制造第三族氮化物衬底的方法技术

本发明专利技术提供一种制造方法，可以制造只由高质量第三族氮化物晶体形成并具有较少翘曲的衬底。包括间隙的第三族氮化物层（籽晶层１２和选择生长层１５）形成在衬底（蓝宝石衬底１１）上。在含氮气氛中，使第三族氮化物层的表面与含有碱金属和选自镓、铝和铟中的至少一种第三族元素的熔化物相接触，由此该至少一种第三族元素和氮互相反应，在第三族氮化物层上生长第三族氮化物晶体（ＧａＮ晶体１６）。此后在间隙附近使包括衬底的部分和包括第三族氮化物晶体的部分相互分离。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术一般涉及制造第三族氮化物衬底(含有第三族氮化物晶体的衬底)的方法。
技术介绍
作为用于可发射蓝光或紫外光的半导体元件的材料，第三族氮化物化合物半导体例如氮化镓(GaN)(下文也称为“第三族氮化物半导体”或“GaN基半导体”)已经日益引起人们的注意。蓝色激光二极管(LD)用于高密度光盘装置或显示器，同时蓝色发光二极管(LED)用于显示、照明等。人们期望在生物工艺学等领域中使用紫外线LD以及将紫外线LED用做荧光灯的紫外光源。通常，通过汽相外延法形成用于LD或LED的第三族氮化物半导体(例如GaN)的衬底。例如，已经使用的衬底是通过在蓝宝石衬底上异质外延生长第三族氮化物晶体而获得的。但是，蓝宝石衬底和GaN晶体彼此在晶格常数上相差13.8％，在线性膨胀系数上相差25.8％。因而，在通过气相外延法获得的GaN薄膜上不能获得足够高的结晶度。一般情况下，通过这种方法获得的晶体具有108cm-2到109cm-2的位错密度，这样，位错密度的减小已经成为一个重要的问题。为了解决这个问题，人们已经做了很大努力来减小位错密度，并且由此例如已经研制了外延横向再生长(ELOG)法。利用这种方法，可以将位错密度减小到大约105cm-2到106cm-2，但是它的制造工艺很复杂。另一方面，除了汽相外延法之外，还研究了一种从液相进行晶体生长的方法。但是，由于在第三族氮化物单晶(例如GaN或AlN)的熔点时，氮的平衡蒸汽压至少为10000atm，所以可理解的是通常从液相生长GaN要求1200℃、8000atm的条件。关于这一点，近年来，已经很清楚的是在相对低温和压力下，具体地说，在750℃和50atm下利用Na流可以合成GaN。近年来，通过下列方法获得具有约1.2mm的最大晶体尺寸的单晶其中在800℃和50atm下，在包含氨的氮气气氛中融化Ga和Na的混合物，并且然后使用该熔融物在96小时内生长单晶(例如，JP2002-293696A)。此外，还公开了另一种方法，其中在利用金属有机化学汽相淀积(MOCVD)法在蓝宝石衬底上形成GaN晶体层之后，通过液相外延(LPE)法生长单晶。通常，例如，使用蓝宝石衬底制造第三族氮化物衬底。然而，这种衬底和第三族氮化物晶体在晶格常数和热膨胀系数上是彼此不同的。于是，当使用这种衬底生长第三族氮化物晶体时，在某些情况下能使衬底变形或翘曲。相应地，在某些情况下，在晶体生长期间可能损坏衬底，或者使用通过上述方式形成的半导体衬底难以制造器件。例如，在器件制造工艺中使用将要采用的步进机(stepper)的情况下难以实现掩模对准。
技术实现思路
鉴于上述情况，本专利技术的目的在于提供一种制造方法，可以制造只由高质量第三族氮化物晶体构成并且具有较少翘曲的衬底。为了实现上述目的，本专利技术的第一种制造方法是，包括以下步骤(i)在衬底上形成包括若干个间隙的第三族氮化物层；(ii)在含氮环境中，使第三族氮化物层的表面与含有碱金属和选自镓、铝和铟中的至少一种第三族元素的熔化物相接触，以使至少一种第三族元素和氮互相反应，从而在第三族氮化物层上生长第三族氮化物晶体；和(iii)在间隙附近，使包含衬底的部分和包含第三族氮化物晶体的部分彼此分离。此外，本专利技术的第二种制造方法是，包括以下步骤(I)通过处理衬底的表面形成凸部；(II)从凸部的上表面生长第三族氮化物层，以形成具有在衬底和第三族氮化物层之间形成的间隙的籽晶衬底；(III)在含有氮的压力气氛中，使第三族氮化物层的表面与含有碱金属和选自镓、铝和铟中的至少一种第三族元素的熔化物相接触，以使至少一种第三族元素和氮互相反应，从而在第三族氮化物层上生长第三族氮化物晶体；和(IV)在间隙附近，使包含衬底的部分和包含第三族氮化物晶体的部分彼此分离。在本说明书中，除特殊说明外，“第三族氮化物”指的是由组分公式AlxGayIn1-x-yN(其中0≤x≤1并且0≤y≤1)表示的半导体。关于这一点，应该理解的是由于组合物比例不能是负值，所以应满足0≤1-x-y≤1的公式(同样适用于其它组分公式)。根据本专利技术的制造方法，可以很容易地制造只由高质量第三族氮化物晶体形成并具有较少翘曲的衬底。附图简述附图说明图1A-1F是表示根据本专利技术的制造方法的实例的步骤的横截面图。图2A和2B是表示在本专利技术的制造方法中使用的制造设备的实例的示意图。图3A是表示通过常规方法获得的GaN晶体的PL强度的曲线；和图3B是表示在本专利技术的一个实例中获得的GaN晶体的PL强度的曲线。图4是表示在本专利技术的制造方法中使用的制造设备的另一实例的示意图。图5是表示包括由本专利技术的制造方法制造的衬底的半导体器件的实例的横截面图。图6A-6C是表示根据本专利技术的制造方法的另一实例的步骤的横截面图。图7是表示在本专利技术的制造方法中使用的制造设备的另一实例的示意图。图8A-8D是表示根据本专利技术的制造方法的又一实例的步骤的横截面图。图9A-9C是表示根据本专利技术的制造方法的又一实例的步骤的横截面图。图10A-10C是表示根据本专利技术的制造方法的另一实例的步骤的横截面图。图11A-11C是表示根据本专利技术的制造方法的又一实例的步骤的横截面图。具体实施例方式以下将详细描述本专利技术。在本专利技术的制造方法中，优选地，至少一种第三族元素是镓，第三族氮化物晶体是GaN晶体。在本专利技术的制造方法中，优选地，含有氮气的气氛是压力气氛。该气氛例如在0.1-10MPa的范围内，优选地，在0.5-5MPa的范围内被加压。优选地，在本专利技术的第一种制造方法的步骤(iii)中，使用由衬底和第三族氮化物晶体之间的线性膨胀系数差异而产生的应力来进行分离。在本专利技术的第一种制造方法中，优选地，步骤(i)包括以下步骤(i-1)在衬底上形成由组分公式AluGavIn1-u-vN(其中0≤u≤1并且0≤v≤1)表示的第一半导体层；(i-2)通过部分地除去第一半导体层形成凸部；和(i-3)通过从第一半导体层的凸部的上表面生长第二半导体层，形成在其除了凸部以外的部分中具有间隙的第三族氮化物层，第二半导体层由组分公式AlxGayIn1-x-yN(其中0≤x≤1并且0≤y≤1)表示，其中在步骤(iii)中，第一半导体层和第二半导体层在凸部的上表面上彼此分离。优选地，上表面是C-平面。优选地，在步骤(i-2)中，凸部以条状形成。优选地，在步骤(i-2)中，使用掩膜覆盖凹部，凹部是除了凸部上表面以外的部分。优选地，用于形成掩膜材料包括氮化硅、氧化硅、氮氧化硅、氧化铝、氮氧化铝、氧化钛、氧化锆、氧化铌、钨、钼、铌、硅化钨、硅化钼、和硅化铌。它们可以单独使用或者它们中的两种或两种以上的材料一起使用。优选地，掩膜由高熔点金属或高熔点金属化材料形成。在本专利技术的制造方法中，优选地，衬底是蓝宝石衬底。在本专利技术的制造方法中，优选地，碱金属是选自钠、锂和钾中的至少一种金属。在本专利技术的制造方法中，优选地，熔化物还包含碱土金属。在本专利技术的第一制造方法中，优选地，步骤(i)包括以下步骤(i-a)在衬底上形成由组分公式AluGavIn1-u-vN(其中0≤u≤1并且0≤v≤1)表示的第一半导体层；(i-b)通过部分地除去第一半导体层以露出部分衬底，形成将作为间隙的凹部，以及由此使其余部分形成凸部，其中在步骤(ii)中，在步骤(i本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制造第三族氮化物衬底的方法，该方法包含下列步骤：（ｉ）在衬底上形成包括若干个间隙的第三族氮化物层；（ｉｉ）在含有氮的气氛中，使该第三族氮化物层的表面与含有碱金属和选自镓、铝和铟中的至少一种第三族元素的熔化物相接触，以使该 至少一种第三族元素和氮互相反应，从而在该第三族氮化物层上生长第三族氮化物晶体；和（ｉｉｉ）在所述间隙附近，使包含该衬底的部分和包含第三族氮化物晶体的部分互相分离。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：北冈康夫，峰本尚，木户口勲，石桥明彦，
申请(专利权)人：松下电器产业株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]