專利名稱：含有GaN層的層疊基板及其制造方法與器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種含有GaN層的層疊基板及其制造方法以及使用了上述層疊基板 的裝置。
背景技術(shù)：
近年來，作為發(fā)光二極管(LED)用、異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBT)用等的器件用途，GaN 受到關(guān)注。通常，GaN的體結(jié)晶(bulk crystal)的生長極其困難，價格也極其昂貴，并且基 板的尺寸也為2-3英寸，低成本化困難方面也存在問題。為了避免這個問題，用于LED的 GaN使用在單晶SiC、單晶藍寶石上異質(zhì)外延生長而得到的物質(zhì)。但是，因為單晶SiC、單晶藍寶石的價格也很高，并且不存在大口徑的基板，所以妨 礙了普及。另外，這些材料與GaN之間存在較大的晶格不匹配，有必要在使GaN生長時設(shè)置 緩沖層，從而導(dǎo)致生產(chǎn)率大幅下降。近年，為了避免這些問題，提出使用鍺(111)的體結(jié)晶(非專利文獻1)。鍺(111) 與GaN具有較大的晶格不匹配度(約20%)，但由于二者的網(wǎng)格(mesh)比為5 4，所以 實質(zhì)的晶格不匹配度為0.4%左右。S卩，(111)鍺的單位晶格重復(fù)5次而GaN的單位晶格重 復(fù)4次時，晶格的位置再次一致。但是這種方法也有問題。雖說鍺與單晶SiC等相比容易 獲得大口徑的基板，但是由于鍺為稀有元素，所以其價格還是非常高而難以獲取。非專 利文獻 1 :“Germanium-a surprise base for high-quality nitrides (鍺-高質(zhì)量氮化物的驚喜基礎(chǔ))” Compound Semiconductor (化合物半導(dǎo)體)， pp. 14-16, April 200
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的要解決的問題在于，提供一種使用也可以形成大口徑的單晶作為基板的 含有GaN層的層疊基板及其制造方法、以及使用了該層疊基板的器件。上述課題由以下的手段⑴、(3)以及⑷來達成。一起列舉作為優(yōu)選實施方式的 ⑵和(5)。(1)含有GaN層的層疊基板的制造方法，其特征在于，包括鍺生長工序，其通過化 學(xué)氣相沉積法使鍺層在(111)硅基板上異質(zhì)外延生長；熱處理工序，其在700 90(TC的溫 度范圍內(nèi)對所得到的硅基板上的鍺層進行熱處理；和GaN生長工序，其在所述熱處理工序 之后使GaN在鍺層上異質(zhì)外延生長。(2)如(1)所記載的含有GaN層的層疊基板的制造方法，在鍺生長工序之前，使 SiGe層在硅基板上異質(zhì)外延生長。(3)含有GaN層的層疊基板，其特征在于，至少具有單晶硅基板、在該硅基板上 異質(zhì)外延生長的鍺層、以及在該鍺層上異質(zhì)外延生長的GaN層；在鍺層上不存在穿透位錯 (threading dislocation)；在硅基板和鍺層的界面附近局部存在位錯。(4)使用(3)中所記載的含有GaN層的層疊基板而制成的器件。
(5)如(4)中所記載的器件，該器件為LED元件或者HBT元件。根據(jù)本發(fā)明的制造方法，由于將(111)硅晶片作為基板，所以能夠以低成本制造8 英寸以上的大口徑基板的含有GaN層的層疊基板。另外，可以通過熱處理工序消除在異質(zhì) 外延生長的鍺層上所發(fā)生的穿透位錯。本發(fā)明的含有GaN層的層疊基板可以用于制造發(fā)光 二極管(LED)元件·異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBT)元件等器件。


圖1是表示本發(fā)明的含有GaN層的層疊基板的一例的簡要截面圖；圖2是表示本發(fā)明的含有GaN層的層疊基板的制造方法的一個實施方式的流程 圖；圖3是表示本發(fā)明的制造方法的熱處理工序中位錯的變化的示意性截面圖。圖中含有GaN層的層疊基板，3_(111)硅基板，5-SiGe層，7-鍺層，9_GaN層， 11-穿透位錯，13-位錯。
具體實施例方式(含有GaN層的層疊基板及其制造方法)本發(fā)明的含有GaN層的層疊基板的制造方法，其特征在于，包括鍺生長工序，其 通過化學(xué)氣相沉積法(CVD法)使鍺層在(111)硅基板上異質(zhì)外延生長；熱處理工序，其在 700 900°C的溫度范圍內(nèi)對所得到的硅基板上的鍺層進行熱處理；和GaN生長工序，其隨 后使GaN在鍺層上異質(zhì)外延生長。下面，邊參照附圖邊對上述的必須的三個工序進行說明。本發(fā)明的含有GaN層的層疊基板1，如圖1(a)中的示意性截面圖所示，在(111)硅 基板3上具有鍺層7以及GaN層9作為必須的層。需要說明的是，如圖1 (b)中的示意性截 面圖所示，也可以在硅基板3以及鍺層7之間具有SiGe層5作為緩沖層。含有GaN層的層疊基板的制造方法含有上述的鍺生長工序、熱處理工序以及GaN 生長工序三道工序，并且優(yōu)選按照此順序來實施三道工序。但是并不排除在此三道工序的 中途含有其他工序的情況。圖2是表示上述的制造方法的一個實施方式的工序圖。(鍺層生長工序)在本發(fā)明的制造方法中，使用硅基板作為基板，特別是優(yōu)選使用(111)硅基板，更 優(yōu)選使用單晶(111)硅晶片?；宓闹睆娇梢赃x用至8 10英寸的大口徑。硅(111)的晶格常數(shù)為3.84A,鍺(111)的晶格常數(shù)為4.00 A。硅和鍺的晶格不 匹配度為4%。為了使鍺在(111)硅基板上異質(zhì)外延生長，使用化學(xué)氣相沉積法(CVD)。鍺的生長條件能夠以L. Colace et al.，Appl. Phys. Lett. 72 (1998) 3175所記載的 條件為基準(zhǔn)。通過利用GeH4作為使用氣體、在超高真空下(2X ICT8Pa以下)以600°C進行 生長，能夠使生長膜的厚度為約200nm。鍺層的厚度優(yōu)選為50 500nm。(熱處理工序)如上所述，因為硅和鍺的晶格不匹配度為4%，所以鍺層上發(fā)生許多穿透位錯(向
4鍺層的穿透方向上發(fā)生的位錯)。但是，通過追加的熱處理，可以使位錯集中到硅基板和鍺 層的界面附近。 作為此時的熱處理條件，可以在N2氣氛、常壓進行處理，采用700 900°C且0. 5 3小時、優(yōu)選800°C且約1小時的溫度和時間，使用通常的擴散爐來進行。圖3示意性地示出熱處理所帶來的變化。如圖3(a)所示，位于鍺層7的穿透位 錯11，如圖3(b)所示，通過上述的熱處理向硅基板3和鍺層7的界面附近的位錯13變性 (modify) 0而且，通過使GaN層9異質(zhì)外延生長(后述)，如圖3(c)所示，能夠使鍺層9在 鍺層7上生長。關(guān)于(001)硅基板上的鍺膜，在下列參考文獻中有報告。(M. Halbwaxet. al.， “UHV-CVD growth and annealing of thin fully relaxed Ge films on (001) Si，，, Optical Materials,27(2005)，pp. 822—825).穿透位錯出現(xiàn)在鍺(Ge)層的表面時，可以認為這種缺陷也傳播到了生長GaN膜 上。因為在該傳播的穿透位錯的周邊發(fā)光強度明顯減少，所以在制造發(fā)光元件時成為大問 題。但是，通過對已異質(zhì)外延生長的Ge層進行熱處理，能夠使Ge層中的穿透位錯向在硅基 板和Ge層界面附近局部存在的位錯變性。由此，通過該熱處理工序而使其變性為環(huán)狀的位 錯，不但最終獲得高品質(zhì)的GaN膜，而且硅與SiC、藍寶石不同，其具有導(dǎo)電性，所以還具有 容易取得接觸的優(yōu)點。(SiGe層的形成工序)當(dāng)然，在硅基板和鍺層之間能夠形成用于緩和晶格不匹配的緩沖層。優(yōu)選將SiGe 層作為緩沖層。該緩沖層能夠通過基于化學(xué)氣相沉積法(CVD)的異質(zhì)外延生長來形成。將GeH4及SiH4作為使用氣體，在超高真空下(2 X 10_8Pa以下)在600°C進行生長， 從而能夠使SiGe膜生長。優(yōu)選使SiGe層的厚度為約10 lOOnm，更加優(yōu)選使其為20 50nmo(GaN層生長工序)使GaN層在上述的鍺層上異質(zhì)外延生長。通過該GaN層生長工序，能夠獲得 尺寸與硅基板相同的GaN異質(zhì)外延膜。作為使GaN層生長的方法，有分子射線外延法 (Molecular Beam Epitaxy :MBE 法)和有機金屬氣相生長法(Metal Organic Chemical Vapor Deposition :MOCVD法)，但優(yōu)選MBE法。這是因為，MBE法可以在800°C以下成膜，與 此相對，MOCVD法通常需要為1000 1100°C，對于融點940°C的鍺而言難以創(chuàng)造條件。(MBE 法)MBE法是半導(dǎo)體的結(jié)晶生長中使用的手法之一。被分類為真空蒸鍍法，從原料供給 機構(gòu)釋放的GaN作為束狀分子射線在被蒸鍍體生長為薄膜。在超高真空(KT8Pa左右)下進行生長。只要對條件進行選擇，則可以在保持面方 位關(guān)系的情況下直接進行沉積，使得GaN外延生長。所使用的裝置為本領(lǐng)域技術(shù)人員所公 知，例如可以參照權(quán)田俊一所著的“分子射線外延生長”(陪風(fēng)館)。(含有GaN層的層疊基板)本發(fā)明的含有GaN層的層疊基板，其特征在于，至少具有單晶硅基板、在該硅基板 上異質(zhì)外延生長的鍺層、以及在該鍺層上異質(zhì)外延生長的GaN層，在鍺層不存在穿透位錯， 在硅基板和鍺層的界面附近局部存在位錯。
下面，對含有GaN層的層疊基板進行說明，但基本上與上述的含有GaN層的層疊基 板的制造方法的說明重復(fù)，所以只進行簡單說明。(位錯的觀察)可以使用透射型電子顯微鏡(TEM)對鍺層內(nèi)的位錯進行觀察。(使用含有GaN層的層疊基板的器件的制造)本發(fā)明的含有GaN層的層疊基板能夠被廣泛用于器件的制造中。該器件包括LED元件以及電子器件，作為該電子器件，可以例示HBT元件。作為LED元件(發(fā)光元件)，能夠制造藍色發(fā)光元件，并且能夠以公知的方法制造。與通過同質(zhì)外延生長法制造氮化鎵藍色發(fā)光元件的情況相比，使用本發(fā)明的含有 GaN層的層疊基板而制成的器件，在廉價方面具有優(yōu)勢。同質(zhì)外延生長法中所使用的GaN體 晶(bulk)直徑小、價格高，但在本發(fā)明的方法中，能夠使用大口徑的硅基板作為起始基板 使用，所以能夠以差異懸殊的極低成本制造GaN器件。使用了氮化鎵半導(dǎo)體的HBT元件(異質(zhì)結(jié)雙極晶體管元件)能夠以公知的方法制 造。具體的制造方法涉及多方面，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠進行適當(dāng)?shù)倪x擇。(實施例1)通過化學(xué)氣相沉積法(CVD法)使(111)鍺直接在(111)硅基板上外延生長，以使 在硅上的厚度大約為lOOnm，并在800°C下進行熱處理。隨后，通過MBE法使GaN生長，得到 約為50nm的GaN膜。以X射線衍射對該GaN膜進行分析，結(jié)果觀察到380arcsec左右的尖 銳的峰，從而確認出GaN單晶在生長。通過TEM(Transmission Electron Microcopy)法觀察所得到的含有 GaN 層的層
疊基板的截面，結(jié)果未在鍺層觀察到穿透位錯，在硅基板和鍺層的界面附近局部存在有位
ilt 曰ο(實施例2)使用GeH4和SiH4氣體，通過化學(xué)氣相沉積法(CVD法)使(111) SiGe層在(111) 硅基板上生長30nm左右，然后使(111)鍺層外延生長，在80(TC下進行了熱處理。隨后，通 過MBE法使GaN生長，得到了約50nm的GaN膜。用X射線衍射對該GaN膜進行分析，結(jié)果 與實施例1 一樣觀察到380arcsec左右的尖銳的峰，從而能夠確認出GaN單晶在生長。通過TEM法觀察所得到的含有GaN層的層疊基板的截面，結(jié)果未在鍺層觀察到穿 透位錯，在硅基板和鍺層的界面附近局部存在有位錯。(實施例3)使用8英寸的(111)硅基板進行與實施例2同樣的實驗。在中心部分以及距周邊端部Icm的部分通過X射線分析法對成膜后的GaN膜進行 了分析。未觀察到二者之間有顯著差異，但觀察到二者均有尖銳的峰。
權(quán)利要求
一種含有GaN層的層疊基板的制造方法，其特征在于，包括鍺生長工序，其通過化學(xué)氣相沉積法使鍺層在(111)硅基板上異質(zhì)外延生長；熱處理工序，其在700～900℃的溫度范圍內(nèi)對所得到的硅基板上的鍺層進行熱處理；和GaN生長工序，其在所述熱處理工序之后使GaN在鍺層上異質(zhì)外延生長。
2.如權(quán)利要求1所述的含有GaN層的層疊基板的制造方法，其中，在鍺生長工序之前， 使SiGe層在硅基板上異質(zhì)外延生長。
3.一種含有GaN層的層疊基板，其特征在于，至少具有單晶硅基板、在該硅基板上異質(zhì)外延生長的鍺層、以及在該鍺層上異質(zhì)外延 生長的GaN層；在鍺層上不存在穿透位錯；在硅基板和鍺層的界面附近、或者在SiGe層和鍺層的界面附近局部存在位錯。
4.一種器件，其特征在于，使用權(quán)利要求3所述的含有GaN層的層疊基板而制成。
5.如權(quán)利要求4所述的器件，其中，該器件為LED元件或者HBT元件。
全文摘要
一種使用也可以成為大口徑的單晶作為基板、含有GaN層的層疊基板及其制造方法以及使用了所述層疊基板的器件。本發(fā)明的層疊基板的制造方法包括鍺生長工序，其通過化學(xué)氣相沉積法使鍺層在(111)硅基板上異質(zhì)外延生長；熱處理工序，其在700～900℃的溫度范圍內(nèi)對所得到的硅基板上的鍺層進行熱處理；和GaN生長工序，其隨后使GaN在鍺層上異質(zhì)外延生長。
文檔編號H01L33/00GK101896648SQ200880120249
公開日2010年11月24日 申請日期2008年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月13日
發(fā)明者秋山昌次 申請人:信越化學(xué)工業(yè)株式會社