專利名稱：氮化鎵晶體襯底的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
氮化鎵基藍(lán)紫激光器用于下一代的大容量光盤。為了將藍(lán)紫激光器投入實際應(yīng) 用，需要高質(zhì)量的氮化鎵襯底。本發(fā)明涉及一種氮化鎵晶體襯底。
背景技術(shù)：
希望使用具有405nm波長的氮化鎵(GaN)基半導(dǎo)體激光器，來作為在高密度光盤 上記錄數(shù)據(jù)/再現(xiàn)來自高密度光盤的數(shù)據(jù)時使用的藍(lán)紫激光器。通過在藍(lán)寶石(A1203)襯 底上形成GaNUnGaN等的薄膜來制造藍(lán)紫發(fā)光二極管(LED)。由于藍(lán)寶石和氮化鎵晶格常 數(shù)顯著不同，所以會出現(xiàn)高密度的位錯缺陷。在低電流密度的LED中，缺陷不會增加，LED具 有長的工作壽命，并且具有與氮化鎵不同的化學(xué)成分的異質(zhì)襯底的藍(lán)寶石襯底足以用作地 襯底(ground substrate)。然而，已發(fā)現(xiàn)藍(lán)寶石不適合于高注入電流密度的半導(dǎo)體激光器 (激光二極管；LD)。由于高的電流密度，所以增加了缺陷并引起了快速惡化。與LED不同， 采用藍(lán)寶石襯底的藍(lán)紫激光器沒有投入實際使用。沒有晶格常數(shù)足夠接近氮化鎵的材料。近來，已發(fā)現(xiàn)其上形成氮化鎵薄膜的襯底 本身必須是氮化鎵。為了實現(xiàn)藍(lán)紫半導(dǎo)體激光器，非常需要低位錯密度和高質(zhì)量的氮化鎵 襯底。然而，很難生長氮化鎵晶體。氮化鎵(GaN)加熱時不熔融，因此不能使用從液相到 固相的晶體生長方法。試圖通過以氣體為材料的汽相生長方法來生長氮化鎵晶體。為了生 長具有實際水平尺寸的大直徑高質(zhì)量的氮化鎵襯底的晶體，已進(jìn)行了各種研究。本發(fā)明的發(fā)明人已研究并提議了一種將掩模應(yīng)用到異質(zhì)地襯底上以較厚地生長 氮化鎵晶體，且其后移除異質(zhì)地襯底以由此獲得厚的氮化鎵獨立式(free-standing)晶體 的方案。W099/23693提出了一種發(fā)明，其由本發(fā)明的同一發(fā)明人完成，并且其涉及一種方 法，其中在GaAs地襯底上，形成了具有條型(平行直線)開口或圓形開口的掩模，在上面較 厚地生長了氮化鎵晶體，并且移除GaAs地襯底以獲得氮化鎵單一的獨立式晶體(襯底)。 該掩模是其中覆蓋部分大且孔(暴露部分)小的覆蓋部分主要掩模。晶核僅形成在每個開 口中。當(dāng)厚度增加時，晶體爬升(climb)在覆蓋部分上，其橫向延伸并且位錯也橫向延伸。 從相鄰的開口橫向延伸的晶體碰撞并且向上轉(zhuǎn)動它們的生長方向。這顯著地減少了位錯。 在該狀態(tài)下，保持平面(C-面)向上，生長晶體。該方法稱為ELO(外延橫向過生長)法，晶體在掩模上方橫向生長以由此減少位 錯。在以該方式形成的氮化鎵(GaN)獨立式膜中，位錯顯著減少。還提出了一種方法，其中 利用GaN晶體作為新襯底，通過汽相沉積進(jìn)一步生長GaN晶體成厚的GaN晶錠，垂直于生長 方向切割該晶錠以制造多個GaN襯底(晶片)。氮化鎵晶體的汽相沉積生長包括MOCVD(金屬有機(jī)化學(xué)汽相沉積)法、MOC (金屬有機(jī)氯化物)法、HVPE (氫化物汽相外延)法、升華法 等。根據(jù)本發(fā)明人的W099/23693的發(fā)明，在這些方法中，HVPE法獲得了最快的晶體生長速率，因此是非常有利的。
然而，通過上述方法制造的氮化鎵晶體具有很高密度的位錯，并因此質(zhì)量低。如果 它的襯底，也就是氮化鎵襯底，本身不是高質(zhì)量的，則不能制造出優(yōu)良的器件。尤其是，用于 大規(guī)模生產(chǎn)的襯底需要是優(yōu)質(zhì)的，在大面積上具有低密度的位錯。作為減少襯底本身的位 錯密度以獲得高質(zhì)量的氮化鎵襯底的方法，本發(fā)明人提出了以下方案，其公開在日本專利 特開 No. 2001-102307 中。在位錯減少方法中，當(dāng)較厚地生長GaN晶體時，出現(xiàn)的位錯缺陷聚集在特定的位 置，從而減少了其它區(qū)域中的位錯缺陷。形成三維刻面(facet)結(jié)構(gòu)，例如由刻面平面(facet plane)組成的倒六棱錐坑 (孔)。晶體生長，同時該刻面形狀保持不變并且坑未被掩埋。圖1(a)和(b)示出了其中 形成了倒六棱錐坑5的一部分晶體4。晶體4的頂面并不是平得完美，且在數(shù)個位置處設(shè)有 坑5。平的頂面7是C面?？?可以是倒六棱錐，或者它可以是倒十二棱錐。坑5彼此相鄰 使得刻面6它們之間形成120°的角。相鄰的刻面6、6在晶脊8處結(jié)合。晶脊8聚合的坑 底部9是刻面尖端聚集的部分。晶體生長發(fā)生在平面的法線的方向上(指的是垂直于平面的射線，在下文中也適 用)。平均生長方向是向上的。在頂面(C面)7上，晶體生長發(fā)生在向上的方向上(c軸方 向)。在刻面6處，在對角方向上發(fā)生晶體生長。將刻面6相對于C面的角定義為Θ。未 被掩埋的刻面指的是在頂面(C面)7上的生長率u和在刻面處的生長率ν不同，并提供了 各向異性，例如ν = ucos θ。位錯D與晶體的生長方向平行地延伸。已經(jīng)在刻面6上的位錯D隨著晶體生長的 進(jìn)行而移動到晶脊8。由于ν < u且在刻面處的生長率比C面處慢，所以到達(dá)晶脊8的位錯 D固定到晶脊8，然后沿著晶脊8相對下降以聚合在坑底部9。如圖1(b)所示，從晶脊8連 續(xù)地形成平面位錯聚集部分10。已經(jīng)沿著晶脊8下降的位錯D從坑底部9連續(xù)地形成線性 位錯聚集束11。隨著已經(jīng)在刻面6上的位錯聚集在平面位錯聚集部分10或線性位錯聚集 束11處時，位錯D逐漸從刻面6消除。由此，在刻面部分處獲得了低密度的位錯。C面7處 的位錯D也被引向刻面6。如果以高密度提供坑5，位錯D被清掃在坑底部9或晶脊8下， 由此減少了其它區(qū)域中的位錯。通過保持坑5不被掩埋直至生長結(jié)束，位錯減少效果一直 繼續(xù)。圖2是示出這種由刻面生長的位錯減少效果的坑平面圖。當(dāng)保持刻面6時，生長 方向是法線方向，并且位錯D也在法線方向上延伸。圖2示出了位錯的方向和生長方向相 同。在平面圖中投影在刻面上，位錯D延伸的方向是刻面梯度(gradient)的方向，其到達(dá) 晶脊8。到達(dá)晶脊8，位錯D沿著晶脊8朝著內(nèi)部移動。“朝著內(nèi)部移動”指的是沿著晶脊8 相對下降。盡管位錯D實際上僅向上延伸，但因為ν < u而相對下降。位錯D沿著晶脊8 形成平面狀缺陷10。其它位錯D聚集在聚合點9 (坑底部)。形成了從坑底部9連續(xù)的線 性位錯聚集束11。然而，已發(fā)現(xiàn)利用刻面生長的這種方法包含以下問題⑴和(2)。(1)在晶體生長更厚且聚集更多的位錯D之后，位錯D趨向于從在由刻面平面組成的坑中心的位錯聚集束以煙狀形式再次散開和展開。這參考圖3來描述。圖3(a)是刻面 坑的縱向截面圖，其示出了位錯D聚集在坑底部9以形成線性位錯聚集束11 (線性缺陷)。 圖3(b)示出了曾經(jīng)聚集的位錯D再次以煙狀形式散開和展開。煙狀展開的位錯13表示從 坑底部9連續(xù)的位錯聚集束11在約束位錯D方面差。(2)在由刻面平面組成的坑5的中心處的線性位錯聚集束11意外地被定位。其隨 機(jī)分布且不能預(yù)先確定。也就是，不能控制位錯聚集束11的位置。問題(2)歸因于意外形成了刻面坑5和不能確定在何處形成刻面坑5的事實。希望能預(yù)先確定形成坑5的位置。至于問題(1)，希望形成阻擋壁(barrier)等，其是實體的 (concrete)且不釋放曾經(jīng)聚集的位錯。為解決這兩個問題，本發(fā)明作了以下改進(jìn)。本發(fā)明人認(rèn)為，出現(xiàn)如圖3(b)所示的煙狀展開的位錯13，是因為聚集在倒六棱錐 坑5的底部9處的位錯D沒有被消除而是駐留在那里。然后，本發(fā)明人得到了向位錯聚集部分加入位錯消除/聚積機(jī)制的想法。這示于 圖4(a)和(b)中。在地襯底21上應(yīng)用具有抑制外延生長作用的孤立點型掩模23以使其 更規(guī)則的分布。生長發(fā)生在暴露部分。在暴露部分的中心，出現(xiàn)并主要進(jìn)行C面為頂面27 的生長。晶體24主要生長在暴露部分。然而，生長幾乎不會出現(xiàn)在掩模23上。由于生長在暴露部分進(jìn)行，形成刻面26和 刻面坑25，該刻面26的基底是掩模端部，該刻面坑25是刻面26的集合。繼續(xù)生長直到端 部同時未掩埋刻面坑25。沿刻面26，位錯D被清除并到達(dá)坑底部29。將坑底部29直接設(shè) 置在掩模23上方。位錯D聚合在掩模23上方的部分。位錯聚合的部分是晶體缺陷聚集區(qū) H。也就是，在生長的GaN晶體中，形成在掩模上方的第一晶體區(qū)是晶體缺陷聚集區(qū)H。該晶 體缺陷聚集區(qū)H由晶粒邊界K和核S組成，S卩，區(qū)域H =核S+晶粒邊界K。通過在地襯底 21上方應(yīng)用掩模23，制造了由晶粒邊界K圍繞的晶體缺陷聚集區(qū)H作為位錯D消除/積累 機(jī)制。也就是，掩模23、晶體缺陷聚集區(qū)H(第一晶體區(qū))和坑底部29在垂直方向上對準(zhǔn)成 一條線。掩模23確定晶體缺陷聚集區(qū)H(第一晶體區(qū))和坑26的位置。在生長的GaN晶 體中，第二晶體區(qū)生長在地襯底區(qū)域上沒有形成掩模(也就是暴露部分)的平面區(qū)域上，在 刻面26下面的部分是生長在該刻面的部分，比其它分部分減少了晶體缺陷。因此，將其稱 為低晶體缺陷區(qū)部分Z。在暴露部分上C面27下的部分是在保持C面的同時生長的部分， 并且將它稱為C面生長區(qū)部分Y。由于第二晶體區(qū)由低晶體缺陷區(qū)部分Z和C面生長區(qū)部 分Y構(gòu)成，在下面它們由ZY表示。GaN晶體的位錯聚合在晶體缺陷聚集區(qū)H處。晶體缺陷聚集區(qū)H具有有限寬度，而 且，由晶粒邊界K圍繞。位錯D沒有再次從晶體缺陷聚集區(qū)H處散開。晶粒邊界K具有消 除位錯的效果。晶粒邊界K的內(nèi)部是核S。核S具有積累和消除位錯的效果。重要的是由 晶粒邊界K和位錯聚合的核S構(gòu)成該區(qū)域是通過掩模主動制造的。隨著生長繼續(xù)，當(dāng)狀態(tài) 從圖4(a)過渡到圖4(b)時，位錯沒有再次散開，因為它們被約束在晶體缺陷聚集區(qū)H中。 不斷地保持同一狀態(tài)。因此，完全實現(xiàn)了位錯D的約束，解決了位錯再次以煙狀方式散開的 問題。最初，晶體缺陷聚集區(qū)H(第一晶體區(qū))的本質(zhì)并不清楚。晶體缺陷聚集區(qū)H不是 單義地確定的。在一種情形下，它可以是多晶區(qū)P。在另一情形下，它可以是晶軸相對除第一晶體區(qū)之外的晶體區(qū)ZY(S卩，第二晶體區(qū)ZY，下文同)略傾斜的單晶區(qū)Α。在又一情形下，它是c軸相對于第二晶體區(qū)ZY反轉(zhuǎn)的單晶區(qū)J。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這種差異可能取決于生長的 條件。優(yōu)選，晶體缺陷聚集區(qū)H(第一晶體區(qū))是其中W001]方向(c軸方向)相對于第 二晶體區(qū)ZY反轉(zhuǎn)的單晶區(qū)J。在該情形下，在晶體缺陷聚集區(qū)H中，晶體取向關(guān)于對于第二 晶體區(qū)ZY的c軸方向反轉(zhuǎn)，因此在晶體缺陷聚集區(qū)H周圍形成清楚的晶粒邊界K。晶粒邊 界K具有強(qiáng)烈的消除和積累位錯的效果。當(dāng)晶體缺陷聚集區(qū)H是多晶區(qū)P、或其中晶體取向 與第二晶體區(qū)ZY略為不同的單晶區(qū)A時，沒有清楚地形成晶粒邊界K并且消除和積累位錯 的效果很弱。存在兩種類型的單晶區(qū)，它們都是第二晶體區(qū)ΖΥ。生長在刻面平面下的部分是特 別減少了晶體缺陷的部分，并稱其為低晶體缺陷區(qū)部分Ζ。生長在C面下的部分稱為C面生 長區(qū)部分Y。它們是具有相同晶體取向的單晶并具有低密度的位錯。然而，它們的電特性不 同。C面生長區(qū)部分Y具有高電阻，而低晶體缺陷區(qū)部分Z具有低電阻。當(dāng)?shù)途w缺陷區(qū)部分Z和C面生長區(qū)部分Y每個都是W001]方向(c軸方向)向 上的單晶時，c軸反轉(zhuǎn)的單晶區(qū)J是W00-1]取向(-C軸方向)向上的單晶。由于晶體取 向反轉(zhuǎn)，在H和Z的邊界之間穩(wěn)定地生成了晶粒邊界K。由于晶粒邊界K具有消除和約束位 錯D的效果，K在H和Z之間產(chǎn)生是有用的特性。內(nèi)部區(qū)和外部區(qū)在晶粒邊界K處彼此清 楚地區(qū)分開。形成c軸方向αΟΟΟΙ]方向)相對于第二晶體區(qū)ZY反轉(zhuǎn)的區(qū)域J(稱為取向反轉(zhuǎn) 區(qū)J，下文同)作為晶體缺陷聚集區(qū)H(第一晶體區(qū))，在減小位錯密度方面非常有效。注意 “c軸方向反轉(zhuǎn)”指的是c軸方向相差180°。取向反轉(zhuǎn)區(qū)J由于反轉(zhuǎn)的c軸晶體取向而具 有晶體c軸方向的反轉(zhuǎn)極性，因此其還稱為極性反轉(zhuǎn)區(qū)J。也就是，在本說明書中，取向反轉(zhuǎn) 區(qū)和極性反轉(zhuǎn)區(qū)彼此同義。取向反轉(zhuǎn)區(qū)是直接表示晶體結(jié)構(gòu)的術(shù)語。另一方面，極性反轉(zhuǎn) 區(qū)是一般經(jīng)常使用的表示晶體的性質(zhì)和特性的術(shù)語。當(dāng)晶體缺陷聚集區(qū)H為極性反轉(zhuǎn)區(qū)J時，晶體缺陷聚集區(qū)H成為凹口，因為極性反 轉(zhuǎn)區(qū)J的晶體生長速率低。其可以設(shè)置在坑底部或槽(trough)處。因此，晶體缺陷聚集區(qū) H可以穩(wěn)定地存在于位錯聚集的倒六棱錐的坑底部。在晶體缺陷聚集區(qū)H周圍的晶粒邊界K處，有效地消除了位錯，并且沒有出現(xiàn)煙狀 的展開位錯?？梢垣@得缺陷位錯被約束在晶體缺陷聚集區(qū)H及其非常接近的位置處的低缺 陷密度的氮化鎵晶體?？梢詫霈F(xiàn)晶體缺陷聚集區(qū)H的區(qū)域固定到任意位置。該晶體缺陷聚集區(qū)H不 會隨機(jī)地偶然出現(xiàn)和存在，但代替地其可以形成在預(yù)定位置處。因此，可以制造出優(yōu)良的氮 化鎵晶體，例如其中晶體缺陷聚集區(qū)H有規(guī)則地對準(zhǔn)。至于晶體缺陷聚集區(qū)H的形狀可存在多種類型。例如，其可以是點型孤立閉合區(qū) (isolated closed region)。日本專利特開No. 2003-165799提議了一種具有這種晶體缺 陷聚集區(qū)H的結(jié)構(gòu)的氮化鎵晶體。圖9A是示出點掩模的一個實例的平面圖。形成在地襯 底U上規(guī)則分布在孤立點的掩模M。在暴露部分上方，形成低缺陷密度的晶體。在獲得的晶 體中，每個點掩模M上方的部分是晶體缺陷聚集區(qū)H。形成以該晶體缺陷聚集區(qū)H作為底 部的刻面坑。該刻面下面的部分是低晶體缺陷區(qū)部分Z，該刻面外部的C面下面的部分是C面生長區(qū)部分Y。圖6B是GaN生長在提供有點掩模的地襯底U上方的晶體的透視圖。當(dāng)C面生長部分Y大時，存在大量由刻面F構(gòu)成的棱椎坑。在點掩模上方，形成了坑。圖9B示出了平 面結(jié)構(gòu)，其中地襯底被從點掩模上方生長的GaN晶體移除，并且然而將該晶體拋光并研磨 成平面襯底(晶片)。掩模上方的部分成為晶體缺陷聚集區(qū)H，在其周圍低晶體缺陷部分Z 和C面生長區(qū)部分Y環(huán)繞形成同心結(jié)構(gòu)?？蛇x地，晶體缺陷聚集區(qū)H可以形成為平行條帶(條紋)。日本專利特開 No. 2003-183100提議了一種具有這種條型晶體缺陷聚集區(qū)H的氮化鎵晶體。條型掩模示 于圖8A中。在地襯底U上，大量地有規(guī)則地(間距ρ)形成平行和線性掩模(寬度s)。圖 6A示出了在上面生長氮化鎵的狀態(tài)。在暴露部分上形成由低晶體缺陷區(qū)部分Z形成的峰 (crest) 0峰的斜面是刻面F。在掩模M上方，形成了由晶體缺陷聚集區(qū)H形成的V形溝槽。 圖8B示出了通過在上面形成了條型掩模的地襯底上生長氮化鎵晶體、然后將晶體從地襯 底移除以研磨和拋光而獲得的平面結(jié)構(gòu)的晶片。它具有HZYZHZYZ……的平行結(jié)構(gòu)。圖5是用于描述利用條型掩模的刻面生長法的圖。彼此平行延伸的掩模M(條型掩 模)應(yīng)用在地襯底U上(圖5(a))。掩模M垂直于該圖的表面延伸。通過汽相沉積在地襯 底U和掩模M上生長GaN。雖然在地襯底上制造和生長了晶核，但沒有在掩模上形成晶核， 因此沒有出現(xiàn)晶體生長。在除了掩模之外的部分(暴露部分)中，在c軸方向上形成GaN 晶體(圖5(b))。晶體的頂面是C面。最初沒有在掩模M上方形成晶體，因此形成了間隔。 來自兩側(cè)的晶體接近掩模的邊緣。從掩模端部向上延伸的晶體的斜面是刻面F。隨著生長進(jìn)一步繼續(xù)，晶體也爬升在掩模M上(圖5(c))。該部分是凹口，因為生 長相比其它部分延遲。掩模M上的晶體是其中c軸方向αΟΟΟΙ]方向)相對于第二晶體區(qū) ZY反轉(zhuǎn)的晶體缺陷聚集區(qū)H。具有較小傾斜的另一刻面Fa、Fa位于其上面。它們與圖7(c) 和(d)所示的釘(nail) Q的頂面的傾斜一致。生長在暴露部分上方和刻面F下面的是低晶 體缺陷區(qū)部分Z。生長在暴露部分上方和C面(頂面)下面的是C面生長區(qū)部分Y。晶體 缺陷聚集區(qū)H和低晶體缺陷區(qū)部分Z之間的邊邊界是晶粒邊界K。不同地傾斜的刻面F和 刻面Fa之間的邊界線位于晶粒邊界K上。由于存在多個平行的掩模M，所以晶體缺陷聚集區(qū)H形成平行槽。掩模之間的部 分是低晶體缺陷區(qū)部分Z或C面生長區(qū)部分Y。Z和Y是平行的峰。也就是，當(dāng)使用條型掩 模時，晶體具有其中平行峰和槽重復(fù)的結(jié)構(gòu)。當(dāng)不存在C面生長區(qū)部分Y時，會出現(xiàn)尖銳的 峰。當(dāng)存在C面生長區(qū)部分Y時，該部分變成平坦的峰。還示出了當(dāng)掩模M是孤立的點掩模時基本相似的方式。在該情形下，形成每個都 由掩模M周圍的刻面F構(gòu)成的隔離坑。暴露部分上和刻面F下面的部分是低晶體缺陷區(qū)部 分Z，暴露部分上和C面下面的部分是C面生長區(qū)部分Y。注意，X和Y是具有低密度位錯、 具有相同的晶體取向的單晶區(qū)。也就是，晶體具有大量孤立坑對準(zhǔn)在C面上的結(jié)構(gòu)。雖然在 截面圖中類似地示出了上述狀態(tài)，但在點掩模的情形下，晶體缺陷聚集區(qū)H是孤立閉合區(qū)。 刻面F常具有平面取向{11-22}、{1-101}等?？梢哉f掩模M是晶體缺陷聚集區(qū)H的籽晶。掩模上方的部分是晶體缺陷聚集區(qū)H。晶體缺陷聚集區(qū)H是多晶區(qū)P、晶體取向相 對于第二晶體區(qū)ZY移位的單晶區(qū)A、或C軸方向aoooi]方向)相對于第二晶體區(qū)ZY反轉(zhuǎn) 的取向反轉(zhuǎn)單晶區(qū)(極性反轉(zhuǎn)區(qū)J)。還存在在掩模上方?jīng)]有形成晶體缺陷聚集區(qū)H的情形(O)0也就是，存在四種類型的生長在掩模上方的晶體區(qū)，其為0、A、P和J。
當(dāng)晶體缺陷聚集區(qū)H(第一晶體區(qū))為c軸方向相對于第二晶體區(qū)ZY反轉(zhuǎn)的單晶 區(qū)時，晶體缺陷聚集區(qū)H的Ga面和N面與第二晶體區(qū)ZY的相對。因此，GaN晶體中的取向 反轉(zhuǎn)區(qū)一般也稱為極性反轉(zhuǎn)區(qū)。晶體缺陷聚集區(qū)H和低晶體缺陷區(qū)部分Z之間的邊界是晶粒邊界K。晶體缺陷聚 集區(qū)H的頂部是傾斜更緩的刻面Fa。通過最初在地襯底上形成籽晶(掩模)，確定形成晶體缺陷聚集區(qū)H(第一晶體 區(qū))的位置。相應(yīng)的，也確定了形成低晶體缺陷區(qū)部分Z和C面生長區(qū)部分Y(第二晶體區(qū) ZY)的位置。這意味著已克服了前述不能確定晶體缺陷聚集區(qū)H的位置的缺點。而且，由于取向反轉(zhuǎn)晶體缺陷聚集區(qū)H在其周圍具有清楚的晶粒邊界K，所以曾經(jīng) 聚合的位錯沒有再次以煙狀方式散開。通過預(yù)先在地襯底上形成掩模，能夠控制形成晶體 缺陷聚集區(qū)H的位置。雖然通過掩模位置能夠清楚獲得了 H、Z和Y結(jié)構(gòu)的定位控制，但已經(jīng)發(fā)現(xiàn)存在晶 體缺陷聚集區(qū)H能夠形成清楚的晶粒邊界K的情形和不能夠形成的情形。雖然在掩模上方 形成作為第一晶體區(qū)的晶體缺陷聚集區(qū)H，但它并不總是其中c軸相對于第二晶體區(qū)ZY反 轉(zhuǎn)180°的取向反轉(zhuǎn)區(qū)(極性反轉(zhuǎn)區(qū))J。代替地，其可以是多晶區(qū)P。其可以是晶體取向與 第二晶體區(qū)ZY不同的單晶區(qū)A?？刹恍纬删w缺陷聚集區(qū)H。因此，存在四種類型的生長 在掩模上方的晶體區(qū)，其為0、A、P和J。當(dāng)掩模上方的晶體缺陷聚集區(qū)H是多晶區(qū)P時，還存在取向與鄰接于此的低晶體 缺陷區(qū)部分Z相似的部分晶體。因此，它們之間的晶體結(jié)構(gòu)中不存在差異，因此沒有清楚地 出現(xiàn)晶粒邊界K。而且，當(dāng)作為第一晶體區(qū)的晶體缺陷聚集區(qū)H是C軸方向相對于第二晶體 區(qū)ZY略傾斜的單晶區(qū)A時，該晶體結(jié)構(gòu)部分相似并且晶粒邊界K是不清楚的。當(dāng)晶體缺陷 聚集區(qū)H是c軸方向相對于第二晶體區(qū)ZY反轉(zhuǎn)180°的極性反轉(zhuǎn)區(qū)J時，清楚地出現(xiàn)了晶 粒邊界K。當(dāng)形成極性反轉(zhuǎn)區(qū)J時，在任一部分中晶體缺陷聚集區(qū)H和圍繞的低晶體缺陷區(qū) 部分Z中，晶格結(jié)構(gòu)非常不同。由此，該邊界成為晶粒邊界K。沒有晶粒邊界K，俘獲、消除 和積累位錯的效果弱。因此，非常希望在掩模上方形成晶體取向恒定反轉(zhuǎn)的晶體缺陷聚集 區(qū)H作為第一晶體區(qū)。日本專利特開No. 2006-66496公開了在掩模上方形成極性與其它晶 體區(qū)不同的晶體缺陷聚集區(qū)H的晶體生長。然而，它未公開了不斷形成極性反轉(zhuǎn)區(qū)來作為 晶體缺陷區(qū)H的方法。本發(fā)明的目的在于提供一種確保形成在掩模上方形成的晶體缺陷聚 集區(qū)H作為c軸方向(W001]方向)相對于第二晶體區(qū)ZY反轉(zhuǎn)180°的極性反轉(zhuǎn)區(qū)J的方 法。

發(fā)明內(nèi)容
優(yōu)選的，形成極性反轉(zhuǎn)區(qū)J作為晶體缺陷聚集區(qū)H，該晶體缺陷聚集區(qū)H是在掩模 上方形成的第一晶體區(qū)。本發(fā)明的目的在于確保在掩模上方形成極性反轉(zhuǎn)區(qū)H。對于在掩 模上方形成了 c軸方向αΟΟΟΙ]方向)相對于第二晶體區(qū)ZY反轉(zhuǎn)了 180°的極性反轉(zhuǎn)區(qū)時 晶體生長的方式，進(jìn)行了密切的觀察。發(fā)現(xiàn)通過以下工藝在掩模上方形成c軸方向反轉(zhuǎn)了 的晶體區(qū)(極性反轉(zhuǎn)區(qū)J)。圖7示出了這種工藝。
1)在地襯底U上要形成晶體缺陷聚集區(qū)H的位置處形成使用抑制外延生長的材 料的籽晶(掩模)M。籽晶指的是用于晶體缺陷聚集區(qū)H的籽晶，并且它同義地用作掩模Μ。 圖7(a)示出了該狀態(tài)。雖然僅示出了一個條型掩模Μ，但實際上彼此平行地形成多個掩模 M02)在地襯底U上，通過汽相沉積生長了氮化鎵晶體。由于晶核容易形成在地襯底 U(暴露部分)上并且不形成在掩模(覆蓋部分)上，所以僅在暴露部分開始晶體生長。獲 得了 C面是頂面的晶體取向。氮化鎵晶體的生長過程停止在籽晶(掩模)的端部(外圍)。 最初，該晶體沒有爬升到籽晶M上。它沒有爬升到籽晶M上并且沒有橫向生長。產(chǎn)生了斜 面，其從籽晶(掩模)的周圍向上對角延伸到暴露部分側(cè)(圖7(b))。這是刻面F中的一 個，其不是C面。通常，該刻面F是{11-22}面。當(dāng)條型掩模是籽晶M時，刻面F在圖的表 面垂直的方向上延伸。當(dāng)它是點掩模(孤立的點)時，它是開口(坑)。由于在條和點掩模 之間方式相似，所以在這里描述了條型掩模的情形。3)從其生長在籽晶(掩模)末端(外圍)停止的氮化鎵晶體的刻面的斜面的端 部(在掩模外圍側(cè)上的一端)，生成了釘狀微晶體并且其在水平方向上延伸。在釘狀微晶體 中，C軸方向αοοο ]方向)相對于低晶體缺陷區(qū)部分Z反轉(zhuǎn)了 180°，該低晶體缺陷區(qū)部 分Z是相鄰于釘Q的部分。圖7(c)示出了該狀態(tài)。釘Q具有比刻面F更緩的傾斜的平面， 并在下面具有另一斜面。發(fā)現(xiàn)釘Q的晶體取向與該相鄰部分(低晶體缺陷區(qū)部分Ζ)相差 180°。也就是，釘Q是極性反轉(zhuǎn)區(qū)。4)隨著晶體生長，晶體取向反轉(zhuǎn)并形成在刻面上的釘Q的數(shù)量增加。每個釘Q都 變大并變成溝槽每一側(cè)上的長列。從相對側(cè)，釘Q延伸以覆蓋該掩模。5)晶體取向反轉(zhuǎn)的釘Q每個在上側(cè)上都具有刻面Fa，該刻面Fa具有比刻面F小的 角度。上刻面Fa是具有小傾斜角的刻面，其具有例如{11-2-6}、{11-2-5}等等的面取向。 下部的刻面是更大傾斜的平面。6)釘Q在垂直和水平方向上擴(kuò)大，并且釘Q的尖端在掩模上方彼此碰撞并接觸。 釘Q集結(jié)以形成如圖7(d)所示的橋部分。在形成橋部分之后，在釘Q、Q上生長取向類似反 轉(zhuǎn)的晶體。還在下面的間隙中形成晶體，其中取向也相似反轉(zhuǎn)了。就在掩模上方的該部分 不是通過爬升到掩模上并且橫向延伸的晶體形成的，但代替地，其是通過從釘集結(jié)的橋部 分向下生長的晶體形成的。該生長方向與第二晶體區(qū)ZY的晶體取向相反。7)碰撞的部分生長很厚，保持它們之間的晶格失配的邊界Ka。該邊界Ka與兩側(cè) 上的釘Q和低缺陷單晶區(qū)Z之間的晶粒邊界K不同。極性反轉(zhuǎn)的釘Q變成晶體缺陷聚集區(qū) H08)通過厚厚地生長晶體(圖7(e))，將氮化鎵晶體中的位錯聚集到掩模上方的晶 體缺陷聚集區(qū)H中。在晶粒邊界K處(其是晶體缺陷聚集區(qū)HGTQ)和低缺陷單晶區(qū)Z之 間的邊界)、或核心S處，部分消除和減少了聚集的位錯。釘Q向上延伸，由此形成了晶體 缺陷聚集區(qū)H。未被消除的位錯被俘獲和積累在晶粒邊界K和核心S內(nèi)部。在刻面平面下 面，減少了位錯，因此該部分變成低缺陷單晶區(qū)Z。通過這些工藝，形成了晶體缺陷聚集區(qū)H作為取向反轉(zhuǎn)區(qū)(極性反轉(zhuǎn)區(qū))。因此， 為了掩模上方的部分將成為c軸反轉(zhuǎn)部分，必須在刻面F(例如{11-22}面)的整個平面上 形成如圖7 (c)所示的釘Q。而且，必須在整個平面上穩(wěn)定地形成。如果釘Q不能穩(wěn)定地形成在刻面F上，則掩模上方的晶體缺陷聚集區(qū)H不能成為所希望的取向反轉(zhuǎn)區(qū)。在該情況 下，不會吸引和消除周圍區(qū)域(第二晶體區(qū))中的位錯。位錯將散開并且將不形成低缺陷單晶區(qū)部分Z。當(dāng)僅在地襯底上形成掩模并通過汽相沉積生長晶體時，掩模上方的部分不會成功 地變成取向反轉(zhuǎn)區(qū)。不容易在從掩模邊緣對角延伸的刻面的整個平面上穩(wěn)定地形成晶體取 向反轉(zhuǎn)的釘Q。本發(fā)明針對通過刻面生長減少位錯，其可以稱為刻面生長法。很清楚其與已知的 ELO(外延橫向過生長)法不同，其是通過利用掩模減少位錯的方案。盡管很清楚不同，但有 時本發(fā)明的方案與ELO法相混淆，因為它是使用掩模來減少位錯的方案。為了避免這種混 淆，在這里描述了一些差異。(a)在ELO方法中，該覆蓋部分區(qū)域比暴露部分區(qū)域更大(覆蓋部分>暴露部 分)?？梢哉J(rèn)為掩模在幾個部分處具有開口。在根據(jù)本發(fā)明的刻面生長法中，暴露部分大而 覆蓋部分小(覆蓋部分<暴露部分)?？梢哉J(rèn)識到地襯底僅提供有一些掩模。(b)在掩模端部處晶體的取向反轉(zhuǎn)區(qū)(極性反轉(zhuǎn)區(qū))的存在方面，它們明顯不同。 在ELO法中，在暴露部分產(chǎn)生的晶體保持取向并爬升到覆蓋部分上。也就是，保持了晶體取 向。它處于相同的晶體取向。例如，當(dāng)在掩模端部存在{11-22}刻面時，晶體爬升到覆蓋部 分上同時保持了平面和傾斜。在掩模上方，生長繼續(xù)同時保持了 {11-22}面。因此，在掩模 邊界處沒有出現(xiàn)取向反轉(zhuǎn)(極性反轉(zhuǎn))。在根據(jù)本發(fā)明的刻面生長法中，在暴露部分處產(chǎn)生 的晶體沒有原樣地爬升在掩模上。代替地，在與掩模間隔開的刻面的中間產(chǎn)生了釘Q，因此 沒有與暴露部分晶體連續(xù)。(c)在ELO法中，用于減少位錯的晶體生長方向是橫向方向。通過使晶體相對于掩 模水平和橫向地生長，減少了橫向生長的該部分中的螺紋位錯。然而，在根據(jù)本發(fā)明的刻面 生長法中，晶體生長的方向是厚度方向。通過允許晶體在厚度方向上生長，將位錯聚集到晶 體缺陷聚集區(qū)H中并使其減少。它們在晶體生長方向上不同。(d)至于減少位錯的工藝，根據(jù)ELO法，在掩模上方獲得了低密度的位錯。在暴露 部分形成了高位錯密度的缺陷區(qū)域。相反，根據(jù)刻面生長法，在暴露部分形成具有低位錯密 度的優(yōu)質(zhì)單晶。在掩模上方形成具有許多缺陷和高位錯密度的區(qū)域。對于在哪個部分(即， 在覆蓋部分或在暴露部分)形成低位錯密度區(qū)和高位錯密度區(qū)，ELO法和該刻面生長法完 全相反。在本發(fā)明中，在地襯底上部分形成抑制外延生長的掩模，以制造存在暴露部分和 覆蓋部分兩個的地襯底表面。當(dāng)除了 Ga材料和氮材料氣體之外還供給碳材料時，通過汽相 沉積在地襯底上生長氮化鎵晶體。在掩模上形成極性反轉(zhuǎn)區(qū)(取向反轉(zhuǎn)區(qū))。本發(fā)明的特 征在于通過加入碳確保在掩模上形成的晶體缺陷聚集區(qū)H是極性反轉(zhuǎn)區(qū)J。氮化鎵的汽相 沉積生長已經(jīng)為緩沖層形成和外延生長。在它們之間，本發(fā)明添加了通過加入碳而形成極 性反轉(zhuǎn)區(qū)的工藝。也就是，該生長由三級構(gòu)成緩沖層形成、通過加入碳的極性反轉(zhuǎn)區(qū)形成 和外延生長。至于地襯底，可以采用藍(lán)寶石(0001)單晶襯底(上面生長氮化鎵晶體的表面是 (0001)面的藍(lán)寶石單晶襯底)、Si(Ill)單晶襯底(上面生長氮化鎵晶體的表面是(111) 面的Si單晶襯底)、SiC(0001)單晶襯底(上面生長氮化鎵晶體的表面是(0001)面的SiC單晶襯底)、GaN單晶襯底、GaAs (Ill)A面單晶襯底(上面生長氮化鎵晶體的表面是(111)A面的GaAs單晶襯底)等。也可以采用在藍(lán)寶石襯底上生長GaN薄膜的復(fù)合襯底(也稱為 模板)作為地襯底。在地襯底上形成掩模(圖7(a))。掩模材料為Si02、Pt、W、Si3N4等。該厚度大約為30nm-300nm。示范性掩模圖案可以是條型(Ml)，其中彼此平行的多條線以恒定間距對準(zhǔn) (圖8A)?？蛇x地，它可以是點型(M2)，其中孤立的點有規(guī)則地散開(圖9A)。應(yīng)用掩模在 地襯底表面上形成覆蓋部分和暴露部分。優(yōu)選覆蓋部分小而暴露部分大。在提供有掩模的地襯底上，在低溫下生長氮化鎵晶體以形成大約30nm-200nm的 薄緩沖層。緩沖層形成溫度表示為Tb。優(yōu)選例如Tb = 400°C-60(TC的低溫。該緩沖層具 有緩解地襯底和氮化鎵的應(yīng)力的作用。在暴露部分上形成薄緩沖層。在覆蓋部分上方?jīng)]有 晶體，因此在暴露部分沒有形成緩沖層。本發(fā)明的特征在于如下的碳摻雜生長，用于制造極性反轉(zhuǎn)區(qū)(取向反轉(zhuǎn)區(qū))。除了Ga材料和氮材料外，加入碳材料以便在地襯底和緩沖層上生長GaN晶體。在覆蓋部分沒有 產(chǎn)生晶體，同時晶體生長在暴露部分進(jìn)行。與覆蓋部分(掩模)接觸的部分成為刻面F(圖 7(b))。碳摻雜在從覆蓋部分的端部升高的刻面F的中間產(chǎn)生了釘Q。釘Q它的c軸方向 (
方向)相對于相鄰部分(低晶體缺陷區(qū)部分Z)的單晶反轉(zhuǎn)180°。也就是，釘Q它 的c軸方向相對于第二晶體區(qū)ZY反轉(zhuǎn)180°。來自相對側(cè)的釘Q延伸和集結(jié)(圖7(d))。 晶體在釘Q上進(jìn)一步生長，由此釘Q變大。這不斷積累并且還在覆蓋部分上方產(chǎn)生了晶體。 由于在覆蓋部分上方生長的晶體是已經(jīng)形成在釘Q上的，所以它的c軸方向與第二晶體區(qū) ZY的c軸方向相差180°。也就是，通過在覆蓋部分上方產(chǎn)生的釘Q的生長，生長了極性反 轉(zhuǎn)區(qū)(取向反轉(zhuǎn)區(qū)J)。該極性反轉(zhuǎn)區(qū)J在覆蓋部分上向上延伸，同時基本保持覆蓋部分的 截面積(比覆蓋部分的寬度略窄)(圖7(e))。該極性反轉(zhuǎn)區(qū)J是晶體缺陷聚集區(qū)H，其吸 引來自周圍區(qū)域(即，第二晶體區(qū)ZY)的晶體的位錯并允許位錯聚合。在HVPE法中，Ga材料是熔融的Ga。GaCl由HCl合成并與NH3反應(yīng)。本發(fā) 明通過加入碳確保形成極性反轉(zhuǎn)區(qū)(取向反轉(zhuǎn)區(qū))。示范性的碳材料是碳?xì)浠衔?氣體和碳固體。一般在標(biāo)準(zhǔn)壓力(Iatm = O. IMPa)下進(jìn)行HVPE法。用于形成極性反 轉(zhuǎn)區(qū)的初始條件如下。當(dāng)材料是碳?xì)浠衔餁怏w時，碳?xì)浠衔餁怏w的分壓優(yōu)選為 lX10-4atm(10Pa)-5Xl(T2atm(5kPa)。生長溫度 Tj 優(yōu)選為 900°C -1100 °C,尤其優(yōu)選 9900C -1050°C。生長速率優(yōu)選為 50 μ m/h-100 μ m/h。當(dāng)位錯聚合到掩模上方的部分時，該部分稱為晶體缺陷聚集區(qū)H。晶體缺陷聚集區(qū) H是多晶區(qū)P、其中晶軸相對其它區(qū)域傾斜(注意c軸方向(W001]方向沒有反轉(zhuǎn)))的單 晶區(qū)A和其中c軸方向相對其它區(qū)域反轉(zhuǎn)的單晶區(qū)(極性反轉(zhuǎn)區(qū))J這三種中的一種。在 一些情形下不形成晶體缺陷聚集區(qū)H(O)。尤其是，本發(fā)明的特征之一是，在掩模上方生長的第一晶體區(qū)是極性反轉(zhuǎn)區(qū)J。晶 體缺陷聚集區(qū)H從相鄰暴露部分上方和刻面下方生長的其它區(qū)域的晶體中拉出位錯，并將 它們約束在晶體缺陷聚集區(qū)H中。在暴露部分上方和刻面下方生長的晶體變成具有低位錯 密度的單晶Z。該效果按照下列順序增大沒有制造的0 <晶軸傾斜的單晶區(qū)A <多晶區(qū)P <極性反轉(zhuǎn)區(qū)J。
在本發(fā)明中，探索并獲得了致使作為第一晶體區(qū)的晶體缺陷聚集區(qū)H成為極性反 轉(zhuǎn)區(qū)J的條件。本發(fā)明能夠制造總是在掩模上方的極性反轉(zhuǎn)區(qū)J?？梢杂申帢O發(fā)光(CL)來確定掩模上方的第一晶體區(qū)(晶體缺陷聚集區(qū)H)是在晶 軸傾斜的單晶區(qū)A、多晶區(qū)P、和極性反轉(zhuǎn)區(qū)J這三者中哪一種。這還可以由熒光顯微鏡觀 察得知。GaN晶體是一律透明的，并且因此不能由肉眼確定。進(jìn)行用于生產(chǎn)以下厚膜的外延生長。厚膜生長時間可在幾十小時、幾百小時和幾千小時的范圍內(nèi)變化，這取決于目標(biāo)晶體的厚度。注意，確定厚膜生產(chǎn)外延生長溫度被為第 二生長溫度Te。厚膜生產(chǎn)外延生長溫度Te優(yōu)選為Te = 990V -1200°C，尤其優(yōu)選為Te = IOOO0C -1200°C。對具有很少晶體缺陷的優(yōu)良的氮化鎵襯底有強(qiáng)烈的需求。刻面生長法是希望的， 其中在地襯底上形成掩模；生長晶體同時保持該刻面以在掩模上方形成其是第一晶體區(qū) 的缺陷聚集區(qū)H;以及缺陷聚集在缺陷聚集區(qū)H處以由此減少暴露部分上方的第二晶體區(qū) 中的位錯。極性反轉(zhuǎn)區(qū)J最適合于晶體缺陷聚集區(qū)H(第一晶體區(qū))。已發(fā)現(xiàn)，為了穩(wěn)定地 生長c軸方向αΟΟΟΙ]方向)相對于第二晶體區(qū)反轉(zhuǎn)的極性反轉(zhuǎn)區(qū)J，晶體缺陷聚集區(qū)H的 生長最初階段的晶體生長條件是重要的。如果沒有成功地滿足最初的晶體生長條件，在掩模上方生長的晶體缺陷聚集區(qū) H不變成極性反轉(zhuǎn)區(qū)H，并且代替地變成多晶區(qū)P或晶軸傾斜的單晶區(qū)Α(注意，c軸方向 (
方向)沒有反轉(zhuǎn))。利用多晶區(qū)或晶軸傾斜的單晶區(qū)，將位錯從相鄰的區(qū)域吸引于 此以由此減少相鄰區(qū)域的位錯的效果是不夠的。因此，需要掩模上方的晶體缺陷聚集區(qū)H 是極性反轉(zhuǎn)區(qū)J。注意到，釘Q的生產(chǎn)是重要的，其中在上述工藝中的3)、4)、5)和6)對應(yīng)于極性反 轉(zhuǎn)區(qū)J(釘Q)形成的初始階段。在本發(fā)明中，已發(fā)現(xiàn)，為了一直生產(chǎn)從此處繼續(xù)的釘Q和極 性反轉(zhuǎn)區(qū)J，在初始的生長階段輕摻雜碳是有利的。通過用于形成釘和極性反轉(zhuǎn)區(qū)的碳摻雜的初始晶體生長大約為0. 5小時-2小時。 其是極性反轉(zhuǎn)區(qū)J的晶體缺陷聚集區(qū)H形成在掩模上方，并且低缺陷單晶區(qū)Z形成在暴露 部分上方。在一些情形下，C面生長區(qū)部分Y形成在暴露部分的中心。在一些情形下其不 存在。根據(jù)本發(fā)明，通過加入碳，可以確保形成極性反轉(zhuǎn)區(qū)。在掩模上方生產(chǎn)作為第一晶 體區(qū)的穩(wěn)定的極性反轉(zhuǎn)區(qū)J，以進(jìn)一步減少在第二晶體區(qū)中低缺陷區(qū)部分Z中的位錯，由此 可以生長高質(zhì)量的氮化鎵晶體。結(jié)合附圖，由本發(fā)明的以下詳細(xì)說明，本發(fā)明的前述和其它目的、特征、方面和優(yōu) 點將變得更加明顯。


圖1是坑部分的透視圖，用于示出，在由本發(fā)明人在W099/23693中提議的刻面生 長方法中，當(dāng)允許生長而沒有掩埋由刻面平面構(gòu)成的六棱錐坑時，位錯在刻面法線方向上 延伸并隨著生長繼續(xù)而聚集在邊界處，以沿著該邊界進(jìn)一步聚合在坑的底部。圖1(a)示出 了生長的初始階段，圖1(b)示出了生長的發(fā)展階段。圖2是坑部分的平面圖，用于示出，在由本發(fā)明人在W099/23693中提議的刻面生長方法中，當(dāng)允許生長而沒有掩埋由刻面平面構(gòu)成的六棱錐坑時，位錯在刻面法線方向上 延伸并隨著生長繼續(xù)而聚集在邊界處，以沿著該邊界進(jìn)一步聚合在坑的底部。隨著生長在 法線方向在刻面處繼續(xù)進(jìn)行，位錯也在該方向上繼續(xù)。圖3是刻面坑部分的截面圖，用于示出，在由本發(fā)明人在W099/23693中提議的刻 面生長方法中，曾經(jīng)在坑底部聚集的位錯束又以煙狀方式散開。圖3(a)示出了位錯曾經(jīng)聚 集在坑底部形成位錯聚集束的狀態(tài)，圖3(b)示出了位錯從坑底部分離并以煙狀方式散開 的方式。
圖4是坑和V形溝槽的縱向截面圖，用于示出，在利用由本發(fā)明人在日本專利特開 No. 2001-102307和日本專利特開No. 2003-165799中提議的掩模的刻面生長方法中，在掩 模上方生產(chǎn)具有約束位錯的效果的晶體缺陷聚集區(qū)H，并且曾經(jīng)被捕獲的位錯將不會散開 并且生長按原樣繼續(xù)進(jìn)行。圖4(a)示出了通過刻面生長位錯聚合到掩模上方的缺陷聚集 區(qū)H的方式，圖4 (b)示出了甚至當(dāng)面生長進(jìn)一步繼續(xù)時位錯被約束在缺陷聚集區(qū)H中的方 式。圖5是示出掩模應(yīng)用在地襯底上并在其上生長氮化鎵晶體的刻面生長方法的縱 向截面圖。圖5(a)示出了在地襯底上形成掩模的狀態(tài)。圖5(b)示出了這樣的方式當(dāng)生 長氮化鎵晶體時，僅在暴露部分生長晶體并且在掩模上方不出現(xiàn)晶體生長，以及出現(xiàn)了刻 面從掩模端部對角地(diagonally)延伸。圖5 (c)示出了隨著晶體生長進(jìn)一步繼續(xù)，晶體 還在掩模上方生長而形成兩級刻面的方式。圖6A是示出通過刻面生長法在應(yīng)用了條型掩模的地襯底上生長的氮化鎵晶體的 透視圖。圖6B是示出通過刻面生長法在應(yīng)用了點掩模的地襯底上生長的氮化鎵晶體的透 視圖。圖7是當(dāng)在生長的開始階段在掩模上方形成晶體缺陷聚集區(qū)H時，涉及要成為極 性反轉(zhuǎn)區(qū)的晶體缺陷聚集區(qū)H的條件說明的縱向截面圖。圖7(a)示出了在地襯底上提供 了掩模的狀態(tài)。圖7(b)示出了這樣的方式在氮化鎵晶體的汽相沉積生長中，在暴露部分 出現(xiàn)晶體生長而在掩模上方?jīng)]有出現(xiàn)晶體生長，以及產(chǎn)生了端部是掩模的刻面。圖7(c)示 出了在刻面處產(chǎn)生釘Q的狀態(tài)。圖7(d)示出了釘在掩模上方集結(jié)的狀態(tài)。圖7(e)示出了 隨著在釘上方生長具有與釘相同的晶體取向的晶體的方式。圖8A是示出相互平行的掩模以恒定間距ρ形成在地襯底上的襯底的平面圖。圖8B是示出通過刻面生長方法在圖8A所示的襯底上生長晶體、從地襯底分離生 長的晶體、將它拋光和研磨成平板所獲得的晶體的CL圖像的平面圖。圖9A是示出相對于任意指定的隔離點型掩模，以恒定間距ρ在地襯底上形成最接 近的隔離點型掩模以獲得關(guān)于指定掩模六重對稱的襯底的平面圖。圖9B是示出通過刻面生長方法在圖9A所示的襯底上生長晶體、從地襯底分離生 長的晶體、將它拋光和研磨成平板所獲得的晶體的CL圖像的平面圖。
具體實施例方式作為氮化鎵晶體的生長方法，可采用HVPE法、MOCVD法、MOC法、升華法等。在本發(fā) 明中，優(yōu)選的方式是在HVPE法中加入碳材料，以在掩模上方形成極性反轉(zhuǎn)區(qū)。雖然在MOCVD法和MOC法的材料中包含碳，但不清楚這樣的碳是否總是在掩模上方形成極性反轉(zhuǎn)區(qū)。因此，在實例中，將描述通過HVPE(氫化物汽相外延)法生長了什么。在HVPE法 中，使用垂直熱壁型反應(yīng)器(HVPE反應(yīng)器)。HVPE反應(yīng)器具有圍繞它在縱向方向上隔開的 加熱器，并且能夠在縱向方向上自由地形成溫度分布。在反應(yīng)器內(nèi)部空間的上部，HVPE反 應(yīng)器具有放置Ga金屬的Ga金屬舟。在金屬舟下面，HVPE反應(yīng)器具有上面將要放置樣品的 接受器(susceptor)。在HVPE反應(yīng)器中，通常在標(biāo)準(zhǔn)壓力(latm = IOOkPa)下進(jìn) 行晶體生長。將Ga金 屬舟加熱到至少800°C以使Ga熔融。在反應(yīng)器的上部提供氣體引入管。從氣體引入管，將 H2和HCl的混合氣體吹入熔融的Ga。因此，合成了 GaCl。GaCl是氣態(tài)的，并且它向下降落 到達(dá)加熱的接受器和樣品附近。在接受器附近，吹入H2和NH3的混合氣體。在GaCl和NH3 之間的反應(yīng)得到了 GaN，其沉積在樣品上。要形成在地襯底上的掩模圖案僅需要是抑制外延生長的材料。示范性的掩模材料 可以是Si02、Si3N4、Pt、W等。該掩模成為晶體缺陷聚集區(qū)H的籽晶。GaN的晶體取向由地 襯底決定。掩模的取向決定了沿著掩模的刻面的平面取向。因此，必須形成對于地襯底的 晶體取向具有固定關(guān)系的掩模。實例1在實例1中，考慮了通過第一生長溫度Te，極性反轉(zhuǎn)區(qū)形成的程度。1.地襯底(U)作為地襯底，制備了 2英寸直徑的藍(lán)寶石襯底(Ul)、GaAs襯底(U2)、通過MOCVD法 在上面形成1. 5 μ m厚GaN外延層的藍(lán)寶石襯底(U3)。藍(lán)寶石襯底(Ul)是主表面為C面 ((0001)面)的襯底。GaAs襯底(U2)是主表面為(Ill)A面(Ga平面)的襯底。GaN/藍(lán)寶 石襯底(U3)是在C面((0001)面)上形成了 GaN外延層的鏡面狀襯底。提供有外延層的 這種襯底還稱為模板(template)。2.掩模圖案在這三種類型的地襯底U1、U2和U3的每一個上，通過等離子CVD法形成了 0. Iym 厚的SiO2薄膜。通過光刻和蝕刻，形成了掩模圖案。掩模圖案為兩種類型，即，條型(Ml)和 點型(M2)。Ml 條型掩模圖案在地襯底U上形成的具有如圖8A所示寬度的平行線性掩模稱為條型(Ml)掩模圖 案。掩模M平行且以等間隔設(shè)置。未被掩模覆蓋的部分是暴露部分。晶體生長從暴露部分 開始。當(dāng)在條型掩模上方生長GaN晶體時，在每個掩模上形成晶體缺陷聚集區(qū)H，如圖8B 所示。在位于暴露部分上方且與掩模相鄰的部分形成低缺陷單晶區(qū)Z。在一些情形下，在低 缺陷單晶區(qū)Z的中心形成C面生長區(qū)Y，在一些情形下則沒有形成。確定該取向以使得條的延伸方向是GaN外延層的<1-100>方向。GaN外延層是在 掩模形成之后沉積的層。另一方面，已知在地襯底的晶體取向和沉積在上面的GaN的晶體 取向之間存在固定關(guān)系。因此，通過基于地襯底的晶體取向確定掩模的縱向方向，可以將該 掩模設(shè)置成在其后生長GaN外延層的<1-100>方向上延伸。在GaN/藍(lán)寶石襯底(U3)的情形下，將掩模延伸方向的取向確定為與GaN晶體的<1-100>方向平行。在GaAs襯底(U2)的情形下，將掩模延伸方向的取向確定為與GaAs晶 體的<11-2>方向平行。在藍(lán)寶石襯底(Ul)的情形下，將掩模延伸方向的取向確定為與GaN 晶體的<11-20>方向平行。在條型(Ml)掩模圖案中，條型覆蓋部分(SiO2)的寬度，即s = 30 μ m，條型覆蓋部 分和暴露部分的重復(fù)間距，即P = 300 μ m。暴露部分還相互平行延伸，并且其寬度，即e = 270 μ m0也就是說，p = e+s。該間距指的是從覆蓋部分的中心到相鄰的覆蓋部分的中心的 距離。暴露部分覆蓋部分的面積比為9 1。M2:點型掩模圖案將以規(guī)定間隔對準(zhǔn)以形成線的每個具有一定直徑的點看作一個單元。許多單元相 互平行對準(zhǔn)。圖9A示出了點型掩模的實例。在地襯底U上，以交錯方式形成小點型掩模M。 該覆蓋部分是小的，并且襯底的大部分是暴露部分。生長從暴露部分開始。利用點型掩模生產(chǎn)氮化鎵晶體并在垂直于c軸的方向上切割晶體所獲得的氮化 鎵晶體具有如圖9B所示的結(jié)構(gòu)。在每個掩模上方，形成了晶體缺陷聚集區(qū)H，在其周圍形成 了低缺陷單晶區(qū)Z。未被低缺陷單晶區(qū)Z覆蓋的部分是C面生長區(qū)Y。在點掩模中，例如，相對于特定行的點，形成相鄰行的點以使得它的點位于相對于 該特定行的點移位一半間距的位置處。它是這樣的圖案，其中點位于由沒有間隙地設(shè)置的 正三角形構(gòu)成的圖案的頂點處。也就是，它是其中任意指定的點和最近的點具有六重對稱 關(guān)系的圖案。將點對準(zhǔn)的方向確定為與例如GaN晶體的<1-100>方向平行。當(dāng)在這里隨后 生長GaN晶體時，地襯底的晶體取向和GaN晶體的晶體取向具有一定的關(guān)系。因此，結(jié)合地 襯底的晶體取向可以確定掩模圖案的方向，以便點的線與GaN晶體的<1-100>方向平行。當(dāng) 地襯底是藍(lán)寶石襯底(Ul)時，使點與藍(lán)寶石襯底的<11-20>方向平行地對準(zhǔn)。當(dāng)?shù)匾r底是 GaAs(Ill)襯底(U2)時，使點與GaAs襯底的<11_2>方向平行地對準(zhǔn)。每個點(覆蓋部分)都是圓的，點直徑t = 50 μ m，點間距ρ = 300 μ m，其是最近 點的中心之間的距離。在連接點的線上暴露部分的長度，即，f = 250μπι。具有三個點作為 頂點的單位正三角形的面積為38971 μ m2。一個點的面積(覆蓋部分)為1963 μ m2。暴露 部分覆蓋部分的面積比為19 1。3.用于緩沖層形成和極性反轉(zhuǎn)區(qū)形成的生長在HVPE反應(yīng)器中，放置了具有掩模的上述襯底(具有掩模的六種類型的襯底，其 中三種類型的地襯底u(yù)i、U2和U3每個都提供有兩種類型的掩模圖案Ml和M2)。最初，在大約500°C (Tb = 500°C )的低溫下，以 NH3氣體分壓Pnh3 = 0. 2atm(20kPa) 和HCl氣體分壓Prel = 2 X 10_3atm(0. 2kPa)、15分鐘的生長時間，形成GaN的緩沖層。緩沖 層的厚度為60nm。其后，升高該溫度以使極性反轉(zhuǎn)區(qū)形成溫度Tj = 1000°C，在掩模上方生長了極性 反轉(zhuǎn)區(qū)，并在暴露部分上方生長了外延層大約一個小時。該原料氣體是H2和HCl的混合氣 體、H2和NH3的混合氣體和碳?xì)浠衔餁怏w。規(guī)定NH3氣體分壓Pnh3 = 0. 2atm(20kPa)和 HCl氣體分壓Prel = 2X 10_2atm(2kPa)，碳?xì)浠衔餁怏w是甲烷氣體或乙烷氣體。為了比較， 在沒有提供碳?xì)浠衔餁怏w的條件下生長了一些樣品。在生長大約一個小時之后結(jié)束了該 工藝，而沒有進(jìn)行厚膜生長，冷卻并從反應(yīng)器中取出該樣品并觀察。極性反轉(zhuǎn)區(qū)形成溫度的 優(yōu)選范圍為 Tj = 9700C -1100°C。
4.碳?xì)浠衔餁怏w的類型和分壓Phc在本發(fā)明中，為了生長極性反轉(zhuǎn)區(qū)J，加入固定碳(fixed carbon)或碳?xì)浠衔?氣體?？梢允褂眉淄?CH4)氣體、乙烷(C2H6)氣體、乙烯(C2H4)氣體、乙炔(C2H2)氣體等作 為該材料。當(dāng)碳?xì)浠衔餁怏w落入Phc= lX10-4atm(10Pa)-5X10-2atm(5kPa)的范圍內(nèi)時， 獲得了形成極性反轉(zhuǎn)區(qū)的效果。在這里，測試了以下三種情形。
(1)甲燒氣體(CH4) Phc = 8Xl(T3atm(0. 8kPa)(2)乙燒氣體(C2H6) Phc = 8Xl(T3atm(0. 8kPa)(3)沒有碳?xì)浠衔餁怏w5.允許形成極性反轉(zhuǎn)區(qū)的晶體生長根據(jù)過去的經(jīng)驗，公知用于獲得其中c軸方向αΟΟΟΙ]方向)相對于除了極性反 轉(zhuǎn)區(qū)之外的區(qū)域(第二晶體區(qū)ZY)旋轉(zhuǎn)180°的極性反轉(zhuǎn)區(qū)J的晶體生長示出了以下狀態(tài)。 圖7示出了條型刻面生長的方式。如圖7(a)所示，在地襯底上提供條型掩模Μ。雖然僅示 出了一個掩模，但實際上存在許多平行的掩模。如圖7(b)所示，氮化鎵晶體的生長從不存 在掩模的暴露區(qū)域開始。晶體以薄膜方式形成在整個暴露部分上方，而沒有爬升到掩模上。 當(dāng)生長進(jìn)一步繼續(xù)時，形成其較低端為掩模端部的斜面。該斜面進(jìn)一步生長，而沒有爬升到 掩模上，以形成清楚的刻面F。該刻面F具有例如{11-22}面取向，而其取決于掩模圖案的 取向。晶體不存在于掩模上方，并且刻面F在掩模的兩端彼此相對。當(dāng)形成c軸方向反轉(zhuǎn)180°的極性反轉(zhuǎn)區(qū)J時，作為前體在刻面的斜面的中間生產(chǎn) 了粗糙突起。這稱為釘Q。由于刻面F彼此相對形成，同樣形成釘Q(圖7(c))彼此相對。 釘Q是極性反轉(zhuǎn)區(qū)的籽晶。如果沒有形成釘Q，則在以后不形成極性反轉(zhuǎn)區(qū)。突起(釘Q) 的頂面在水平面(C面)之間形成大約25° -30°的斜角。形成在刻面中間的釘Q(突起) 是其中c軸方向相對于刻面F以下的相鄰區(qū)域部分反轉(zhuǎn)180°的晶體。由于晶體取向反轉(zhuǎn) 了，所以成為極性反轉(zhuǎn)區(qū)J的籽晶。生長釘Q，并且該粗糙突起變大。然后，從相對面延伸的 釘Q集結(jié)一起。通過如圖7(d)所示的集結(jié)，閉合了掩模上方的部分。釘Q沒有與掩模接觸。它們 從中間部分橫向延伸并彼此集結(jié)。集結(jié)部分成為相同取向晶體的籽晶，其生長在縱向方向 上。因此，在掩模上方，形成與釘Q相同晶體取向的晶體。由于釘是c軸方向反轉(zhuǎn)了的晶 體，所以形成于其上的晶體成為極性反轉(zhuǎn)區(qū)J。如圖7(e)所示，在釘Q上，縱向生長相同取 向的晶體。在掩模上方形成晶體，并因此它是晶體缺陷聚集區(qū)H(第一晶體區(qū))。因此，晶體 缺陷聚集區(qū)H成為極性反轉(zhuǎn)區(qū)J。在兩側(cè)的暴露部分上方，已經(jīng)存在更高的晶體。其表面是 刻面F。暴露部分的晶體具有出現(xiàn)在地襯底之間的邊界處的大量位錯。位錯隨著生長繼續(xù) 而向上延伸。沒有掩埋該平面且同時保持該刻面地繼續(xù)該生長。由于刻面中晶體的生長方向是刻面的法線方向，因此位錯還隨著晶體生長而在法 線方向上延伸。因此，位錯延伸的方向正交向外。它正好朝著掩模上方的晶體缺陷聚集區(qū)H 延伸。位錯到達(dá)晶體缺陷聚集區(qū)H并由此被吸收。由晶體缺陷聚集區(qū)H吸收的位錯沒有再 次返回到該刻面。由于它們沒有返回，所以減少了直接在該刻面下面的晶體區(qū)的位錯。在 暴露部分上方生長的第二晶體區(qū)中，在該刻面下面生長的部分稱為低晶體缺陷區(qū)部分Ζ。盡 管該部分最初與地襯底之間具有大量位錯，但隨著刻面生長，位錯被向外排除并聚集在晶 體缺陷聚集區(qū)H中，由此在該部分中逐步獲得了低密度的位錯。在GaN晶體的生長中，由與地襯底的關(guān)系確定晶體取向。因此，在沒有形成掩模的平面區(qū)域上方生長的第二晶體區(qū)成 為單晶。低晶體缺陷區(qū)部分Z具有低密度的位錯并且是單晶，因此它也被稱為低缺陷單晶 區(qū)部分。低晶體缺陷區(qū)部分Z和晶體缺陷聚集區(qū)H之間的邊界是晶粒邊界K、K。曾經(jīng)被晶 體缺陷聚集區(qū)H俘獲的位錯將不會分開。因此，位錯密度在低晶體缺陷區(qū)部分Z中進(jìn)一步 變低。這樣的刻面生長繼續(xù)直至結(jié)束。然后，從暴露部分上方的部分中有效地排除位錯， 低晶體缺陷區(qū)部分Z成為具有低密度位錯的更優(yōu)良的晶體。另一方面，在一些情形下沒有成功地形成其是極性反轉(zhuǎn)區(qū)的晶體缺陷聚集區(qū)H。本 發(fā)明是基于發(fā)現(xiàn)加入碳獲得了生成極性反轉(zhuǎn)區(qū)J的效果。在生長的初始階段，摻雜碳以形 成極性反轉(zhuǎn)區(qū)，其后在沒有碳摻雜的條件下進(jìn)行厚膜生長，由此制造了具有低密度位錯的 優(yōu)質(zhì)晶體。由于本發(fā)明的目的是生成極性反轉(zhuǎn)區(qū)J，故沒有進(jìn)行厚膜生長，將樣品冷卻并從反 應(yīng)器取出。每個GaN晶體都顯示出大約70 μ m的厚度。生長率為大約70 μ m/h。
6.對掩模上方生產(chǎn)/未生產(chǎn)極性反轉(zhuǎn)區(qū)J的觀察(1)在甲烷氣體(CH4)的情況下 Phc = 8X10_3atm(800Pa)地襯底藍(lán)寶石襯底(Ul)、GaAs襯底(U2)、GaN/藍(lán)寶石襯底(U3)掩模圖案條型掩模(Ml)、點型掩模(M2)觀察結(jié)果Ml (條型掩模)像虛線一樣間歇地生成極性反轉(zhuǎn)區(qū)。M2(點型掩模)在大多數(shù)的點中生成極性反轉(zhuǎn)區(qū)。(2)在乙烷氣體(C2H6)的情形下 Phc = 8X10"3atm(800Pa)地襯底藍(lán)寶石襯底(Ul)、GaAs襯底(U2)、GaN/藍(lán)寶石襯底(U3)掩模圖案條型掩模(Ml)、點型掩模(M2)觀察結(jié)果Ml (條型掩模)像虛線一樣間歇地生成極性反轉(zhuǎn)區(qū)。M2(點型掩模)在大多數(shù)點中生成極性反轉(zhuǎn)區(qū)。(3)在沒有碳?xì)浠衔锏那樾蜗?Phc = 0地襯底藍(lán)寶石襯底(Ul)、GaAs襯底(U2)、GaN/藍(lán)寶石襯底(U3)掩模圖案條型掩模(Ml)、點型掩模(M2)觀察結(jié)果Ml (條型掩模)僅間歇地生成極性反轉(zhuǎn)區(qū)。M2 (點型掩模)僅間歇地生成極性反轉(zhuǎn)區(qū)。從上述觀察結(jié)果，發(fā)現(xiàn)了以下情形。利用上述條件，當(dāng)沒有供給碳原料氣體時，僅 間歇地生成極性反轉(zhuǎn)區(qū)。提供碳原料氣體，便于形成極性反轉(zhuǎn)區(qū)。該原料氣體可以是乙烷 氣體或甲烷氣體。當(dāng)碳原料氣體分壓Ptc = SOOPa時，盡管極性反轉(zhuǎn)區(qū)擴(kuò)散開，但仍保持沒 有產(chǎn)生極性反轉(zhuǎn)區(qū)的區(qū)域，并且極性反轉(zhuǎn)區(qū)像虛線一樣間歇地存在。因此，發(fā)現(xiàn)應(yīng)以較高的 分壓引入乙烷氣體和甲烷氣體，以在整個掩模上方生產(chǎn)極性反轉(zhuǎn)區(qū)。實例2在實例2中，考慮了使用固態(tài)碳板作為用于形成極性反轉(zhuǎn)區(qū)的碳摻雜的材料的情形。利用與實例1相同的反應(yīng)器和不同的生長率，如同實例1 一樣在提供有SiO2的條型掩模 (Ml)和點型掩模(M2)的藍(lán)寶石襯底(Ul)、GaAs(Ill)襯底(U2)和GaN/藍(lán)寶石襯底(U3) 上，在提供碳的同時生長氮化鎵晶體60分鐘。與實例1不同之處在于，碳材料不是碳?xì)浠?合物氣體，但可以是固態(tài)碳板。在HVPE反應(yīng)器中晶體生長部 分(接受器)的略上游側(cè)上的 高溫部分，放置碳板，并生長氮化鎵晶體。其他條件與實例1中相同。在HVPE反應(yīng)器中，放置了具有掩模的上述襯底(六種類型的襯底，其中三種類型 的地襯底u(yù)i、U2和U3每個都提供有兩種類型的掩模圖案Ml和M2)。最初，在大約500°C (Tb = 500°C)的低溫下、以朋3氣體分壓Pnh3 = 0. 2atm(20kPa) 和HCl氣體分壓Phc1 = 2X 10_3atm(0· 2kPa)以及15分鐘的生長時間，形成GaN的緩沖層。 緩沖層的厚度為60nm。其后，升高該溫度以使極性反轉(zhuǎn)區(qū)形成溫度Tj = 1000°C，并在該掩模上方生長 了極性反轉(zhuǎn)區(qū)，并且在暴露部分上方生長外延層大約一個小時。規(guī)定NH3氣體分壓Pra3 = 0. 2atm(20kPa),HCl氣體分壓Prel = 2X 10_2atm(2kPa)。碳材料是提供在Ga容器和接受器 之間的上述碳板。包含碳的材料，例如碳板，在例如1000°c的高溫氣氛下與NH3氣體反應(yīng)， 并生成包含碳的氣體，例如碳?xì)浠衔餁怏w。使用包含碳的這種氣體作為摻雜的碳供給源。 該工藝在生長一個小時之后結(jié)束，且沒有進(jìn)行厚膜生長，將樣品冷卻并從反應(yīng)器取出和觀 察。GaN的厚度為70 μ m。觀察結(jié)果地襯底藍(lán)寶石襯底(Ul)、GaAs襯底(U2)、GaN/藍(lán)寶石襯底(U3)Ml (條型掩模)像虛線一樣間歇地生成極性反轉(zhuǎn)區(qū)。M2(點型掩模)在大多數(shù)點中生成極性反轉(zhuǎn)區(qū)。與供給碳?xì)浠衔餁怏w的實例1相似，確認(rèn)在采用碳板作為碳源的實例2中也在 掩模上方形成極性反轉(zhuǎn)區(qū)J。這些結(jié)果相似且在分別采用藍(lán)寶石襯底(Ul)、GaAs襯底(U2)、 GaN/藍(lán)寶石襯底(U3)的地襯底的情形當(dāng)中沒有發(fā)現(xiàn)顯著的差別。它們沒有變黑或黃，并且 保持無色和透明。在晶體生長之后，取出放置在反應(yīng)器中的碳板并稱重。碳板的重量在晶體生長之 后比之前更輕。當(dāng)氫是載氣(carrier gas)時，假設(shè)從碳板移除的成分都變成CH4 (甲烷) 氣體?？紤]到氣體流速，計算甲烷的分壓為lX10-2atm(lkPa)。該分壓落入10Pa_5kPa的 前述范圍內(nèi)。從實例2，發(fā)現(xiàn)固態(tài)源在形成極性反轉(zhuǎn)區(qū)時同樣有效。也就是，沒有必要總是提供 氣態(tài)碳?xì)浠衔餁怏w作為碳源。注意，當(dāng)固態(tài)碳放置在反應(yīng)器中時，在極性反轉(zhuǎn)區(qū)形成(大約0.5-2小時)之后的 厚膜生長(幾十個小時_幾百個小時)中也摻雜了碳。當(dāng)如果GaN的厚膜生長部分包含碳 不是優(yōu)選的時候，在反應(yīng)器中放置碳板的方法是不合適的。實例3在實例3中，考慮了碳?xì)浠衔餁怏w分壓和極性反轉(zhuǎn)區(qū)形成之間的關(guān)系。為此，如 同實例1 一樣改變氣態(tài)碳材料的分壓(流速)，檢驗了碳?xì)浠衔餁怏w分壓對形成極性反轉(zhuǎn) 區(qū)的影響。使用了與實例1相同的HVPE反應(yīng)器。作為地襯底，使用了 GaAs(Ill)A面單晶 襯底(U2)。作為掩模，生產(chǎn)了點型掩模(Ml)和條型掩模(M2)。制備了兩種類型的具有掩模的襯底，其中在地襯底U2上形成了兩種類型的掩模圖案Ml和M2，對兩種類型的襯底進(jìn)行 緩沖層形成和極性反轉(zhuǎn)區(qū)形成。通過改變碳?xì)浠衔餁怏w的供給量，由此檢驗了極性反轉(zhuǎn) 區(qū)的形成是如何相應(yīng)改變的。在HVPE反應(yīng)器中設(shè)置了上述樣品。最初，在大約500°C (Tb)的低溫下、用NH3氣 體分壓 Pnh3 = 0. 2atm(20kPa)和 HCl 氣體分壓 Prel = 2X l(T3atm(0. 2kPa)以及 15 分鐘的 生長時間，形成了 GaN緩沖層。注意ΡΝΗ3/ΡΗα = 100。緩沖層的厚度為60nm。其后，升高該溫度，然后由甲烷氣體摻雜碳以形成極性反轉(zhuǎn)區(qū)J。規(guī)定生長溫度Tj =IOOO0C。規(guī)定 NH3 氣體分壓 Pnh3 = 0. 2atm (20kPa)，HCl 氣體分壓 ΡΗα = 2 X l(T2atm (2kPa)。 注思 Pnib/Phci — I。。在氣體分壓和流速之間存在固定關(guān)系。通過利用質(zhì)量流量控制器等控制流速，來 供給氣體。HVPE設(shè)備中的總壓力為大氣壓(latm)。因此，如果已知總流速，則由此可以計 算單獨氣體的各個分壓。NH3、HC1和CH4的各個氣體分壓是從流速計算的值。用于極性反轉(zhuǎn)區(qū)形成的生長時間為60分鐘。生長的氮化鎵晶體的厚度大約為 70 μ m0生長速率大約為70 μ m/h。注意，甲烷氣體分壓Pai4為以下七種，其由 表不。(1)PCH4(1) = 5Xl(T5atm(5Pa)⑵ Pch4 ⑵=1 X 10_4atm (IOPa)(3) Pch4 ⑶=1 X 10_3atm (IOOPa)(4) Pch4⑷=5 X l(T3atm (500Pa)(5) Pch4 ⑶=1 X 10_2atm (IkPa)(6) Pch4(6) = 5 X l(T2atm (5kPa)(7)Pch4(7) = IXliTatm(IOkPa)冷卻該樣品并將其從反應(yīng)器取出，并且檢驗了由甲烷分壓Pqi4的變化改變極性反 轉(zhuǎn)區(qū)的產(chǎn)生/非產(chǎn)生的方式如何。利用立體顯微鏡和SEM進(jìn)行該觀察。(1)在 PCH4(1) = 5X 10_5atm(5Pa)的情形下觀察結(jié)果Ml (條型掩模)僅在掩模上間歇地生成了極性反轉(zhuǎn)區(qū)。M2(點型掩模)僅在掩模上間歇地生成了極性反轉(zhuǎn)區(qū)。(2)在 Pch4⑵=1 X 10_4atm(IOPa)的情形下觀察結(jié)果Ml (條型掩模)極性反轉(zhuǎn)區(qū)像虛線一樣間歇地存在于掩模上。M2(點型掩模)在大多數(shù)點掩模中生成極性反轉(zhuǎn)區(qū)。(3)在 Pch4⑶=1 X 10_3atm(IOOPa)的情形下觀察結(jié)果Ml (條型掩模)在掩模上連續(xù)存在極性反轉(zhuǎn)區(qū)。M2(點型掩模)在所有點掩模上生成了極性反轉(zhuǎn)區(qū)。(4)在 Pch4⑷=5X 10_3atm(500Pa)的情形下觀察結(jié)果Ml (條型掩模)在掩模上連續(xù)存在極性反轉(zhuǎn)區(qū)。
M2(點型掩模)在所有點掩模上生成了極性反轉(zhuǎn)區(qū)。(5)在 Pch4⑶=1 X 10_2atm(IkPa)的情形下觀察結(jié)果Ml (條型掩模)在掩模上連續(xù)存在極性反轉(zhuǎn)區(qū)。M2(點型掩模)在所有點掩模上生成了極性反轉(zhuǎn)區(qū)。(6)在 PCH4(6) = 5X 10_2atm(5kPa)的情形下觀察結(jié)果Ml (條型掩模)極性反轉(zhuǎn)區(qū)像虛線一樣間歇地存在并且顏色是黑的。M2(點型掩模)在部分點掩模上生成了極性反轉(zhuǎn)區(qū)并且顏色是黑的。(7)在 Pch4⑴=1 X IO^atm(IOkPa)的情形下Ml (條型掩模)在整個表面上方出現(xiàn)了裂縫并且顏色是黑的。M2(點型掩模)在整個表面上方出現(xiàn)了裂縫并且顏色是黑的。獲得了前述結(jié)果，并發(fā)現(xiàn)當(dāng)Pai4il) = 5Pa時，間歇地生成了極性反轉(zhuǎn)區(qū)并因此是不 合適的，以及當(dāng)Pch4w = IOkPa時，整個表面變黑并出現(xiàn)了裂縫，因此是不合適的。因此，可 以看出在Pch4⑵=1 X 10"4atm(IOPa)-PCH4(6) = 5X 10"2atm(5kPa)的范圍內(nèi)，在掩模上方形成 極性反轉(zhuǎn)區(qū)。發(fā)現(xiàn)Pcim3) = 1 X 10"3atm(IOOPa)-PCH4(5) = 1 X 10"2atm(IkPa)的范圍能使極性反轉(zhuǎn) 區(qū)形成在所有掩模的上方，同時防止變黑(blackdiscoloring)。也就是，為了通過碳摻雜形 成極性反轉(zhuǎn)區(qū)，甲烷分壓必須是10Pa-5kPa，更希望是lOOPa-lkPa。盡管這是在氣態(tài)碳?xì)浠衔餅樵摬牧系那闆r下發(fā)現(xiàn)的，但是如果碳?xì)浠衔餁怏w 的基本分壓落入該范圍內(nèi)，在將固態(tài)碳板放置在反應(yīng)器中，其被加熱與氫氣反應(yīng)并被提供 給樣品作為碳原料的情況下也獲得了等效效果。實鑼Ij 4在實例4中，在形成緩沖層和極性反轉(zhuǎn)區(qū)之后，花費時間進(jìn)行厚膜生長以獲得GaN 晶體上。研磨和拋光GaN晶體并形成為晶片，檢驗了它的性質(zhì)。制備了兩種類型的具有掩模的襯底，其中在藍(lán)寶石襯底(Ul)上形成了兩種類型 的掩模圖案(也就是，條型掩模(Ml)、點型掩模(M2))。與實例1相似，將兩種類型的具有 掩模的襯底放置在HVPE反應(yīng)器的接受器中。在溫度Tb = 5000C的低溫下、用NH3氣體分壓 Pnh3 = 0. 2atm(20kPa)和 HCl 氣體分壓 Prel = 2X l(T3atm(200Pa)形成了緩沖層。生長時間 為15分鐘，緩沖層的厚度為60nm。其后，將該溫度升高以使Tj = 1000 V，并且在NH3氣體分壓Pnh3 = 0. 2atm (20kPa)、 HCl 氣體分壓 PHCl = 3X l(T2atm(3kPa)和甲烷氣體分壓 Pch4 = 8X l(T3atm(800Pa)的條件 下，進(jìn)行生長15小時。冷卻該樣品并從反應(yīng)器中取出。獲得了形成于具有掩模的地襯底上的大約1.5mm厚的氮化鎵晶體。生長率為 100 μ m/h。利用立體顯微鏡和/或SEM觀察了氮化鎵晶體。獲得的氮化鎵晶體為如圖6A或6B所示的形狀。圖6A示出了形成于具有條型掩模的地襯底上的晶體，而圖6B示出了形成于具有點型掩模的地襯底上的晶體。利用條型掩 模，獲得了其中脊和槽重復(fù)的晶體。利用點型掩模，獲得了具有許多隔離凹口的晶體。在 對應(yīng)條和點型掩模的位置的表面上觀察到了凹口。參考圖5(c)，確定在凹口底部形成了小角度的刻面Fa。根據(jù)地襯底的刻面Fa和主表面之間的角，認(rèn)為刻面Fa是具有c軸方向 (
方向)反轉(zhuǎn)的晶體取向的{11-2-6}面。在凹口的中間部分，存在更陡峭傾斜的刻 面F。它被認(rèn)為是{11-22}面。從前述情形，可以看出在掩模上形成了極性反轉(zhuǎn)區(qū)J。通過研磨工作從氮化鎵晶體移除藍(lán)寶石襯底(Ul)，獲得了氮化鎵的獨立式晶體。 對獨立式氮化鎵晶體的表面進(jìn)一步進(jìn)行了研磨工作和拋光工作，并且獲得了具有平表面的 晶體襯底。晶體襯底很清楚是透明的，并且區(qū)域不可通過肉眼彼此區(qū)別。通過光學(xué)顯微鏡和陰極發(fā)光(CL)評估了平面晶體的表面。結(jié)果，在使用了條型掩 模(Ml)的樣品中，觀察到了大約20 μ m寬且以300 μ m的規(guī)則間距彼此平行的線性凹口。該 部分是晶體缺陷聚集區(qū)H。該凹口可歸因于出現(xiàn)在該表面上的{11-2-6}面，由此可以確定 晶體缺陷聚集區(qū)H是極性反轉(zhuǎn)區(qū)J。該晶體具有HZYZHZYZ……的重復(fù)結(jié)構(gòu)，如圖8B所示。在利用點型掩模(M2)生長的晶體襯底中，凹口的直徑大約為30μπι-40μπι，最近 的凹口之間的間距為300 μ m。任意指定的凹口和最近的凹口具有六重對稱的關(guān)系。它準(zhǔn)確 對應(yīng)于掩模位置。如圖9B所示，晶體缺陷聚集區(qū)H、低缺陷單晶區(qū)Z和C面生長區(qū)Y在晶體 缺陷聚集區(qū)H周圍形成同軸結(jié)構(gòu)。在CL圖像觀察時，在襯底表面上暴露的螺紋位錯表現(xiàn)為黑點。因此，螺紋位錯的 密度可以通過CL測量。螺紋位錯密度在晶體缺陷聚集區(qū)H中高并且為107-108cm_2。螺紋 位錯密度在低缺陷單晶區(qū)Z和C面生長區(qū)Y中低并且為大約1 X 105cnT2。因此，形成了螺紋 位錯密度足夠低的非常低缺陷的單晶區(qū)Z。雖然由本發(fā)明獲得的氮化鎵晶體襯底是具有不 平坦結(jié)構(gòu)的襯底，但可清楚確定低缺陷單晶區(qū)Z、晶體缺陷聚集區(qū)H和C面生長區(qū)Y的位置。 因此，可以提供用于生產(chǎn)高質(zhì)量激光器件的具有低密度位錯的氮化鎵晶體襯底。為了檢驗晶體中確實摻雜了碳，用SIMS(二次離子質(zhì)譜法)進(jìn)行了晶體的元素分 析。結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在掩模上方生長的極性反轉(zhuǎn)區(qū)J(晶體缺陷聚集區(qū)H)中的碳濃度為 IXlO1W30在保持刻面的同時生長的低缺陷單晶區(qū)Z中碳濃度為5X1016cm_3。在C面生 長區(qū)Y中的碳濃度為4X1018cm_3。因此，確定在晶體中確實摻雜了碳。還發(fā)現(xiàn)碳引入的效 率在晶體生長出現(xiàn)的平面當(dāng)中大不相同。進(jìn)一步進(jìn)行了許多試驗?；仡櫾囼灥慕Y(jié)果，發(fā)現(xiàn)保持刻面的同時生長的極性反轉(zhuǎn) 區(qū)J (晶體缺陷聚集區(qū)H)和低缺陷單晶區(qū)Z的碳濃度低于C面生長區(qū)Y的碳濃度。C面生長 區(qū)Y的碳濃度為1016-102°cm_3。C面生長區(qū)部分Y的碳濃度與晶體缺陷聚集區(qū)H的碳濃度的 比、以及C面生長區(qū)部分Y的碳濃度與低晶體缺陷區(qū)部分Z的碳濃度的比兩個都為IO1-IO5t5C面生長區(qū)Y在碳濃度和傳導(dǎo)性方面最高。認(rèn)為C面生長區(qū)Y補(bǔ)償載流子并具有 高電阻，因為碳雜質(zhì)具有深發(fā)光能級。盡管已詳細(xì)描述和示例了本發(fā)明，但應(yīng)清楚地理解，其僅是示例和實例并且不是 限制性的，本發(fā)明的精神和范圍僅由所附的權(quán)利要求所限定。
權(quán)利要求
一種氮化鎵晶體襯底，包括第一晶體區(qū)，所述第一晶體區(qū)具有晶體缺陷聚集區(qū)(H)，以及第二晶體區(qū)，所述第二晶體區(qū)具有低晶體缺陷區(qū)部分(Z)和C面生長區(qū)部分(Y)，其中所述C面生長區(qū)部分(Y)的碳濃度與所述晶體缺陷聚集區(qū)(H)的碳濃度之比為101-105，并且所述C面生長區(qū)部分(Y)的碳濃度與所述低晶體缺陷區(qū)部分(Z)的碳濃度之比為101-105，并且所述C面生長區(qū)部分(Y)的所述碳濃度是1016-1020cm-3。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種氮化鎵晶體襯底，該氮化鎵晶體襯底包括第一晶體區(qū)，該第一晶體區(qū)具有晶體缺陷聚集區(qū)(H)，以及第二晶體區(qū)，該第二晶體區(qū)具有低晶體缺陷區(qū)部分(Z)和C面生長區(qū)部分(Y)。C面生長區(qū)部分(Y)的碳濃度與晶體缺陷聚集區(qū)(H)的碳濃度之比為101-105，并且C面生長區(qū)部分(Y)的碳濃度與低晶體缺陷區(qū)部分(Z)的碳濃度之比為101-105。并且，該C面生長區(qū)部分(Y)的碳濃度是1016-1020cm-3。
文檔編號C30B23/04GK101805928SQ20101012169
公開日2010年8月18日 申請日期2007年6月8日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月8日
發(fā)明者上松康二, 中畑成二, 井尻英幸, 佐藤史隆, 元木健作, 岡久拓司, 弘田龍, 松岡徹, 笠井仁, 藤田俊介 申請人:住友電氣工業(yè)株式會社