Ⅲ－v族晶體及其生產方法
2023-05-30 14:03:06
專利名稱：Ⅲ－v族晶體及其生產方法
技術領域：
本發明涉及III-V族化合物的晶體以及所述晶體的生產方法，更具體而言，涉及即使使用各種各樣的基質，也能生產出沒有出現裂紋的高質量III-V族晶體的方法。
背景技術：
III-V族化合物晶體如GaN晶體在不同於晶體材料的基質如藍寶石基質或矽(Si)基質上的生長，由於性質差異如它們的晶格常數和熱膨脹係數的不同而引起了在晶體與基質之間的應力，由此導致了彎曲和裂紋；因此該方法不能生產出高質量的III-V族晶體。
鑑於這個問題，而進行了一種用於減輕晶體與基質之間的應力的方法，即，通過如下步驟在藍寶石基質上沉積氧化矽(如SiO2)膜；通過如光刻法技術形成氧化矽膜的圖案，然後再在這些有圖案的基質上生長III-V族晶體。然而，該方法也存在問題，因為它需要使氧化矽膜形成圖案，這意味著生產成本高。
已提議的其它技術有在基質如藍寶石上通過金屬有機化學蒸汽沉積(MOVCD)技術生長GaN層，然後在GaN層上沉積金屬膜，並進行熱處理以使在GaN層上形成孔隙；然後生長GaN晶體。(例如，參見日本未審查專利申請公開號2002-343728。)然而，由於通過MOCVD生長GaN層導致了非常高的生產成本，因此使用該方法也存在問題。
被提議的另外技術有將金屬膜沉積在藍寶石等基質上，然後進行GaN晶體生長。(例如，參見日本未審查專利申請公開號2002-284600。)然而，該方法的問題在於由於GaN晶體在具有不同於GaN晶體的晶格常數的金屬膜上生長，因此所得GaN晶體的質量受損。
發明內容
用於解決上述問題的本發明一個目的是通過簡單、低成本的生產方法獲得高質量的III-V族晶體，並提供該生產方法。
為完成前述目的，本發明生產III-V族化合物的方法特徵在於包括如下步驟在基質上沉積金屬膜的步驟；在其中存在有形成圖案的化合物的氣氛下熱處理該金屬膜的步驟；以及熱處理後在金屬膜上生長III-V族晶體的步驟。此外，本發明的特徵可以在於本方法還可以包括熱處理步驟後，在熱處理後的金屬膜上生長III-V族化合物緩衝膜的步驟；以及在III-V族化合物緩衝膜上生長III-V族晶體的步驟。
圖1說明了一種根據本發明生產III-V族晶體的方法；圖2說明了另一種根據本發明生產III-V族晶體的方法；圖3A是說明在金屬膜上形成的孔或凹槽的一種代表結構的示意圖，而圖3B是說明在金屬膜上形成的孔或凹槽的另一種代表結構的示意圖。
具體實施例方式
具體實施方案1參考圖1，本發明的生產III-V族晶體的一種方法的特徵在於包括如下步驟在圖1A示出的基質1上沉積金屬膜2的步驟；如圖1B所表示的那樣，在其中存在有形成圖案的化合物的氣氛下熱處理金屬膜2的步驟；以及如圖1C所表示的那樣，在熱處理後的金屬膜上生長III-V族晶體4的步驟。
具體地，參考圖1和圖3，本發明的生產III-V族晶體的方法通過下列步驟進行。首先，如圖1A所示，使用如汽相沉積或濺射的技術在基質1上沉積金屬膜2。接著，金屬膜2在形成圖案的化合物的參與的氣氛下進行熱處理，由此金屬膜2變成如圖1B示出的不確定形狀的圖案，形成了如圖3A和3B所示的呈腐蝕圖案(也可稱為蟲咬(worm-eaten)圖案)的孔或凹槽12，並在孔或凹槽12的底部暴露出基質1。隨後，如圖1C所示，使用如氫化物汽相取向附生(HVPE)的技術使III-V族晶體4生長到金屬膜2上，在該膜2中隨著熱處理而形成了呈腐蝕圖案的孔或凹槽。
在此，圖3A和3B中的每個都示意說明了在形成圖案的化合物參與的氣氛下通過熱處理金屬膜2在金屬膜2中形成的呈腐蝕圖案的孔或凹槽的代表結構。當孔或凹槽的數量小時，趨向於形成如圖3A的結構，而隨著孔或凹槽的數量增加，則趨向於形成圖3B的結構。
通過這樣的生產方法，高質量的III-V族晶體4可以生長，因為從圖1可看出III-V族晶體4能夠獲得來自基質1的信息如基質1的晶格常數。而且在金屬膜中，呈腐蝕輪廓的孔或凹槽12的圖案的形成減輕了在III-V晶體4和金屬膜2之間的應力，阻止了III-V族晶體4形成裂紋。此外，由於III-V晶體能夠通過汽相取向附生(VPE)技術如上述的HVPE技術，而不是通過高成本的MOCVD技術生產，因此降低了生產成本。
參考圖1和3，在本發明的III-V族晶體生產方法中，優選在形成圖案的化合物參與的氣氛下通過熱處理金屬膜而在金屬膜中形成的孔或凹槽具有2～5000nm的平均寬度W，以及孔隙率(即孔或凹槽佔有的表面積)優選為基質總面積的5～80％。如果孔或凹槽的平均寬度W小於2nm，則這樣形成的孔或凹槽不能到達基質，這使晶體難於讀取來自基質的信息(即，呈現出基質特性)。另一方面，如果孔或凹槽的平均寬度W超過5000nm，則難於減小III-V族晶體和基質之間的應力。假設這些觀點成立，那麼還優選孔或凹槽的平均寬度W為5～1000nm。此外，如果孔隙率小於5％的基質總面積，其中III-V族晶體與基質接觸的表面積小，這將阻礙讀取來自基質的信息的III-V族晶體的生長。相反如果孔隙率超過80％，則金屬膜缺少的程度過大將阻礙在III-V族晶體與基質之間的應力的減小。假設這些觀點成立，那麼還優選孔隙率為10～50％的基質總面積。此處，根據下式(1)，孔隙率定義為孔或凹槽相對於基質總面積的面積百分比孔隙率(％)＝(孔或凹槽佔有面積)/(基質總面積)×100(1)至於此處的基質，無論與被生長的III-V族晶體種類相同還是不同，只要該基質的使用不與本發明的目的相衝突，就可以使用各種各樣的基質。例如，優選矽、藍寶石、SiC、ZrB2、III-V族化合物，這因為這些化合物晶體的晶格常數與III-V族晶體的晶格常數相似，因此容易生產出高質量的晶體。應該指出的是用於基質的III-V族化合物不需要與在該基質上生長的III-V族晶體的化合物相同。
儘管對於金屬膜沒有限制，但是從易於形成圖案考慮，優選含有鈦(Ti)或釩(V)的金屬膜，它包括如Ti、Ti-Al、V和V-Al的金屬和它們的合金。
儘管金屬膜的厚度沒有特別限制，但優選10～1000nm。小於10nm的膜厚會阻礙金屬膜在形成圖案的操作中停留，而膜厚超過1000nm會阻礙在形成圖案的操作中將基質暴露。根據這些因素，更優選金屬膜的厚度為30～500nm。
使金屬膜形成圖案的化合物表示這樣的一種化合物當金屬膜在該化合物參與的氣氛下熱處理時，在金屬膜中形成呈腐蝕輪廓的不確定形狀的孔或凹槽圖案的化合物，該化合物的優選實例包括氨(NH3)和氮(N2)。
優選在形成圖案的化合物參與氣氛中熱處理金屬膜的熱處理條件為800～1200℃溫度下持續0.5～20分鐘。如果熱處理溫度低於800℃或熱處理時間小於0.5分鐘，則金屬膜形成圖案不充分；如果熱處理溫度超過1200℃或熱處理時間超過20分鐘，則金屬膜過度形成圖案。根據這些因素，優選熱處理時間為900～1100℃，以及熱處理時間為0.5～10分鐘。
上述的簡單且低成本的生產方法能生產出高質量的III-V族晶體。此外，如果上述的III-V族晶體是GaxAlyIn1-x-y(0≤x≤1，0≤y≤1)，由於在目前沒有其它特別有用的生產方法用於生產這類晶體，因此本方法被證明是價值不可估量的生產技術。
具體實施方案2參考圖2，本發明生產III-V晶體的另一個方法的特徵在於包括在如圖2A所示的基質1上沉積金屬膜2的步驟；如圖2B所示的在其中存在有形成圖案的化合物的氣氛中熱處理金屬膜的步驟；在如圖2C所示，在熱處理後的金屬膜2上生長III-V族化合物緩衝膜3的步驟；以及如圖2D所示，在III-V族化合物緩衝膜3上生長III-V族晶體4的步驟。
具體地，參考圖2和3，本發明的生產III-V族晶體的另一方法通過如下步驟進行。首先，如圖2A所示，使用如氣相沉積或濺射的技術在基質1上沉積金屬膜2。接著，在其中存在有形成圖案的化合物的氣氛下，對金屬膜2熱處理，由此金屬膜2形成如圖2B所示的不確定形狀的圖案，即形成了如圖3A和圖3B所示呈腐蝕外形(worm-eaten contour)的孔或凹槽12，以使基質1在孔或凹槽12的底部暴露。
接著，例如使用HVPE技術，如圖2C所示的III-V族化合物緩衝膜3在後熱處理的金屬膜2上生長，在膜2中形成了呈腐蝕外形的孔或凹槽。此處，術語「III-V族化合物緩衝膜」3指在比用於生長晶體的溫度低的溫度下生長的III-V族化合物的無定型膜。隨後，如圖2D所示，使用如HVPE技術，在III-V族化合物緩衝膜3上生長III-V族晶體4。
在如上所述的具體實施方案2中，在其中形成了呈腐蝕圖案的孔或凹槽的金屬膜2上的形成可以減小在基質1和後來在III-V族化合物緩衝膜3上形成的III-V族晶體4之間的應力。而且，因為在生長中的III-V族晶體4獲得了不是來自基質1而是來自無定型III-V膜的信息，所以可生產出更高質量的III-V族晶體(該晶體沒有獲得非必要的晶體信息)。
實施例上述的具體實施方案1和2在具體實施例的基礎上進一步描述。
實施例1參照圖1。在具體實施方案1的基礎上，如圖1A所示，使用藍寶石基底作為基質1，通過氣相沉積技術在基質1上沉積30nm厚的金屬Ti膜作為金屬膜2。接著，如在圖1B表示的，金屬膜2在1000℃的NH3氣氛中熱處理0.5分鐘。使用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察溫度降低後的金屬膜2的表面。發現了如圖3A所示的呈腐蝕圖案的孔或凹槽；孔或凹槽的平均寬度W為8nm，孔隙率為12％。此外，使用Ga和NH3作為原料，通過HVPE技術，如圖1C所示的III-V族晶體4在1000℃持續生長5小時，形成了沒有裂紋的晶體。所得晶體通過XRD測試發現是具有很高質量的GaN晶體，在XRD中半寬度(半-最大寬度處的全寬，即FWHM(full widthathalf-maximum))為120arsec。結果在表I列出。
實施例2～12
使用表I所示的測試條件，通過與實施例1相同的過程生長III-V族晶體。所得結果歸納在表I中。
表I
實施例13參考圖2。在具體實施方案2的基礎上，如圖2A所示，使用藍寶石基底作為基質1，通過氣相沉積技術在基質1上沉積作為金屬膜2的200nm厚的金屬Ti膜。接著，如圖2B所示，金屬膜2在1000℃的NH3氣氛中熱處理3分鐘。使用SEM觀察在溫度降低後的金屬膜2的表面。發現了如圖3A所示的呈腐蝕圖案的孔或凹槽；孔或凹槽的平均寬度W為31nm，孔隙率為22％。接著如圖2C所示的III-V族化合物緩衝膜3在500℃持續生長0.5小時。然後，使用Ga和NH3作為原料，如圖2D所示的III-V族晶體4通過HVPE技術在1000℃下持續生長5小時，形成沒有裂紋的晶體。所得晶體由XRD測定發現為高質量的GaN晶體，在XRD中具有80arsec的FWHM。結果在表I列出。
實施例14～20採用表II列出的測試條件，III-V族晶體以與實施例13的相同過程生長。所得結果歸納在表II。
表II
從表I和II看出，在所有實施例中可以得到沒有裂紋的高質量的III-V族晶體。此外，從比較可知，例如實施例4與13，以及實施例11與19之間的比較，XRD分析得到的晶體FWHM分別從110arsec降低到80arsec以及從115arsec降低到90arsec，而且在III-V族晶體之前的緩衝膜生長可以進一步改善晶體質量。
應該理解的是，現在已公開得具體實施方案和實施例是在各個方面的解釋，而不是限制。本發明範圍不是由前面的描述陳述，而是由本專利的權利要求的範圍規定，本發明範圍包括等價於本專利權利要求的意思以及在範圍內的所有改進。
工業應用性如前面所述，根據本發明，使用簡單且低成本的生產方法，由在基質上沉積金屬膜的步驟，在形成圖案的化合物參與的氣氛下熱處理金屬膜的步驟，以及熱處理後在金屬膜上生長III-V族晶體的步驟，可以生產出沒有出現裂紋的高質量的III-V族晶體。
權利要求
1.一種生產III-V族晶體的方法，其特徵在於包括在基質上沉積金屬膜的步驟；在其中存在有形成圖案的化合物的氣氛下熱處理所述金屬膜的步驟；以及在熱處理後的金屬膜上生長III-V族晶體的步驟。
2.一種生產III-V族晶體的方法，其特徵在於包括在基質上沉積金屬膜的步驟；在其中存在有形成圖案的化合物的氣氛下熱處理所述金屬膜的步驟；在熱處理後的金屬膜上生長III-V族化合物緩衝膜的步驟；以及在III-V族化合物緩衝膜上生長III-V族晶體的步驟。
3.如權利要求1或2所述的一種生產III-V晶體的方法，其特徵在於通過在其中存在有形成圖案的化合物的氣氛下熱處理所述金屬膜而在所述金屬膜中形成的孔或凹槽具有2nm～5000nm的平均寬度，以及5％～80％的孔隙率，所述孔隙率為孔或凹槽相對於所述基質總表面積所佔據的表面積的百分比。
4.如權利要求1～3中任一所述的一種生產III-V族晶體的方法，其特徵在於所述基質是矽、藍寶石、SiC、ZrB2、或III-V族化合物。
5.如權利要求1～4中任一所述的一種生產III-V族晶體的方法，其特徵在於所述金屬膜含有鈦或釩。
6.如權利要求1～5中任一所述的一種生產III-V族晶體的方法，其特徵在於使所述金屬膜的厚度為10nm～1000nm。
7.如權利要求1～6中任一所述的一種生產III-V族晶體的方法，其特徵在於所述熱處理在800℃～1200℃下進行0.5～20分鐘。
8.一種由權利要求1～7中任一所述的生產III-V族晶體的方法生產的III-V族化合物晶體。
9.一種由權利要求8所述的III-V族化合物晶體，所述III-V族晶體為GaxAlyIn1-x-y(0≤x≤1，0≤y≤1)。
全文摘要
一種可以採用各種各樣的基質生產出沒有裂紋的高質量III－V族晶體的方法，該方法成本低而且容易簡單。一種生產III－V族晶體的方法，其特徵在於包括在基質上(1)沉積金屬膜(2)的步驟；在含有形成圖案的化合物的氣氛下熱處理金屬膜(2)的步驟；以及在熱處理後的金屬膜上生長III－V族晶體(4)的步驟。另外一種生產III－V族晶體的方法，其特徵在於包括在熱處理後的金屬膜上生長III－V族化合物緩衝膜的步驟；在III－V族化合物緩衝膜上生長III－V族晶體的步驟。
文檔編號H01L21/02GK1697895SQ20048000064
公開日2005年11月16日 申請日期2004年4月1日 優先權日2003年5月8日
發明者中畑成二, 上松康二, 弘田龍 申請人:住友電氣工業株式會社