專利名稱：用于生長氮化鎵的基片、其制法和制備氮化鎵基片的方法
技術領域：
本發明涉及用作藍色發光二極管(LED)和藍色激光二極管(LD) 的基片的氮化鎵(GaN)單晶基片和涉及加工基片的方法。
背景技術：
氮化物體系藍色發光設備有時稱為InGaN體系發光設備，因為它們的 活化層為InGaN膜，有時它們也被簡單地稱為GaN體系。因為加工GaN 單晶基片是困難的，目前加工為將GaN薄膜、InGaAs薄膜等異質外延生 長到六邊形體系藍寶石基片上。藍寶石基片InGaN LED在使用中表現出 積極的結果，在亮度、可靠性和壽命上證明是滿意的。目前廣泛使用的 InGaN體系LED的基片大部分為藍寶石基片。換句話說，它們被稱為"藍 寶石上"的InGaN LED。然而，藍寶石的缺點包括，它從GaN的不同裂開方向裂開，它是絕 緣的。在這些情況下，對關于用基片制的單晶GaN構造藍色發光設備的需 求的要求己經非常強烈。GaN單晶基片擁有與設備組成要素的GaN薄膜 和InGaN薄膜相同的晶體結構，擁有獨特的裂開性能(cleavage quality)。 而且用雜質摻雜它們應使它們具有導電性。因此，n型電極能在它們的底 表面形成；用自然裂開的方法分離設備的可能性本身就呈現出來。然而加工GaN單晶基片不是簡單的事情。因為加熱固體GaN不能液 化它，用普通的從熔融物質生長晶體的Bridgman或Czochralski方法不能 形成晶體。如果對GaN施加超高壓力和加熱能使其變為熔融體，但是這么做是困難的，這樣不能制備大規模晶體是顯而易見的。構造到藍寶石基片上的ltai或Wm及以下的GaN層和InGaN層目前 用包括HVPE、 MOC和MOCVD的氣相沉積技術制成。正努力用氣相沉 積技術例如生長薄膜的技術生產厚GaN晶體。但是，因為這些最初是mm和以下的薄膜沉積到藍寶石基片上的技 術，它們處于造成缺陷事件的第一位。如果僅僅LED被制造到藍寶石基 片上，因為GaN層是薄的，張力將是小的；但是當為了生產塊晶體累積 厚度時，在膜中隨著張力的提高、缺陷和扭曲的增加和從基片的剝落，不 能獲得厚的材料。 A.外延橫向生長過度在這方面，稱為外延橫向生長過度(ELO)的技術己經被設計出。關 于該課題的文獻包括，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 (日本應用物理協會的 月干lj)， vol.68, No.7(1999)，第774頁。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頁。3 ) Kensaku Motoki 等，o/Free加wWwgS由她，Jpn. J. Appl. Phys.， vo1.40(2001)，第L140-L143頁。4) 日本未審查專利公開第2000-22212號，GaTV5VMg/e-CV，to/^Z^ra/e 朋(i MeAoc/ o/fo Maw咖"wre 。5) 日本未審查專利公開第2000-12900號，(7aA^/"g/e-Cr，to/Swfe ra^ 朋(i MeAod o//to MawM力Ce 。ELO是減少位錯的方法以邊長為L(幾個Pm)的等邊三角形全部 覆蓋平的基片表面；在基片上放置掩膜F，打出窗口 (大小為E)孔以定 位固定在等邊三角形的頂點；生長GaN超過掩膜的頂部。掩膜的形狀示 于

圖1和2。在圖1中，圓窗口排列在等邊三角形頂點的圖案的陣列中。 在圖2中，規則的六邊形窗口圖案排列在等邊三角形頂點的方式的陣列中。ELO掩膜F包括覆蓋部分3和窗口 4，然而窗口 4的外形可以是各種各樣 的，例如圓形、多邊形、條紋等。其中重復等邊三角形窗口圖案的掩膜形 成到藍寶石基片上，GaN氣相沉積超過掩膜的頂部。掩膜材料為GaN不 在其上生長的物質一SiN或Si02。ELO膜沉積過程表示在圖3中。圖3 (1)描繪了具有覆蓋部分3和 窗口4的ELO掩膜F形成在下層基片2上的情形的截面圖。圖3 (2)描 繪了用氣相沉積將GaN晶體種子5沉積在窗口 4上的情形。微小的晶種 在孤立窗口里基片表面上生長。決定晶體的方向以便和基片協調。在掩膜 頂部不生產晶種。ELO掩膜的材料起到抑制GaN生長的作用。隨著生長 的進行，孤立的晶種逐漸地膨脹和結合，變成島狀物。島狀物結合形成薄 膜形式。窗口內部最后被膜厚均勻的GaN薄膜覆蓋。圖3 (3)描繪了其 中GaN生長為薄膜6的情形。因為島狀物合并，它們的邊界變成復雜的 晶體缺陷。當生產這類高密度缺陷時，隨著膜的生長，缺陷盡可能地伸展。 這形成以垂直方向伸張的位錯。位錯盡可能地伸展，沒有減少。這被保持 是因為它們從開始就是高密度的位錯。生長到掩膜的高度后GaN薄膜進一步生長，高于掩膜；但是因為GaN 不在掩膜上生長，GaN晶體7開始以鈴形突出，如圖3 (4)所示。斜面 23被稱為面。面23的底面是指數{1-101}、 {2-1-12}的等同平面。鈴形 的形成繼續，GaN膜生長，超過鄰近窗口形成金字塔形8填充到沉積膜窗 口。位錯20和成長方向一致地向前伸展。這表示在圖3 (5)中。 一旦GaN 變成金字塔形，那種形式被維持，由于它不再向上伸展，GaN膜跨到掩膜 上。在這一點處的面24被稱為"臨界面"。在維持面的情況下，現在成長 沿著掩膜的頂部側向前進。在臨界面24處位錯彎曲90。，成為橫向的位錯 22。彎曲后，這時位錯減少。這類情況下的GaN梯形金字塔晶體表示在 圖3 (6)中。薄膜生長以規則的六邊形金字塔形式水平地前進，就像有6個相等的 面。因為生產出六個邊的面，實際上生長的晶體變成梯形六面體，并伸展。 當掩膜頂部的生長繼續時，超過鄰近窗口成長的GaN晶體塊在垂直于窗 口的虛線25處接觸(圖3 (7))。此后GaN晶體生長填充在以規則六面體 為邊界的凹溝里。邊界凹溝26被填充。從兩邊伸展的位錯22在邊界凹溝26里碰撞，多數停留在那兒。當超過鄰近窗口生長的晶體合并以及外表面變平時，如圖3 (8)所示，生長的方向再次轉向上。這意味著生長方向轉 變兩次。盡管位錯22伸展的方向又變為向上，它們大部分相互抵消。生 長朝著位錯密度減少的方向前進的事實意味著生產出位錯相當少的GaN 晶體。這些是ELO的本質。和生長GaN相關的形成本發明基礎的更先進的技術不是如ELO的公 知公開技術它由本發明的發明人創造，并且還沒有公開。金屬和電介質 的顆粒放置在形成封閉的缺陷聚集的區域(封閉缺陷聚集區域H)的基片 頂部；同心地圍繞它們，形成幾乎無缺陷的高導電的低扭曲的伴生單晶區 域Z;在居間帶中形成低位錯殘余單晶區域Y。 一旦位錯形成，它們不消 失，但是因為它們被封閉的缺陷聚集區域H吸收，其它區域的位錯一低位 錯伴生的單晶區域Z和低位錯殘余單晶區域Y—降低。這樣的區域不能用SEM和TEM看到；低位錯伴生的單晶區域Z和 低位錯殘余單晶區域Y能用CL (陰極輝光)的方法區分和觀察。圖4表 示將缺陷種子掩膜X布置在下層基片2頂部上的情形的平面圖。這些是從 電介質例如高熔點金屬、Si02或SiN圓形排列。它們也位于重復的等邊三 角形圖案的頂點位置。但是缺陷種子掩膜X的周期和直徑(周期M、直 徑B)遠大于用于ELO的掩膜F (周期L、直徑E) (M L; B E)。根 據圖5解釋種子掩膜技術。圖5 (1)表示藍寶石下層基片2。圖5 (2)表 示將均勻的GaN緩沖層52形成到藍寶石下層基片2上的情形。圖5 (3) 是有生長抑制行為的缺陷種子掩膜X放置在GaN緩沖層52頂部上的情形 的截面圖。圖5 (4)表示用氣相沉積將GaN生長到緩沖層52和種子掩膜X上 的情形。封閉的缺陷聚集區域H在缺陷種子掩膜X頂部上成長。圍繞它 們，具有面53的低位錯伴生的單晶區域Z生長。低位錯殘余單晶區域Y 在邊界沿平面54生長。這樣該技術生產出缺陷定位到封閉缺陷聚集區域 的晶體。單晶作為整體，在缺陷定位到封閉缺陷聚集區域下，晶體的殘余 部分(Y和Z)成為低位錯、低缺陷。圖5 (5)表示削刮背側下層基片材 料和整平產品獲得有平面的GaN基片的相應情形。圖6表示用CL (陰極 輝光)得到的顯微觀察。低位錯伴生的單晶區域Z的盤形區域呈現暗色，因此易于明顯。沒有CL，由于它們在顯微鏡下被透明地看到，因此它們 不能被分辨出。在ELO掩膜上的早期階段生長中，GaN內的位錯降低。如此這樣是 因為位錯相互抵消而變小，這樣實際上被減少。缺陷種子掩膜方法(未公 知)經在中間階段的生長中集中缺陷降低了剩余區域的位錯成為封閉缺陷 聚集區域H。發明內容曾經想一起應用ELO和缺陷種子掩膜方法加工低位錯的GaN單晶， 本發明人原認為這樣的如此低位錯密度的GaN單晶應該是可得到的。基于這樣的期望，實際的Si02掩膜被制成并投入到晶體生長的試驗中。具有重復的微細窗口的ELO掩膜和具有重復的大覆蓋部分的缺陷種子掩膜用 Si02層形成。Si02表現出了作為ELO掩膜的證實結果，這樣對于ELO沉 積能工作良好，但是作為缺陷種子掩膜的種子不能工作良好。初始為帶許 多缺陷的GaN層生長的情況，但是最終消失了，結果在種子上生長成幾 乎無缺陷的GaN。這意味著Si02沒有種子功能，這成為一個問題。ELO掩膜必須是抑制GaN生長的材料。盡管集中缺陷的種子也抑制 GaN生長，但是它應該是集中位錯的行為不同于純粹的抑制生長的行為的 情況。按照這種推理，本發明人重復了試驗。結果他們認識到，應該充當 集中缺陷種子的材料不同于適合于抑制生長的ELO掩膜材料。本發明，結合ELO和缺陷種子掩膜方法，在基片頂部上補充地提供 了一種減少早期階段缺陷的ELO掩膜F和一種生長過程中引發缺陷集中 的缺陷種子掩膜X，其中用氣相沉積在其上生長厚GaN晶體。Si02、 SiN 和SiON被用作ELO掩膜的材料，同時Pt、 Ti和M被用作缺陷種子掩膜 的材料。本發明涉及用于生長氮化鎵的基片、制備該基片的方法和氮化鎵 沉積。1.用于氮化鎵沉積的基片本發明中氮化鎵沉積基片由下述制成藍寶石、GaAs、 InP、 Si、 SiC、 尖晶石或GaN中任一種單晶的下層基片或其中GaN緩沖層形成到這些單 晶基片上的下層基片；Ti、 Pt或Ni中任一種制成的規則地排列在下層基片上的、沒有窗口的僅為覆蓋片的、用作產生封閉缺陷聚集區域H的缺陷種子掩膜X;禾nSiON、 Si02或SiN中任一種制成的、具有覆蓋部分和小周期地規則地排列的大量窗口的、在下層基片頂部規則地和補充地提供缺陷種子掩膜X的ELO掩膜。使E為ELO掩膜F中窗口的尺寸，L為鄰接窗口中心之間的距離， 那么自然存在E<L。這意味著窗口排列規則是為了將它們放置在規則地重 復的多邊形頂點中。這樣的排列為，例如，其中窗口放置在等邊三角形的 頂點的排列、其中它們放置在規則地重復的正方型的頂點的排列、或其中 它們放置在規則地重復的規則六邊形的頂點的排列。關于缺陷種子掩膜X中心之間的距離M和它們的掩蔽直徑(或寬度) B，自然存在B〈M。 M和B遠大于E或L。但是，缺陷種子掩膜X的面 積S (X)小于ELO掩膜F的面積S (F)(例如S (X) <S (F))。在缺陷 種子掩膜X為Ti、 Pt或Ni中任一種的情況下，ELO掩膜F則為SiON、 Si02和SiN中任一種。掩膜材料以這種方式不同的事實是本發明的一個關 鍵點。任選地，下層基片頂部從開始就可以一分為二， 一部分僅覆蓋有缺陷 種子掩膜材料，另一部分僅覆蓋ELO掩膜材料。然而，由于這將等于增加時間和蝕刻的功夫，ELO掩膜材料和缺陷種 子掩膜材料可以先后形成到下層基片上(缺陷種子掩膜/ELO掩膜/下層基 片)，可以除去缺陷種子掩膜材料的部分和ELO掩膜材料的部分。將其顛倒也是可能的，其中缺陷種子掩膜材料和ELO掩膜材料依次 涂覆到下層基片上(ELO掩膜/缺陷種子掩膜/下層基片)，可以除去ELO 掩膜材料的部分和缺陷種子掩膜材料的部分。但是在ELO掩膜窗口必須 被鉆孔的情況下，暴露出藍寶石基片或GaAs基片，但是僅僅缺陷種子掩 膜為需要掩蔽的部分，這使蝕刻復雜化。根據材料的組合， 一些情況下蝕 刻是不可能的。2.加工氮化鎵沉積基片的方法用于SiON、Si02或SiN的ELO掩膜的薄膜形成到藍寶石、GaAs、InP、 Si、 SiC、尖晶石或GaN中任一種單晶的下層基片頂部上或其中這些單晶 基片上形成GaN緩沖層的下層基片頂部上；進一步形成用于Ti、 Pt或Ni中任一種制成的缺陷種子掩膜的薄膜；用蝕刻除去作為ELO掩膜F將存在的部分的一部分用于缺陷掩膜的薄膜；用蝕刻在SiON、 Si02或SiN任一種形成的暴露的薄膜中形成規則排列和布置的窗口。用于SiON、Si02或SiN任一種的ELO掩膜的薄膜形成到作為藍寶石、 GaAs、 InP、 Si、 SiC、尖晶石或GaN中任一種單晶的下層基片頂部上或 其中這些單晶基片上形成GaN緩沖層的下層基片頂部上；在ELO掩膜將位于的部分形成規則排列和布置的窗口；在SiON、 Si02或SiN中任一種 的掩膜的缺陷種子掩膜X將存在的部分，形成用于Ti、 Pt或Ni中任一種 制成的缺陷種子掩膜的薄膜。在Pt放置到Si02、 SiN或SiON任一種上的情況中，由于它不能粘附 地好，在它們之間插入Ti層。在ELO掩膜為Si02的情況下，層結構將為 Pt/Ti/Si02。因為其中的Ti是為了增加粘附力，它不是缺陷種子掩膜，但 是，當然Ti本身可能是缺陷種子掩膜。存在以下九種可能。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.加工氮化鎵基片的方法在本發明的加工氮化鎵基片的方法中，用氣相沉積生長氮化鎵單晶在氣相沉積爐中放置藍寶石、GaAs、 InP、 Si、 SiC、尖晶石或GaN中任 --種的附在掩膜上的單晶基片，該基片是通過形成作為藍寶石、GaAs、InP、 Si、 SiC、尖晶石或GaN中任一種的單晶的下層基片或形成其中GaN緩沖 層形成到這些的單晶基片上的下層基片生產的，和在它之上放置，SiON、 Si02或SiN中任一種制成的用于ELO掩膜的薄膜；進一步形成由Ti、 Pt 或Ni中任一種制成的用于缺陷種子掩膜的薄膜；通過蝕刻除去缺陷種子 掩膜的薄膜的ELO掩膜F將存在的部分；和通過蝕刻形成SiON、 Si02 或SiN中任一種的暴露薄膜的規則排列和安置的窗口；和在附著掩膜的基 片上供應含NH3的原材料和含Ga的原材料；和如下獲得獨立的低位錯、 低缺陷的GaN單晶基片在ELO掩膜F的窗口中暴露的下層基片頂部最 初地產生GaN單晶種子；使超出窗口的GaN單晶在ELO掩蓋部分的頂部 不生長，缺陷種子掩膜也不橫向地長到ELO掩蓋部分；在從窗口橫向成 長的晶體膜分別合并后，使ELO掩膜F上的向上的低位錯成長繼續，在缺陷種子掩膜X上開始GaN累積，因此含許多缺陷的GaN封閉缺陷聚集 區域H繼續生長； 一旦形成足夠厚的GaN晶體，停止GaN沉積，將GaN 晶體和附著的下層基片從氣相沉積爐里取出，用蝕刻或剝落除去下層基片 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種子掩膜X上時， 實現了保持低位錯單晶成長的GaN沉積。將缺陷集中到封閉缺陷聚集區 域H上達到事實減少了 ELO掩膜上的GaN缺陷。附圖的簡要說明圖l是以等邊三角形擴展的重復方式將圓形窗口放置在等邊三角形頂 點的掩膜的部分平面圖——生長很少缺陷的GaN薄膜的ELO掩膜。圖2是以等邊三角形擴展的重復方式將規則六邊形窗口放置在等邊三 角形頂點的掩膜的部分平面圖——生長很少缺陷的GaN薄膜的ELO掩膜。圖3是解釋ELO沉積方法的圖，其中布置多數窗口的阻止GaN生長 的掩膜配置在基片上，GaN生長超過窗口。圖3 (1)是在基片上已經形 成含窗口的掩膜的情形的截面圖。圖3 (2)是表示在基片表面的窗口區域 已經創造GaN晶體種子的情形的截面圖。圖3 (3)是表示在基片表面的 窗口區域已經生長GaN薄層的情形的截面圖。圖3 (4)是描繪GaN晶體 生長已經超過窗口高度成為具有面的梯形金字塔形狀的情形的截面圖。圖 3 (5)是描繪具有面的梯形金字塔中的GaN晶體生長超出窗口高度成為 具有面的金字塔形狀的情形的截面圖。圖3 (6)是表示帶面金字塔形狀中 的GaN晶體橫向生長超過窗口邊沿并呈現梯形金字塔的情況的截面圖。 圖3 (7)是表示帶面金字塔形狀中的GaN晶體橫向生長超過窗口邊沿、生長超過鄰接窗口的晶體在有垂直虛線的邊界表面接觸的情形的截面圖。 圖3 (8)是生長超過鄰接窗口的GaN晶體己經填充越過邊界線的情形的截面圖。圖4是缺陷種子掩膜一放置在重復等邊三角形頂點位置的累積GaN 缺陷時成長GaN的材料一配置在藍寶石、GaAs、 InP、 Si、 SiC、尖晶石 或GaN中任一種的單晶下層基片上或將GaN緩沖層成長到單晶基片上的下層基片上的平面圖。圖5是表示通過將缺陷種子掩膜X形成到下層基片或下層基片上累積的GaN緩沖層上從而加工GaN基片、和在其上生長GaN晶體的過程步驟 的截面圖。圖5 (1)是下層基片的截面圖。圖5 (2)是描繪均勻的GaN 緩沖層已經配置在下層基片頂部上的情形的截面圖。圖5 (3)是缺陷種子 掩膜X配置在GaN緩沖層頂部上的情形的截面圖。圖5 (4)是描繪當 GaN晶體生長到缺陷種子掩膜X上時，在缺陷種子掩膜X頂部生長封閉 缺陷聚集區域H;在除它們之外的區域上生長幾乎無缺陷的具有斜面的低 位錯伴生單晶區域Z;和在相應鄰接掩膜X之間的邊界的區域上生長低位 錯殘余的單晶區域Y的情形的截面圖。圖5 (5)是剝落生長的GaN的峰 和除掉下層基片實施平的GaN的情形的截面圖。圖6是用CL (陰極輝光)觀察缺陷種子掩膜方法生長GaN時看到的 圖案的圖示。從種子掩膜X成長的是封閉缺陷聚集區域H;同心圍繞種子 掩膜X成長的GaN部分是低位錯伴生單晶區域Z;同心環外邊的是低位 錯殘余單晶區域Y。圖7是表示本發明一個方案的平面圖，其中下層基片被如下掩膜補充 地覆蓋配置在重復等邊三角形的圖案的頂點上的缺陷種子掩膜，和配置 在除種子掩膜外的大部分區域上的ELO掩膜， 一作為兩層掩膜。大量微 小窗口的排列是ELO掩膜；等同大覆蓋部分的是缺陷種子掩膜。圖8是表示本發明的一個方案的平面圖，其中下層基片被斜度M重 復的平行的條紋圖案的缺陷種子掩膜和配置在除種子掩膜外的大部分區 域上的ELO掩膜補充地覆蓋——成為兩層掩膜。大量微小窗口的排列是 ELO掩膜；等同大條形覆蓋部分的是缺陷種子掩膜。圖9是表示本發明(兩層掩膜)成長GaN的下層基片結構的截面圖， 其中由SiN、Si02或SiON組成的ELO掩膜配置在下層基片(藍寶石、GaAs、 InP、 Si、 SiC、尖晶石或GaN中任一種的單晶基片或其上配有GaN緩沖 層的基片)的頂部上，缺陷種子掩膜配置在ELO掩膜頂部上。圖IO是表示涉及本發明(兩層掩膜)的沉積GaN的下層基片結構的 截面圖，其中由Si02組成的ELO掩膜配置在下層基片(藍寶石、GaAs、 InP、 Si、 SiC、尖晶石或GaN中任一種的單晶基片上或其中在其上配有GaN緩沖層的基片)的頂部上，并由Pt/Ti組成的缺陷種子掩膜配置在ELO 掩膜頂部上。
具體實施方式
本發明在下層基片頂部補充地提供了一種減少初始階段缺陷的ELO 掩膜F和生長時引起缺陷集中的缺陷種子掩膜X，和用氣相沉積方法在其 上生長厚晶GaN。 一旦生長成足夠厚的GaN單晶，用剝落法除去下層基 片和掩膜。1. 下層基片一使用能使GaN生長的單晶基片藍寶石單晶、GaAs 單晶、尖晶石單晶、Si單晶、InP單晶、SiC單晶、GaN單晶，或在這些 單晶之一上薄薄地形成薄GaN緩沖層的下層基片。2. ELO掩膜——可以是SiN、 SiON或Si02。用濺射法或CVD形成 這些電介質層。膜厚約為30nm至200nm。3. 缺陷種子掩膜——可以是Pt、 Ti或Ni。用氣相沉積、濺射或CVD 法形成這些金屬層。盡管直接在基片頂部形成種子掩膜是可接受的，但是 將粗成品分層到ELO掩膜上和除去不需要的部分更加簡單。那種情況意 味著將Pt、 Ti或Ni放置到SiN、 SiON或Si02的頂部。當使用Pt時，為 了提供粘附力插入Ti層。圖9表示兩層掩膜的截面圖，其中缺陷種子掩 膜X分層到ELO掩膜上。圖10表示Pt/Ti缺陷種子掩膜堆積和形成到Si02 ELO掩膜F上的一個例子。4. ELO掩膜窗口——ELO掩膜窗口的尺寸為約0.5toi至2tai。排列 窗口以便定位在系統地擴展的規則多面體形式的頂點。等邊三角形擴展到 全部(等邊三角形ELO)的圖案、正方形擴展到全部的圖案(正方形ELO) 和規則六邊形擴展到全部(六邊形ELO)的圖案都是可能的。鄰接窗口的 中心之間的距離L (L>E)為約1.5-5Wn。窗口輪廓可以是圓形、橢圓形、 規則的六邊形、等邊三角形或正方形。孔徑比o (孔的對稱表面面積對總 面積的比)為約20%至70%。其中圓窗口放置在分布的等邊三角形圖案的頂點的掩膜圖示在圖1 中。使形成圖案的等邊三角形的邊為L (圖案的周期)，窗口的直徑為E， 那么孔徑比o為o =兀E72 31/2L2。其中規則六邊形窗口放置在分布的等邊三角形圖案的頂點的掩膜圖示在圖2中。使形成圖案的等邊三角形的 邊為L，規則六邊形窗口的最長對角線的長度為E，那么孔徑比。為O二3E74L2。5. 缺陷種子掩膜的結構——缺陷種子掩膜X是僅組成覆蓋樣品、不 具有窗口的掩膜。缺陷種子掩膜X的圖案直徑B (它們為條形情況時的寬 度)和重復周期M遠大于ELO掩膜的窗口尺寸E和重復周期L(B》E;M〉〉L)。 掩膜的輪廓可以為圓形、正方形、規則六邊形、長方形、或條紋形("條 紋")。如果存在厄密點(hermit-point)圓形、正方形、規則六邊形、長方 形或條紋形，它們將以二維形式規則地分布。直徑B、排列周期M和排列 方式組成圖案。在圖7中，圓形缺陷種子掩膜X配置在重復等邊三角形的 頂點處，ELO掩膜F配置在殘余的空間中。該結構的ELO掩膜部分包含微 小窗口4和覆蓋部分3。大的圓形覆蓋部分為缺陷種子掩膜X。缺陷種子 掩膜X的直徑B遠大于EL0掩膜窗口直徑E和周期L。缺陷種子掩膜X的 重復周期M大于EL0掩膜窗口的周期L。在種子掩膜為條形狀(條形)的情況中，縱向尺寸將具有和下層基片 的邊相同長度，因此僅寬度(B)和重復周期M為參數。缺陷種子掩膜圖 案的尺寸B為約20Pm-8C^m， 50^m左右是最容易實施的。例如，條狀的、 寬度B=50toi的缺陷種子掩膜X平行地形成到周期M=400toi的GaAs下 層基片上，在間隔350Pm的帶狀區域中形成ELO掩膜。換句話說，ELO 和下層基底上缺陷種子掩膜的圖案可以實施為"5(mmX : 350WnF : 50Wn X:350toiF:....."，該圖案好象在波動那樣繼續。產品可以用作用于加工 寬度為400Pm的LD設備的基片。平行擴展到ELO—和缺陷種子掩膜圖 案的方向將和LD條形一致。6. 晶體成長方法一一以和薄膜相同的方式用氣相沉積加工GaN基片 晶體。可以下面列出的任一方法。在任一方法中，初始時在低溫下可以薄 薄地形成緩沖層(比掩膜薄)，但是可以沒有緩沖層。1) HVPE (氫化物氣相外延附生)將含有Ga金屬的容器放置在熱壁反應器中，外圍配有加熱器加熱給 出熔融Ga，噴射HCl+氫氣的氣體制備GaCl;其向下導出并放置在其上氫 氣+NH3的氣體一起被加熱的基片上，從而合成出GaN，將GaN晶體累積到晶片上。2) MOC方法(有機金屬氯化物方法)含Ga的有機金屬例如三甲基鎵用氫氣稀釋的氣體和用氫氣稀釋的氯 化氫氣體在熱壁爐內反應暫時合成GaCl;這和晶片附近流動的NH3(+H2) 氣體反應，從而將GaN薄膜沉積到加熱的晶片上。3) MOCVD (有機金屬化學氣相沉積)在冷壁反應器中，其中Ga有機金屬例如TMG用氫氣稀釋的氣體和 其中NH3用氫氣稀釋的氣體被噴射到加熱的晶片上，從而合成GaN，將 GaN晶體累積到晶片上。該方法最經常用作GaN薄膜沉積技術。將寬度為350Pm的由Si02制成的具有許多規則六邊形窗口的ELO掩 膜F和寬度為50tai的由Pt/Ti制成的缺陷種子掩膜條紋形以400toi的周 期形成到2英寸的GaAs晶片上。開始時用HVPE在45(TC下沉積100nm 厚度的GaN緩沖層。在NH3氣氛下將溫度升高到95(TC。而且在高于950 。C的溫度下進行GaN沉積，成長為100to厚度的GaN層。在缺陷種子掩 膜頂部生長封閉的聚集缺陷的區域H;在同心圍繞它們的區域，生長低位 錯伴生單晶區域Z;在邊緣部分，生長低位錯殘余單晶區域Y。證實了這 些是形成在整個基片上(如圖6所示)的事實。工業實用性在本發明中，減少早期階段缺陷的ELO掩膜和引發缺陷集中的缺陷 種子掩膜補充性地配置在單晶藍寶石、GaAs或InP的基片上或其上配有 GaN緩沖層的基片上。GaN極不可能生長的材料例如Si02、 SiON或SiN 被用作ELO掩膜材料，其上GaN不可能生長但能生長有許多缺陷的GaN 晶體的材料，例如Pt、 Ni或Ti，被用作缺陷種子掩膜。因此，在缺陷種子掩膜上已被集中(封閉缺陷聚集區域H)的GaN 缺陷在生長期間不消失。相反，在ELO掩膜的頂部不能產生缺陷集中的 區域。由于高密度，封閉缺陷聚集區域在缺陷種子掩膜頂部的一部分區域形 成，除了那部分的其它區域證實是低缺陷的，根據殘余看，實現了低缺陷 密度GaN單晶的加工。
權利要求
1.一種如下制造的獨立的低位錯、低缺陷的GaN單晶基片(a)在氣相沉積爐中放置附在掩膜上的藍寶石、GaAs、InP、Si、SiC、尖晶石或GaN中任一種的單晶基片，該單晶基片如下制備形成作為藍寶石、GaAs、InP、Si、SiC、尖晶石或GaN中任一種的單晶的下層基片，或形成其中將GaN緩沖層形成到這些的單晶基片上的下層基片，和在下層基片上形成由SiON、SiO2和SiN中任一種制成的用于ELO掩膜的薄膜，在用于ELO掩膜的薄膜上形成由Ti、Pt或Ni中任一種制成的用于缺陷種子掩膜的薄膜，通過蝕刻，除去用于缺陷種子掩膜的薄膜的一部分，所述一部分在將成為ELO掩膜F處，和通過蝕刻，在SiON、SiO2或SiN中任一種的暴露薄膜中形成規則排列和布置的窗口；(b)在附著掩膜的基片上供應含NH3的原材料和含Ga的原材料；(c)在ELO掩膜F的窗口中暴露的下層基片頂部最初地產生GaN晶種；(d)使已經超出窗口的GaN晶體橫向生長到ELO掩蓋部分上，所述窗口沒有生長在ELO掩蓋部分的頂部的GaN晶體也沒有缺陷種子掩膜；(e)在從窗口橫向生長的晶體膜分別接合后，使在ELO掩膜F上向上的低位錯生長繼續，并且在缺陷種子掩膜X上GaN積聚開始，因此含許多缺陷的GaN封閉的缺陷聚集區域H繼續生長；并且，(f)一旦形成足夠厚的GaN晶體，停止GaN沉積，將GaN晶體和附著的下層基片從氣相沉積爐里取出，并且通過蝕刻或拋光除去下層基片和掩膜F和X。
2.如權利要求l所述的GaN單晶基片，其中在封閉的缺陷聚集區域H存在于缺陷種子掩膜X頂部的情況下，低位錯伴生區域Z存在于區域H周圍，并且低位錯殘余區域Y存在于區域H之間。
3.如權利要求l所述的GaN單晶基片，其特征在于封閉的缺陷聚集 區域H的形狀是圓形，方形，正六邊形，矩形或條紋狀(有條紋的)。
全文摘要
一起使用ELO掩膜和缺陷種子掩膜的方法生長很少有位錯的GaN晶體。ELO掩膜使得GaN晶體不能直接生長，但是能橫向生長；缺陷種子掩膜使得缺陷集中的封閉缺陷聚集區域生長。材料SiN、SiON或SiO₂中任一種用于ELO掩膜，同時Pt、Ni或Ti材料中任一種用于缺陷種子掩膜。藍寶石、GaAs、尖晶石、Si、InP、SiC等單晶基片或其中在這些的單晶基片上涂覆GaN緩沖層的下層基片，補充地提供ELO掩膜和缺陷種子掩膜以及GaN被氣相沉積。
文檔編號H01L21/20GK101241851SQ20071019580
公開日2008年8月13日 申請日期2003年1月23日 優先權日2002年4月30日
發明者岡久拓司, 秋田勝史 申請人:住友電氣工業株式會社