專(zhuān)利名稱(chēng)：用于生長(zhǎng)氮化鎵的基片、其制法和制備氮化鎵基片的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用作藍(lán)色發(fā)光二極管(LED)和藍(lán)色激光二極管(LD)的基片的氮化鎵(GaN)單晶基片和涉及加工基片的方法。
背景技術(shù)：
氮化物體系藍(lán)色發(fā)光設(shè)備有時(shí)稱(chēng)為InGaN體系發(fā)光設(shè)備，因?yàn)樗鼈兊幕罨瘜訛镮nGaN膜，有時(shí)它們也被簡(jiǎn)單地稱(chēng)為GaN體系。因?yàn)榧庸aN單晶基片是困難的，目前加工為將GaN薄膜、InGaAs薄膜等異質(zhì)外延生長(zhǎng)到六邊形體系藍(lán)寶石基片上。藍(lán)寶石基片InGaN LED在使用中表現(xiàn)出積極的結(jié)果，在亮度、可靠性和壽命上證明是滿意的。目前廣泛使用的InGaN體系LED的基片大部分為藍(lán)寶石基片。換句話說(shuō)，它們被稱(chēng)為“藍(lán)寶石上”的InGaN LED。
然而，藍(lán)寶石的缺點(diǎn)包括，它從GaN的不同裂開(kāi)方向裂開(kāi)，它是絕緣的。
在這些情況下，對(duì)關(guān)于用基片制的單晶GaN構(gòu)造藍(lán)色發(fā)光設(shè)備的需求的要求已經(jīng)非常強(qiáng)烈。GaN單晶基片擁有與設(shè)備組成要素的GaN薄膜和InGaN薄膜相同的晶體結(jié)構(gòu)，擁有獨(dú)特的裂開(kāi)性能(cleavage quality)。而且用雜質(zhì)摻雜它們應(yīng)使它們具有導(dǎo)電性。因此，n型電極能在它們的底表面形成；用自然裂開(kāi)的方法分離設(shè)備的可能性本身就呈現(xiàn)出來(lái)。
然而加工GaN單晶基片不是簡(jiǎn)單的事情。因?yàn)榧訜峁腆wGaN不能液化它，用普通的從熔融物質(zhì)生長(zhǎng)晶體的Bridgman或Czochralski方法不能形成晶體。如果對(duì)GaN施加超高壓力和加熱能使其變?yōu)槿廴隗w，但是這么做是困難的，這樣不能制備大規(guī)模晶體是顯而易見(jiàn)的。
構(gòu)造到藍(lán)寶石基片上的1μm或1μm及以下的GaN層和InGaN層目前用包括HVPE、MOC和MOCVD的氣相沉積技術(shù)制成。正努力用氣相沉積技術(shù)例如生長(zhǎng)薄膜的技術(shù)生產(chǎn)厚GaN晶體。
但是，因?yàn)檫@些最初是1μm和以下的薄膜沉積到藍(lán)寶石基片上的技術(shù)，它們處于造成缺陷事件的第一位。如果僅僅LED被制造到藍(lán)寶石基片上，因?yàn)镚aN層是薄的，張力將是小的；但是當(dāng)為了生產(chǎn)塊晶體累積厚度時(shí)，在膜中隨著張力的提高、缺陷和扭曲的增加和從基片的剝落，不能獲得厚的材料。
A.外延橫向生長(zhǎng)過(guò)度在這方面，稱(chēng)為外延橫向生長(zhǎng)過(guò)度(ELO)的技術(shù)已經(jīng)被設(shè)計(jì)出。關(guān)于該課題的文獻(xiàn)包括，例如1)Akira Sakai和Akira Usui，Reduction of dislocation density in GaNfilms by epitaxial lateral overgrowth，OYO BUTSURI(日本應(yīng)用物理協(xié)會(huì)的月刊)，vol.68，No.7(1999)，第774頁(yè)。
2)Akira Usui，Thick Layer Growth of GaN by Hydride Vapor PhaseEpitaxy，Transactions of the Institute of Electronics，Information andCommunication Engineers，C-11，vol.J81-C-11，No.1(1998)，第58-64頁(yè)。
3)Kensaku Motoki等，Preparation of Large Freestanding GaNSubstrates by Hydride Vapor Phase Epitaxy Using GaAs as a StartingSubstrate，Jpn.J.Appl.Phys.，vol.40(2001)，第L140-L143頁(yè)。
4)日本未審查專(zhuān)利公開(kāi)第2000-22212號(hào)，GaN Single-Crystal Substrateand Method of Its Manufacture。
5)日本未審查專(zhuān)利公開(kāi)第2000-12900號(hào)，GaN Single-Crystal Substrateand Method of Its Manufacture。
ELO是減少位錯(cuò)的方法以邊長(zhǎng)為L(zhǎng)(幾個(gè)μm)的等邊三角形全部覆蓋平的基片表面；在基片上放置掩膜F，打出窗口(大小為E)孔以定位固定在等邊三角形的頂點(diǎn)；生長(zhǎng)GaN超過(guò)掩膜的頂部。掩膜的形狀示于

圖1和2。在圖1中，圓窗口排列在等邊三角形頂點(diǎn)的圖案的陣列中。在圖2中，規(guī)則的六邊形窗口圖案排列在等邊三角形頂點(diǎn)的方式的陣列中。ELO掩膜F包括覆蓋部分3和窗口4，然而窗口4的外形可以是各種各樣的，例如圓形、多邊形、條紋等。其中重復(fù)等邊三角形窗口圖案的掩膜形成到藍(lán)寶石基片上，GaN氣相沉積超過(guò)掩膜的頂部。掩膜材料為GaN不在其上生長(zhǎng)的物質(zhì)—SiN或SiO2。
ELO膜沉積過(guò)程表示在圖3中。圖3(1)描繪了具有覆蓋部分3和窗口4的ELO掩膜F形成在下層基片2上的情形的截面圖。圖3(2)描繪了用氣相沉積將GaN晶體種子5沉積在窗口4上的情形。微小的晶種在孤立窗口里基片表面上生長(zhǎng)。決定晶體的方向以便和基片協(xié)調(diào)。在掩膜頂部不生產(chǎn)晶種。ELO掩膜的材料起到抑制GaN生長(zhǎng)的作用。隨著生長(zhǎng)的進(jìn)行，孤立的晶種逐漸地膨脹和結(jié)合，變成島狀物。島狀物結(jié)合形成薄膜形式。窗口內(nèi)部最后被膜厚均勻的GaN薄膜覆蓋。圖3(3)描繪了其中GaN生長(zhǎng)為薄膜6的情形。因?yàn)閸u狀物合并，它們的邊界變成復(fù)雜的晶體缺陷。當(dāng)生產(chǎn)這類(lèi)高密度缺陷時(shí)，隨著膜的生長(zhǎng)，缺陷盡可能地伸展。這形成以垂直方向伸張的位錯(cuò)。位錯(cuò)盡可能地伸展，沒(méi)有減少。這被保持是因?yàn)樗鼈儚拈_(kāi)始就是高密度的位錯(cuò)。
生長(zhǎng)到掩膜的高度后GaN薄膜進(jìn)一步生長(zhǎng)，高于掩膜；但是因?yàn)镚aN不在掩膜上生長(zhǎng)，GaN晶體7開(kāi)始以鈴形突出，如圖3(4)所示。斜面23被稱(chēng)為面。面23的底面是指數(shù){1-101}、{2-1-12}的等同平面。鈴形的形成繼續(xù)，GaN膜生長(zhǎng)，超過(guò)鄰近窗口形成金字塔形8填充到沉積膜窗口。位錯(cuò)20和成長(zhǎng)方向一致地向前伸展。這表示在圖3(5)中。一旦GaN變成金字塔形，那種形式被維持，由于它不再向上伸展，GaN膜跨到掩膜上。在這一點(diǎn)處的面24被稱(chēng)為“臨界面”。在維持面的情況下，現(xiàn)在成長(zhǎng)沿著掩膜的頂部側(cè)向前進(jìn)。在臨界面24處位錯(cuò)彎曲90°，成為橫向的位錯(cuò)22。彎曲后，這時(shí)位錯(cuò)減少。這類(lèi)情況下的GaN梯形金字塔晶體表示在圖3(6)中。
薄膜生長(zhǎng)以規(guī)則的六邊形金字塔形式水平地前進(jìn)，就像有6個(gè)相等的面。因?yàn)樯a(chǎn)出六個(gè)邊的面，實(shí)際上生長(zhǎng)的晶體變成梯形六面體，并伸展。當(dāng)掩膜頂部的生長(zhǎng)繼續(xù)時(shí)，超過(guò)鄰近窗口成長(zhǎng)的GaN晶體塊在垂直于窗口的虛線25處接觸(圖3(7))。此后GaN晶體生長(zhǎng)填充在以規(guī)則六面體為邊界的凹溝里。邊界凹溝26被填充。從兩邊伸展的位錯(cuò)22在邊界凹溝26里碰撞，多數(shù)停留在那兒。當(dāng)超過(guò)鄰近窗口生長(zhǎng)的晶體合并以及外表面變平時(shí)，如圖3(8)所示，生長(zhǎng)的方向再次轉(zhuǎn)向上。這意味著生長(zhǎng)方向轉(zhuǎn)變兩次。盡管位錯(cuò)22伸展的方向又變?yōu)橄蛏?，它們大部分相互抵消。生長(zhǎng)朝著位錯(cuò)密度減少的方向前進(jìn)的事實(shí)意味著生產(chǎn)出位錯(cuò)相當(dāng)少的GaN晶體。這些是ELO的本質(zhì)。
和生長(zhǎng)GaN相關(guān)的形成本發(fā)明基礎(chǔ)的更先進(jìn)的技術(shù)不是如ELO的公知公開(kāi)技術(shù)它由本發(fā)明的發(fā)明人創(chuàng)造，并且還沒(méi)有公開(kāi)。金屬和電介質(zhì)的顆粒放置在形成封閉的缺陷聚集的區(qū)域(封閉缺陷聚集區(qū)域H)的基片頂部；同心地圍繞它們，形成幾乎無(wú)缺陷的高導(dǎo)電的低扭曲的伴生單晶區(qū)域Z；在居間帶中形成低位錯(cuò)殘余單晶區(qū)域Y。一旦位錯(cuò)形成，它們不消失，但是因?yàn)樗鼈儽环忾]的缺陷聚集區(qū)域H吸收，其它區(qū)域的位錯(cuò)—低位錯(cuò)伴生的單晶區(qū)域Z和低位錯(cuò)殘余單晶區(qū)域Y—降低。
這樣的區(qū)域不能用SEM和TEM看到；低位錯(cuò)伴生的單晶區(qū)域Z和低位錯(cuò)殘余單晶區(qū)域Y能用CL(陰極輝光)的方法區(qū)分和觀察。圖4表示將缺陷種子掩膜X布置在下層基片2頂部上的情形的平面圖。這些是從電介質(zhì)例如高熔點(diǎn)金屬、SiO2或SiN圓形排列。它們也位于重復(fù)的等邊三角形圖案的頂點(diǎn)位置。但是缺陷種子掩膜X的周期和直徑(周期M、直徑B)遠(yuǎn)大于用于ELO的掩膜F(周期L、直徑E)(M＞＞L；B＞＞E)。根據(jù)圖5解釋種子掩膜技術(shù)。圖5(1)表示藍(lán)寶石下層基片2。圖5(2)表示將均勻的GaN緩沖層52形成到藍(lán)寶石下層基片2上的情形。圖5(3)是有生長(zhǎng)抑制行為的缺陷種子掩膜X放置在GaN緩沖層52頂部上的情形的截面圖。
圖5(4)表示用氣相沉積將GaN生長(zhǎng)到緩沖層52和種子掩膜X上的情形。封閉的缺陷聚集區(qū)域H在缺陷種子掩膜X頂部上成長(zhǎng)。圍繞它們，具有面53的低位錯(cuò)伴生的單晶區(qū)域Z生長(zhǎng)。低位錯(cuò)殘余單晶區(qū)域Y在邊界沿平面54生長(zhǎng)。這樣該技術(shù)生產(chǎn)出缺陷定位到封閉缺陷聚集區(qū)域的晶體。單晶作為整體，在缺陷定位到封閉缺陷聚集區(qū)域下，晶體的殘余部分(Y和Z)成為低位錯(cuò)、低缺陷。圖5(5)表示削刮背側(cè)下層基片材料和整平產(chǎn)品獲得有平面的GaN基片的相應(yīng)情形。圖6表示用CL(陰極輝光)得到的顯微觀察。低位錯(cuò)伴生的單晶區(qū)域Z的盤(pán)形區(qū)域呈現(xiàn)暗色，因此易于明顯。沒(méi)有CL，由于它們?cè)陲@微鏡下被透明地看到，因此它們不能被分辨出。
在ELO掩膜上的早期階段生長(zhǎng)中，GaN內(nèi)的位錯(cuò)降低。如此這樣是因?yàn)槲诲e(cuò)相互抵消而變小，這樣實(shí)際上被減少。缺陷種子掩膜方法(未公知)經(jīng)在中間階段的生長(zhǎng)中集中缺陷降低了剩余區(qū)域的位錯(cuò)成為封閉缺陷聚集區(qū)域H。

發(fā)明內(nèi)容
曾經(jīng)想一起應(yīng)用ELO和缺陷種子掩膜方法加工低位錯(cuò)的GaN單晶，本發(fā)明人原認(rèn)為這樣的如此低位錯(cuò)密度的GaN單晶應(yīng)該是可得到的?；谶@樣的期望，實(shí)際的SiO2掩膜被制成并投入到晶體生長(zhǎng)的試驗(yàn)中。具有重復(fù)的微細(xì)窗口的ELO掩膜和具有重復(fù)的大覆蓋部分的缺陷種子掩膜用SiO2層形成。SiO2表現(xiàn)出了作為ELO掩膜的證實(shí)結(jié)果，這樣對(duì)于ELO沉積能工作良好，但是作為缺陷種子掩膜的種子不能工作良好。初始為帶許多缺陷的GaN層生長(zhǎng)的情況，但是最終消失了，結(jié)果在種子上生長(zhǎng)成幾乎無(wú)缺陷的GaN。這意味著SiO2沒(méi)有種子功能，這成為一個(gè)問(wèn)題。
ELO掩膜必須是抑制GaN生長(zhǎng)的材料。盡管集中缺陷的種子也抑制GaN生長(zhǎng)，但是它應(yīng)該是集中位錯(cuò)的行為不同于純粹的抑制生長(zhǎng)的行為的情況。按照這種推理，本發(fā)明人重復(fù)了試驗(yàn)。結(jié)果他們認(rèn)識(shí)到，應(yīng)該充當(dāng)集中缺陷種子的材料不同于適合于抑制生長(zhǎng)的ELO掩膜材料。
本發(fā)明，結(jié)合ELO和缺陷種子掩膜方法，在基片頂部上補(bǔ)充地提供了一種減少早期階段缺陷的ELO掩膜F和一種生長(zhǎng)過(guò)程中引發(fā)缺陷集中的缺陷種子掩膜X，其中用氣相沉積在其上生長(zhǎng)厚GaN晶體。SiO2、SiN和SiON被用作ELO掩膜的材料，同時(shí)Pt、Ti和Ni被用作缺陷種子掩膜的材料。本發(fā)明涉及用于生長(zhǎng)氮化鎵的基片、制備該基片的方法和氮化鎵沉積。
1.用于氮化鎵沉積的基片本發(fā)明中氮化鎵沉積基片由下述制成藍(lán)寶石、GaAs、InP、Si、SiC、尖晶石或GaN中任一種單晶的下層基片或其中GaN緩沖層形成到這些單晶基片上的下層基片；Ti、Pt或Ni中任一種制成的規(guī)則地排列在下層基片上的、沒(méi)有窗口的僅為覆蓋片的、用作產(chǎn)生封閉缺陷聚集區(qū)域H的缺陷種子掩膜X；和SiON、SiO2或SiN中任一種制成的、具有覆蓋部分和小周期地規(guī)則地排列的大量窗口的、在下層基片頂部規(guī)則地和補(bǔ)充地提供缺陷種子掩膜X的ELO掩膜。
使E為ELO掩膜F中窗口的尺寸，L為鄰接窗口中心之間的距離，那么自然存在E＜L。這意味著窗口排列規(guī)則是為了將它們放置在規(guī)則地重復(fù)的多邊形頂點(diǎn)中。這樣的排列為，例如，其中窗口放置在等邊三角形的頂點(diǎn)的排列、其中它們放置在規(guī)則地重復(fù)的正方型的頂點(diǎn)的排列、或其中它們放置在規(guī)則地重復(fù)的規(guī)則六邊形的頂點(diǎn)的排列。
關(guān)于缺陷種子掩膜X中心之間的距離M和它們的掩蔽直徑(或?qū)挾?B，自然存在B＜M。M和B遠(yuǎn)大于E或L。但是，缺陷種子掩膜X的面積S(X)小于ELO掩膜F的面積S(F)(例如S(X)＜S(F))。在缺陷種子掩膜X為T(mén)i、Pt或Ni中任一種的情況下，ELO掩膜F則為SiON、SiO2和SiN中任一種。掩膜材料以這種方式不同的事實(shí)是本發(fā)明的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。
任選地，下層基片頂部從開(kāi)始就可以一分為二，一部分僅覆蓋有缺陷種子掩膜材料，另一部分僅覆蓋ELO掩膜材料。
然而，由于這將等于增加時(shí)間和蝕刻的功夫，ELO掩膜材料和缺陷種子掩膜材料可以先后形成到下層基片上(缺陷種子掩膜/ELO掩膜/下層基片)，可以除去缺陷種子掩膜材料的部分和ELO掩膜材料的部分。
將其顛倒也是可能的，其中缺陷種子掩膜材料和ELO掩膜材料依次涂覆到下層基片上(ELO掩膜/缺陷種子掩膜/下層基片)，可以除去ELO掩膜材料的部分和缺陷種子掩膜材料的部分。但是在ELO掩膜窗口必須被鉆孔的情況下，暴露出藍(lán)寶石基片或GaAs基片，但是僅僅缺陷種子掩膜為需要掩蔽的部分，這使蝕刻復(fù)雜化。根據(jù)材料的組合，一些情況下蝕刻是不可能的。
2.加工氮化鎵沉積基片的方法用于SiON、SiO2或SiN的ELO掩膜的薄膜形成到藍(lán)寶石、GaAs、InP、Si、SiC、尖晶石或GaN中任一種單晶的下層基片頂部上或其中這些單晶基片上形成GaN緩沖層的下層基片頂部上；進(jìn)一步形成用于Ti、Pt或Ni中任一種制成的缺陷種子掩膜的薄膜；用蝕刻除去作為ELO掩膜F將存在的部分的一部分用于缺陷掩膜的薄膜；用蝕刻在SiON、SiO2或SiN任一種形成的暴露的薄膜中形成規(guī)則排列和布置的窗口。
用于SiON、SiO2或SiN任一種的ELO掩膜的薄膜形成到作為藍(lán)寶石、GaAs、InP、Si、SiC、尖晶石或GaN中任一種單晶的下層基片頂部上或其中這些單晶基片上形成GaN緩沖層的下層基片頂部上；在ELO掩膜將位于的部分形成規(guī)則排列和布置的窗口；在SiON、SiO2或SiN中任一種的掩膜的缺陷種子掩膜X將存在的部分，形成用于Ti、Pt或Ni中任一種制成的缺陷種子掩膜的薄膜。
在Pt放置到SiO2、SiN或SiON任一種上的情況中，由于它不能粘附地好，在它們之間插入Ti層。在ELO掩膜為SiO2的情況下，層結(jié)構(gòu)將為Pt/Ti/SiO2。因?yàn)槠渲械腡i是為了增加粘附力，它不是缺陷種子掩膜，但是，當(dāng)然Ti本身可能是缺陷種子掩膜。存在以下九種可能。
Pt/Ti/SiO2/基片；Pt/Ti/SiON/基片；Pt/Ti/SiN/基片；Ti/SiO2/基片；Ti/SiON/基片；Ti/SiN/基片；Ni/SiO2/基片；Ni/SiON/基片；和Ni/SiN/基片。
3.加工氮化鎵基片的方法在本發(fā)明的加工氮化鎵基片的方法中，用氣相沉積生長(zhǎng)氮化鎵單晶在氣相沉積爐中放置藍(lán)寶石、GaAs、InP、Si、SiC、尖晶石或GaN中任一種的附在掩膜上的單晶基片，該基片是通過(guò)形成作為藍(lán)寶石、GaAs、InP、Si、SiC、尖晶石或GaN中任一種的單晶的下層基片或形成其中GaN緩沖層形成到這些的單晶基片上的下層基片生產(chǎn)的，和在它之上放置，SiON、SiO2或SiN中任一種制成的用于ELO掩膜的薄膜；進(jìn)一步形成由Ti、Pt或Ni中任一種制成的用于缺陷種子掩膜的薄膜；通過(guò)蝕刻除去缺陷種子掩膜的薄膜的ELO掩膜F將存在的部分；和通過(guò)蝕刻形成SiON、SiO2或SiN中任一種的暴露薄膜的規(guī)則排列和安置的窗口；和在附著掩膜的基片上供應(yīng)含NH3的原材料和含Ga的原材料；和如下獲得獨(dú)立的低位錯(cuò)、低缺陷的GaN單晶基片在ELO掩膜F的窗口中暴露的下層基片頂部最初地產(chǎn)生GaN單晶種子；使超出窗口的GaN單晶在ELO掩蓋部分的頂部不生長(zhǎng)，缺陷種子掩膜也不橫向地長(zhǎng)到ELO掩蓋部分；在從窗口橫向成長(zhǎng)的晶體膜分別合并后，使ELO掩膜F上的向上的低位錯(cuò)成長(zhǎng)繼續(xù)，在缺陷種子掩膜X上開(kāi)始GaN累積，因此含許多缺陷的GaN封閉缺陷聚集區(qū)域H繼續(xù)生長(zhǎng)；一旦形成足夠厚的GaN晶體，停止GaN沉積，將GaN晶體和附著的下層基片從氣相沉積爐里取出，用蝕刻或剝落除去下層基片和掩膜F和X。
在不增加ELO掩膜F上的缺陷和缺陷集中到缺陷種子掩膜X上時(shí)，實(shí)現(xiàn)了保持低位錯(cuò)單晶成長(zhǎng)的GaN沉積。將缺陷集中到封閉缺陷聚集區(qū)域H上達(dá)到事實(shí)減少了ELO掩膜上的GaN缺陷。
附圖的簡(jiǎn)要說(shuō)明圖1是以等邊三角形擴(kuò)展的重復(fù)方式將圓形窗口放置在等邊三角形頂點(diǎn)的掩膜的部分平面圖——生長(zhǎng)很少缺陷的GaN薄膜的ELO掩膜。
圖2是以等邊三角形擴(kuò)展的重復(fù)方式將規(guī)則六邊形窗口放置在等邊三角形頂點(diǎn)的掩膜的部分平面圖——生長(zhǎng)很少缺陷的GaN薄膜的ELO掩膜。
圖3是解釋ELO沉積方法的圖，其中布置多數(shù)窗口的阻止GaN生長(zhǎng)的掩膜配置在基片上，GaN生長(zhǎng)超過(guò)窗口。圖3(1)是在基片上已經(jīng)形成含窗口的掩膜的情形的截面圖。圖3(2)是表示在基片表面的窗口區(qū)域已經(jīng)創(chuàng)造GaN晶體種子的情形的截面圖。圖3(3)是表示在基片表面的窗口區(qū)域已經(jīng)生長(zhǎng)GaN薄層的情形的截面圖。圖3(4)是描繪GaN晶體生長(zhǎng)已經(jīng)超過(guò)窗口高度成為具有面的梯形金字塔形狀的情形的截面圖。圖3(5)是描繪具有面的梯形金字塔中的GaN晶體生長(zhǎng)超出窗口高度成為具有面的金字塔形狀的情形的截面圖。圖3(6)是表示帶面金字塔形狀中的GaN晶體橫向生長(zhǎng)超過(guò)窗口邊沿并呈現(xiàn)梯形金字塔的情況的截面圖。圖3(7)是表示帶面金字塔形狀中的GaN晶體橫向生長(zhǎng)超過(guò)窗口邊沿、生長(zhǎng)超過(guò)鄰接窗口的晶體在有垂直虛線的邊界表面接觸的情形的截面圖。圖3(8)是生長(zhǎng)超過(guò)鄰接窗口的GaN晶體已經(jīng)填充越過(guò)邊界線的情形的截面圖。
圖4是缺陷種子掩膜-放置在重復(fù)等邊三角形頂點(diǎn)位置的累積GaN缺陷時(shí)成長(zhǎng)GaN的材料-配置在藍(lán)寶石、GaAs、InP、Si、SiC、尖晶石或GaN中任一種的單晶下層基片上或?qū)aN緩沖層成長(zhǎng)到單晶基片上的下層基片上的平面圖。
圖5是表示通過(guò)將缺陷種子掩膜X形成到下層基片或下層基片上累積的GaN緩沖層上從而加工GaN基片、和在其上生長(zhǎng)GaN晶體的過(guò)程步驟的截面圖。圖5(1)是下層基片的截面圖。圖5(2)是描繪均勻的GaN緩沖層已經(jīng)配置在下層基片頂部上的情形的截面圖。圖5(3)是缺陷種子掩膜X配置在GaN緩沖層頂部上的情形的截面圖。圖5(4)是描繪當(dāng)GaN晶體生長(zhǎng)到缺陷種子掩膜X上時(shí)，在缺陷種子掩膜X頂部生長(zhǎng)封閉缺陷聚集區(qū)域H；在除它們之外的區(qū)域上生長(zhǎng)幾乎無(wú)缺陷的具有斜面的低位錯(cuò)伴生單晶區(qū)域Z；和在相應(yīng)鄰接掩膜X之間的邊界的區(qū)域上生長(zhǎng)低位錯(cuò)殘余的單晶區(qū)域Y的情形的截面圖。圖5(5)是剝落生長(zhǎng)的GaN的峰和除掉下層基片實(shí)施平的GaN的情形的截面圖。
圖6是用CL(陰極輝光)觀察缺陷種子掩膜方法生長(zhǎng)GaN時(shí)看到的圖案的圖示。從種子掩膜X成長(zhǎng)的是封閉缺陷聚集區(qū)域H；同心圍繞種子掩膜X成長(zhǎng)的GaN部分是低位錯(cuò)伴生單晶區(qū)域Z；同心環(huán)外邊的是低位錯(cuò)殘余單晶區(qū)域Y。
圖7是表示本發(fā)明一個(gè)方案的平面圖，其中下層基片被如下掩膜補(bǔ)充地覆蓋配置在重復(fù)等邊三角形的圖案的頂點(diǎn)上的缺陷種子掩膜，和配置在除種子掩膜外的大部分區(qū)域上的ELO掩膜，-作為兩層掩膜。大量微小窗口的排列是ELO掩膜；等同大覆蓋部分的是缺陷種子掩膜。
圖8是表示本發(fā)明的一個(gè)方案的平面圖，其中下層基片被斜度M重復(fù)的平行的條紋圖案的缺陷種子掩膜和配置在除種子掩膜外的大部分區(qū)域上的ELO掩膜補(bǔ)充地覆蓋——成為兩層掩膜。大量微小窗口的排列是ELO掩膜；等同大條形覆蓋部分的是缺陷種子掩膜。
圖9是表示本發(fā)明(兩層掩膜)成長(zhǎng)GaN的下層基片結(jié)構(gòu)的截面圖，其中由SiN、SiO2或SiON組成的ELO掩膜配置在下層基片(藍(lán)寶石、GaAs、InP、Si、SiC、尖晶石或GaN中任一種的單晶基片或其上配有GaN緩沖層的基片)的頂部上，缺陷種子掩膜配置在ELO掩膜頂部上。
圖10是表示涉及本發(fā)明(兩層掩膜)的沉積GaN的下層基片結(jié)構(gòu)的截面圖，其中由SiO2組成的ELO掩膜配置在下層基片(藍(lán)寶石、GaAs、InP、Si、SiC、尖晶石或GaN中任一種的單晶基片上或其中在其上配有GaN緩沖層的基片)的頂部上，并由Pt/Ti組成的缺陷種子掩膜配置在ELO掩膜頂部上。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明在下層基片頂部補(bǔ)充地提供了一種減少初始階段缺陷的ELO掩膜F和生長(zhǎng)時(shí)引起缺陷集中的缺陷種子掩膜X，和用氣相沉積方法在其上生長(zhǎng)厚晶GaN。一旦生長(zhǎng)成足夠厚的GaN單晶，用剝落法除去下層基片和掩膜。
1.下層基片—使用能使GaN生長(zhǎng)的單晶基片藍(lán)寶石單晶、GaAs單晶、尖晶石單晶、Si單晶、InP單晶、SiC單晶、GaN單晶，或在這些單晶之一上薄薄地形成薄GaN緩沖層的下層基片。
2.ELO掩膜——可以是SiN、SiON或SiO2。用濺射法或CVD形成這些電介質(zhì)層。膜厚約為30nm至200nm。
3.缺陷種子掩膜——可以是Pt、Ti或Ni。用氣相沉積、濺射或CVD法形成這些金屬層。盡管直接在基片頂部形成種子掩膜是可接受的，但是將粗成品分層到ELO掩膜上和除去不需要的部分更加簡(jiǎn)單。那種情況意味著將Pt、Ti或Ni放置到SiN、SiON或SiO2的頂部。當(dāng)使用Pt時(shí)，為了提供粘附力插入Ti層。圖9表示兩層掩膜的截面圖，其中缺陷種子掩膜X分層到ELO掩膜上。圖10表示Pt/Ti缺陷種子掩膜堆積和形成到SiO2ELO掩膜F上的一個(gè)例子。
4.ELO掩膜窗口——ELO掩膜窗口的尺寸為約0.5μm至2μm。排列窗口以便定位在系統(tǒng)地?cái)U(kuò)展的規(guī)則多面體形式的頂點(diǎn)。等邊三角形擴(kuò)展到全部(等邊三角形ELO)的圖案、正方形擴(kuò)展到全部的圖案(正方形ELO)和規(guī)則六邊形擴(kuò)展到全部(六邊形ELO)的圖案都是可能的。鄰接窗口的中心之間的距離L(L＞E)為約1.5-5μm。窗口輪廓可以是圓形、橢圓形、規(guī)則的六邊形、等邊三角形或正方形?？讖奖圈?孔的對(duì)稱(chēng)表面面積對(duì)總面積的比)為約20％至70％。
其中圓窗口放置在分布的等邊三角形圖案的頂點(diǎn)的掩膜圖示在圖1中。使形成圖案的等邊三角形的邊為L(zhǎng)(圖案的周期)，窗口的直徑為E，那么孔徑比σ為σ＝π E2/2·31/2L2。其中規(guī)則六邊形窗口放置在分布的等邊三角形圖案的頂點(diǎn)的掩膜圖示在圖2中。使形成圖案的等邊三角形的邊為L(zhǎng)，規(guī)則六邊形窗口的最長(zhǎng)對(duì)角線的長(zhǎng)度為E，那么孔徑比σ為σ＝3E2/4L2。
5.缺陷種子掩膜的結(jié)構(gòu)——缺陷種子掩膜X是僅組成覆蓋樣品、不具有窗口的掩膜。缺陷種子掩膜X的圖案直徑B(它們?yōu)闂l形情況時(shí)的寬度)和重復(fù)周期M遠(yuǎn)大于ELO掩膜的窗口尺寸E和重復(fù)周期L(B＞＞E；M＞＞L)。掩膜的輪廓可以為圓形、正方形、規(guī)則六邊形、長(zhǎng)方形、或條紋形(“條紋”)。如果存在厄密點(diǎn)(hermit-point)圓形、正方形、規(guī)則六邊形、長(zhǎng)方形或條紋形，它們將以二維形式規(guī)則地分布。直徑B、排列周期M和排列方式組成圖案。在圖7中，圓形缺陷種子掩膜X配置在重復(fù)等邊三角形的頂點(diǎn)處，ELO掩膜F配置在殘余的空間中。該結(jié)構(gòu)的ELO掩膜部分包含微小窗口4和覆蓋部分3。大的圓形覆蓋部分為缺陷種子掩膜X。缺陷種子掩膜X的直徑B遠(yuǎn)大于ELO掩膜窗口直徑E和周期L。缺陷種子掩膜X的重復(fù)周期M大于ELO掩膜窗口的周期L。
在種子掩膜為條形狀(條形)的情況中，縱向尺寸將具有和下層基片的邊相同長(zhǎng)度，因此僅寬度(B)和重復(fù)周期M為參數(shù)。缺陷種子掩膜圖案的尺寸B為約20μm-80μm，50μm左右是最容易實(shí)施的。例如，條狀的、寬度B＝50μm的缺陷種子掩膜X平行地形成到周期M＝400μm的GaAs下層基片上，在間隔350μm的帶狀區(qū)域中形成ELO掩膜。換句話說(shuō)，ELO和下層基底上缺陷種子掩膜的圖案可以實(shí)施為“50μm X350μm F50μm X350μm F.....”，該圖案好象在波動(dòng)那樣繼續(xù)。產(chǎn)品可以用作用于加工寬度為400μm的LD設(shè)備的基片。平行擴(kuò)展到ELO-和缺陷種子掩膜圖案的方向?qū)⒑蚅D條形一致。
6.晶體成長(zhǎng)方法——以和薄膜相同的方式用氣相沉積加工GaN基片晶體?？梢韵旅媪谐龅娜我环椒?。在任一方法中，初始時(shí)在低溫下可以薄薄地形成緩沖層(比掩膜薄)，但是可以沒(méi)有緩沖層。
1)HVPE(氫化物氣相外延附生)將含有Ga金屬的容器放置在熱壁反應(yīng)器中，外圍配有加熱器加熱給出熔融Ga，噴射HCl+氫氣的氣體制備GaCl；其向下導(dǎo)出并放置在其上氫氣+NH3的氣體一起被加熱的基片上，從而合成出GaN，將GaN晶體累積到晶片上。
2)MOC方法(有機(jī)金屬氯化物方法)含Ga的有機(jī)金屬例如三甲基鎵用氫氣稀釋的氣體和用氫氣稀釋的氯化氫氣體在熱壁爐內(nèi)反應(yīng)暫時(shí)合成GaCl；這和晶片附近流動(dòng)的NH3(+H2)氣體反應(yīng)，從而將GaN薄膜沉積到加熱的晶片上。
3)MOCVD(有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積)在冷壁反應(yīng)器中，其中Ga有機(jī)金屬例如TMG用氫氣稀釋的氣體和其中NH3用氫氣稀釋的氣體被噴射到加熱的晶片上，從而合成GaN，將GaN晶體累積到晶片上。該方法最經(jīng)常用作GaN薄膜沉積技術(shù)。
將寬度為350μm的由SiO2制成的具有許多規(guī)則六邊形窗口的ELO掩膜F和寬度為50μm的由Pt/Ti制成的缺陷種子掩膜條紋形以400μm的周期形成到2英寸的GaAs晶片上。開(kāi)始時(shí)用HVPE在450℃下沉積100nm厚度的GaN緩沖層。在NH3氣氛下將溫度升高到950℃。而且在高于950℃的溫度下進(jìn)行GaN沉積，成長(zhǎng)為100μm厚度的GaN層。在缺陷種子掩膜頂部生長(zhǎng)封閉的聚集缺陷的區(qū)域H；在同心圍繞它們的區(qū)域，生長(zhǎng)低位錯(cuò)伴生單晶區(qū)域Z；在邊緣部分，生長(zhǎng)低位錯(cuò)殘余單晶區(qū)域Y。證實(shí)了這些是形成在整個(gè)基片上(如圖6所示)的事實(shí)。
工業(yè)實(shí)用性在本發(fā)明中，減少早期階段缺陷的ELO掩膜和引發(fā)缺陷集中的缺陷種子掩膜補(bǔ)充性地配置在單晶藍(lán)寶石、GaAs或InP的基片上或其上配有GaN緩沖層的基片上。GaN極不可能生長(zhǎng)的材料例如SiO2、SiON或SiN被用作ELO掩膜材料，其上GaN不可能生長(zhǎng)但能生長(zhǎng)有許多缺陷的GaN晶體的材料，例如Pt、Ni或Ti，被用作缺陷種子掩膜。
因此，在缺陷種子掩膜上已被集中(封閉缺陷聚集區(qū)域H)的GaN缺陷在生長(zhǎng)期間不消失。相反，在ELO掩膜的頂部不能產(chǎn)生缺陷集中的區(qū)域。
由于高密度，封閉缺陷聚集區(qū)域在缺陷種子掩膜頂部的一部分區(qū)域形成，除了那部分的其它區(qū)域證實(shí)是低缺陷的，根據(jù)殘余看，實(shí)現(xiàn)了低缺陷密度GaN單晶的加工。
權(quán)利要求
1.一種氮化鎵沉積基片，其特征在于它如下制成作為藍(lán)寶石、GaAs、InP、Si、SiC、尖晶石或GaN中任一種的單晶的下層基片，或其中GaN緩沖層形成到這些的單晶基片上的下層基片；由Ti、Pt或Ni中任一種制成的缺陷種子掩膜X，其規(guī)則地排列在下層基片上，沒(méi)有窗口，僅為覆蓋片，用作產(chǎn)生封閉缺陷聚集區(qū)域H的種子；和由SiON、SiO2或SiN中任一種制成的ELO掩膜，具有覆蓋部分和許多以小周期規(guī)則排列的窗口，和缺陷種子掩膜規(guī)則地和補(bǔ)充地配置在下層基片頂部。
2.一種加工氮化鎵沉積基片的方法，其特征在于在作為藍(lán)寶石、GaAs、InP、Si、SiC、尖晶石或GaN中任一種的單晶的下層基片頂部或在其中GaN緩沖層形成到這些的單晶基片上的下層基片頂部，形成用于由SiON、SiO2或SiN中任一種制成的ELO掩膜的薄膜；而且在其上形成用于由Ti、Pt或Ni中任一種制成的缺陷種子掩膜的薄膜；通過(guò)蝕刻，除去用于缺陷種子掩膜的、ELO掩膜F將存在的一部分薄膜；和通過(guò)蝕刻，在SiON、SiO2或SiN中任一種的暴露的薄膜中形成規(guī)則地排列和布置的窗口。
3.一種加工氮化鎵沉積基片的方法，其特征在于在作為藍(lán)寶石、GaAs、InP、Si、SiC、尖晶石或GaN中任一種的單晶的下層基片頂部或其中GaN緩沖層形成到這些的單晶基片上的下層基片頂部，形成用于SiON、SiO2或SiN中任一種制成的ELO掩膜的薄膜；在ELO掩膜將存在的部分形成規(guī)則排列和布置的窗口；和，在缺陷種子掩膜X將存在的SiON、SiO2或SiN中任一種的掩膜的部分，形成用于由Ti、Pt或Ni中任一種制成的缺陷種子掩膜的薄膜。
4.一種加工氮化鎵基片的方法，其特征在于通過(guò)如下方法氣相沉積生長(zhǎng)GaN單晶在氣相沉積爐中放置藍(lán)寶石、GaAs、InP、Si、SiC、尖晶石或GaN中任一種的附在掩膜上的單晶基片，該基片通過(guò)形成作為藍(lán)寶石、GaAs、InP、Si、SiC、尖晶石或GaN中任一種的單晶的下層基片或形成其中將GaN緩沖層形成到這些的單晶基片上的下層基片上，和在它之上放置SiON、SiO2和SiN中任一種制成的用于ELO掩膜的薄膜；進(jìn)一步在其上形成由Ti、Pt或Ni中任一種制成的用于缺陷種子掩膜的薄膜；通過(guò)蝕刻，除去作為ELO掩膜F將存在的部分的一部分用于缺陷種子掩膜的薄膜；和通過(guò)蝕刻，形成SiON、SiO2和SiN中任一種的暴露薄膜的規(guī)則排列和布置的窗口；在附著掩膜的基片上供應(yīng)含NH3的原材料和含Ga的原材料；和獨(dú)立的低位錯(cuò)低缺陷的GaN單晶基片如下獲得在ELO掩膜F的窗口中暴露的下層基片頂部最初地產(chǎn)生GaN單晶種子；使超出窗口的GaN晶體在ELO掩蓋部分的頂部不生長(zhǎng)，缺陷種子掩膜也不橫向地長(zhǎng)到ELO掩蓋部分；在從窗口橫向生長(zhǎng)的晶體膜分別接合后，使ELO掩膜F上的向上的低位錯(cuò)生長(zhǎng)繼續(xù)，和，在缺陷種子掩膜X上開(kāi)始GaN累積，因此含許多缺陷的GaN封閉缺陷聚集的區(qū)域H繼續(xù)生長(zhǎng)；并且，一旦形成足夠厚的GaN晶體，停止GaN沉積，將GaN晶體和附著的下層基片從氣相沉積爐里取出，通過(guò)蝕刻或剝落除去下層基片和掩膜F和X。
全文摘要
一起使用ELO掩膜和缺陷種子掩膜的方法生長(zhǎng)很少有位錯(cuò)的GaN晶體。ELO掩膜使得GaN晶體不能直接生長(zhǎng)，但是能橫向生長(zhǎng)；缺陷種子掩膜使得缺陷集中的封閉缺陷聚集區(qū)域生長(zhǎng)。材料SiN、SiON或SiO
文檔編號(hào)C30B29/40GK1533593SQ0380064
公開(kāi)日2004年9月29日 申請(qǐng)日期2003年1月23日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月30日
發(fā)明者秋田勝史, 岡久拓司, 司 申請(qǐng)人:住友電氣工業(yè)株式會(huì)社