用于生长氮化镓的基片、其制法和制备氮化镓基片的方法

专利名称：用于生长氮化镓的基片、其制法和制备氮化镓基片的方法
技术领域：
本发明涉及用作蓝色发光二极管(LED)和蓝色激光二极管(LD) 的基片的氮化镓(GaN)单晶基片和涉及加工基片的方法。
背景技术：
氮化物体系蓝色发光设备有时称为InGaN体系发光设备，因为它们的 活化层为InGaN膜，有时它们也被简单地称为GaN体系。因为加工GaN 单晶基片是困难的，目前加工为将GaN薄膜、InGaAs薄膜等异质外延生 长到六边形体系蓝宝石基片上。蓝宝石基片InGaN LED在使用中表现出 积极的结果，在亮度、可靠性和寿命上证明是满意的。目前广泛使用的 InGaN体系LED的基片大部分为蓝宝石基片。换句话说，它们被称为"蓝 宝石上"的InGaN LED。然而，蓝宝石的缺点包括，它从GaN的不同裂开方向裂开，它是绝 缘的。在这些情况下，对关于用基片制的单晶GaN构造蓝色发光设备的需 求的要求己经非常强烈。GaN单晶基片拥有与设备组成要素的GaN薄膜 和InGaN薄膜相同的晶体结构，拥有独特的裂开性能(cleavage quality)。 而且用杂质掺杂它们应使它们具有导电性。因此，n型电极能在它们的底 表面形成；用自然裂开的方法分离设备的可能性本身就呈现出来。然而加工GaN单晶基片不是简单的事情。因为加热固体GaN不能液 化它，用普通的从熔融物质生长晶体的Bridgman或Czochralski方法不能 形成晶体。如果对GaN施加超高压力和加热能使其变为熔融体，但是这么做是困难的，这样不能制备大规模晶体是显而易见的。构造到蓝宝石基片上的ltai或Wm及以下的GaN层和InGaN层目前 用包括HVPE、 MOC和MOCVD的气相沉积技术制成。正努力用气相沉 积技术例如生长薄膜的技术生产厚GaN晶体。但是，因为这些最初是mm和以下的薄膜沉积到蓝宝石基片上的技 术，它们处于造成缺陷事件的第一位。如果仅仅LED被制造到蓝宝石基 片上，因为GaN层是薄的，张力将是小的；但是当为了生产块晶体累积 厚度时，在膜中随着张力的提高、缺陷和扭曲的增加和从基片的剥落，不 能获得厚的材料。 A.外延横向生长过度在这方面，称为外延横向生长过度(ELO)的技术己经被设计出。关 于该课题的文献包括，例如1 ) Akira Sakai禾口 Akira Usui， i e(iwc"ow<3fc/oca"ow dem7.(y GWV ,/ms印/tox/a/ /"&ra/ overgrawA， OYO BUTSURI (日本应用物理协会的 月干lj)， vol.68, No.7(1999)，第774页。2) Akira Usui ， J"/z/cA:丄aygr GW "h^/ q/" G"tV 砂(in'(ie ^ por尸/zasg ￡/ /tax_y ， Transactions of the Institute of Electronics ， Information and Communication Engineers, C-ll， vol. J81-C-11 ， No.l(1998)，第58-64页。3 ) Kensaku Motoki 等，o/Free加wWwgS由她，Jpn. J. Appl. Phys.， vo1.40(2001)，第L140-L143页。4) 日本未审查专利公开第2000-22212号，GaTV5VMg/e-CV，to/^Z^ra/e 朋(i MeAoc/ o/fo Maw咖"wre 。5) 日本未审查专利公开第2000-12900号，(7aA^/"g/e-Cr，to/Swfe ra^ 朋(i MeAod o//to MawM力Ce 。ELO是减少位错的方法以边长为L(几个Pm)的等边三角形全部 覆盖平的基片表面；在基片上放置掩膜F，打出窗口 (大小为E)孔以定 位固定在等边三角形的顶点；生长GaN超过掩膜的顶部。掩膜的形状示 于

图1和2。在图1中，圆窗口排列在等边三角形顶点的图案的阵列中。 在图2中，规则的六边形窗口图案排列在等边三角形顶点的方式的阵列中。ELO掩膜F包括覆盖部分3和窗口 4，然而窗口 4的外形可以是各种各样 的，例如圆形、多边形、条纹等。其中重复等边三角形窗口图案的掩膜形 成到蓝宝石基片上，GaN气相沉积超过掩膜的顶部。掩膜材料为GaN不 在其上生长的物质一SiN或Si02。ELO膜沉积过程表示在图3中。图3 (1)描绘了具有覆盖部分3和 窗口4的ELO掩膜F形成在下层基片2上的情形的截面图。图3 (2)描 绘了用气相沉积将GaN晶体种子5沉积在窗口 4上的情形。微小的晶种 在孤立窗口里基片表面上生长。决定晶体的方向以便和基片协调。在掩膜 顶部不生产晶种。ELO掩膜的材料起到抑制GaN生长的作用。随着生长 的进行，孤立的晶种逐渐地膨胀和结合，变成岛状物。岛状物结合形成薄 膜形式。窗口内部最后被膜厚均匀的GaN薄膜覆盖。图3 (3)描绘了其 中GaN生长为薄膜6的情形。因为岛状物合并，它们的边界变成复杂的 晶体缺陷。当生产这类高密度缺陷时，随着膜的生长，缺陷尽可能地伸展。 这形成以垂直方向伸张的位错。位错尽可能地伸展，没有减少。这被保持 是因为它们从开始就是高密度的位错。生长到掩膜的高度后GaN薄膜进一步生长，高于掩膜；但是因为GaN 不在掩膜上生长，GaN晶体7开始以铃形突出，如图3 (4)所示。斜面 23被称为面。面23的底面是指数{1-101}、 {2-1-12}的等同平面。铃形 的形成继续，GaN膜生长，超过邻近窗口形成金字塔形8填充到沉积膜窗 口。位错20和成长方向一致地向前伸展。这表示在图3 (5)中。 一旦GaN 变成金字塔形，那种形式被维持，由于它不再向上伸展，GaN膜跨到掩膜 上。在这一点处的面24被称为"临界面"。在维持面的情况下，现在成长 沿着掩膜的顶部侧向前进。在临界面24处位错弯曲90。，成为横向的位错 22。弯曲后，这时位错减少。这类情况下的GaN梯形金字塔晶体表示在 图3 (6)中。薄膜生长以规则的六边形金字塔形式水平地前进，就像有6个相等的 面。因为生产出六个边的面，实际上生长的晶体变成梯形六面体，并伸展。 当掩膜顶部的生长继续时，超过邻近窗口成长的GaN晶体块在垂直于窗 口的虚线25处接触(图3 (7))。此后GaN晶体生长填充在以规则六面体 为边界的凹沟里。边界凹沟26被填充。从两边伸展的位错22在边界凹沟26里碰撞，多数停留在那儿。当超过邻近窗口生长的晶体合并以及外表面变平时，如图3 (8)所示，生长的方向再次转向上。这意味着生长方向转 变两次。尽管位错22伸展的方向又变为向上，它们大部分相互抵消。生 长朝着位错密度减少的方向前进的事实意味着生产出位错相当少的GaN 晶体。这些是ELO的本质。和生长GaN相关的形成本发明基础的更先进的技术不是如ELO的公 知公开技术它由本发明的发明人创造，并且还没有公开。金属和电介质 的颗粒放置在形成封闭的缺陷聚集的区域(封闭缺陷聚集区域H)的基片 顶部；同心地围绕它们，形成几乎无缺陷的高导电的低扭曲的伴生单晶区 域Z;在居间带中形成低位错残余单晶区域Y。 一旦位错形成，它们不消 失，但是因为它们被封闭的缺陷聚集区域H吸收，其它区域的位错一低位 错伴生的单晶区域Z和低位错残余单晶区域Y—降低。这样的区域不能用SEM和TEM看到；低位错伴生的单晶区域Z和 低位错残余单晶区域Y能用CL (阴极辉光)的方法区分和观察。图4表 示将缺陷种子掩膜X布置在下层基片2顶部上的情形的平面图。这些是从 电介质例如高熔点金属、Si02或SiN圆形排列。它们也位于重复的等边三 角形图案的顶点位置。但是缺陷种子掩膜X的周期和直径(周期M、直 径B)远大于用于ELO的掩膜F (周期L、直径E) (M L; B E)。根 据图5解释种子掩膜技术。图5 (1)表示蓝宝石下层基片2。图5 (2)表 示将均匀的GaN缓冲层52形成到蓝宝石下层基片2上的情形。图5 (3) 是有生长抑制行为的缺陷种子掩膜X放置在GaN缓冲层52顶部上的情形 的截面图。图5 (4)表示用气相沉积将GaN生长到缓冲层52和种子掩膜X上 的情形。封闭的缺陷聚集区域H在缺陷种子掩膜X顶部上成长。围绕它 们，具有面53的低位错伴生的单晶区域Z生长。低位错残余单晶区域Y 在边界沿平面54生长。这样该技术生产出缺陷定位到封闭缺陷聚集区域 的晶体。单晶作为整体，在缺陷定位到封闭缺陷聚集区域下，晶体的残余 部分(Y和Z)成为低位错、低缺陷。图5 (5)表示削刮背侧下层基片材 料和整平产品获得有平面的GaN基片的相应情形。图6表示用CL (阴极 辉光)得到的显微观察。低位错伴生的单晶区域Z的盘形区域呈现暗色，因此易于明显。没有CL，由于它们在显微镜下被透明地看到，因此它们 不能被分辨出。在ELO掩膜上的早期阶段生长中，GaN内的位错降低。如此这样是 因为位错相互抵消而变小，这样实际上被减少。缺陷种子掩膜方法(未公 知)经在中间阶段的生长中集中缺陷降低了剩余区域的位错成为封闭缺陷 聚集区域H。发明内容曾经想一起应用ELO和缺陷种子掩膜方法加工低位错的GaN单晶， 本发明人原认为这样的如此低位错密度的GaN单晶应该是可得到的。基于这样的期望，实际的Si02掩膜被制成并投入到晶体生长的试验中。具有重复的微细窗口的ELO掩膜和具有重复的大覆盖部分的缺陷种子掩膜用 Si02层形成。Si02表现出了作为ELO掩膜的证实结果，这样对于ELO沉 积能工作良好，但是作为缺陷种子掩膜的种子不能工作良好。初始为带许 多缺陷的GaN层生长的情况，但是最终消失了，结果在种子上生长成几 乎无缺陷的GaN。这意味着Si02没有种子功能，这成为一个问题。ELO掩膜必须是抑制GaN生长的材料。尽管集中缺陷的种子也抑制 GaN生长，但是它应该是集中位错的行为不同于纯粹的抑制生长的行为的 情况。按照这种推理，本发明人重复了试验。结果他们认识到，应该充当 集中缺陷种子的材料不同于适合于抑制生长的ELO掩膜材料。本发明，结合ELO和缺陷种子掩膜方法，在基片顶部上补充地提供 了一种减少早期阶段缺陷的ELO掩膜F和一种生长过程中引发缺陷集中 的缺陷种子掩膜X，其中用气相沉积在其上生长厚GaN晶体。Si02、 SiN 和SiON被用作ELO掩膜的材料，同时Pt、 Ti和M被用作缺陷种子掩膜 的材料。本发明涉及用于生长氮化镓的基片、制备该基片的方法和氮化镓 沉积。1.用于氮化镓沉积的基片本发明中氮化镓沉积基片由下述制成蓝宝石、GaAs、 InP、 Si、 SiC、 尖晶石或GaN中任一种单晶的下层基片或其中GaN缓冲层形成到这些单 晶基片上的下层基片；Ti、 Pt或Ni中任一种制成的规则地排列在下层基片上的、没有窗口的仅为覆盖片的、用作产生封闭缺陷聚集区域H的缺陷种子掩膜X;禾nSiON、 Si02或SiN中任一种制成的、具有覆盖部分和小周期地规则地排列的大量窗口的、在下层基片顶部规则地和补充地提供缺陷种子掩膜X的ELO掩膜。使E为ELO掩膜F中窗口的尺寸，L为邻接窗口中心之间的距离， 那么自然存在E<L。这意味着窗口排列规则是为了将它们放置在规则地重 复的多边形顶点中。这样的排列为，例如，其中窗口放置在等边三角形的 顶点的排列、其中它们放置在规则地重复的正方型的顶点的排列、或其中 它们放置在规则地重复的规则六边形的顶点的排列。关于缺陷种子掩膜X中心之间的距离M和它们的掩蔽直径(或宽度) B，自然存在B〈M。 M和B远大于E或L。但是，缺陷种子掩膜X的面 积S (X)小于ELO掩膜F的面积S (F)(例如S (X) <S (F))。在缺陷 种子掩膜X为Ti、 Pt或Ni中任一种的情况下，ELO掩膜F则为SiON、 Si02和SiN中任一种。掩膜材料以这种方式不同的事实是本发明的一个关 键点。任选地，下层基片顶部从开始就可以一分为二， 一部分仅覆盖有缺陷 种子掩膜材料，另一部分仅覆盖ELO掩膜材料。然而，由于这将等于增加时间和蚀刻的功夫，ELO掩膜材料和缺陷种 子掩膜材料可以先后形成到下层基片上(缺陷种子掩膜/ELO掩膜/下层基 片)，可以除去缺陷种子掩膜材料的部分和ELO掩膜材料的部分。将其颠倒也是可能的，其中缺陷种子掩膜材料和ELO掩膜材料依次 涂覆到下层基片上(ELO掩膜/缺陷种子掩膜/下层基片)，可以除去ELO 掩膜材料的部分和缺陷种子掩膜材料的部分。但是在ELO掩膜窗口必须 被钻孔的情况下，暴露出蓝宝石基片或GaAs基片，但是仅仅缺陷种子掩 膜为需要掩蔽的部分，这使蚀刻复杂化。根据材料的组合， 一些情况下蚀 刻是不可能的。2.加工氮化镓沉积基片的方法用于SiON、Si02或SiN的ELO掩膜的薄膜形成到蓝宝石、GaAs、InP、 Si、 SiC、尖晶石或GaN中任一种单晶的下层基片顶部上或其中这些单晶 基片上形成GaN缓冲层的下层基片顶部上；进一步形成用于Ti、 Pt或Ni中任一种制成的缺陷种子掩膜的薄膜；用蚀刻除去作为ELO掩膜F将存在的部分的一部分用于缺陷掩膜的薄膜；用蚀刻在SiON、 Si02或SiN任一种形成的暴露的薄膜中形成规则排列和布置的窗口。用于SiON、Si02或SiN任一种的ELO掩膜的薄膜形成到作为蓝宝石、 GaAs、 InP、 Si、 SiC、尖晶石或GaN中任一种单晶的下层基片顶部上或 其中这些单晶基片上形成GaN缓冲层的下层基片顶部上；在ELO掩膜将位于的部分形成规则排列和布置的窗口；在SiON、 Si02或SiN中任一种 的掩膜的缺陷种子掩膜X将存在的部分，形成用于Ti、 Pt或Ni中任一种 制成的缺陷种子掩膜的薄膜。在Pt放置到Si02、 SiN或SiON任一种上的情况中，由于它不能粘附 地好，在它们之间插入Ti层。在ELO掩膜为Si02的情况下，层结构将为 Pt/Ti/Si02。因为其中的Ti是为了增加粘附力，它不是缺陷种子掩膜，但 是，当然Ti本身可能是缺陷种子掩膜。存在以下九种可能。Pt/Ti/Si(V基片；Pt/Ti/SiON/基片；Pt/Ti/SiN/基片；Ti/SKV基片； Ti/SiON/基片；Ti/SiN/基片；Ni/Si(V基片；Ni/SiON/基片；和Ni/SiN/基片。3.加工氮化镓基片的方法在本发明的加工氮化镓基片的方法中，用气相沉积生长氮化镓单晶在气相沉积炉中放置蓝宝石、GaAs、 InP、 Si、 SiC、尖晶石或GaN中任 --种的附在掩膜上的单晶基片，该基片是通过形成作为蓝宝石、GaAs、InP、 Si、 SiC、尖晶石或GaN中任一种的单晶的下层基片或形成其中GaN缓冲 层形成到这些的单晶基片上的下层基片生产的，和在它之上放置，SiON、 Si02或SiN中任一种制成的用于ELO掩膜的薄膜；进一步形成由Ti、 Pt 或Ni中任一种制成的用于缺陷种子掩膜的薄膜；通过蚀刻除去缺陷种子 掩膜的薄膜的ELO掩膜F将存在的部分；和通过蚀刻形成SiON、 Si02 或SiN中任一种的暴露薄膜的规则排列和安置的窗口；和在附着掩膜的基 片上供应含NH3的原材料和含Ga的原材料；和如下获得独立的低位错、 低缺陷的GaN单晶基片在ELO掩膜F的窗口中暴露的下层基片顶部最 初地产生GaN单晶种子；使超出窗口的GaN单晶在ELO掩盖部分的顶部 不生长，缺陷种子掩膜也不橫向地长到ELO掩盖部分；在从窗口横向成 长的晶体膜分别合并后，使ELO掩膜F上的向上的低位错成长继续，在缺陷种子掩膜X上开始GaN累积，因此含许多缺陷的GaN封闭缺陷聚集 区域H继续生长； 一旦形成足够厚的GaN晶体，停止GaN沉积，将GaN 晶体和附着的下层基片从气相沉积炉里取出，用蚀刻或剥落除去下层基片 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种子掩膜X上时， 实现了保持低位错单晶成长的GaN沉积。将缺陷集中到封闭缺陷聚集区 域H上达到事实减少了 ELO掩膜上的GaN缺陷。附图的简要说明图l是以等边三角形扩展的重复方式将圆形窗口放置在等边三角形顶 点的掩膜的部分平面图——生长很少缺陷的GaN薄膜的ELO掩膜。图2是以等边三角形扩展的重复方式将规则六边形窗口放置在等边三 角形顶点的掩膜的部分平面图——生长很少缺陷的GaN薄膜的ELO掩膜。图3是解释ELO沉积方法的图，其中布置多数窗口的阻止GaN生长 的掩膜配置在基片上，GaN生长超过窗口。图3 (1)是在基片上已经形 成含窗口的掩膜的情形的截面图。图3 (2)是表示在基片表面的窗口区域 已经创造GaN晶体种子的情形的截面图。图3 (3)是表示在基片表面的 窗口区域已经生长GaN薄层的情形的截面图。图3 (4)是描绘GaN晶体 生长已经超过窗口高度成为具有面的梯形金字塔形状的情形的截面图。图 3 (5)是描绘具有面的梯形金字塔中的GaN晶体生长超出窗口高度成为 具有面的金字塔形状的情形的截面图。图3 (6)是表示带面金字塔形状中 的GaN晶体横向生长超过窗口边沿并呈现梯形金字塔的情况的截面图。 图3 (7)是表示带面金字塔形状中的GaN晶体横向生长超过窗口边沿、生长超过邻接窗口的晶体在有垂直虚线的边界表面接触的情形的截面图。 图3 (8)是生长超过邻接窗口的GaN晶体己经填充越过边界线的情形的截面图。图4是缺陷种子掩膜一放置在重复等边三角形顶点位置的累积GaN 缺陷时成长GaN的材料一配置在蓝宝石、GaAs、 InP、 Si、 SiC、尖晶石 或GaN中任一种的单晶下层基片上或将GaN缓冲层成长到单晶基片上的下层基片上的平面图。图5是表示通过将缺陷种子掩膜X形成到下层基片或下层基片上累积的GaN缓冲层上从而加工GaN基片、和在其上生长GaN晶体的过程步骤 的截面图。图5 (1)是下层基片的截面图。图5 (2)是描绘均匀的GaN 缓冲层已经配置在下层基片顶部上的情形的截面图。图5 (3)是缺陷种子 掩膜X配置在GaN缓冲层顶部上的情形的截面图。图5 (4)是描绘当 GaN晶体生长到缺陷种子掩膜X上时，在缺陷种子掩膜X顶部生长封闭 缺陷聚集区域H;在除它们之外的区域上生长几乎无缺陷的具有斜面的低 位错伴生单晶区域Z;和在相应邻接掩膜X之间的边界的区域上生长低位 错残余的单晶区域Y的情形的截面图。图5 (5)是剥落生长的GaN的峰 和除掉下层基片实施平的GaN的情形的截面图。图6是用CL (阴极辉光)观察缺陷种子掩膜方法生长GaN时看到的 图案的图示。从种子掩膜X成长的是封闭缺陷聚集区域H;同心围绕种子 掩膜X成长的GaN部分是低位错伴生单晶区域Z;同心环外边的是低位 错残余单晶区域Y。图7是表示本发明一个方案的平面图，其中下层基片被如下掩膜补充 地覆盖配置在重复等边三角形的图案的顶点上的缺陷种子掩膜，和配置 在除种子掩膜外的大部分区域上的ELO掩膜， 一作为两层掩膜。大量微 小窗口的排列是ELO掩膜；等同大覆盖部分的是缺陷种子掩膜。图8是表示本发明的一个方案的平面图，其中下层基片被斜度M重 复的平行的条纹图案的缺陷种子掩膜和配置在除种子掩膜外的大部分区 域上的ELO掩膜补充地覆盖——成为两层掩膜。大量微小窗口的排列是 ELO掩膜；等同大条形覆盖部分的是缺陷种子掩膜。图9是表示本发明(两层掩膜)成长GaN的下层基片结构的截面图， 其中由SiN、Si02或SiON组成的ELO掩膜配置在下层基片(蓝宝石、GaAs、 InP、 Si、 SiC、尖晶石或GaN中任一种的单晶基片或其上配有GaN缓冲 层的基片)的顶部上，缺陷种子掩膜配置在ELO掩膜顶部上。图IO是表示涉及本发明(两层掩膜)的沉积GaN的下层基片结构的 截面图，其中由Si02组成的ELO掩膜配置在下层基片(蓝宝石、GaAs、 InP、 Si、 SiC、尖晶石或GaN中任一种的单晶基片上或其中在其上配有GaN缓冲层的基片)的顶部上，并由Pt/Ti组成的缺陷种子掩膜配置在ELO 掩膜顶部上。
具体实施方式
本发明在下层基片顶部补充地提供了一种减少初始阶段缺陷的ELO 掩膜F和生长时引起缺陷集中的缺陷种子掩膜X，和用气相沉积方法在其 上生长厚晶GaN。 一旦生长成足够厚的GaN单晶，用剥落法除去下层基 片和掩膜。1. 下层基片一使用能使GaN生长的单晶基片蓝宝石单晶、GaAs 单晶、尖晶石单晶、Si单晶、InP单晶、SiC单晶、GaN单晶，或在这些 单晶之一上薄薄地形成薄GaN缓冲层的下层基片。2. ELO掩膜——可以是SiN、 SiON或Si02。用溅射法或CVD形成 这些电介质层。膜厚约为30nm至200nm。3. 缺陷种子掩膜——可以是Pt、 Ti或Ni。用气相沉积、溅射或CVD 法形成这些金属层。尽管直接在基片顶部形成种子掩膜是可接受的，但是 将粗成品分层到ELO掩膜上和除去不需要的部分更加简单。那种情况意 味着将Pt、 Ti或Ni放置到SiN、 SiON或Si02的顶部。当使用Pt时，为 了提供粘附力插入Ti层。图9表示两层掩膜的截面图，其中缺陷种子掩 膜X分层到ELO掩膜上。图10表示Pt/Ti缺陷种子掩膜堆积和形成到Si02 ELO掩膜F上的一个例子。4. ELO掩膜窗口——ELO掩膜窗口的尺寸为约0.5toi至2tai。排列 窗口以便定位在系统地扩展的规则多面体形式的顶点。等边三角形扩展到 全部(等边三角形ELO)的图案、正方形扩展到全部的图案(正方形ELO) 和规则六边形扩展到全部(六边形ELO)的图案都是可能的。邻接窗口的 中心之间的距离L (L>E)为约1.5-5Wn。窗口轮廓可以是圆形、椭圆形、 规则的六边形、等边三角形或正方形。孔径比o (孔的对称表面面积对总 面积的比)为约20%至70%。其中圆窗口放置在分布的等边三角形图案的顶点的掩膜图示在图1 中。使形成图案的等边三角形的边为L (图案的周期)，窗口的直径为E， 那么孔径比o为o =兀E72 31/2L2。其中规则六边形窗口放置在分布的等边三角形图案的顶点的掩膜图示在图2中。使形成图案的等边三角形的 边为L，规则六边形窗口的最长对角线的长度为E，那么孔径比。为O二3E74L2。5. 缺陷种子掩膜的结构——缺陷种子掩膜X是仅组成覆盖样品、不 具有窗口的掩膜。缺陷种子掩膜X的图案直径B (它们为条形情况时的宽 度)和重复周期M远大于ELO掩膜的窗口尺寸E和重复周期L(B》E;M〉〉L)。 掩膜的轮廓可以为圆形、正方形、规则六边形、长方形、或条纹形("条 纹")。如果存在厄密点(hermit-point)圆形、正方形、规则六边形、长方 形或条纹形，它们将以二维形式规则地分布。直径B、排列周期M和排列 方式组成图案。在图7中，圆形缺陷种子掩膜X配置在重复等边三角形的 顶点处，ELO掩膜F配置在残余的空间中。该结构的ELO掩膜部分包含微 小窗口4和覆盖部分3。大的圆形覆盖部分为缺陷种子掩膜X。缺陷种子 掩膜X的直径B远大于EL0掩膜窗口直径E和周期L。缺陷种子掩膜X的 重复周期M大于EL0掩膜窗口的周期L。在种子掩膜为条形状(条形)的情况中，纵向尺寸将具有和下层基片 的边相同长度，因此仅宽度(B)和重复周期M为参数。缺陷种子掩膜图 案的尺寸B为约20Pm-8C^m， 50^m左右是最容易实施的。例如，条状的、 宽度B=50toi的缺陷种子掩膜X平行地形成到周期M=400toi的GaAs下 层基片上，在间隔350Pm的带状区域中形成ELO掩膜。换句话说，ELO 和下层基底上缺陷种子掩膜的图案可以实施为"5(mmX : 350WnF : 50Wn X:350toiF:....."，该图案好象在波动那样继续。产品可以用作用于加工 宽度为400Pm的LD设备的基片。平行扩展到ELO—和缺陷种子掩膜图 案的方向将和LD条形一致。6. 晶体成长方法一一以和薄膜相同的方式用气相沉积加工GaN基片 晶体。可以下面列出的任一方法。在任一方法中，初始时在低温下可以薄 薄地形成缓冲层(比掩膜薄)，但是可以没有缓冲层。1) HVPE (氢化物气相外延附生)将含有Ga金属的容器放置在热壁反应器中，外围配有加热器加热给 出熔融Ga，喷射HCl+氢气的气体制备GaCl;其向下导出并放置在其上氢 气+NH3的气体一起被加热的基片上，从而合成出GaN，将GaN晶体累积到晶片上。2) MOC方法(有机金属氯化物方法)含Ga的有机金属例如三甲基镓用氢气稀释的气体和用氢气稀释的氯 化氢气体在热壁炉内反应暂时合成GaCl;这和晶片附近流动的NH3(+H2) 气体反应，从而将GaN薄膜沉积到加热的晶片上。3) MOCVD (有机金属化学气相沉积)在冷壁反应器中，其中Ga有机金属例如TMG用氢气稀释的气体和 其中NH3用氢气稀释的气体被喷射到加热的晶片上，从而合成GaN，将 GaN晶体累积到晶片上。该方法最经常用作GaN薄膜沉积技术。将宽度为350Pm的由Si02制成的具有许多规则六边形窗口的ELO掩 膜F和宽度为50tai的由Pt/Ti制成的缺陷种子掩膜条纹形以400toi的周 期形成到2英寸的GaAs晶片上。开始时用HVPE在45(TC下沉积100nm 厚度的GaN缓冲层。在NH3气氛下将温度升高到95(TC。而且在高于950 。C的温度下进行GaN沉积，成长为100to厚度的GaN层。在缺陷种子掩 膜顶部生长封闭的聚集缺陷的区域H;在同心围绕它们的区域，生长低位 错伴生单晶区域Z;在边缘部分，生长低位错残余单晶区域Y。证实了这 些是形成在整个基片上(如图6所示)的事实。工业实用性在本发明中，减少早期阶段缺陷的ELO掩膜和引发缺陷集中的缺陷 种子掩膜补充性地配置在单晶蓝宝石、GaAs或InP的基片上或其上配有 GaN缓冲层的基片上。GaN极不可能生长的材料例如Si02、 SiON或SiN 被用作ELO掩膜材料，其上GaN不可能生长但能生长有许多缺陷的GaN 晶体的材料，例如Pt、 Ni或Ti，被用作缺陷种子掩膜。因此，在缺陷种子掩膜上已被集中(封闭缺陷聚集区域H)的GaN 缺陷在生长期间不消失。相反，在ELO掩膜的顶部不能产生缺陷集中的 区域。由于高密度，封闭缺陷聚集区域在缺陷种子掩膜顶部的一部分区域形 成，除了那部分的其它区域证实是低缺陷的，根据残余看，实现了低缺陷 密度GaN单晶的加工。
权利要求
1.一种如下制造的独立的低位错、低缺陷的GaN单晶基片(a)在气相沉积炉中放置附在掩膜上的蓝宝石、GaAs、InP、Si、SiC、尖晶石或GaN中任一种的单晶基片，该单晶基片如下制备形成作为蓝宝石、GaAs、InP、Si、SiC、尖晶石或GaN中任一种的单晶的下层基片，或形成其中将GaN缓冲层形成到这些的单晶基片上的下层基片，和在下层基片上形成由SiON、SiO2和SiN中任一种制成的用于ELO掩膜的薄膜，在用于ELO掩膜的薄膜上形成由Ti、Pt或Ni中任一种制成的用于缺陷种子掩膜的薄膜，通过蚀刻，除去用于缺陷种子掩膜的薄膜的一部分，所述一部分在将成为ELO掩膜F处，和通过蚀刻，在SiON、SiO2或SiN中任一种的暴露薄膜中形成规则排列和布置的窗口；(b)在附着掩膜的基片上供应含NH3的原材料和含Ga的原材料；(c)在ELO掩膜F的窗口中暴露的下层基片顶部最初地产生GaN晶种；(d)使已经超出窗口的GaN晶体横向生长到ELO掩盖部分上，所述窗口没有生长在ELO掩盖部分的顶部的GaN晶体也没有缺陷种子掩膜；(e)在从窗口横向生长的晶体膜分别接合后，使在ELO掩膜F上向上的低位错生长继续，并且在缺陷种子掩膜X上GaN积聚开始，因此含许多缺陷的GaN封闭的缺陷聚集区域H继续生长；并且，(f)一旦形成足够厚的GaN晶体，停止GaN沉积，将GaN晶体和附着的下层基片从气相沉积炉里取出，并且通过蚀刻或抛光除去下层基片和掩膜F和X。
2.如权利要求l所述的GaN单晶基片，其中在封闭的缺陷聚集区域H存在于缺陷种子掩膜X顶部的情况下，低位错伴生区域Z存在于区域H周围，并且低位错残余区域Y存在于区域H之间。
3.如权利要求l所述的GaN单晶基片，其特征在于封闭的缺陷聚集 区域H的形状是圆形，方形，正六边形，矩形或条纹状(有条纹的)。
全文摘要
一起使用ELO掩膜和缺陷种子掩膜的方法生长很少有位错的GaN晶体。ELO掩膜使得GaN晶体不能直接生长，但是能横向生长；缺陷种子掩膜使得缺陷集中的封闭缺陷聚集区域生长。材料SiN、SiON或SiO₂中任一种用于ELO掩膜，同时Pt、Ni或Ti材料中任一种用于缺陷种子掩膜。蓝宝石、GaAs、尖晶石、Si、InP、SiC等单晶基片或其中在这些的单晶基片上涂覆GaN缓冲层的下层基片，补充地提供ELO掩膜和缺陷种子掩膜以及GaN被气相沉积。
文档编号H01L21/20GK101241851SQ20071019580
公开日2008年8月13日 申请日期2003年1月23日 优先权日2002年4月30日
发明者冈久拓司, 秋田胜史 申请人:住友电气工业株式会社