[發明專利]制造第III族氮化物半導體單晶的方法及制造GaN襯底的方法

有效

• 申請號: 201310048487.6
• 申請日: 2013-02-06
• 公開（公告）號: CN103243389A
• 公開（公告）日: 2013-08-14
• 發明（設計）人: 永井誠二;守山實希;久米川尚平;山崎史郎
• 申請（專利權）人: 豐田合成株式會社
• 主分類號: C30B29/38
• 分類號: C30B29/38;C30B19/02
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司 11227
• 代理人: 顧晉偉;全萬志

技術領域

本發明涉及用于制造第III族氮化物半導體單晶的方法及用于制造GaN襯底的方法。更具體地，所述發明涉及用于制造第III族氮化物半導體單晶的方法及用于制造GaN襯底的方法，所述方法使用熔劑法。

背景技術

已知多種用于制造半導體晶體的方法，并且這些方法的示例包括氣相生長法如金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)和氫化物氣相外延(HVPE)、分子束外延(MBE)以及液相外延(LPE)。一種液相外延技術是使用Na熔劑的熔劑法。在Na熔劑法中，為了生長GaN晶體，Na(鈉)和Ga(鎵)的熔融混合物在約800℃和數十個大氣壓下與氮反應。

在Na熔劑法中，通常使用籽晶。在所述方法中使用的籽晶的示例包括GaN襯底和所謂的模板襯底，該模板襯底由藍寶石襯底和通過HVPE或類似技術形成于其上的GaN層組成。專利文獻1公開了作為籽晶的由底部襯底和形成于其上的底層膜組成的模板襯底的用途。模板襯底的底部襯底由藍寶石或類似材料制成，以及底層膜由GaN、AlN、AlGaN、GaN/AlN等形成。

專利文獻2公開了包括將C(碳)添加到熔融混合物的Ng熔劑法。通過添加碳，防止了雜晶的產生并且提高了氮溶解度。但是，沒有詳細說明其過程。

專利文獻1：日本公開特許公報(kokai)No.2006-131454

專利文獻2：日本公開特許公報(kokai)No.2011-132110

Na熔劑法的缺點在于：在晶體生長的開始到熔融混合物的氮濃度達到過飽和水平的時刻的時間段期間，GaN籽晶熔化(即，經歷回熔)。當回熔發生時，溫度分布曲線以及熔融混合物的組成改變，并且籽晶的表面未能具有均勻的厚度。具體地，在將碳添加到熔融混合物的情況下，GaN籽晶更容易經歷回熔，并且局部進行蝕刻，從而顯著地削弱表面平坦度，這是有問題的。當模板襯底用作籽晶時，在一些情況下，模板襯底部分經歷回熔，并且露出藍寶石襯底表面的一部分。在露出區域上，GaN不能夠生長。

為了避免回熔的影響，形成于藍寶石襯底上的GaN的厚度通常被調整到5μm至30μm厚。但是，形成這樣厚的GaN層需要長的時間段，從而削弱了模板襯底生產率。誠然，厚的GaN層的形成避免了如下問題，即由于通過回熔露出藍寶石襯底而提供了GaN非生長區域。但是，籽晶表面未能具有均勻的厚度。因此，不能夠獲得GaN的均勻的晶體生長。

專利文獻1公開，為了在GaN的晶體生長期間抑制回熔，操作溫度維持在比生長溫度低的水平，并且之后溫度提高到生長溫度。但是，當生長溫度降低時，形成了不期望的雜晶。專利文獻1也公開了不僅在GaN的情況下而且在AlN的情況下發生回熔。因此，在AlGaN的情況下也可能發生回熔。

但是，與根據專利文獻1估計的AlGaN的可能的回熔相比，本發明人發現在AlGaN的情況下沒有發生顯著的回熔，并且籽晶的回熔的量被抑制到500nm或更小。本發明人已經發現可以通過將籽晶的回熔的量降低到500nm或更小來顯著地提高形成于籽晶上的晶體的品質。

同時，在通過熔劑法在底層(underlayer)上生長GaN單晶的情況下，GaN單晶的晶體特性源自底層的晶體特性。即，待形成的單晶的位錯密度源自底層。在專利文獻1中公開的生長的情況下，該特征相同。在這樣的情況下，GaN單晶的位錯密度是約1×10⁶/cm²，并且更小的位錯密度是優選的。例如，1×10⁵/cm²或更小的位錯密度是優選的。因此，為了制造具有較小位錯密度的GaN單晶，必須在GaN單晶的生長期間顯著地降低位錯密度。

同時，當通過熔劑法生長GaN單晶時，底層經歷回熔。通常，已經經歷回熔的底層的表面不平坦并且具有不規則結構。在半導體單晶的隨后的生長中，一些位錯彎曲，結果，從不規則結構延伸的位錯減少。盡管回熔能夠減少一部分位錯，但是，減少的影響不明顯。由于回熔以不均勻的方式發生，因此在減少整個晶片的位錯方面遇到了難題。

發明內容

為了克服常規技術中含有的前述缺點，設想出了本發明。因此，本發明的一個目的是提供一種用于制造具有優異的結晶度的第III族氮化物半導體單晶的方法，所述方法包括控制回熔。本發明的另一目的是提供一種用于制造具有優異的結晶度的GaN襯底的方法，所述方法包括控制回熔。

在本發明的第一方面，提供了一種用于制造第III族氮化物半導體單晶的方法，所述方法包括：