專利名稱：其上接合有GaN薄膜的襯底及其制備方法以及基于GaN的半導(dǎo)體器件及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及由與GaN不同類型或化學(xué)成分的襯底和接合在不同類 型的襯底上的GaN薄膜形成的薄GaN接合膜的襯底及其制造方法。此 外，本發(fā)明涉及包括沉積在GaN薄膜上的至少一層基于GaN的半導(dǎo)體 層的基于GaN的半導(dǎo)體器件及其制備方法。
背景技術(shù)：
GaN襯底以及GaAs、InP和其它類似的襯底適合用于半導(dǎo)體器件。 然而，GaN襯底相比GaAs和InP襯底需要極高的制備成本。因此利用 GaN襯底的半導(dǎo)體器件需要極高的制備成本。這是從GaN襯底的制造 方法與GaAs和InP襯底的制造方法之間的不同得到的。更具體地，對(duì)于GaAs和InP襯底，采用布里奇曼晶體生長(zhǎng)、 Czochralski晶體生長(zhǎng)或類似的液相沉積來生長(zhǎng)晶體。同樣，晶體能生 長(zhǎng)很快。例如，在近似100個(gè)小時(shí)期間容易生長(zhǎng)至少200mm厚的、大 的GaAs和InP塊狀晶體(bulk crystalline body)，并且這樣厚的、大 的塊狀晶體允許近似200li m至400U m厚，分別從此處切割大量的獨(dú) 立式的GaAs和InP襯底(例如，每種類型的襯底至少有100個(gè))。對(duì)于GaN襯底，相反，釆用氫化物汽相外延(HVPE)、有機(jī)金 屬化學(xué)汽相沉積(MOCVD)或其它類似的汽相沉積來生長(zhǎng)晶體。同樣， 晶體生長(zhǎng)得慢。例如，近似100個(gè)小時(shí)的晶體生長(zhǎng)時(shí)間僅可以提供近 似10 mm厚的GaN塊狀晶體，并且這樣的塊狀晶體僅允許從此處切割 少量的(例如，近似IO個(gè))近似200wm至400um厚的、獨(dú)立式的 GaN襯底。
然而，如果減小從GaN塊狀晶體切割的GaN膜的厚度以提供增 加數(shù)量的GaN襯底，則會(huì)減小該膜的強(qiáng)度并且不能是獨(dú)立式襯底。因 此需要一種增強(qiáng)從GaN塊狀晶體切割的GaN薄膜的方法。增強(qiáng)GaN薄膜的這種方法是制造由與GaN不同類型或化學(xué)成分 的襯底，和接合在不同類型襯底上的GaN薄膜形成的薄GaN接合膜襯 底(在下文還稱為"接合膜襯底")。在例如在日本專利國(guó)家公布No. 2004-512688和日本專利特開No. 2005-252244中公開的方法中制造了 這種接合膜襯底。然而，如果使用在公布中描述的方法制造的接合膜 襯底通過MOCVD、 MBE或類似的汽相沉積來制備半導(dǎo)體器件，則沉 積在不同類型襯底上的GaN薄膜會(huì)在GaN薄膜上沉積半導(dǎo)體層的步驟 中不利地剝離該襯底。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明構(gòu)思了一種由與GaN類型或化學(xué)成分不同的襯底和穩(wěn)固地 接合在不同類型襯底上的GaN薄膜形成的薄GaN薄膜襯底及其制造方 法、和包括沉積在GaN薄膜上的至少一層基于GaN的半導(dǎo)體層的基于 GaN的半導(dǎo)體器件及其制備方法。本發(fā)明提供了一種制造薄GaN接合膜襯底的方法，包括步驟在 GaN塊狀晶體上接合與GaN不同類型、不同化學(xué)成分的襯底；和在離 其與不同類型襯底的界面具有至少O.l"m和至多l(xiāng)OO"m距離的平面 處隔開GaN塊狀晶體，以在不同類型的襯底上提供GaN薄膜，其中 GaN塊狀晶體具有接合到不同類型襯底的表面，具有至多20ii m的最 大表面粗糙度Rmax。制造薄GaN接合膜襯底的該方法可以進(jìn)一步包括在GaN塊狀 晶體上接合不同類型襯底的步驟之前，將選自由氫離子、氦離子和氮 離子構(gòu)成的組的一種類型的離子注入到在離將被接合的GaN塊狀晶體
的表面至少0.1um和至多100um深的平面處的GaN塊狀晶體中，其 中隔開GaN塊狀晶體的步驟可以包括對(duì)GaN塊狀晶體進(jìn)行熱處理。此 外，隔開GaN塊狀晶體的步驟可以包括在離其與不同類型襯底的界面 至少0.1 " m和至多100 n m距離的平面處切割GaN塊狀晶體。此外，本發(fā)明提供了一種用前述方法獲得的薄GaN接合膜襯底制 備第一基于GaN的半導(dǎo)體器件的方法，包括在薄GaN接合膜襯底的 GaN薄膜上生長(zhǎng)至少一層基于GaN的半導(dǎo)體層的步驟。此外，本發(fā)明提供了一種利用前述方法獲得的第一基于GaN的半 導(dǎo)體器件制備第二基于GaN的半導(dǎo)體器件的方法，包括步驟在第一 基于GaN的半導(dǎo)體器件的基于GaN的半導(dǎo)體層的最外層上接合輻射且 導(dǎo)電的襯底；和將GaN薄膜和不同類型的襯底彼此分離。此外，本發(fā)明提供了一種薄GaN接合膜襯底，包括與GaN不 同類型、不同化學(xué)成分的襯底；和具有至少0.1iim和至多100um的 厚度并接合在不同類型襯底上的GaN薄膜。在該薄GaN接合膜襯底中，GaN薄膜可以具有至多l(xiāng)X109cm'2 的位錯(cuò)密度。此外，GaN薄膜可以具有至少1乂10|7011'3的載流子密度。 此外，GaN薄膜可以包括單晶的第一晶體區(qū)和包括由具有相對(duì)于第一 晶體區(qū)反轉(zhuǎn)的
方向的單晶形成的部分和多晶部分中至少之一的 第二晶體區(qū)。此外，不同類型的襯底可以具有至少1X10-8K"和至多1 X10—SK"的熱膨脹系數(shù)。此外，本發(fā)明提供了一種第一基于GaN的半導(dǎo)體器件，包括與 GaN不同類型、不同化學(xué)成分的襯底；具有至少O.lum和至多IOOU m的厚度并接合在不同類型襯底上的GaN薄膜；和沉積在GaN薄膜上 的至少一層基于GaN的半導(dǎo)體層。
此外，本發(fā)明提供了一種第二基于GaN的半導(dǎo)體器件，包括具 有至少0.1um和至多100wm厚的GaN薄膜；沉積在GaN薄膜上的 至少一個(gè)基于GaN的半導(dǎo)體層；和接合在基于GaN的半導(dǎo)體層的最外 層上的輻射導(dǎo)電襯底。由此，本發(fā)明可以提供一種由與GaN類型或化學(xué)成分不同的襯底 和穩(wěn)固地接合在不同類型襯底上的GaN薄膜形成的薄GaN薄膜襯底及 其制造方法、和包括沉積在GaN薄膜上的至少一個(gè)基于GaN的半導(dǎo)體 層的基于GaN的半導(dǎo)體器件及其制備方法。這允許以減少成本制備半 導(dǎo)體器件。結(jié)合附圖，考慮本發(fā)明的以下詳細(xì)說明，本發(fā)明的前述和其它目 的、特征和優(yōu)點(diǎn)將變得更加顯而易見。
圖1 (a) -1 (g)示出了薄GaN接合膜的襯底、第一和第二基于 GaN的半導(dǎo)體器件、以及分別制造和制備襯底和半導(dǎo)體器件的方法。 更具體地，圖l(a)-l(g)分別示出了如下步驟生長(zhǎng)GaN塊狀晶體； 提供鏡面；接合不同類型的襯底；隔開GaN塊狀晶體；生長(zhǎng)基于GaN 的半導(dǎo)體層；接合輻射導(dǎo)電板；以及分離不同類型的襯底。圖2 (a) -2 (d)是示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的薄GaN接合膜襯 底的制造方法的--個(gè)實(shí)例的截面。更具體地，圖2 (a) -2 (d)示出了 如下步驟注入離子；清洗表面接合不同類型的襯底和對(duì)GaN塊 狀晶體進(jìn)行熱處理以隔開GaN塊狀晶體。圖3 (a) -3 (c)是示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的薄GaN接合膜襯 底的制造方法的另一實(shí)例的截面。更具體地，圖3 (a) -3 (c)示出了 如下步驟清洗表面；接合不同類型的襯底；和切割GaN塊狀晶體以 隔開它。圖4A和4B分別示意性地示出了條狀和點(diǎn)狀圖案，用于釆用的第 一掩模中的開口，以生長(zhǎng)本發(fā)明中使用的GaN塊狀晶體。
圖5A和5B分別示意性地示出了條狀和點(diǎn)狀圖案，用于釆用的掩 模層中的第二掩摸層，以生長(zhǎng)本發(fā)明中使用的GaN塊狀晶體。圖6A是如本發(fā)明中提供的包括第一晶體區(qū)和第二條狀晶體區(qū)的 GaN塊狀晶體及其制造方法的平面示意圖，圖6B是如本發(fā)明中提供的 包括第一晶體區(qū)和第二點(diǎn)狀晶體區(qū)的GaN塊狀晶體及其制造方法的平 面示意圖，以及圖6C是圖6A和6B沿著截面VIC-VIC的截面示意圖。圖7 (a) -7 (e)是示意性地示出根據(jù)本發(fā)明制造薄GaN接合膜 襯底的方法的另一實(shí)例的截面。更具體地，圖7 (a) -7 (e)示出了如 下步驟提供鏡面；注入離子；清洗表面；接合不同類型的襯底和 對(duì)GaN塊狀晶體進(jìn)行熱處理以隔開GaN塊狀晶體。圖8和9分別是根據(jù)本發(fā)明由LED實(shí)現(xiàn)的第一基于GaN的半導(dǎo) 體器件的--個(gè)和另一實(shí)例的截面示意圖。圖10 (a) -10 (c)是示出根據(jù)本發(fā)明由LED實(shí)現(xiàn)的第二基于GaN 的半導(dǎo)體器件一個(gè)實(shí)例的制備工藝的截面示意圖。更具體地，圖10(a) -10 (c)分別示出了如下步驟在薄GaN接合膜襯底上提供至少一個(gè) 基于GaN的半導(dǎo)體層；接合輻射導(dǎo)電板；以及分離不同類型的襯底。圖11是根據(jù)本發(fā)明由HEMT實(shí)現(xiàn)的第一基于GaN的半導(dǎo)體器件 的另一實(shí)例的截面示意圖。圖12是根據(jù)本發(fā)明由垂直晶體管實(shí)現(xiàn)的第一基于GaN的半導(dǎo)體 器件的另一實(shí)例的截面示意圖。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1在一個(gè)實(shí)施例中的該薄GaN接合膜襯底包括類型或化學(xué)成分與 GaN不同的襯底20，和具有至少0.1um和至多l(xiāng)OOum的厚度且接合 在不同類型的襯底20上的GaN薄膜10a，如圖1 (d)所示。本實(shí)施例 提供了具有接合在不同類型的襯底20上的薄GaN接合膜襯底l和具有 至少0.1 u m和至多100 ii m厚的GaN薄膜10a。這使得能從GaN塊狀 晶體獲得大量的薄GaN接合膜襯底，和用于半導(dǎo)體器件的襯底以及以 減少成本制造的半導(dǎo)體器件。
參考圖1，用如在一個(gè)實(shí)施例中提供的方法制造該薄GaN接合膜 的襯底，包括接合類型或化學(xué)成分與GaN塊狀晶體10上的GaN不同 的襯底20的步驟，(圖1 (c))，和在平面10t隔開GaN塊狀晶體 10，該平面10t具有離不同類型的襯底20的界面至少0.1 u m且至多 lOOym的距離，以在不同類型的襯底20上提供GaN薄膜10a (圖1 (d))。這種方法可以提供接合在不同類型的襯底20上的并且具有 至少O.lum且至多100um厚的GaN薄膜10a。更具體地，參考圖l (a)，利用由可以與GaN晶體良好晶格匹配 的GaAs、藍(lán)寶石、SiC或類似襯底實(shí)現(xiàn)的底層襯底100通過HVPE或 類似的汽相沉積生長(zhǎng)GaN塊狀晶體10。從由此生長(zhǎng)的GaN塊狀晶體 10，通過公知技術(shù)研磨或類似地移除底層襯底100以獲得如圖1 (b) 所示的GaN塊狀晶體10。 GaN塊狀晶體10具有拋光為鏡面的氮原子 表面(下文還簡(jiǎn)稱為"N表面")lOn。注意，GaN塊狀晶體10具有 與N表面lOti相對(duì)的鎵原子表面(在下文還簡(jiǎn)稱為"Ga表面")10g。然后參考圖l (c)，不同類型的襯底20接合在GaN塊狀晶體10 的N表面10n上。這可以以任何形式進(jìn)行，但優(yōu)選通過表面激活、熔 焊等，因?yàn)檫@樣的技術(shù)能使襯底在低溫均勻地接合。注意，表面激活 使將要接合的表面曝光到等離子體以激活該表面并隨后接合它。熔焊 是增壓并由此熱清洗表面以使表面接合在一起的技術(shù)(將接合在一起 的表面)。在本實(shí)施例中，GaN塊狀晶體具有將被接合的表面(不同類型的 襯底上)，其具有至多20ym的最大表面粗糙度Rmax。最大的表面粗 糙度Rmax表示將被接合的整個(gè)表面的頂與谷之間水平面差的最大值。 將被接合的表面可通過任何方法提供有至多20!im的最大表面粗糙度 Rmax。例如， 一種這樣的方法包括在將被接合的GaN塊狀晶體的表面 拋光到具有至多20u m的最大表面粗糙度Rmax的步驟之后，在GaN
塊狀晶體上接合類型或化學(xué)成分與GaN不同的襯底的步驟。如果GaN 塊狀晶體具有最大表面粗糙度超過20iim的將被接合的表面，溫度增 加到能使基于GaN的半導(dǎo)體層外延生長(zhǎng)的近似1，200'C,并且隨后降 低，則GaN薄膜傾向于剝離。因此，將被接合的表面具有更優(yōu)選至多 10U m的最大表面粗糙度Rmax。最大表面粗糙度Rmax可以用不平度 測(cè)試器和接觸型表面剖面儀測(cè)量。此外，為了將不同類型的GaN薄膜和襯底更堅(jiān)固地接合在一起并 且進(jìn)一步減少GaN薄膜從不同類型的襯底剝離，GaN塊狀晶體優(yōu)選具 有平均表面粗糙度Ra為至多l(xiāng)nm的將要接合的表面。在這里，平均表 面粗糙度Ra表示通過從其平均表面的方向上的表面粗糙度分布僅提取 基準(zhǔn)面積并且對(duì)于基準(zhǔn)面積取絕對(duì)值的平均值所獲得的值，絕對(duì)值每 個(gè)都代表從提取部分的平均表面到測(cè)量的表面分布的距離。平均表面 粗糙度Ra可以用光干涉表面剖面儀等測(cè)量。將被接合的GaN塊狀晶 體的那個(gè)表面可以以任意方法提供有至多l(xiāng)nm的平均表面粗糙度Ra。 例如， 一種這樣的方法包括如下步驟拋光將被接合的表面，隨后在 該表面上接合不同類型的襯底的步驟之前用氯氣蝕刻拋光的表面以提 供至多l(xiāng)rim的平均表面粗糙度Ra的表面。在GaN塊狀晶體10上接合不同類型的襯底20的步驟優(yōu)選在蝕刻 將被接合的GaN塊狀晶體10的那個(gè)表面的步驟之前。這種蝕刻可以移 除形成在GaN塊狀晶體10的表面上的氧化膜并增強(qiáng)表面平面度，這能 使不同類型的GaN塊狀晶體和襯底更堅(jiān)固地接合。雖然這種蝕刻不限 于任何特定的方式，但更優(yōu)選用氯氣而不是氬氣進(jìn)行，氯氣能使GaN 塊狀晶體10具有從此處移除的更多氧化膜的表面，并增強(qiáng)了平面度。如果使用氬氣來蝕刻將被接合的GaN塊狀晶體的那個(gè)表面，則該 表面提供有大于lmn的平均表面粗糙度Ra，以及如果具有不同類型的 襯底接合在上面的這種GaN塊狀晶體溫度增加到能使外延生長(zhǎng)的 1，200'C，并且隨后降低溫度，則GaN塊狀晶體可以具有剝離襯底的其
接合的表面。相反，將被接合的、也就是用氯氣蝕刻的GaN塊狀晶體 的那個(gè)表面可以具有至多l(xiāng)mn的平均表面粗糙度Ra，以及如果在上面 接合不同類型的襯底的這種GaN塊狀晶體溫度增加至能使外延生長(zhǎng)的 1,2001C，并且隨后溫度降低，則GaN塊狀晶體幾乎不具有剝離襯底的 其接合表面。將被接合的GaN塊狀晶體的那個(gè)表面具有斜角，也就是由將被接 合的表面和(0001)面形成的角，優(yōu)選至少0.03°和至多20°的角以 使不同類型的GaN塊狀晶體和襯底更堅(jiān)固地接合在一起。這很可能因 為具有至少0.03°和至多20°的斜角的表面相比具有斜角或接近0° 的表面具有更大量的鍵合，并且由此可以更堅(jiān)固地接合到不同類型的 襯底。同樣，將被接合的GaN塊狀晶體的那個(gè)表面具有更優(yōu)選至少O.l °和至多2° 、還更優(yōu)選至少0.2。和至多0.9°的斜角。注意，將被接 合的GaN塊狀晶體的那個(gè)表面的斜角涉及將被接合的GaN塊狀晶體的 那個(gè)表面的中心值，如由x射線衍射測(cè)量的。然后，參考圖1 (c)和1 (d)，在離不同類型的襯底20的界面 具有至少O.lum和至多100um的距離T的平面10t處隔開GaN塊狀 晶體IO，以在不同類型的襯底20上提供GaN薄膜10a，從而提供包括 類型或化學(xué)成分與GaN不同的襯底20和接合在不同類型的襯底20上 并具有至少0.1 y m且至多100li m厚度T的GaN薄膜的薄GaN接合 膜的襯底l。在圖l中注意，示出了不同類型的襯底20為導(dǎo)電襯底， 其也可以是絕緣襯底。在實(shí)施例1中，在離不同類型的襯底的界面具有至少O.lum和至 多100um距離的平面處隔開GaN塊狀晶體，如將在下文描述的。在 下文如實(shí)施例1A將描述優(yōu)選在離不同類型襯底的界面具有更小距離 的平面隔開的制造方法的實(shí)例，如實(shí)施例1B將描述優(yōu)選在離不同類型 的襯底的界面具有更大距離的平面隔開的制造方法的實(shí)例。
實(shí)施例1A應(yīng)用實(shí)施例1A在離不同類型的襯底的界面具有至少0.1 u m和至 多100nm、優(yōu)選至少0.1wm和至多50wm、更優(yōu)選至少0.1um和至 多10nm距離的平面隔開。本實(shí)施例提供了在如下的方法中制造的薄 GaN接合膜的襯底。參考圖2，該方法包括在將從由氫離子、氦離子和 氮離子構(gòu)成的組選擇的一種類型的離子140注入到位于離將要接合的 GaN塊狀晶體10的表面至少0.1 u m和至多100 u m的深度T的平面 10t處的GaN塊狀晶體10中的步驟之后(圖2 (a))，在GaN塊狀 晶體10上接合不同類型的襯底20的步驟(圖2 (c))，并且包括通 過對(duì)GaN塊狀晶體10進(jìn)行熱處理隔開GaN塊狀晶體10的步驟(圖2 (d))。這種方法確保便于在離不同類型的襯底的界面具有更小距離 的平面處精確地隔開GaN塊狀晶體。更具體地，最初參考圖2 (a)，將選自由氫離子、氦離子和氮離 子構(gòu)成的組的一種類型的離子140注入到具有N表面10n的GaN塊狀 晶體10中，其用作將被接合的、鏡面拋光的表面。更具體地注意，在 具有離N表面10n至少0.1um和至多100 u m的距離T的平面10t處 注入離子?？梢砸匀我夥绞阶⑷腚x子。優(yōu)選，使用離子注入設(shè)備。然后參考圖2 (b) ， GaN塊狀晶體10具有例如用氯氣蝕刻150 為清潔表面的將被接合的表面，也就是N表面10n。此外，不同類型 的襯底也具有例如用氬氣蝕刻150為清潔表面(未示出)的將被接合 (至GaN塊狀晶體)的表面。已被清洗的接合在一起的表面能使不同 類型的GaN塊狀晶體和襯底更堅(jiān)固地接合在一起。然后參考圖2 (c)， 將被接合的GaN塊狀晶體的表面，也就是N表面，與將被接合的不同 類型的襯底的表面通過表面激活接合在一起。然后參考圖2 (d)，對(duì)具有不同類型的襯底20接合在上面的GaN 塊狀晶體10進(jìn)行熱處理，以使具有選自注入其中的氫離子、氦離子和 氮離子的一種類型離子的部分變脆。由此在那個(gè)部分隔開GaN塊狀晶 體。由此獲得了薄GaN接合膜襯底l，包括不同類型的襯底20和接合 在不同類型的襯底20上的GaN薄膜10a。注意，優(yōu)選在至少300°和 至多600°的溫度、更優(yōu)選至少400°和至多500°的溫度下進(jìn)行熱處 理，以擴(kuò)大歸因于注入了選自氫離子、氦離子和氮離子的一種類型的 離子的微腔，并且本質(zhì)上還減少了離子的擴(kuò)散。在從GaN塊狀晶體10隔開GaN薄膜10a之后，GaN塊狀晶體10b 保留，如上所述，對(duì)其進(jìn)一步注入選自由氫離子、氦離子和氮離子構(gòu) 成的組的一種類型的離子。注意，在位于離隨后將被接合的N表面至 少O.lum和至多100um的平面處注入離子。然后將N表面(將被接 合的GaN塊狀晶體的那個(gè)表面)蝕刻為潔凈表面，并且然后接合到具 有將被接合的表面蝕刻為潔凈表面的不同類型的襯底上。隨后對(duì)中間 產(chǎn)物進(jìn)行熱處理以提供另一薄GaN接合膜襯底。可以重復(fù)這種工藝以 由GaN塊狀晶體制造許多薄GaN接合膜的襯底。實(shí)施例1B將本實(shí)施例應(yīng)用到離不同類型的襯底的界面具有至少0.1 u m和 至多100um、優(yōu)選至少10um和至多100um、更優(yōu)選至少50um和 至多100U m距離的平面隔開。本實(shí)施例提供了在如下的方法中制造的 薄GaN接合膜的襯底。參考圖3，該方法不包括將從由氫離子、氦離 子和氮離子構(gòu)成的組選擇的一種類型的離子注入到GaN塊狀晶體中的 步驟，而包括如下步驟蝕刻150將被接合的GaN塊狀晶體10的那個(gè) 表面，也就是N表面10n，為清潔源(圖3 (a));將不同類型的襯 底20接合到GaN塊狀晶體IO上(圖3 (b));以及隔開GaN塊狀 晶體IO (圖3 (c))。隔開GaN塊狀晶體10的步驟(圖3 (c))是 通過在離不同類型襯底的界面具有至少0.1 ii m和至多100ii m的距離 T的平面10t切割GaN塊狀晶體10完成的。這種方法確保便于在離不 同類型襯底的界面具有更大距離的平面處精確地隔開GaN塊狀晶體。 由此獲得了薄GaN接合膜的襯底1,其包括不同類型的襯底20和接合 在不同類型的GaN薄膜10a。
在從GaN塊狀晶體10隔開GaN薄膜10a之后，GaN塊狀晶體10b 保留，如上所述，其具有隨后接合蝕刻為潔凈表面的N表面。然后將 GaN塊狀晶體10b接合到不同類型的襯底上，該襯底具有將被接合的 蝕刻為潔凈表面的表面。隨后在離不同類型的襯底的界面具有至少0.1 um和至多100um的距離的平面處切割GaN塊狀晶體。可以重復(fù)這 種工藝以由GaN塊狀晶體制造許多薄GaN接合膜的襯底。雖然可以以 任何方式切割GaN塊狀晶體，但切割I(lǐng)II族氮化物晶體通常采用的設(shè)備 例如包括放電機(jī)器(electro-dischargemachine)、線狀鋸、外圍邊緣、 內(nèi)圍邊緣、激光輻射等來切割晶體。
上述方法確保薄GaN接合膜的襯底l能容易地以高精度、減少成 本大量制造，該襯底1包括類型或化學(xué)成分與GaN不同的襯底20、和 接合在不同類型的襯底20上并具有至少0.1 li m和至多100 li m厚度T 的GaN薄膜10a。
在實(shí)施例1中，薄GaN接合膜的襯底優(yōu)選具有位錯(cuò)密度為至多1 X 109cnf2的GaN薄膜，具有上述低位錯(cuò)密度的GaN薄膜提高了發(fā)光 二極管(LED)、激光二極管(LD)和類似光學(xué)器件的特性(例如光 輸出、壽命等)以及高電子遷移率晶體管(HEMT)、垂直電容器和類 似電子器件的特性。具有低位錯(cuò)密度為至多l(xiāng)X10^m^的GaN薄膜可 以通過隔開具有低位錯(cuò)密度為至多l(xiāng)Xl(^cnr2的GaN塊狀晶體來獲得。 在這種情形下，GaN薄膜具有優(yōu)選至多l(xiāng)X107cm'2、更優(yōu)選至多3X
106(5111—2的位錯(cuò)密度。
例如可以參考圖4A和4B在下文描述的方法中制造具有低位錯(cuò)密 度為至多1X10^m"的GaN塊狀晶體。更具體地，最初在底層襯底上 提供第一掩模層110。第一掩模層110由如圖4A所示的條狀圖案化的 開口 110w和掩模部分110m、或如圖4B所示的點(diǎn)狀圖案化的開口 110w 和掩模部分110m形成。
然后在這種第一掩模層IIO上生長(zhǎng)GaN塊狀晶體以獲得低位錯(cuò)密 度的GaN塊狀晶體。為了獲得至多1X10^m-a的位錯(cuò)密度，條狀開口 llOw優(yōu)選具有0.4" m至10um的寬度Vw和0.4u m至20u m的間 距Vp(圖4A)，點(diǎn)狀開口 110w優(yōu)選具有0.4um至10um的寬度Vw 和2um至10um的間距Vp(圖4B)。第一掩模層100可由任何材料 形成。優(yōu)選，其由Si02、 Si3N4等形成。
如果實(shí)施例1的薄GaN接合膜襯底用作LED、 LD、垂直晶體管 或類似垂直半導(dǎo)體器件的襯底，則優(yōu)選GaN薄膜是導(dǎo)電的。例如，GaN 薄膜優(yōu)選具有至少1X10 m-s的載流子密度。具有載流子密度為至少 lXl(^cn^的GaN導(dǎo)電薄膜可以通過隔開具有載流子密度為IX 1017cm-3的GaN塊狀晶體獲得，并且這種GaN塊狀晶體可以通過使它 生長(zhǎng)同時(shí)用氧(0)、鍺(Ge)、硫(S)、硅(Si)或類似摻雜劑摻 雜它來獲得。為了增強(qiáng)導(dǎo)電性，優(yōu)選至少1X10"cn^的載流子密度。 注意，GaN薄膜的載流子密度可以用空穴測(cè)量設(shè)備來測(cè)量。
實(shí)施例1的薄GaN接合膜襯底優(yōu)選包括含有單晶的第一晶體區(qū)和 第二晶體區(qū)的GaN薄膜，該第二晶體區(qū)包括由具有相對(duì)于第一晶體區(qū) 反轉(zhuǎn)的
方向的單晶形成的部分和減少位錯(cuò)的多晶部分中的至少 之一形成。這種第二晶體區(qū)可以吸收并因此減少位錯(cuò)。如上所述包括 第一和第二晶體區(qū)的薄膜可以通過隔開包括這種第一和第二晶體區(qū)的 GaN塊狀晶體來獲得。
參考圖5A和5B、和6A-6C，例如可以用下文所述的方法制造包 括單晶第一晶體區(qū)和第二晶體區(qū)的GaN塊狀晶體，第二晶體區(qū)包括由 相對(duì)于第一晶體區(qū)反轉(zhuǎn)的
方向的單晶形成的部分和多晶部分中 的至少之一。更具體地，在底層襯底上提供由第一掩模層110和條狀 圖案化的第二掩模層120形成的掩模層130 (圖5A)、或由第一掩模 層110和點(diǎn)狀圖案化的第二掩模層120形成的掩模層130 (圖5B)。
在這里注意，第一掩模層110表示具有條狀或點(diǎn)狀的開口 110w的掩模 層，如前所述。第二掩模層120不具有開口。第二掩模層120可由任 何材料形成。優(yōu)選，由Si02、 Si3N4等形成。
然后在掩模層130上生長(zhǎng)GaN塊狀晶體10以在第一掩模層110 上提供第一晶體區(qū)11和在第二掩模層120上提供第二晶體區(qū)12，參考 圖6C。例如如果釆用汽相沉積來生長(zhǎng)GaN塊狀晶體，則降低氮源氣體 分壓力便于獲得由具有相對(duì)于第一晶體區(qū)反轉(zhuǎn)的
方向的單晶形 成的第二晶體區(qū)12。此外，增加氮源氣體分壓力便于獲得由多晶形成 的第二晶體區(qū)12。此外，具有某分壓力的氮源氣體能使第二晶體區(qū)12 由相對(duì)于第一晶體區(qū)反轉(zhuǎn)的
方向的單晶形成的部分和多晶部分 形成。
由此在掩模層130上獲得了包括第一晶體區(qū)11和第二晶體區(qū)12 的GaN塊狀晶體lO，如圖6A或6B所示。為了促進(jìn)在GaN塊狀晶體 中形成第--晶體區(qū)11和第二晶體區(qū)12，第二條狀掩模層120優(yōu)選具有 10 u m至100u m的寬度Ww和100um至1,000u m的間距Wp (圖 5A),以及第二點(diǎn)狀掩模層120優(yōu)選具有10"m至200wm的寬度Ww 和100um至5,000um的間距Wp (圖5B)。
使用實(shí)施例1的薄GaN接合膜襯底作為基于GaN的半導(dǎo)體器件 的襯底。因此，還需要不同類型的襯底來耐受在GaN薄膜上生長(zhǎng)基于 GaN的半導(dǎo)體層的環(huán)境。因此，實(shí)施例1的薄GaN接合膜襯底優(yōu)選由 不同類型的襯底和GaN薄膜(熱膨脹系數(shù)5.6X10—6K'')形成，它們 具有小的熱膨脹系數(shù)差。例如，不同類型的襯底優(yōu)選具有至少5.6X 1(T8K"和至多1 X 1(T5K"的熱膨脹系數(shù)。在這點(diǎn)上優(yōu)選不同類型的襯底 為藍(lán)寶石襯底、A1N襯底、SiC襯底、MgO襯底、ZnO襯底、ZnS襯 底、碳襯底、GaAs襯底、金剛石襯底、0&203襯底、ZrB2襯底等。
在實(shí)施例1的薄GaN接合膜的襯底中，優(yōu)選不同類型的襯底也具
有至少1，200匸的熱阻以能夠耐受在GaN薄膜上生長(zhǎng)基于GaN的半導(dǎo) 體層的環(huán)境。在這點(diǎn)上優(yōu)選不同類型的襯底為藍(lán)寶石襯底、A1N襯底、 SiC襯底、ZnSe襯底、Si襯底、MgO襯底、ZnO襯底、ZnS襯底、石 英襯底、碳襯底、金剛石襯底、0&203襯底、ZrB2襯底等。
在實(shí)施例1的薄GaN接合膜的襯底中，優(yōu)選不同類型的襯底也是 抗腐蝕的以能夠耐受在GaN薄膜上生長(zhǎng)基于GaN的半導(dǎo)體層的環(huán)境。 這里提到的抗腐蝕指的是在1，200'C、能使基于GaN的半導(dǎo)體層外延生 長(zhǎng)的溫度下不能被氯化氫(HC1)氣體、銨(NH3)氣或類似的晶體生 長(zhǎng)環(huán)境腐蝕。在這點(diǎn)上優(yōu)選不同類型的襯底為藍(lán)寶石襯底、A1N襯底、 SiC襯底、ZnSe襯底、Si襯底、MgO襯底、ZnO襯底、ZnS襯底、石 英襯底、碳襯底、金剛石襯底、Ga203襯底、ZrB2襯底等。
在實(shí)施例1的薄GaN接合膜的襯底中，優(yōu)選不同類型的襯底容易 被類似的化學(xué)工藝蝕刻掉或去除，因?yàn)閷?duì)具有某結(jié)構(gòu)的基于GaN的半 導(dǎo)體器件可將它移除。在這點(diǎn)上優(yōu)選不同類型的襯底為ZnSe襯底、Si 襯底、MgO襯底、ZnO襯底、ZnS襯底、石英襯底、碳襯底、金剛石 襯底、Ga203襯底等。
在實(shí)施例1的薄GaN接合膜的襯底中，考慮到制備具有提供電極 的相對(duì)主表面并由此實(shí)現(xiàn)主表面之間導(dǎo)電的基于GaN的半導(dǎo)體器件， 優(yōu)選不同類型的襯底是導(dǎo)電的。在這點(diǎn)上優(yōu)選不同類型的襯底為SiC 襯底、Si襯底、GaAs襯底、碳襯底等。
在實(shí)施例1的薄GaN接合膜的襯底中，不同類型的襯底可以是單 晶或多晶。此外，其可由A1N或八1203結(jié)合在一起的化合物的晶體制 成。此外，考慮到不同類型的襯底與GaN薄膜熱膨脹系數(shù)的匹配或有 助于減少成本，可以有利地使用由A1N、 SiC、 Ga203、 MgO、 ZnO、 八1203等的多晶形成的不同類型的襯底。實(shí)施例2
在一個(gè)實(shí)施例中本發(fā)明提供第一基于GaN的半導(dǎo)體器件。參考圖 1 (e),其包括類型或化學(xué)成分與GaN不同的襯底20、具有至少0.1 nm且至多100nm厚的并且接合在不同類型的襯底20上的GaN薄膜 10a、和在GaN薄膜10a上沉積的至少一個(gè)基于GaN的半導(dǎo)體層30。 在GaN薄膜10a上具有基于GaN的半導(dǎo)體層30的這種第-r基于GaN 的半導(dǎo)體器件2可以廉價(jià)地制備并且具有良好的特性。注意在這里提 到的基于GaN的半導(dǎo)體指的是具有包括GaN的化學(xué)成分的半導(dǎo)體，該 化學(xué)成分例如AlLx.yGaJnyN，其中0<x、 0《y、并且x+y《1。注意雖 然在圖1中以導(dǎo)電襯底示出了不同類型的襯底20，但是其可以是絕緣 襯底。
根據(jù)本發(fā)明，第一基于GaN的半導(dǎo)體器件是用在一個(gè)實(shí)施例中提 供的方法制備的，如參考圖1 (e)在下文中描述的。該方法釆用實(shí)施 例1的薄GaN接合膜襯底1 (圖l (d))以制作第一基于GaN的半導(dǎo) 體器件2，并且包括在薄GaN接合膜襯底1的GaN薄膜10a的主表面 上生長(zhǎng)至少一個(gè)基于GaN的半導(dǎo)體層30的步驟。這種方法允許以降低 成本制備具有更優(yōu)良特性的基于GaN的半導(dǎo)體器件。
在GaN薄膜10a上可以用任何方法生長(zhǎng)至少一個(gè)基于GaN的半導(dǎo) 體層。優(yōu)選，通過HVPE、 MOCVD或用于外延生長(zhǎng)的類似氣相沉積生 長(zhǎng)。
在實(shí)施例2的第一基于GaN的半導(dǎo)體器件中，優(yōu)選GaN薄膜， 也就是實(shí)施例1的薄GaN接合膜襯底的GaN薄膜，具有至多1X 109cm-2 的位錯(cuò)密度并且是導(dǎo)電的(例如，至少具有l(wèi)X10^cn^的載流子密度)， 并且包括單晶的第一結(jié)晶區(qū)，和包括由相對(duì)于第一結(jié)晶區(qū)
反向的 單晶形成的部分和多晶部分的至少之一的第二結(jié)晶區(qū)。
在實(shí)施例2的第一基于GaN的半導(dǎo)體器件中，優(yōu)選不同類型的襯底，也就是實(shí)施例1的薄GaN接合膜襯底的不同類型的襯底，與GaN 薄膜(熱膨脹系數(shù)5.6X10—1)在熱膨脹系統(tǒng)方面具有很小的差異 (例如，具有至少1X1(T8k^和至多1X1(TS'的熱膨脹系數(shù))，具有 至少到1，200'C的熱阻，是抗腐蝕性的，具有比GaN薄膜更大的帶隙， 通過類似的化學(xué)工藝很容易蝕刻掉或移除，并且是導(dǎo)電的。
實(shí)施例3
在一個(gè)實(shí)施例中本發(fā)明提供了第二基于GaN的半導(dǎo)體器件。參考 圖1 (g)，其包括至少0.1um且至多100wm厚的GaN薄膜10a、在 GaN薄膜10a上沉積的至少一個(gè)基于GaN的半導(dǎo)體層、和在基于GaN 的半導(dǎo)體層30的最外層上接合的輻射導(dǎo)電襯底40。這種在GaN薄膜 10a上具有基于GaN的半導(dǎo)體層30的第二基于GaN的半導(dǎo)體器件3 可以廉價(jià)地制備并且具有良好的特性。此外，在基于GaN的半導(dǎo)體層 30的最外層上接合的輻射導(dǎo)電襯底40的第二基于GaN的半導(dǎo)體器件3 在通過高電流時(shí)可以有效地驅(qū)散產(chǎn)生的熱量。由此可以獲得高輸出的 基于GaN的半導(dǎo)體器件(基于GaN的，特別是高亮度LED)。
根據(jù)本發(fā)明，第二基于GaN的半導(dǎo)體器件是用在一個(gè)實(shí)施例中提 供的方法制備的，如參考圖1 (e) -1 (g)在下文中描述的。該方法采 用實(shí)施例2的第一基于GaN的半導(dǎo)體器件2以制備第二基于GaN的半 導(dǎo)體器件3，并且包括步驟在第一基于GaN的半導(dǎo)體器件2的基于 GaN的半導(dǎo)體層30的最外表面上接合輻射導(dǎo)電板(圖1 (f));和使 GaN簿膜10a和不同類型的襯底20彼此分離。這種方法可以提供一種 在相對(duì)主面上具有電極的半導(dǎo)體器件以實(shí)現(xiàn)減小芯片尺寸，并由此以 降低成本提供基于GaN的半導(dǎo)體器件。
該輻射導(dǎo)電板可以用任何方式接合在基于GaN的半導(dǎo)體層的最外 層上。優(yōu)選，用焊料接合。輻射導(dǎo)電板表示外部驅(qū)散儲(chǔ)存在該半導(dǎo)體 器件中的熱量的導(dǎo)電襯底。Cu板、CuW板等優(yōu)選用作這種襯底，可以 提供大量的熱輻射，并且熱膨脹系數(shù)接近基于GaN的半導(dǎo)體層。 在實(shí)施例3的第二基于GaN的半導(dǎo)體器件中，優(yōu)選GaN薄膜， 也就是實(shí)施例l的薄GaN接合膜襯底的GaN薄膜，具有至多l(xiāng)Xl(Amf2 的位錯(cuò)密度并且是導(dǎo)電的(例如，至少具有1 X 1017cm-3的載流子密度)， 并且包括單晶的第一結(jié)晶區(qū)，和包括由相對(duì)于第一結(jié)晶區(qū)具有
反向的單晶形成的部分和多晶部分中至少之一的第二結(jié)晶區(qū)。
注意，參考圖1 (e)和1 (g)，第一和第三實(shí)施例的第一和第二 基于GaN的半導(dǎo)體器件，分別可以理解為具有如下特征的基于GaN的 半導(dǎo)體器件，該基于GaN的半導(dǎo)體器件包括至少0.1 li m且至多100 u m厚的GaN薄膜10a、在GaN薄膜10a上沉積的至少一個(gè)基于GaN的 半導(dǎo)體層30、和在GaN薄膜10a和基于GaN的半導(dǎo)體層30的最外層 中的一個(gè)上接合的襯底。注意，具有接合到GaN薄膜lOa的不同類型 的襯底20作為襯底的基于GaN的半導(dǎo)體器件對(duì)應(yīng)于第一基于GaN的 半導(dǎo)體器件，并且具有接合到基于GaN的半導(dǎo)體層30的最外層上的輻 射導(dǎo)電板40作為襯底的基于GaN的半導(dǎo)體器件對(duì)應(yīng)于第二基于GaN 的半導(dǎo)體器件。
實(shí)例 比較例1
(1)制造和拋光GaN塊狀晶體
首先參考圖1 (a)，使用HVPE，以在由(111) Ga面用作晶體 生長(zhǎng)面的GaAs襯底或(0001)面用作晶體生長(zhǎng)面的蘭寶石襯底實(shí)現(xiàn)的 底層襯底IOO上生長(zhǎng)直徑為兩英寸(50.8mm)且厚度為lOirnn的GaN 塊狀晶體10。
在底層襯底100上形成了圖4A或4B中示出的第一掩模層IIO之 后，生長(zhǎng)GaN塊狀晶體10。圖4A第一掩模層110具有2 u m寬度Vw 和8um間距Vp的條狀開口 UOw，并且圖4B第一掩模層110具有2 Mm寬度Vw和4um間距Vp的點(diǎn)狀開口 110w。通過這種掩模層110
的開口 lIOw的晶體生長(zhǎng)提供有具有至少1乂105咖-2和至多l(xiāng)X109cnT2 的位錯(cuò)密度的GaN塊狀晶體。該GaN塊狀晶體的位錯(cuò)密度是通過陰極 發(fā)光(CL)和蝕刻凹陷密度(EPD)測(cè)量的。此外，在晶體生長(zhǎng)中， 引入SiCl4氣體作為摻雜劑，以提供載流子密度為7Xl(^cir^且比電阻 為0.05 Q cm的導(dǎo)電GaN塊狀晶體10。該GaN塊狀晶體的載流子密度 和比電阻是在室溫(25")用空穴測(cè)量設(shè)備測(cè)量的。
然后從GaN塊狀晶體10研磨掉底層襯底100并由此被機(jī)械地移 除，以提供10mm厚的、獨(dú)立式的GaN塊狀晶體10。然后參考圖l(b)， GaN塊狀晶體IO具有被研磨由此被鏡面磨光的N表面10n (即，將被 接合的表面)。
(2) 將氫離子注入到GaN塊狀晶體中
然后參考圖2 (a)，采用離子注入設(shè)備，以在對(duì)應(yīng)于離N表面10n (將接合的表面)0.1um深度T的平面10t的位置處以lX10卩cn^的 劑量和50 keV的加速電壓將氫離子140注入到GaN塊狀晶體10中。
(3) 將不同類型的襯底接合到GaN塊狀晶體
然后參考圖2 (b) ， GaN塊狀晶體10具有利用氬(Ar)氣干蝕 刻設(shè)備蝕刻150為潔凈表面的N表面10n (將被接合的表面)。用100 W的RF功率、50 sccm的Ar氣流速(注意，單位"sccm"指的是在 標(biāo)準(zhǔn)條件(即，273 K和1，013hPa)下氣體流動(dòng)一分鐘的體積(cm3)) 和13.3Pa的環(huán)境壓力進(jìn)行了 Ar氣體的蝕刻。將被接合到GaN塊狀晶 體的不同類型襯底20通過藍(lán)寶石襯底實(shí)現(xiàn)，其具有用Ar氣蝕刻為潔 凈表面的將被接合的表面。用100 W的RF功率、50 sccm的Ar氣流 速和6.7 Pa的環(huán)境壓力進(jìn)行了 Ar氣體的蝕刻。將被接合的GaN塊狀晶 體的表面，對(duì)應(yīng)于N表面10n，其具有28 u m的最大表面粗糙度Rmax、 12.8 nm的平均表面粗糙度Ra和相對(duì)于(0001)面的0.01°的斜角。 在這里o.or的斜角認(rèn)為是表示考慮到測(cè)量所采用的方法的精度]^使 N表面匹配(0001)面。用橫過將被接合的表面的不平度測(cè)試器領(lǐng)il量
了最大表面粗糙度Rmax。在100umX100um面積的將被接合的表面， 在中心點(diǎn)和外圍的四個(gè)點(diǎn)總共五個(gè)點(diǎn)，用光干涉表面剖面儀測(cè)量了平 均表面粗糙度Ra。在將被接合的GaN塊狀晶體的那個(gè)表面的中心由x 射線衍射測(cè)量了將要接合的表面關(guān)于(0001)面的斜角。
然后參考圖2 (c),釆用了這種激活以使GaN塊狀晶體IO和不 同類型的襯底20接合在一起，以使得將被接合的GaN塊狀晶體10的 那個(gè)表面(即，N表面10n)和將被接合的不同類型的襯底20的那個(gè) 表面，己被清洗彼此接觸。
(4) 隔開GaN塊狀晶體
然后參考圖2 (d)，在40(TC對(duì)具有不同類型的前述各個(gè)襯底20 接合在此處的GaN塊狀晶體10進(jìn)行熱處理以使注入氫離子的面(在項(xiàng) 目(2)注入了氫離子的面)變脆，從而隔開在那個(gè)面的GaN塊狀晶體。 由此獲得了薄GaN接合膜襯底1，該襯底1包括不同類型的前述各個(gè) 襯底20和接合在不同類型的襯底20上并具有0.1 li m厚度的GaN薄膜 10a。重復(fù)了上述工藝以獲得24個(gè)薄GaN接合膜的襯底1。
(5) 評(píng)價(jià)GaN薄膜的粘著性 在不同類型的GaN薄膜和襯底接合在一起的強(qiáng)度方面檢查了由此
獲得的薄GaN接合膜的襯底l。更具體地，評(píng)價(jià)了不同類型的GaN薄 膜和襯底之間的粘接性，如下將薄GaN接合膜的襯底放置在MOCVD 設(shè)備中并使氣態(tài)銨(NH3)環(huán)境的溫度以10'C/分鐘的速率從600'C到 1，200'C重復(fù)地增加和降低三次。隨后，從MOCVD設(shè)備移除了薄GaN 接合膜的襯底并用光學(xué)顯微鏡觀察了 GaN薄膜是否剝離。確定了殘留 在不同類型的襯底區(qū)域上的具有至少卯。/。的GaN薄膜的薄GaN接合膜 襯底為有效產(chǎn)品，否則為不合格產(chǎn)品。在24個(gè)薄GaN接合膜襯底中， 只有兩個(gè)襯底是有效產(chǎn)品。
注意，還由A1N襯底、SiC襯底、ZnSe襯底、Si襯底、MgO襯
底、ZnO襯底、ZiiS襯底、石英襯底、碳襯底和金剛石襯底實(shí)現(xiàn)了不 同類型的襯底，并且基本上獲得了類似的結(jié)果。
實(shí)例1
除了GaN塊狀晶體10具有研磨、精磨和由此鏡面磨光了的N表 面10n (將被接合的表面)夕卜，如同比較例1中所述的一樣相似地獲得 了 GaN塊狀晶體。獲得的將被接合的GaN塊狀晶體的那個(gè)表面(N表 面)具有18 um的最大表面粗糙度Rmax、 5.1nm的平均表面粗糙度 Ra和相對(duì)于(0001)面的O.Ol。的斜角。相似地如比較例1中所描述 的，該GaN塊狀晶體接合在了藍(lán)寶石襯底(不同類型的襯底)上，以 制造薄GaN接合膜的襯底，并評(píng)價(jià)了不同類型的GaN薄膜和襯底之間 的粘著性。在24個(gè)薄GaN接合膜襯底中，13個(gè)襯底為有效產(chǎn)品。
實(shí)例2
除了 GaN塊狀晶體10具有研磨和精磨以及拋光并由此鏡面磨光 了的N表面10n (將被接合的表面)夕卜，相似地如比較例1中所描述 的獲得了 GaN塊狀晶體。獲得的將被接合的GaN塊狀晶體的那個(gè)表面 (N表面)具有7um的最大表面粗糙度Rmax、 5.1mn的平均表面粗 糙度Ra和相對(duì)于(0001)面的O.Ol。的斜角。相似地如實(shí)例1中所描 述的，該GaN塊狀晶體接合在了藍(lán)寶石襯底(不同類型的襯底)上， 以制造薄GaN接合膜的襯底，并評(píng)價(jià)了不同類型的GaN薄膜和襯底之 間的粘著性。在24個(gè)薄GaN接合膜襯底中，16個(gè)襯底為有效產(chǎn)品。
實(shí)例3
除了 GaN塊狀晶體10具有研磨、精磨和拋光并由此鏡面磨光了 的N表面10n (將被接合的表面)并隨后用氯(Cl2)氣蝕刻為潔凈表 面外，相似地如實(shí)例2中所描述的獲得了 GaN塊狀晶體。用100W的 RF功率、100 sccm的C12氣流速和13.3 Pa的環(huán)境壓力用02氣進(jìn)行蝕 刻。獲得的將被接合的GaN塊狀晶體的那個(gè)表面(N表面)具有7um 的最大表面粗糙度Rmax、0.7nm的平均表面粗糙度Ra和相對(duì)于(OOOl)
面的0.or的斜角。相似地如實(shí)例1中所描述的，該GaN塊狀晶體接 合在了藍(lán)寶石襯底(不同類型的襯底)上，以制造薄GaN接合膜的襯 底，并評(píng)價(jià)了不同類型的GaN薄膜和襯底之間的粘著性。在24個(gè)薄 GaN接合膜襯底中，17個(gè)襯底為有效產(chǎn)品。
實(shí)例4
除了使用了由具有從(111) Ga面傾斜了 15°的晶體生長(zhǎng)面的 GaAs襯底實(shí)現(xiàn)的底層襯底、直徑為兩英寸(50.8 mm)的GaN塊狀晶 體生長(zhǎng)了 10mm厚、以及GaN塊狀晶體具有將被接合的研磨、精磨和 拋光了的表面(即，更靠近底層襯底的表面)外，如實(shí)例3所描述的 相似地獲得了 GaN塊狀晶體。獲得的將被接合的GaN塊狀晶體的那個(gè) 表面具有7n m的最大表面粗糙度Rmax、 0.7nm的平均表面粗糙度Ra 和相對(duì)于(0001)面的15°的斜角。相似地如實(shí)例1中所描述的，該 GaN塊狀晶體接合在了藍(lán)寶石襯底(不同類型的襯底)上，以制造薄 GaN接合膜的襯底，并評(píng)價(jià)了不同類型的GaN薄膜和襯底之間的粘著 性。在24個(gè)薄GaN接合膜襯底中，19個(gè)襯底為有效產(chǎn)品。
實(shí)例5
除了使用了由具有從(111) Ga面傾斜了 1.7°的晶體生長(zhǎng)面的 GaAs襯底實(shí)現(xiàn)的底層襯底外，如實(shí)例4所描述的相似地獲得了 GaN塊 狀晶體。獲得的將被接合的GaN塊狀晶體的那個(gè)表面(即，更靠近底 層襯底的表面)具有7wm的最大表面粗糙度Rmax、 0.7nm的平均表 面粗糙度Ra和相對(duì)于(0001)面的1.7°的斜角。相似地如實(shí)例1中 所描述的，該GaN塊狀晶體接合在了藍(lán)寶石襯底(不同類型的襯底) 上，以制造薄GaN接合膜的襯底，并評(píng)價(jià)了不同類型的GaN薄膜和襯 底之間的粘著性。在24個(gè)薄GaN接合膜襯底中，21個(gè)襯底為有效產(chǎn)
叩o
實(shí)例6
除了使用了由具有從(111) Ga面傾斜了 0.8°的晶體生譯面的
GaAs襯底實(shí)現(xiàn)的底層襯底外，如實(shí)例4所描述的相似地獲得了 GaN塊 狀晶體。獲得的將被接合的GaN塊狀晶體的那個(gè)表面(即，更靠近底 層襯底的表面)具有7nm的最大表面粗糙度Rmax、 0.7nm的平均表 面粗糙度Ra和相對(duì)于(0001)面的0.8°的斜角。相似地如實(shí)例1中 所描述的，該GaN塊狀晶體接合在了藍(lán)寶石襯底(不同類型的襯底) 上，以制造薄GaN接合膜的襯底，并評(píng)價(jià)了不同類型的GaN薄膜和襯 底之間的粘著性。在24個(gè)薄GaN接合膜襯底中，22個(gè)襯底為有效產(chǎn)
13
叫o
實(shí)例7
除了使用了由從(111) 08面傾斜了0.2°的GaAs襯底實(shí)現(xiàn)的底 層襯底外，如實(shí)例4所描述的相似地獲得了 GaN塊狀晶體。獲得的將 被接合的GaN塊狀晶體的那個(gè)表面(即，更靠近底層襯底的表面)具 有7 " m的最大表面粗糙度Rmax、 0.7nm的平均表面粗糙度Ra和相對(duì) 于(0001)面的0.2°的斜角。相似地如實(shí)例1中所描述的，該GaN塊 狀晶體接合在了藍(lán)寶石襯底(不同類型的襯底)上，以制造薄GaN接 合膜的襯底，并評(píng)價(jià)了不同類型的GaN薄膜和襯底之間的粘著性。在 24個(gè)薄GaN接合膜襯底中，22個(gè)襯底為有效產(chǎn)品。
實(shí)例8
(1)制造并拋光GaN塊狀晶體
除了在底層襯底100上提供了包括圖5A或5B所示的第一和第二 掩模層110和120的掩模層130之后生長(zhǎng)了 GaN塊狀晶體IO之外，與 實(shí)例l描述的相似，直徑為兩英寸(50.8 mm)的GaN塊狀晶體10生 長(zhǎng)到了 10 mm厚。由具有從(111) Ga面傾斜0.5°的晶體生長(zhǎng)面的 GaAs襯底實(shí)現(xiàn)了底層襯底100。
圖5A掩模層130包括具有100um寬度Ww、 500"m間距的條 狀第二掩模層120，圖5B掩模層130包括具有100 n m寬度Ww、 1,000 um間距的點(diǎn)狀第二掩模層120。穿過這種掩模層130的開口的晶體生
長(zhǎng)提供了包括沉積在第一掩模層110上的第一晶體區(qū)11和沉積在第二 掩模層120上的第二晶體區(qū)12的GaN塊狀晶體，參考圖6A-6C。注意， 用分壓增加的(更具體地，至少23 kPa)氮源氣體通過HVPE生長(zhǎng)了 該GaN塊狀晶體，由此，第二晶體區(qū)12由多晶形成。
然后參考圖6C和7(a)，如實(shí)例l所描述的相似，提供了 10 mm 厚的、獨(dú)立式的GaN塊狀晶體lO，并具有拋光了且由此鏡面磨光了將 被接合的表面(即，更靠近底層襯底的表面)。嚴(yán)格注意，該表面具 有相對(duì)于N表面10n的0.5n的斜角。然而，該角小，并且可以接近N 表面10n。因此在以下描述中，將描述該表面接近于N表面10n。
(2) 將氫離子注入到GaN塊狀晶體中
然后參考圖7 (b)，應(yīng)用與實(shí)例l相似的方法和條件以將氫離子 140注入到對(duì)應(yīng)于離將被接合的GaN塊狀晶體10的那個(gè)表面(即，該 表面接近N表面10n，(即，第一晶體區(qū)11的N表面lln和第二晶體 區(qū)12的多晶表面12p) )O.lum深度T的平面10t位置處的GaN塊狀 晶體10中。
(3) 將不同類型的襯底接合到GaN塊狀晶體
然后參考圖7 (c) ， GaN塊狀晶體IO具有利用Cl2氣干蝕刻設(shè)備 蝕刻150為潔凈表面的將被接合的表面(接近N表面10n的表面(即， 第一晶體區(qū)11的N表面lln和第二晶體區(qū)12的多晶表面12p))。 將被接合到GaN塊狀晶體的不同類型的襯底20通過藍(lán)寶石實(shí)現(xiàn)，其具 有用Ar氣蝕刻為潔凈表面的將被接合的表面。在與實(shí)例3相似的條件 下進(jìn)行了用Cl2氣蝕刻和用Ar氣蝕刻。注意參考圖7 (c)，如果第二 晶體區(qū)12由平均粒度近似至少m的多晶形成，則第一晶體區(qū)11的 N表面lln蝕刻得比第二晶體區(qū)12的多晶表面12p快。因此在將被接 合的GaN塊狀晶體的那個(gè)表面(即，接近N表面10n的GaN塊狀晶 體10的那個(gè)表面)，產(chǎn)生了如圖7 (c)所示的大約幾十nm的凹陷和 凸起(或間隙10v)。將被接合的GaN塊狀晶體的那個(gè)表面，不包括
間隙10v，具有7um的最大表面粗糙度Rmax、 0.7 nm的平均表面粗 糙度Ra和相對(duì)于(0001)面的0.5°的斜角。該GaN塊狀晶體接合在 了藍(lán)寶石襯底(不同類型的襯底)上，與實(shí)例1中描述的相似。
注意，如果第二晶體區(qū)12由具有大約至少5nm的平均粒度的多 晶形成，則第一晶體區(qū)11的N表面lln蝕刻得比第二晶體區(qū)11的多 晶表面12p更慢。因此，相比圖7(c)，在將被接合的GaN塊狀晶體 的那個(gè)表面(即，接近N表面10n的GaN塊狀晶體10的那個(gè)表面) 處，產(chǎn)生了大約幾十nm的凹陷和凸起(或間隙10v)，這使得第二晶 體區(qū)12的多晶表面12p相對(duì)于第一晶體區(qū)11的表面lln凹陷。
如實(shí)例1所描述相似地，隔開了藍(lán)寶石襯底接合于此的GaN塊狀 晶體，以獲得薄GaN接合膜襯底。評(píng)價(jià)了薄GaN接合膜襯底不同類型 的GaN薄膜和襯底之間的粘著性。在24個(gè)薄GaN接合膜襯底中，它 們中全部(即，24個(gè)襯底)都是有效產(chǎn)品。
雖然實(shí)例1-8采用了由藍(lán)寶石襯底實(shí)現(xiàn)的不同類型的襯底，但由 A1N襯底、SiC襯底、ZnSe襯底、Si襯底、MgO襯底、ZnO襯底、ZnS 襯底、石英襯底、碳襯底和金剛石襯底實(shí)現(xiàn)的不同類型的襯底的這種 實(shí)例也提供了基本相似的結(jié)果。
此外，在實(shí)例4-8中，具有相對(duì)于特定晶面有大斜角的晶體生長(zhǎng) 面的底層襯底用于生長(zhǎng)具有將被接合的表面的GaN塊狀晶體，其具有 相對(duì)于(0001)面的大斜角。然而，相對(duì)于(0001)面具有大斜角的 將被接合的表面的GaN塊狀晶體可不僅以如上所述的方法生長(zhǎng)；也可 以如下獲得關(guān)于特定晶面具有0?；驑O小度數(shù)斜角的晶體生長(zhǎng)面的底 層襯底可用于生長(zhǎng)依次被切割、研磨或精磨和拋光以提供關(guān)于(0001) 面具有大斜角表面的晶體。
此外，雖然在實(shí)例l-8中將氫離子注入到GaN塊狀晶體中，但也
確認(rèn)采用氦離子或氮離子代替氫離子也提供了相似的結(jié)果。
實(shí)例9
本實(shí)例通過具有0.1 " m厚的、導(dǎo)電GaN接合薄膜的薄GaN接合 膜提供了實(shí)施例l和實(shí)施例lA的薄GaN接合膜襯底的一個(gè)具體實(shí)例。 本實(shí)例的薄GaN接合膜襯底優(yōu)選用作發(fā)光二極管(LED)、激光二極 管(LD)和其它類似發(fā)光器件的襯底。
(1) 制造和拋光GaN塊狀晶體
首先參考圖1 (a),采用了 HVPE以在由具有從(111) Ga面傾 斜0.4°的晶體生長(zhǎng)面的GaAs襯底實(shí)現(xiàn)的底層襯底100上生長(zhǎng)具有兩 英寸(50.8 mm)直徑和10 mm厚度的GaN塊狀晶體10。
在底層襯底100上形成了圖4A或4B所示的第一掩模層110之后 生長(zhǎng)了 GaN塊狀晶體10。圖4A第一掩模層110具有2um寬度Ww 和8um間距Vp的條狀開口 110w，圖4B第一掩模層IIO具有2um 寬度Ww和4nm間距Vp的點(diǎn)狀開口 110w。穿過這種掩模層110的 開口 llOw的晶體生長(zhǎng)提供了位錯(cuò)密度為至少1X105cn^和至多IX 109 11'2的GaN塊狀晶體10。 GaN塊狀晶體的位錯(cuò)密度是由陰極發(fā)光 (CL)和腐蝕坑密度(EPD)測(cè)量的。此外，在晶體生長(zhǎng)時(shí)，作為摻 雜劑引入了 02氣以提供具有1 X 1017cnf3的載流子密度和0.1 Qcm比電 阻的導(dǎo)電GaN塊狀晶體10。在室溫(25'C)用空穴測(cè)量設(shè)備測(cè)量了 GaN塊狀晶體的載流子密度和比電阻。
然后從GaN塊狀晶體10研磨掉底層襯底100并由此被機(jī)械地移 除，以提供10mm厚的、獨(dú)立式的GaN塊狀晶體10。然后參考圖Kb), GaN塊狀晶體10具有將被接合的表面(即，其表面接近N表面10n) 被研磨、精磨和因此鏡面磨光。
(2) 將氫離子注入到GaN塊狀晶體中
然后參考圖2 (a)，采用離子注入設(shè)備，以在對(duì)應(yīng)于離將接合的 GaN塊狀晶體IO的那個(gè)表面(即，該表面接近N表面10n) 0.1 um深 度t的平面10t的位置處以1X10卩cn^的劑量和50keV的加速電壓將 氫離子140注入到GaN塊狀晶體10中。
(3) 將不同類型的襯底接合到GaN塊狀晶體 然后參考圖2(b) ， GaN塊狀晶體10具有利用Cl2氣的干蝕刻設(shè)
備蝕刻150為潔凈表面的將被接合的表面。用100W的RF功率、100 sccm的Ch氣流速和13.3 Pa的環(huán)境壓力進(jìn)行用Cl2氣的蝕刻。將被接 合到GaN塊狀晶體的不同類型的襯底20由藍(lán)寶石襯底、A1N襯底、SiC 襯底、ZnSe襯底、Si襯底、MgO襯底、ZnO襯底、ZnS襯底、石英襯 底、碳襯底和金剛石襯底實(shí)現(xiàn)，并且上述襯底分別具有用Ar氣蝕刻為 潔凈表面的將被接合的各個(gè)表面。用100 W的RF功率、50 sccm的Ar 氣流速和6.7 Pa的環(huán)境壓力進(jìn)行了用Ar氣的蝕刻。采用Cl2氣化學(xué)蝕 刻GaN塊狀晶體能化學(xué)地移除形成在GaN塊狀晶體表面上的氧化層。 由此蝕刻的GaN塊狀晶體可以具有更平坦的表面，并且因此用比Ar 氣物理蝕刻更大的強(qiáng)度接合。將被接合的GaN塊狀晶體的那個(gè)表面具 有7 u m的最大表面粗糙度Rmax、 0.7nm的平均表面粗糙度Ra和相對(duì) 于(0001)面的0.4°的斜角。
然后參考圖2(c)，采用了表面激活以使不同類型的GaN塊狀晶 體10和每個(gè)上述各個(gè)襯底20接合在一起，以便將被接合的GaN塊狀 晶體10的那個(gè)表面(即，N表面lOn)和將被接合的不同類型的襯底 20的那個(gè)表面被清潔地彼此接觸。
(4) 隔開GaN塊狀晶體
然后參考圖2 (d)，在400'C對(duì)具有不同類型的前述各個(gè)襯底20 接合于此的GaN塊狀晶體10進(jìn)行熱處理以使注入氫離子的面(在項(xiàng)目 (2)注入了氫離子的面)變脆，以在那個(gè)面隔開GaN塊狀晶體。由此 獲得了包括不同類型的前述各個(gè)襯底20和接合在不同類型的襯底20
此外，本發(fā)明提供了一種第二基于GaN的半導(dǎo)體器件，包括具 有至少0.1um和至多100wm厚的GaN薄膜；沉積在GaN薄膜上的 至少一個(gè)基于GaN的半導(dǎo)體層；和接合在基于GaN的半導(dǎo)體層的最外 層上的輻射導(dǎo)電襯底。由此，本發(fā)明可以提供一種由與GaN類型或化學(xué)成分不同的襯底 和穩(wěn)固地接合在不同類型襯底上的GaN薄膜形成的薄GaN薄膜襯底及 其制造方法、和包括沉積在GaN薄膜上的至少一個(gè)基于GaN的半導(dǎo)體 層的基于GaN的半導(dǎo)體器件及其制備方法。這允許以減少成本制備半 導(dǎo)體器件。結(jié)合附圖，考慮本發(fā)明的以下詳細(xì)說明，本發(fā)明的前述和其它目 的、特征和優(yōu)點(diǎn)將變得更加顯而易見。
圖1 (a) -1 (g)示出了薄GaN接合膜的襯底、第一和第二基于 GaN的半導(dǎo)體器件、以及分別制造和制備襯底和半導(dǎo)體器件的方法。 更具體地，圖l(a)-l(g)分別示出了如下步驟生長(zhǎng)GaN塊狀晶體； 提供鏡面；接合不同類型的襯底；隔開GaN塊狀晶體；生長(zhǎng)基于GaN 的半導(dǎo)體層；接合輻射導(dǎo)電板；以及分離不同類型的襯底。圖2 (a) -2 (d)是示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的薄GaN接合膜襯 底的制造方法的--個(gè)實(shí)例的截面。更具體地，圖2 (a) -2 (d)示出了 如下步驟注入離子；清洗表面接合不同類型的襯底和對(duì)GaN塊 狀晶體進(jìn)行熱處理以隔開GaN塊狀晶體。圖3 (a) -3 (c)是示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的薄GaN接合膜襯 底的制造方法的另一實(shí)例的截面。更具體地，圖3 (a) -3 (c)示出了 如下步驟清洗表面；接合不同類型的襯底；和切割GaN塊狀晶體以 隔開它。圖4A和4B分別示意性地示出了條狀和點(diǎn)狀圖案，用于釆用的第 一掩模中的開口，以生長(zhǎng)本發(fā)明中使用的GaN塊狀晶體。
(1) 制造和拋光GaN塊狀晶體
與實(shí)例9所描述的相似，獲得了具有兩英寸(50.8 mm)直徑和 10 mm厚度的獨(dú)立式GaN塊狀晶體10 (位錯(cuò)密度至少1X 105011-2和 至多1X10W2，載流子密度2X10'W3，比電阻0.02Qcm)。然 后，與實(shí)例9所描述的相似，GaN塊狀晶體10具有拋光的且由此鏡面 磨光了的將被接合的表面(即，其表面接近N表面10n)。
(2) 將不同類型的襯底接合到GaN塊狀晶體
然后參考圖3 (a) ， GaN塊狀晶體10具有利用0112氣的干蝕刻設(shè) 備蝕刻150為潔凈表面的將被接合的表面(其表面接近N表面10n)。 將被接合到GaN塊狀晶體的不同類型的襯底20由藍(lán)寶石襯底、A1N襯 底、SiC襯底、ZnSe襯底、Si襯底、MgO襯底、ZnO襯底、ZnS襯底、 石英襯底、碳襯底和金剛石襯底、0&203襯底和ZrB2襯底實(shí)現(xiàn)，并且 上述襯底分別具有用Ar氣蝕刻為潔凈表面的將被接合的各個(gè)表面。在 與例9應(yīng)用的條件相似的條件下進(jìn)行了用Cl2氣和Ar氣的蝕刻。將被 接合的GaN塊狀晶體的那個(gè)表面具有7 ii m的最大表面粗糙度Rmax、 0.7mn的平均表面粗糙度Ra和相對(duì)于(0001 )面的0.4°的斜角。然后， 參考圖3(b)，與實(shí)例9所描述的相似，不同類型的GaN塊狀晶體lO 和每個(gè)上述的各個(gè)襯底20接合在一起。
(3) 隔開GaN塊狀晶體
然后參考圖3(c)，在離不同類型襯底20的界面具有100ixm距 離T的平面10t的外圍邊緣或內(nèi)圍邊緣用電排放機(jī)器、線狀鋸切割了 GaN塊狀晶體10,以獲得包括不同類型的襯底20和接合在不同類型的 襯底20上并具有100nm厚的GaN薄膜10a的薄GaN接合襯底1。在 GaN塊狀晶體10具有從那里隔開的GaN薄膜10a之后，GaN塊狀晶 體10b保留，其用于制造隨后的薄GaN接合膜襯底。
可以重復(fù)上述工藝以從10 mm厚的GaN塊狀晶體20獲得包括100 um厚GaN薄膜的薄GaN接合襯底。如常規(guī)的，用線狀鋸切割的10mm
厚的GaN塊狀晶體僅能生產(chǎn)10個(gè)300u m厚的GaN襯底。本實(shí)例還 允許從GaN塊狀晶體獲得大量的薄GaN接合膜襯底并因此以顯著減少 的成本制造。
在本實(shí)例的薄GaN接合膜的襯底中，如實(shí)例9中所描述的，適當(dāng) 地使用具有至少1X10—8K"和至多1X10—SK"的熱膨脹系數(shù)、至少1，200 'C的熱阻、抗腐蝕性、比GaN更大的帶隙、電導(dǎo)性和其它類似特性的 不同類型的襯底。
實(shí)例11
本實(shí)例通過具有O.liim厚的、導(dǎo)電GaN薄膜的薄GaN接合膜提 供了實(shí)施例l和實(shí)施例1A的薄GaN接合膜襯底的一個(gè)具體實(shí)例，GaN 導(dǎo)電薄膜包括單晶的第一晶體區(qū)和由相對(duì)于第一晶體區(qū)反轉(zhuǎn)的[OOOl] 方向的單晶形成的第二晶體區(qū)。本實(shí)例的薄GaN接合膜襯底優(yōu)選用作 LED、 LD和其它類似發(fā)光器件的襯底。
(1)制造并拋光GaN塊狀晶體
除了在底層襯底100上提供了包括圖5A或5B所示的第一和第二 掩模層110和120的掩模層130之后生長(zhǎng)了 GaN塊狀晶體10之外，與 實(shí)例9描述的相似，生長(zhǎng)了兩英寸(50.8 mm)直徑和10 mm厚的GaN 塊狀晶體io。
圖5A掩模層130包括具有100"m寬度Ww、 500um間距的條 狀第二掩模層120，圖5B掩模層130包括具有100 ix m寬度Ww、 1,000 lim間距的點(diǎn)狀第二掩模層120。穿過這種掩模層130的開口的晶體生 長(zhǎng)提供了包括沉積在第一掩模層IIO上的第一晶體區(qū)11和沉積在第二 掩模層120上的第二晶體區(qū)12的GaN塊狀晶體，參考圖6A-6C。注意， 用分壓降低的(更具體地，至多23 kPa)氮源氣體通過HVPE生長(zhǎng)了 該GaN塊狀晶體，由此，第二晶體區(qū)12由具有相對(duì)于第一晶體區(qū)11 反轉(zhuǎn)的
方向的單晶形成。因此，GaN塊狀晶體IO具有包括第一
晶體區(qū)11的N表面lln和第二晶體區(qū)12的Ga表面12g的N表面10n、 以及包括第一晶體區(qū)的Ga表面llg和第二晶體區(qū)的N表面12n的Ga 表面10g。此外獲得的GaN塊狀晶體是導(dǎo)電的，具有至少lX104cm—2 和至多1 X 108cnT2的位錯(cuò)密度、1 X 1019cnT3的載流子密度和0.005 Q cm 的比電阻。注意，本實(shí)例的GaN塊狀晶體具有被第二晶體區(qū)12吸收的 位錯(cuò)密度，并由此減少了位錯(cuò)密度使得比實(shí)例9的小。
然后參考圖6C和7 (a),如實(shí)例9所描述的相似，提供了 10 nm 厚的、獨(dú)立式的GaN塊狀晶體lO,并具有拋光了且由此鏡面磨光了將 被接合的表面(即，那個(gè)表面接近N表面10n)。
(2) 將氫離子注入到GaN塊狀晶體中
然后參考圖7 (b)，應(yīng)用與實(shí)例9相似的方法和條件以將氫離子 140注入到對(duì)應(yīng)于離將被接合的GaN塊狀晶體10的那個(gè)表面(即，該 表面接近N表面10n (即，第一晶體區(qū)11的N表面lln和第二晶體區(qū) 12的多晶表面12p) ) O.lum深度T的平面10t位置處的GaN塊狀晶 體10中。
(3) 將不同類型的襯底接合到GaN塊狀晶體
然后參考圖7 (c) ， GaN塊狀晶體IO具有利用Cl2氣干蝕刻設(shè)備 蝕刻150為潔凈表面的將被接合的表面(該表面接近表面10n (即，第 —晶體區(qū)11的N表面lln和第二晶體區(qū)12的多晶表面12p))。將 被接合到GaN塊狀晶體的不同類型的襯底20由藍(lán)寶石襯底、AlN襯底、 SiC襯底、ZnSe襯底、Si襯底、MgO襯底、ZnO襯底、ZnS襯底、石 英襯底、碳襯底、金剛石襯底、0&203襯底和ZrB2襯底實(shí)現(xiàn)，并且上 述襯底具有用Ar氣蝕刻為潔凈表面的將被接合的各個(gè)表面。在與實(shí)例 9相似的條件下進(jìn)行了用Cl2氣蝕刻和用Ar氣蝕刻。注意，第一晶體 區(qū)11的N表面lln蝕刻得比第二晶體區(qū)12的Ga表面12g快。因此在 將被接合的GaN塊狀晶體IO的那個(gè)表面(即，接近N表面10n的表 面)，產(chǎn)生了如圖7 (c)所示的大約幾十nm的凹陷和凸起(或間隙
10v)。將被接合的GaN塊狀晶體的那個(gè)表面，不包括間隙10v，具有 7 " m的最大表面粗糙度Rmax、 0.7 nm的平均表面粗糙度Ra和相對(duì)于
(0001) 面的0.4°的斜角。
然后，參考圖7(d)，與實(shí)例l描述的相似，不同類型的GaN塊 狀晶體10和每個(gè)上述各個(gè)襯底20接合在一起。由于GaN塊狀晶體10 具有大約幾十nm的凸起和凹陷的N表面，在不同類型的GaN塊狀晶 體10和襯底20之間規(guī)則地產(chǎn)生了間隙10v。這種間隙10v有效地減輕 了由不同類型的GaN薄膜和襯底之間的熱膨脹系數(shù)的差異產(chǎn)生的應(yīng) 力，即會(huì)導(dǎo)致在GaN薄膜10上生長(zhǎng)基于GaN的半導(dǎo)體層。
(4)隔開GaN塊狀晶體 然后參考圖7 (e)，在40(TC對(duì)具有不同類型的前述各個(gè)襯底20 接合于此的GaN塊狀晶體IO進(jìn)行熱處理以使注入氫離子的面(在項(xiàng)目
(2) 注入了氫離子的面)變脆，以在那個(gè)面隔開GaN塊狀晶體。由此 獲得了包括不同類型的前述各個(gè)襯底20和接合在不同類型的襯底20 上并具有0.1um厚GaN薄膜10a的薄GaN接合膜襯底1。在GaN塊 狀晶體io具有從那里隔開的GaN薄膜10a之后，GaN塊狀晶體10b 保留，其用于制造隨后的薄GaN接合膜襯底。
可以重復(fù)上述工藝以從10 mm厚的GaN塊狀晶體獲得6,000個(gè)包 括O.lnm厚GaN薄膜的薄GaN接合襯底。如常規(guī)的，用線狀鋸切割 的10 mm厚的GaN塊狀晶體僅能生產(chǎn)10個(gè)300n m厚的GaN襯底。 在本實(shí)例中可以從GaN塊狀晶體獲得大量薄GaN接合膜襯底并因此以 顯著減少的成本制造。
在本實(shí)例的薄GaN接合膜的襯底中，如例9中所描述的，適當(dāng)?shù)?使用具有至少1X10'8k"和至多1Xl(rSK"的熱膨脹系數(shù)、至少1,200 'C的熱阻、抗腐蝕性、比GaN大的間隙、電導(dǎo)性和其它類似特性的不 同類型的襯底。
實(shí)例12
本實(shí)例通過具有0.1nm厚的、半絕緣GaN接合薄膜的薄GaN接 合膜提供了實(shí)施例1和實(shí)施例1A的薄GaN接合膜襯底的另一個(gè)具體 實(shí)例。本實(shí)例的薄GaN接合膜襯底優(yōu)選用作高頻器件、髙電子遷移率 晶體管(HEMT)和類似電子器件的襯底。
(1) 制造和拋光GaN塊狀晶體
除了當(dāng)生長(zhǎng)GaN塊狀晶體時(shí)摻雜4X 1018cm'3的Fe、Cr或V之外， 與實(shí)例9所描述的相似，獲得了具有兩英寸(50.8 mm)直徑和10mm 厚度的獨(dú)立式、半絕緣GaN塊狀晶體lO (位錯(cuò)密度至少lX10Scm—2 和至多l(xiāng)X109cnT2，比電阻lX107Qcm)。
(2) 將氫離子注入到GaN塊狀晶體中
然后，應(yīng)用與實(shí)例9相似的方法和條件，以將氫離子注入到在對(duì) 應(yīng)于離將接合的GaN塊狀晶體10的那個(gè)表面(即，接近N表面10n 的表面)O.llim深度T的平面位置處的GaN塊狀晶體中。
(3) 將不同類型的襯底接合到GaN塊狀晶體 然后應(yīng)用與實(shí)例9相似的方法和條件，以蝕刻將被接合的用Cl2
氣蝕刻為潔凈表面的GaN塊狀晶體的那個(gè)表面(即，接近N表面的表 面)。將被接合到GaN塊狀晶體的不同類型的襯底由藍(lán)寶石襯底、A1N 襯底、SiC襯底、ZnSe襯底、Si襯底、MgO襯底、ZnO襯底、ZnS襯 底、石英襯底、碳襯底、金剛石襯底、Ga203襯底和ZrB2襯底實(shí)現(xiàn)， 并且在與例9相似的方法和條件下，上述襯底分別具有用Ar氣蝕刻為 潔凈表面的將被接合的各個(gè)表面。將被接合的GaN塊狀晶體的那個(gè)表 面具有7li m的最大表面粗糙度Rmax、 0.7nm的平均表面粗糙度Ra和 相對(duì)于(0001)面的0.4°的斜角。然后，與例9所描述的相似，使不 同類型的GaN塊狀晶體和每個(gè)上述的各個(gè)襯底接合在一起。
(4)隔開GaN塊狀晶體 然后，與實(shí)例9描述的相似，在400'C對(duì)具有不同類型的前述各 個(gè)襯底接合于此的GaN塊狀晶體進(jìn)行熱處理以使注入氫離子的面(在 項(xiàng)目(2)注入了氫離子的面)變脆，以在那個(gè)面隔開GaN塊狀晶體。 由此獲得了包括不同類型的前述各個(gè)襯底和接合在不同類型的襯底上 并具有0.1 ii m厚的半絕緣GaN薄膜的薄GaN接合膜襯底。具有從那 里隔開的GaN薄膜的GaN塊狀晶體用于制造隨后的薄GaN接合膜襯 底。
可以重復(fù)上述工藝以從10 mm厚的GaN塊狀晶體獲得10,000個(gè) 包括O.llim厚GaN薄膜的薄GaN接合襯底。如常規(guī)的，用線狀鋸切 割的10 mm厚的GaN塊狀晶體僅能生產(chǎn)10個(gè)300 n m厚的GaN襯底。 在本實(shí)例中可以從GaN塊狀晶體獲得大量薄GaN接合膜襯底并因此以 顯著減少的成本制造。
在本實(shí)例的薄GaN接合膜的襯底中，如實(shí)例11中所描述的，適
當(dāng)?shù)厥褂镁哂兄辽賗xi(tSk"和至多ixio—sk:1的熱膨脹系數(shù)、至少
1，200'C的熱阻、抗腐蝕性和其它類似特性的不同類型的襯底。
此外，本實(shí)例的薄GaN接合膜襯底用作HEMT或類似電子器件的 襯底。因此，為了減少或防止器件的泄漏電流，優(yōu)選使用由半絕緣或 絕緣襯底例如藍(lán)寶石襯底、A1N襯底、SiC襯底、ZnSe襯底、Si襯底、 MgO襯底、ZnO襯底、ZnS襯底、石英襯底、金剛石襯底、Ga203襯 底和ZrB2襯底等實(shí)現(xiàn)的不同類型的襯底。
實(shí)例13
本實(shí)例通過具有0.1um厚的、GaN半絕緣接合薄膜的薄GaN接 合膜提供了實(shí)施例1和實(shí)施例1A的薄GaN接合膜襯底的另一個(gè)具體 實(shí)例，該GaN半絕緣接合薄膜包括單晶的第一晶體區(qū)和多晶的第二晶 體區(qū)。本實(shí)例的薄GaN接合膜襯底優(yōu)選用作HEMT和類似電子器件的
襯底。
(1) 制造和拋光GaN塊狀晶體
除了當(dāng)生長(zhǎng)GaN塊狀晶體時(shí)摻雜5X 1018cnT3的Fe、 Cr或V以及 以分壓增加(更具體地，至少23kPa)氮源氣之外，與實(shí)例ll所描述 的相似，獲得了包括單晶的第一晶體區(qū)和多晶的第二晶體區(qū)的10 mm 厚的獨(dú)立式的半絕緣GaN塊狀晶體lO (位錯(cuò)密度至少1X10、ii^和 至多l(xiāng)Xl()8cnr2，比電阻lX107Qcm)。因此，參考圖6C， GaN塊 狀晶體IO具有包括第一晶體區(qū)II的N表面lln和第二晶體區(qū)12的多 晶表面12p的N表面10n、以及包括第一晶體區(qū)的Ga表面llg和第二 晶體區(qū)的多晶表面12q的Ga表面10g。然后，與實(shí)例11描述的相似， GaN塊狀晶體IO具有拋光了并由此鏡面磨光的將被接合的表面(即， 接近N表面10n的那個(gè)表面)。
(2) 將氫離子注入到GaN塊狀晶體中
然后，應(yīng)用與實(shí)例ll相似的方法和條件，以將氫離子注入到在對(duì) 應(yīng)于離GaN塊狀晶體IO的N表面(即，第一晶體區(qū)的N表面和第二 晶體區(qū)的Ga表面)O.lum深度的平面位置處的GaN塊狀晶體中。
(3) 將不同類型的襯底接合到GaN塊狀晶體 然后應(yīng)用與實(shí)例11相似的方法和條件，以蝕刻將被接合的用Cl2
氣蝕刻為潔凈表面的GaN塊狀晶體的那個(gè)表面(即，接近N表面10n 的表面(即，第一晶體區(qū)11的N表面lln和第二晶體區(qū)12的多晶表 面12p))。參考圖7 (c)，注意如果第二晶體區(qū)12由具有大約至少 5um平均粒度的多晶形成，則第一晶體區(qū)11的N表面lln蝕刻得比 第二晶體區(qū)12的多晶表面12p快。因此在將被接合的GaN塊狀晶體 IO的那個(gè)表面(即，接近N表面10n的表面)，產(chǎn)生了如圖7 (c)所 示的大約幾十nm的凹陷和凸起(或間隙10v)。將被接合的GaN塊狀 晶體的那個(gè)表面，不包括間隙，具有7um的最大表面粗糙度Rmax、 0.7nm的平均表面粗糙度Ra和相對(duì)于(0001)面的0.4°的斜角。
此外，應(yīng)用與實(shí)例11相似的方法和條件以蝕刻將被接合到GaN 塊狀晶體的不同類型的襯底。該襯底由藍(lán)寶石襯底、A1N襯底、SiC襯 底、ZnSe襯底、Si襯底、MgO襯底、ZnO襯底、ZnS襯底、石英襯底、 碳襯底、金剛石襯底、0勤03襯底和ZrB2襯底實(shí)現(xiàn)，并且上述襯底具 有用Ar氣蝕刻為潔凈表面的將被接合的各個(gè)表面。
然后，與實(shí)例ll所描述的相似，使不同類型的GaN塊狀晶體和 每個(gè)上述的各個(gè)襯底接合在一起。參考圖7 (d),由于GaN塊狀晶體 10具有大約幾十nm的凹陷和凸起的N表面10n，在不同類型的GaN 塊狀晶體IO和襯底之間規(guī)則地產(chǎn)生了間隙10v。這種間隙有效地減輕 了由不同類型的GaN薄膜和襯底之間的熱膨脹系數(shù)差產(chǎn)生的應(yīng)力，即 導(dǎo)致在GaN薄膜上生長(zhǎng)基于GaN的半導(dǎo)體層。
注意，如果第二晶體區(qū)12由具有大約少于5nm平均粒度的多晶 形成，則第一晶體區(qū)11的N表面lln蝕刻得比第二晶體區(qū)12的多晶 表面12p更慢。因此，相比圖7 (c)，在將被接合的GaN塊狀晶體的 那個(gè)表面(即，接近N表面lOn的GaN塊狀晶體IO的那個(gè)表面)， 產(chǎn)生了大約幾十nm的凹陷和凸起(或間隙)，使得第二晶體區(qū)12的 多晶表面12p相對(duì)于第一晶體區(qū)11的表面lln凹陷。
(4)隔開GaN塊狀晶體 然后，與實(shí)例ll描述的相似，在400'C對(duì)具有不同類型的前述各 個(gè)襯底接合于此的GaN塊狀晶體進(jìn)行熱處理以使注入氫離子的面(在 項(xiàng)目(2)注入了氫離子的面)變脆，以在那個(gè)面隔開GaN塊狀晶體。 由此獲得了包括不同類型的前述各個(gè)襯底和接合在不同類型的襯底上 并具有0.1 li m厚GaN薄膜的薄GaN接合膜襯底。具有從那里隔開的 GaN薄膜的GaN塊狀晶體用于制造隨后的薄GaN接合膜襯底。
可以重復(fù)上述工藝以從10 mm厚的GaN塊狀晶體獲得6,000個(gè)包括0.1nm厚GaN薄膜的薄GaN接合襯底。如常規(guī)的，用線狀鋸切割 的10 mm厚的GaN塊狀晶體僅能生產(chǎn)10個(gè)300u m厚的GaN襯底。 在本實(shí)例中可以從GaN塊狀晶體獲得大量薄GaN接合膜襯底并因此以 顯著減少的成本制造。
在本實(shí)例的薄GaN接合膜的襯底中，如實(shí)例12中所描述的，適 當(dāng)?shù)厥褂镁哂兄辽?X10'SK^和至多1X10'5J^的熱膨脹系數(shù)、和至少 1，200'C的熱阻，并且是抗腐蝕性的和半絕緣或絕緣等不同類型的襯底。
實(shí)例14
本實(shí)例通過具有0.1 u m厚的、GaN導(dǎo)電薄膜的薄GaN接合膜襯 底提供了實(shí)施例1和實(shí)施例1A的薄GaN接合膜襯底的另一個(gè)具體實(shí) 例，該GaN導(dǎo)電薄膜包括單晶的第一晶體區(qū)和由具有相對(duì)于第一晶體 區(qū)反轉(zhuǎn)的
方向的單晶形成的第二晶體區(qū)。本實(shí)例的薄GaN接合 膜襯底優(yōu)選用作垂直晶體管和類似電子器件的襯底。
(1) 制造和拋光GaN塊狀晶體
與實(shí)例ll所描述的相似，獲得了兩英寸(50.8 mm)直徑、10mm 厚的并且包括單晶的第一晶體區(qū)和由相對(duì)于第一晶體區(qū)反轉(zhuǎn)的[OOOl] 方向的單晶形成的第二晶體區(qū)的獨(dú)立式的導(dǎo)電GaN塊狀晶體，其具有 至少1Xl()4cnf2和至多l(xiāng)Xl()8cnf2的位錯(cuò)密度、4X 1018cnf2的載流子 密度和0.01Qcm的比電阻。然后，與實(shí)例3描述的相似，GaN塊狀晶 體具有拋光的并由此鏡面磨光了的N表面。
(2) 將氫離子注入到GaN塊狀晶體中
然后，應(yīng)用與實(shí)例ll相似的方法和條件，以將氫離子注入到在對(duì) 應(yīng)于離將被接合的GaN塊狀晶體的那個(gè)表面(即，(由N表面接近的 那個(gè)表面(即，第一晶體區(qū)的N表面和第二晶體區(qū)的Ga表面))0.1 um深度的平面位置處的GaN塊狀晶體中。
(3) 將不同類型的襯底接合到GaN塊狀晶體 然后應(yīng)用與實(shí)例11相似的方法和條件，以蝕刻將被接合的用Cl2
氣蝕刻為潔凈表面的GaN塊狀晶體的那個(gè)表面(即，該表面接近N表 面(即，第一晶體區(qū)11的N表面和第二晶體區(qū)的Ga表面))。參考 圖7 (c),注意第一晶體區(qū)11的N表面lln蝕刻得比第二晶體區(qū)12 的Ga表面12g快。因此在GaN塊狀晶體IO的N表面10n,產(chǎn)生了如 圖7 (c)所示的大約幾十nm的凹陷和凸起。此外，應(yīng)用與實(shí)例11相 似的方法和條件，以蝕刻將被接合到GaN塊狀晶體的不同類型的襯底。 該襯底由藍(lán)寶石襯底、A1N襯底、SiC襯底、ZnSe襯底、Si襯底、MgO 襯底、ZnO襯底、ZnS襯底、石英襯底、碳襯底、金剛石襯底、Ga203 襯底和ZrB2襯底實(shí)現(xiàn)，并且上述襯底具有用Ar氣蝕刻為潔凈表面的將 被接合的各個(gè)表面。將被接合的GaN塊狀晶體的那個(gè)表面具有7um 的最大表面粗糙度Rmax、0.7mn的平均表面粗糙度Ra和相對(duì)于(OOOl) 面的0.4°的斜角。
然后，與實(shí)例11描述的相似，不同類型的GaN塊狀晶體和每個(gè) 上述的各個(gè)襯底接合在--起。參考圖7(d),由于GaN塊狀晶體具有 大約幾十mn的凸起和凹陷的將被接合的表面(即，由N表面接近的 表面)，在不同類型的GaN塊狀晶體和襯底之間有規(guī)則地產(chǎn)生了間隙。 這種間隙有效地減輕了由不同類型的GaN薄膜和襯底之間的熱膨脹系 數(shù)差產(chǎn)生的應(yīng)力，即導(dǎo)致在GaN薄膜上生長(zhǎng)基于GaN的半導(dǎo)體層。
(4) 隔開GaN塊狀晶體
然后，與實(shí)例ll描述的相似，在400'C對(duì)具有不同類型的前述各 個(gè)襯底接合于此的GaN塊狀晶體進(jìn)行熱處理以使注入氫離子的面(在 項(xiàng)目(2)注入了氫離子的面)變脆，以在那個(gè)面隔開GaN塊狀晶體。 由此獲得了包括不同類型的前述各個(gè)襯底和接合在不同類型的襯底上 并具有0.1 ii m厚GaN薄膜的薄GaN接合膜襯底。具有從那里隔開的 GaN薄膜的GaN塊狀晶體用于制造隨后的薄GaN接合膜襯底。
可以重復(fù)上述工藝以從10mm厚的GaN塊狀晶體獲得6，000個(gè)包 括O.lum厚GaN薄膜的薄GaN接合襯底。如常規(guī)的，用線狀鋸切割 的10 mm厚的GaN塊狀晶體僅能生產(chǎn)10個(gè)300u m厚的GaN襯底。 在本實(shí)例中可以從GaN塊狀晶體獲得大量薄GaN接合膜襯底并因此以 顯著減少的成本制造。
在本實(shí)例的薄GaN接合膜的襯底中，如例9中所描述的，適當(dāng)?shù)?使用具有至少1X1(TSk"和至多1X10-sk"的熱膨脹系數(shù)、和至少1,200 'C的熱阻、抗腐蝕性等特性的不同類型的襯底。
此外，本實(shí)例的薄GaN接合膜襯底用作垂直晶體管或類似電子器 件的襯底。因此，為了實(shí)現(xiàn)垂直晶體管結(jié)構(gòu)，優(yōu)選使用由導(dǎo)電襯底例 如SiC襯底、Si襯底、碳襯底等實(shí)現(xiàn)的不同類型的襯底。
實(shí)例15
參考圖8，本實(shí)例提供了由在一個(gè)主表面上具有電極的LED實(shí)現(xiàn) 的實(shí)施例2的第一基于GaN的半導(dǎo)體器件的具體實(shí)例。在本實(shí)例中， LED包括由實(shí)例11中制造的襯底實(shí)現(xiàn)的襯底，即包括絕緣藍(lán)寶石襯底 (不同類型的襯底20)和接合在藍(lán)寶石襯底上的0.1 U m厚的GaN薄 膜10a并包括單晶的第一晶體區(qū)和由相對(duì)于第一晶體區(qū)反轉(zhuǎn)的[OOOl] 方向的單晶形成的第二晶體區(qū)的薄GaN接合膜襯底1。
(1)制備LED
參考圖8，用以下方法制備了本實(shí)例的LED:更具體地，薄GaN 接合膜襯底1，其包括藍(lán)寶石襯底(不同類型的襯底20)和接合在藍(lán) 寶石襯底上的GaN薄膜10a，具有通過MOCVD在GaN薄膜10a上生 長(zhǎng)的基于GaN的半導(dǎo)體層30。更具體地，生長(zhǎng)了 5um厚的n型GaN 層31、疊置在層31上的0.5um厚的n型Alo.osGao.95N層32、疊置在 層32上并具有由6對(duì)In(U5Gao,85N層和In。.o,Gao.99n層形成的多量子阱 (MQW)結(jié)構(gòu)的100nm厚的發(fā)光層33、疊置在層33上的20nm厚的
P型Alo.2oGao.8QN層34、和疊置在層34上的0.15 u m厚的p型GaN層 35。實(shí)例11中制造的該薄GaN接合膜襯底具有在不同類型的襯底和 GaN薄膜之間的間隙。這有效地消除了由不同類型的襯底和GaN薄膜 之間的熱膨脹系數(shù)差產(chǎn)生的應(yīng)力，其導(dǎo)致外延生長(zhǎng)基于GaN的半導(dǎo)體 層，并且在不同類型的襯底、GaN薄膜和基于GaN的半導(dǎo)體層中的任 意一個(gè)沒有觀察到裂縫。
隨后，進(jìn)行臺(tái)地蝕刻以暴露ii型GaN層31的部分表面。隨后， 采用真空沉積或電子束沉積以在具有部分暴露表面的p型GaN層35 和n型GaN層31上分別沉積p和n側(cè)電極51和52。
作為比較例R15，除了在藍(lán)寶石襯底(不同類型的襯底20)上直 接生長(zhǎng)了基于GaN的半導(dǎo)體層30之外，以與實(shí)例15相似的方法和條 件制備了 LED。
此外作為實(shí)例15A,除了當(dāng)生長(zhǎng)了基于GaN的半導(dǎo)體層30時(shí)， 和提供了具有由6對(duì)Alo.05Gao.95N層和GaN層形成的MQW結(jié)構(gòu)的發(fā) 光層33之外，以與實(shí)例15相似的方法和條件制備了 LED。作為比較 例R15A，除了在藍(lán)寶石襯底(不同類型的襯底20)上直接生長(zhǎng)了基于 GaN的半導(dǎo)體層30外，以與實(shí)例15A相似的方法和條件制備了LED。
(2)評(píng)價(jià)LED的特性 通過電致發(fā)光在450 nm的峰值波長(zhǎng)處測(cè)量了實(shí)例15和比較例 R15的每個(gè)LED的放射光譜的輻射強(qiáng)度。實(shí)例15的LED提供了相對(duì) 于比較例R15的1.2的輻射強(qiáng)度。此外，通過電致發(fā)光在350nm的峰 值波長(zhǎng)處測(cè)量了實(shí)例15A和比較例R15的每個(gè)LED的放射光譜的輻射 強(qiáng)度。實(shí)例15A的LED提供了相對(duì)于比較例R15A的IO的輻射強(qiáng)度。 從那里可以看出，采用薄GaN接合膜襯底允許LED提供大的輻射強(qiáng)度 并因此以低成本制備的增強(qiáng)特性。
實(shí)例16
參考圖9，本實(shí)例分別提供了由具有相對(duì)側(cè)上的電極的LED實(shí)現(xiàn) 的實(shí)施例2的第一基于GaN的半導(dǎo)體器件的另一實(shí)例。在本實(shí)例中， LED包括由實(shí)例11中制造的襯底實(shí)現(xiàn)的襯底，BP，包括導(dǎo)電Si襯底 (不同類型的襯底)和0.1um厚的GaN導(dǎo)電薄膜10a， GaN導(dǎo)電薄膜 10a接合在Si襯底上并包括單晶的第一晶體區(qū)和由相對(duì)于第一晶體區(qū) 反轉(zhuǎn)的
方向的單晶形成的第二晶體區(qū)。
(1)制備LED
參考圖9，用以下方法制備了本實(shí)例的LED。更具體地，薄GaN 接合膜襯底1，其包括Si襯底(不同類型的襯底20)和接合在Si襯底 上的GaN薄膜10a，其具有通過MOCVD在GaN薄膜10a上生長(zhǎng)的基 于GaN的半導(dǎo)體層30。更具體地，生長(zhǎng)了 2ixm厚的n型GaN層31、 疊置在層31上的0.5 u m厚的n型Al^Ga^N層32、疊置在層32上 并具有由6對(duì)In0.15Ga0.85N層和In0.01Gao.99N層形成的MQW結(jié)構(gòu)的100 nm厚的發(fā)光層33、疊置在層33上的20nm厚的p型Alo.2()Ga。.8()N層 34、和疊置在層34上的0.15um厚的p型GaN層35。實(shí)例11中制造 的該薄GaN接合膜襯底具有在不同類型的襯底和GaN薄膜之間的間 隙。這有效地消除了由不同類型的襯底和GaN薄膜之間的熱膨脹系數(shù) 差產(chǎn)生的應(yīng)力，其導(dǎo)致外延生長(zhǎng)基于GaN的半導(dǎo)體層，并且在不同類 型的襯底、GaN薄膜和基于GaN的半導(dǎo)體層中的任意一個(gè)沒有觀察到 裂縫。
隨后，采用了真空沉積或電子束沉積以在p型GaN層35和Si襯 底(不同類型的襯底20)上分別沉積p和n側(cè)電極51和52。
本實(shí)例的LED，分別具有相對(duì)主表面上的電極，允許在主表面之 間的電導(dǎo)性并由此有助于減小芯片尺寸。
實(shí)例17
參考圖10,本實(shí)例提供了由在相對(duì)側(cè)上分別具有電極的LED實(shí)現(xiàn) 的實(shí)施例3的第二基于GaN的半導(dǎo)體器件的具體實(shí)例。本實(shí)例中的LED 具有包括O.lym厚的GaN導(dǎo)電薄膜10a和沉積在GaN薄膜10a上的 至少一個(gè)基于GaN的半導(dǎo)體層30的結(jié)構(gòu)，輻射且導(dǎo)電的襯底40鄰接 接合到基于GaN的半導(dǎo)體層30的最外層。
(1)制備LED
參考圖IO，用以下方法制備了本實(shí)例的LED:更具體地，最初， 參考圖10 (a)，以實(shí)例11制造的薄GaN接合膜襯底1，其包括藍(lán)寶 石襯底(不同類型的襯底20)和接合在藍(lán)寶石襯底上的0.1 urn厚的 GaN薄膜10a，其具有通過MOCVD在GaN薄膜10a上生長(zhǎng)的基于GaN 的半導(dǎo)體層30。更具體地，生長(zhǎng)了2nm厚的n型GaN層31、疊置在 層31上的0.5 " m厚的n型Al^Ga^N層32、疊置在層32上并具有 由6對(duì)In0.15Ga0.85N層和In0.0，Ga0.99N層形成的MQW結(jié)構(gòu)的100 nm厚 的發(fā)光層33、疊置在層33上的20nm厚的p型Al。.2。Gao別N層34、和 疊置在層34上的0.15um厚的p型GaN層35。實(shí)例11中制造的該薄 GaN接合膜襯底具有在不同類型的襯底和GaN薄膜之間的間隙。這有 效地消除了由不同類型的襯底和GaN薄膜之間的熱膨脹系數(shù)差產(chǎn)生的 應(yīng)力，其導(dǎo)致外延生長(zhǎng)基于GaN的半導(dǎo)體層，并且在不同類型的襯底、 GaN薄膜和基于GaN的半導(dǎo)體層中的任意一個(gè)沒有觀察到裂縫。然后 釆用了真空沉積以在p型GaN層35上沉積p側(cè)電極51 。
然后參考圖10 (b),用Au-Su焊料將Cu板實(shí)現(xiàn)的輻射導(dǎo)電板 40鄰接接合于基于GaN的半導(dǎo)體層30的最外層(p型GaN層35)， p側(cè)電極51形成在它們之間。
然后參考圖10 (c)，釆用了激光剝離(lift-off)以從GaN薄膜 lOa分離藍(lán)寶石襯底(不同類型的襯底20)。然后采用了電子束沉賜以 在GaN薄膜上沉積n側(cè)電極52。作為比較例R17,除了在藍(lán)寶石襯底(不同類型的襯底20)上直 接生長(zhǎng)了基于GaN的半導(dǎo)體層30之外，以與實(shí)例17相似的方法和條 件制備了 LED。
(2)評(píng)價(jià)LED的特性 在450 nm的峰值波長(zhǎng)處測(cè)量了實(shí)例17和比較例R17的每個(gè)LED 的放射光譜的輻射強(qiáng)度。實(shí)例17的LED提供了相對(duì)于比較例R17的 1.2的輻射強(qiáng)度。從那里可以看出，采用薄GaN接合膜襯底允許LED 提供大的輻射強(qiáng)度并因此提供以低成本制備的增強(qiáng)特性。此外，具有 藍(lán)寶石襯底(不同類型的襯底20)移除了的實(shí)例17的LED，允許光被 更有效地提取。此外，在相對(duì)主表面上具有電極的實(shí)例17的LED，分 別允許主表面之間的電導(dǎo)性并由此有助于減小芯片尺寸。
實(shí)例18
參考圖11，本實(shí)例提供了由HEMT實(shí)現(xiàn)的實(shí)施例2的第一基于 GaN的半導(dǎo)體器件的另一具體實(shí)例。本實(shí)例中的HEMT采用了實(shí)例12 中制造的襯底，即，薄GaN接合膜襯底l，其包括絕緣藍(lán)寶石襯底(不 同類型的襯底20)和接合在藍(lán)寶石襯底上的0.1 m厚的GaN半絕緣 薄膜10a。
(1)制備HEMT 參考圖11，用以下方法制備了本實(shí)例的HEMT:更具體地，薄 GaN接合膜襯底1，其包括藍(lán)寶石襯底(不同類型的襯底20)和接合 在藍(lán)寶石襯底上的O.liim厚的GaN薄膜10a，其具有通過MOCVD在 GaN薄膜10a上生長(zhǎng)的基于GaN的半導(dǎo)體層30。更具體地，生長(zhǎng)了 3 u m厚的i型GaN層36和疊置在層36上的30nm厚的i型Al。.25GaQ.75N 層37。然后釆用了光刻和剝離以在i型AIo.25Gao.75N層37上提供源電 極53和漏電極54。源和漏電極53和54兩個(gè)都由沉積在層中的50nm 厚的Ti層、100nm厚的Al層、20nm厚的Ti層和200nm厚的Au層實(shí) 現(xiàn)，并在8001C進(jìn)行熱處理30秒并由此合金。此外，采用類似的技術(shù)
以在i型Al^GaowN層37上提供由300nm厚的Au層實(shí)現(xiàn)的并具有2 um柵極寬度和150nm柵極長(zhǎng)度的柵電極55。由此制備了 HEMT并 證實(shí)了它的操作。
實(shí)例19
參考圖12,本實(shí)例提供了由垂直晶體管實(shí)現(xiàn)的實(shí)施例2的第一基 于GaN的半導(dǎo)體器件的另一具體實(shí)例。本實(shí)例中的垂直晶體管采用了 實(shí)例14中制造的襯底，B卩，薄GaN接合膜襯底1，其包括導(dǎo)電襯底(不 同類型的襯底20)和O.lum厚的GaN導(dǎo)電薄膜10a， GaN導(dǎo)電薄膜 10a接合在導(dǎo)電襯底上并包括單晶的第一晶體區(qū)和由相對(duì)于第一晶體 區(qū)反轉(zhuǎn)的
方向的單晶形成的第二晶體區(qū)。
(1)制備垂直晶體管 參考圖12，本實(shí)例的垂直晶體管如下制備薄GaN接合膜襯底1， 其包括導(dǎo)電Si襯底(不同類型的襯底20)和接合在Si襯底上的GaN 薄膜ioa，其具有通過MOCVD在GaN薄膜10a上生長(zhǎng)的10nm厚的 n-型GaN層38 (電子密度1 X 1016cnT3)實(shí)現(xiàn)的基于GaN的半導(dǎo)體層 30。
然后采用了選擇性的離子注入以將Mg注入到rf型GaN層38的部 分區(qū)域中以提供p型層38，并將Si離子注入到p型層38a的部分區(qū)域 中以提供n+型層38b。然后在n型GaN層38、 p型層38a和n+型層38b 上，沉積了由300nm厚的SiO2層實(shí)現(xiàn)的鈍化膜(未示出)，并且在其 后在1，250'C進(jìn)行了 30秒的熱處理以激活注入了的離子。
然后用氫氟酸移除了鈍化膜，并隨后在ii型GaN層38、p型層38a 和n+型層38b上，采用了等離子體化學(xué)汽相沉積(p-CVD)以沉積由 50 rnn厚的Si02層實(shí)現(xiàn)的絕緣膜60。然后釆用了光刻和緩沖氫氟酸以 選擇性地蝕刻絕緣膜60的部分區(qū)域并通過剝離提供了源電極53:源電 極53由沉積在層中的50nm厚的Ti層、100nm厚的Al層、20 nm厚
的Ti層和200 nm厚的Au層實(shí)現(xiàn)，并在800匸進(jìn)行30秒的熱處理并由 此被合金化。然后采用了光刻和剝離以在絕緣膜60上提供由300 nm 厚A1層實(shí)現(xiàn)的柵電極55以配置金屬-絕緣體-半導(dǎo)體(MIS)結(jié)構(gòu)。然 后在Si襯底(不同類型的襯底20)上提供了漏電極54。漏電極54由 沉積在層中的50nm厚的Ti層、lOOmn厚的Al層、20nm厚的Ti層 和200 nm厚的Au層實(shí)現(xiàn)，并在800'C進(jìn)行30秒的熱處理并由此被合 金化。由此制備了垂直晶體管并證實(shí)了它的操作。
盡管已詳細(xì)地描述和示例了本發(fā)明，但清楚地理解，本發(fā)明僅是 示例性的和實(shí)例，而不是限制性的，本發(fā)明的精神和范圍僅由所附權(quán) 利要求的條款所限定。
權(quán)利要求
1.一種制造薄GaN接合膜襯底的方法，包括如下步驟在GaN塊狀晶體上接合與GaN不同化學(xué)成分、不同類型的襯底；以及，在離不同類型的所述襯底的界面具有至少0.1μm和至多100μm距離的平面處隔開所述GaN塊狀晶體，以在不同類型的所述襯底上提供GaN薄膜，其中所述GaN塊狀晶體具有接合到不同類型的所述襯底的表面，具有至多20μm的最大表面粗糙度Rmax。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造薄GaN接合膜襯底的方法，進(jìn)一步 包括在所述GaN塊狀晶體上接合不同類型的所述襯底的步驟之前， 將選自由氫離子、氦離子和氮離子構(gòu)成的組的一種類型的離子注入到 在離將被接合的所述GaN塊狀晶體的所述表面至少0.1 u m和至多100 um深的所述平面處的所述GaN塊狀晶體中，其中隔開所述GaN塊狀 晶體的步驟包括對(duì)所述GaN塊狀晶體進(jìn)行熱處理。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造薄GaN接合膜襯底的方法，其中隔 開所述GaN塊狀晶體的步驟包括在離不同類型的所述襯底的界面具有 至少O.l u m和至多l(xiāng)OOu m距離的所述平面處切割所述GaN塊狀晶體。
4. 一種用權(quán)利要求l的方法獲得的薄GaN接合膜襯底來制備第一 基于GaN的半導(dǎo)體器件的方法，包括如下步驟在薄GaN接合膜襯底 的GaN薄膜上生長(zhǎng)至少一個(gè)基于GaN的半導(dǎo)體層。
5. —種利用權(quán)利要求4的方法獲得的第一 基于GaN的半導(dǎo)體器件 制備第二基于GaN的半導(dǎo)體器件的方法，包括如下步驟在所述第一 基于GaN的半導(dǎo)體器件的基于GaN的半導(dǎo)體層的最外層上接合輻射導(dǎo) 電的襯底；以及，分離彼此不同類型的GaN薄膜和襯底。
6. —種薄GaN接合膜襯底，包括與GaN不同類型、化學(xué)成分不同的襯底；以及，具有至少0.1um和至多100um的厚度并接合在 不同類型的所述襯底上的GaN薄膜。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6的薄GaN接合膜襯底，其中所述GaN薄膜具 有至多l(xiāng)X10Scn^的位錯(cuò)密度。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6的薄GaN接合膜襯底，其中所述GaN薄膜具 有至少lX10 m's的載流子密度。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6的薄GaN接合膜襯底，其中所述GaN薄膜包 括單晶的第一晶體區(qū)；以及，第二晶體區(qū)，所述第二晶體區(qū)包括單 晶形成的部分和多晶部分中至少之一，所述單晶形成的部分具有相對(duì) 于所述第一晶體區(qū)反轉(zhuǎn)的
方向。
10. 根據(jù)權(quán)利要求6的薄GaN接合膜襯底，其中不同類型的所述襯底具有至少ix 1o-8k"和至多ix io-sk—1的熱膨脹系數(shù)。
11. —種第一基于GaN的半導(dǎo)體器件，包括與GaN不同化學(xué)成 分、不同類型的襯底；具有至少O.lum和至多l(xiāng)OOwra的厚度并且接 合在不同類型的所述襯底上的GaN薄膜；以及，沉積在所述GaN薄膜 上的至少一個(gè)基于GaN的半導(dǎo)體層。
12. —種第二基于GaN的半導(dǎo)體器件，包括具有至少0.1um和 至多l(xiāng)OOtim厚的GaN薄膜；沉積在所述GaN薄膜上的至少一個(gè)基于 GaN的半導(dǎo)體層；以及，接合在所述基于GaN的半導(dǎo)體層的最外層上 的輻射導(dǎo)電襯底。
全文摘要
本發(fā)明公開其上接合有GaN薄膜的襯底及其制備方法以及基于GaN的半導(dǎo)體器件及其制備方法。提供一種制造薄GaN接合膜襯底的方法，包括步驟在GaN塊狀晶體上接合與GaN類型或化學(xué)成分不同的襯底；在離不同類型的襯底的界面具有至少0.1μm和至多100μm距離的平面處隔開GaN塊狀晶體，以在不同類型的襯底上提供GaN薄膜，其中GaN塊狀晶體具有接合到不同類型的襯底的表面，具有至多20μm的最大表面粗糙度Rmax。由此可以以低成本制備一種包括薄GaN接合膜襯底和沉積在GaN薄膜上的至少一個(gè)基于GaN的半導(dǎo)體層的基于GaN的半導(dǎo)體器件，該薄GaN接合膜襯底包括不同類型的襯底和固定在不同類型襯底上的GaN薄膜。
文檔編號(hào)H01L23/00GK101101868SQ20071012735
公開日2008年1月9日 申請(qǐng)日期2007年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月30日
發(fā)明者三浦祥紀(jì), 八鄉(xiāng)昭廣, 秋田勝史, 笠井仁 申請(qǐng)人:住友電氣工業(yè)株式會(huì)社