生长氮化镓晶体的方法技术

本发明专利技术公开了一种氮化镓晶体的生长方法，包括：在地衬底（Ｕ）上，部分形成抑制氮化镓晶体外延生长的掩模（Ｍ）的步骤；和在掺杂碳的同时，在形成了掩模（Ｍ）的地衬底（Ｕ）上外延生长氮化镓晶体的步骤。在外延生长中，第一晶体区从掩模（Ｍ）外围朝着内部生长。在所述第一晶体区中ｃ轴方向相对于地衬底（Ｕ）中没有形成掩模（Ｍ）的区域上生长的第二晶体区反转。

【技术实现步骤摘要】

氮化镓基蓝紫激光器用于下一代的大容量光盘。为了将蓝紫激光器投入实际应用，需要高质量的氮化镓衬底。本专利技术涉及一种生长用于制造高质量氮化镓衬底的氮化镓晶体的方法。
技术介绍
希望使用具有405nm波长的氮化镓(GaN)基半导体激光器，来作为在高密度光盘上记录数据/再现来自高密度光盘的数据时使用的蓝紫激光器。通过在蓝宝石(Al2O3)衬底上形成GaN、InGaN等的薄膜来制造蓝紫发光二极管(LED)。由于蓝宝石和氮化镓晶格常数显著不同，所以会出现高密度的位错缺陷。在低电流密度的LED中，缺陷不会增加，LED具有长的工作寿命，并且具有与氮化镓不同的化学成分的异质衬底的蓝宝石衬底足以用作地衬底(ground substrate)。然而，已发现蓝宝石不适合于高注入电流密度的半导体激光器(激光二极管；LD)。由于高的电流密度，所以增加了缺陷并引起了快速恶化。与LED不同，采用蓝宝石衬底的蓝紫激光器没有投入实际使用。没有晶格常数足够接近氮化镓的材料。近来，已发现其上形成氮化镓薄膜的衬底本身必须是氮化镓。为了实现蓝紫半导体激光器，非常需要低位错密度和高质量的氮化镓衬底。然而，很难生长氮化镓晶体。氮化镓(GaN)加热时不熔融，因此不能使用从液相到固相的晶体生长方法。试图通过以气体为材料的汽相生长方法来生长氮化镓晶体。为了生长具有实际水平尺寸的大直径高质量的氮化镓衬底的晶体，已进行了各种研究。本专利技术的专利技术人已研究并提议了一种将掩模应用到异质地衬底上以较厚地生长氮化镓晶体，且其后移除异质地衬底以由此获得厚的氮化镓独立式(free-standing)晶体的方案。WO99/23693提出了一种专利技术，其由本专利技术的同一专利技术人完成，并且其涉及一种方法，其中在GaAs地衬底上，形成了具有条型(平行直线)开口或圆形开口的掩模，在上面较厚地生长了氮化镓晶体，并且移除GaAs地衬底以获得氮化镓单一的独立式晶体(衬底)。该掩模是其中覆盖部分大且孔(暴露部分)小的覆盖部分主要掩模。晶核仅形成在每个开口中。当厚度增加时，晶体爬升(climb)在覆盖部分上，其横向延伸并且位错也横向延伸。从相邻的开口横向延伸的晶体碰撞并且向上转动它们的生长方向。这显著地减少了位错。在该状态下，保持平面(C-面)向上，生长晶体。该方法称为ELO(外延横向过生长)法，晶体在掩模上方横向生长以由此减少位错。在以该方式形成的氮化镓(GaN)独立式膜中，位错显著减少。还提出了一种方法，其中利用GaN晶体作为新衬底，通过汽相沉积进一步生长GaN晶体成厚的GaN晶锭，垂直于生长方向切割该晶锭以制造多个GaN衬底(晶片)。氮化镓晶体的汽相沉积生长包括MOCVD(金属有机化学汽相沉积)法、MOC(金属有机氯化物)法、HVPE(氢化物汽相外延)法、升华法等。根据本专利技术人的WO99/23693的专利技术，在这些方法中，HVPE法获得了最快的晶体生长速率，因此是非常有利的。然而，通过上述方法制造的氮化镓晶体具有很高密度的位错，并因此质量低。如果它的衬底，也就是氮化镓衬底，本身不是高质量的，则不能制造出优良的器件。尤其是，用于大规模生产的衬底需要是优质的，在大面积上具有低密度的位错。作为减少衬底本身的位错密度以获得高质量的氮化镓衬底的方法，本专利技术人提出了以下方案，其公开在日本专利特开No.2001-102307中。在位错减少方法中，当较厚地生长GaN晶体时，出现的位错缺陷聚集在特定的位置，从而减少了其它区域中的位错缺陷。形成三维刻面(facet)结构，例如由刻面平面(facet plane)组成的倒六棱锥坑(孔)。晶体生长，同时该刻面形状保持不变并且坑未被掩埋。图1(a)和(b)示出了其中形成了倒六棱锥坑5的一部分晶体4。晶体4的顶面并不是平得完美，且在数个位置处设有坑5。平的顶面7是C面。坑5可以是倒六棱锥，或者它可以是倒十二棱锥。坑5彼此相邻使得刻面6它们之间形成120°的角。相邻的刻面6、6在晶脊8处结合。晶脊8聚合的坑底部9是刻面尖端聚集的部分。晶体生长发生在平面的法线的方向上(指的是垂直于平面的射线，在下文中也适用)。平均生长方向是向上的。在顶面(C面)7上，晶体生长发生在向上的方向上(c轴方向)。在刻面6处，在对角方向上发生晶体生长。将刻面6相对于C面的角定义为θ。未被掩埋的刻面指的是在顶面(C面)7上的生长率u和在刻面处的生长率v不同，并提供了各向异性，例如v＝ucosθ。位错D与晶体的生长方向平行地延伸。已经在刻面6上的位错D随着晶体生长的进行而移动到晶脊8。由于v＜u且在刻面处的生长率比C面处慢，所以到达晶脊8的位错D固定到晶脊8，然后沿着晶脊8相对下降以聚合在坑底部9。如图1(b)所示，从晶脊8连续地形成平面位错聚集部分10。已经沿着晶脊8下降的位错D从坑底部9连续地形成线性位错聚集束11。随着已经在刻面6上的位错聚集在平面位错聚集部分10或线性位错聚集束11处时，位错D逐渐从刻面6消除。由此，在刻面部分处获得了低密度的位错。C面7处的位错D也被引向刻面6。如果以高密度提供坑5，位错D被清扫在坑底部9或晶脊8下，由此减少了其它区域中的位错。通过保持坑5不被掩埋直至生长结束，位错减少效果一直继续。图2是示出这种由刻面生长的位错减少效果的坑平面图。当保持刻面6时，生长方向是法线方向，并且位错D也在法线方向上延伸。图2示出了位错的方向和生长方向相同。在平面图中投影在刻面上，位错D延伸的方向是刻面梯度(gradient)的方向，其到达晶脊8。到达晶脊8，位错D沿着晶脊8朝着内部移动。“朝着内部移动”指的是沿着晶脊8相对下降。尽管位错D实际上仅向上延伸，但因为v＜ u而相对下降。位错D沿着晶脊8形成平面状缺陷10。其它位错D聚集在聚合点9(坑底部)。形成了从坑底部9连续的线性位错聚集束11。然而，已发现利用刻面生长的这种方法包含以下问题(1)和(2)。(1)在晶体生长更厚且聚集更多的位错D之后，位错D趋向于从在由刻面平面组成的坑中心的位错聚集束以烟状形式再次散开和展开。这参考图3来描述。图3(a)是刻面坑的纵向截面图，其示出了位错D聚集在坑底部9以形成线性位错聚集束11(线性缺陷)。图3(b)示出了曾经聚集的位错D再次以烟状形式散开和展开。烟状展开的位错13表示从坑底部9连续的位错聚集束11在约束位错D方面差。(2)在由刻面平面组成的坑5的中心处的线性位错聚集束11意外地被定位。其随机分布且不能预先确定。也就是，不能控制位错聚集束11的位置。问题(2)归因于意外形成了刻面坑5和不能确定在何处形成刻面坑5的事实。希望能预先确定形成坑5的位置。至于问题(1)，希望形成阻挡壁(barrier)等，其是实体的(concrete)且不释放曾经聚集的位错。为解决这两个问题，本专利技术作了以下改进。本专利技术人认为，出现如图3(b)所示的烟状展开的位错13，是因为聚集在倒六棱锥坑5的底部9处的位错D没有被消除而是驻留在那里。然后，本专利技术人得到了向位错聚集部分加入位错消除/聚积机制的想法。这示于图4(a)和(b)中。在地衬底21上应用具有抑制外延生长作用的孤立点型掩模23以使其更规则的分布。生长发生在暴露部分。在暴露部分的中心，出现并主要进行C面为顶面27的生长。晶体24主要生长在暴露部分本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氮化镓晶体的生长方法，包括：在地衬底（Ｕ）上，部分形成抑制氮化镓晶体的外延生长的掩模（Ｍ）的步骤；和在掺杂碳的同时，在其中形成了所述掩模（Ｍ）的所述地衬底（Ｕ）上，外延生长氮化镓晶体的步骤，其中在所述外延生长的步骤中，第一晶体区从所述掩模（Ｍ）外围朝着内部生长，和在所述第一晶体区中，ｃ轴方向相对于在所述地衬底（Ｕ）中没有形成所述掩模（Ｍ）的区域上生长的第二晶体区反转。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：冈久拓司，元木健作，上松康二，中畑成二，弘田龙，井尻英幸，笠井仁，藤田俊介，佐藤史隆，松冈彻，
申请(专利权)人：住友电气工业株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]