具有17mm內(nèi)徑×50mm高度的氧化鋁坩堝中,放置如上所述的GaN籽晶晶體,以便其主表面10h,亦即,(0001)面,平行于氧化鋁坩堝的底表面朝上。此后,4g的金屬Ga和3.52g的金屬Na(Na助熔劑)被裝入氧化鋁坩堝中并加熱,以便在GaN籽晶晶體周圍形成Ga-Na熔料作為熔料30。此后,晶體(包括GaN籽晶晶體和將生長的GaN晶體)和熔料30之間的界面溫度被設(shè)為850℃,N2氣體被引入氧化鋁坩堝作為氮原材料氣體40。N2氣壓被設(shè)為3.039MPa(30atm),以及第一GaN晶體被生長200hr(小時,在下面相同)。至于第一GaN晶體的晶體生長速度,VH是35μm/hr,以及VV是8μm/hr。通過TEM測量因此獲得的具有17mm直徑×1600μm高度的第一GaN晶體的(0001)面(對應(yīng)于平行于(0001)面的面,(0001)面作為GaN籽晶晶體的主表面)的位錯密度是3×105/cm2,以及從籽晶晶體的位錯密度顯著地減小。
      在本實驗中,通過調(diào)整氧化鋁坩堝的尺寸控制晶體生長的方向。具體地,當垂直于GaN籽晶晶體的主表面,以VH>VV的速率生長的GaN晶體的表面與如圖4(b)所示的氧化鋁坩堝接觸時,在平行于GaN籽晶晶體的主表面的方向上不能生長GaN晶體。
      在如上所述的狀態(tài)中,當進一步生長GaN晶體時,該晶體僅僅在垂直于GaN籽晶晶體的主表面的方向上生長,如圖4(c)所示。即,該晶體生長作為第二GaN晶體(VH<VV),亦即,本發(fā)明的第二III族氮化物晶體。至于第二GaN晶體的晶體生長速度,VH是0μm/hr和VV是10μm/hr。晶體生長持續(xù)150hr,以獲得具有17mm直徑×1500μm厚度的第二GaN晶體。以此方式,獲得具有由集成為一體的第一和第二GaN晶體構(gòu)成的17mm直徑×3100μm厚度的GaN晶體。在第二GaN晶體的生長之后,通過TEM測量GaN晶體的(0001)面的位錯密度,該位錯密度被進一步減小至1×105/cm2。
      此外,第一和第二GaN晶體21和22被切割作為III族氮化物晶體襯底,如圖6所示,以便使GaN晶體的主表面平行于籽晶晶體10的主表面10h,以及該表面被拋光,以獲得10mm×10mm×400μm厚度的GaN晶體襯底。
      此后,參考圖7,通過MOCVD方法,在作為GaN晶體襯底70的主表面的(0001)面上,連續(xù)地形成具有2μm厚度的n型GaN層71,具有三對層疊的3nm的In0.15Ga0.85N層和15nm的GaN層的多量子阱結(jié)構(gòu)72,具有20nm厚度的p型Al0.20Ga0.80N層73,以及具有100nm厚度的p型GaN層74。在GaN襯底的下表面上的中心部分,形成直徑為50μm的n-側(cè)電極76,以及在p型GaN層74的上表面上形成p-側(cè)電極75,由此獲得LED。這里,n型摻雜劑是Si和p型摻雜劑是Mg。在GaN晶體襯底僅僅由第一GaN晶體形成的情況下,引起20mA的電流在LED的兩個電極之間流動時的相對發(fā)射強度是1.8,在GaN晶體襯底僅僅由第二GaN晶體形成的情況下,相對發(fā)射強度是2.5,從之后將描述的比較例1的LED的1.0的發(fā)射強度提高。通過分光光度計測量LED裝置的發(fā)射強度。該結(jié)果如表1所示。
      (實驗2)參考圖5的圖5(a),以類似于實驗1的方法生長GaN晶體(包括第一和第二GaN晶體),除了通過熔化方法,使用通過MOCVD方法,在作為底襯底9的藍寶石襯底上形成的GaN籽晶晶體(位錯密度1×109/em2,尺寸3mm直徑×3μm厚度)作為籽晶晶體10,僅僅在GaN籽晶晶體上生長GaN晶體之外,該藍寶石襯底具有3mm直徑和400μm厚度。為了在晶體生長的時侯支撐薄的第一GaN晶體,在反應(yīng)容器1中提供具有與底襯底9相同厚度的支撐基體8。在第一GaN晶體的生長之后,獲得的GaN晶體的(0001)面的位錯密度是2×105/cm2,以及在第二GaN晶體的生長之后,是1×105/cm2,從GaN籽晶晶體的位錯密度(1×109/cm2)更加減少。
      用類似于實驗1的方法,由GaN晶體形成GaN晶體襯底和LED。在GaN晶體襯底僅僅由第一GaN晶體形成的情況下,引起20mA的電流在LED的兩個電極之間流動時的相對發(fā)射強度是2.0,在GaN晶體襯底僅僅由第二GaN晶體形成的情況下,相對發(fā)射強度是2.5,從之后將描述的比較例1的LED的1.0的發(fā)射強度提高。該結(jié)果如表1所示。
      (實驗3)參考圖4,以類似于實驗1的方法形成GaN晶體襯底和LED,除了使用AlN籽晶晶體(位錯密度1×109/cm2,尺寸3mm直徑×400μm厚度)作為籽晶晶體10之外。在第一GaN晶體的生長之后,獲得的GaN晶體的(0001)面的位錯密度是5×105/cm2,以及在第二GaN晶體的生長之后是3×105/cm2,以及從AlN籽晶晶體的位錯密度(1×109/cm2)更加減小。此外,在GaN晶體襯底僅僅由第一GaN晶體形成的情況下,引起20mA的電流在LED的兩個電極之間流動時的相對發(fā)射強度是1.5,在GaN晶體襯底僅僅由第二GaN晶體形成的情況下,相對發(fā)射強度是1.8,從之后將描述的比較例1的LED的1.0的發(fā)射強度提高。該結(jié)果如表1所示。
      (實驗4)參考圖4的(a)和(b),用類似于實驗1的方法,通過熔化方法在GaN籽晶晶體上生長第一GaN晶體,此后,第一GaN晶體被取出,并通過HVPE方法,在第一GaN晶體上生長第二GaN晶體。具體地,GaCl氣體(Ga原材料氣體)、NH3氣體(氮原材料氣體)以及H2氣體(載體氣體)被引入第一GaN晶體(具有GaCl∶NH3∶H2=120∶1000∶7000的摩爾比),以8120sccm的總氣體流速(1sccm表示標準狀態(tài)中的氣體(1013hPa,0℃)的每一分鐘1cm3的氣體流速),在1030℃,30hr,101kPa下,由此生長具有17mm直徑×3000μm厚度的第二GaN晶體。至于第二GaN晶體的晶體生長速度,VH是0μm/hr和VV是100μm/hr。以此方式,獲得具有第一和第二GaN晶體集成為一體的GaN晶體。由該GaN晶體,以類似于實驗1的方法形成GaN晶體襯底和LED。
      在第一GaN晶體的生長之后,獲得的GaN晶體的(0001)面的位錯密度是3×105/cm2,以及在第二GaN晶體的生長之后是1×105/cm2,從GaN籽晶晶體的位錯密度(5×107/cm2)更加減小。此外,在GaN晶體襯底僅僅由第一GaN晶體形成的情況下,引起20mA的電流在LED的兩個電極之間流動時的相對發(fā)射強度是1.7,在GaN晶體襯底僅僅由第二GaN晶體形成的情況下,相對發(fā)射強度是2.5,從之后將描述的比較例1的LED的1.0的發(fā)射強度提高。該結(jié)果如表1所示。
      (實驗5)以類似于實驗4的方法生長GaN晶體(包括第一和第二GaN晶體),除了使用通過MOCVD方法,在作為底襯底的藍寶石襯底上形成的GaN籽晶晶體(位錯密度1×109/cm2,尺寸3mm直徑×3μm厚度)作為籽晶晶體,通過熔化方法,在GaN籽晶晶體上生長GaN晶體之外,該藍寶石襯底具有3mm直徑和400μm厚度。在第一GaN晶體的生長之后,獲得的GaN晶體的(0001)面的位錯密度是2×105/cm2,以及在第二GaN晶體的生長之后是1×105/cm2,從籽晶晶體的位錯密度(1×109/cm2)更加減小。
      以類似于實驗4的方式,GaN晶體襯底和LED由GaN晶體形成。此外,在GaN晶體襯底僅僅由第一GaN晶體形成的情況下,引起20mA的電流在LED的兩個電極之間流動時的相對發(fā)射強度是2.1,在GaN晶體襯底僅僅由第二GaN晶體形成的情況下,相對發(fā)射強度是2.5,從之后將描述的比較例1的LED的1.0的發(fā)射強度提高。該結(jié)果如表1所示。
      (實驗6)用類似于實驗4的方法形成GaN晶體、GaN晶體襯底和LED,除了使用AlN籽晶晶體(位錯密度1×109/cm2,尺寸3mm直徑×400μm厚度)作為籽晶晶體之外。在第一GaN晶體的生長之后獲得的GaN晶體的(0001)面的位錯密度是5×105/cm2,以及在第二GaN晶體的生長之后,是3×105/cm2,以及更加減小AlN籽晶晶體的位錯密度(1×109/cm2)。此外,在GaN晶體襯底僅僅由第一GaN晶體形成的情況下,引起20mA的電流在LED的兩個電極之間流動時的相對發(fā)射強度是1.5,在GaN晶體襯底僅僅由第二GaN晶體形成的情況下,相對發(fā)射強度是1.8,從之后將描述的比較例1的LED的1.0的發(fā)射強度提高。該結(jié)果如表1所示。
      (比較例1)
      使用GaN籽晶晶體(位錯密度5×107/cm2,尺寸17mm直徑×400μm厚度)作為籽晶晶體,在垂直于(0001)面的方向上生長作為III族氮化物晶體的GaN晶體,亦即,籽晶晶體10的主表面10h(具有17mm直徑的盤形表面)。
      具體地,GaCl氣體(Ga原材料氣體)、NH3氣體(氮原材料氣體)和H2氣體(載體氣體)被引入(具有GaCl∶NH3∶H2=120∶1000∶7000的摩爾比)GaN籽晶晶體,在8120sccm的總氣體流速下(1sccm表示標準狀態(tài)的氣體(1013hPa,0℃)的每一分鐘1cm3的氣體流速),在1030℃,30hr,101kPa下,由此生長具有17mm直徑×3000μm厚度的GaN晶體。至于GaN晶體的晶體生長速度。VH是0μm/hr和VV是100μm/hr。獲得的GaN晶體的(0001)面的位錯密度是3×107/cm2。
      此外,用類似于實驗1的方法,由GaN晶體形成GaN晶體襯底和LED。引起在LED的電極之間流動的20mA的電流時的發(fā)射強度被認為是1.0,以及計算上面的實驗1至6的相對發(fā)射強度。
      表1

      在表1中,如由實驗1至6和比較例1之間的比較可以明白,在通過熔化方法在III族氮化物籽晶晶體(GaN籽晶晶體或AlN籽晶晶體)上生長第一III族氮化物晶體(第一GaN晶體)的步驟中,通過將在平行于III族氮化物籽晶晶體的主表面(例如,(0001)面)的方向上的晶體生長速度VH設(shè)為高于垂直于籽晶晶體的主表面的方向上的晶體生長速度VV,可以獲得在III族氮化物籽晶晶體的主表面,具有較低位錯密度的III族-氮化物晶體。
      特別,如實驗2和5所示,當使用其垂直于主表面的表面具有小面積的籽晶晶體如在底層上形成的III族氮化物籽晶晶體,生長上述第一GaN晶體時,可以獲得在III族氮化物籽晶晶體的主表面上具有非常低位錯密度的III族-氮化物晶體。
      結(jié)果,使用由如上所述的III族氮化物晶體獲得的III族氮化物晶體襯底的LED如半導(dǎo)體器件具有比使用常規(guī)III族氮化物晶體襯底的LED更高的發(fā)射強度。
      這里描述的實施例和實驗僅僅是例子以及不應(yīng)該被解釋為限制。本發(fā)明的范圍由每個權(quán)利要求決定,適當考慮實施例的撰寫描述以及包含權(quán)利要求中的含義和語言等效內(nèi)的改進。
      工業(yè)實用性如上所述,本發(fā)明可被廣泛地應(yīng)用于具有低位錯密度的III族氮化物晶體和其制造方法。此外,根據(jù)本發(fā)明獲得的III族氮化物晶體可被廣泛地應(yīng)用于半導(dǎo)體器件的III族氮化物晶體襯底。
      權(quán)利要求
      1.一種III族氮化物晶體的制造方法,包括以下步驟制備籽晶晶體(10),以及通過液相方法在所述籽晶晶體(10)上生長第一III族氮化物晶體(21);其中在所述籽晶晶體(10)上生長第一III族氮化物晶體(21)的所述步驟中,在平行于所述籽晶晶體(10)的主表面(10h)的方向上的晶體生長速度高于垂直于所述籽晶晶體(10)的主表面(10h)的方向上的晶體生長速度。
      2.根據(jù)權(quán)利要求1的III族氮化物晶體的制造方法,其中所述籽晶晶體(10)是III族-氮化物籽晶晶體。
      3.根據(jù)權(quán)利要求2的III族氮化物晶體的制造方法,其中所述III族氮化物籽晶晶體的主表面是{0001}面。
      4.根據(jù)權(quán)利要求1的III族氮化物晶體的制造方法,其中所述籽晶晶體(10)是在底襯底上形成的III族氮化物籽晶晶體。
      5.根據(jù)權(quán)利要求4的制造III族氮化物晶體的方法,其中所述III族氮化物籽晶晶體的主表面是{0001}面。
      6.根據(jù)權(quán)利要求1的III族氮化物晶體的制造方法,還包括在所述第一III族氮化物晶體(21)上生長第二III族氮化物晶體(22)的步驟;其中在所述第一III族氮化物晶體(21)上生長第二III族氮化物晶體(22)的所述步驟中,平行于所述籽晶晶體(21)的主表面的方向上的晶體生長速度低于垂直于所述籽晶晶體的主表面的方向上的晶體生長速度。
      7.根據(jù)權(quán)利要求6的III族氮化物晶體的制造方法,其中所述籽晶晶體(10)是III族氮化物籽晶晶體。
      8.根據(jù)權(quán)利要求7的III族氮化物晶體的制造方法,其中所述III族氮化物籽晶晶體的主表面是{0001}面。
      9.根據(jù)權(quán)利要求6的III族氮化物晶體的制造方法,其中所述籽晶晶體(10)是在底襯底上形成的III族氮化物籽晶晶體。
      10.根據(jù)權(quán)利要求9的III族氮化物晶體的制造方法,其中所述III族氮化物籽晶晶體的主表面是{0001}面。
      11.根據(jù)權(quán)利要求6的III族氮化物晶體的制造方法,其中通過液相方法,執(zhí)行在所述第一III族氮化物晶體(21)上生長第二III族氮化物晶體(22)的所述步驟。
      12.根據(jù)權(quán)利要求6的III族氮化物晶體的制造方法,其中通過氣相方法,執(zhí)行在所述第一III族氮化物晶體(21)上生長第二III族氮化物晶體(22)的所述步驟。
      13.一種通過一方法制造的III族氮化物晶體,該方法包括制備籽晶晶體(10),以及通過液相方法,在所述籽晶晶體(10)上生長第一III族氮化物晶體(21)的步驟,其中在所述籽晶晶體(10)上生長第一III族氮化物晶體(21)的所述步驟中,平行于所述籽晶晶體(10)的主表面(10h)的方向上的晶體生長速度高于垂直于所述籽晶晶體(10)的主表面(10h)的方向上的晶體生長速度;其中平行于籽晶晶體(10)的主表面(10h)的表面的位錯密度最多為5×106/cm2。
      14.一種由根據(jù)權(quán)利要求13的III族氮化物晶體(20)獲得的III族氮化物晶體襯底,其主表面的位錯密度最多為5×106/cm2。
      15.一種在根據(jù)權(quán)利要求14的III族氮化物晶體襯底的主表面上具有至少一層III族氮化物半導(dǎo)體層的半導(dǎo)體器件。
      16.一種通過一方法制造的III族氮化物晶體,該方法包括制備籽晶晶體(10),通過液相方法在所述籽晶晶體(10)上生長第一III族氮化物晶體(21),以及在所述第一III族氮化物晶體(21)上生長第二III族氮化物晶體(22)的步驟;其中在所述籽晶晶體(10)上生長第一III族氮化物晶體(21)的所述步驟中,平行于所述籽晶晶體(10)的主表面(10h)的方向上的晶體生長速度高于垂直于所述籽晶晶體(10)的主表面(10h)的方向上的晶體生長速度;在所述第一III族氮化物晶體(21)上生長第二III族氮化物晶體(22)的所述步驟中,平行于所述籽晶晶體(21)的主表面的方向上的晶體生長速度低于垂直于所述籽晶晶體的主表面的方向上的晶體生長速度;以及其中平行于籽晶晶體(10)的主表面(10h)的表面的位錯密度最多是5×106/cm2。
      17.一種由根據(jù)權(quán)利要求16的III族氮化物晶體(20)獲得的III族氮化物晶體襯底,其主表面的位錯密度最多是5×106/cm2。
      18.一種在根據(jù)權(quán)利要求17的III族氮化物晶體襯底的主表面上具有至少一層III族氮化物半導(dǎo)體層的半導(dǎo)體器件。
      全文摘要
      一種制造III族氮化物晶體的方法包括以下步驟制備籽晶晶體(10),通過液相方法在該籽晶晶體(10)上生長第一III族氮化物晶體(21);其中在籽晶晶體(10)上生長第一III族氮化物晶體(21)的步驟中,平行于籽晶晶體(10)的主表面(10h)的方向上的晶體生長速度V
      文檔編號C30B9/10GK1965112SQ20058001888
      公開日2007年5月16日 申請日期2005年4月15日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月9日
      發(fā)明者佐佐木孝友, 森勇介, 吉村政志, 川村史朗, 中畑成二, 弘田龍 申請人:住友電氣工業(yè)株式會社, 森勇介
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