專利名稱：用于生長(zhǎng)iii族氮化物晶體的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于在多個(gè)瓦片襯底(tile substrate)的主表面上生長(zhǎng)III族氮化物晶體的方法。
背景技術(shù)：
III族氮化物晶體適于用在諸如發(fā)光器件和電子器件的半導(dǎo)體器件中。為了降低這種III族氮化物晶體的成本，已要求III族氮化物晶體具有大尺寸。
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因?yàn)樵谧匀唤缰袥](méi)有發(fā)現(xiàn)具有大尺寸的III族氮化物晶體，所以在與III族氮化物晶體的化學(xué)式不同的化學(xué)式所表達(dá)的材料構(gòu)成的襯底(基體襯底)上生長(zhǎng)III族氮化物晶體。例如，日本未審專利申請(qǐng)公布No. 2000-349338 (下文中，專利文獻(xiàn)I)公開(kāi)了在襯底(基體襯底)上沒(méi)有發(fā)生卷曲或破裂的情況下生長(zhǎng)大厚度的III族氮化物(GaN)晶體膜的方法，其中該襯底由與III族氮化物晶體的化學(xué)式不同的化學(xué)式所表達(dá)的材料構(gòu)成。然而，通過(guò)專利文獻(xiàn)I中公開(kāi)的方法難以生長(zhǎng)具有足夠大尺寸的III族氮化物晶體。這是因?yàn)?，?dāng)基體襯底具有大的主表面面積時(shí)，III族氣化物晶體和基體襯底之間的晶格失配使III族氮化物晶體內(nèi)的變形增大，結(jié)果，晶體卷曲或破裂。為了解決這個(gè)問(wèn)題，日本未審專利申請(qǐng)公布No. 2008-133151(下文中，專利文獻(xiàn)2)公開(kāi)了一種晶體生長(zhǎng)方法，該方法包括布置多個(gè)種子襯底使得種子襯底的側(cè)面彼此相鄰的步驟以及通過(guò)氫化物氣相外延方法(下文中，簡(jiǎn)稱為HVPE法)在多個(gè)種子襯底的表面上生長(zhǎng)III族氮化物晶體使得晶體成為一體的步驟。引用列表專利文獻(xiàn)I :日本未審專利申請(qǐng)公布No. 2000-349338專利文獻(xiàn)2 :日本未審專利申請(qǐng)公布No. 2008-13315
發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問(wèn)題然而，用專利文獻(xiàn)2中公開(kāi)的晶體生長(zhǎng)方法通過(guò)一體化生長(zhǎng)的這種III族氮化物晶體具有形成在晶體主表面中的大量凹坑(pit)。因此，得自這種III族氮化物晶體的III族氮化物晶體襯底的產(chǎn)率不夠高。因此，本發(fā)明的目的在于提供通過(guò)使用多個(gè)瓦片襯底生長(zhǎng)III族氮化物晶體的方法，該III族氮化物晶體具有大尺寸并且具有少量形成在晶體主表面中的凹坑?？梢杂删哂写蟪叽绮⒕哂猩倭堪伎拥倪@種III族氮化物晶體以高產(chǎn)率得到具有大尺寸的III族氮化物晶體襯底。問(wèn)題的解決方案根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的生長(zhǎng)III族氮化物晶體的方法包括制備多個(gè)瓦片襯底的步驟，瓦片襯底包括主表面，主表面具有允許二維密排(close packing)這多個(gè)瓦片襯底的三角形或凸四邊形的形狀；布置這多個(gè)瓦片襯底以使這多個(gè)瓦片襯底二維密排的步驟，使得在這多個(gè)瓦片襯底的彼此相對(duì)的頂點(diǎn)之間的任何點(diǎn)處，3個(gè)或更少的頂點(diǎn)彼此相對(duì)；以及在所布置的這多個(gè)瓦片襯底的主表面上生長(zhǎng)III族氮化物晶體的步驟。在根據(jù)本發(fā)明的生長(zhǎng)III族氮化物晶體的方法中，多個(gè)瓦片襯底的主表面的形狀可以是允許二維密排這多個(gè)瓦片襯底的凸四邊形。瓦片襯底可以是GaN襯底。在生長(zhǎng)III族氮化物晶體的步驟中，通過(guò)氫化物氣相外延方法，在900° C或更高且1100° C或更低的溫度范圍內(nèi)，可以生長(zhǎng)GaN晶體作為III族氮化物晶體。在布置多個(gè)瓦片襯底以使這多個(gè)瓦片襯底二維密排的步驟中，可以布置這多個(gè)瓦片襯底，使得這多個(gè)瓦片襯底的彼此相對(duì)的頂點(diǎn)之間的點(diǎn)之中的任意兩個(gè)相鄰點(diǎn)之間的距離是10 μ m或更大。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明提供通過(guò)使用多個(gè)瓦片襯底生長(zhǎng)III族氮化物晶體的方法，其中，III族氮化物晶體具有大尺寸并具有少量形成在晶體主表面中的凹坑。


圖IA是示出在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的生長(zhǎng)III族氮化物晶體的方法中制備和布置瓦片襯底的步驟的一個(gè)示例的示意圖并且是所布置的瓦片襯底的示意性平面圖。圖IB是示出在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的生長(zhǎng)III族氮化物晶體的方法中制備和布置瓦片襯底的步驟的一個(gè)示例的示意圖并且是沿著圖IA中的IB-IB線截取的示意性截面圖。圖2是示出本發(fā)明的實(shí)施例的生長(zhǎng)111族氮化物晶體的方法中生長(zhǎng)111族氮化物晶體的步驟的示意性截面圖。圖3是生長(zhǎng)III族氮化物晶體的現(xiàn)有方法中的瓦片襯底的布置示例的示意性平面圖。圖4是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的生長(zhǎng)III族氮化物晶體的方法中的瓦片襯底的布置示例的示意性平面圖。圖5是生長(zhǎng)III族氮化物晶體的現(xiàn)有方法中的瓦片襯底的另一個(gè)布置示例的示意性平面圖。圖6是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的生長(zhǎng)III族氮化物晶體的方法中的瓦片襯底的另一個(gè)布置示例的示意性平面圖。圖7是示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的生長(zhǎng)III族氮化物晶體的方法中采用的晶體生長(zhǎng)方法的示例的示意性截面圖。圖8是示出在生長(zhǎng)III族氮化物晶體的方法中III族氮化物晶體的主表面中的凹坑形成百分比與瓦片襯底的彼此相對(duì)的頂點(diǎn)之間的點(diǎn)之中兩個(gè)相鄰點(diǎn)之間的距離之中的較短距離之間的關(guān)系的曲線圖。
具體實(shí)施例方式參照?qǐng)D1A、圖IB和圖2，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的生長(zhǎng)III族氮化物晶體的方法包括制備多個(gè)瓦片襯底10的步驟，瓦片襯底10包括主表面10m，主表面IOm的形狀為三角形或凸四邊形，以允許多個(gè)瓦片襯底10 二維密排(圖IA和圖1B);布置多個(gè)瓦片襯底10以使這多個(gè)瓦片襯底10 二維密排的步驟，使得在這多個(gè)瓦片襯底10的彼此相對(duì)的頂點(diǎn)之間的任意點(diǎn)P處，三個(gè)或更少的頂點(diǎn)彼此相對(duì)(圖IA和圖1B);以及在所布置的多個(gè)瓦片襯底10的主表面IOm上生長(zhǎng)III族氮化物晶體20的步驟(圖2)。根據(jù)這個(gè)實(shí)施例的生長(zhǎng)III族氮化物晶體的方法提供的III族氮化物晶體20具有大尺寸并且在III族氮化物晶體20的主表面20m中形成有少量的凹坑20p。瓦片襯底制備步驟參照?qǐng)DIA和圖1B，根據(jù)這個(gè)實(shí)施例的生長(zhǎng)III族氮化物晶體的方法包括制備多個(gè)瓦片襯底10的步驟(瓦片襯底制備步驟)，瓦片襯底10包括主表面10m，主表面IOm的形狀為三角形或凸四邊形，以允許這多個(gè)瓦片襯底10 二維密排。術(shù)語(yǔ)“二維密排”是指將具有某種形狀的瓦片襯底二維地緊密放置的操作。瓦片襯底10的主表面IOm具有允許瓦片襯底10進(jìn)行二維密排的三角形或凸四邊形的形狀。術(shù)語(yǔ)“凸四邊形”是指其中四個(gè)頂點(diǎn)向外突出的四邊形，即，四個(gè)內(nèi)角小于180°的四邊形。允 許進(jìn)行二維密排的三角形可以是任意三角形，并且為了便于制備瓦片襯底，優(yōu)選地例如是正三角形、等腰三角形或直角三角形。允許進(jìn)行二維密排的凸四邊形可以是任意平行四邊形，并且為了便于制備瓦片襯底，優(yōu)選地例如是方形、矩形或菱形。瓦片襯底10的尺寸沒(méi)有特別限制。為了實(shí)現(xiàn)便利的操縱，在瓦片襯底10的主表面IOm中，最短邊優(yōu)選地具有IOmm或更長(zhǎng)的長(zhǎng)度并且最長(zhǎng)邊優(yōu)選地具有50mm或更短的長(zhǎng)度。瓦片襯底10的厚度沒(méi)有特別限制。為了實(shí)現(xiàn)高機(jī)械強(qiáng)度和便利的操縱，瓦片襯底10優(yōu)選地具有100 μ m或更厚且2，000 μ m或更薄的厚度。瓦片襯底10沒(méi)有特別限制，只要III族氮化物晶體20可以外延生長(zhǎng)在瓦片襯底10的主表面IOm上即可。優(yōu)選地，使用藍(lán)寶石襯底、碳化硅(SiC)襯底、GaAs襯底或III族氮化物襯底作為瓦片襯底10，因?yàn)檫@種襯底的晶格常數(shù)和III族氮化物晶體嚴(yán)密匹配，并且具有高結(jié)晶度的III族氮化物晶體可以生長(zhǎng)在該襯底上。具體地講，優(yōu)選地使用III族氮化物晶體。當(dāng)生長(zhǎng)GaN晶體作為III族氮化物晶體時(shí)，優(yōu)選地使用GaN襯底。制備瓦片襯底10的過(guò)程沒(méi)有特別限制。例如，通過(guò)沿著預(yù)定晶面切割塊晶體并且使所得襯底的主表面IOm和側(cè)表面IOs經(jīng)受諸如拋光或蝕刻的表面處理，來(lái)制備瓦片襯底10。然而，可以使用其側(cè)表面IOs沒(méi)有經(jīng)過(guò)表面處理的瓦片襯底10，只要主表面IOm如上所述經(jīng)過(guò)表面處理即可。為了在瓦片襯底10的主表面IOm上外延生長(zhǎng)具有高結(jié)晶度的III族氮化物晶體，瓦片襯底10的主表面IOm和側(cè)表面IOs優(yōu)選地具有預(yù)定平面取向。例如，當(dāng)瓦片襯底10是具有可被視為六方晶系的剛玉晶體結(jié)構(gòu)的藍(lán)寶石襯底、具有六方晶系的晶體結(jié)構(gòu)的2H-、4H-、6H-、8H-或IOH-SiC襯底或具有六方晶系的纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)的III族氮化物襯底(具體地講，GaN襯底)時(shí)，瓦片襯底10的主表面IOm優(yōu)選地在(0001)平面，并且瓦片襯底10的側(cè)表面IOs優(yōu)選地在從以下平面中選擇的平面，S卩{1-100}平面(M平面)、{11-20}平面(A平面)、{31-40}平面，以及與{31-40}平面和{0001}平面都垂直的平面(注意，{31-40}平面和與{31-40}平面和{0001}平面都垂直的平面都具有在M平面和A平面之間的平面取向)。當(dāng)瓦片襯底10是具有立方晶系的閃鋅礦結(jié)構(gòu)的GaAs襯底時(shí)，瓦片襯底10的主表面IOm優(yōu)選地在(111)平面，并且瓦片襯底10的側(cè)表面IOs優(yōu)選地在例如{1-10}平面和{001}平面。為了在正在布置的瓦片襯底10的主表面IOm上外延生長(zhǎng)具有高結(jié)晶度的一體的III族氮化物晶體，主表面IOm優(yōu)選地具有20nm或更小的平均粗糙度Ra,更優(yōu)選地是5nm或更??；并且瓦片襯底10的側(cè)表面IOs優(yōu)選地具有20nm或更小平均粗糙度Ra，更優(yōu)選地是5nm或更小。術(shù)語(yǔ)“平均粗糙度Ra”是指JIS B0601:2001中定義的算術(shù)平均粗糙度Ra，并且具體是用以下方式確定的。在采樣長(zhǎng)度上，沿著平均線方向，對(duì)粗糙度分布進(jìn)行采樣。確定樣本中的平均線和粗糙度分布之間的距離總和(偏差的絕對(duì)值)。利用采樣長(zhǎng)度對(duì)總和值求平均，以提供平均粗糙度Ra。利用原子力顯微鏡(AFM)確定平均粗糙度Ra。為了實(shí)現(xiàn)瓦片襯底10更緊密的二維充填(packing)，優(yōu)選地使瓦片襯底10的尺寸變化在特定范圍內(nèi)。瓦片襯底10的頂點(diǎn)的內(nèi)角相對(duì)于內(nèi)角平均值的變化優(yōu)選地在±1°內(nèi)，更優(yōu)選地在±0.1°。瓦片襯底10的側(cè)邊長(zhǎng)度相對(duì)于該長(zhǎng)度平均值的變化優(yōu)選地在± 5 μ m內(nèi)，更優(yōu)選地± I μ m內(nèi)。瓦片襯底布置步驟參照?qǐng)DIA和圖1B，根據(jù)實(shí)施例的生長(zhǎng)III族氮化物晶體的方法進(jìn)一步包括以下步 驟(瓦片襯底布置步驟):布置多個(gè)瓦片襯底10使這多個(gè)瓦片襯底10 二維密排，使得在這多個(gè)瓦片襯底10的彼此相對(duì)的頂點(diǎn)之間的任何點(diǎn)P處，3個(gè)或更少的頂點(diǎn)彼此相對(duì)。通過(guò)以這樣的方式布置多個(gè)瓦片襯底，參照?qǐng)D2，可以在主表面IOm上生長(zhǎng)III族氮化物晶體20，該III族氮化物晶體20具有大尺寸并且具有少量形成在主表面20m中的凹坑20p。參照?qǐng)D3，在生長(zhǎng)III族氮化物晶體的現(xiàn)有方法中，布置包括形狀為，例如，正三角形的主表面IOm的瓦片襯底10，使瓦片襯底10 二維密排，使得瓦片襯底10的頂點(diǎn)彼此相對(duì)。具體地講，在瓦片襯底10的彼此相對(duì)的頂點(diǎn)之間的點(diǎn)P (例如，點(diǎn)P31和P32)處，在每個(gè)點(diǎn)P處有六個(gè)頂點(diǎn)彼此相對(duì)。以此方式布置的瓦片襯底10在瓦片襯底10的彼此相對(duì)的頂點(diǎn)之間的點(diǎn)P處具有大的間隙，因此在瓦片襯底10上外延生長(zhǎng)的III族氮化物晶體具有大量形成在晶體主表面中的凹坑。因此，得自這種III族氮化物晶體的III族氮化物晶體襯底的產(chǎn)率低。在圖3中的二維密排中，瓦片襯底10的彼此相對(duì)的頂點(diǎn)之間的點(diǎn)P之中的任何兩個(gè)相鄰點(diǎn)(例如，點(diǎn)P31和P32)之間的距離D等于距離Dtl,即，包括正三角形主表面的瓦片襯底10的側(cè)邊的長(zhǎng)度S和相鄰?fù)咂r底10的相對(duì)側(cè)表面之間的距離E之和(DfS+E，并且D=D0X相比之下，參照?qǐng)D4，在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的生長(zhǎng)III族氮化物晶體的方法中，布置包括形狀為，例如，正三角形的主表面IOm的瓦片襯底10，使瓦片襯底10 二維密排，使得一些瓦片襯底10和其他瓦片襯底10通過(guò)彼此移位的方式布置，因此一些瓦片襯底10的頂點(diǎn)沒(méi)有與其他瓦片襯底10的頂點(diǎn)相對(duì)。具體地講，在瓦片襯底10的彼此相對(duì)的頂點(diǎn)之間的點(diǎn)P (例如，點(diǎn)P41、P42> P43和Pm)處，在每個(gè)點(diǎn)P處有三個(gè)頂點(diǎn)彼此相對(duì)。因此，由于這種二維密排，導(dǎo)致在瓦片襯底10的彼此相對(duì)的頂點(diǎn)之間的任何點(diǎn)P處，可以使三個(gè)或更少的頂點(diǎn)彼此相對(duì)。在以此方式布置的瓦片襯底10中，盡管存在瓦片襯底10的彼此相對(duì)的頂點(diǎn)之間的大量點(diǎn)P (例如，點(diǎn)P41、P42、P43和P44),但是點(diǎn)P處的間隙小，因此在瓦片襯底10上外延生長(zhǎng)的III族氮化物晶體具有少量形成在晶體主表面中的凹坑。因此，得自這種III族氮化物晶體的III族氮化物晶體襯底的產(chǎn)率高。在圖4中的二維密排中，關(guān)于瓦片襯底10的彼此相對(duì)的頂點(diǎn)之間的多個(gè)點(diǎn)P之中的兩個(gè)相鄰點(diǎn)之間的距離D，存在例如點(diǎn)P41和點(diǎn)P42之間的距離D41不同于點(diǎn)P42和點(diǎn)P43之間的距離D42的情況。距離D41、距離D42和距離Dtl滿足Dci=D4JD4215距離Dtl是包括正三角形主表面的瓦片襯底10的側(cè)邊的長(zhǎng)度S與相鄰?fù)咂r底10的相對(duì)側(cè)表面之間的距離E之和。為了進(jìn)一步減少在瓦片襯底10上外延生長(zhǎng)的III族氮化物晶體的主表面中形成的凹坑數(shù)量，瓦片襯底10的彼此相對(duì)的頂點(diǎn)之間的點(diǎn)之中的任意兩個(gè)相鄰點(diǎn)之間的距離(在圖4中，距離D41和D42)優(yōu)選地是10 μ m或更大，更優(yōu)選地是100 μ m或更大，甚至更優(yōu)選地1，000 μ m或更大。為了在瓦片襯底10上外延生長(zhǎng)一體的III族氮化物晶體并且為了減少所生長(zhǎng)的III族氮化物晶體的主表面中形成的凹坑數(shù)量，相鄰?fù)咂r底10的相對(duì)側(cè)表面之間的距離E優(yōu)選地是20 μ m或更小,更優(yōu)選地是10 μ m或更小,甚至更優(yōu)選地是2 μ m或更小,理想地是 O y m0
已經(jīng)參照?qǐng)D3和圖4描述了瓦片襯底的主表面具有正三角形形狀的情況。該描述類似地應(yīng)用于瓦片襯底的主表面具有等腰三角形、直角三角形和任何其它三角形形狀的情況。參照?qǐng)D5，在生長(zhǎng)III族氮化物晶體的現(xiàn)有方法中，布置包括形狀為，例如，方形的主表面IOm的瓦片襯底10，使瓦片襯底10 二維密排，使得瓦片襯底10的頂點(diǎn)彼此相對(duì)。具體地講，在瓦片襯底10的彼此相對(duì)的頂點(diǎn)之間的點(diǎn)P (例如，點(diǎn)P51和P52)處，在每個(gè)點(diǎn)P處有四個(gè)頂點(diǎn)彼此相對(duì)。以此方式布置的瓦片襯底10在瓦片襯底10的彼此相對(duì)的頂點(diǎn)之間的點(diǎn)P處具有大的間隙，因此在瓦片襯底10上外延生長(zhǎng)的III族氮化物晶體具有大量形成在晶體主表面中的凹坑。因此，得自這種III族氮化物晶體的III族氮化物晶體襯底的產(chǎn)率低。在圖5中的二維密排中，在瓦片襯底10的彼此相對(duì)的頂點(diǎn)之間的點(diǎn)P之中的任何兩個(gè)相鄰點(diǎn)(例如，點(diǎn)P51和P52)之間的距離D等于距離Dtl,即，包括方形主表面的瓦片襯底10的側(cè)邊的長(zhǎng)度S和相鄰?fù)咂r底10的相對(duì)側(cè)表面之間的距離E之和(DfS+E，并且D=D。)。相比之下，參照?qǐng)D6，在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的生長(zhǎng)111族氮化物晶體的方法中，布置包括形狀為，例如，方形的主表面IOm的瓦片襯底10，使瓦片襯底10 二維密排，使得一些瓦片襯底10和其他瓦片襯底10通過(guò)彼此移位的方式布置，因此一些瓦片襯底10的頂點(diǎn)沒(méi)有與其他瓦片襯底10的頂點(diǎn)相對(duì)。具體地講，在瓦片襯底10的彼此相對(duì)的頂點(diǎn)之間的點(diǎn)P (例如，點(diǎn)P61、P62、P63和P64)處，在每個(gè)點(diǎn)P處有兩個(gè)頂點(diǎn)彼此相對(duì)。因此，由于這種二維密排，導(dǎo)致在瓦片襯底10的彼此相對(duì)的頂點(diǎn)之間的任何點(diǎn)P處，可以使三個(gè)或更少的頂點(diǎn)彼此相對(duì)。在以此方式布置的瓦片襯底10中，盡管存在瓦片襯底10的彼此相對(duì)的頂點(diǎn)之間的大量點(diǎn)P (例如，點(diǎn)p61、P62> P63和P64),但在點(diǎn)P處的間隙小，因此在瓦片襯底10上外延生長(zhǎng)的III族氮化物晶體具有少量形成在晶體主表面中的凹坑。因此，得自這種III族氮化物晶體的III族氮化物晶體襯底的產(chǎn)率高。在圖6中的二維密排中，關(guān)于在瓦片襯底10的彼此相對(duì)的頂點(diǎn)之間的多個(gè)點(diǎn)P之中的兩個(gè)相鄰點(diǎn)之間的距離D，存在例如點(diǎn)P61和點(diǎn)P62之間的距離D61不同于點(diǎn)P62和點(diǎn)P63之間的距離D62的情況。距離D61、距離D62和距離Dtl滿足Dci=D6AD62tj距離Dtl是包括方形主表面的瓦片襯底10的側(cè)邊的長(zhǎng)度S與相鄰?fù)咂r底10的相對(duì)側(cè)表面之間的距離E之和。為了進(jìn)一步減少在瓦片襯底10上外延生長(zhǎng)的III族氮化物晶體的主表面中形成的凹坑數(shù)量，在瓦片襯底10的彼此相對(duì)的頂點(diǎn)之間的點(diǎn)之中的任意兩個(gè)相鄰點(diǎn)(在圖6中，距離D61和D62)之間的距離優(yōu)選地是10 μ m或更大，更優(yōu)選地是100 μ m或更大，甚至更優(yōu)選地1，000 μ m或更大。為了在瓦片襯底10上外延生長(zhǎng)一體的III族氮化物晶體并且為了減少所生長(zhǎng)的III族氮化物晶體的主表面中形成的凹坑數(shù)量，相鄰?fù)咂r底10的相對(duì)側(cè)表面之間的距離E優(yōu)選地是20 μ m或更小,更優(yōu)選地是10 μ m或更小,甚至更優(yōu)選地是2 μ m或更小,理想地是 O y m0已參照?qǐng)D5和圖6描述了瓦片襯底的主表面具有方形形狀的情況。該描述類似地應(yīng)用于瓦片襯底的主表面具有矩形、菱形和任何其它平行四邊形形狀的情況。生長(zhǎng)III族氮化物晶體的步驟參照?qǐng)D2，根據(jù)實(shí)施例的生長(zhǎng)III族氮化物晶體的方法還包括在所布置的多個(gè)瓦片襯底10的主表面IOm上生長(zhǎng)III族氮化物晶體20的步驟。通過(guò)在以上述方式布置的瓦·片襯底10的主表面IOm上生長(zhǎng)III族氮化物晶體20，可以提供具有大尺寸并且具有少量形成在主表面20m中的凹坑的III族氮化物晶體20。因此，可以從這種111族氮化物晶體以高產(chǎn)率獲得具有大尺寸的III族氮化物晶體襯底。在生長(zhǎng)III族氮化物晶體20的步驟中使用的方法沒(méi)有特別限制。為了外延生長(zhǎng)具有高結(jié)晶度的III族氮化物晶體，這種生長(zhǎng)方法的優(yōu)選示例包括氣相法，諸如，氫化物氣相外延(HVPE)法、金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)法、分子束外延(MBE)法和升華法；以及液相法，諸如，熔鹽法和高氮壓溶液法。在這些生長(zhǎng)方法之中，HVPE法是特別優(yōu)選的，因?yàn)閷?shí)現(xiàn)了聞晶體生長(zhǎng)率。參照?qǐng)D7，將描述通過(guò)HVPE法生長(zhǎng)III族氮化物晶體20的過(guò)程。如圖7中所示，HVPE裝置100包括反應(yīng)室110、III族元素源氣體產(chǎn)生室120以及加熱器131、132和133，這些加熱器用于加熱反應(yīng)室110和III族元素源氣體產(chǎn)生室120。反應(yīng)室110和III族元素源氣體產(chǎn)生室120裝配有HCl氣體引入管122，該引入管用于將HCl氣體71引入III族元素源氣體產(chǎn)生室120中。III族元素源氣體產(chǎn)生室120包括III族元素源舟皿121，III族元素源72被放置在III族元素源舟皿121中。III族元素源氣體產(chǎn)生室120裝配有III族元素源氣體引入管123，該引入管用于將所產(chǎn)生的III族元素源氣體73引入反應(yīng)室110中。反應(yīng)室110裝配有氮源氣體引入管113和排氣管115，該引入管用于將氮源氣體75引入反應(yīng)室110中，排氣管115用于從反應(yīng)室110排出廢氣79。反應(yīng)室110包括晶體保持器119，用于生長(zhǎng)III族氮化物晶體20的瓦片襯底10布置在晶體保持器119上。用于形成反應(yīng)室110的反應(yīng)管沒(méi)有特別限制，并且優(yōu)選地使用石英反應(yīng)管，因?yàn)槿菀字瞥纱蟮氖⒎磻?yīng)管。通過(guò)HCl氣體引入管122將HCl氣體71引入III族元素源氣體產(chǎn)生室120。III族元素源氣體產(chǎn)生室120包括容納III族元素源72的III族元素源船皿121。III族元素源72與HCl氣體71反應(yīng)，以制備用作III族元素源氣體73的III族元素氯化物氣體。III族元素源氣體73從III族元素源氣體產(chǎn)生室120通過(guò)III族元素源氣體引入管123被引入反應(yīng)室110。用作氮源氣體75的NH3氣體通過(guò)氮源氣體引入管113被引入反應(yīng)室110。在反應(yīng)室110中III族元素源氣體73與氮源氣體75反應(yīng)，以在晶體生長(zhǎng)部的晶體保持器119上布置的瓦片襯底10的主表面IOm上生長(zhǎng)III族氮化物晶體20。通過(guò)排氣管115將多余氣體作為廢氣79從反應(yīng)室110排出。此時(shí)，載氣用于有效輸送III族元素源氣體和氮源氣體并且用于調(diào)節(jié)源氣體的分壓。這種載氣的示例包括氫氣(H2氣體)和氮?dú)?N2氣體)。下文中，術(shù)語(yǔ)“源氣體引入部”是指反應(yīng)室110中的一個(gè)部分，該部分包括設(shè)置HCL氣體弓I入管122、III族元素源氣體產(chǎn)生室120、III族元素源氣體弓I入管123和氮源氣體弓I入管113的區(qū)域和該區(qū)域周圍的區(qū)，并且主要用加熱器131和132對(duì)該部分進(jìn)行加熱。下文中，術(shù)語(yǔ)“晶體生長(zhǎng)部”是指反應(yīng)室110中的一個(gè)部分，該部分包括設(shè)置晶體保持器119的區(qū)域和該區(qū)域周圍的區(qū)，并且主要用加熱器133對(duì)該部分進(jìn)行加熱。為了在瓦片襯底10的主表面IOm上有效生長(zhǎng)III族氮化物晶體20，在大約800° C或更高溫度且大約900° C或更低溫度的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)源氣體引入部的氣氛溫度(下文中，被稱為“III族元素源氣體產(chǎn)生溫度；并且在大約900° C或更高溫度且大約1300° C或更低溫度的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)晶體生長(zhǎng)部的氣氛溫度(下文中，被稱為“晶體生長(zhǎng)溫度”)。因此，在瓦片襯底10的主表面IOm上一體地生長(zhǎng)III族氮化物晶體20，從而提供III族氮化物晶體20，其具有大尺寸并且具有少量形成在III族氮化物晶體20的主表面20m中的凹坑20p。當(dāng)通過(guò)HVPE法生長(zhǎng)GaN晶體作為III族氮化物晶體20時(shí)，晶體生長(zhǎng)溫度優(yōu)選地在大約900° C或更高溫度且大約1300° C或更低溫度的范圍內(nèi)。當(dāng)晶體生長(zhǎng)溫度低于900° C時(shí)，所得晶體具有低結(jié)晶度。當(dāng)晶體生長(zhǎng)溫度高于1300° C時(shí)，HVPE裝置的負(fù)荷重。當(dāng)通過(guò)生長(zhǎng)III族氮化物晶體的現(xiàn)有方法(即，下述方法在二維密排的瓦片襯底的主表面上生長(zhǎng)III族氮化物晶體使得在瓦片襯底的彼此相對(duì)的頂點(diǎn)之間的點(diǎn)處，在每個(gè)點(diǎn)處有四個(gè)或更多個(gè)頂點(diǎn)彼此相對(duì))生長(zhǎng)GaN晶體時(shí)，在900° C或更高溫度且1100° C或更低溫度范圍中的晶體生長(zhǎng)溫度下，關(guān)于晶體的主表面中形成的凹坑的凹坑形成百分比較聞。相比之下，當(dāng)通過(guò)根據(jù)實(shí)施例的生長(zhǎng)III族氮化物晶體的方法(即，下述方法在二維密排的瓦片襯底的主表面上生長(zhǎng)III族氮化物晶體使得在瓦片襯底的彼此相對(duì)的頂點(diǎn)之間的任何點(diǎn)處，三個(gè)或更少的頂點(diǎn)彼此相對(duì))生長(zhǎng)GaN晶體時(shí)，在900° C或更高溫度且1100° C或更低溫度的晶體生長(zhǎng)溫度下，關(guān)于晶體的主表面中形成的凹坑的凹坑形成百分比可以被降低。因此，在900° C或更高溫度且1100° C或更低溫度范圍中的晶體生長(zhǎng)溫度下通過(guò)HVPE法生長(zhǎng)III族氮化物晶體(例如，GaN晶體)方面，根據(jù)實(shí)施例的生長(zhǎng)III族氮化物晶體的方法是有利的。示例示例 AI.瓦片襯底的制備利用線鋸平行于(0001)平面切割GaN母晶，以制備晶片。平行于{1-100}平面并且平行于{11-20}平面二維切割這些晶片。通過(guò)化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)拋光晶片的切割表面。因此，提供大量形狀為方形板、邊長(zhǎng)為16mm土 I μ m且厚度為400 μ m± I μ m的GaN瓦片襯底，其中，主表面在(0001)平面；主表面相對(duì)于(0001)平面傾斜O(jiān). 1°或更小的角度；側(cè)表面在{1-100}平面和{11-20}平面；側(cè)表面相對(duì)于{1-100}平面或{11-20}平面傾斜O(jiān). 1° 或更小的角度；以及主表面和側(cè)表面中頂點(diǎn)的內(nèi)角是90° ±0.1°。利用千分尺測(cè)量瓦片襯底的尺寸。利用AFM (原子力顯微鏡)就平均粗糙度Ra對(duì)GaN瓦片襯底的主表面和側(cè)表面進(jìn)行測(cè)量，并且發(fā)現(xiàn)GaN瓦片襯底的主表面和側(cè)表面具有5nm或更小的平均粗糙度Ra。2.瓦片襯底的布置參照?qǐng)DIA和圖1B，將由此獲得的GaN瓦片襯底布置成四個(gè)圖案，使得關(guān)于GaN瓦片襯底的彼此相對(duì)的頂點(diǎn)之間的點(diǎn)P之中的任意兩個(gè)相鄰點(diǎn)之間的距離D (具體地講，距離D11 和 D12),較短的距離 D11 在 I μ m±l μ m(示例 Α_1)、10 μ m±l μ m(示例 Α_2)、100 μ m±l μ m(示例Α-3)和1000μπι±1μπι (示例Α-4)的范圍內(nèi)。在每個(gè)示例中，10片GaN瓦片襯底布置在〈1-100〉方向上并且10片GaN瓦片襯底布置在〈11_20>方向上，因此總共100片二維密排。通過(guò)用顯微鏡觀察，確定相鄰GaN瓦片襯底的相鄰側(cè)表面之間的距離，并且發(fā)現(xiàn)該距離為2μπι或更短。參照?qǐng)D1Α，通過(guò)二維密排100片包括具有16mm±lym邊長(zhǎng)的方形形狀的主表面·的GaN瓦片襯底而形成的、具有邊長(zhǎng)大約為160_的方形主表面的襯底具有足以包含6英寸(152. 4mm)直徑的圓形C的尺寸。在示例A-I中，對(duì)于點(diǎn)P1和點(diǎn)P2、點(diǎn)P3和點(diǎn)P4、點(diǎn)P5和點(diǎn)P6、點(diǎn)P7和點(diǎn)P8、點(diǎn)P9和點(diǎn)p10、點(diǎn)P11和點(diǎn)P12、點(diǎn)P13和點(diǎn)p14、點(diǎn)P15和點(diǎn)P16、點(diǎn)P17和點(diǎn)P18中的每一對(duì)，這些點(diǎn)基本處于相同的位置；GaN瓦片襯底的彼此相對(duì)的頂點(diǎn)之間的點(diǎn)的數(shù)量是81 ;并且在每個(gè)點(diǎn)處，彼此相對(duì)的頂點(diǎn)的數(shù)量是4。因此，示例A-I采用瓦片襯底的現(xiàn)有布置。相比之下，在示例A-2、A-3和A-4中，GaN瓦片襯底的彼此相對(duì)的頂點(diǎn)之間的點(diǎn)的數(shù)量是162 ;并且在每個(gè)點(diǎn)處，彼此相對(duì)的頂點(diǎn)的數(shù)量是2。因此，示例A-2、A-3和A-4采用根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的瓦片襯底的布置。3. III族氮化物晶體的生長(zhǎng)在示例A-I至A-4的每個(gè)中，通過(guò)HVPE法在二維密排的100片GaN瓦片襯底的主表面上生長(zhǎng)GaN晶體。關(guān)于晶體生長(zhǎng)條件，HCl氣體的分壓是IOkPa ；GaCl氣體(III族元素源氣體)的產(chǎn)生溫度是850° C ；NH3氣體(氮源氣體75)的分壓是20kPa ；H2氣體(載氣)的分壓是70kPa;并且晶體生長(zhǎng)溫度是1050° C。在每個(gè)示例中在這些條件下生長(zhǎng)GaN晶體10小時(shí)，從而提供尺寸大約為160mmX160mmX2000ym (厚度)的一體的GaN晶體。因此，在示例A-I至A-4中，由GaN晶體獲得6英寸(152. 4mm)直徑的GaN晶體襯底。確定每個(gè)示例中GaN晶體的主表面中形成的凹坑的數(shù)量。具體地講，通過(guò)利用以365nm波長(zhǎng)的汞燈作為光源的顯微鏡觀察主表面的熒光圖像并且對(duì)形成凹坑的小面的生長(zhǎng)標(biāo)記數(shù)量進(jìn)行計(jì)數(shù)，來(lái)確定凹坑數(shù)量。將凹坑數(shù)量除以GaN瓦片襯底的彼此相對(duì)的頂點(diǎn)之間的點(diǎn)的數(shù)量，從而提供凹坑形成百分比(％)。在以下的表I中總結(jié)了示例A-I至A-4中的GaN瓦片襯底的彼此相對(duì)的頂點(diǎn)之間的點(diǎn)的數(shù)量、凹坑數(shù)量和凹坑形成百分比。表I
權(quán)利要求
1.一種用于生長(zhǎng)III族氮化物晶體的方法，包括 制備多個(gè)瓦片襯底的步驟，所述瓦片襯底包括主表面，所述主表面具有允許二維密排所述多個(gè)瓦片襯底的三角形或凸四邊形的形狀； 布置所述多個(gè)瓦片襯底以使所述多個(gè)瓦片襯底以下述方式二維密排的步驟，所述方式使得在所述多個(gè)瓦片襯底的彼此相對(duì)的頂點(diǎn)之間的任何點(diǎn)處，3個(gè)或更少的頂點(diǎn)彼此相對(duì)；以及 在被布置的所述多個(gè)瓦片襯底的所述主表面上生長(zhǎng)III族氮化物晶體的步驟。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，所述多個(gè)瓦片襯底的所述主表面的形狀是允許二維密排所述多個(gè)瓦片襯底的凸四邊形。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的方法，其中，所述多個(gè)瓦片襯底是GaN襯底。
4.根據(jù)權(quán)利要求I至3中的任一項(xiàng)所述的方法，其中，在生長(zhǎng)所述III族氮化物晶體的步驟中，通過(guò)氫化物氣相外延方法，在900° C或更高且1100° C或更低的溫度范圍內(nèi)，生長(zhǎng)GaN晶體作為所述III族氮化物晶體。
5.根據(jù)權(quán)利要求I至4中的任一項(xiàng)所述的方法，其中，在布置所述多個(gè)瓦片襯底以使所述多個(gè)瓦片襯底二維密排的步驟中，以使得在所述多個(gè)瓦片襯底的彼此相對(duì)的頂點(diǎn)之間的點(diǎn)當(dāng)中的任意兩個(gè)相鄰點(diǎn)之間的距離是IOym或更多的方式布置所述多個(gè)瓦片襯底。
全文摘要
提供了通過(guò)使用多個(gè)瓦片襯底生長(zhǎng)III族氮化物晶體的方法，該III族氮化物晶體具有大尺寸并且在主表面上較少出現(xiàn)凹坑。生長(zhǎng)III族氮化物晶體的方法包括以下步驟制備多個(gè)瓦片襯底(10)，每個(gè)瓦片襯底(10)具有主表面(10m)，主表面(10m)具有能夠平面填充的具有投影角的四邊形形狀或者三角形形狀；執(zhí)行瓦片襯底(10)的平面填充來(lái)布置瓦片襯底(10)，使得在瓦片襯底(10)的頂點(diǎn)彼此面對(duì)的任意點(diǎn)處彼此面對(duì)的頂點(diǎn)數(shù)是3個(gè)或更少；以及在如此布置的瓦片襯底(10)的主表面(10m)上生長(zhǎng)III族氮化物晶體(20)。
文檔編號(hào)H01L21/205GK102959141SQ20118003296
公開(kāi)日2013年3月6日 申請(qǐng)日期2011年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月3日
發(fā)明者廣村友紀(jì), 上松康二, 吉田浩章, 藤原伸介 申請(qǐng)人:住友電氣工業(yè)株式會(huì)社