專利名稱：生長氮化鎵晶體的方法
技術領域：
氮化鎵基藍紫激光器用于下一代的大容量光盤。為了將藍紫激光器投入實際應用，需要高質量的氮化鎵襯底。本發(fā)明涉及一種生長用于制造高質量氮化鎵襯底的氮化鎵晶體的方法。
背景技術：
希望使用具有405nm波長的氮化鎵(GaN)基半導體激光器，來作為在高密度光盤上記錄數據/再現(xiàn)來自高密度光盤的數據時使用的藍紫激光器。通過在藍寶石(Al2O3)襯底上形成GaN、InGaN等的薄膜來制造藍紫發(fā)光二極管(LED)。由于藍寶石和氮化鎵晶格常數顯著不同，所以會出現(xiàn)高密度的位錯缺陷。在低電流密度的LED中，缺陷不會增加，LED具有長的工作壽命，并且具有與氮化鎵不同的化學成分的異質襯底的藍寶石襯底足以用作地襯底(ground substrate)。然而，已發(fā)現(xiàn)藍寶石不適合于高注入電流密度的半導體激光器(激光二極管；LD)。由于高的電流密度，所以增加了缺陷并引起了快速惡化。與LED不同，采用藍寶石襯底的藍紫激光器沒有投入實際使用。
沒有晶格常數足夠接近氮化鎵的材料。近來，已發(fā)現(xiàn)其上形成氮化鎵薄膜的襯底本身必須是氮化鎵。為了實現(xiàn)藍紫半導體激光器，非常需要低位錯密度和高質量的氮化鎵襯底。
然而，很難生長氮化鎵晶體。氮化鎵(GaN)加熱時不熔融，因此不能使用從液相到固相的晶體生長方法。試圖通過以氣體為材料的汽相生長方法來生長氮化鎵晶體。為了生長具有實際水平尺寸的大直徑高質量的氮化鎵襯底的晶體，已進行了各種研究。
本發(fā)明的發(fā)明人已研究并提議了一種將掩模應用到異質地襯底上以較厚地生長氮化鎵晶體，且其后移除異質地襯底以由此獲得厚的氮化鎵獨立式(free-standing)晶體的方案。
WO99/23693提出了一種發(fā)明，其由本發(fā)明的同一發(fā)明人完成，并且其涉及一種方法，其中在GaAs地襯底上，形成了具有條型(平行直線)開口或圓形開口的掩模，在上面較厚地生長了氮化鎵晶體，并且移除GaAs地襯底以獲得氮化鎵單一的獨立式晶體(襯底)。該掩模是其中覆蓋部分大且孔(暴露部分)小的覆蓋部分主要掩模。晶核僅形成在每個開口中。當厚度增加時，晶體爬升(climb)在覆蓋部分上，其橫向延伸并且位錯也橫向延伸。從相鄰的開口橫向延伸的晶體碰撞并且向上轉動它們的生長方向。這顯著地減少了位錯。在該狀態(tài)下，保持平面(C-面)向上，生長晶體。
該方法稱為ELO(外延橫向過生長)法，晶體在掩模上方橫向生長以由此減少位錯。在以該方式形成的氮化鎵(GaN)獨立式膜中，位錯顯著減少。還提出了一種方法，其中利用GaN晶體作為新襯底，通過汽相沉積進一步生長GaN晶體成厚的GaN晶錠，垂直于生長方向切割該晶錠以制造多個GaN襯底(晶片)。氮化鎵晶體的汽相沉積生長包括MOCVD(金屬有機化學汽相沉積)法、MOC(金屬有機氯化物)法、HVPE(氫化物汽相外延)法、升華法等。根據本發(fā)明人的WO99/23693的發(fā)明，在這些方法中，HVPE法獲得了最快的晶體生長速率，因此是非常有利的。
然而，通過上述方法制造的氮化鎵晶體具有很高密度的位錯，并因此質量低。如果它的襯底，也就是氮化鎵襯底，本身不是高質量的，則不能制造出優(yōu)良的器件。尤其是，用于大規(guī)模生產的襯底需要是優(yōu)質的，在大面積上具有低密度的位錯。
作為減少襯底本身的位錯密度以獲得高質量的氮化鎵襯底的方法，本發(fā)明人提出了以下方案，其公開在日本專利特開No.2001-102307中。
在位錯減少方法中，當較厚地生長GaN晶體時，出現(xiàn)的位錯缺陷聚集在特定的位置，從而減少了其它區(qū)域中的位錯缺陷。
形成三維刻面(facet)結構，例如由刻面平面(facet plane)組成的倒六棱錐坑(孔)。晶體生長，同時該刻面形狀保持不變并且坑未被掩埋。圖1(a)和(b)示出了其中形成了倒六棱錐坑5的一部分晶體4。晶體4的頂面并不是平得完美，且在數個位置處設有坑5。平的頂面7是C面?？?可以是倒六棱錐，或者它可以是倒十二棱錐?？?彼此相鄰使得刻面6它們之間形成120°的角。相鄰的刻面6、6在晶脊8處結合。晶脊8聚合的坑底部9是刻面尖端聚集的部分。
晶體生長發(fā)生在平面的法線的方向上(指的是垂直于平面的射線，在下文中也適用)。平均生長方向是向上的。在頂面(C面)7上，晶體生長發(fā)生在向上的方向上(c軸方向)。在刻面6處，在對角方向上發(fā)生晶體生長。將刻面6相對于C面的角定義為θ。未被掩埋的刻面指的是在頂面(C面)7上的生長率u和在刻面處的生長率v不同，并提供了各向異性，例如v＝ucosθ。
位錯D與晶體的生長方向平行地延伸。已經在刻面6上的位錯D隨著晶體生長的進行而移動到晶脊8。由于v＜u且在刻面處的生長率比C面處慢，所以到達晶脊8的位錯D固定到晶脊8，然后沿著晶脊8相對下降以聚合在坑底部9。如圖1(b)所示，從晶脊8連續(xù)地形成平面位錯聚集部分10。已經沿著晶脊8下降的位錯D從坑底部9連續(xù)地形成線性位錯聚集束11。隨著已經在刻面6上的位錯聚集在平面位錯聚集部分10或線性位錯聚集束11處時，位錯D逐漸從刻面6消除。由此，在刻面部分處獲得了低密度的位錯。C面7處的位錯D也被引向刻面6。如果以高密度提供坑5，位錯D被清掃在坑底部9或晶脊8下，由此減少了其它區(qū)域中的位錯。通過保持坑5不被掩埋直至生長結束，位錯減少效果一直繼續(xù)。
圖2是示出這種由刻面生長的位錯減少效果的坑平面圖。當保持刻面6時，生長方向是法線方向，并且位錯D也在法線方向上延伸。圖2示出了位錯的方向和生長方向相同。在平面圖中投影在刻面上，位錯D延伸的方向是刻面梯度(gradient)的方向，其到達晶脊8。到達晶脊8，位錯D沿著晶脊8朝著內部移動。“朝著內部移動”指的是沿著晶脊8相對下降。盡管位錯D實際上僅向上延伸，但因為v＜ u而相對下降。位錯D沿著晶脊8形成平面狀缺陷10。其它位錯D聚集在聚合點9(坑底部)。形成了從坑底部9連續(xù)的線性位錯聚集束11。
然而，已發(fā)現(xiàn)利用刻面生長的這種方法包含以下問題(1)和(2)。
(1)在晶體生長更厚且聚集更多的位錯D之后，位錯D趨向于從在由刻面平面組成的坑中心的位錯聚集束以煙狀形式再次散開和展開。這參考圖3來描述。圖3(a)是刻面坑的縱向截面圖，其示出了位錯D聚集在坑底部9以形成線性位錯聚集束11(線性缺陷)。圖3(b)示出了曾經聚集的位錯D再次以煙狀形式散開和展開。煙狀展開的位錯13表示從坑底部9連續(xù)的位錯聚集束11在約束位錯D方面差。
(2)在由刻面平面組成的坑5的中心處的線性位錯聚集束11意外地被定位。其隨機分布且不能預先確定。也就是，不能控制位錯聚集束11的位置。
問題(2)歸因于意外形成了刻面坑5和不能確定在何處形成刻面坑5的事實。希望能預先確定形成坑5的位置。至于問題(1)，希望形成阻擋壁(barrier)等，其是實體的(concrete)且不釋放曾經聚集的位錯。
為解決這兩個問題，本發(fā)明作了以下改進。
本發(fā)明人認為，出現(xiàn)如圖3(b)所示的煙狀展開的位錯13，是因為聚集在倒六棱錐坑5的底部9處的位錯D沒有被消除而是駐留在那里。
然后，本發(fā)明人得到了向位錯聚集部分加入位錯消除/聚積機制的想法。這示于圖4(a)和(b)中。在地襯底21上應用具有抑制外延生長作用的孤立點型掩模23以使其更規(guī)則的分布。生長發(fā)生在暴露部分。在暴露部分的中心，出現(xiàn)并主要進行C面為頂面27的生長。晶體24主要生長在暴露部分。
然而，生長幾乎不會出現(xiàn)在掩模23上。由于生長在暴露部分進行，形成刻面26和刻面坑25，該刻面26的基底是掩模端部，該刻面坑25是刻面26的集合。繼續(xù)生長直到端部同時未掩埋刻面坑25。沿刻面26，位錯D被清除并到達坑底部29。將坑底部29直接設置在掩模23上方。位錯D聚合在掩模23上方的部分。位錯聚合的部分是晶體缺陷聚集區(qū)H。也就是，在生長的GaN晶體中，形成在掩模上方的第一晶體區(qū)是晶體缺陷聚集區(qū)H。該晶體缺陷聚集區(qū)H由晶粒邊界K和核S組成，即，區(qū)域H＝核S+晶粒邊界K。通過在地襯底21上方應用掩模23，制造了由晶粒邊界K圍繞的晶體缺陷聚集區(qū)H作為位錯D消除/積累機制。也就是，掩模23、晶體缺陷聚集區(qū)H(第一晶體區(qū))和坑底部29在垂直方向上對準成一條線。掩模23確定晶體缺陷聚集區(qū)H(第一晶體區(qū))和坑26的位置。在生長的GaN晶體中，第二晶體區(qū)生長在地襯底區(qū)域上沒有形成掩模(也就是暴露部分)的平面區(qū)域上，在刻面26下面的部分是生長在該刻面的部分，比其它分部分減少了晶體缺陷。因此，將其稱為低晶體缺陷區(qū)部分Z。在暴露部分上C面27下的部分是在保持C面的同時生長的部分，并且將它稱為C面生長區(qū)部分Y。由于第二晶體區(qū)由低晶體缺陷區(qū)部分Z和C面生長區(qū)部分Y構成，在下面它們由ZY表示。
GaN晶體的位錯聚合在晶體缺陷聚集區(qū)H處。晶體缺陷聚集區(qū)H具有有限寬度，而且，由晶粒邊界K圍繞。位錯D沒有再次從晶體缺陷聚集區(qū)H處散開。晶粒邊界K具有消除位錯的效果。晶粒邊界K的內部是核S。核S具有積累和消除位錯的效果。重要的是由晶粒邊界K和位錯聚合的核S構成該區(qū)域是通過掩模主動制造的。隨著生長繼續(xù)，當狀態(tài)從圖4(a)過渡到圖4(b)時，位錯沒有再次散開，因為它們被約束在晶體缺陷聚集區(qū)H中。不斷地保持同一狀態(tài)。因此，完全實現(xiàn)了位錯D的約束，解決了位錯再次以煙狀方式散開的問題。
最初，晶體缺陷聚集區(qū)H(第一晶體區(qū))的本質并不清楚。晶體缺陷聚集區(qū)H不是單義地確定的。在一種情形下，它可以是多晶區(qū)P。在另一情形下，它可以是晶軸相對除第一晶體區(qū)之外的晶體區(qū)ZY(即，第二晶體區(qū)ZY，下文同)略傾斜的單晶區(qū)A。在又一情形下，它是c軸相對于第二晶體區(qū)ZY反轉的單晶區(qū)J。已經發(fā)現(xiàn)這種差異可能取決于生長的條件。
優(yōu)選，晶體缺陷聚集區(qū)H(第一晶體區(qū))是其中 方向(c軸方向)相對于第二晶體區(qū)ZY反轉的單晶區(qū)J。在該情形下，在晶體缺陷聚集區(qū)H中，晶體取向關于對于第二晶體區(qū)ZY的c軸方向反轉，因此在晶體缺陷聚集區(qū)H周圍形成清楚的晶粒邊界K。晶粒邊界K具有強烈的消除和積累位錯的效果。當晶體缺陷聚集區(qū)H是多晶區(qū)P、或其中晶體取向與第二晶體區(qū)ZY略為不同的單晶區(qū)A時，沒有清楚地形成晶粒邊界K并且消除和積累位錯的效果很弱。
存在兩種類型的單晶區(qū)，它們都是第二晶體區(qū)ZY。生長在刻面平面下的部分是特別減少了晶體缺陷的部分，并稱其為低晶體缺陷區(qū)部分Z。生長在C面下的部分稱為C面生長區(qū)部分Y。它們是具有相同晶體取向的單晶并具有低密度的位錯。然而，它們的電特性不同。C面生長區(qū)部分Y具有高電阻，而低晶體缺陷區(qū)部分Z具有低電阻。
當低晶體缺陷區(qū)部分Z和C面生長區(qū)部分Y每個都是 方向(c軸方向)向上的單晶時，c軸反轉的單晶區(qū)J是
取向(-c軸方向)向上的單晶。由于晶體取向反轉，在H和Z的邊界之間穩(wěn)定地生成了晶粒邊界K。由于晶粒邊界K具有消除和約束位錯D的效果，K在H和Z之間產生是有用的特性。內部區(qū)和外部區(qū)在晶粒邊界K處彼此清楚地區(qū)分開。
形成c軸方向( 方向)相對于第二晶體區(qū)ZY反轉的區(qū)域J(稱為取向反轉區(qū)J，下文同)作為晶體缺陷聚集區(qū)H(第一晶體區(qū))，在減小位錯密度方面非常有效。注意“c軸方向反轉”指的是c軸方向相差180°。取向反轉區(qū)J由于反轉的c軸晶體取向而具有晶體c軸方向的反轉極性，因此其還稱為極性反轉區(qū)J。也就是，在本說明書中，取向反轉區(qū)和極性反轉區(qū)彼此同義。取向反轉區(qū)是直接表示晶體結構的術語。另一方面，極性反轉區(qū)是一般經常使用的表示晶體的性質和特性的術語。
當晶體缺陷聚集區(qū)H為極性反轉區(qū)J時，晶體缺陷聚集區(qū)H成為凹口，因為極性反轉區(qū)J的晶體生長速率低。其可以設置在坑底部或槽(trough)處。因此，晶體缺陷聚集區(qū)H可以穩(wěn)定地存在于位錯聚集的倒六棱錐的坑底部。
在晶體缺陷聚集區(qū)H周圍的晶粒邊界K處，有效地消除了位錯，并且沒有出現(xiàn)煙狀的展開位錯?？梢垣@得缺陷位錯被約束在晶體缺陷聚集區(qū)H及其非常接近的位置處的低缺陷密度的氮化鎵晶體。
可以將會出現(xiàn)晶體缺陷聚集區(qū)H的區(qū)域固定到任意位置。該晶體缺陷聚集區(qū)H不會隨機地偶然出現(xiàn)和存在，但代替地其可以形成在預定位置處。因此，可以制造出優(yōu)良的氮化鎵晶體，例如其中晶體缺陷聚集區(qū)H有規(guī)則地對準。
至于晶體缺陷聚集區(qū)H的形狀可存在多種類型。例如，其可以是點型孤立閉合區(qū)(isolated closed region)。日本專利特開No.2003-165799提議了一種具有這種晶體缺陷聚集區(qū)H的結構的氮化鎵晶體。圖9A是示出點掩模的一個實例的平面圖。形成在地襯底U上規(guī)則分布在孤立點的掩模M。在暴露部分上方，形成低缺陷密度的晶體。在獲得的晶體中，每個點掩模M上方的部分是晶體缺陷聚集區(qū)H。形成以該晶體缺陷聚集區(qū)H作為底部的刻面坑。該刻面下面的部分是低晶體缺陷區(qū)部分Z，該刻面外部的C面下面的部分是C面生長區(qū)部分Y。
圖6B是GaN生長在提供有點掩模的地襯底U上方的晶體的透視圖。當C面生長部分Y大時，存在大量由刻面F構成的棱椎坑。在點掩模上方，形成了坑。圖9B示出了平面結構，其中地襯底被從點掩模上方生長的GaN晶體移除，并且然而將該晶體拋光并研磨成平面襯底(晶片)。掩模上方的部分成為晶體缺陷聚集區(qū)H，在其周圍低晶體缺陷部分Z和C面生長區(qū)部分Y環(huán)繞形成同心結構。
可選地，晶體缺陷聚集區(qū)H可以形成為平行條帶(條紋)。日本專利特開No.2003-183100提議了一種具有這種條型晶體缺陷聚集區(qū)H的氮化鎵晶體。條型掩模示于圖8A中。在地襯底U上，大量地有規(guī)則地(間距p)形成平行和線性掩模(寬度s)。圖6A示出了在上面生長氮化鎵的狀態(tài)。在暴露部分上形成由低晶體缺陷區(qū)部分Z形成的峰(crest)。峰的斜面是刻面F。在掩模M上方，形成了由晶體缺陷聚集區(qū)H形成的V形溝槽。圖8B示出了通過在上面形成了條型掩模的地襯底上生長氮化鎵晶體、然后將晶體從地襯底移除以研磨和拋光而獲得的平面結構的晶片。它具有HZYZHZYZ......的平行結構。
圖5是用于描述利用條型掩模的刻面生長法的圖。彼此平行延伸的掩模M(條型掩模)應用在地襯底U上(圖5(a))。掩模M垂直于該圖的表面延伸。通過汽相沉積在地襯底U和掩模M上生長GaN。雖然在地襯底上制造和生長了晶核，但沒有在掩模上形成晶核，因此沒有出現(xiàn)晶體生長。在除了掩模之外的部分(暴露部分)中，在c軸方向上形成GaN晶體(圖5(b))。晶體的頂面是C面。最初沒有在掩模M上方形成晶體，因此形成了間隔。來自兩側的晶體接近掩模的邊緣。從掩模端部向上延伸的晶體的斜面是刻面F。
隨著生長進一步繼續(xù)，晶體也爬升在掩模M上(圖5(c))。該部分是凹口，因為生長相比其它部分延遲。掩模M上的晶體是其中c軸方向( 方向)相對于第二晶體區(qū)ZY反轉的晶體缺陷聚集區(qū)H。具有較小傾斜的另一刻面Fa、Fa位于其上面。它們與圖7(c)和(d)所示的釘(nail)Q的頂面的傾斜一致。生長在暴露部分上方和刻面F下面的是低晶體缺陷區(qū)部分Z。生長在暴露部分上方和C面(頂面)下面的是C面生長區(qū)部分Y。晶體缺陷聚集區(qū)H和低晶體缺陷區(qū)部分Z之間的邊邊界是晶粒邊界K。不同地傾斜的刻面F和刻面Fa之間的邊界線位于晶粒邊界K上。
由于存在多個平行的掩模M，所以晶體缺陷聚集區(qū)H形成平行槽。掩模之間的部分是低晶體缺陷區(qū)部分Z或C面生長區(qū)部分Y。Z和Y是平行的峰。也就是，當使用條型掩模時，晶體具有其中平行峰和槽重復的結構。當不存在C面生長區(qū)部分Y時，會出現(xiàn)尖銳的峰。當存在C面生長區(qū)部分Y時，該部分變成平坦的峰。
還示出了當掩模M是孤立的點掩模時基本相似的方式。在該情形下，形成每個都由掩模M周圍的刻面F構成的隔離坑。暴露部分上和刻面F下面的部分是低晶體缺陷區(qū)部分Z，暴露部分上和C面下面的部分是C面生長區(qū)部分Y。注意，X和Y是具有低密度位錯、具有相同的晶體取向的單晶區(qū)。也就是，晶體具有大量孤立坑對準在C面上的結構。雖然在截面圖中類似地示出了上述狀態(tài)，但在點掩模的情形下，晶體缺陷聚集區(qū)H是孤立閉合區(qū)?？堂鍲常具有平面取向{11-22}、{1-101}等?？梢哉f掩模M是晶體缺陷聚集區(qū)H的籽晶。
掩模上方的部分是晶體缺陷聚集區(qū)H。晶體缺陷聚集區(qū)H是多晶區(qū)P、晶體取向相對于第二晶體區(qū)ZY移位的單晶區(qū)A、或c軸方向( 方向)相對于第二晶體區(qū)ZY反轉的取向反轉單晶區(qū)(極性反轉區(qū)J)。還存在在掩模上方沒有形成晶體缺陷聚集區(qū)H的情形(O)。也就是，存在四種類型的生長在掩模上方的晶體區(qū)，其為O、A、P和J。
當晶體缺陷聚集區(qū)H(第一晶體區(qū))為c軸方向相對于第二晶體區(qū)ZY反轉的單晶區(qū)時，晶體缺陷聚集區(qū)H的Ga面和N面與第二晶體區(qū)ZY的相對。因此，GaN晶體中的取向反轉區(qū)一般也稱為極性反轉區(qū)。
晶體缺陷聚集區(qū)H和低晶體缺陷區(qū)部分Z之間的邊界是晶粒邊界K。晶體缺陷聚集區(qū)H的頂部是傾斜更緩的刻面Fa。
通過最初在地襯底上形成籽晶(掩模)，確定形成晶體缺陷聚集區(qū)H(第一晶體區(qū))的位置。相應的，也確定了形成低晶體缺陷區(qū)部分Z和C面生長區(qū)部分Y(第二晶體區(qū)ZY)的位置。這意味著已克服了前述不能確定晶體缺陷聚集區(qū)H的位置的缺點。
而且，由于取向反轉晶體缺陷聚集區(qū)H在其周圍具有清楚的晶粒邊界K，所以曾經聚合的位錯沒有再次以煙狀方式散開。通過預先在地襯底上形成掩模，能夠控制形成晶體缺陷聚集區(qū)H的位置。
雖然通過掩模位置能夠清楚獲得了H、Z和Y結構的定位控制，但已經發(fā)現(xiàn)存在晶體缺陷聚集區(qū)H能夠形成清楚的晶粒邊界K的情形和不能夠形成的情形。雖然在掩模上方形成作為第一晶體區(qū)的晶體缺陷聚集區(qū)H，但它并不總是其中c軸相對于第二晶體區(qū)ZY反轉180°的取向反轉區(qū)(極性反轉區(qū))J。代替地，其可以是多晶區(qū)P。其可以是晶體取向與第二晶體區(qū)ZY不同的單晶區(qū)A?？刹恍纬删w缺陷聚集區(qū)H。因此，存在四種類型的生長在掩模上方的晶體區(qū)，其為O、A、P和J。
當掩模上方的晶體缺陷聚集區(qū)H是多晶區(qū)P時，還存在取向與鄰接于此的低晶體缺陷區(qū)部分Z相似的部分晶體。因此，它們之間的晶體結構中不存在差異，因此沒有清楚地出現(xiàn)晶粒邊界K。而且，當作為第一晶體區(qū)的晶體缺陷聚集區(qū)H是c軸方向相對于第二晶體區(qū)ZY略傾斜的單晶區(qū)A時，該晶體結構部分相似并且晶粒邊界K是不清楚的。當晶體缺陷聚集區(qū)H是c軸方向相對于第二晶體區(qū)ZY反轉180°的極性反轉區(qū)J時，清楚地出現(xiàn)了晶粒邊界K。
當形成極性反轉區(qū)J時，在任一部分中晶體缺陷聚集區(qū)H和圍繞的低晶體缺陷區(qū)部分Z中，晶格結構非常不同。由此，該邊界成為晶粒邊界K。沒有晶粒邊界K，俘獲、消除和積累位錯的效果弱。因此，非常希望在掩模上方形成晶體取向恒定反轉的晶體缺陷聚集區(qū)H作為第一晶體區(qū)。日本專利特開No.2006-66496公開了在掩模上方形成極性與其它晶體區(qū)不同的晶體缺陷聚集區(qū)H的晶體生長。然而，它未公開了不斷形成極性反轉區(qū)來作為晶體缺陷區(qū)H的方法。本發(fā)明的目的在于提供一種確保形成在掩模上方形成的晶體缺陷聚集區(qū)H作為c軸方向( 方向)相對于第二晶體區(qū)ZY反轉180°的極性反轉區(qū)J的方法。

發(fā)明內容
優(yōu)選的，形成極性反轉區(qū)J作為晶體缺陷聚集區(qū)H，該晶體缺陷聚集區(qū)H是在掩模上方形成的第一晶體區(qū)。本發(fā)明的目的在于確保在掩模上方形成極性反轉區(qū)H。對于在掩模上方形成了c軸方向( 方向)相對于第二晶體區(qū)ZY反轉了180°的極性反轉區(qū)時晶體生長的方式，進行了密切的觀察。發(fā)現(xiàn)通過以下工藝在掩模上方形成c軸方向反轉了的晶體區(qū)(極性反轉區(qū)J)。圖7示出了這種工藝。
1)在地襯底U上要形成晶體缺陷聚集區(qū)H的位置處形成使用抑制外延生長的材料的籽晶(掩模)M。籽晶指的是用于晶體缺陷聚集區(qū)H的籽晶，并且它同義地用作掩模M。圖7(a)示出了該狀態(tài)。雖然僅示出了一個條型掩模M，但實際上彼此平行地形成多個掩模M。
2)在地襯底U上，通過汽相沉積生長了氮化鎵晶體。由于晶核容易形成在地襯底U(暴露部分)上并且不形成在掩模(覆蓋部分)上，所以僅在暴露部分開始晶體生長。獲得了C面是頂面的晶體取向。氮化鎵晶體的生長過程停止在籽晶(掩模)的端部(外圍)。最初，該晶體沒有爬升到籽晶M上。它沒有爬升到籽晶M上并且沒有橫向生長。產生了斜面，其從籽晶(掩模)的周圍向上對角延伸到暴露部分側(圖7(b))。這是刻面F中的一個，其不是C面。通常，該刻面F是{11-22}面。當條型掩模是籽晶M時，刻面F在圖的表面垂直的方向上延伸。當它是點掩模(孤立的點)時，它是開口(坑)。由于在條和點掩模之間方式相似，所以在這里描述了條型掩模的情形。
3)從其生長在籽晶(掩模)末端(外圍)停止的氮化鎵晶體的刻面的斜面的端部(在掩模外圍側上的一端)，生成了釘狀微晶體并且其在水平方向上延伸。在釘狀微晶體中，c軸方向( 方向)相對于低晶體缺陷區(qū)部分Z反轉了180°，該低晶體缺陷區(qū)部分Z是相鄰于釘Q的部分。圖7(c)示出了該狀態(tài)。釘Q具有比刻面F更緩的傾斜的平面，并在下面具有另一斜面。發(fā)現(xiàn)釘Q的晶體取向與該相鄰部分(低晶體缺陷區(qū)部分Z)相差180°。也就是，釘Q是極性反轉區(qū)。
4)隨著晶體生長，晶體取向反轉并形成在刻面上的釘Q的數量增加。每個釘Q都變大并變成溝槽每一側上的長列。從相對側，釘Q延伸以覆蓋該掩模。
5)晶體取向反轉的釘Q每個在上側上都具有刻面Fa，該刻面Fa具有比刻面F小的角度。上刻面Fa是具有小傾斜角的刻面，其具有例如{11-2-6}、{11-2-5}等等的面取向。下部的刻面是更大傾斜的平面。
6)釘Q在垂直和水平方向上擴大，并且釘Q的尖端在掩模上方彼此碰撞并接觸。釘Q集結以形成如圖7(d)所示的橋部分。在形成橋部分之后，在釘Q、Q上生長取向類似反轉的晶體。還在下面的間隙中形成晶體，其中取向也相似反轉了。就在掩模上方的該部分不是通過爬升到掩模上并且橫向延伸的晶體形成的，但代替地，其是通過從釘集結的橋部分向下生長的晶體形成的。該生長方向與第二晶體區(qū)ZY的晶體取向相反。
7)碰撞的部分生長很厚，保持它們之間的晶格失配的邊界Ka。該邊界Ka與兩側上的釘Q和低缺陷單晶區(qū)Z之間的晶粒邊界K不同。極性反轉的釘Q變成晶體缺陷聚集區(qū)H。
8)通過厚厚地生長晶體(圖7(e))，將氮化鎵晶體中的位錯聚集到掩模上方的晶體缺陷聚集區(qū)H中。在晶粒邊界K處(其是晶體缺陷聚集區(qū)H(釘Q)和低缺陷單晶區(qū)Z之間的邊界)、或核心S處，部分消除和減少了聚集的位錯。釘Q向上延伸，由此形成了晶體缺陷聚集區(qū)H。未被消除的位錯被俘獲和積累在晶粒邊界K和核心S內部。在刻面平面下面，減少了位錯，因此該部分變成低缺陷單晶區(qū)Z。
通過這些工藝，形成了晶體缺陷聚集區(qū)H作為取向反轉區(qū)(極性反轉區(qū))。因此，為了掩模上方的部分將成為c軸反轉部分，必須在刻面F(例如{11-22}面)的整個平面上形成如圖7(c)所示的釘Q。而且，必須在整個平面上穩(wěn)定地形成。如果釘Q不能穩(wěn)定地形成在刻面F上，則掩模上方的晶體缺陷聚集區(qū)H不能成為所希望的取向反轉區(qū)。在該情況下，不會吸引和消除周圍區(qū)域(第二晶體區(qū))中的位錯。位錯將散開并且將不形成低缺陷單晶區(qū)部分Z。
當僅在地襯底上形成掩模并通過汽相沉積生長晶體時，掩模上方的部分不會成功地變成取向反轉區(qū)。不容易在從掩模邊緣對角延伸的刻面的整個平面上穩(wěn)定地形成晶體取向反轉的釘Q。
本發(fā)明針對通過刻面生長減少位錯，其可以稱為刻面生長法。很清楚其與已知的ELO(外延橫向過生長)法不同，其是通過利用掩模減少位錯的方案。盡管很清楚不同，但有時本發(fā)明的方案與ELO法相混淆，因為它是使用掩模來減少位錯的方案。為了避免這種混淆，在這里描述了一些差異。
(a)在ELO方法中，該覆蓋部分區(qū)域比暴露部分區(qū)域更大(覆蓋部分＞暴露部分)?？梢哉J為掩模在幾個部分處具有開口。在根據本發(fā)明的刻面生長法中，暴露部分大而覆蓋部分小(覆蓋部分＜暴露部分)?？梢哉J識到地襯底僅提供有一些掩模。
(b)在掩模端部處晶體的取向反轉區(qū)(極性反轉區(qū))的存在方面，它們明顯不同。在ELO法中，在暴露部分產生的晶體保持取向并爬升到覆蓋部分上。也就是，保持了晶體取向。它處于相同的晶體取向。例如，當在掩模端部存在{11-22}刻面時，晶體爬升到覆蓋部分上同時保持了平面和傾斜。在掩模上方，生長繼續(xù)同時保持了{11-22}面。因此，在掩模邊界處沒有出現(xiàn)取向反轉(極性反轉)。在根據本發(fā)明的刻面生長法中，在暴露部分處產生的晶體沒有原樣地爬升在掩模上。代替地，在與掩模間隔開的刻面的中間產生了釘Q，因此沒有與暴露部分晶體連續(xù)。
(c)在ELO法中，用于減少位錯的晶體生長方向是橫向方向。通過使晶體相對于掩模水平和橫向地生長，減少了橫向生長的該部分中的螺紋位錯。然而，在根據本發(fā)明的刻面生長法中，晶體生長的方向是厚度方向。通過允許晶體在厚度方向上生長，將位錯聚集到晶體缺陷聚集區(qū)H中并使其減少。它們在晶體生長方向上不同。
(d)至于減少位錯的工藝，根據ELO法，在掩模上方獲得了低密度的位錯。在暴露部分形成了高位錯密度的缺陷區(qū)域。相反，根據刻面生長法，在暴露部分形成具有低位錯密度的優(yōu)質單晶。在掩模上方形成具有許多缺陷和高位錯密度的區(qū)域。對于在哪個部分(即，在覆蓋部分或在暴露部分)形成低位錯密度區(qū)和高位錯密度區(qū)，ELO法和該刻面生長法完全相反。
在本發(fā)明中，在地襯底上部分形成抑制外延生長的掩模，以制造存在暴露部分和覆蓋部分兩個的地襯底表面。當除了Ga材料和氮材料氣體之外還供給碳材料時，通過汽相沉積在地襯底上生長氮化鎵晶體。在掩模上形成極性反轉區(qū)(取向反轉區(qū))。本發(fā)明的特征在于通過加入碳確保在掩模上形成的晶體缺陷聚集區(qū)H是極性反轉區(qū)J。氮化鎵的汽相沉積生長已經為緩沖層形成和外延生長。在它們之間，本發(fā)明添加了通過加入碳而形成極性反轉區(qū)的工藝。也就是，該生長由三級構成緩沖層形成、通過加入碳的極性反轉區(qū)形成和外延生長。
至于地襯底，可以采用藍寶石(0001)單晶襯底(上面生長氮化鎵晶體的表面是(0001)面的藍寶石單晶襯底)、Si(111)單晶襯底(上面生長氮化鎵晶體的表面是(111)面的Si單晶襯底)、SiC(0001)單晶襯底(上面生長氮化鎵晶體的表面是(0001)面的SiC單晶襯底)、GaN單晶襯底、GaAs(111)A面單晶襯底(上面生長氮化鎵晶體的表面是(111)A面的GaAs單晶襯底)等。也可以采用在藍寶石襯底上生長GaN薄膜的復合襯底(也稱為模板)作為地襯底。
在地襯底上形成掩模(圖7(a))。掩模材料為SiO2、Pt、W、Si3N4等。該厚度大約為30nm-300nm。示范性掩模圖案可以是條型(M1)，其中彼此平行的多條線以恒定間距對準(圖8A)?？蛇x地，它可以是點型(M2)，其中孤立的點有規(guī)則地散開(圖9A)。應用掩模在地襯底表面上形成覆蓋部分和暴露部分。優(yōu)選覆蓋部分小而暴露部分大。
在提供有掩模的地襯底上，在低溫下生長氮化鎵晶體以形成大約30nm-200nm的薄緩沖層。緩沖層形成溫度表示為Tb。優(yōu)選例如Tb＝400℃-600℃的低溫。該緩沖層具有緩解地襯底和氮化鎵的應力的作用。在暴露部分上形成薄緩沖層。在覆蓋部分上方沒有晶體，因此在暴露部分沒有形成緩沖層。
本發(fā)明的特征在于如下的碳摻雜生長，用于制造極性反轉區(qū)(取向反轉區(qū))。除了Ga材料和氮材料外，加入碳材料以便在地襯底和緩沖層上生長GaN晶體。在覆蓋部分沒有產生晶體，同時晶體生長在暴露部分進行。與覆蓋部分(掩模)接觸的部分成為刻面F(圖7(b))。
碳摻雜在從覆蓋部分的端部升高的刻面F的中間產生了釘Q。釘Q它的c軸方向( 方向)相對于相鄰部分(低晶體缺陷區(qū)部分Z)的單晶反轉180°。也就是，釘Q它的c軸方向相對于第二晶體區(qū)ZY反轉180°。來自相對側的釘Q延伸和集結(圖7(d))。晶體在釘Q上進一步生長，由此釘Q變大。這不斷積累并且還在覆蓋部分上方產生了晶體。由于在覆蓋部分上方生長的晶體是已經形成在釘Q上的，所以它的c軸方向與第二晶體區(qū)ZY的c軸方向相差180°。也就是，通過在覆蓋部分上方產生的釘Q的生長，生長了極性反轉區(qū)(取向反轉區(qū)J)。該極性反轉區(qū)J在覆蓋部分上向上延伸，同時基本保持覆蓋部分的截面積(比覆蓋部分的寬度略窄)(圖7(e))。該極性反轉區(qū)J是晶體缺陷聚集區(qū)H，其吸引來自周圍區(qū)域(即，第二晶體區(qū)ZY)的晶體的位錯并允許位錯聚合。
在HVPE法中，Ga材料是熔融的Ga。GaCl由HCl合成并與NH3反應。本發(fā)明通過加入碳確保形成極性反轉區(qū)(取向反轉區(qū))。示范性的碳材料是碳氫化合物氣體和碳固體。一般在標準壓力(1atm＝0.1MPa)下進行HVPE法。用于形成極性反轉區(qū)的初始條件如下。當材料是碳氫化合物氣體時，碳氫化合物氣體的分壓優(yōu)選為1×10-4atm(10Pa)-5×10-2atm(5kPa)。生長溫度Tj優(yōu)選為900℃-1100℃，尤其優(yōu)選990℃-1050℃。生長速率優(yōu)選為50μm/h-100μm/h。
當位錯聚合到掩模上方的部分時，該部分稱為晶體缺陷聚集區(qū)H。晶體缺陷聚集區(qū)H是多晶區(qū)P、其中晶軸相對其它區(qū)域傾斜(注意c軸方向( 方向沒有反轉))的單晶區(qū)A和其中c軸方向相對其它區(qū)域反轉的單晶區(qū)(極性反轉區(qū))J這三種中的一種。在一些情形下不形成晶體缺陷聚集區(qū)H(O)。
尤其是，本發(fā)明的特征之一是，在掩模上方生長的第一晶體區(qū)是極性反轉區(qū)J。晶體缺陷聚集區(qū)H從相鄰暴露部分上方和刻面下方生長的其它區(qū)域的晶體中拉出位錯，并將它們約束在晶體缺陷聚集區(qū)H中。在暴露部分上方和刻面下方生長的晶體變成具有低位錯密度的單晶Z。該效果按照下列順序增大沒有制造的O＜晶軸傾斜的單晶區(qū)A＜多晶區(qū)P＜極性反轉區(qū)J。
在本發(fā)明中，探索并獲得了致使作為第一晶體區(qū)的晶體缺陷聚集區(qū)H成為極性反轉區(qū)J的條件。本發(fā)明能夠制造總是在掩模上方的極性反轉區(qū)J。
可以由陰極發(fā)光(CL)來確定掩模上方的第一晶體區(qū)(晶體缺陷聚集區(qū)H)是在晶軸傾斜的單晶區(qū)A、多晶區(qū)P、和極性反轉區(qū)J這三者中哪一種。這還可以由熒光顯微鏡觀察得知。GaN晶體是一律透明的，并且因此不能由肉眼確定。
進行用于生產以下厚膜的外延生長。厚膜生長時間可在幾十小時、幾百小時和幾千小時的范圍內變化，這取決于目標晶體的厚度。注意，確定厚膜生產外延生長溫度被為第二生長溫度Te。厚膜生產外延生長溫度Te優(yōu)選為Te＝990℃-1200℃，尤其優(yōu)選為Te＝1000℃-1200℃。
對具有很少晶體缺陷的優(yōu)良的氮化鎵襯底有強烈的需求?？堂嫔L法是希望的，其中在地襯底上形成掩模；生長晶體同時保持該刻面以在掩模上方形成其是第一晶體區(qū)的缺陷聚集區(qū)H；以及缺陷聚集在缺陷聚集區(qū)H處以由此減少暴露部分上方的第二晶體區(qū)中的位錯。極性反轉區(qū)J最適合于晶體缺陷聚集區(qū)H(第一晶體區(qū))。已發(fā)現(xiàn)，為了穩(wěn)定地生長c軸方向( 方向)相對于第二晶體區(qū)反轉的極性反轉區(qū)J，晶體缺陷聚集區(qū)H的生長最初階段的晶體生長條件是重要的。
如果沒有成功地滿足最初的晶體生長條件，在掩模上方生長的晶體缺陷聚集區(qū)H不變成極性反轉區(qū)H，并且代替地變成多晶區(qū)P或晶軸傾斜的單晶區(qū)A(注意，c軸方向( 方向)沒有反轉)。利用多晶區(qū)或晶軸傾斜的單晶區(qū)，將位錯從相鄰的區(qū)域吸引于此以由此減少相鄰區(qū)域的位錯的效果是不夠的。因此，需要掩模上方的晶體缺陷聚集區(qū)H是極性反轉區(qū)J。
注意到，釘Q的生產是重要的，其中在上述工藝中的3)、4)、5)和6)對應于極性反轉區(qū)J(釘Q)形成的初始階段。在本發(fā)明中，已發(fā)現(xiàn)，為了一直生產從此處繼續(xù)的釘Q和極性反轉區(qū)J，在初始的生長階段輕摻雜碳是有利的。
通過用于形成釘和極性反轉區(qū)的碳摻雜的初始晶體生長大約為0.5小時-2小時。其是極性反轉區(qū)J的晶體缺陷聚集區(qū)H形成在掩模上方，并且低缺陷單晶區(qū)Z形成在暴露部分上方。在一些情形下，C面生長區(qū)部分Y形成在暴露部分的中心。在一些情形下其不存在。
根據本發(fā)明，通過加入碳，可以確保形成極性反轉區(qū)。在掩模上方生產作為第一晶體區(qū)的穩(wěn)定的極性反轉區(qū)J，以進一步減少在第二晶體區(qū)中低缺陷區(qū)部分Z中的位錯，由此可以生長高質量的氮化鎵晶體。
結合附圖，由本發(fā)明的以下詳細說明，本發(fā)明的前述和其它目的、特征、方面和優(yōu)點將變得更加明顯。


圖1是坑部分的透視圖，用于示出，在由本發(fā)明人在WO99/23693中提議的刻面生長方法中，當允許生長而沒有掩埋由刻面平面構成的六棱錐坑時，位錯在刻面法線方向上延伸并隨著生長繼續(xù)而聚集在邊界處，以沿著該邊界進一步聚合在坑的底部。圖1(a)示出了生長的初始階段，圖1(b)示出了生長的發(fā)展階段。
圖2是坑部分的平面圖，用于示出，在由本發(fā)明人在WO99/23693中提議的刻面生長方法中，當允許生長而沒有掩埋由刻面平面構成的六棱錐坑時，位錯在刻面法線方向上延伸并隨著生長繼續(xù)而聚集在邊界處，以沿著該邊界進一步聚合在坑的底部。隨著生長在法線方向在刻面處繼續(xù)進行，位錯也在該方向上繼續(xù)。
圖3是刻面坑部分的截面圖，用于示出，在由本發(fā)明人在WO99/23693中提議的刻面生長方法中，曾經在坑底部聚集的位錯束又以煙狀方式散開。圖3(a)示出了位錯曾經聚集在坑底部形成位錯聚集束的狀態(tài)，圖3(b)示出了位錯從坑底部分離并以煙狀方式散開的方式。
圖4是坑和V形溝槽的縱向截面圖，用于示出，在利用由本發(fā)明人在日本專利特開No.2001-102307和日本專利特開No.2003-165799中提議的掩模的刻面生長方法中，在掩模上方生產具有約束位錯的效果的晶體缺陷聚集區(qū)H，并且曾經被捕獲的位錯將不會散開并且生長按原樣繼續(xù)進行。圖4(a)示出了通過刻面生長位錯聚合到掩模上方的缺陷聚集區(qū)H的方式，圖4(b)示出了甚至當面生長進一步繼續(xù)時位錯被約束在缺陷聚集區(qū)H中的方式。
圖5是示出掩模應用在地襯底上并在其上生長氮化鎵晶體的刻面生長方法的縱向截面圖。圖5(a)示出了在地襯底上形成掩模的狀態(tài)。圖5(b)示出了這樣的方式當生長氮化鎵晶體時，僅在暴露部分生長晶體并且在掩模上方不出現(xiàn)晶體生長，以及出現(xiàn)了刻面從掩模端部對角地(diagonally)延伸。圖5(c)示出了隨著晶體生長進一步繼續(xù)，晶體還在掩模上方生長而形成兩級刻面的方式。
圖6A是示出通過刻面生長法在應用了條型掩模的地襯底上生長的氮化鎵晶體的透視圖。
圖6B是示出通過刻面生長法在應用了點掩模的地襯底上生長的氮化鎵晶體的透視圖。
圖7是當在生長的開始階段在掩模上方形成晶體缺陷聚集區(qū)H時，涉及要成為極性反轉區(qū)的晶體缺陷聚集區(qū)H的條件說明的縱向截面圖。圖7(a)示出了在地襯底上提供了掩模的狀態(tài)。圖7(b)示出了這樣的方式在氮化鎵晶體的汽相沉積生長中，在暴露部分出現(xiàn)晶體生長而在掩模上方沒有出現(xiàn)晶體生長，以及產生了端部是掩模的刻面。圖7(c)示出了在刻面處產生釘Q的狀態(tài)。圖7(d)示出了釘在掩模上方集結的狀態(tài)。圖7(e)示出了隨著在釘上方生長具有與釘相同的晶體取向的晶體的方式。
圖8A是示出相互平行的掩模以恒定間距p形成在地襯底上的襯底的平面圖。
圖8B是示出通過刻面生長方法在圖8A所示的襯底上生長晶體、從地襯底分離生長的晶體、將它拋光和研磨成平板所獲得的晶體的CL圖像的平面圖。
圖9A是示出相對于任意指定的隔離點型掩模，以恒定間距p在地襯底上形成最接近的隔離點型掩模以獲得關于指定掩模六重對稱的襯底的平面圖。
圖9B是示出通過刻面生長方法在圖9A所示的襯底上生長晶體、從地襯底分離生長的晶體、將它拋光和研磨成平板所獲得的晶體的CL圖像的平面圖。
具體實施例方式
作為氮化鎵晶體的生長方法，可采用HVPE法、MOCVD法、MOC法、升華法等。在本發(fā)明中，優(yōu)選的方式是在HVPE法中加入碳材料，以在掩模上方形成極性反轉區(qū)。雖然在MOCVD法和MOC法的材料中包含碳，但不清楚這樣的碳是否總是在掩模上方形成極性反轉區(qū)。
因此，在實例中，將描述通過HVPE(氫化物汽相外延)法生長了什么。在HVPE法中，使用垂直熱壁型反應器(HVPE反應器)。HVPE反應器具有圍繞它在縱向方向上隔開的加熱器，并且能夠在縱向方向上自由地形成溫度分布。在反應器內部空間的上部，HVPE反應器具有放置Ga金屬的Ga金屬舟。在金屬舟下面，HVPE反應器具有上面將要放置樣品的接受器(susceptor)。
在HVPE反應器中，通常在標準壓力(1atm＝100kPa)下進行晶體生長。將Ga金屬舟加熱到至少800℃以使Ga熔融。在反應器的上部提供氣體引入管。從氣體引入管，將H2和HCl的混合氣體吹入熔融的Ga。因此，合成了GaCl。GaCl是氣態(tài)的，并且它向下降落到達加熱的接受器和樣品附近。在接受器附近，吹入H2和NH3的混合氣體。在GaCl和NH3之間的反應得到了GaN，其沉積在樣品上。
要形成在地襯底上的掩模圖案僅需要是抑制外延生長的材料。示范性的掩模材料可以是SiO2、Si3N4、Pt、W等。該掩模成為晶體缺陷聚集區(qū)H的籽晶。GaN的晶體取向由地襯底決定。掩模的取向決定了沿著掩模的刻面的平面取向。因此，必須形成對于地襯底的晶體取向具有固定關系的掩模。
實例1在實例1中，考慮了通過第一生長溫度Te，極性反轉區(qū)形成的程度。
1.地襯底(U)作為地襯底，制備了2英寸直徑的藍寶石襯底(U1)、GaAs襯底(U2)、通過MOCVD法在上面形成1.5μm厚GaN外延層的藍寶石襯底(U3)。藍寶石襯底(U1)是主表面為C面((0001)面)的襯底。GaAs襯底(U2)是主表面為(111)A面(Ga平面)的襯底。GaN/藍寶石襯底(U3)是在C面((0001)面)上形成了GaN外延層的鏡面狀襯底。提供有外延層的這種襯底還稱為模板(template)。
2.掩模圖案在這三種類型的地襯底U1、U2和U3的每一個上，通過等離子CVD法形成了0.1μm厚的SiO2薄膜。通過光刻和蝕刻，形成了掩模圖案。掩模圖案為兩種類型，即，條型(M1)和點型(M2)。
M1條型掩模圖案在地襯底U上形成的具有如圖8A所示寬度的平行線性掩模稱為條型(M1)掩模圖案。掩模M平行且以等間隔設置。未被掩模覆蓋的部分是暴露部分。晶體生長從暴露部分開始。
當在條型掩模上方生長GaN晶體時，在每個掩模上形成晶體缺陷聚集區(qū)H，如圖8B所示。在位于暴露部分上方且與掩模相鄰的部分形成低缺陷單晶區(qū)Z。在一些情形下，在低缺陷單晶區(qū)Z的中心形成C面生長區(qū)Y，在一些情形下則沒有形成。
確定該取向以使得條的延伸方向是GaN外延層的<1-100>方向。GaN外延層是在掩模形成之后沉積的層。另一方面，已知在地襯底的晶體取向和沉積在上面的GaN的晶體取向之間存在固定關系。因此，通過基于地襯底的晶體取向確定掩模的縱向方向，可以將該掩模設置成在其后生長GaN外延層的<1-100>方向上延伸。
在GaN/藍寶石襯底(U3)的情形下，將掩模延伸方向的取向確定為與GaN晶體的<1-100>方向平行。在GaAs襯底(U2)的情形下，將掩模延伸方向的取向確定為與GaAs晶體的<11-2>方向平行。在藍寶石襯底(U1)的情形下，將掩模延伸方向的取向確定為與GaN晶體的<11-20>方向平行。
在條型(M1)掩模圖案中，條型覆蓋部分(SiO2)的寬度，即s＝30μm，條型覆蓋部分和暴露部分的重復間距，即p＝300μm。暴露部分還相互平行延伸，并且其寬度，即e＝270μm。也就是說，p＝e+s。該間距指的是從覆蓋部分的中心到相鄰的覆蓋部分的中心的距離。暴露部分∶覆蓋部分的面積比為9∶1。
M2點型掩模圖案將以規(guī)定間隔對準以形成線的每個具有一定直徑的點看作一個單元。許多單元相互平行對準。圖9A示出了點型掩模的實例。在地襯底U上，以交錯方式形成小點型掩模M。該覆蓋部分是小的，并且襯底的大部分是暴露部分。生長從暴露部分開始。
利用點型掩模生產氮化鎵晶體并在垂直于c軸的方向上切割晶體所獲得的氮化鎵晶體具有如圖9B所示的結構。在每個掩模上方，形成了晶體缺陷聚集區(qū)H，在其周圍形成了低缺陷單晶區(qū)Z。未被低缺陷單晶區(qū)Z覆蓋的部分是C面生長區(qū)Y。
在點掩模中，例如，相對于特定行的點，形成相鄰行的點以使得它的點位于相對于該特定行的點移位一半間距的位置處。它是這樣的圖案，其中點位于由沒有間隙地設置的正三角形構成的圖案的頂點處。也就是，它是其中任意指定的點和最近的點具有六重對稱關系的圖案。將點對準的方向確定為與例如GaN晶體的<1-100>方向平行。當在這里隨后生長GaN晶體時，地襯底的晶體取向和GaN晶體的晶體取向具有一定的關系。因此，結合地襯底的晶體取向可以確定掩模圖案的方向，以便點的線與GaN晶體的<1-100>方向平行。當地襯底是藍寶石襯底(U1)時，使點與藍寶石襯底的<11-20>方向平行地對準。當地襯底是GaAs(111)襯底(U2)時，使點與GaAs襯底的<11-2>方向平行地對準。
每個點(覆蓋部分)都是圓的，點直徑t＝50μm，點間距p＝300μm，其是最近點的中心之間的距離。在連接點的線上暴露部分的長度，即，f＝250μm。具有三個點作為頂點的單位正三角形的面積為38971μm2。一個點的面積(覆蓋部分)為1963μm2。暴露部分∶覆蓋部分的面積比為19∶1。
3.用于緩沖層形成和極性反轉區(qū)形成的生長在HVPE反應器中，放置了具有掩模的上述襯底(具有掩模的六種類型的襯底，其中三種類型的地襯底U1、U2和U3每個都提供有兩種類型的掩模圖案M1和M2)。
最初，在大約500℃(Tb＝500℃)的低溫下，以NH3氣體分壓PNH3＝0.2atm(20kPa)和HCl氣體分壓PHCl＝2×10-3atm(0.2kPa)、15分鐘的生長時間，形成GaN的緩沖層。緩沖層的厚度為60nm。
其后，升高該溫度以使極性反轉區(qū)形成溫度Tj＝1000℃，在掩模上方生長了極性反轉區(qū)，并在暴露部分上方生長了外延層大約一個小時。該原料氣體是H2和HCl的混合氣體、H2和NH3的混合氣體和碳氫化合物氣體。規(guī)定NH3氣體分壓PNH3＝0.2atm(20kPa)和HCl氣體分壓PHCl＝2×10-2atm(2kPa)，碳氫化合物氣體是甲烷氣體或乙烷氣體。為了比較，在沒有提供碳氫化合物氣體的條件下生長了一些樣品。在生長大約一個小時之后結束了該工藝，而沒有進行厚膜生長，冷卻并從反應器中取出該樣品并觀察。極性反轉區(qū)形成溫度的優(yōu)選范圍為Tj＝970℃-1100℃。
4.碳氫化合物氣體的類型和分壓PHC在本發(fā)明中，為了生長極性反轉區(qū)J，加入固定碳(fixed carbon)或碳氫化合物氣體?？梢允褂眉淄?CH4)氣體、乙烷(C2H6)氣體、乙烯(C2H4)氣體、乙炔(C2H2)氣體等作為該材料。當碳氫化合物氣體落入PHC＝1×10-4atm(10Pa)-5×10-2atm(5kPa)的范圍內時，獲得了形成極性反轉區(qū)的效果。在這里，測試了以下三種情形。
(1)甲烷氣體(CH4) PHC＝8×10-3atm(0.8kPa)(2)乙烷氣體(C2H6)PHC＝8×10-3atm(0.8kPa)(3)沒有碳氫化合物氣體
5.允許形成極性反轉區(qū)的晶體生長根據過去的經驗，公知用于獲得其中c軸方向( 方向)相對于除了極性反轉區(qū)之外的區(qū)域(第二晶體區(qū)ZY)旋轉180°的極性反轉區(qū)J的晶體生長示出了以下狀態(tài)。圖7示出了條型刻面生長的方式。如圖7(a)所示，在地襯底上提供條型掩模M。雖然僅示出了一個掩模，但實際上存在許多平行的掩模。如圖7(b)所示，氮化鎵晶體的生長從不存在掩模的暴露區(qū)域開始。晶體以薄膜方式形成在整個暴露部分上方，而沒有爬升到掩模上。當生長進一步繼續(xù)時，形成其較低端為掩模端部的斜面。該斜面進一步生長，而沒有爬升到掩模上，以形成清楚的刻面F。該刻面F具有例如{11-22}面取向，而其取決于掩模圖案的取向。晶體不存在于掩模上方，并且刻面F在掩模的兩端彼此相對。
當形成c軸方向反轉180°的極性反轉區(qū)J時，作為前體在刻面的斜面的中間生產了粗糙突起。這稱為釘Q。由于刻面F彼此相對形成，同樣形成釘Q(圖7(c))彼此相對。釘Q是極性反轉區(qū)的籽晶。如果沒有形成釘Q，則在以后不形成極性反轉區(qū)。突起(釘Q)的頂面在水平面(C面)之間形成大約25°-30°的斜角。形成在刻面中間的釘Q(突起)是其中c軸方向相對于刻面F以下的相鄰區(qū)域部分反轉180°的晶體。由于晶體取向反轉了，所以成為極性反轉區(qū)J的籽晶。生長釘Q，并且該粗糙突起變大。然后，從相對面延伸的釘Q集結一起。
通過如圖7(d)所示的集結，閉合了掩模上方的部分。釘Q沒有與掩模接觸。它們從中間部分橫向延伸并彼此集結。集結部分成為相同取向晶體的籽晶，其生長在縱向方向上。因此，在掩模上方，形成與釘Q相同晶體取向的晶體。由于釘是c軸方向反轉了的晶體，所以形成于其上的晶體成為極性反轉區(qū)J。如圖7(e)所示，在釘Q上，縱向生長相同取向的晶體。在掩模上方形成晶體，并因此它是晶體缺陷聚集區(qū)H(第一晶體區(qū))。因此，晶體缺陷聚集區(qū)H成為極性反轉區(qū)J。在兩側的暴露部分上方，已經存在更高的晶體。其表面是刻面F。暴露部分的晶體具有出現(xiàn)在地襯底之間的邊界處的大量位錯。位錯隨著生長繼續(xù)而向上延伸。沒有掩埋該平面且同時保持該刻面地繼續(xù)該生長。
由于刻面中晶體的生長方向是刻面的法線方向，因此位錯還隨著晶體生長而在法線方向上延伸。因此，位錯延伸的方向正交向外。它正好朝著掩模上方的晶體缺陷聚集區(qū)H延伸。位錯到達晶體缺陷聚集區(qū)H并由此被吸收。由晶體缺陷聚集區(qū)H吸收的位錯沒有再次返回到該刻面。由于它們沒有返回，所以減少了直接在該刻面下面的晶體區(qū)的位錯。在暴露部分上方生長的第二晶體區(qū)中，在該刻面下面生長的部分稱為低晶體缺陷區(qū)部分Z。盡管該部分最初與地襯底之間具有大量位錯，但隨著刻面生長，位錯被向外排除并聚集在晶體缺陷聚集區(qū)H中，由此在該部分中逐步獲得了低密度的位錯。在GaN晶體的生長中，由與地襯底的關系確定晶體取向。因此，在沒有形成掩模的平面區(qū)域上方生長的第二晶體區(qū)成為單晶。低晶體缺陷區(qū)部分Z具有低密度的位錯并且是單晶，因此它也被稱為低缺陷單晶區(qū)部分。低晶體缺陷區(qū)部分Z和晶體缺陷聚集區(qū)H之間的邊界是晶粒邊界K、K。曾經被晶體缺陷聚集區(qū)H俘獲的位錯將不會分開。因此，位錯密度在低晶體缺陷區(qū)部分Z中進一步變低。
這樣的刻面生長繼續(xù)直至結束。然后，從暴露部分上方的部分中有效地排除位錯，低晶體缺陷區(qū)部分Z成為具有低密度位錯的更優(yōu)良的晶體。
另一方面，在一些情形下沒有成功地形成其是極性反轉區(qū)的晶體缺陷聚集區(qū)H。本發(fā)明是基于發(fā)現(xiàn)加入碳獲得了生成極性反轉區(qū)J的效果。在生長的初始階段，摻雜碳以形成極性反轉區(qū)，其后在沒有碳摻雜的條件下進行厚膜生長，由此制造了具有低密度位錯的優(yōu)質晶體。
由于本發(fā)明的目的是生成極性反轉區(qū)J，故沒有進行厚膜生長，將樣品冷卻并從反應器取出。每個GaN晶體都顯示出大約70μm的厚度。生長率為大約70μm/h。
6.對掩模上方生產/未生產極性反轉區(qū)J的觀察(1)在甲烷氣體(CH4)的情況下PHC＝8×10-3atm(800Pa)地襯底藍寶石襯底(U1)、GaAs襯底(U2)、GaN/藍寶石襯底(U3)掩模圖案條型掩模(M1)、點型掩模(M2)觀察結果M1(條型掩模)像虛線一樣間歇地生成極性反轉區(qū)。
M2(點型掩模)在大多數的點中生成極性反轉區(qū)。
(2)在乙烷氣體(C2H6)的情形下PHC＝8×10-3atm(800Pa)地襯底藍寶石襯底(U1)、GaAs襯底(U2)、GaN/藍寶石襯底(U3)掩模圖案條型掩模(M1)、點型掩模(M2)觀察結果M1(條型掩模)像虛線一樣間歇地生成極性反轉區(qū)。
M2(點型掩模)在大多數點中生成極性反轉區(qū)。
(3)在沒有碳氫化合物的情形下PHC＝0地襯底藍寶石襯底(U1)、GaAs襯底(U2)、GaN/藍寶石襯底(U3)掩模圖案條型掩模(M1)、點型掩模(M2)觀察結果M1(條型掩模)僅間歇地生成極性反轉區(qū)。
M2(點型掩模)僅間歇地生成極性反轉區(qū)。
從上述觀察結果，發(fā)現(xiàn)了以下情形。利用上述條件，當沒有供給碳原料氣體時，僅間歇地生成極性反轉區(qū)。提供碳原料氣體，便于形成極性反轉區(qū)。該原料氣體可以是乙烷氣體或甲烷氣體。當碳原料氣體分壓PHC＝800Pa時，盡管極性反轉區(qū)擴散開，但仍保持沒有產生極性反轉區(qū)的區(qū)域，并且極性反轉區(qū)像虛線一樣間歇地存在。因此，發(fā)現(xiàn)應以較高的分壓引入乙烷氣體和甲烷氣體，以在整個掩模上方生產極性反轉區(qū)。
實例2在實例2中，考慮了使用固態(tài)碳板作為用于形成極性反轉區(qū)的碳摻雜的材料的情形。利用與實例1相同的反應器和不同的生長率，如同實例1一樣在提供有SiO2的條型掩模(M1)和點型掩模(M2)的藍寶石襯底(U1)、GaAs(111)襯底(U2)和GaN/藍寶石襯底(U3)上，在提供碳的同時生長氮化鎵晶體60分鐘。與實例1不同之處在于，碳材料不是碳氫化合物氣體，但可以是固態(tài)碳板。在HVPE反應器中晶體生長部分(接受器)的略上游側上的高溫部分，放置碳板，并生長氮化鎵晶體。其他條件與實例1中相同。
在HVPE反應器中，放置了具有掩模的上述襯底(六種類型的襯底，其中三種類型的地襯底U1、U2和U3每個都提供有兩種類型的掩模圖案M1和M2)。
最初，在大約500℃(Tb＝500℃)的低溫下、以NH3氣體分壓PNH3＝0.2atm(20kPa)和HCl氣體分壓PHCl＝2×10-3atm(0.2kPa)以及15分鐘的生長時間，形成GaN的緩沖層。緩沖層的厚度為60nm。
其后，升高該溫度以使極性反轉區(qū)形成溫度Tj＝1000℃，并在該掩模上方生長了極性反轉區(qū)，并且在暴露部分上方生長外延層大約一個小時。規(guī)定NH3氣體分壓PNH3＝0.2atm(20kPa)，HCl氣體分壓PHCl＝2×10-2atm(2kPa)。碳材料是提供在Ga容器和接受器之間的上述碳板。包含碳的材料，例如碳板，在例如1000℃的高溫氣氛下與NH3氣體反應，并生成包含碳的氣體，例如碳氫化合物氣體。使用包含碳的這種氣體作為摻雜的碳供給源。該工藝在生長一個小時之后結束，且沒有進行厚膜生長，將樣品冷卻并從反應器取出和觀察。GaN的厚度為70μm。
觀察結果地襯底藍寶石襯底(U1)、GaAs襯底(U2)、GaN/藍寶石襯底(U3)M1(條型掩模)像虛線一樣間歇地生成極性反轉區(qū)。
M2(點型掩模)在大多數點中生成極性反轉區(qū)。
與供給碳氫化合物氣體的實例1相似，確認在采用碳板作為碳源的實例2中也在掩模上方形成極性反轉區(qū)J。這些結果相似且在分別采用藍寶石襯底(U1)、GaAs襯底(U2)、GaN/藍寶石襯底(U3)的地襯底的情形當中沒有發(fā)現(xiàn)顯著的差別。它們沒有變黑或黃，并且保持無色和透明。
在晶體生長之后，取出放置在反應器中的碳板并稱重。碳板的重量在晶體生長之后比之前更輕。當氫是載氣(carrier gas)時，假設從碳板移除的成分都變成CH4(甲烷)氣體?？紤]到氣體流速，計算甲烷的分壓為1×10-2atm(1kPa)。該分壓落入10Pa-5kPa的前述范圍內。
從實例2，發(fā)現(xiàn)固態(tài)源在形成極性反轉區(qū)時同樣有效。也就是，沒有必要總是提供氣態(tài)碳氫化合物氣體作為碳源。
注意，當固態(tài)碳放置在反應器中時，在極性反轉區(qū)形成(大約0.5-2小時)之后的厚膜生長(幾十個小時-幾百個小時)中也摻雜了碳。當如果GaN的厚膜生長部分包含碳不是優(yōu)選的時候，在反應器中放置碳板的方法是不合適的。
實例3在實例3中，考慮了碳氫化合物氣體分壓和極性反轉區(qū)形成之間的關系。為此，如同實例1一樣改變氣態(tài)碳材料的分壓(流速)，檢驗了碳氫化合物氣體分壓對形成極性反轉區(qū)的影響。使用了與實例1相同的HVPE反應器。作為地襯底，使用了GaAs(111)A面單晶襯底(U2)。作為掩模，生產了點型掩模(M1)和條型掩模(M2)。制備了兩種類型的具有掩模的襯底，其中在地襯底U2上形成了兩種類型的掩模圖案M1和M2，對兩種類型的襯底進行緩沖層形成和極性反轉區(qū)形成。通過改變碳氫化合物氣體的供給量，由此檢驗了極性反轉區(qū)的形成是如何相應改變的。
在HVPE反應器中設置了上述樣品。最初，在大約500℃(Tb)的低溫下、用NH3氣體分壓PNH3＝0.2atm(20kPa)和HCl氣體分壓PHCl＝2×10-3atm(0.2kPa)以及15分鐘的生長時間，形成了GaN緩沖層。注意PNH3/PHCl＝100。緩沖層的厚度為60nm。
其后，升高該溫度，然后由甲烷氣體摻雜碳以形成極性反轉區(qū)J。規(guī)定生長溫度Tj＝1000℃。規(guī)定NH3氣體分壓PNH3＝0.2atm(20kPa)，HCl氣體分壓PHCl＝2×10-2atm(2kPa)。注意PNH3/PHCl＝10。
在氣體分壓和流速之間存在固定關系。通過利用質量流量控制器等控制流速，來供給氣體。HVPE設備中的總壓力為大氣壓(1atm)。因此，如果已知總流速，則由此可以計算單獨氣體的各個分壓。NH3、HCl和CH4的各個氣體分壓是從流速計算的值。
用于極性反轉區(qū)形成的生長時間為60分鐘。生長的氮化鎵晶體的厚度大約為70μm。生長速率大約為70μm/h。注意，甲烷氣體分壓PCH4為以下七種，其由PCH4(1)-PCH4(7)表示。
(1)PCH4(1)＝5×10-5atm(5Pa)(2)PCH4(2)＝1×10-4atm(10Pa)(3)PCH4(3)＝1×10-3atm(100Pa)(4)PCH4(4)＝5×10-3atm(500Pa)
(5)PCH4(5)＝1×10-2atm(1kPa)(6)PCH4(6)＝5×10-2atm(5kPa)(7)PCH4(7)＝1×10-1atm(10kPa)冷卻該樣品并將其從反應器取出，并且檢驗了由甲烷分壓PCH4的變化改變極性反轉區(qū)的產生/非產生的方式如何。利用立體顯微鏡和SEM進行該觀察。
(1)在PCH4(1)＝5×10-5atm(5Pa)的情形下觀察結果M1(條型掩模)僅在掩模上間歇地生成了極性反轉區(qū)。
M2(點型掩模)僅在掩模上間歇地生成了極性反轉區(qū)。
(2)在PCH4(2)＝1×10-4atm(10Pa)的情形下觀察結果M1(條型掩模)極性反轉區(qū)像虛線一樣間歇地存在于掩模上。
M2(點型掩模)在大多數點掩模中生成極性反轉區(qū)。
(3)在PCH4(3)＝1×10-3atm(100Pa)的情形下觀察結果M1(條型掩模)在掩模上連續(xù)存在極性反轉區(qū)。
M2(點型掩模)在所有點掩模上生成了極性反轉區(qū)。
(4)在PCH4(4)＝5×10-3atm(500Pa)的情形下觀察結果M1(條型掩模)在掩模上連續(xù)存在極性反轉區(qū)。
M2(點型掩模)在所有點掩模上生成了極性反轉區(qū)。
(5)在PCH4(5)＝1×10-2atm(1kPa)的情形下觀察結果
M1(條型掩模)在掩模上連續(xù)存在極性反轉區(qū)。
M2(點型掩模)在所有點掩模上生成了極性反轉區(qū)。
(6)在PCH4(6)＝5×10-2atm(5kPa)的情形下觀察結果M1(條型掩模)極性反轉區(qū)像虛線一樣間歇地存在并且顏色是黑的。
M2(點型掩模)在部分點掩模上生成了極性反轉區(qū)并且顏色是黑的。
(7)在PCH4(7)＝1×10-1atm(10kPa)的情形下M1(條型掩模)在整個表面上方出現(xiàn)了裂縫并且顏色是黑的。
M2(點型掩模)在整個表面上方出現(xiàn)了裂縫并且顏色是黑的。
獲得了前述結果，并發(fā)現(xiàn)當PCH4(1)＝5Pa時，間歇地生成了極性反轉區(qū)并因此是不合適的，以及當PCH4(7)＝10kPa時，整個表面變黑并出現(xiàn)了裂縫，因此是不合適的。因此，可以看出在PCH4(2)＝1×10-4atm(10Pa)-PCH4(6)＝5×10-2atm(5kPa)的范圍內，在掩模上方形成極性反轉區(qū)。
發(fā)現(xiàn)PCH4(3)＝1×10-3atm(100Pa)-PCH4(5)＝1×10-2atm(1kPa)的范圍能使極性反轉區(qū)形成在所有掩模的上方，同時防止變黑(blackdiscoloring)。也就是，為了通過碳摻雜形成極性反轉區(qū)，甲烷分壓必須是10Pa-5kPa，更希望是100Pa-1kPa。
盡管這是在氣態(tài)碳氫化合物為該材料的情況下發(fā)現(xiàn)的，但是如果碳氫化合物氣體的基本分壓落入該范圍內，在將固態(tài)碳板放置在反應器中，其被加熱與氫氣反應并被提供給樣品作為碳原料的情況下也獲得了等效效果。
實例4在實例4中，在形成緩沖層和極性反轉區(qū)之后，花費時間進行厚膜生長以獲得GaN晶體上。研磨和拋光GaN晶體并形成為晶片，檢驗了它的性質。
制備了兩種類型的具有掩模的襯底，其中在藍寶石襯底(U1)上形成了兩種類型的掩模圖案(也就是，條型掩模(M1)、點型掩模(M2))。與實例1相似，將兩種類型的具有掩模的襯底放置在HVPE反應器的接受器中。在溫度Tb＝500℃的低溫下、用NH3氣體分壓PNH3＝0.2atm(20kPa)和HCl氣體分壓PHCl＝2×10-3atm(200Pa)形成了緩沖層。生長時間為15分鐘，緩沖層的厚度為60nm。
其后，將該溫度升高以使Tj＝1000℃，并且在NH3氣體分壓PNH3＝0.2atm(20kPa)、HCl氣體分壓PHCL＝3×10-2atm(3kPa)和甲烷氣體分壓PCH4＝8×10-3atm(800Pa)的條件下，進行生長15小時。冷卻該樣品并從反應器中取出。
獲得了形成于具有掩模的地襯底上的大約1.5mm厚的氮化鎵晶體。生長率為100μm/h。利用立體顯微鏡和/或SEM觀察了氮化鎵晶體。
獲得的氮化鎵晶體為如圖6A或6B所示的形狀。圖6A示出了形成于具有條型掩模的地襯底上的晶體，而圖6B示出了形成于具有點型掩模的地襯底上的晶體。利用條型掩模，獲得了其中脊和槽重復的晶體。利用點型掩模，獲得了具有許多隔離凹口的晶體。在對應條和點型掩模的位置的表面上觀察到了凹口。參考圖5(c)，確定在凹口底部形成了小角度的刻面Fa。根據地襯底的刻面Fa和主表面之間的角，認為刻面Fa是具有c軸方向( 方向)反轉的晶體取向的{11-2-6}面。在凹口的中間部分，存在更陡峭傾斜的刻面F。它被認為是{11-22}面。從前述情形，可以看出在掩模上形成了極性反轉區(qū)J。
通過研磨工作從氮化鎵晶體移除藍寶石襯底(U1)，獲得了氮化鎵的獨立式晶體。對獨立式氮化鎵晶體的表面進一步進行了研磨工作和拋光工作，并且獲得了具有平表面的晶體襯底。晶體襯底很清楚是透明的，并且區(qū)域不可通過肉眼彼此區(qū)別。
通過光學顯微鏡和陰極發(fā)光(CL)評估了平面晶體的表面。結果，在使用了條型掩模(M1)的樣品中，觀察到了大約20μm寬且以300μm的規(guī)則間距彼此平行的線性凹口。該部分是晶體缺陷聚集區(qū)H。該凹口可歸因于出現(xiàn)在該表面上的{11-2-6}面，由此可以確定晶體缺陷聚集區(qū)H是極性反轉區(qū)J。該晶體具有HZYZHZYZ......的重復結構，如圖8B所示。
在利用點型掩模(M2)生長的晶體襯底中，凹口的直徑大約為30μm-40μm，最近的凹口之間的間距為300μm。任意指定的凹口和最近的凹口具有六重對稱的關系。它準確對應于掩模位置。如圖9B所示，晶體缺陷聚集區(qū)H、低缺陷單晶區(qū)Z和C面生長區(qū)Y在晶體缺陷聚集區(qū)H周圍形成同軸結構。
在CL圖像觀察時，在襯底表面上暴露的螺紋位錯表現(xiàn)為黑點。因此，螺紋位錯的密度可以通過CL測量。螺紋位錯密度在晶體缺陷聚集區(qū)H中高并且為107-108cm-2。螺紋位錯密度在低缺陷單晶區(qū)Z和C面生長區(qū)Y中低并且為大約1×105cm-2。因此，形成了螺紋位錯密度足夠低的非常低缺陷的單晶區(qū)Z。雖然由本發(fā)明獲得的氮化鎵晶體襯底是具有不平坦結構的襯底，但可清楚確定低缺陷單晶區(qū)Z、晶體缺陷聚集區(qū)H和C面生長區(qū)Y的位置。因此，可以提供用于生產高質量激光器件的具有低密度位錯的氮化鎵晶體襯底。
為了檢驗晶體中確實摻雜了碳，用SIMS(二次離子質譜法)進行了晶體的元素分析。
結果，發(fā)現(xiàn)在掩模上方生長的極性反轉區(qū)J(晶體缺陷聚集區(qū)H)中的碳濃度為1×1017cm-3。在保持刻面的同時生長的低缺陷單晶區(qū)Z中碳濃度為5×1016cm-3。在C面生長區(qū)Y中的碳濃度為4×1018cm-3。因此，確定在晶體中確實摻雜了碳。還發(fā)現(xiàn)碳引入的效率在晶體生長出現(xiàn)的平面當中大不相同。
進一步進行了許多試驗。回顧試驗的結果，發(fā)現(xiàn)保持刻面的同時生長的極性反轉區(qū)J(晶體缺陷聚集區(qū)H)和低缺陷單晶區(qū)Z的碳濃度低于C面生長區(qū)Y的碳濃度。C面生長區(qū)Y的碳濃度為1016-1020cm-3。C面生長區(qū)部分Y的碳濃度與晶體缺陷聚集區(qū)H的碳濃度的比、以及C面生長區(qū)部分Y的碳濃度與低晶體缺陷區(qū)部分Z的碳濃度的比兩個都為101-105。
C面生長區(qū)Y在碳濃度和傳導性方面最高。認為C面生長區(qū)Y補償載流子并具有高電阻，因為碳雜質具有深發(fā)光能級。
盡管已詳細描述和示例了本發(fā)明，但應清楚地理解，其僅是示例和實例并且不是限制性的，本發(fā)明的精神和范圍僅由所附的權利要求所限定。
權利要求
1.一種氮化鎵晶體的生長方法，包括在地襯底(U)上，部分形成抑制氮化鎵晶體的外延生長的掩模(M)的步驟；和在摻雜碳的同時，在其中形成了所述掩模(M)的所述地襯底(U)上，外延生長氮化鎵晶體的步驟，其中在所述外延生長的步驟中，第一晶體區(qū)從所述掩模(M)外圍朝著內部生長，和在所述第一晶體區(qū)中，c軸方向相對于在所述地襯底(U)中沒有形成所述掩模(M)的區(qū)域上生長的第二晶體區(qū)反轉。
2.根據權利要求1的氮化鎵晶體的生長方法，其中所述第一晶體區(qū)由從所述掩模(M)的外圍生長的且在該掩模上方相互集結以覆蓋所述掩模(M)的晶體形成，和在所述晶體中c軸方向相對于所述第二晶體區(qū)反轉。
3.根據權利要求1的氮化鎵晶體的生長方法，其中所述第一晶體區(qū)生長在具有{11-2-6}面取向的刻面(Fa)處。
4.根據權利要求1的氮化鎵晶體的生長方法，其中所述第二晶體區(qū)包括低晶體缺陷區(qū)部分(Z)，所述低晶體缺陷區(qū)部分(Z)生長在具有{11-22}面取向的刻面(F)處。
5.根據權利要求1的氮化鎵晶體的生長方法，進一步包括，在所述部分形成掩模(M)的步驟之后和在所述外延生長的步驟之前，在形成了所述掩模(M)的所述地襯底(U)上，在400℃-600℃的低溫下生長具有至多200nm厚度的氮化鎵的緩沖層的步驟。
6.根據權利要求1的氮化鎵晶體的生長方法，其中在所述外延生長的步驟中晶體生長溫度為900℃-1100℃。
7.根據權利要求1的氮化鎵晶體的生長方法，其中所述地襯底(U)是藍寶石襯底、Si襯底、SiC襯底、GaN襯底、GaAs襯底和具有在其表面上生長的GaN薄膜的異質襯底中的任一種。
8.根據權利要求1的氮化鎵晶體的生長方法，其中通過氫化物汽相外延法進行所述氮化鎵晶體的生長。
9.根據權利要求1的氮化鎵晶體的生長方法，其中所述碳的摻雜是通過將碳氫化合物氣體引入到反應器中進行的。
10.根據權利要求9的氮化鎵晶體的生長方法，其中所述碳氫化合物氣體包括CH4、C2H6和C2H4中的任一種。
11.根據權利要求9的氮化鎵晶體的生長方法，其中引入到所述反應器中的所述碳氫化合物氣體的分壓為1×10-4atm-5×10-2atm。
12.根據權利要求1的氮化鎵晶體的生長方法，其中在所述碳的摻雜中，將含碳的材料放入反應器中以使得從該含碳的材料產生的含碳氣體用作碳源。
13.根據權利要求12的氮化鎵晶體的生長方法，其中所述含碳的氣體的分壓為1×10-4atm-5×10-2atm。
14.一種氮化鎵晶體襯底，包括具有晶體缺陷聚集區(qū)(H)的第一晶體區(qū)，和具有低晶體缺陷區(qū)部分(Z)和C面生長區(qū)部分(Y)的第二晶體區(qū)，其中所述C面生長區(qū)部分(Y)的碳濃度與所述晶體缺陷聚集區(qū)(H)的碳濃度以及與所述低晶體缺陷區(qū)部分(Z)的碳濃度之比為101-105。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種氮化鎵晶體的生長方法，包括在地襯底(U)上，部分形成抑制氮化鎵晶體外延生長的掩模(M)的步驟；和在摻雜碳的同時，在形成了掩模(M)的地襯底(U)上外延生長氮化鎵晶體的步驟。在外延生長中，第一晶體區(qū)從掩模(M)外圍朝著內部生長。在所述第一晶體區(qū)中c軸方向相對于地襯底(U)中沒有形成掩模(M)的區(qū)域上生長的第二晶體區(qū)反轉。
文檔編號C30B29/38GK101086963SQ200710110258
公開日2007年12月12日 申請日期2007年6月8日 優(yōu)先權日2006年6月8日
發(fā)明者岡久拓司, 元木健作, 上松康二, 中畑成二, 弘田龍, 井尻英幸, 笠井仁, 藤田俊介, 佐藤史隆, 松岡徹 申請人:住友電氣工業(yè)株式會社