專利名稱：GaN單晶基底、氮化物類半導(dǎo)體外延生長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)GaN或AlN的緩沖層，然后在至少1000℃的高溫下生長(zhǎng)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(zhǎng)方向上延伸，以致于看起來(lái)象是外延生長(zhǎng)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(zhǎng)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(guó)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)層來(lái)說(shuō)，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(zhǎng)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(zhǎng)基底。
在氮化物類半導(dǎo)體外延生長(zhǎng)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(zhǎng)層來(lái)說(shuō)足夠平整的基底上外延生長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)層界面中發(fā)生的缺陷。
在GaN單晶基底上外延生長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)。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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)層來(lái)說(shuō)，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(zhǎng)層的表面平整。當(dāng)與該平整的外延生長(zhǎng)層表面種類不同的單晶層在其上生長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)層來(lái)說(shuō)沒有必要進(jìn)行再加工如熱處理。這可以簡(jiǎn)化生產(chǎn)外延生長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)法)、HVPE(氫化物氣相外延生長(zhǎng)法)和MBE(分子束外延生長(zhǎng)法)中的任何一種方法進(jìn)行外延生長(zhǎng)。這樣可以在基底上形成良好的外延生長(zhǎng)層。
優(yōu)選地是，GaN單晶基底的熱處理和外延生長(zhǎng)都是在用于進(jìn)行外延生長(zhǎng)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(zhǎng)具有良好結(jié)晶度的外延生長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)基底的剖面圖。這種氮化物類半導(dǎo)體外延生長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)，并且二者之間沒有錯(cuò)配。
現(xiàn)在說(shuō)明GaN單晶基底和氮化物類半導(dǎo)體外延生長(zhǎng)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(zhǎng)(外延生長(zhǎng)步驟)。
現(xiàn)在對(duì)其詳細(xì)說(shuō)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(lái)說(shuō)，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(zhǎng)時(shí)，在具有高度差的區(qū)域如損傷內(nèi)將產(chǎn)生大量無(wú)規(guī)晶核，這些晶體可能三維生長(zhǎng)，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(shuō)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)?。這種氫氣量不足以進(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(zhǎng)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(zhǎng)度越長(zhǎng)，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(lái)說(shuō)，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(shuō)明外延生長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)。
還優(yōu)選在熱處理后和外延生長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)層12的指標(biāo)的外延生長(zhǎng)基底11有利于其后續(xù)器件結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)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(zhǎng)層12的晶軸波動(dòng)。更具體地說(shuō)，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(zhǎng)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(zhǎng)基底。
上述表面熱處理步驟還可以將外延生長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)層12的結(jié)晶度，從而使疊加在外延生長(zhǎng)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(zhǎng)層12形成的外延生長(zhǎng)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(zhǎng)基底10上的外延生長(zhǎng)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(zhǎng)基底10，其中，在n型單晶基底11上生長(zhǎng)n型GaN層12，然后在其上生長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)爐22的通孔?？梢允褂肧iC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(zhǎng)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(zhǎng)用藍(lán)寶石作為基底并且預(yù)先生長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)的外延生長(zhǎng)層中的攻絲位錯(cuò)密度約為108-109cm-2，而在GaN基底11上生長(zhǎng)的許多樣品中，外延生長(zhǎng)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(zhǎng)的GaN單晶基底。當(dāng)在本發(fā)明的GaN單晶基底上外延生長(zhǎng)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(shuō)的表面在經(jīng)過所說(shuō)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(zhǎng)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(shuō)的GaN單晶基底上外延生長(zhǎng)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(zhǎng)基底，其中，所說(shuō)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(zhǎng)基底，其中，所說(shuō)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(zhǎng)基底，其中，所說(shuō)的在所說(shuō)的GaN單晶基底上外延生長(zhǎng)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(zhǎng)基底，其中，所說(shuō)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(zhǎng)基底，其中，所說(shuō)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(shuō)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(shuō)的基底上；活性層疊加在所說(shuō)的包覆層上；包括AlxGa1-xN(0＜x＜1)的p型包覆層疊加在所說(shuō)的活性層上；和，p型GaN層疊加在所說(shuō)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(shuō)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(shuō)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(shuō)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(zhǎng)基底的方法，其包括下述步驟在不氧化所說(shuō)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(shuō)的GaN單晶基底上外延生長(zhǎng)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(zhǎng)基底的方法，其中，所說(shuō)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(zhǎng)基底的方法，其中，所說(shuō)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(zhǎng)基底的方法，其中，所說(shuō)的外延生長(zhǎng)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(zhǎng)基底的方法，其中，所說(shuō)的GaN單晶基底的所述熱處理和所說(shuō)的外延生長(zhǎng)都是在用于進(jìn)行所說(shuō)的外延生長(zhǎng)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(shuō)的基底具有n型電導(dǎo)率；在所說(shuō)的包覆層上疊加活性層；在所說(shuō)的活性層上疊加包括AlxGa1-xN(0＜x＜1)的p型包覆層；和，在所說(shuō)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(zhǎng)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