專利名稱：Ⅲ族氮化物晶體的制造方法、Ⅲ族氮化物晶體襯底及Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及低位錯密度的in族氮化物晶體的制造方法、通過該制
造方法得到的III族氮化物晶體襯底和包含III族氮化物晶體襯底的III 族氮化物半導(dǎo)體器件。
背景技術(shù)：
III族氮化物晶體應(yīng)用在發(fā)光器件一一比如發(fā)光二極管(LED)和 激光二極管(LD)、電子器件_一比如整流器、雙極晶體管、場效應(yīng) 晶體管和高電子遷移率晶體管(HEMT)、半導(dǎo)體傳感器__比如溫度 傳感器、壓力傳感器、輻射傳感器和可見盲紫外探測器、表面彈性波 器件(SAW器件)、加速度傳感器、微機電系統(tǒng)部件(MEMS部件)、 壓電振動子、共振器和壓電致動器中。為了改進各種器件的性能特性， 在應(yīng)用到這些部件中之后，尋求位錯密度低的III族氮化物晶體。
制造III族氮化物晶體以使其具有低位錯密度的推薦方法包括以 下方法。日本專利申請?zhí)亻_2003-183100號公布(下文中稱作"專利文 獻l")公開了一種晶面生長方法，在該晶面生長方法中，被構(gòu)圖成規(guī) 則的帶的掩模被設(shè)置在下襯底上，并在形成多晶面的、直線狀V凹槽 并保持該凹槽的同時在該掩模的頂上氣相沉積GaN晶體，并由此GaN 晶體內(nèi)的位錯被聚集在V凹槽的正下方(位錯集中的區(qū)域被稱作"晶 體缺陷聚集區(qū)域")，從而降低了周圍的位錯密度。
采用專利文獻1的前述的晶面生長方法，除晶體缺陷聚集區(qū)域以 外的區(qū)域的位錯密度可以被降低到lxl05cm—2的水平，而晶體缺陷聚集 區(qū)域的位錯密度將是高的。此外，在這樣的缺陷聚集區(qū)域中，沿著<0001〉方向的極性通常相對于除聚集缺陷的區(qū)域以為的晶體區(qū)域反
轉(zhuǎn)。將III族氮化物半導(dǎo)體層外延生長到通過晶面生長而得到的GaN晶 體襯底上的隨后的挑戰(zhàn)意指低的半導(dǎo)體器件良率。
同時，日本專利申請?zhí)亻_平H10-312971號公布(下文中的"專利 文獻2")公開了一種外延橫向過生長(ELO)法，在該ELO法中， 將GaN薄膜形成到例如藍(lán)寶石上來制備下襯底，從該下襯底的頂上形 成例如具有孔的Si02的掩模，通過孔在掩模上橫向外延生長GaN晶體。
專利文獻2的前述的ELO法使晶體橫向生長而不出現(xiàn)應(yīng)力和裂縫 的可能，由此通過與直接在下襯底上生長GaN晶體的情況相比降低了 位錯密度；而新的位錯出現(xiàn)在橫向生長晶體接合處，這就使得位錯密 度難以降低到lxl07cnf2以下。由于這個原因，使這樣的GaN襯底實 際作為LD的襯底存在困難。
在另一方案中，美國特許第5，868，837號說明書(下文中的"專利 文獻3")公開了一種鈉助熔劑法，在該方法中，在大約60(TC至800 "C的溫度下、在處于大約5MPa的壓力下的氮氣氣氛中，將氮氣提供到 Ga-Na熔融體以生長GaN晶體。
專利文獻3的前述鈉助熔劑法使得可以在比較適于液相法的溫度 和壓力條件下生長低位錯密度、低缺陷的GaN晶體，然而晶體生長速 率慢，這就使得難以得到體GaN晶體。
在又一方法中，日本專利特開2004-221480號公布(下文中的"專 利文獻4")公開了將不同極性A、 B域共存的起始襯底形成為骨架 襯底，其中，通過蝕刻己經(jīng)去除了極性域中的任一個的一部分或全部， 并通過在骨架襯底上生長與襯底相同的材料的晶體、將具有另一極性 的晶體填充在給定的去除部分中從而得到整個表面具有另一極性的晶
體。然而，對于專利文獻4的方法而言，因為一個極性的域是其中相對于另一極性的域而反轉(zhuǎn)<0001>方向的極性的域，所以當(dāng)利用氣相法 通過晶體生長填充這些域時，發(fā)生其中這些域的極性(一個極性)得 以繼承的生長。因此，就將用具有另一極性的晶體來覆蓋整個晶體表 面來說，襯底中的一個極性的域的全部或一部分必須被蝕刻深去除， 這使得制造方法復(fù)雜化。
專利文獻l:日本專利特開2003-183100號公布 專利文獻2:日本專利特開平H10-312971號公布 專利文獻3:美國特許第5868837號說明書 專利文獻4:日本專利特開2004-221480號公布

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的問題
本發(fā)明的目的在于通過提供制造至少表面的位錯密度全面地低 的體III族氮化物晶體的方法、通過所述制造方法得到的III族氮化物 晶體襯底和包含所述III族氮化物晶體襯底頂部的III族半導(dǎo)體器件， 來解決上述討論的問題。
解決問題的手段
本發(fā)明是III族氮化物晶體制造方法，包括制備含有III族氮化
物籽晶的下襯底的步驟，III族氮化物籽晶具有基體和反轉(zhuǎn)域，在反轉(zhuǎn)
域中，相對于基體而反轉(zhuǎn)<0001>方向的極性；和通過液相法在下襯底 的基體和反轉(zhuǎn)域上生長ni族氮化物晶體的步驟；其特征在于，第一區(qū)
域覆蓋第二區(qū)域，其中，在第一區(qū)域中，生長到基體上的III族氮化物 晶體的生長速率較大，在第二區(qū)域中，生長到反轉(zhuǎn)域上的III族氮化物 晶體的生長速率較小。
在涉及本發(fā)明的III族氮化物晶體制造方法中，下襯底可以是反轉(zhuǎn)
域的表面相對于基體表面凹陷的襯底。另外，沿著下襯底上的{0001}
面，反轉(zhuǎn)域可以為多個帶狀區(qū)域的形式，且?guī)顓^(qū)域以規(guī)則的間隔彼此平行布置?？蛇x地，沿著下襯底上的{0001}面，反轉(zhuǎn)域可以為多個 點狀區(qū)域的形式，且點狀區(qū)域以規(guī)則的間隔二維地布置。還預(yù)期的是，
反轉(zhuǎn)域是蜂房的形式，被二維地布置成沿著襯底上的{0001}面的密堆
積正六邊形。
另外，在涉及本發(fā)明的III族氮化物晶體制造方法中，III族氮化
物晶體可以生長到1/mi以上的厚度。此外，III族氮化物晶體在其表面 可以具有l(wèi)xio5Q，m以上的電阻率。另外，可以在氮化物反應(yīng)容器中生 長III族氮化物晶體。
另外，使通過液相法已生長到下襯底上的in族氮化物晶體進一步
通過氣相法生長的步驟可以被包括在涉及本發(fā)明的III族氮化物晶體制 造方法中。
此外，本發(fā)明還是通過對利用上述的制造方法而制作的III族氮化 物晶體進行加工而得到的III族氮化物晶體襯底。在此，對III族氮化 物晶體進行的加工可以包括對III族氮化物晶體進行切割或解理的步 驟。而且，本發(fā)明還是其中將至少單個疊層體III族氮化物半導(dǎo)體層形
成到前述的m族氮化物晶體襯底上的in族氮化物半導(dǎo)體器件。 本發(fā)明的效果
本發(fā)明提供了制造至少表面位錯密度是全面地低的體ni族氮化 物晶體的方法、提供了通過所述制造方法制作的ni族氮化物晶體襯底 以及包含iii族氮化物晶體襯底的ni族氮化物半導(dǎo)體器件。


圖ia以圖示了涉及本發(fā)明的m族氮化物晶體制造方法的一個實 施方式的概略剖面圖，示出制備下襯底的步驟。
圖ib以圖示了涉及本發(fā)明的in族氮化物晶體制造方法的該一個 實施方式的概略剖面圖，示出通過液相法來生長ni族氮化物晶體的步驟。
圖2A以圖示了涉及本發(fā)明的m族氮化物晶體制造方法的另一個
實施方式的概略剖面圖，示出制備下襯底的步驟。
圖2B以圖示了涉及本發(fā)明的III族氮化物晶體制造方法的該另一 個實施方式的概略剖面圖，示出通過液相法來生長III族氮化物晶體的步驟。
圖3是示出在涉及本發(fā)明的m族氮化物晶體制造方法中利用的下 襯底中的反轉(zhuǎn)域布局的一個示例的概略平面圖。
圖4是示出在涉及本發(fā)明的III族氮化物晶體制造方法中利用的下
襯底中的反轉(zhuǎn)域布局的另一個示例的概略平面圖。
圖5是示出在涉及本發(fā)明的III族氮化物晶體制造方法中利用的下 襯底中的反轉(zhuǎn)域布局的又一個示例的概略平面圖。
圖6是示出在涉及本發(fā)明的III族氮化物晶體制造方法中利用的下 襯底中的反轉(zhuǎn)域布局的又一個示例的概略平面圖。
圖7是示出在涉及本發(fā)明的III族氮化物晶體制造方法中利用的下 襯底中的反轉(zhuǎn)域布局的又一個示例的概略平面圖。
圖8是示出在涉及本發(fā)明的III族氮化物晶體制造方法中利用的下 襯底中的反轉(zhuǎn)域布局的又一個示例的概略平面圖。
圖9是示出在涉及本發(fā)明的III族氮化物晶體制造方法中利用的下 襯底中的反轉(zhuǎn)域布局的又一個示例的概略平面圖。
圖IOA以圖示了涉及本發(fā)明的III族氮化物晶體制造方法的又一個 實施方式的概略剖面圖，示出通過液相法來生長到下襯底上的III族氮 化物晶體。
圖IOB以圖示了涉及本發(fā)明的III族氮化物晶體制造方法的該又一 個實施方式的概略剖面圖，示出形成III族氮化物晶體襯底的步驟。
圖11A以圖示了涉及本發(fā)明的m族氮化物晶體制造方法的再一個 實施方式的概略剖面圖，示出通過液相法生長到下襯底上的III族氮化 物晶體。
圖IIB以圖示了涉及本發(fā)明的III族氮化物晶體制造方法的該再一
個實施方式的概略剖面圖，示出使已經(jīng)通過液相法生長的in族氮化物晶體進一步通過氣相法生長的步驟。
圖IIC以圖示了涉及本發(fā)明的III族氮化物晶體制造方法的該再一 個實施方式的概略剖面圖，示出形成III族氮化物晶體襯底的步驟。
圖12是圖示了涉及本發(fā)明的III族氮化物半導(dǎo)體器件的一個示例 的概略剖面圖。
圖13是圖示了涉及本發(fā)明的III族氮化物半導(dǎo)體器件的另一個示 例的概略剖面圖。
圖例
1:下襯底
If:正方形
lg:正三角形
lh:正六邊形
Is:基體
It:反轉(zhuǎn)域
lta、 ltb:帶狀域
ltm、 ltn:點狀域
2:晶體生長溶液
3:含氮氣體
7:反應(yīng)容器
10: III族氮化物晶體
10S:第一區(qū)域
10t:第二區(qū)域
10v:氣相沉積區(qū)
100: III族氮化物晶體襯底
110、 120: III族氮化物半導(dǎo)體層
111: n型Al(uGao.9N披覆層
112: n型GaN引導(dǎo)層 113:多量子阱活性層
114: p型Alo.2Ga。.sN保護層115:p型GaN引導(dǎo)層
116:p型Al(uGa。.9N披覆層
117:p型GaN接觸層
118:p側(cè)電極
119:n側(cè)電極
121:未摻雜的AlQ.26GaQ.74N隔離層
122:Si摻雜的n型Al。.26Ga().74N載流子供給層
123:Si摻雜的n型GaN接觸層
125:柵極電極
126:源極電極
127:漏極電極
具體實施方式
(實施方式1)
參照圖1，涉及本發(fā)明的III族氮化物晶體制造方法的一個實施方
式包括制備含有m族氮化物籽晶的下襯底1的步驟(圖1A) ， III
族氮化物籽晶具有基體Is和反轉(zhuǎn)域lt，在反轉(zhuǎn)域It中，相對于基體 Is而反轉(zhuǎn)<0001>方向的極性；通過液相法在下襯底1的基體Is和反轉(zhuǎn)
域it上生長m族氮化物晶體io的步驟(圖1B)。在此，該實施方式
的特征在于第一區(qū)域10s覆蓋第二區(qū)域10t，其中，在第一區(qū)域10s 中，生長到基體ls上的III族氮化物晶體lO的生長速率較大，在第二
區(qū)域iot中，生長到反轉(zhuǎn)域it上的m族氮化物晶體io的生長速率較 小。
在實施方式i中，通過液相法，將in族氮化物晶體io生長到含 有in族氮化物晶體的下襯底i上，其中，in族氮化物晶體具有基體 ls和反轉(zhuǎn)域lt，在反轉(zhuǎn)域it中，相對于基體Is而反轉(zhuǎn)oooi〉方向的
極性。具體來說，首先，將下襯底1放置在反應(yīng)容器7中，環(huán)繞下襯
底i形成含有ni族元素的晶體生長溶液2。接著，將含氮氣體3提供
到晶體生長溶液2中，以在下襯底1上生長III族氮化物晶體10?？蛇x地，可以將含氮物質(zhì)(例如，III族氮化物)溶解在晶體生長溶液2中， 以在下襯底上生長III族氮化物晶體。
在下襯底l中，例如，如專利文獻1的第
段至第
段所 描述的，以氫化物氣相外延(HVPE)為手段通過晶面生長法，來制造 m族氮化物籽晶，從而降低了 III族氮化物籽晶的基體ls的位錯密度， 而III族氮化物籽晶的反轉(zhuǎn)域lt的位錯密度比基體ls的位錯密度高。
在此，圖i示出下襯底i是由基體is和反轉(zhuǎn)域it形成的m族氮化物
晶體的情形，但是也可以利用其中由基體ls和反轉(zhuǎn)域lt組成的III族
氮化物晶體形成在除III族氮化物晶體之外的異種襯底上的下襯底(未 示出)。
在III族氮化物晶體10中，生長到下襯底1的基體ls上的第一區(qū) 域10s生長為繼承基體ls的極性且位錯密度低的晶體。同時，在III 族氮化物晶體10中，生長到下襯底1的反轉(zhuǎn)域lt上的第二區(qū)域iot生
長為繼承反轉(zhuǎn)域lt的極性且位錯密度高的晶體。因此，在III族氮化物
晶體10中的第二區(qū)域10t中，相對于第一區(qū)域108而反轉(zhuǎn)<0001>方向
的極性，且位錯密度升高。
然而，第一區(qū)域10s的晶體生長速率大于第二區(qū)域10t的晶體生長 速率。因此，與III族氮化物晶體10的生長一起，第一區(qū)域10s覆蓋并 掩埋第二區(qū)域10t。以這種方式生長III族氮化物晶體10導(dǎo)致其中僅第 一區(qū)域10s存在的晶體，且晶體生長超出特定的厚度，這使得可以制造 出至少其表面具有單一極性且位錯密度在整個表面全面地低的III族氮 化物晶體。即，在該實施方式中，注意的事實是第一區(qū)域10s的晶體 生長速率高于第二區(qū)域lOt的生長速率，使得能夠制造至少其表面具有 單一極性且位錯密度在整個表面全面地低的III族氮化物晶體，而不用 在專利文獻4中闡述的下襯底中深度蝕刻來去除一個極性的域的全部 或一部分。正如之前所描述的，本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)了新現(xiàn)象，其中在通 過液相法生長的III族氮化物晶體中，晶體生長到籽晶中的反轉(zhuǎn)域上的 生長速率和晶體生長到籽晶中的基體上的生長速率之間存在大的差 異。本發(fā)明的一個特征在于利用該發(fā)現(xiàn)，以提供一種技術(shù)，利用所述 技術(shù)，通過制備缺陷密度區(qū)域性地高的反轉(zhuǎn)域的籽晶并掩埋反轉(zhuǎn)域， 來制造至少在表面中極性全面單一和位錯密度全面地低的晶體。
在此，在III族氮化物晶體的生長時，由反轉(zhuǎn)域lt的表面面積和 III族氮化物晶體IO的晶體生長條件來確定第二區(qū)域10t變成被第一區(qū) 域10s覆蓋的晶體厚度(與下文中一樣，也被稱作"第二區(qū)域覆蓋晶體 厚度")。
在實施方式1中，雖然沒有特別地限定用于在下襯底1上生長III
族氮化物晶體10的液相法，但是由于產(chǎn)生高溫、高壓條件(由此III 族氮化物晶體變得熔融)對于制造實用的2英寸直徑的晶體的設(shè)備存
在困難，因此優(yōu)選利用溶液沉積法。另外，從工作的安全方面來看， 特別優(yōu)選主要利用含III族元素的熔融體來作為溶液。
在實施方式i中，包含在下襯底i中的in族氮化物籽晶中的基體 ls和反轉(zhuǎn)域it的布局沒有被特別限定，但是從在m族氮化物晶體10 的生長過程中允許第一區(qū)域ios有效率地覆蓋第二區(qū)域iot來看，優(yōu)選 使該布局作為下面的實施方式。
實施方式1A
參照圖3至圖5，在下襯底1中的反轉(zhuǎn)域lt的布局的一個實施方
式中，沿著下襯底1上的{0001}面，反轉(zhuǎn)域lt為多個帶狀域lta和ltb 的形式，且?guī)钣騦ta和ltb中的每個以規(guī)則的間隔彼此平行地布置。 從執(zhí)行均一的晶體生長來看，優(yōu)選的是帶狀域lta和ltb中的每個具
有預(yù)定的寬度W，并以預(yù)定的間距P彼此平行地布置。另外，帶狀域
lk和ltb中的每個的帶的方向沒有被特別地限定，但是從穩(wěn)定地生長反轉(zhuǎn)域來看，帶的方位優(yōu)選地與<1-100>或<11-20>方向平行。這是因為如 下事實在液相沉積中，與HVPE和其它的高產(chǎn)率的氣相法中的生長 速率相比，生長速率較低，并且導(dǎo)致反映結(jié)晶結(jié)構(gòu)的晶癖(crystal habit) 易于出現(xiàn)，這意味著六棱柱狀的或六邊梯形狀的梯臺(terrace)(未示 出)易于形成在生長晶體的表面上，在III族氮化物晶體10生長時， 主要沿著與<0001〉方向垂直的方位以及沿著與<1-100〉方向垂直的方 位的梯臺的側(cè)面的晶體生長導(dǎo)致第一區(qū)域10s在彼此平行的各面接合， 這樣促進了第一區(qū)域10s的生長。
各帶狀域中的帶方位與<1-100〉方向平行的示例在圖3中示出，帶 方位與<11-20>方向平行的示例在圖4中示出，帶方位與相對于<1-100> 方向沿著<11-20>方向旋轉(zhuǎn)45°的方向平行的示例在圖5中示出。
實施方式1B
參照圖6和圖7，在下襯底1中的反轉(zhuǎn)域lt的布局的又一實施方 式中，沿著下襯底上的{0001}面，反轉(zhuǎn)域lt為多個點狀域ltm和ltn的
形式，且點狀域1U和ltn中的每個以規(guī)則的間隔二維地布置。與將反
轉(zhuǎn)域lt布置為帶狀域(實施方式1A)相比，將反轉(zhuǎn)域lt布置為點狀
域1W和ltn使得基體1S的表面面積能夠增大，這意味著將要生長的III
族氮化物晶體中的第一區(qū)域10s (低位錯密度區(qū)域)的表面面積增加，
從而即使III族氮化物晶體厚度較小，第二區(qū)域(高位錯密度區(qū)域)也
可以被覆蓋。
在此，二維的、規(guī)則的布局不受特別的限定。在圖6中，直徑為
W的點狀域1U和ltn的布置方式為它們的中心分別處于密堆積
(close-packed)正方形If的頂點，且所述正方形If被二維地布置并具 有邊P。在此，正方形lf的對邊中的任意一對的方位平行于<1-100>方
向。換言之，直徑為W的點狀域ltm和ltn中的每個被布置成平行于
<1-100>方向和<11-20>方向，且具有恒定的間距P。此外，如圖7所示，從易于將位錯集中到反轉(zhuǎn)域來看，直徑為W 的點狀域1U和ltn的優(yōu)選布置方式為它們的中心分別位于密堆積正 三角形lg的頂點處，且所述正三角形lg被二維地布置并具有邊P。在 此，上述正三角形lg中的每個的任意一邊的方位具體優(yōu)選地平行于 <1-100>方向。這是因為在液相沉積中，六棱柱狀的或六邊梯形狀的梯 臺(未示出)易于形成在生長晶體的表面上，在III族氮化物晶體10 的生長過程中，梯臺的側(cè)面主要沿著垂直于<0001>方向的方位以及沿
著垂直于<1-100>方向的方位生長這一事實，導(dǎo)致第一區(qū)域10s在彼此 平行的各面接合，這就促進了第一區(qū)域10s的生長。
實施方式1C
參照圖8和圖9，在下襯底中的反轉(zhuǎn)域lt的布局的又一實施方式 中，反轉(zhuǎn)域lt為蜂房形式，沿著下襯底1上的{0001}面二維地布置成 密堆積正六邊形lh，且具有L邊。在此，"蜂房"意指具有其中心在 正六邊形lh的六邊上的寬度W的區(qū)域，如圖8和圖9所示。
在此，上述六邊的方位不受特別限定，但是從穩(wěn)定地生長反轉(zhuǎn)域 來看，優(yōu)選地平行于<1-100>方向或<11-20>方向。III族氮化物晶體具 有纖鋅礦型結(jié)晶結(jié)構(gòu)，由于纖鋅礦型結(jié)晶結(jié)構(gòu)是沿著{0001}面的六重 對稱，因此圖8所示的上述六邊的方位平行于<11-20>方向，圖9所示 的上述六邊的方位平行于<1-100>方向。此外，特別優(yōu)選地，這六邊的 方位平行于<1-100>方向。這是因為在液相沉積中，六棱柱狀的或六邊 梯形狀的梯臺(未示出)容易形成在晶體生長表面上，且由于梯臺的 側(cè)面沿著垂直于<0001>方向的方向以及垂直于<1-100>方向的方向生 長，因此在III族氮化物晶體10的生長中的第一區(qū)域10s沿著彼此平行 的面接合，這有助于促進第一區(qū)域10s的生長。
另外，在實施方式1中，III族氮化物晶體優(yōu)選地生長到以上 的厚度。因為通過液相法在下襯底1的基體ls和反轉(zhuǎn)域lt上生長厚度 為1/mi以上的III族氮化物晶體10這保證了第一區(qū)域10s覆蓋第二區(qū)域10t，所以可以容易地制造出至少其表面具有單一極性且位錯密度在 表面全面地低的III族氮化物晶體。
另外，在III族氮化物晶體中，從形成例如在HEMT中采用的高 電阻率襯底來看，表面優(yōu)選地具有l(wèi)xl05Q*cm以上的電阻率。在此， 可以通過上述制造方法容易地制造出其表面具有l(wèi)xl05fi*cm以上的電 阻率的III族氮化物晶體。
此外，在實施方式1中，用于生長III族氮化物晶體的反應(yīng)容器不 受特別限定，只要它具有足夠的耐熱性、化學(xué)上穩(wěn)定且機械強度高， 反應(yīng)容器優(yōu)選地由氧化物比如氧化鋁(A1203)或氮化物比如熱解氮化 硼(pBN)形成。從防止雜質(zhì)混合到晶體和使得制造低位錯密度、高電 阻率晶體能夠更容易來看，反應(yīng)容器更優(yōu)選地由氮化物比如pBN形成。
(實施方式2)
參照圖2，涉及本發(fā)明的III族氮化物晶體的另一實施方式包括 制備含有III族氮化物籽晶的下襯底1的步驟(圖2A) ， III族氮化物 籽晶具有基體ls和反轉(zhuǎn)域lt，在反轉(zhuǎn)域lt中，相對于基體ls而反轉(zhuǎn) <0001>方向的極性；通過液相法在下襯底1的基體ls和反轉(zhuǎn)域lt上生 長III族氮化物晶體10的步驟(圖2B)。在此，該實施方式的特征在 于第一區(qū)域10s覆蓋第二區(qū)域10t，在第一區(qū)域10s中，生長到基體 ls上的III族氮化物晶體10的生長速率較大，在第二區(qū)域10t中，生長 到反轉(zhuǎn)域it上的m族氮化物晶體IO的生長速率較小。另外，該實施
方式的特征在于在下襯底1中，反轉(zhuǎn)域lt的表面相對于基體ls的表
面凹陷。
艮口，在該實施方式中，參照圖2，在用于生長實施方式1中的III 族氮化物晶體10的下襯底1中，反轉(zhuǎn)域lt的表面相對于基體ls的表 面凹陷。更準(zhǔn)確地，下襯底1具有包括凹陷和梯臺的表面，反轉(zhuǎn)域lt 的表面形成凹陷，而基體ls的表面形成梯臺。在該實施方式中，下襯底1的反轉(zhuǎn)域lt的表面相對于下襯底1的 基體1S的表面凹陷這一事實，使得在下襯底1的表面上生長III族氮化 物晶體10時，與實施方式1相比，生長到基體IS上的第一區(qū)域10s 的生長優(yōu)先于生長到反轉(zhuǎn)域lt上的第二區(qū)域10t的生長，從而減少了 第二區(qū)域覆蓋晶體厚度。因此，較薄晶體的生長(即，較短時間的晶 體生長)使得可以制造出至少其表面具有單一極性且位錯密度全面地 低的III族氮化物晶體。
而且，在實施方式2中，與實施方式1中一樣，優(yōu)選的是下襯
底中的反轉(zhuǎn)域lt的布局與實施方式1A、 1B和1C中的任意一個的布局
一樣；III族氮化物晶體生長到lUm以上的厚度；在III族氮化物晶體
中，表面具有l(wèi)xlO^，cm以上的電阻率；用于生長III族氮化物晶體的 反應(yīng)容器由氧化物比如八1203或氮化物比如pBN形成，更優(yōu)選地由氮 化物比如pBN形成。
(實施方式3)
參照圖l、圖2和圖11，涉及本發(fā)明的III族氮化物晶體的又一實 施方式包括制備含有III族氮化物籽晶的下襯底1的步驟(圖1A和 圖2A) ， III族氮化物籽晶具有基體ls和反轉(zhuǎn)域lt，在反轉(zhuǎn)域lt中， 相對于基體18而反轉(zhuǎn)<0001>方向的極性；通過液相法在下襯底1的基 體ls和反轉(zhuǎn)域lt上生長III族氮化物晶體IO的步驟(圖1B和圖2B); 進一步通過氣相法來生長已通過液相法生長到下襯底1上的III族氮化 物晶體IO的步驟(圖IIA和圖11B)。
即是說，實施方式3包括進一步通過氣相法生長到實施方式1或2 中通過液相法已經(jīng)生長到下襯底1上的m族氮化物晶體10的步驟(圖 IIA和圖11B)。這樣的步驟使得能夠有效率、高生長速率和低成本地 制造至少其表面具有單一極性且具有全面地低的位錯密度的III族氮化 物晶體。在此，如圖11B中所示，在III族氮化物晶體10中，通過液相法生長的第一區(qū)域IOS和第二區(qū)域10t與通過氣相法生長的氣相沉積 區(qū)域10v結(jié)合成一體。
在此，氣相法不受特別地限定，但是從有助于外延生長來看，例
如HVPE、金屬有機化學(xué)氣相沉積(MOCVD)和分子束外延(MBE) 是優(yōu)選的。另外，從高晶體生長速率來看，HVPE是特別優(yōu)選的。
(實施方式4)
參照圖IOA、圖IOB、圖IIB和圖IIC，涉及本發(fā)明的III族氮化 物晶體襯底的一個實施方式是通過對利用實施方式1至3中的任意一 個而制造的III族氮化物晶體10進行加工來制作的III族氮化物晶體襯 底L1、 L2、 VI、 V2、 V3、 V4、 V5、 V6禾Q V7。在此，III族氮化物晶 體襯底Ll和L2表示由通過液相法生長的區(qū)域(第一區(qū)域10s和第二 區(qū)域10t)制作的襯底，III族氮化物晶體襯底VI、 V2、 V3、 V4、 V5、 V6和V7表示由通過氣相法生長出的區(qū)域(氣相沉積區(qū)域10v)制作的 襯底。另外，在III族氮化物晶體襯底Ll中，可以包括用作下襯底的
m族氮化物籽晶。
因為至少表面具有單一極性并具有全面地低的位錯密度，所以以 這種方式制作的III族氮化物晶體襯底理想地適于用作半導(dǎo)體器件的襯底。
in族氮化物晶體加工方法不特別受限，并可包括例如以下步驟 將與其主面(principal face)平行的III族氮化物晶體切割或解理成板 狀。切割或解理的步驟使得可以容易地制作板狀的III族氮化物晶體襯 底。另外，III族氮化物晶體加工方法可包括如下步驟將制作的III 族氮化物晶體襯底的主面磨光和/或拋光。另外，還可包括在磨光和/或 拋光之后對主面上的損傷層進行反應(yīng)離子蝕刻(RIE)或其它氣相蝕刻 的去除步驟。在其主面已經(jīng)被磨光和/或拋光的III族氮化物晶體襯底的 主面上，可以形成具有優(yōu)選的結(jié)晶度的至少單層III族氮化物半導(dǎo)體層。(實施方式5)
參照圖12和圖13，涉及本發(fā)明的III族氮化物半導(dǎo)體器件的一個 實施方式是其中至少單個疊層體III族氮化物半導(dǎo)體層110或120形成 在實施方式4的III族氮化物晶體襯底100上的III族氮化物半導(dǎo)體器 件。III族氮化物半導(dǎo)體器件具有至少其表面具有單一極性并具有全面 地低的位錯密度的III族氮化物晶體襯底。因此，形成在該III族氮化 物晶體襯底上的III族氮化物半導(dǎo)體層具有低的位錯密度、滿意的結(jié)晶 度和提高的特性。III族氮化物半導(dǎo)體器件、LD和HEMT的示例如下。
實施方式5A
在涉及本發(fā)明的III族氮化物半導(dǎo)體器件的一個示例的LD中，參 照圖12，作為至少單個疊層體III族氮化物半導(dǎo)體層110，在至少其表 面具有單一極性且具有全面地低的位錯密度的III族氮化物晶體襯底 IOO的第一主面上，順次地形成下面的層n型Al(uGao.9N披覆層111、 n型GaN引導(dǎo)層112、由四對InGaN/GaN層組成的多量子阱活性層113 (發(fā)光層)、p型Alo.2Gao.sN保護層114、 p型GaN引導(dǎo)層115、 p型 Al(uGao.8N披覆層116和p型GaN接觸層117。在p型GaN接觸層117 上，PdAu合金電極形成為p側(cè)電極118。在此，執(zhí)行通過p側(cè)電極118、 p型GaN接觸層117到進入p型Alo.,Gao.9N披覆層116中的一深度的 臺面型晶體管蝕刻(mesa-etching)，來形成背脊部分(ridge portion)。 另外，Ti/Al合金電極作為n側(cè)電極119形成到III族氮化物晶體襯底 100的第二主面上。
實施方式5B
在涉及本發(fā)明的III族氮化物半導(dǎo)體器件的另一示例的HEMT中， 參照圖13，作為至少單個疊層體III族氮化物半導(dǎo)體層120，在至少其 表面具有單一極性且具有全面地低的位錯密度的III族氮化物晶體襯底 IOO的第一主面上，順次地形成下面的層未摻雜的Alo,26Gao.74N隔離 層(spacer layer) 121、 Si摻雜的n型Al0.26Ga0.74N載流子供給層122和Si摻雜的n型GaN接觸層123。在Si摻雜的n型GaN接觸層123 上，用作源極電極126和漏極電極127的Ti/Al通過電子束蒸發(fā)形成， 并通過熱處理被合金化，從而形成Ti/Al合金電極。另外，通過凹陷蝕 刻成帶狀而將Si摻雜n型AlQ.26GaQ.74N載流子供給層122的一部分、 Si摻雜n型GaN接觸層123、 Ti/Al合金電極的中間部分去除，在暴露 的Si摻雜n型AlQ.26Ga().74N載流子供給層122上，通過電子束蒸發(fā)將 Pt/Ti/Au層疊電極形成為柵極電極125，使得不與源極電極126和漏極 電極127接觸。在此，在柵極電極125中，從Si摻雜n型AlQ.26GaQ.74N 載流子供給層122側(cè)順次地形成Pt/Ti/Au層。
實施例 實施例1
(1) 下襯底的制備
參照圖1和圖3，制備直徑為2英寸(50.8mm)厚度為350/mi且 具有位錯密度為&104至1><1050111—2的基體ls和位錯密度為lxl()S至 lxl09cm—2的反轉(zhuǎn)域lt作為下襯底1。下襯底1的基體ls的表面是(OOOl) 面，反轉(zhuǎn)域lt的表面是(000-1)面。另外，沿著下襯底l的(0001) 面，反轉(zhuǎn)域lt為多個帶狀域lta和ltb的形式，帶狀域lk和ltb中的每 個具有50/mi的寬度并布置成彼此平行且間距P為300pm。另外，帶狀
域lta和ltb中的每個的帶方位平行于〈l-10O方向。
另夕卜，基于專利文獻1中闡述的生長方法，通過HVPE將GaN晶 體生長到GaAs襯底上來制作實施例1中的下襯底1，在GaAs襯底中， 多個帶狀掩模層形成在(111) A面上。在此，帶狀掩模層中的每個具 有50/mi的寬度，并以300/mi的間距彼此平行地布置。另外，帶狀掩 模層的每個的帶方位平行于GaAs襯底中的〈ll-2〉方向。g卩，GaN晶體 的反轉(zhuǎn)域lt形成在GaAs襯底中的帶狀掩模層上，基體ls形成在除了 形成有掩模層之外的GaAs襯底上。
(2) 通過液相法的III族氮化物晶體生長通過溶液沉積而在上述的下襯底1上生長in族氮化物晶體10。 具體來說，在內(nèi)徑跨度為52mm且高度為30mm的八1203坩堝(反應(yīng)容 器7)中，將下襯底1放置在坩堝的底部，12g金屬Ga被放置并被加 熱，以在下襯底l上形成Ga熔融體(晶體生長溶液2)。接著，將下 襯底l和Ga熔融體(晶體生長溶液2)的溫度升至95(TC， N2氣被作 為含氮氣體3提供到Ga熔融體(晶體生長溶液2)中，以將N2氣壓力 升至6.078MPa (60個大氣壓)，從而生長GaN晶體(III族氮化物晶 體IO) IOO個小時。在冷卻之后，用鹽酸去除坩堝中剩余的Ga，然后， 選出將與之結(jié)合成一體的下襯底1上生長的GaN晶體(III族氮化物晶 體10) 。 GaN晶體厚度為3/rni。
(3) III族氮化物晶體的評價
以下面的方式對與下襯底1結(jié)合成一體的GaN晶體(III族氮化物 晶體IO)的極性和位錯密度進行觀察。
與下襯底結(jié)合成一體的GaN晶體被浸漬在磷酸-硫酸的混合溶液 中，被加熱至25(TC以進行蝕刻1小時，并在光學(xué)顯微鏡下進行觀察。 觀察結(jié)果證實生長到下襯底1的反轉(zhuǎn)域lt上的部分也與其它部分一 樣具有經(jīng)受蝕刻的趨勢。另外，在熒光顯微鏡下觀察與下襯底結(jié)合成
一體的GaN晶體揭示了 沒有發(fā)現(xiàn)看上去像反映GaN晶體極性的反轉(zhuǎn) 的任何地帶(即，其中發(fā)光變化了的任何地帶)。這些結(jié)果確認(rèn)的是 對于與下襯底結(jié)合成一體的GaN晶體的表面，整個表面被制成Ga面 ((0001)面)(即，整個表面具有單一的極性)。
此外，作為通過陰極發(fā)光(CL)觀察到的結(jié)果，與下襯底結(jié)合成 一體的GaN晶體的表面位錯密度在整個表面均勻地為低的^104至 lxl05cm-2。
從以上所述的結(jié)果，可以確認(rèn)的是與實施例1的下襯底結(jié)合成
一體的GaN晶體是，在厚度為3/mi的GaN晶體中，至少其表面具有單一極性且位錯密度全面地低的晶體。 (4) LD的構(gòu)造
參照圖12，與這樣的下襯底結(jié)合成一體的GaN晶體被用作III族 氮化物晶體襯底100，至少單個疊層體III族氮化物半導(dǎo)體層110形成 在m族氮化物晶體襯底100上，用于下面構(gòu)造LD。
具體來說，將III族氮化物晶體襯底100拋光，通過反應(yīng)離子蝕刻
(RiE)來去除襯底表面上的損傷層。隨后，作為in族氮化物半導(dǎo)體
層110，在III族氮化物晶體襯底100的第一主面上順次地形成下面的 層厚度為3/mi的n型Al(nGao.9N披覆層111;厚度為0.1/mi的n型 GaN引導(dǎo)層112;由四對InGaN/GaN層組成的厚度為0.05/mi的多量子 阱活性層113(發(fā)光層)；厚度為0.02/im的p型Alo.2Gao.sN保護層114; 厚度為0.1/rni的p型GaN引導(dǎo)層115;厚度為0.4/mi的P型Al^Ga^N 披覆層116;厚度為0.1/mi的p型GaN接觸層117。通過MOCVD且 使溫度為108(TC來執(zhí)行III族氮化物半導(dǎo)體層110的形成，其中，利用 三甲基鎵和三甲基鋁氣體作為III族元素源氣體；氨氣作為氮源氣體； 氫氣作為載氣；硅烷氣體作為n型摻雜劑氣體；和鎂作為p型摻雜劑。
接著，通過臺面型晶體管蝕刻來去除形成在p型AlcuGao.9N披覆 層116的邊緣和部分上的p型GaN接觸層117的部分，從而形成背脊 帶寬度為2/mi的背脊。隨后，在p型GaN接觸層117上，通過電子束 蒸發(fā)和熱處理來形成Pd/Au合金電極作為p側(cè)電極118。
接著，將III族氮化物晶體襯底IOO的第二主面拋光，從而使襯底 厚度為100^n，然后，在第二主面上，通過電子束蒸發(fā)和熱處理來形 成Ti/Al合金電極作為n側(cè)電極119。
此后，其中III族氮化物半導(dǎo)體層110和p側(cè)電極118形成在下襯 底1的第一主面上且n側(cè)電極119形成在第二主面上的晶片被劃分為厚度為300/^m的正方形芯片，以構(gòu)造LD。由直徑為2英寸(50.8mm) 的晶片，構(gòu)造I，OOO個LD。這些LD是具有45mA的閾值電流和405nm 的振蕩波長的藍(lán)紫光LD。在對這些LD進行壽命測試的測試中，在溫 度為60"C的大氣壓下，LD在30mW的功率下振蕩一得到估計壽命為 10,000個小時或更長的合格的LD的良率為80%。
比較示例1
實施例1 (即，直徑為2英寸(50.8mm)且厚度為350/mi的GaN 籽晶，該GaN籽晶具有位錯密度為lxlO"至lxl()Scm-a的基體ls且位 錯密度為lxl()8至lxlO、n^的反轉(zhuǎn)域lt)中采用的下襯底1被用作III 族氮化物晶體襯底100，以與實施例1相同的方式來構(gòu)造LD。在LD 的構(gòu)造中，確信的是背脊部分形成在基體ls的正上方的區(qū)域。
由直徑為2英寸(50.8mm)的晶片，構(gòu)造出振蕩波長為405nm的 1，000個藍(lán)紫光LD。作為對這些LD上結(jié)果進行與實施例1相同的壽命 測試的結(jié)果，合格的LD的良率是10。/。。分析損壞的LD證明在形成 在下襯底1上的III族氮化物半導(dǎo)體層中的反轉(zhuǎn)域lt上所形成的部分的
大多數(shù)中，極性被反轉(zhuǎn)。另外，在下襯底i上形成的m族氮化物半導(dǎo)
體層中的基體ls上所形成的部分中，例如，出現(xiàn)部分的邊緣升起的異 常生長。
比較示例2 (1)下襯底的制備
制備通過專利文獻2的ELO來構(gòu)造的GaN晶體襯底作為下襯底。 具體來說，通過化學(xué)氣相沉積(CVD)在其中通過MOCVD在藍(lán)寶石 襯底的(0001)面上形成了 lpm厚度的GaN層的襯底上形成了由Si02 膜組成的掩模，其中，藍(lán)寶石襯底的直徑為2英寸(50.8mm)且厚度 為300/xm，從而通過光刻和濕蝕刻將掩模構(gòu)圖成帶狀。留下的帶狀掩 模每個都具有5/mi的掩模寬度，并且布置成間距為7/mi，且?guī)Х轿谎?著GaN晶體中的<11-20〉方向。接著，具有帶狀掩模的襯底被插入到HVPE設(shè)備中，且在H2氣氣 氛下將溫度升至IOOO'C，分別在20sccm (下文中，lsccm是意指處于 1，013hPa、 O"C的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氣體1分鐘流動lcn^的流動速率)和 l,OOOsccm下供給GaCl和NH3氣體25分鐘，從而穿過帶狀掩模的開 口橫向地生長GaN晶體。另外，使GaN晶體生長10小時，從而得到 厚度為400/xm的、整個表面是平坦的GaN晶體。
隨后，在被冷卻后，從HVPE設(shè)備中取出GaN晶體，從藍(lán)寶石襯 底側(cè)在整個表面照射釔鋁石榴石激光(YAG激光)的第三諧波(355nm 波長)，以分解位于GaN晶體和藍(lán)寶石襯底之間的界面處的GaN層， 從而將GaN晶體與藍(lán)寶石襯底分離。順次地，GaN晶體的兩面被拋光， 以制作厚度為360/mi的GaN晶體。
所制作的GaN晶體被浸漬在磷酸-硫酸的混合溶液中，被加熱至 25(TC以對其進行蝕刻1小時，并在光學(xué)顯微鏡下進行觀察。結(jié)果，GaN 晶體的整個表面被證明為Ga面((0001)面)。另外，通過CL觀察 顯示出GaN晶體的表面位錯密度是&107至lxl08cnf2。上述的GaN 晶體的表面被拋光，以制作厚度為350/mi的GaN晶體襯底。
(2) 通過液相法的m族氮化物晶體生長
在與實施例1相同的條件下通過溶液沉積而在GaN晶體襯底(下 襯底l)上生長GaN晶體(III族氮化物晶體IO) 100小時，選出以與 實施例1的方式相同的方式與下襯底1結(jié)合成一體的GaN晶體(in族 氮化物晶體10) 。 GaN晶體厚度為3/xm。
(3) III族氮化物晶體的評價
在與實施例1相同的蝕刻之后，在光學(xué)顯微鏡和熒光顯微鏡下觀 察與下襯底結(jié)合成一體的GaN晶體(III族氮化物晶體10),證明晶體 表面的整體是Ga面((0001)面)并具有單一極性。另外，通過CL觀察揭露了 在與下襯底結(jié)合成一體的GaN晶體(III族氮化物晶體10) 中的位錯密度是高的^107至lxl08cm—2。
(4) LD的構(gòu)造
與下襯底結(jié)合成一體的GaN晶體被用作III族氮化物晶體襯底 100，從而以與實施例1相同的方式來構(gòu)造1,000個LD。然而，因為所 有構(gòu)造的LD即使在室溫氣氛(例如，25°C)下也不會在30mW的功 率下進行振蕩，所以不可以測量出LD的壽命。因此，合格的LD的良 率為0%。
實施例2
(1) 下襯底的制備
參照圖1和圖4，制備直徑為2英寸(50.8mm)和厚度為350/rni 的、具有位錯密度為口104至1><105(^1-2的基體ls和位錯密度為lxl08 至lxl09cm—2的反轉(zhuǎn)域It的GaN籽晶作為下襯底1。下襯底1的基體 ls的表面為(0001)面，反轉(zhuǎn)域lt的表面為(000-1)面。另外，沿著 下襯底1的(0001)面，反轉(zhuǎn)域lt為多個帶狀域lk和ltb的形式，且 帶狀域"和ltb中的每個具有50Mm的寬度W，并被布置成彼此平行 且具有300/mi的間距P。另外，帶狀域1、和ltb的每個的帶方位平行 于<11-20〉方向。
此外，基于專利文獻l中所闡述的生長方法，通過HVPE在GaAs 襯底上生長GaN晶體，來制作實施例2中的下襯底，在GaAs襯底中， 為多個帶的形式的掩模層形成在(111) A面上。在此，帶狀掩模層中 的每個具有50/mi的厚度，并以300/mi的間距彼此平行布置。另外， 帶狀掩模層中的每個的帶方位平行于GaAs襯底中的<-110>方向。艮口 ， GaN晶體的反轉(zhuǎn)域It形成在GaAs襯底中的帶狀掩模層上，基體Is形 成在除了形成有掩模層之外的GaAs襯底上。
(2) 通過液相法的III族氮化物晶體生長在與實施例1的條件相同的條件下，通過液相沉積100小時而在
上述的下襯底1上生長GaN晶體(III族氮化物晶體10)，選出以與實 施例1的方式相同的方式與下襯底1結(jié)合成一體的GaN晶體(III族氮 化物晶體10) 。 GaN晶體厚度為3/mi。
(3) III族氮化物晶體評價 在與實施例1相同的蝕刻之后，在光學(xué)顯微鏡和熒光顯微鏡下觀 察與下襯底結(jié)合成一體的GaN晶體(III族氮化物晶體10)，這證明晶 體表面的整體是Ga面((0001)面)并具有單一極性。此外，通過 CL的觀察揭露了與下襯底結(jié)合成一體的GaN晶體(III族氮化物晶 體10)的位錯密度全面地在整個晶體表面均勻地為低的1><104至 lxl05cm-2。
由以上所述的結(jié)果，可以確認(rèn)的是與實施例2的下襯底結(jié)合成 一體的GaN晶體是，在厚度為3pm的GaN晶體中，至少其表面具有 單一極性并且位錯密度全面地低的晶體。
實施例3 (1)下襯底的制備
參照圖1和圖5，制備直徑為2英寸(50.8mm)且厚度為350/mi 的GaN籽晶作為下襯底1，所述GaN籽晶具有位錯密度為"104至 1"05(^-2的基體ls和位錯密度為lxl()S至lxl09cm—2的反轉(zhuǎn)域lt。下 襯底1的基體Is的表面是(0001)面，反轉(zhuǎn)域It的表面是(000-1) 面。此外，沿著下襯底l上的(0001)面，反轉(zhuǎn)域lt為多個帶狀域lta 和ltb的形式，且?guī)钣?^和ltb中的每個具有50Mm的寬度，并以間 距P為300/mi彼此平行布置。另外，帶狀域lta和ltb中的每個的帶方 位與相對于<1-100〉方向而沿著<11-20>方向旋轉(zhuǎn)45°的方向平行。
另外，基于專利文獻l中所闡述的生長方法，通過HVPE在GaAs 襯底上生長GaN晶體，來制作實施例3中的下襯底，在GaAs襯底中，為多個帶的形式的掩模層形成在(111) A面上。在此，帶狀掩模層中
的每個具有50]um的寬度，并以300/mi的間距彼此平行布置。另外， 帶狀掩模層中的每個的帶方位與相對于GaAs襯底中的<11-2>方向而 沿著<-100>方向旋轉(zhuǎn)45。的方向平行。即是說，GaN晶體的反轉(zhuǎn)域lt 形成在GaAs襯底中的帶狀掩模層上，而基體ls形成在除了形成有掩 模層之外的GaAs襯底上。
(2) 通過液相法的III族氮化物晶體生長
在與實施例1的條件相同的條件下，通過溶液沉積200小時而在 上述的下襯底1上生長GaN晶體(III族氮化物晶體10)，選出以與實 施例1的方式相同的方式與下襯底1結(jié)合成一體的GaN晶體(III族氮 化物晶體10) 。 GaN晶體厚度為6/mi。
(3) III族氮化物晶體的評價
在與實施例1相同的蝕刻之后，在光學(xué)顯微鏡和熒光顯微鏡下觀 察與下襯底結(jié)合成一體的GaN晶體(III族氮化物晶體10)，這證明晶 體表面的整體是Ga面((0001)面)并具有單一極性。此外，通過 CL的觀察揭露了與下襯底結(jié)合成一體的GaN晶體(III族氮化物晶 體IO)的位錯密度全面地在晶體表面均勻地為低的lxlO"至lxl05cnr2。
由以上所述的結(jié)果，可以確認(rèn)的是與實施例3的下襯底結(jié)合成 一體的GaN晶體是，在厚度為6Mm的GaN晶體中，至少其表面具有 單一極性并且位錯密度全面地低的晶體。
實施例4 (1)下襯底的制備
參照圖1和圖5，將與實施例3中相同的GaN籽晶制備作為下襯 底1。隨后，下襯底被浸漬在熔融的KOH溶液中，并在30(TC下加熱 IO分鐘。在此，因為用熔融的KOH蝕刻N面的速度顯著地比用熔融 的KOH蝕刻Ga面的速度快，所以制作出下襯底1，如圖2和圖5所示，在下襯底1中，反轉(zhuǎn)域lt的表面相對于基體ls的表面凹陷了 20/^1。
(2) in族氮化物晶體生長
通過在與實施例1相同的條件下進行溶液沉積36小時，在具有包 括反轉(zhuǎn)域It的凹陷的粗糙表面的下襯底上生長GaN晶體(III族氮化物 晶體10)，選出以與實施例1的方式相同的方式與下襯底結(jié)合成一體 的GaN晶體(III族氮化物晶體10)。該GaN晶體的厚度為l/mi。
(3) III族氮化物晶體的評價
在與實施例1相同的蝕刻之后，在光學(xué)顯微鏡和熒光顯微鏡下觀 察與下襯底結(jié)合成一體的GaN晶體(III族氮化物晶體10)，結(jié)果證明 晶體表面的整體是Ga面((0001)面)并具有單一極性。此外，通過 CL的觀察揭露了與下襯底結(jié)合成一體的GaN晶體(III族氮化物晶 體IO)的位錯密度全面地在晶體表面均勻地為低的"104至lxl05cm—2。
由以上所述的結(jié)果，可以確認(rèn)的是與實施例4的下襯底結(jié)合成 一體的GaN晶體是，在厚度為1/mi的GaN晶體中，至少其表面具有 單一極性并且位錯密度全面地低的晶體。
比較實施例4與實施例3，證實使下襯底1的反轉(zhuǎn)域It凹陷來 生長III族氮化物晶體10，使在基體Is上生長的第一區(qū)域10s的生長 優(yōu)先于在反轉(zhuǎn)域lt上生長的第二區(qū)域10t的生長，這樣減小了第二區(qū) 域覆蓋晶體厚度，從而，較薄的晶體的生長(即，短時間的晶體生長)， 使得可以制作出具有單一極性且至少表面的位錯密度全面地低的III族
氮化物晶體。
實施例5
(1)下襯底的制備 參照圖1和圖6，制備直徑為2英寸(50.8mm)且厚度為350/im 的GaN籽晶作為下襯底1，所述GaN籽晶具有位錯密度為"i04至"105011-2的基體ls和位錯密度為lxl()8至lxl()9cm-2的反轉(zhuǎn)域lt。下 襯底1的基體ls的表面是(0001)面，反轉(zhuǎn)域lt的表面是(000-1) 面。在此，沿著下襯底1上的(0001)面，反轉(zhuǎn)域lt為多個點狀域ltm
和ltn的形式，且點狀域ltm和ltn中的每個具有50/Xm的直徑并被布置
成使得它們的中心分別位于密堆積正方形lf的頂點處，所述正方形lf
二維地布置并具有300/mi的邊P。另外，正方形lf的對邊中的任意一 對的方位平行于<1-100>方向。
另外，基于專利文獻1中所闡述的生長方法，通過HVPE在GaAs 襯底上生長GaN晶體，來制作實施例5中的下襯底，在GaAs襯底中， 為多個點的形式的掩模層形成在(111) A面。在此，點狀掩模層中的 每個具有50/im的直徑，并布置成使得它們的中心分別位于密堆積正方 形lf的頂點，被二維地布置并具有300/nn的邊P。另外，正方形lf 的對邊中的任意一對的方位平行于GaAs襯底中的<11-2>方向。即是 說，GaN晶體的反轉(zhuǎn)域lt形成在GaAs襯底的掩模層上，而基體ls形 成在除了形成有掩模層之外的GaAs襯底上。
(2) 通過液相法的III族氮化物晶體生長
在與實施例i的條件相同的條件下，通過溶液沉積100小時而在 上述的下襯底1上生長GaN晶體(III族氮化物晶體10)，選出以與實 施例1的方式相同的方式與下襯底1結(jié)合成一體的GaN晶體(III族氮 化物晶體IO)。該GaN晶體厚度為3/mi。
(3) III族氮化物晶體的評價
在與實施例1相同的蝕刻之后，在光學(xué)顯微鏡和熒光顯微鏡下觀 察與下襯底結(jié)合成一體的GaN晶體(III族氮化物晶體lO)，結(jié)果證明 晶體表面的整體是Ga面((0001)面)并具有單一極性。此外，通過 CL的觀察揭露了與下襯底結(jié)合成一體的GaN晶體(III族氮化物晶 體IO)的位錯密度全面地在晶體表面均勻地為低的lxl(/至lxl05cm—2。由以上所述的結(jié)果，可以確認(rèn)的是與實施例5的下襯底結(jié)合成
一體的GaN晶體是，在厚度為的GaN晶體中，至少其表面具有 單一極性并且位錯密度全面地低的晶體。
實施例6
(1) 下襯底的制備
參照圖1和圖7，制備直徑為2英寸(50.8mm)且厚度為350/rni 的GaN籽晶作為下襯底1，所述GaN籽晶具有位錯密度為1><104至 lxl05cm—2的基體ls和位錯密度為lxl()8至lxl()9cm-2的反轉(zhuǎn)域lt。下 襯底1的基體Is的表面是(0001)面，反轉(zhuǎn)域It的表面是(000-1) 面。在此，沿著(0001)面，反轉(zhuǎn)域lt為多個點狀域ltm和ltn的形式， 且點狀域1U和ltn中的每個具有50/mi的直徑并被布置成使得它們的 中心分別位于密堆積正三角形的頂點，被二維地布置并具有300pm的 邊P。另外，正三角形lg的所有的三邊的方位平行于〈-10O方向。
另外，基于專利文獻1中提到的生長方法，通過HVPE在GaAs 襯底上生長GaN晶體，來制作實施例6中的下襯底，在GaAs襯底中， 為多個點的形式的掩模層形成在(111) A面。在此，點狀掩模層中的 每個具有50/mi的直徑，并布置成使得它們的中心分別位于密堆積正三 角形的頂點，被二維地布置并具有300Mm的邊P。另外，正三角形中 的每個的任意一邊的方位平行于GaAs襯底中的^l-2〉方向。即是說， GaN晶體的反轉(zhuǎn)域It形成在GaAs襯底上的帶狀的掩模層上，而基體 Is形成在除了形成有掩模層之外的GaAs襯底上。
(2) 通過液相法的III族氮化物晶體生長 利用作為坩堝的高純材料的pBN作為反應(yīng)容器7的材料，在比實
施例1高的溫度和壓力條件下，通過溶液沉積而在上述的下襯底1上 生長GaN晶體。具體來說，隨著生長溫度升至150(TC且N2氣壓力被 升至1.5GPa (大致15,000個大氣壓)，生長GaN晶體(III族氮化物 晶體10) 200個小時，選出以與實施例1的方式相同的方式與下襯底1結(jié)合成一體的GaN晶體(III族氮化物晶體10)。該GaN晶體的厚度 為650拜0
(3) III族氮化物晶體的評價
參照圖IO，利用切割器將與下襯底1結(jié)合成一體的厚度為l，000/mi 的GaN晶體(III族氮化物晶體10)切割成兩片，并沿著通過溶液沉積 生長的面將每片拋光，另外，用RIE將Ga面?zhèn)鹊膿p傷層去除。結(jié)果， 制作出一個GaN晶體襯底(III族氮化物晶體襯底LI)和一個厚度為 450Mm的GaN晶體襯底(III族氮化物晶體襯底L2)，在襯底Ll中， 具有基體Is和反轉(zhuǎn)域It的、厚度為350/xm的下襯底和溶液生長的、 厚度為100/mi的GaN晶體結(jié)合成一體，且襯底L2由溶液沉積生長的 區(qū)域組成。
接著，對襯底Ll和L2的Ga面?zhèn)冗M行四端子霍爾(Hall)測量。 測量的結(jié)果確認(rèn)襯底都是電阻率為lxl05i]nvCm或更高的高電阻率襯 底，即是說，它們都是適合用于HEMT和其它裝置的襯底。
另外，在與實施例1相同的蝕刻之后，在光學(xué)顯微鏡和熒光顯微 鏡下觀察襯底L1和L2，結(jié)果證明襯底表面的整體是Ga面((0001) 面)并具有單一極性。此外，通過CL的觀察揭露了在襯底L1和L2 (in族氮化物晶體10)中的位錯密度全面地在晶體表面均勻地為低的 lxl()4至lxl0W2。
由以上所述的結(jié)果，可以確認(rèn)的是實施例6的GaN晶體(襯底 Ll和L2)是至少其表面具有單一極性并且位錯密度全面地低的晶體。
(4) HEMT構(gòu)造
參照圖13，這樣的高電阻率GaN晶體襯底用作III族氮化物晶體 襯底100，至少單個疊層體III族氮化物半導(dǎo)體層120形成在III族氮化 物晶體襯底100上，用于構(gòu)造HEMT。具體來說，拋光III族氮化物晶體襯底100，去除襯底表面上的損
傷層。接著，作為半導(dǎo)體層120，在III族氮化物晶體襯底100的主面 上順次地形成下面的層厚度為10nm的未摻雜的Alo.26Ga。.74N隔離層 121、厚度為20nm的Si摻雜的n型Alo.26Ga。.74N載流子供給層122和 厚度為20nm的Si摻雜的n型GaN接觸層123。通過MOCVD且使襯 底溫度達(dá)到110(TC來執(zhí)行III族氮化物半導(dǎo)體層120的形成，其中，利 用三甲基鎵和三甲基鋁氣體作為III族元素源氣體；氨氣作為氮源氣 體；氫氣作為載氣；硅烷氣體作為摻雜氣體。
接著，作為源極電極126和漏極電極127，分別將Ti/Al層蒸發(fā)到 Si摻雜的n型GaN接觸層123上至25nm/150nm的厚度，并通過熱處 理而被合金化。在它們被合金化之后，通過RIE將晶片的中間部分凹 陷蝕刻成帶狀。隨后，在通過上述的凹陷蝕刻而被暴露的Si摻雜的n 型Alo.26Ga().74N載流子供給層122上，將Pt層(厚度為10nm) /Ti層 (厚度為40nm) /Au層(厚度為100nm)形成在源極電極126和漏極 電極127之間，作為柵極電極125。在柵極電極123中，柵的長度和寬 度分別為2/mi和14pm，源極電極126和漏極電極127之間的間隔是
通過構(gòu)造在其表面平坦且位錯密度低的GaN晶體襯底(III族氮化 物晶體襯底100)上，HEMT具有極其清晰的界面，通過在透射電鏡 (TEM)下觀察界面輪廓證實界面輪廓被平坦化為原子層級。在室 溫(例如300k)下HEMT的特性是160mS/mm的跨導(dǎo)和1.1A/mm的 漏電流，這意指可以構(gòu)造出高度增強特性的器件。
實施例7
(1)下襯底的制備 參照圖1和圖8，制備直徑為2英寸(50.8mm)且厚度為350/mi 的GaN籽晶作為下襯底1，所述GaN籽晶具有位錯密度為lx104至lxl05cm—2的基體ls和位錯密度為lxl()S至lxlO、m^的反轉(zhuǎn)域lt。下 襯底1的基體ls的表面是(0001)面，反轉(zhuǎn)域lt的表面是(000-1) 面。在此，反轉(zhuǎn)域lt為蜂房的形式，所述蜂房的寬度W為50Mm，且 其中心線位于沿著(0001)面二維地密堆積、具有300/mi的邊P的正 六邊形lh的六條邊上。另外，所有六條邊的方位均平行于<11-20>方 向。
另夕卜，基于專利文獻1中所闡述的生長方法，通過HVPE在GaAs 襯底上生長GaN晶體，來制作實施例7中的下襯底，在GaAs襯底中， 掩模層形成在寬度W為50pm且其中心線位于沿著(111) A面二維地 密堆積、具有300/mi的邊P的正六邊形lh的六邊上的蜂房上。在此， 上述的正六邊形的對邊中的任意一對的方位平行于GaAs襯底中的 <-110>方向。即是說，GaN晶體的反轉(zhuǎn)域lt形成在GaAs襯底中的掩 模層上，而基體ls形成在除了形成有掩模層之外的GaAs襯底上。
(2) 通過液相法的III族氮化物晶體生長
在與實施例1的條件相同的條件下，通過溶液沉積200小時而在 上述的下襯底1上生長GaN晶體(III族氮化物晶體10)，選出以與實 施例1的方式相同的方式與下襯底1結(jié)合成一體的GaN晶體(III族氮 化物晶體IO)。該GaN晶體厚度為6]um。
(3) III族氮化物晶體的評價
在與實施例1相同的蝕刻之后，在光學(xué)顯微鏡和熒光顯微鏡下觀 察與下襯底結(jié)合成一體的GaN晶體(III族氮化物晶體10)，結(jié)果證明 晶體表面的整體是Ga面((0001)面)并具有單一極性。此外，通過 CL的觀察揭露了與下襯底結(jié)合成一體的GaN晶體(III族氮化物晶 體IO)的位錯密度全面地在晶體表面均勻地為低的^104至lxl05cm—2。
由以上所述的結(jié)果，可以確認(rèn)的是與實施例7的下襯底結(jié)合成 一體的GaN晶體是，在厚度為6/mi的GaN晶體中，至少其表面具有單一極性并且位錯密度全面地低的晶體。
實施例8
(1) 下襯底的制備
參照圖1和圖9，制備直徑為2英寸(50.8mm)且厚度為350^mi 的GaN籽晶作為下襯底1，所述GaN籽晶具有位錯密度為1><104至 lxl05cm—2的基體ls和位錯密度為lxl()S至口109(^-2的反轉(zhuǎn)域lt。下 襯底1的基體ls的表面是(0001)面，反轉(zhuǎn)域lt的表面是(000-1) 面。在此，反轉(zhuǎn)域lt為蜂房的形式，所述蜂房的寬度W為50/mi，且 其中心線位于沿著(0001)面二維地密堆積、具有300/mi的邊P的正 六邊形lh的六邊上。另外，六條邊中的任意一條的方位全都平行于 <1-100〉方向。
另外，基于專利文獻l中所闡述的生長方法，通過HVPE在GaAs 襯底上生長GaN晶體，來制作實施例8中的下襯底，在GaAs襯底中， 掩模層形成在寬度W為50/im且其中心線位于沿著(111) A面二維地 密堆積、具有300Mm的邊P的正六邊形lh的六邊上的蜂房上。在此， 上述的正六邊形的對邊中的任意一對的方位平行于GaAs襯底中的 <11-2>方向。即是說，GaN晶體的反轉(zhuǎn)域lt形成在GaAs襯底中的掩 模層上，而基體ls形成在除了形成有掩模層之外的GaAs襯底上。
(2) 通過液相法的III族氮化物晶體生長
在與實施例1的條件相同的條件下，通過溶液沉積200小時而在 上述的下襯底l上生長GaN晶體(III族氮化物晶體lO)，選出以與實 施例1的方式相同的方式與下襯底1結(jié)合成一體的GaN晶體(III族氮 化物晶體IO)。該GaN晶體厚度為6/mi。
(3) III族氮化物晶體的評價
在與實施例1相同的蝕刻之后，在光學(xué)顯微鏡和熒光顯微鏡下觀 察與下襯底結(jié)合成一體的GaN晶體(III族氮化物晶體10)，結(jié)果證明晶體表面的整體是Ga面((0001)面)并具有單一極性。此外，通過 CL的觀察揭露了與下襯底結(jié)合成一體的GaN晶體(III族氮化物晶 體IO)的位錯密度全面地在晶體表面均勻地為低的^104至lxl05cm—2。
由以上所述的結(jié)果，可以確認(rèn)的是與實施例8的下襯底結(jié)合成 一體的GaN晶體是，在厚度為6/mi的GaN晶體中，至少其表面具有 單一極性并且位錯密度全面地低的晶體。
(實施例9)
(1) 下襯底的制備 制備與實施例1相同的下襯底。
(2) 通過液相法的III族氮化物晶體生長
在與實施例1的條件相同的條件下，通過溶液沉積200小時而在 上述的下襯底1上生長GaN晶體(III族氮化物晶體10)，選出以與實 施例1的方式相同的方式與下襯底1結(jié)合成一體的GaN晶體(III族氮 化物晶體IO)。該GaN晶體厚度為6/mi。
(3) 通過氣相法的III族氮化物晶體生長
參照圖IIA和圖IIB，通過溶液沉積而生長到下襯底1上從而與 下襯底l結(jié)合成一體的GaN晶體(III族氮化物晶體IO)，通過HVPE 再生長35小時，以進一步使GaN晶體加厚3500/mi。在此，作為摻雜
劑氣體，利用了 SiCl2H2氣體。
(4) III族氮化物晶體襯底的構(gòu)造
參照圖IIB和圖IIC，用切割器將通過溶液沉積且隨后通過HVPE 而生長到下襯底1上從而與下襯底1結(jié)合成一體的GaN晶體(III族氮 化物晶體IO)被切割成8片。從通過溶液沉積或通過HVPE而生長的 兩面，對這8片GaN晶體中的每個進行拋光，此外通過RIE來去除Ga 面?zhèn)鹊膿p傷層。以這種方式，制作出8片厚度為355/mi的GaN晶體襯底(III族氮化物晶體襯底Ll、 VI、 V2、 V3、 V4、 V5、 V6和V7)。 在此，由下襯底1和通過液相法而生長的區(qū)域(即，第一區(qū)域ls和第 二區(qū)域lt)來制作襯底L1，由通過氣相法而生長的區(qū)域(即，氣相沉 積區(qū)域10v)來制作襯底VI、 V2、 V3、 V4、 V5、 V6和V7。在此， 通過液相法在襯底L1中生長的區(qū)域的厚度為5/mi。
作為將電極蒸發(fā)到襯底的Ga面上以進行Hall測量的結(jié)果，所有 的襯底L1、 VI、 V2、 V3、 V4、 V5、 V6和V7都被證實具有0.01fi-m 的電阻率，并被確認(rèn)為是適合用于藍(lán)紫光激光器和其它光學(xué)器件的導(dǎo) 電襯底。
(5) LD的構(gòu)造
襯底L1、 VI、 V2、 V3、 V4、 V5、 V6和V7用作III族氮化物晶 體襯底100，從而以與實施例1的方式相同的方式由所述襯底中的每個 來構(gòu)造1000個LD。對LD進行與實施例1相同的壽命測試，證實對 于所有的襯底，合格的LD的良率高達(dá)80y。。
在此被公開的實施例和實施方式實際上是示例性的，不應(yīng)該被認(rèn) 為是限制性的。本發(fā)明的范圍不受前面描述的限定，應(yīng)該被理解為， 除了落入本發(fā)明范圍的所有改變之外，還包括本發(fā)明的權(quán)利要求書及 其等同物中的特征。
權(quán)利要求
1. 一種III族氮化物晶體的制造方法，包括制備包含III族氮化物籽晶的下襯底的步驟，所述III族氮化物籽晶具有基體和反轉(zhuǎn)域，在所述反轉(zhuǎn)域中，<0001>方向的極性相對于所述基體而被反轉(zhuǎn)；以及通過液相法在所述下襯底的所述基體和所述反轉(zhuǎn)域之上生長III族氮化物晶體的步驟；其特征在于第一區(qū)域覆蓋第二區(qū)域，在所述第一區(qū)域中，在所述基體之上生長的III族氮化物晶體的生長速率較大，在所述第二區(qū)域中，在所述反轉(zhuǎn)域之上生長的III族氮化物晶體的生長速率較小。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的III族氮化物晶體的制造方法，其特征 在于在所述下襯底中，所述反轉(zhuǎn)域的表面相對于所述基體表面是凹陷的。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的III族氮化物晶體的制造方法，其特征在于沿著所述下襯底上的{0001}面，所述反轉(zhuǎn)域被形成為多個條狀區(qū)域，所述條狀區(qū)域以規(guī)則的間隔互相平行地布置。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的III族氮化物晶體的制造 方法，其特征在于沿著所述下襯底上的{0001}面，所述反轉(zhuǎn)域被形成為多個點狀區(qū)域，所述點狀區(qū)域以規(guī)則的間隔二維地布置。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的III族氮化物晶體的制造 方法，其特征在于沿著所述下襯底上的{0001}面，所述反轉(zhuǎn)域為蜂房形式，其二維地布置成密堆積正六邊形。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的III族氮化物晶體的制造 方法，其特征在于所述III族氮化物晶體生長為lpm或更大的厚度。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的III族氮化物晶體的制造方法，其特征在于所述III族氮化物晶體的表面電阻率為1 X 105fi，cm或更大。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的III族氮化物晶體的制造 方法，其特征在于在氮化物反應(yīng)容器中生長所述III族氮化物晶體。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的III族氮化物晶體的制造 方法，包括通過氣相法而使已通過液相法生長到所述下襯底之上的III 族氮化物晶體進一步生長的步驟。
10. —種III族氮化物晶體襯底，所述III族氮化物晶體襯底通過 加工根據(jù)權(quán)利要求1至9中的任一項所述的制造方法而制得的III族氮 化物晶體來獲得。
11. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的III族氮化物晶體襯底，其中，所述 III族氮化物晶體的加工包括將所述III族氮化物晶體切片或者解理的步驟。
12. —種III族氮化物半導(dǎo)體器件，其中，在根據(jù)權(quán)利要求10中 所述的III族氮化物晶體襯底之上形成至少單層III族氮化物半導(dǎo)體層。
全文摘要
本發(fā)明提供了體III族氮化物晶體的制造方法，由此至少表面的位錯密度普遍較低。當(dāng)前的III族氮化物晶體制造方法包括制備包含III族氮化物籽晶的下襯底(1)的步驟，III族氮化物籽晶具有基體(1s)和反轉(zhuǎn)域(1t)，在反轉(zhuǎn)域中，<0001>方向的極性相對于基體(1s)而被反轉(zhuǎn)；通過液相法而在襯底(1)的基體(1s)和反轉(zhuǎn)域(1t)上生長III族氮化物晶體(10)的步驟；其特征在于，第一區(qū)域(10s)覆蓋第二區(qū)域(10t)，其中，在第一區(qū)域(10s)中，生長到基體(1s)上的III族氮化物晶體(10)的生長速率較大，在第二區(qū)域(10t)中，生長到反轉(zhuǎn)域(1t)上的III族氮化物晶體(10)的生長速率較小。
文檔編號C30B29/38GK101421443SQ20078001365
公開日2009年4月29日 申請日期2007年11月15日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月16日
發(fā)明者上松康二, 川瀨智博, 弘田龍 申請人:住友電氣工業(yè)株式會社