專利名稱：制造GaN基膜的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制造GaN基膜的方法，所述方法能夠得到具有大的主表面積和較小翹曲的GaN基膜。
背景技術(shù)：
GaN基膜適合用作半導(dǎo)體器件如發(fā)光器件和電子器件中的襯底和半導(dǎo)體層。從襯底與GaN基膜之間的晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)的匹配或基本匹配考慮，作為用于制造這種GaN基膜的襯底，GaN襯底是最好的。然而，GaN襯底非常貴，且難以獲得主表面的直徑超過2英寸的具有大直徑的GaN襯底。因此，通常將藍(lán)寶石襯底用作用于形成GaN基膜的襯底。藍(lán)寶石襯底和GaN晶體在晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)方面相互明顯不同。因此，為了緩和藍(lán)寶石襯底與GaN晶體之間的晶格常數(shù)的不匹配并生長(zhǎng)具有良好結(jié)晶性的GaN晶體，例如，日本特開平04-297023號(hào)公報(bào)公開了，在藍(lán)寶石襯底上形成GaN緩沖層并在所述藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)GaN晶體中在所述GaN緩沖層上生長(zhǎng)GaN晶體層。另外，為了通過使用具有接近于GaN晶體的熱膨脹系數(shù)的襯底而得到翹曲較小的GaN膜，例如，日本特表2007-523472號(hào)公報(bào)公開了具有一對(duì)或多對(duì)層的復(fù)合支持襯底，所述一對(duì)或多對(duì)層具有與位于其間的中心層基本相同的熱膨脹系數(shù)并具有與GaN晶體的熱膨脹系數(shù)基本相同的總熱膨脹系數(shù)。引用列表專利文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)I :日本特開平04-297023號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)2 日本特表2007-523472號(hào)公報(bào)

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題根據(jù)上述日本特開平04-297023號(hào)公報(bào)，在晶體生長(zhǎng)方向上發(fā)生凹進(jìn)形翹曲的同時(shí)生長(zhǎng)GaN晶體，可能是因?yàn)樵贕aN晶體的生長(zhǎng)期間晶體缺陷如位錯(cuò)由于締合而消失。然而，如上所述，藍(lán)寶石襯底的熱膨脹系數(shù)遠(yuǎn)高于GaN晶體的熱膨脹系數(shù)，因此在晶體生長(zhǎng)之后的冷卻期間生長(zhǎng)的GaN晶體以在晶體生長(zhǎng)方向上突出的形狀大幅度翹曲并得到了以在晶體生長(zhǎng)方向上突出的形狀大幅度翹曲的GaN膜。此處，由于藍(lán)寶石襯底的主表面具有更大的直徑，所以在上述冷卻期間的GaN晶體的翹曲變得更大(具體地，得到的GaN膜的翹曲與藍(lán)寶石襯底主表面的直徑的平方基本成比例)。因此，在主表面具有更大的直徑時(shí)，難以得到翹曲較小的GaN膜。上述日本特表2007-523472號(hào)公報(bào)中公開的復(fù)合支持襯底具有與GaN晶體基本相同的熱膨脹系數(shù)，因此在其上生長(zhǎng)的GaN層的翹曲能夠較小。然而，這種復(fù)合支持襯底具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，且所述結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和形成困難。因此，用于設(shè)計(jì)和制造的成本非常高且用于制造GaN膜的成本變得非常高。本發(fā)明的目的是解決上述問題并提供一種制造GaN基膜的方法，所述方法能夠制造具有大的主表面積和較小翹曲的GaN基膜。解決問題的手段根據(jù)一個(gè)方面，本發(fā)明涉及一種制造GaN基膜的方法，所述方法包括準(zhǔn)備復(fù)合襯底的步驟，所述復(fù)合襯底包含支持襯底和布置在所述支持襯底的主表面?zhèn)鹊膯尉?，在所述支持襯底中在主表面中的熱膨脹系數(shù)大于GaN晶體在a軸方向上的熱膨脹系數(shù)的O. 8倍且小于其I. 2倍，所述單晶膜相對(duì)于垂直于所述單晶膜的主表面的軸呈三重對(duì)稱；和在所述復(fù)合襯底中的所述單晶膜的所述主表面上形成GaN基膜的步驟。
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在根據(jù)本發(fā)明的制造GaN基膜的方法中，所述復(fù)合襯底中的所述單晶膜的所述主表面能夠具有等于或大于45cm2的面積。另外，所述復(fù)合襯底的所述支持襯底能夠由含有氧化物的燒結(jié)體制成。而且，所述復(fù)合襯底的支持襯底能夠含有氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯和由氧化鋁和二氧化硅形成的Al2O3-SiO2復(fù)合氧化物。此處，氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯相對(duì)于Al2O3-SiO2復(fù)合氧化物和氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯的總量的含量能夠?yàn)椴坏陀?0質(zhì)量％且不高于40質(zhì)量％。此外，氧化釔相對(duì)于氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯的含量為不低于5摩爾％。此外，所述形成GaN基膜的步驟包括在所述單晶膜的所述主表面上形成GaN基緩沖層的分步和在所述GaN基緩沖層的主表面上形成GaN基單晶層的分步。發(fā)明效果根據(jù)本發(fā)明，能夠提供一種制造GaN基膜的方法，所述方法能夠制造具有大的主表面積和較小翹曲的GaN基膜。


圖I是顯示根據(jù)本發(fā)明的制造GaN基膜的方法的一個(gè)實(shí)例的示意性橫斷面圖，(A)顯示了準(zhǔn)備復(fù)合襯底的步驟且(B)顯示了形成GaN基膜的步驟。圖2是顯示在根據(jù)本發(fā)明的制造GaN基膜的方法中所使用的準(zhǔn)備復(fù)合襯底的步驟的一個(gè)實(shí)例的示意性橫斷面圖，(A)顯示了準(zhǔn)備支持襯底的分步，(B)顯示了在底部襯底上形成單晶膜的分步，(C)顯示了將單晶膜結(jié)合到支持襯底上的分步，且(D)顯示了將底部襯底與單晶膜分離的分步。
具體實(shí)施例方式參考圖1，根據(jù)本發(fā)明的制造GaN基膜的方法的一個(gè)實(shí)施方案包括準(zhǔn)備復(fù)合襯底10的步驟，所述復(fù)合襯底10包含支持襯底11和布置在支持襯底11的主表面IIm側(cè)的單晶膜13，在支持襯底11中在主表面IIm中的熱膨脹系數(shù)大于GaN晶體在a軸方向上的熱膨脹系數(shù)的O. 8倍且小于其I. 2倍，單晶膜13相對(duì)于垂直于單晶膜13的主表面13m的軸呈三重對(duì)稱(圖1(A));和在復(fù)合襯底10中的單晶膜13的主表面13m上形成GaN基膜20的步驟(圖1(B))。此處，GaN基膜是指由含Ga作為III族元素的III族氮化物形成的膜，其例示地有例如 GaxInyAU 膜(x>0, y ^ O, x+y ( I)。根據(jù)本實(shí)施方案中的制造GaN基膜的方法，通過使用復(fù)合襯底，能夠得到具有大的主表面積(即大直徑)和較小翹曲的GaN基膜，所述復(fù)合襯底包含支持襯底和布置在所述支持襯底的主表面?zhèn)鹊膯尉?，在支持襯底中在主表面中的熱膨脹系數(shù)大于GaN晶體在a軸方向上的熱膨脹系數(shù)的O. 8倍且小于其I. 2倍，單晶膜相對(duì)于垂直于單晶膜的主表面的
軸呈二重對(duì)稱。(準(zhǔn)備復(fù)合襯底的步驟)參考圖I (A)，本實(shí)施方案中的制造GaN基膜的方法包括準(zhǔn)備復(fù)合襯底10的步驟，所述復(fù)合襯底10包含支持襯底11和布置在支持襯底11的主表面Ilm側(cè)的單晶膜13，在支持襯底11中在主表面Ilm中的熱膨脹系數(shù)大于GaN晶體在a軸方向上的熱膨脹系數(shù)的O. 8倍且小于其I. 2倍，單晶膜13相對(duì)于垂直于單晶膜13的主表面13m的軸呈三重對(duì)稱。上述復(fù)合襯底10包含支持襯底11和布置在支持襯底11的主表面Ilm側(cè)的單晶膜13，在支持襯底11中在主表面IIm中的熱膨脹系數(shù)與GaN晶體在a軸方向上的熱膨脹系 數(shù)相匹配或接近(具體地，大于其O. 8倍且小于其I. 2倍)，單晶膜13相對(duì)于垂直于單晶膜13的主表面13m的軸呈三重對(duì)稱。因此，能夠在復(fù)合襯底10的單晶膜13的主表面13m上生長(zhǎng)翹曲較小、位錯(cuò)密度低且直徑大的GaN基膜。從在復(fù)合襯底10的單晶膜13上生長(zhǎng)翹曲較小、位錯(cuò)密度低且直徑大的GaN基膜考慮，在上述復(fù)合襯底10中所包含的支持襯底11在主表面Ilm中的熱膨脹系數(shù)應(yīng)大于GaN晶體在a軸方向上的熱膨脹系數(shù)的O. 8倍且小于其I. 2倍，優(yōu)選大于其O. 9倍且小于其I. 15倍，進(jìn)一步優(yōu)選大于其O. 95倍且小于其I. I倍。此處，支持襯底11沒有特別限制，只要襯底在主表面Ilm中的熱膨脹系數(shù)大于GaN晶體在a軸方向上的熱膨脹系數(shù)的O. 8倍且小于其I. 2倍即可，且襯底可以為單晶、多晶或非晶的。從易于基于原料的類型和比例的變化而調(diào)節(jié)熱膨脹系數(shù)、易于得到在上述范圍內(nèi)的熱膨脹系數(shù)、對(duì)生長(zhǎng)GaN基膜的氣氛的耐性、以及在生長(zhǎng)GaN基膜之后可以通過溶劑如氫氟酸(氟化氫)進(jìn)行選擇性腐蝕考慮，支持襯底11優(yōu)選由含有氧化物的燒結(jié)體制成。例如，燒結(jié)體的優(yōu)選實(shí)例包括Al2O3-SiO2基燒結(jié)體、MgO-SiO2基燒結(jié)體、ZrO2-SiO2基燒結(jié)體、ZrO2-Al2O3-SiO2 基燒結(jié)體、Y2O3-Al2O3-SiO2 基燒結(jié)體、Y2O3-ZrO2-Al2O3-SiO2 基燒結(jié)體等?；蛘?，支持襯底11特別優(yōu)選含有氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯(Y2O3穩(wěn)定的ZrO2，下文中也稱作YSZ)和由氧化鋁(Al2O3)和二氧化硅(SiO2)形成的Al2O3-SiO2復(fù)合氧化物。含有Al2O3-SiO2復(fù)合氧化物和YSZ(氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯)的支持襯底11可溶于氫氟酸(氟化氫)中且其使得可以在布置在復(fù)合襯底10的支持襯底11的主表面?zhèn)鹊膯尉?3上生長(zhǎng)結(jié)晶性優(yōu)異的GaN基膜。此處，Al2O3-SiO2復(fù)合氧化物沒有特別限制，且莫來石(3A1203 *2Si02到 2A1203 · SiO2 或 Al6O13Si2)等是合適的。從在含有Al2O3-SiO2復(fù)合氧化物和YSZ (氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯)的支持襯底11上的單晶膜13上生長(zhǎng)結(jié)晶性優(yōu)異的GaN基膜期間抑制在GaN基膜中產(chǎn)生的裂紋考慮，YSZ相對(duì)于Al2O3-SiO2復(fù)合氧化物和YSZ的總量的含量?jī)?yōu)選不低于20質(zhì)量％且不高于40質(zhì)量％，更優(yōu)選不低于25質(zhì)量％且不高于35質(zhì)量％。此外，基于與上述相同的考慮，氧化釔(Y2O3)相對(duì)于YSZ的含量?jī)?yōu)選為不低于5摩爾％,更優(yōu)選不低于6摩爾％且不高于50摩爾％。此處，由于支持襯底11和GaN晶體各自的熱膨脹系數(shù)通常隨其溫度而大幅度波動(dòng)，所以重要的是，應(yīng)基于熱膨脹系數(shù)確定溫度或溫度區(qū)域。本發(fā)明的目的是在復(fù)合襯底上制造翹曲較小的GaN基膜。在從室溫升高的用于GaN基膜的成膜溫度下在復(fù)合襯底上形成GaN基膜，其后將溫度降至室溫，然后，將在復(fù)合襯底上形成的GaN基膜取出。因此考慮，作為支持襯底和GaN晶體各自的熱膨脹系數(shù)，適當(dāng)對(duì)支持襯底和GaN晶體各自的從室溫到用于GaN基膜的成膜溫度的平均熱膨脹系數(shù)進(jìn)行處理。然而，即使在惰性氣氛中，如果溫度超過800°C，則所述GaN晶體也會(huì)分解。因此，在本發(fā)明中，支持襯底和GaN晶體各自的熱膨脹系數(shù)由從室溫(具體地，25°C )到800°C的平均熱膨脹系數(shù)確定。另外，從在復(fù)合襯底10的單晶膜13上生長(zhǎng)翹曲較小、位錯(cuò)密度低且直徑大的GaN基膜考慮，布置在上述復(fù)合襯底10中所包含的支持襯底11的主表面Ilm側(cè)的單晶膜13應(yīng)相對(duì)于垂直于單晶膜13的主表面13m的軸呈三重對(duì)稱，所述單晶膜的優(yōu)選實(shí)例包括具有(0001)面作為主表面13m的藍(lán)寶石膜、具有(0001)面作為主表面13m的SiC膜、具有(111)面作為主表面13m的Si膜、具有(111)面作為主表面13m的GaAs膜等。此處，相對(duì)于垂直于單晶膜的主表面的軸呈三重對(duì)稱的單晶膜不是指在晶體幾何形狀方面嚴(yán)格三重對(duì)稱，而是在實(shí)際單晶膜中基本呈三重對(duì)稱，且具體是指，在單晶膜的晶體幾何形狀方面嚴(yán)格的三重對(duì)稱軸與垂直于單晶膜的主表面的軸之間的角度的絕對(duì)值不超過10°。
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從在復(fù)合襯底10中減小翹曲并降低位錯(cuò)密度考慮，支持襯底11的主表面Ilm和單晶膜13的主表面13m優(yōu)選基本相互平行。此處，兩個(gè)表面基本相互平行是指，由這兩個(gè)表面形成的角度的絕對(duì)值不超過10°。另外，在復(fù)合襯底10的支持襯底11的主表面Ilm側(cè)布置單晶膜13的方法沒有特別限制，且例示性方法包括在支持襯底11的主表面Ilrn上直接生長(zhǎng)單晶膜13的方法(第一方法)、將在底部襯底的主表面上形成的單晶膜13結(jié)合到支持襯底11的主表面Ilm上并其后將所述底部襯底除去的方法(第二方法)、將單晶(未示出)結(jié)合到支持襯底11的主表面Ilm上并其后在指定深度的面處將單晶與結(jié)合表面分離以由此在支持襯底11的主表面Ilm上形成單晶膜13的方法(第三方法)等。在支持襯底由多晶燒結(jié)體制成的情況中，上述第一方法困難且因此優(yōu)選使用上述第二和第三方法中的任意方法。在上述第二方法中將單晶膜13結(jié)合到支持襯底11上的方法沒有特別限制，且例示性方法包括將單晶膜13直接結(jié)合到支持襯底11的主表面Ilm上的方法、利用插入的膠粘層12將單晶膜13結(jié)合到支持襯底11的主表面Ilm上的方法等。在上述第三方法中將單晶結(jié)合到支持襯底11上的方法沒有特別限制，且例示性方法包括將單晶直接結(jié)合到支持襯底11的主表面Ilm上的方法、利用插入的膠粘層12將單晶結(jié)合到支持襯底11的主表面Ilm上的方法等。上述準(zhǔn)備復(fù)合襯底10的步驟沒有特別限制。然而，從有效準(zhǔn)備高品質(zhì)的復(fù)合襯底10考慮，例如，參考圖2，上述第二方法能夠包括準(zhǔn)備支持襯底11的分步(圖2 (A))、在底部襯底30的主表面30η上形成單晶膜13的分步(圖2 (B))、將支持襯底11和單晶膜13相互結(jié)合的分步(圖2 (C))、以及除去底部襯底30的分步(圖2 (D))。在圖2(C)中，在將支持襯底11和單晶膜13相互結(jié)合的分步中，在支持襯底11的主表面Ilm上形成膠粘層12a (圖2 (Cl))，且在底部襯底30的主表面30η上生長(zhǎng)的單晶膜13的主表面13η上形成膠粘層12b(圖2(C2))，其后將在支持襯底11上形成的膠粘層12a的主表面12am與在底部襯底30上形成的單晶膜13上形成的膠粘層12b的主表面12bm相互結(jié)合，由此利用通過插入的膠粘層12a與膠粘層12b之間的接合而形成的膠粘層12將支持襯底11與單晶膜13相互結(jié)合(圖2(C3))。然而，如果能夠?qū)⒅С忠r底11與單晶膜13相互接合，能夠?qū)⒅С忠r底11與單晶膜13直接相互結(jié)合而不插入膠粘層12。將支持襯底11和單晶膜13相互結(jié)合的具體技術(shù)沒有特別限制。然而，從在結(jié)合之后即使在高溫下仍能保持接合強(qiáng)度的能力考慮，優(yōu)選使用對(duì)結(jié)合表面進(jìn)行洗滌、實(shí)施結(jié)合、并其后將溫度提高至約600°C 1200°C以用于接合的直接接合法，對(duì)結(jié)合表面進(jìn)行洗滌、利用等離子體或離子等對(duì)結(jié)合表面進(jìn)行活化、并其后在約室溫(例如25V)到400°C的低溫下實(shí)施接合的表面活化法等。(形成GaN基膜的步驟)參考圖I (B)，本實(shí)施方案中的制造GaN基膜的方法包括在復(fù)合襯底10中的單晶膜13的主表面13m上形成GaN基膜20的步驟。在上述準(zhǔn)備復(fù)合襯底的步驟中準(zhǔn)備的復(fù)合襯底10包含支持襯底11和布置在支持襯底11的主表面Ilrn側(cè)的單晶膜13，在所述支持襯底11中在主表面Ilm中的熱膨脹系數(shù)與GaN晶體在a軸方向上的熱膨脹系數(shù)相匹配或接近(具體地，大于其O. 8倍且小于其I. 2倍)，且單晶膜13相對(duì)于垂直于單晶膜13的主表面13m的軸呈三重對(duì)稱。因此，能夠在復(fù) 合襯底10的單晶膜13的主表面13m上形成翹曲較小、位錯(cuò)密度低且直徑大的GaN基膜20。
盡管形成GaN基膜的方法沒有特別限制，但是從形成位錯(cuò)密度低的GaN基膜考慮，優(yōu)選例示性地有氣相外延法如MOCVD (金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積)法、HVPE (氫化物氣相外延)法、MBE (分子束外延)法和升華法；液相外延法如助熔劑法和高氮壓溶液法。形成GaN基膜的步驟沒有特別限制。然而，從形成位錯(cuò)密度低的GaN基膜考慮，所述步驟優(yōu)選包括在復(fù)合襯底10的單晶膜13的主表面13m上形成GaN基緩沖層21的分步和在GaN基緩沖層21的主表面21m上形成GaN基單晶層23的分步。此處，GaN基緩沖層21是指結(jié)晶性低或非結(jié)晶的層，其為GaN基膜20的一部分且是在低于GaN基單晶層23的生長(zhǎng)溫度的溫度下生長(zhǎng)的，所述GaN基單晶層23是GaN基膜20的另一部分。通過形成GaN基緩沖層21，緩和了在GaN基緩沖層21上形成的GaN基單晶層23與單晶膜13之間晶格常數(shù)的不匹配，因此GaN基單晶層23的結(jié)晶性提高且其位錯(cuò)密度下降。因此，GaN基膜20的結(jié)晶性提高且其位錯(cuò)密度下降。還能夠?qū)aN基單晶層23生長(zhǎng)為單晶膜13上的GaN基膜20而不生長(zhǎng)GaN基緩沖層21。這種方法適用于單晶膜13與在其上形成的GaN基膜20之間的晶格常數(shù)不匹配較小的情況。實(shí)施例(實(shí)施例I)I.測(cè)量GaN晶體的熱膨脹系數(shù)從利用HVPE法生長(zhǎng)的并具有I X IO6CnT2的位錯(cuò)密度、I X IO18CnT2的Si濃度、IXlO17Cnr2的氧濃度和IXlO16Cnr2的碳濃度的GaN單晶中切割具有2X2X20mm尺寸的評(píng)價(jià)用試樣(具有在縱向上的a軸并具有c面和m面中的任一種面以作為平行于所述縱向的面，面取向的精確度在±0. 1°內(nèi))。利用TMA (熱機(jī)械分析)對(duì)在將溫度從室溫(25°C )升至800°C時(shí)上述評(píng)價(jià)用試樣的平均熱膨脹系數(shù)進(jìn)行了測(cè)量。具體地，使用由日本理學(xué)株式會(huì)社(Rigaku Corporation)制造的TMA 8310，在氮?dú)饬鲃?dòng)的氣氛中利用差示熱膨脹法測(cè)量了評(píng)價(jià)用試樣的熱膨脹系數(shù)。通過這種測(cè)量得到的GaN晶體在a軸方向上的25°C 800°C下的平均熱膨脹系數(shù)aeaN_a為 5. 84X IO^V0C ο2.準(zhǔn)備復(fù)合襯底的步驟
(I)準(zhǔn)備支持襯底的分步參考圖2(A)，通過在1700°C下的氬氣氣氛中在一個(gè)軸的方向上在50MPa的壓力下，在指定摩爾比下將作為支持襯底11的材料的Al2O3和SiO2的混合物燒結(jié)I小時(shí)，制備了13種可商購獲得的Al2O3-SiO2基燒結(jié)體A M。作為X射線衍射分析確認(rèn)的結(jié)果，在這13種Al2O3-SiO2基燒結(jié)體A M中的各種燒結(jié)體中，存在Al6O13Si2 (莫來石)、Al2O3和SiO20另外，從13種上述Al2O3-SiO2基燒結(jié)體中的各種燒結(jié)體中切割具有2X2X20mm尺寸的測(cè) 量用試樣(具有基本平行于從燒結(jié)體中切割的支持襯底主表面的方向以作為縱向)。此處，由于Al2O3-SiO2基燒結(jié)體不具有方向特性，所以可設(shè)置任意切割方向。按上述測(cè)量了在將溫度從室溫(25°C )升至800°C時(shí)這些測(cè)量用試樣中各種試樣的平均熱膨脹系數(shù)as。Al2O3-SiO2基燒結(jié)體A具有53:47的Al2O3與SiO2之間的摩爾比且獲得了4.2X10_6/°C的25°C 800°C下的平均熱膨脹系數(shù)Cis(下文中簡(jiǎn)稱做平均熱膨脹系數(shù)a s)且燒結(jié)體的熱膨脹系數(shù)a s對(duì)GaN晶體在a軸方向上在25°C 800°C下的平均熱膨脹系數(shù)a eaN-a(下文中簡(jiǎn)稱作平均熱膨脹系數(shù)a GaN-a)之比(下文中稱作a s/ a GaN-a比)為0. 719。Al2O3-SiO2基燒結(jié)體B具有45:55的Al2O3與SiO2之間的摩爾比且獲得了 4. 7 X 10_6/°C的平均熱膨脹系數(shù)a s和O. 805的a s/ a GaN_a比。Al2O3-SiO2基燒結(jié)體C具有40:60的Al2O3與Si022間的摩爾比且獲得了 5.2X10_6/°C的平均熱膨脹系數(shù)％和0.890的a s/a eaN_a比。Al2O3-SiO2基燒結(jié)體D具有36:64的Al2O3與SiO2之間的摩爾比且獲得了 5. 4 X 10_6/°C的平均熱膨脹系數(shù)a s和O. 925的a s/ a GaN_a比。Al2O3-SiO2基燒結(jié)體E具有35:65的Al2O3與Si022間的摩爾比且獲得了 5.5X10_6/°C的平均熱膨脹系數(shù)％和0.942的a s/a eaN_a比。Al2O3-SiO2基燒結(jié)體F具有34:66的Al2O3與SiO2之間的摩爾比且獲得了 5. 6 X 10_6/°C的平均熱膨脹系數(shù)a s和O. 959的as/a GaN_a比。Al2O3-SiO2基燒結(jié)體G具有32:68的Al2O3與Si022間的摩爾比且獲得了 5.7X10_6/°C的平均熱膨脹系數(shù)％和0.976的a s/a eaN_a比。Al2O3-SiO2基燒結(jié)體H具有26:74的Al2O3與SiO2之間的摩爾比且獲得了 6. I X 10_6/°C的平均熱膨脹系數(shù)a s和I. 045的a s/ a GaN_a比。Al2O3-SiO2基燒結(jié)體I具有24:76的Al2O3與Si022間的摩爾比且獲得了 6.4X10_6/°C的平均熱膨脹系數(shù)%和1.096的a s/a GaN_a比。Al2O3-SiO2基燒結(jié)體J具有20:80的Al2O3與SiO2之間的摩爾比且獲得了 6. 6 X 10_6/°C的平均熱膨脹系數(shù)a s和I. 130的a s/ a GaN_a比。Al2O3-SiO2基燒結(jié)體K具有16:84的Al2O3與Si022間的摩爾比且獲得了 7.0X10_6/°C的平均熱膨脹系數(shù)％和1.199的a s/a eaN_a比。Al2O3-SiO2基燒結(jié)體L具有14:86的Al2O3與SiO2之間的摩爾比且獲得了 7. 2X 10_6/°C的平均熱膨脹系數(shù)％和1.233的a s/ a GaN_a比。Al2O3-SiO2基燒結(jié)體M具有9:91的Al2O3與Si022間的摩爾比且獲得了 7.5X10_6/°C的平均熱膨脹系數(shù)％和1.284的a s/a eaN_a比。從上述13種Al2O3-SiO2基燒結(jié)體A M中的各種燒結(jié)體中切割具有4英寸(101. 6mm)直徑和Imm厚度的支持襯底，并對(duì)各種支持襯底的相對(duì)主表面進(jìn)行鏡面研磨，由此得到支持襯底A M。即，支持襯底A M中的各種支持襯底在25°C 800°C下的平均熱膨脹系數(shù)等于Al2O3-SiO2基燒結(jié)體A M中的各對(duì)應(yīng)燒結(jié)體在25°C 800°C下的平均熱膨脹系數(shù)。表I總結(jié)了所述結(jié)果。(2)在底部襯底上形成單晶膜的分步參考圖2 (B)，準(zhǔn)備具有鏡面研磨(111)面作為主表面30η并具有5英寸(127mm)直徑和O. 5mm厚度的Si襯底以作為底部襯底30。
利用CVD (化學(xué)氣相沉積)法在上述Si襯底(底部襯底30)的主表面30η上形成具有O. 4 μ m厚度的SiC膜以作為單晶膜13。關(guān)于成膜條件，將SiH4氣和C3H8氣用作原料氣體，將H2氣用作載氣，將成膜溫度設(shè)置為1300°C，并將成膜壓力設(shè)置為大氣壓。由此得到的SiC膜(單晶膜13)的主表面13m具有相對(duì)于(0001)面的偏離角在±1°內(nèi)的面取向，且包含Si原子面((0001)面)和C原子面((000-1)面)以作為混合狀鑲嵌圖案(mosaic)。(3)將支持襯底和單晶膜相互結(jié)合的分步參考圖2 (C)中的(Cl)，利用CVD法在圖2 (A)中的支持襯底A M中的各種支持襯底(支持襯底11)的主表面Ilrn上形成具有2μπι厚度的SiO2膜。然后，通過利用CeO2漿體對(duì)支持襯底A M中的各種支持襯底(支持襯底11)的主表面Ilm上的具有2 μ m厚度的SiO2膜進(jìn)行研磨，使得僅保留具有O. 2μπι厚度的SiO2膜以充當(dāng)膠粘層12a。由此，掩埋支持襯底A M中的各種支持襯底(支持襯底11)的主表面Ilm中的孔，由此得到具有平坦主表面12am和O. 2 μ m厚度的SiO2層(膠粘層12a)。 此外，參考圖2(C)中的(C2)，在1000°C的氧氣氣氛中對(duì)圖2(B)中的在Si襯底(底部襯底30)上形成的SiC膜(單晶膜13)的主表面13η進(jìn)行氧化，由此在SiC膜(單晶膜13)的主表面13η上形成具有O. 2 μ m厚度的SiO2層(膠粘層12b)。接下來，參考圖2(C)中的(C3)，通過氬等離子體對(duì)在支持襯底A M中的各種支持襯底(支持襯底11)上形成的SiO2層(膠粘層12a)的主表面12am和在Si襯底(底部襯底30)上形成的SiC膜(單晶膜13)上形成的SiO2層(膠粘層12b)的主表面12bn進(jìn)4丁清潔并活化，其后，將SiO2層(U父粘層12a)的王表面12am和SiO2層(U父粘層12b)的王表面12bn相互結(jié)合，隨后在300°C的氮?dú)鈿夥罩袩崽幚?小時(shí)。(4)除去底部襯底的分步參考圖2 (D)，利用蠟40對(duì)支持襯底A M中的各種支持襯底(支持襯底11)的背面?zhèn)?未結(jié)合單晶膜13的側(cè))的主表面和側(cè)面進(jìn)行覆蓋和保護(hù)，其后，通過使用氫氟酸(氟化氫)和硝酸的混合酸水溶液進(jìn)行腐蝕而將Si襯底(底部襯底30)除去。由此，得到分別在支持襯底A M(支持襯底11)的主表面Ilm側(cè)布置SiC膜(單晶膜13)的復(fù)合襯底A M。3.形成GaN基膜的步驟參考圖I (B)，利用MOCVD法在支持襯底A M中的各種支持襯底(復(fù)合襯底10)的SiC膜(單晶膜13)的主表面13m(這種主表面為(0001)面、(000-1)面或這些面的混合)上和在具有4英寸(101.6mm)直徑和Imm厚度的藍(lán)寶石襯底的主表面(這種主表面為
(0001)面)上形成GaN膜(GaN基膜20)。在形成GaN膜(GaN基膜20)中，將TMG(三甲基鎵)氣體和NH3氣用作原料氣體，將H2氣用作載氣，并在500°C下將GaN緩沖層(GaN基緩沖層21)生長(zhǎng)至O. Iym的厚度并然后在1050°C下將GaN單晶層(GaN基單晶層23)生長(zhǎng)至5 μ m的厚度。此處，GaN單晶層的生長(zhǎng)速率為I μ m/小時(shí)。其后，在10°C /分鐘的速率下將其中在復(fù)合襯底A M和藍(lán)寶石襯底上分別形成GaN膜的晶片A M和R冷卻至室溫(25 0C )。關(guān)于在冷卻至室溫之后從成膜設(shè)備中取出的晶片A M和R，測(cè)量晶片的翹曲以及GaN膜的裂紋數(shù)和位錯(cuò)密度。此處，基于利用Corning Tropel的FM200E晶片在GaN膜的主表面觀察到的干涉條紋，確定了晶片的翹曲形狀和翹曲量。關(guān)于GaN膜中的裂紋數(shù)，利用Nomarski顯微鏡對(duì)每單位長(zhǎng)度上的裂紋數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù),且當(dāng)計(jì)數(shù)小于I個(gè)/mm,當(dāng)計(jì)數(shù)不小于I個(gè)/mm且小于5個(gè)/mm,當(dāng)計(jì)數(shù)不小于5個(gè)/mm且小于10個(gè)/mm,且當(dāng)計(jì)數(shù)不小于10個(gè)/mm時(shí)，分別評(píng)價(jià)為“極少”、“少”、“多”和“極多”。基于每單位面積上的黑點(diǎn)數(shù)利用CL(陰極發(fā)光)測(cè)量GaN膜的位錯(cuò)密度。應(yīng)注意，在本實(shí)施例中的GaN膜中產(chǎn)生的裂紋小而不會(huì)貫通膜。晶片A在GaN膜側(cè)以凹進(jìn)方式翹曲，翹曲量為700 μ m，且在GaN膜中計(jì)數(shù)的裂紋極多。晶片B在GaN膜側(cè)以凹進(jìn)方式翹曲，翹曲量為650 μ m，在GaN膜中計(jì)數(shù)的裂紋少，且GaN膜的位錯(cuò)密度為4X 108cm_2。晶片C在GaN膜側(cè)以凹進(jìn)方式翹曲，翹曲量為400 μ m，在GaN膜中計(jì)數(shù)的裂紋少，且GaN膜的位錯(cuò)密度為3 X 108cm_2。晶片D在GaN膜側(cè)以凹進(jìn)方式翹曲，翹曲量為350 μ m，在GaN膜中計(jì)數(shù)的裂紋少，且GaN膜的位錯(cuò)密度為2. 5 X 108cm_2。晶片E在GaN膜側(cè)以凹進(jìn)方式翹曲，翹曲量為320 μ m，在GaN膜中計(jì)數(shù)的裂紋少，且GaN膜的位錯(cuò)密度為2X108cm_2。晶片F(xiàn)在GaN膜側(cè)以凹進(jìn)方式翹曲，翹曲量為230μπι，在GaN膜中·計(jì)數(shù)的裂紋極少，且GaN膜的位錯(cuò)密度為I X 108cm_2。晶片G在GaN膜側(cè)以凹進(jìn)方式翹曲，翹曲量為200 μ m，在GaN膜中計(jì)數(shù)的裂紋極少，且GaN膜的位錯(cuò)密度為I X 108cm_2。晶片H在GaN膜側(cè)以凹進(jìn)方式翹曲，翹曲量為10 μ m，在GaN膜中計(jì)數(shù)的裂紋極少，且GaN膜的位錯(cuò)密度為lX108cm_2。晶片I在GaN膜側(cè)以突出方式翹曲，翹曲量為20 μ m，在GaN膜中計(jì)數(shù)的裂紋極少，且GaN膜的位錯(cuò)密度為I X IO8CnT2。晶片J在GaN膜側(cè)以突出方式翹曲，翹曲量為IlOym,在GaN膜中計(jì)數(shù)的裂紋少，且GaN膜的位錯(cuò)密度為2X108cm_2。晶片K在GaN膜側(cè)以突出方式翹曲，翹曲量為230 μ m，在GaN膜中計(jì)數(shù)的裂紋少，且GaN膜的位錯(cuò)密度為3X108cm_2。晶片L在GaN膜側(cè)以突出方式翹曲，翹曲量為740 μ m，在GaN膜中計(jì)數(shù)的裂紋少，且GaN膜的位錯(cuò)密度為4X108cm_2。在晶片M中，在支持襯底M中發(fā)生裂紋且未得到充分的GaN膜。晶片R在GaN膜側(cè)以突出方式翹曲，翹曲量為750 μ m，在GaN膜中計(jì)數(shù)的裂紋少，且GaN膜的位錯(cuò)密度為4X108cm_2。表I總結(jié)了這些結(jié)果。在表I中，表示未測(cè)量物理性質(zhì)值。表I
權(quán)利要求
1.一種制造GaN基膜的方法，所述方法包括 準(zhǔn)備復(fù)合襯底(10)的步驟，所述復(fù)合襯底包含支持襯底(11)和布置在所述支持襯底(11)的主表面(Ilm)側(cè)的單晶膜(13)，在所述支持襯底(11)中在主表面(Ilm)中的熱膨脹系數(shù)大于GaN晶體在a軸方向上的熱膨脹系數(shù)的O. 8倍且小于其I. 2倍，所述單晶膜(13)相對(duì)于垂直于所述單晶膜(13)的主表面(13m)的軸呈三重對(duì)稱；和 在所述復(fù)合襯底(10)中的所述單晶膜(13)的所述主表面(13m)上形成GaN基膜(20)的步驟。
2.如權(quán)利要求I所述的制造GaN基膜的方法，其中所述復(fù)合襯底(10)中的所述單晶膜(13)的所述主表面(13m)具有等于或大于45cm2的面積。
3.如權(quán)利要求I所述的制造GaN基膜的方法，其中所述復(fù)合襯底(10)中的所述支持襯底(11)由含有氧化物的燒結(jié)體制成。
4.如權(quán)利要求I所述的制造GaN基膜的方法，其中所述復(fù)合襯底(10)中的所述支持襯底(11)含有氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯和由氧化鋁和二氧化硅形成的Al2O3-SiO2復(fù)合氧化物。
5.如權(quán)利要求4所述的制造GaN基膜的方法，其中所述氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯相對(duì)于所述Al2O3-SiO2復(fù)合氧化物和所述氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯的總量的含量為不低于20質(zhì)量％且不高于40質(zhì)量％。
6.如權(quán)利要求5所述的制造GaN基膜的方法，其中氧化釔相對(duì)于所述氧化釔穩(wěn)定的氧化錯(cuò)的含量為不低于5摩爾％。
7.如權(quán)利要求I所述的制造GaN基膜的方法，其中所述形成GaN基膜(20)的步驟包括 在所述單晶膜(13)的所述主表面(13m)上形成GaN基緩沖層(21)的分步，以及 在所述GaN基緩沖層(21)的主表面(21m)上形成GaN基單晶層(23)的分步。
全文摘要
本發(fā)明提供一種制造GaN基膜的方法，所述方法包括準(zhǔn)備復(fù)合襯底(10)的步驟，所述復(fù)合襯底包含支持襯底(11)和布置在所述支持襯底(11)的主表面(11m)側(cè)的單晶膜(13)，在所述支持襯底(11)中在主表面(11m)中的熱膨脹系數(shù)大于GaN晶體在a軸方向上的熱膨脹系數(shù)的0.8倍且小于其1.2倍，所述單晶膜(13)相對(duì)于垂直于所述單晶膜(13)的主表面(13m)的軸呈三重對(duì)稱；和在所述復(fù)合襯底(10)中的所述單晶膜(13)的所述主表面(13m)上形成GaN基膜(20)的步驟。由此，提供了一種制造GaN基膜的方法，所述方法能夠制造具有大的主表面積和較小翹曲的GaN基膜。
文檔編號(hào)H01L21/205GK102959677SQ20118003050
公開日2013年3月6日 申請(qǐng)日期2011年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月15日
發(fā)明者佐藤一成, 關(guān)裕紀(jì), 上松康二, 山本喜之, 松原秀樹, 藤原伸介, 吉村雅司 申請(qǐng)人:住友電氣工業(yè)株式會(huì)社