專利名稱：用于高質(zhì)量同質(zhì)外延的連位氮化鎵襯底的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及連位III-V族氮化物襯底，例如連位氮化鎵襯底，諸如通常在制造高質(zhì)量電子器件和光電子器件中用于在其上淀積同質(zhì)外延薄膜。
背景技術(shù)：
氮化鎵(GaN)和相應(yīng)的III-V族氮化物合金是寬禁帶的半導(dǎo)體材料，其應(yīng)用于光電子產(chǎn)品(例如，制造藍(lán)光二極管和UV發(fā)光二極管以及激光二極管)并應(yīng)用于高頻、高溫和大功率的電子產(chǎn)品。在這種高性能器件中，必須在襯底上生長(zhǎng)高質(zhì)量的外延膜。
典型地，在外圍(異質(zhì)外延)襯底諸如藍(lán)寶石和碳化硅上生長(zhǎng)氮化鎵基電子器件。由于在氮化鎵器件層和外圍襯底之間晶格常數(shù)的最終失配和熱膨脹系數(shù)不同，在氮化鎵器件層中顯然就會(huì)產(chǎn)生高密度的缺陷，從而嚴(yán)重影響器件性能。
典型地通過金屬有機(jī)氣相外延(MOVPE)，首先在外圍襯底上生長(zhǎng)緩沖層、隨后生長(zhǎng)幾微米厚度的氮化鎵和相關(guān)的器件層，從而進(jìn)行氮化鎵器件層的生長(zhǎng)。為了減少氮化鎵器件層中的晶體缺陷，已經(jīng)在藍(lán)寶石和碳化硅上采用了諸如外延橫向過生長(zhǎng)(ELOG)的生長(zhǎng)技術(shù)。
關(guān)于利用異質(zhì)外延襯底相關(guān)的形態(tài)和結(jié)構(gòu)缺陷，對(duì)于許多氮化鎵基電子器件，純氮化鎵襯底顯然是理想的?？梢酝ㄟ^各種方法來制備氮化鎵襯底。
Porowski等人的美國(guó)專利US5637531公開了在從高壓氮?dú)庵聫慕饘冁壷猩L(zhǎng)體氮化鎵，但是公開的方法已經(jīng)獲得了只有大約10mm片晶的最大晶體尺寸(S.Porowski and I.Grzegory，J.Cryst.Growth，Vol.78，174(1997)，M.Bockowski，J.Cryst.Growth，Vol.246，194(2002))。氮化鎵晶體片晶(platelets)是c-面結(jié)構(gòu)并具有相對(duì)的表面，其一個(gè)面由鎵終止，而另一個(gè)面由氮終止。每一個(gè)獨(dú)立表面具有相異特性，并且大多數(shù)氮化鎵基器件與在鎵終止表面，即(0001)表面上生長(zhǎng)的材料特性一樣。雖然晶體片晶尺寸較小，但已經(jīng)在這種片晶的樣品之上實(shí)施了同質(zhì)外延。例如，在橫向尺度小于5mm的氮化鎵晶體片晶之上進(jìn)行了MOVPE同質(zhì)外延(F.A.Pone，D.P.Bour，W.Gtz andP.J.Wright，Appl.Phys.Lett.，68(1)，57(1996))。通過分子束外延，就已經(jīng)在8×8mm2氮化鎵樣品之上生長(zhǎng)了基于AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的高電子遷移率晶體管(HEMT)結(jié)構(gòu)(E.Frayssington etal.，Appl.Phys.Lett.77，2551(2000))。通過MOVPE，已經(jīng)在大約6×8mm2氮化鎵樣品之上生長(zhǎng)了InGaN/GaN多量子阱(MQW)結(jié)構(gòu)和雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)LED(M.Kamp et al.，MRS Internet J.NitrideSemicond.Res.4S1，G.10.2(1999))。已經(jīng)報(bào)道了在氮終止氮化鎵(0001)晶體的片晶上并在稍微與(0001)面傾斜的表面上的MOVPE同質(zhì)外延生長(zhǎng)(A.R.A.Zauner et al.，J.Crystal Growth，210，435(2000))。
由于制造光電子器件和電子器件需要大面積的襯底，因此在由其它技術(shù)制造的大面積氮化鎵襯底之上生長(zhǎng)各種器件。器件包含氮化鎵基激光二極管(S.Nakamura，et al.，Jpn.J.Appl.Phys.37，L309(1998))。Nakamura等人采用復(fù)雜的生長(zhǎng)順序來形成這種激光二極管。首先，在藍(lán)寶石襯底之上生長(zhǎng)2微米厚的MOVPE氮化鎵層，隨后淀積被構(gòu)圖為條狀的2微米厚的二氧化硅層。然后，使用ELOG技術(shù)，通過MOVPE生長(zhǎng)20微米厚的氮化鎵層，從而覆蓋二氧化硅圖形并獲得平坦的氮化鎵表面。隨后，通過氫化物氣相外延(HVPE)形成大約100微米厚的氮化鎵層。接著，通過拋光去除藍(lán)寶石襯底，從而獲得大約80微米厚的氮化鎵制品。最后，通過MOVPE生長(zhǎng)InGaN MQWLD結(jié)構(gòu)。
Ogawa等人的美國(guó)專利US6455877公開了在藍(lán)寶石之上、在由通過MOVPE形成的ELOG氮化鎵上通過HVPE淀積氮化鎵而形成的氮化鎵襯底之上生長(zhǎng)發(fā)光器件，其中在形成足夠的氮化鎵厚度之后拋光去除掉藍(lán)寶石。Ogawa等人公開了一種與氮化鎵材料的c-面傾斜0.10～0.25度的優(yōu)選襯底晶向。在隨后美國(guó)公開的專利申請(qǐng)No.2001/0030329中，Ueta等人則闡明了一種與氮化鎵材料的c-面傾斜0.05～2度的優(yōu)選襯底晶向。在這些不同的器件結(jié)構(gòu)中，直接在類生長(zhǎng)HVPE氮化鎵面上通過MOVPE生長(zhǎng)器件層。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及連位III-V族氮化物襯底，例如氮化鎵襯底，其適于微電子器件和光電子器件的高質(zhì)量同質(zhì)外延制造。
在一個(gè)方面，本發(fā)明涉及一種GaN襯底，包括從主要朝向選自由<1010>和<1120>方向組成的組中的方向的<0001>方向切割的GaN(0001)表面，切割角處于從大約0.2至大約10度范圍，其中所說的表面具有通過50×50μmAFM掃描儀測(cè)量的小于1nm的RMS粗糙度和小于3E6cm-2的位錯(cuò)密度。
本發(fā)明的再一個(gè)方面涉及一種形成GaN襯底的方法，該GaN襯底包括從主要朝向選自由<1010>和<1120>方向組成的組中的方向的<0001>方向切割的GaN(0001)表面，切割角處于從大約0.2至大約10度范圍，其中所說的表面具有通過50×50μm2AFM掃描儀測(cè)量的小于1nm的RMS粗糙度和小于3E6cm-2的位錯(cuò)密度。合成這樣的晶片的方法包括生長(zhǎng)體GaN單晶體和處理所說的體GaN單晶體，以便從此體GaN單晶體形成至少一個(gè)晶片，其中所說的處理步驟包括選自以下各步驟組成的組中的步驟(i)劃片步驟，在與c-面傾斜的劃片面中，以主要朝向選自<1010>和<1120>方向組成的組中的方向的切割角來進(jìn)行此劃片步驟；(ii)角度研磨步驟，在與c-面傾斜的研磨面中，以主要朝向選自<1010>和<1120>方向組成的組中的方向的切割角來進(jìn)行此角度研磨步驟；以及(iii)在連位(vicinal)異質(zhì)外延襯底之上生長(zhǎng)所說的體GaN單晶體之后，分離所說的體GaN單晶體，該連位異質(zhì)外延襯底包含從主要朝向選自由<1010>和<1120>方向組成的組中的方向的<0001>方向，以處于從大約0.2至大約10度的范圍內(nèi)的切割角來切割的(0001)表面。
在另一個(gè)方面，本發(fā)明涉及一種制造微電子器件或光電子器件的方法，該方法包括(a)形成包含GaN(0001)表面的GaN襯底，該GaN(0001)表面從主要朝向選自由<1010>和<1120>方向組成的組中的方向的<0001>方向進(jìn)行切割，切割角處于從大約0.2至大約10度范圍，其中所說的表面具有通過50×50μm AFM掃描儀測(cè)量的小于1nm的RMS粗糙度和小于3E6cm-2的位錯(cuò)密度，所說的方法包括生長(zhǎng)體GaN單晶體和處理所說的體GaN單晶體，以便從此體GaN單晶體中形成至少一個(gè)晶片，其中所說的處理步驟包括選自以下各步驟組成的組中的步驟(i)劃片步驟，在與c-面傾斜的劃片面中，以主要朝向選自<1010>和<1120>方向組成的組中的方向的切割角來進(jìn)行此劃片步驟；(ii)角度研磨步驟，在與c-面傾斜的研磨面中，以主要朝向選自<1010>和<1120>方向組成的組中的方向的切割角來進(jìn)行此角度研磨步驟；以及(iii)在連位(vicinal)異質(zhì)外延襯底之上生長(zhǎng)所說的體GaN單晶體之后，分離所說的體GaN單晶體，該連位異質(zhì)外延襯底包含從主要朝向選自由<1010>和<1120>方向組成的組中的方向的<0001>方向，以處于從大約0.2至大約10度的范圍內(nèi)的切割角來切割的(0001)表面，以及(b)在GaN襯底之上淀積例如GaN的同質(zhì)外延III-V族氮化物材料。
本發(fā)明的其它方面、特征和實(shí)施例將從整個(gè)說明書和附加的權(quán)利要求書中變得更加完整明顯。


圖1是在MOVPE GaN/藍(lán)寶石模板上生長(zhǎng)的MOVPE同質(zhì)外延膜表面的差分干涉對(duì)比度(DIC)顯微鏡圖像。生長(zhǎng)條件包含1220℃的生長(zhǎng)溫度和4μm/hr的生長(zhǎng)速度。
圖2是在GaN晶片上的MOVPE同質(zhì)外延GaN膜的DIC顯微鏡圖像。生長(zhǎng)條件包含1220℃的生長(zhǎng)溫度和4μm/hr的生長(zhǎng)速度。
圖3是來自于晶片的周界在GaN晶片上的2μm厚的同質(zhì)外延GaN膜的DIC顯微鏡圖像。生長(zhǎng)條件包含1170℃的生長(zhǎng)溫度和2μm/hr的生長(zhǎng)速度。
圖4是在GaN晶片上的2μm厚的同質(zhì)外延GaN膜的DIC顯微鏡圖像。此圖像來自于與圖3中所示的相同晶片，但拍攝于靠近晶片的中央位置。生長(zhǎng)條件包含1170℃的生長(zhǎng)溫度和2μm/hr的生長(zhǎng)速度。
圖5是用于在GaN晶片上的同質(zhì)外延GaN膜的50×50μm2AFM圖像，拍攝于接近具有圖4中所示的形態(tài)的區(qū)域。
圖6是用于在小丘區(qū)域中的在GaN晶片上的同質(zhì)外延GaN膜的2×2μm2AFM圖像，拍攝于接近具有圖4中所示的形態(tài)的區(qū)域。
圖7是用于在光滑區(qū)域中的在GaN晶片上的同質(zhì)外延GaN膜的2×2μm2AFM圖像，拍攝于接近具有圖3中所示的形態(tài)的區(qū)域。
圖8是具有常規(guī)朝向<1010>方向切割8度的CMP磨光的連位GaN(0001)晶片的DIC光學(xué)圖像。
圖9是具有朝向<1020>方向切割8度的CMP磨光的連位GaN(0001)晶片的10×10μm2AFM圖像。
圖10A和10B示意性示出晶片的角度研磨，圖10A示出放置于角度研磨夾具中的晶片，且圖10B示出在晶片上研磨楔形之后的晶片。
圖11是具有朝向<1010>方向切割2度的CMP磨光的角度研磨GaN(0001)表面的10×10μm2AFM圖像。
圖12是在包含2μm/hr生長(zhǎng)速度和1120°生長(zhǎng)溫度的生長(zhǎng)條件下對(duì)于在連位GaN襯底(朝向<1010>1度)上的2μm厚同質(zhì)外延膜生長(zhǎng)的靠近中央和接近邊緣的晶片表面的DIC顯微鏡圖像。
圖13是在連位襯底(朝向<1010>切割1度)上生長(zhǎng)的2μm厚同質(zhì)外延膜的50×50μm2AFM掃描圖像，對(duì)于此同質(zhì)外延膜，圖12示出該薄膜的光學(xué)圖像。
圖14是在連位GaN(0001)襯底(朝向<1010>切割1度)上生長(zhǎng)的2μm厚同質(zhì)外延膜的2×2μm2AFM掃描圖像，對(duì)于此同質(zhì)外延膜，圖12示出該薄膜的光學(xué)圖像。
圖15是在連位GaN(0001)襯底(朝向<1120>切割2度)上生長(zhǎng)的HEMT結(jié)構(gòu)表面的2×2μm2AFM掃描圖像。
圖16是利用汞探針確定的在2度切割(朝向<1120>)GaN(0001)襯底上生長(zhǎng)的HEMT結(jié)構(gòu)的電容-電壓(CV)測(cè)量值。
圖17是在8度(朝向<1010>)連位GaN(0001)襯底上生長(zhǎng)的HEMT結(jié)構(gòu)表面的DIC顯微鏡圖像，其中HEMT表面的形態(tài)復(fù)制圖8中所示的襯底表面。
圖18是在8度切割(朝向<1010>)GaN(0001)襯底上生長(zhǎng)的HEMT器件層的電容-電壓(CV)測(cè)量值。
圖19是具有除過主<1010>或<1120>族之外的切割方向的連位GaN(0001)襯底上生長(zhǎng)的2μm厚同質(zhì)外延GaN膜的50×50μm2AFM掃描圖像。
具體實(shí)施例方式
雖然在此下面的討論主要針對(duì)應(yīng)用于本發(fā)明的作為說明性的III-V族氮化物物質(zhì)的GaN，應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明可廣泛地應(yīng)用于III-V族氮化物化合物，包括二元化合物和合金。作為在此采用的術(shù)語，“III-V族氮化物”是指包含氮和Al、In和Ga中的至少一種的半導(dǎo)體材料。這種III-V族氮化物材料可以用符號(hào)表示為(Al，In，Ga)N。術(shù)語(Al，In，Ga)N包括含有Al、In和Ga中的一種或多種的所有置換氮化物，因此包含替代材料AlN、InN、GaN、AlInN、AlGaN、InGaN和AlInGaN，其中在含有兩種或所有三種這些金屬的化合物中的Al、In和Ga的化學(xué)計(jì)量系數(shù)可以是0和1之間的任何適合的值，條件是所有這些化學(xué)計(jì)量系數(shù)的總和為1。在此方面，還可以在(Al，In，Ga)N材料中引入諸如氫或碳雜質(zhì)、摻雜劑或諸如硼的應(yīng)力變換材料，但所有化學(xué)計(jì)量系數(shù)總和1的波動(dòng)為±0.1％之間。這些化合物的實(shí)例包括AlxGa1-xN，其中0≤x≤1；以及AlxInyGa1-x-yN，其中0≤x≤1且0≤y≤1。因此，雖然下面的討論是將GaN作為說明材料，但是，在本發(fā)明的高質(zhì)量襯底中顯然可以采用其它III-V族氮化物材料。作為本發(fā)明的方法和連位襯底的后續(xù)公開的背景，下文中的描述指一系列的實(shí)驗(yàn)，這些實(shí)驗(yàn)用于展示在各種大面積襯底的c-面表面之上通過金屬有機(jī)氣相外延(MOVPE)的氮化鎵的同質(zhì)外延生長(zhǎng)的缺陷。
在一組實(shí)驗(yàn)中，在常規(guī)c-面自立GaN晶片上并在藍(lán)寶石之上在異質(zhì)外延MOVPE GaN膜形成的模板上按照相同的生長(zhǎng)流程，生長(zhǎng)MOVPE氮化鎵膜。由于GaN/藍(lán)寶石模板的表面是氮化鎵，因此在沒有低溫緩沖層的情況下，采用在藍(lán)寶石上氮化鎵的異質(zhì)外延生長(zhǎng)的優(yōu)化MOVPE生長(zhǎng)條件。
在這些實(shí)驗(yàn)中，希望GaN晶片上的同質(zhì)外延GaN膜優(yōu)于在GaN/藍(lán)寶石模板上的偽同質(zhì)外延膜。令人吃驚地，GaN晶片上的同質(zhì)外延膜比GaN/藍(lán)寶石模板上的GaN膜更加粗糙。
圖1是在GaN/藍(lán)寶石模板上生長(zhǎng)的同質(zhì)外延膜表面的差分干涉對(duì)比度(DIC)顯微鏡圖像。圖2是在GaN晶片上的同質(zhì)外延GaN膜的DIC顯微鏡圖像。兩種膜是在1220℃的生長(zhǎng)溫度和4μm/hr的生長(zhǎng)速度下、在一個(gè)生長(zhǎng)流程方式下生長(zhǎng)的。利用放置在基座之下的熱電偶來測(cè)量生長(zhǎng)工藝期間的溫度，結(jié)果，實(shí)際晶片表面溫度近似于大約100～150℃，低于熱電偶讀數(shù)。在GaN/藍(lán)寶石模板上的同質(zhì)外延膜既光滑又無特征，而GaN晶片上的同質(zhì)外延膜則非常粗糙且呈現(xiàn)出三維生長(zhǎng)特性。
通過優(yōu)化用于形成GaN襯底上的同質(zhì)外延GaN的生長(zhǎng)條件，確定GaN襯底上的同質(zhì)外延GaN膜的表面形態(tài)易受實(shí)質(zhì)上的改進(jìn)的影響。實(shí)施實(shí)驗(yàn)，其中改變生長(zhǎng)速度、生長(zhǎng)溫度、氨氣流速和生長(zhǎng)壓力。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過將生長(zhǎng)速度從4μm/hr降低至2μm/hr，就會(huì)顯著改善表面形態(tài)。在2μm/hr的生長(zhǎng)速度之下，通過將生長(zhǎng)溫度從1220℃降低至1170℃或者甚至更低的溫度，就會(huì)進(jìn)一步改善GaN襯底上的同質(zhì)外延膜的表面形態(tài)。還發(fā)現(xiàn)，通過增加NH3的流速或通過增加生長(zhǎng)壓力，也能夠改善表面形態(tài)。優(yōu)化的生長(zhǎng)條件依賴于反應(yīng)室的幾何尺寸和相關(guān)生長(zhǎng)參數(shù)。通過系統(tǒng)地改變反應(yīng)室中的生長(zhǎng)條件，就能夠獲得光滑表面形態(tài)的在常規(guī)c-面GaN晶片上的同質(zhì)外延GaN膜。圖3示出了在常規(guī)c-面GaN晶片上的2μm厚的同質(zhì)外延GaN膜的DIC顯微鏡圖像。其表面非常光滑且?guī)缀鯚o特征。
然而，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，即便在最佳生長(zhǎng)條件之下，在常規(guī)c-面GaN晶片上的同質(zhì)外延膜的表面形態(tài)也不均勻。至少具有兩種類型的表面形態(tài)，即，圖3中所示出的光滑表面特性和小丘(hillock)表面形態(tài)。
圖4示出了在常規(guī)c-面GaN晶片上的同質(zhì)外延GaN膜的小丘表面形態(tài)。小丘表面形態(tài)典型地位于靠近晶片的中央位置，并且更加光滑的表面形態(tài)典型地位于接近晶片的外部邊緣。
確定表面形態(tài)的非均勻性是與表面的晶向相關(guān)。由于在拋光晶片之前在氮化鎵晶片白片中存在殘余應(yīng)力，因此c-面GaN晶片白片就會(huì)有晶格彎曲，即晶體材料的c-面就不平坦，而且會(huì)彎曲。在通過機(jī)械研磨、拋光和化學(xué)機(jī)械拋光形成外延制備的GaN晶片期間，晶片表面就會(huì)被制造成機(jī)械性平坦，但仍然會(huì)出現(xiàn)晶格彎曲，從而只有特定的表面區(qū)域，特別是靠近晶片中央才會(huì)具有平行于該表面的c-面。表面區(qū)域的主要部分，朝向晶片的外部邊緣，就會(huì)具有與表面稍微傾斜的c-面。對(duì)于常規(guī)c-面GaN晶片，c-面與表面的小傾斜典型地小于1度。
在常規(guī)c-面GaN晶片上觀察到的同質(zhì)外延膜的六角小丘形態(tài)與完全平行于c-面的表面區(qū)域相關(guān)。在實(shí)際c-面襯底上形成的六角小丘結(jié)構(gòu)歸因于在實(shí)際c-面襯底上的低密度結(jié)晶步驟，其使制造出光滑的二維生長(zhǎng)變得困難。通過形成六角小丘，產(chǎn)生結(jié)晶步驟，以致局部表面平面就不再是實(shí)際c-面。結(jié)晶步驟產(chǎn)生生長(zhǎng)膜的晶核形成中心，允許從氣相中引入原子而設(shè)置隨后的各步驟。
對(duì)于與晶體c-面相關(guān)的表面角度分布的GaN晶片，則存在表面臺(tái)階寬度和臺(tái)階方向的分布。在實(shí)際c-面襯底上，六角小丘是對(duì)稱的。當(dāng)輕微地從實(shí)際c-面移動(dòng)到小連位角，即切割角，其定義為晶格c-面和局部表面之間的夾角(在此，通?；Q使用連位和切割)時(shí)，六角小丘結(jié)構(gòu)的一側(cè)就會(huì)被放大，而損失相對(duì)側(cè)，如圖4中所示。當(dāng)連位角足夠大時(shí)，小丘形態(tài)就會(huì)消失。
通過原子力顯微鏡(AFM)可以檢查在GaN襯底上的同質(zhì)外延GaN膜的表面微結(jié)構(gòu)。在AFM圖像中觀察到的微結(jié)構(gòu)中，同樣出現(xiàn)了在DIC光學(xué)顯微鏡下觀察到的非均勻表面形態(tài)。
在具有小丘表面形態(tài)的表面區(qū)域中，表面微結(jié)構(gòu)出現(xiàn)小面，如圖5的50×50μm2AFM掃描圖像所示。圖6是進(jìn)一步表示微結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的2×2μm2AFM掃描圖像。可看見原子臺(tái)階結(jié)構(gòu)。在同質(zhì)外延膜上的小丘形態(tài)的區(qū)域中的原子臺(tái)階之間的寬度典型地在大約100nm和大約300nm之間。根據(jù)這種原子臺(tái)階寬度并假設(shè)單一雙層臺(tái)階高度，就能夠確定局部表面遠(yuǎn)離晶格c-面大約0.2度，即實(shí)際c-面GaN襯底上的2μm厚同質(zhì)外延膜產(chǎn)生相對(duì)于晶格c-面的0.2度的表面切割。
如圖3中所示，遠(yuǎn)離中心小丘區(qū)，同質(zhì)外延膜非常光滑。AFM圖像還示出了光滑的微結(jié)構(gòu)。圖7是在GaN晶片上的2μm厚同質(zhì)外延GaN膜的2×2μm2AFM圖像。在具有圖3所示特性的表面形態(tài)的區(qū)域中獲取此AFM圖像。圖3～7是從GaN晶片上的一個(gè)同質(zhì)外延膜中獲得的圖像，但在該薄膜的不同區(qū)域。當(dāng)通過均方根(RMS)技術(shù)測(cè)量時(shí)，2×2μm2AFM圖像之上的表面粗糙度為0.14nm，表明此同質(zhì)外延膜表面非常光滑。
在大面積GaN晶片之上的同質(zhì)外延膜的非均勻表面形態(tài)會(huì)產(chǎn)生非均勻的器件特性和產(chǎn)量的下降，結(jié)果，在現(xiàn)有技術(shù)中就會(huì)存在改善GaN技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)需要，此GaN技術(shù)能夠在GaN襯底之上可靠地且商業(yè)再造地制造均勻光滑和高質(zhì)量的同質(zhì)外延GaN膜。
通過本發(fā)明的GaN晶片制品，就能夠克服涉及在制造GaN膜中GaN襯底上的同質(zhì)外延膜的非均勻表面形態(tài)和產(chǎn)生粗糙小丘表面特征的問題，本發(fā)明的GaN晶片制品具有人為遠(yuǎn)離晶格c-面傾斜的表面，即，具有連位c-面表面或具有切割表面的晶片，其上進(jìn)行同質(zhì)外延生長(zhǎng)，以制造高質(zhì)量光滑的GaN同質(zhì)外延膜。
作為參考，GaN晶體的c-面可表示為(0001)面，并且c-面的方向是c-軸 方向。當(dāng)參照(0001)面時(shí)，就意味著鎵終止的c-面，而且(0001)面指氮終止的c-面。表面或晶面的方向定義為正交于表面的方向。當(dāng)連位晶片的表面方向是由<0001>和<1120>方向限定的晶面時(shí)，該表面就稱為沿著<1120>方向切割的(0001)表面。由于GaN晶體的對(duì)稱性，<1010>方向就是包含[1010]、[1010]、[1100]、[1100]、
和
的族方向的通用表達(dá)式。<1120>方向就是包含[1120]、[1120]、[1210]、[1210]、[2110]和[2110]的族方向的通用表達(dá)式。如在此所采用的術(shù)語“主要朝向”指特定的方向，例如<1010>或<1120>方向，意思是±15度的此方向的取向。應(yīng)當(dāng)很清楚，這種參考稱為方位公差角，相對(duì)于在此的參考，稱為極化(切割)角。優(yōu)選地，朝向特定方向的方位波動(dòng)為±5度，并且這種波動(dòng)最優(yōu)選為±2度。
本發(fā)明提供一種包含GaN(0001)表面的GaN襯底，該GaN(0001)表面從主要朝向選自<1010>和<1120>方向組成的組中的方向的 方向切割，切割角從大約0.2至大約10度的范圍之內(nèi)，其中該表面具有通過50×50μm2AFM掃描鏡測(cè)量的小于1nm的RMS粗糙度和小于3E6cm-2的位錯(cuò)密度。
具體實(shí)施例中的GaN(0001)表面可以朝向<1010>或<1120>方向進(jìn)行切割，按照從大約0.2至大約10度的范圍之內(nèi)的切割角，或者按照從大約0.2至大約4度的范圍之內(nèi)的切割角，或者按照從大約3至大約8度的范圍之內(nèi)的切割角，或者按照從大約5至大約8度的范圍之內(nèi)的切割角，或者按照從大約2.5至大約10度的范圍之內(nèi)的切割角，或者按照從大約2.5至大約8度的范圍之內(nèi)的切割角，或者按照從大約2.5至大約4度的范圍之內(nèi)的切割角，它們可以廣泛地適合于本發(fā)明給出的應(yīng)用。
在具體實(shí)施例中，切割表面可以具有通過50×50μm2AFM掃描鏡測(cè)量的小于0.9nm的RMS粗糙度，或者更加優(yōu)選地，具有通過50×50μm2AFM掃描鏡測(cè)量的小于0.5nm的RMS粗糙度。在優(yōu)選的方面，GaN襯底的位錯(cuò)密度小于1E6cm-2，更加優(yōu)選為小于5E5cm-2。
通常采用本發(fā)明的GaN襯底用于制造微電子器件或光電子器件和器件結(jié)構(gòu)，包含在襯底之上淀積同質(zhì)外延GaN，例如，作為在包含在GaN襯底上同質(zhì)外延淀積的GaN之上附加淀積AlGaN的多個(gè)步驟的制造工藝中的元件步驟，從而形成AlGaN/GaN HEMT結(jié)構(gòu)。在GaN襯底之上制造的器件或者可包括藍(lán)色激光二極管或更短波長(zhǎng)的激光二極管。
可以采用任何適合的淀積技術(shù)例如MOVPE來實(shí)施在GaN襯底之上淀積同質(zhì)外延GaN或其它III-V族氮化物材料，并且可以在任何適合的工藝條件下來實(shí)施此淀積工藝?？梢愿鶕?jù)具體的應(yīng)用來實(shí)施淀積同質(zhì)外延III-V族氮化物材料，例如，在從大約700至大約1220℃范圍的溫度之下，或在從大約1120至大約1170℃范圍的溫度之下進(jìn)行，或在從大約1100至大約1225℃范圍的溫度之下進(jìn)行，并且在GaN襯底之上同質(zhì)外延GaN或其它III-V族氮化物材料的生長(zhǎng)速度可以為從大約0.1μm/hr至大約50μm/hr的速度，或者在從大約1μm/hr至大約50μm/hr的范圍之下進(jìn)行，或者在從大約1μm/hr至大約4μm/hr的范圍之下進(jìn)行，或者在從大約1μm/hr至大約2μm/hr的范圍之下進(jìn)行。
可以通過幾種方法來制造根據(jù)本發(fā)明的切割晶片。當(dāng)長(zhǎng)的GaN晶棒(boule)可用時(shí)，可以定向并劃片晶棒，以便制造具有相對(duì)于c-面的切割角的晶片。當(dāng)相對(duì)厚的c-面GaN晶片白片可用時(shí)，可以首先使GaN晶片白片角度研磨，其包含在具有相對(duì)于夾板的預(yù)定角的夾具中放置晶片，并研磨晶片，從而制造出鍥形形狀的晶片。然后，在背面研磨鍥形晶片，以便去除鍥形形狀并生產(chǎn)具有與晶格c-面傾斜的表面的晶片。也可以在連位模板諸如藍(lán)寶石之上生長(zhǎng)連位GaN，并在淀積連位GaN材料之后去除該連位模板，從而生產(chǎn)出自立的連位GaN襯底制品。
在本發(fā)明的一個(gè)說明性實(shí)施例中，可以通過氫化物氣相外延(HVPE)工藝來生長(zhǎng)GaN晶棒至大約1厘米厚度。利用測(cè)向器來定向GaN晶棒，以致在用線鋸來劃片期間，劃片面與<1010>方向上的c-面傾斜8度。然后將晶棒劃片為具有朝向<1010>方向切割8度的多個(gè)晶片白片。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，通過HVPE工藝來生長(zhǎng)GaN晶棒至大約1厘米厚度。利用測(cè)向器來定向GaN晶棒，以致在用線鋸來劃片期間，劃片面與<1120>方向上的c-面傾斜8度。然后將晶棒劃片為具有朝向<1120>切割8度的多個(gè)晶片白片。
在本發(fā)明的再一個(gè)實(shí)施例中，通過HVPE工藝來生長(zhǎng)GaN晶棒至大約1厘米厚度。利用測(cè)向器來定向GaN晶棒，以致在用線鋸來劃片期間，劃片面與<1010>方向上的c-面傾斜4度。然后將晶棒劃片為具有朝向<1010>切割4度的多個(gè)晶片白片。
在本發(fā)明的再一個(gè)實(shí)施例中，通過HVPE工藝來生長(zhǎng)GaN晶棒至大約1厘米厚度。利用測(cè)向器來定向GaN晶棒，以致在用線鋸來劃片期間，劃片面與<1120>方向上的c-面傾斜4度。然后將晶棒劃片為具有朝向<1120>切割4度的多個(gè)晶片白片。
在本發(fā)明的進(jìn)一步的實(shí)施例中，通過HVPE工藝來生長(zhǎng)GaN晶棒至大約1厘米厚度。利用測(cè)向器來定向GaN晶棒，以致在用線鋸來劃片期間，劃片面與<1010>方向上的c-面傾斜2度。然后將晶棒劃片為具有朝向<1010>切割2度的多個(gè)晶片白片。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，通過HVPE工藝來生長(zhǎng)GaN晶棒至大約1厘米厚度。利用測(cè)向器來定向GaN晶棒，以致在用線鋸來劃片期間，劃片面與<1120>方向上的c-面傾斜2度。然后將晶棒劃片為具有朝向<1120>切割2度的多個(gè)晶片白片。
然后，在兩個(gè)側(cè)面上通過9微米顆粒尺寸的金剛石漿料(slurry)，研磨如上所述制造的已劃片的連位晶片白片，從而去除線鋸的損傷。c-面GaN晶片具有兩個(gè)表面，一個(gè)表面由氮終止并稱為氮終止(0001)表面，并且另一個(gè)表面由鎵終止并稱為鎵終止(0001)表面。切割的GaN(0001)晶片同樣具有兩個(gè)表面。一個(gè)表面與(0001)表面連位，盡管連位(0001)表面具有將小部分氮原子暴露于此表面的原子臺(tái)階，但仍然稱為鎵終止表面。
在研磨上述實(shí)施例中描述的連位晶片的兩個(gè)表面之后，進(jìn)一步利用更小粒度金剛石漿料來拋光晶片的鎵-側(cè)面，直至獲得鏡面磨光?？蛇x擇地，還可以拋光氮-側(cè)面至鏡面磨光。金剛石拋光的表面仍然含有來自于此拋光操作的表面損傷和次表面損傷。
然后，作為最后的拋光步驟，采用化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)工藝來去除來自于鎵終止表面的殘留表面損傷，該表面用于隨后的同質(zhì)外延生長(zhǎng)。通常，可以以任何方式和任何適合的CMP配方來實(shí)施CMP藝。CMP工藝有利于去除劃痕和表面損傷。
圖8是具有朝向<1010>方向切割8度的CMP磨光的連位GaN(0001)晶片的DIC光學(xué)圖像。圖9是具有朝向<1020>方向切割8度的CMP磨光的連位GaN(0001)晶片的50×50μm2AFM圖像。CMP之后的8度切割晶片展示在圖8和9中所示的臺(tái)階結(jié)構(gòu)。
還可以通過角度研磨來制造連位GaN晶片。圖10是用于從常規(guī)c-面晶片白片形成連位GaN襯底的角度研磨工藝流程的示意圖。在圖10A中，在具有預(yù)定傾斜角的夾具盒中，將c-面晶片白片放置在夾具盒的底面上。在研磨平板之上研磨夾具盒中的晶片，以致在進(jìn)行研磨之后，晶片表面的頂面平行于夾具的頂面，即如圖10B中所示，晶片形狀為鍥形，并且晶片頂面處于相對(duì)于GaN的c-面的連位角。在形成鍥形形狀之后，在夾具中放置并研磨鍥形晶片，致使晶片的兩個(gè)表面彼此平行，并且它們具有相同的切割幅度。
在說明性實(shí)施例中，通過c-面藍(lán)寶石之上的HVPE生長(zhǎng)，形成具有大約1.3mm厚度的GaN晶片白片，然后去除該藍(lán)寶石。隨后使晶片白片研磨出角度，從而制造出朝向<1010>方向的1度切割。
在另一個(gè)實(shí)施例中，通過c-面藍(lán)寶石之上的HVPE生長(zhǎng)，形成具有大約1.3mm厚度的GaN晶片白片，然后去除該藍(lán)寶石。隨后使晶片白片研磨出角度，從而制造出朝向<1120>方向的1度切割。
在進(jìn)一步的實(shí)施例中，通過c-面藍(lán)寶石之上的HVPE生長(zhǎng)，形成具有大約1.3mm厚度的GaN晶片白片，然后去除該藍(lán)寶石。隨后使晶片白片研磨出角度，從而制造出朝向<1010>方向的2度切割。
在再一個(gè)實(shí)施例中，通過c-面藍(lán)寶石之上的HVPE生長(zhǎng)，形成具有大約1.3mm厚度的GaN晶片白片，然后去除該藍(lán)寶石。隨后使晶片白片研磨出角度，從而制造出朝向<1120>方向的2度切割。
在進(jìn)一步的實(shí)施例中，通過c-面藍(lán)寶石之上的HVPE生長(zhǎng)，形成具有大約1.3mm厚度的GaN晶片白片。隨后使晶片白片研磨出角度，從而制造出朝向<1010>和<1120>之間的中間方向的1度切割。
進(jìn)一步利用更小粒度的金剛石漿料，在鎵終止表面拋光上述實(shí)施例中制造的角度研磨的連位GaN晶片，從而制造鏡面磨光。應(yīng)當(dāng)清楚，可選擇地拋光氮-側(cè)面至鏡面磨光。隨后，化學(xué)機(jī)械拋光晶片的鎵-側(cè)面，以便去除表面劃痕和表面損傷。
圖11是具有朝向<1010>切割2度的CMP磨光的角度研磨的GaN(0001)表面的AFM圖像。該表面非常光滑(圖像中的凹坑(pits)與穿通位錯(cuò)(threading dislocation)相關(guān))。
根據(jù)本發(fā)明，在連位藍(lán)寶石襯底之上生長(zhǎng)連位GaN。在一個(gè)說明性的實(shí)施例中，采用具有朝向<1010>方向切割1度的c-面藍(lán)寶石襯底，并在該襯底之上生長(zhǎng)HVPE GaN膜。X射線衍射測(cè)量證實(shí)GaN膜同樣具有朝向<1020>方向的1度切割。在另一個(gè)說明性的實(shí)施例中，在具有朝向<1010>方向切割2度的c-面藍(lán)寶石襯底之上，生長(zhǎng)HVPEGaN。X射線衍射測(cè)量證實(shí)此GaN膜具有朝向<1020>方向的2度切割。
在再一個(gè)說明性的實(shí)施例中，通過HVPE技術(shù)，在具有朝向<1010>方向切割4度的連位c-面藍(lán)寶石襯底之上，生長(zhǎng)GaN膜。X射線衍射測(cè)量證實(shí)此GaN膜與朝向<1020>方向的4度切割連位。
可以通過在能夠切割GaN生長(zhǎng)的任何適合的材料形成的連位襯底之上生長(zhǎng)相對(duì)厚的GaN膜來制備根據(jù)本發(fā)明的連位GaN襯底。例如，用于此目的的連位襯底可以由藍(lán)寶石、砷化鎵、硅或其它適合材料形成。作為進(jìn)一步具體的實(shí)例，可以在含有HVPE淀積的GaN的連位藍(lán)寶石襯底之上進(jìn)行切割GaN生長(zhǎng)。
在連位外部襯底上生長(zhǎng)相對(duì)厚的GaN膜之后，可以通過任何適合的裝置或方法來去除外部襯底。例如，襯底去除可以包含消除襯底、去除部分或全部襯底或者去除全部襯底和與該襯底相鄰的部分GaN。用于此目的可以采用的具體技術(shù)包括機(jī)械精研、化學(xué)刻蝕、界面分解、界面碎裂或任何其它適合于特定襯底的裝置或方法。在去除了外部襯底之后，可以研磨、拋光和如上所述的化學(xué)機(jī)械拋光獲得的GaN晶片白片，從而生產(chǎn)出外延準(zhǔn)備的連位GaN襯底。
如果在連位外部襯底之上生長(zhǎng)低缺陷的GaN材料，通過劃片低缺陷密度的GaN晶錠(ingots)或者角度研磨低缺陷密度GaN晶片白片或者研磨并拋光連位GaN晶片白片，就能夠制造出根據(jù)本發(fā)明的低缺陷密度的連位GaN襯底?？梢詢?yōu)先采用兩步驟生長(zhǎng)工藝，此兩步驟生長(zhǎng)工藝與我們?cè)谕谏暾?qǐng)的、Xueping Xu和Robert P.Vaudo的名稱為“LARGE AREA，UNIFORMLY LOW DISLOCATION DENSITY GaNSUBSTRATE AND PROCESS FOR MAKING THE SAME”的共同未決的美國(guó)專利申請(qǐng)中公開的一樣，從而制造出具有低位錯(cuò)密度的這種GaN材料。在此，引入共同未決的美國(guó)專利申請(qǐng)的公開內(nèi)容并在此將其全部?jī)?nèi)容作為參考。優(yōu)選低位錯(cuò)密度的GaN的位錯(cuò)密度小于3E6cm-2，更加優(yōu)選為小于1E6cm-2，并且最好為5E5cm-2。
為了在50×50μm2面積中具有由原子力顯微鏡測(cè)量的小于1nm的表面RMS的優(yōu)良的表面光滑度，可以利用化學(xué)機(jī)械拋光工藝來磨光根據(jù)本發(fā)明的連位GaN襯底的鎵-側(cè)。在2×2μm2面積中的原子力顯微鏡測(cè)量的表面RMS優(yōu)選小于0.9nm，并且更加優(yōu)選為小于0.5nm。連位襯底的氮-側(cè)可為粗糙磨光，或者可以可選地拋光為鏡面磨光。
通過以下在連位GaN襯底之上的MOVPE GaN同質(zhì)外延膜和器件層生長(zhǎng)的非限制性實(shí)例，就能夠更加全面地展示本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)。
實(shí)例1采用具有朝向<10-10>方向切割1度的連位GaN襯底作為用于同質(zhì)外延生長(zhǎng)的襯底。
圖12是在以下的生長(zhǎng)條件之下在這種連位GaN襯底(朝向<1010>1度)上生長(zhǎng)的2μm同質(zhì)外延膜的靠近中央和接近邊緣的晶片表面的DIC顯微鏡圖像生長(zhǎng)速度＝2μm/hr和生長(zhǎng)溫度＝1120℃。與其上生長(zhǎng)有非均勻同質(zhì)外延膜的常規(guī)c-面襯底相比，此同質(zhì)外延膜均勻光滑。
在DIC光學(xué)顯微鏡之下，如圖12中所示，在連位GaN晶片上的同質(zhì)外延GaN膜在整個(gè)晶片表面之上光滑且無特征。接近連位襯底的邊緣處的GaN膜的光學(xué)表面形態(tài)與靠近連位襯底中央的GaN膜形態(tài)相同。
進(jìn)一步利用AFM，以便特征化在連位GaN襯底上的GaN膜的表面微結(jié)構(gòu)。圖13是在連位襯底(朝向<1010>1度)上生長(zhǎng)的2μm同質(zhì)外延膜的50×50μm2AFM掃描圖像。在50×50μm2的面積中，此表面異常光滑，具有0.38nm的RMS粗糙度。穿通位錯(cuò)被裝飾為生長(zhǎng)凹坑，并且該薄膜的位錯(cuò)密度為大約2E6cm-2。
圖14是在連位GaN(0001)襯底(朝向<1010>切割1度)上生長(zhǎng)的2μm厚同質(zhì)外延膜的2×2μm2AFM掃描圖像。在2×2μm2的面積中，同質(zhì)外延膜的粗糙度為0.12nm，證明了該薄膜異常光滑的特性。
實(shí)例2
在以下的生長(zhǎng)條件之下在連位GaN(0001)襯底(朝向<1120>方向切割2度)上生長(zhǎng)的AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管(HEMT)結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)速度＝2μm/hr和生長(zhǎng)溫度＝1170℃。HEMT結(jié)構(gòu)由在連位襯底上的2μm厚未摻雜MOVPE同質(zhì)外延GaN膜和在同質(zhì)外延GaN膜的頂面之上的25nm AlGaN層(30％的原子Al)組成。當(dāng)在光學(xué)顯微鏡之下檢驗(yàn)時(shí)，HEMT晶片具有均勻且光滑的表面形態(tài)。在連位GaN晶片之上，沒有觀測(cè)到典型地出現(xiàn)在c-面GaN(0001)襯底上的同質(zhì)外延表面之上的小丘形態(tài)。
圖15是在2度切割(朝向<1120>)GaN(0001)襯底上生長(zhǎng)的HEMT結(jié)構(gòu)的2×2μm2AFM掃描圖像，示出了具有臺(tái)階結(jié)構(gòu)的光滑表面形態(tài)。
圖16是利用汞探針的HEMT結(jié)構(gòu)的電容-電壓(CV)測(cè)量值，證實(shí)了形成有二維電子氣(2DEG)。
實(shí)例3在以下的生長(zhǎng)條件之下在8度切割(朝向<1010>方向)GaN(0001)襯底上生長(zhǎng)AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管(HEMT)結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)速度＝2μm/hr和生長(zhǎng)溫度＝1170℃。HEMT結(jié)構(gòu)由在連位襯底上的2μm厚未摻雜MOVPE同質(zhì)外延GaN膜和在同質(zhì)外延GaN膜的頂面之上的25nm AlGaN層(30％的原子Al)組成。HEMT結(jié)構(gòu)的表面形態(tài)光滑并且重復(fù)襯底形態(tài)。
圖17是在8度(朝向<1010>)連位GaN(0001)襯底上生長(zhǎng)的HEMT結(jié)構(gòu)表面的DIC顯微鏡圖像，并且HEMT表面重復(fù)襯底表面。整個(gè)晶片表面均勻，沒有任何小丘形態(tài)。
圖18是在8度切割(朝向<1010>)GaN(0001)襯底上生長(zhǎng)的HEMT器件層的電容-電壓測(cè)量值。尖銳的夾斷電壓(pinch-off)證明了在AlGaN/GaN界面區(qū)中的良好2DEG。
實(shí)例4在具有大約1度的切割角，但是切割方向在<1010>和<1120>之間的連位GaN(0001)上生長(zhǎng)MOVPE同質(zhì)外延膜。在光學(xué)顯微鏡檢驗(yàn)之下，表面形態(tài)均勻且相當(dāng)光滑，在同質(zhì)外延膜中沒有出現(xiàn)小丘形態(tài)。
圖19在具有<1010>或<1120>之間的切割方向的連位GaN(0001)襯底上生長(zhǎng)的2μm厚同質(zhì)外延GaN膜的50×50μm2AFM掃描圖像。生長(zhǎng)條件包括2μm/hr的生長(zhǎng)速度和1170℃的生長(zhǎng)溫度。凹坑與位錯(cuò)相關(guān)。
AFM圖像示出表面并不完全平坦，相反，具有小尺度的丘壑，在具有朝向<1010>或<1120>方向的切割的連位GaN(0001)晶片上生長(zhǎng)的同質(zhì)外延膜之上沒有觀測(cè)到它們。
前述說明性實(shí)例清楚地表明了能夠在其之上制造均勻光滑的同質(zhì)外延GaN膜而不會(huì)在其上形成的同質(zhì)外延之上產(chǎn)生小丘表面形態(tài)的本發(fā)明的連位襯底。如果開始的晶片白片存在導(dǎo)致晶格彎曲的殘余應(yīng)力，那么就會(huì)在晶片制造處理期間在磨光的連位晶片之上產(chǎn)生切割角的分布。只要該切割比晶格彎曲更大，整個(gè)晶片區(qū)域就具有切割，因此，就能夠防止任何小丘表面形態(tài)的發(fā)生。然而，為了在整個(gè)晶片上獲得更加一致的切割角和切割方向，優(yōu)選在晶片制造處理之前去除晶片白片中的殘余應(yīng)力。例如，通過晶片的化學(xué)刻蝕、熱退火等，就能夠獲得應(yīng)力釋放。
可以根據(jù)切割角的角度和方向，適當(dāng)?shù)馗淖冊(cè)诒景l(fā)明的連位GaN襯底之上的優(yōu)選MOVPE生長(zhǎng)條件。切割還會(huì)影響同質(zhì)外延膜中的摻雜和雜質(zhì)引入。為了獲得優(yōu)異的器件性能，應(yīng)當(dāng)對(duì)于具體的連位襯底優(yōu)化生長(zhǎng)條件，例如，通過包含選擇生長(zhǎng)參數(shù)變化的經(jīng)驗(yàn)測(cè)定以便確定優(yōu)化的生長(zhǎng)條件組，其可通過本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)在此的公開就可以容易地進(jìn)行。
而且，不同的各個(gè)微電子/光電子器件(例如，激光二極管，發(fā)光器件，晶體管，二極管，檢測(cè)器，等等)可能需要用于特定操作區(qū)間下的最佳性能的不同連位襯底，其通過本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)在此的公開就可以容易地進(jìn)行確定。同樣，連位GaN襯底之上的優(yōu)選MOVPE生長(zhǎng)條件可以根據(jù)所使用的特定生長(zhǎng)反應(yīng)室?guī)缀纬叽纭?br> 工業(yè)實(shí)用性對(duì)于在制造III-V族氮化物基微電子和光電子器件諸如發(fā)光二極管、激光二極管、光電子傳感器、光電子開光、高電子遷移率晶體管中的同質(zhì)外延淀積，可以有利地采用本發(fā)明的連位III-V族氮化物襯底。作為實(shí)例，III-V族氮化物襯底可以是用于制造藍(lán)光二極管、UV光二極管和激光二極管的GaN襯底。本發(fā)明的襯底可以特別有利于高頻、高溫和大功率電子器件的應(yīng)用。
權(quán)利要求
1.一種GaN襯底，包括以大約0.2至大約10度范圍內(nèi)的切割角，從主要朝向選自由<1010>和<1120>方向組成的組中的方向的<0001>方向切割的GaN(0001)表面，其中所述表面具有通過50×50μm2AFM掃描儀測(cè)量的小于1nm的RMS粗糙度和小于3E6cm-2的位錯(cuò)密度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的GaN襯底，其中主要朝向<1010>方向切割GaN(0001)表面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的GaN襯底，其中主要朝向<1120>方向切割GaN(0001)表面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的GaN襯底，其中以大約0.2至大約4度范圍內(nèi)的切割角來切割GaN(0001)表面。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的GaN襯底，其中朝向<1010>方向切割GaN(0001)表面。
6.根據(jù)權(quán)利要求4的GaN襯底，其中朝向<1120>方向切割GaN(0001)表面。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的GaN襯底，其中以大約3至大約8度范圍內(nèi)的切割角來切割GaN(0001)表面。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的GaN襯底，其中朝向<1010>方向切割GaN(0001)表面。
9.根據(jù)權(quán)利要求7的GaN襯底，其中朝向<1120>方向切割GaN(0001)表面。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的GaN襯底，其中以大約2.5至大約8度范圍內(nèi)的切割角來切割GaN(0001)表面。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的GaN襯底，其中朝向<1010>方向切割GaN(0001)表面。
12.根據(jù)權(quán)利要求10的GaN襯底，其中朝向<1120>方向切割GaN(0001)表面。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的GaN襯底，其中所述表面具有通過50×50μm2AFM掃描儀測(cè)量的小于0.9nm的RMS粗糙度。
14.根據(jù)權(quán)利要求1的GaN襯底，其中所述表面具有通過50×50μm2AFM掃描儀測(cè)量的小于0.5nm的RMS粗糙度。
15.根據(jù)權(quán)利要求1的GaN襯底，其中所述表面具有小于1E6Gm-2的位錯(cuò)密度。
16.根據(jù)權(quán)利要求1的GaN襯底，其中所述表面具有小于5E5cm-2的位錯(cuò)密度。
17.根據(jù)權(quán)利要求1的GaN襯底，其中以大約2.5至大約10度范圍內(nèi)的切割角來切割GaN(0001)表面。
18.根據(jù)權(quán)利要求1的GaN襯底，其中以大約5至大約8度范圍內(nèi)的切割角來切割GaN(0001)表面。
19.一種微電子或光電子器件制品，包括如權(quán)利要求1中的GaN襯底和包含在所述表面之上淀積的同質(zhì)外延GaN層的微電子或光電子器件結(jié)構(gòu)。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的微電子或光電子器件制品，其中所述微電子或光電子器件結(jié)構(gòu)包括選自激光二極管、發(fā)光器件、晶體管、二極管和檢測(cè)器組成的組中的器件。
21.根據(jù)權(quán)利要求19的器件制品，其中所述器件結(jié)構(gòu)包括藍(lán)光二極管或更短波長(zhǎng)的激光二極管，或HEMT器件。
22.一種形成GaN襯底的方法，該GaN襯底包括以從大約0.2至大約10度范圍內(nèi)的切割角，從主要朝向選自由<1010>和<1120>方向組成的組中的方向的<0001>方向切割的GaN(0001)表面，其中所述表面具有通過50×50μm2AFM掃描儀測(cè)量的小于1nm的RMS粗糙度和小于3E6cm-2的位錯(cuò)密度，所述方法包括生長(zhǎng)體GaN單晶體和處理所述體GaN單晶體，以便從此體GaN單晶體形成至少一個(gè)晶片，其中所述處理步驟包括選自以下各步驟組成的組中的步驟(i)劃片步驟，在選自由<1010>和<1120>方向組成的組中的所述方向上，以所述切割角，在與c-面傾斜的劃片面中來進(jìn)行此劃片步驟；(ii)角度研磨步驟，在選自由<1010>和<1120>方向組成的組中的所述方向上，以所述切割角，在與c-面傾斜的研磨面中進(jìn)行此角度研磨步驟；以及(iii)在連位異質(zhì)外延襯底之上生長(zhǎng)所述體GaN單晶體之后分離所述體GaN單晶體，該連位異質(zhì)外延襯底包含以從大約0.2至大約10度的所述范圍內(nèi)的切割角，從主要朝向選自由<1010>和<1120>方向組成的組中的方向的<0001>方向切割的(0001)表面。
23.根據(jù)權(quán)利要求21的方法，其中通過選自研磨、拋光和化學(xué)機(jī)械拋光組成的組中的至少一個(gè)磨光步驟來磨光所述至少一個(gè)晶片。
24.根據(jù)權(quán)利要求21的方法，其中所述處理步驟包括步驟(i)。
25.根據(jù)權(quán)利要求21的方法，其中所述處理步驟包括步驟(ii)。
26.根據(jù)權(quán)利要求21的方法，其中所述處理步驟包括步驟(iii)。
27.根據(jù)權(quán)利要求25的方法，其中所述連位異質(zhì)外延襯底包括選自藍(lán)寶石和GaAs組成的組中的材料。
28.一種制造微電子器件或光電子器件的方法，包括(c)形成包含GaN(0001)表面的GaN襯底，以從大約0.2至大約10度范圍內(nèi)的切割角，從主要朝向選自由<1010>和<1120>方向組成的組中的方向的<0001>方向切割該GaN(0001)表面，其中所述表面具有通過50×50μm2AFM掃描儀測(cè)量的小于1nm的RMS粗糙度和小于3E6cm-2的位錯(cuò)密度，所述方法包括生長(zhǎng)體GaN單晶體和處理所述體GaN單晶體，以便從此體GaN單晶體形成至少一個(gè)晶片，其中所述處理步驟包括選自以下各步驟組成的組中的步驟(i)劃片步驟，在選自由<1010>和<1120>方向組成的組中的所述方向上，以所述切割角，在與c-面傾斜的劃片面中來進(jìn)行此劃片步驟；(ii)角度研磨步驟，在選自由<1010>和<1120>方向組成的組中的所述方向上，以所述切割角，在與c-面傾斜的研磨面中進(jìn)行此角度研磨步驟；以及(iii)在連位異質(zhì)外延襯底之上生長(zhǎng)所述體GaN單晶體之后分離所述體GaN單晶體，該連位異質(zhì)外延襯底包含以從大約0.2至大約10度的所述范圍內(nèi)的切割角，從主要朝向選自由<1010>和<1120>方向組成的組中的方向的<0001>方向切割的(0001)表面，以及(d)在所述GaN襯底之上淀積同質(zhì)外延III-V族氮化物材料。
29.根據(jù)權(quán)利要求27的方法，其中所述淀積同質(zhì)外延III-V族氮化物材料的步驟包括MOPVE。
30.根據(jù)權(quán)利要求27的方法，其中在從大約1100至大約1225℃范圍內(nèi)的溫度下實(shí)施所述淀積步驟。
31.根據(jù)權(quán)利要求27的方法，其中在從大約1120至大約1225℃范圍內(nèi)的溫度下實(shí)施所述淀積步驟。
32.根據(jù)權(quán)利要求27的方法，其中在從大約1120至大約1170℃范圍內(nèi)的溫度下實(shí)施所述淀積步驟。
33.根據(jù)權(quán)利要求27的方法，其中在從大約700至大約1220℃范圍內(nèi)的溫度下實(shí)施所述淀積步驟。
34.根據(jù)權(quán)利要求27的方法，其中在從大約0.1μm/hr至大約50μm/hr范圍內(nèi)的生長(zhǎng)速度下實(shí)施所述淀積步驟。
35.根據(jù)權(quán)利要求27的方法，其中在從大約1μm/hr至大約4μm/hr范圍內(nèi)的生長(zhǎng)速度下實(shí)施所述淀積步驟。
36.根據(jù)權(quán)利要求27的方法，其中在從大約2μm/hr至大約4μm/hr范圍內(nèi)的生長(zhǎng)速度下實(shí)施所述淀積步驟。
37.根據(jù)權(quán)利要求27的方法，其中所述同質(zhì)外延III-V族氮化物材料包括GaN。
38.根據(jù)權(quán)利要求35的方法，還包括在GaN上淀積AlGaN，從而形成AlGaN/GaN HEMT。
39.一種III-V族氮化物襯底，包括，以從大約0.2至大約10度范圍內(nèi)的切割角，從主要朝向選自由<1010>和<1120>方向組成的組中的方向的<0001>方向切割的(Al、In、Ga)N(0001)表面，其中所述表面具有通過50×50μm2AFM掃描儀測(cè)量的小于1nm的RMS粗糙度和小于3E6cm-2的位錯(cuò)密度。
全文摘要
一種III－V族氮化物例如GaN襯底，包括以從約0.2至約10度范圍內(nèi)的切割角，從主要朝向<1010>方向或<1120>方向的<0001>方向切割的(0001)表面。該表面具有通過50×50μm
文檔編號(hào)C30B29/38GK1894093SQ200480037136
公開日2007年1月10日 申請(qǐng)日期2004年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月14日
發(fā)明者羅伯特·P·沃多, 徐學(xué)平, 杰弗里·S·弗林, 喬治·R·布蘭德斯 申請(qǐng)人:克利公司