GaN單晶襯底及其製造方法

2023-05-26 17:41:01

專利名稱：GaN單晶襯底及其製造方法
技術領域：
本發明涉及採用氮化鎵(GaN)等氮化物系化合物半導體的發光二極體、半導體雷射器等發光器件或場效應電晶體等電子器件用的襯底及其製造方法。
背景技術：
目前，在採用了氮化物系化合物半導體的發光器件等中，使用了穩定的藍寶石襯底。
不過，在藍寶石中，由於沒有解理面，將藍寶石襯底用於半導體雷射器時，常有這樣的問題不能製造解理而成的反射面。
另外，在將藍寶石作為發光器件等的襯底料材採用時，也常發生這樣的問題由於藍寶石襯底和在該藍寶石襯底上生長的外延層之間的晶格不匹配和熱膨脹係數不同，在外延層中產生錯位等晶體缺陷。
作為為解除以這樣的藍寶石為發光器件等的襯底時的問題而開發的技術，特開平8-116090號公報上，刊載有半導體發光器件的製法。該半導體發光器件的製法如下將氮化鎵系化合物半導體層生長在砷化鎵(GaAs)襯底等半導體單晶襯底上之後，再除去半導體單晶襯底(GaAs襯底)，以剩下的氮化鎵系化合物半導體層為新襯底，使作為工作層的氮化鎵系化合物半導體單晶層在其上外延生長，製造半導體發光器件。
根據該特開平8-116090號公報的技術，氮化鎵系化合物半導體層和在其上生成的氮化鎵系化合物半導體單晶層(外延層)的晶格常數與熱膨脹係數非常接近，因此，在半導體單晶層(外延層)處，難於發生由於錯位等引起的晶格缺陷。另外，襯底和在其上生長的工作層，由同樣的氮化鎵系化合物半導體構成，因此，相同的晶體聚集在一起，能夠容易地解理。因此，能簡單地製作半導體雷射器等的反射鏡。
發明的概述但是，用上述特開平8-116090號公報上刊載的製法製造的GaN襯底，由於晶格不匹配等，晶體品質極低，由於晶體缺陷引起的內部應力，襯底發生很大彎曲，故沒有達到實用化的效果。並且隨著技術進步，要求進一步提高採用氮化鎵系化合物半導體的光半導體器件的特性，本發明者們產生了製作更高質量的GaN單晶襯底的需要。為此，必須進一步降低發生在GaN單晶襯底外延層的錯位等晶體缺陷。通過降低晶體缺陷，能夠得到具有晶體質量高、內部應力低、幾乎沒有彎曲的GaN單晶襯底。
本發明是鑑於上述情況而完成的，目的是提供錯位等晶體缺陷被降低的GaN單晶襯底及其製造方法。
本發明的GaN單晶襯底的製造方法，其特徵在於，包括屏蔽層形成工序，在GaAs襯底上形成具有相互隔離配置的多個開口窗的屏蔽層；和外延層生長工序，在所述屏蔽層上生長由GaN構成的外延層。
根據本發明的GaN單晶襯底的製造方法，在屏蔽層的各個開口窗內形成GaN核，該GaN核依次向屏蔽層上的橫向，即向沒有形成屏蔽層的開口窗的屏蔽部上方，毫無障礙地自由地橫向生長。並且，由於GaN核橫向生長時GaN核內的缺陷不擴大，所以能夠形成晶體缺陷大幅度降低的GaN單晶襯底。
另外，在本發明的GaN單晶襯底的製造方法中，理想的是還包括在所述的屏蔽層形成工序之前，在所述GaAs襯底上形成過渡層的過渡層形成工序；和在所述過渡層上，形成由GaN構成的下層外延層的下層外延層生長工序。
這時，由GaN構成的下層外延層位於屏蔽層的開口窗之下，在該下層外延層之上，形成由GaN構成的上述外延層，因此，該外延層的晶體缺陷被進一步降低。即錯位等晶體缺陷，離過渡層越近，其密度越高，所以，如果預先使下層外延層這樣生長，設置距離過渡層的距離而形成屏蔽層，較之沒有生長下層外延層的情況，能夠實現晶體缺陷的降低。
另外，在本發明的GaN單晶襯底的製造方法中，更為理想的是，還包括在所述外延層生長工序之前，在所述屏蔽層的所述開口窗內的所述GaAs襯底上形成過渡層的過渡層形成工序。
這時，只讓GaN外延層生長一次，就可以形成晶體缺陷大幅度降低的GaN單晶襯底，能謀求成本降低。另外，在GaAs襯底上生長GaN外延層時，在接近非晶層的GaN低溫過渡層或AIN過渡層生長之後，再以高溫生長GaN，這樣，即使晶格嚴重不匹配，也可得到外延生長。低溫過渡層形成時，在由SiO2、Si3N4構成的屏蔽層的屏蔽部上面，低溫過渡層不生成，而只在開口窗內形成。
另外，在本發明的GaN單晶襯底的製造方法中，更為理想的是，還包括GaAs襯底除去工序，所述外延層在厚度為5～300μm範圍內生長，在所述外延層生長工序之後，除去所述GaAs襯底；和在所述外延層上，使GaN構成的第二外延層積層生長的工序。
這種情況下，由於在生長第二外延層之前除去GaAs襯底，所以防止GaAs襯底和過渡層及外延層之間由於熱膨脹係數之差引起的熱應力的發生，從而可以降低在外延層發生的裂紋及內部應力，因此，可以形成無裂紋，且晶體缺陷大幅度降低的GaN單晶襯底。
另外，在本發明的GaN單晶襯底的製造方法中，更為理想的是，將所述屏蔽層的所述開口窗，沿所述下層外延層的#6010-10#62方向，以間距L配置多個，形成#6010-10#62窗群，同時將所述#6010-10#62窗群，沿所述下層外延層的#601-210#62方向，以間距d(0．75L≤d≤1．3L)並列設置多個，而且，所述各#6010-10#62窗群，所述各開口窗的中心位置，與相鄰的所述#6010-10#62窗群的所述各開口窗的中心位置相對，沿所述#6010-10#62方向，移動大約1／2L，並列設置。
這時，各#6010-10#62窗群的各開口窗，其中心位置相對於相鄰的#6010-10#62窗群的各開口窗的中心位置，向#6010-10#62方向偏移大約1／2L，所以，從各開口窗生長的正六角錐或正六方錐臺的GaN晶粒，和從鄰接的開口窗生長的晶粒，幾乎不產生凹痕、連結得無間隙，能謀求降低外延層的晶體缺陷及內部應力。
另外，在本發明的GaN單晶襯底的製造方法中，理想的是，將所述屏蔽層的所述開口窗，在所述GaAs襯底的(111)面上，沿#6011-2#62方向以間距L配置多列，形成#6011-2#62窗群，同時將所述#6011-2#62窗群，沿所述GaAs襯底的(111)面的#60-110#62方向，以間距d(0．75L≤d≤1．3L)並列設置多個，而且，所述各#6011-2#62窗群，所述各開口窗的中心位置相對於相鄰的所述#6011-2#62窗群的所述各開口窗的中心位置，向所述#6011-2#62方向，偏移大約1／2L，並列設置。
這時，各#6011-2#62窗群的各開口窗，其中心位置相對於相鄰的#6011-2#62窗群的各開口窗的中心位置，向#6011-2#62方向偏移大約1／2L，因此，從各開口窗生長的正六角錐或正六方錐臺的GaN晶粒，和從鄰接的開口窗生長的晶粒，幾乎不產生凹痕、連結得無間隙，能夠謀求降低外延層的晶體缺陷及內部應力。
另外，在本發明的GaN單晶襯底的製造方法中，更理想的是，還包括在所述外延層生長工序中，使所述外延層較厚地生長，形成GaN單晶的晶錠，將所述晶錠切斷多片的切斷工序。
這時，為了將GaN單晶的晶錠切斷為多片，採用一次製造處理，能得到多片晶體缺陷降低的GaN單晶襯底。
另外，在本發明的GaN單晶襯底的製造方法中，更為理想的是，包括在所述外延層生長工序中，使所述外延層較厚地生長形成GaN單晶的晶錠，將所述晶錠解理為多片的解理工序。
這時，為了將GaN單晶的晶錠解理為多片，採用一次製造處理，可得到多片晶體缺陷降低的GaN單晶襯底。這種情況下，由於是沿GaN晶體的解理面解理晶錠，故可容易地得到多片GaN單晶襯底。
另外，在本發明的GaN單晶襯底的製造方法中，更為理想的是，還包括晶錠形成工序，在由所述製造方法得到的GaN單晶襯底上，較厚地生長由GaN構成的外延層，形成GaN單晶的晶錠；和將所述晶錠切為多片的切斷工序。
這時，在由所述的製造方法製造的GaN單晶襯底上，生長GaN外延層，形成晶錠，只切斷該晶錠就可得到多片GaN單晶襯底。即通過簡單的操作，就能製造多片晶體缺陷降低的GaN單晶襯底。
附圖的簡單說明如下

圖1A～圖1D是分別表示第一實施形態的GaN單晶襯底的製造方法的第一～第四工序的圖；圖2是表示使用HVPE法的氣相生長裝置的圖；圖3是表示用於有機金屬氯化物氣相生長法的氣相生長裝置的圖；圖4是第一實施形態的屏蔽層平面圖；圖5A～圖5D是分別表示第一實施形態的外延生長的第一～第四工序的圖圖6A～圖6D是分別表示第二實施形態的GaN單晶襯底製造方法的第一～第四工序的圖；
圖7是第二實施形態的屏蔽層平面圖；圖8A～圖8D是分別表示第三實施形態的GaN單晶襯底製造方法的第一～第四工序圖；圖9是第三實施形態的屏蔽層的平面圖；圖10A及圖10B是分別表示第三實施形態的第二外延層的生長過程的圖；圖11A及圖11D是分別表示第四實施形態的GaN單晶襯底製造方法的第一～第四工序的圖；圖12是第四實施形態的屏蔽層平面圖；圖13A～圖13E是分別表示第五實施形態的GaN單晶襯底製造方法的第一～第五工序的圖；圖14是第六實施形態的屏蔽層平面圖；圖15是第七實施形態的屏蔽層平面圖；圖16A～圖16F是分別表示第八實施形態的GaN單晶襯底製造方法的第一～第六工序的圖；圖17A～圖17C是分別表示第九實施形態的GaN單晶襯底製造方法的第一～第三工序的圖；圖18A及圖18B是分別表示第十實施形態的GaN單晶襯底製造方法的第一及第二工序的圖；圖19A～圖19C是分別表示第十一實施形態的GaN單晶襯底製造方法的第一～第三工序的圖；圖20是表示採用了第三實施形態的GaN單晶襯底的發光二極體的圖；圖21是表示採用了第三實施形態的GaN單晶襯底的半導體雷射器的圖；圖22是表示用於升華法的氣相生長裝置的圖。
用於實施發明的最佳實施形態下面，參照附圖，詳細地說明本發明的最佳實施形態。在各實施形態的說明中，有時使用晶體的晶格方向及晶格面，這裡預先說明晶格方向及晶格面的符號。各自的表示方法是個別方向用[]表示，集合方向以#60#62表示、個別面以表示，集合面以{}表示。再有，關於負指數，晶體學上將「-」(バ-)標在數字之上，但為便於說明書編制，將負號標在了數字之前。
用圖1A-1D的製造工序圖說明第一實施形態的GaN單晶襯底及其製造方法。
首先，在圖1A所示的第一工序中，將GaAs襯底2設置在氣相生長裝置的反應容器內。再有，作為GaAs襯底2，可以採用GaAs(111)面為Ga面的GaAs(111)A襯底，或者，GaAs(111)面為As面的GaAs(111)B襯底的任一種。
將GaAs襯底2設置在氣相生長裝置的反應容器內之後，在該GaAs襯底2上，形成由GaN構成的過渡層4。作為過渡層4的形成方法，有HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy氫化物氣相外延)法、有機金屬氯化物氣相生長法、MOCVD法等氣相生長法。以下分別詳細說明這些氣相生長法。
首先說明HVPE法。圖2是表示用於HVPE法的常壓氣相生長裝置的圖。該裝置包括反應腔59，具有第一氣體導入口51，第二氣體導入口53，第三氣體導入口55，及排氣口57；和用於加熱這個反應腔59的電阻加熱器61。另外，在反應腔59內，設置了鎵合金(metal)的極皿(ソ-スボ-ト)63，和支承GaAs襯底2的旋轉支承部件65。
下面說明採用這樣的氣相生長裝置的過渡層4的最佳形成方法，在GaAs襯底2採用GaAs(111)A襯底時，由電阻加熱器61將GaAs襯底2的溫度升溫並保持為大約450℃～530℃，在這種狀態下，由第二氣體導入口53，以分壓4×40-4atm～4×10-3atm，將氯化氫(HCl)導入到Ga合金的極皿63。通過該處理，Ga合金和氯化氫(HCl)反應，生成氯化鎵(GaCl)。接著，從第一氣體導入口51，以分壓為0．1atm～0．3atm導入氨(NH3)，在GaAs襯底2附近，使該NH3與GaCl反應，生成氯化鎵(GaN)。再有，向第一氣體導入口51及第二氣體導入口53，導入氫(H2)作為載氣。再有，在第三氣體導入口55隻導入氫(H2)。在這種條件下，大約20～40分鐘生長GaN，由此，在GaAs襯底2上，形成厚度大約為500～1200埃的由GaN構成的過渡層4。採用HVPE法時，一般認為即使增加氯化鎵(GaCl)的合成量過渡層的生長速度也不怎麼變化，是反應速度控制。
另外，GaAs襯底2採用GaAs(111)B襯底時，也可以和採用GaAs(111)A襯底時，以大致相同的條件形成過渡層。
其次，說明有機金屬氯化物氣相生長法。圖3是表示用於有機金屬氯化物氣相生長法的生長裝置的圖。該裝置包括反應腔79，具有第一氣體導入口71，第二氣體導入口73，第三氣體導入口75，及排氣口77；和加熱該反應腔79的電阻加熱器81。再有，在反應腔79內，設置了支承GaAs襯底2的旋轉支承部件83。
以下說明採用這樣的生長裝置的過渡層4的形成方法。GaAs襯底2採用GaAs(111)A襯底時，由電阻加熱器81將GaAs襯底2的溫度升溫並保持在大約450℃～530℃，在這種狀態下，由第一氣體導入口71，將三甲基鎵(TMG)以分壓4×10-4～2×10-3atm導入，同時從第二氣體導入口73，將氯化氫(HCl)以分壓4×10-4～2×10-3atm，只以等量導入。通過該處理，三甲基鎵(TMG)和氯化氫(HCl)反應，生成氯化鎵(GaCl)。接著，從第三氣體導入口75，以分壓0．1～0．3atm導入氨(NH3)，在GaAs襯底2附近，使該NH3與GaCl反應，生成氮化鎵(GaN)。再有，在第一氣體導入口71，第二氣體導入口73、及第三氣體導入口75、分別導入作為載氣的氫(H2)。在這樣的條件下，用大約20～40分鐘生長GaN，從而，在GaAs襯底2上，形成大約厚500～1200埃的由GaN構成的過渡層4。這時，能夠使過渡層4的生長速度大約為0．08μm/hr～0．18μm／hr。
另外，GaAs襯底2採用GaAs(111)B襯底時，也可以和採用GaAs(111)A襯底時大致相同的條件形成過渡層。
另外，所謂MOCVD法，就是在冷壁型反應爐中，將含有Ga的例如三基鎵(TMG)等的有機金屬和氨(NH3)與載氣一起噴射在被加熱的GaAs襯底2上，在襯底2上使GaN生長的方法。在此，將含有Ga的有機金屬等噴射到GaAs襯底2時，該GaAs襯底2的溫度最好是，採用GaAs(111)A襯底時大約為450℃～600℃，採用GaAs(111)B襯底時大約為450℃～550℃。另外，作為含有Ga的有機金屬除TMG之外，常採用例如三乙基鎵(TEG)等。
以上是形成過渡層4的氣相生長法。過渡層4形成之後，使由GaN構成的第一外延層(下層外延層)6生長在該過渡層4上。在第一外延層6的生長，和過渡層的形成方法一樣，可以使用HVPE法、有機金屬氯化物氣相生長法、MOCVD法等氣相生長法。以下以這些氣相生長法，說明使第一外延層6生長時的最佳條件。
由HVPE法生長第一外延層6時，和過渡層4的形成相同，可以使用圖2所示的裝置。而且，使用GaAs(111)A襯底作為GaAs襯底2時，由電阻加熱器61將GaAs襯底2的溫度升溫並保持在大約920℃～1030℃，在這種狀態下，使第一外延層6生長。這時，可以使第一外延層6的生長速度大約為20μm～200μm/hr。再有，生長速度對GaCl分壓即對HCl分壓的依賴性很大，HCl分壓可取範圍為5×10-4atm～5×10-2atm，另一方面，GaAs襯底2採用GaAs(111)B襯底時，由電阻加熱器61將GaAs襯底2的溫度加熱並保持在大約為850℃～950℃，在該狀態下，使第一外延層6生長。
利用有機金屬氯化物氣相生長法使第一外延層6生長時，與過渡層4的形成相同，可以使用圖3所示的裝置。而且，GaAs襯底2使用GaAs(111)A襯底時，由電阻加熱器81，將GaAs襯底2的溫度加熱並保持在大約920℃～1030℃，以這種狀態使第一外延層6生長。這時，可以使第一外延層6的生長速度大約為10μm／hr～60μm／hr。再有，為了提高生長速度，只要提高TMG的分壓從而提高GaCl的分壓即可，但是，在因氣體配管溫度形成TMG平衡蒸氣壓以上的分壓時，由於會引起向氣體配管內壁TMG的液化，發生配管汙染或堵塞，因此，TMG的分壓不能過分提高，一般認為，大約5×10-3atm為其上限。為此，生長速度也以60μm／hr左右為上限。
另一方面，在GaAs襯底2採用GaAs(111)B襯底時，由電阻加熱器81將GaAs襯底2的溫度升溫並保持在約850℃～950℃，以這個狀態，使第一外延層6生長。這時，可以使第一外延層6的生長速度大約為10μm／hr～50μm／hr。再有，導入反應腔79內的三甲基鎵等的分壓，由於上述原因，上限為5×10-3atm。
利用MOCVD法生長第一外延層6時，將含有Ga的有機金屬等噴射到GaAs襯底2時的該GaAs襯底2的溫度理想的是採用GaAs(111)A襯底時大約為750℃～900℃，採用GaAs(111)B襯底時大約為730℃～820℃。以上是第一外延層6的生長條件。
接著，說明圖1B所示的第二工序。在圖1B所示的第二工序中，從生長裝置中取出製造當中的晶片，在外延層6上形成由SiN或SiO2構成的屏蔽層8。屏蔽層8由等離子體CVD等形成厚度約100nm～500nm的SiN膜或SiO2膜，該SiN膜或SiO2膜利用光刻法技術，通過圖形蝕刻形成。
圖4是圖1B所示的第二工序中的晶片的平面圖。如圖1B及圖4所示，在本實施形態的屏蔽層8中，形成多個帶狀的條形窗10。條形窗10沿著由GaN構成的第一外延層6的#6010-10#62方向延伸而形成。再有，圖4的箭頭表示第一外延層6的晶體方向。
形成屏蔽層8之後，進行圖1C所示的第三工序。在第三工序中，將形成屏蔽層8的晶片再次設置在氣相生長裝置的反應容器內。然後，在屏蔽層8和從第一外延層6的條形窗10露出的部分之上，生長第二外延層12。作為第二外延層12的生長方法，和第一外延層6的生長方法相同，有HVPE法、有機金屬氯化物氣相生長法、MOCVD法等，再有，第二外延層12的厚度理想的是大約為150μm～1000μm。
在此，利用圖5A-圖5D詳細說明第二外延層12的生長過程。如圖5A所示，在由GaN構成的第二外延層12的生長初期，第二外延層12不在屏蔽層8上生長，GaN核只在位於條形窗10內的第一外延層6上生長。隨著生長進行，第二外延層12的厚度增加，隨著該厚度的增加，如圖5B所示，在屏蔽層8上，產生第二外延層12的橫向生長(lateral growth)。這樣，如圖5C所示，在屏蔽層8上，從兩側生長起來的外延層12連接起來，並形成一體。通過橫向生長而一體化後，如圖5D所示，第二外延層12向上方生長，厚度增加。再有，當第二外延層12通過橫向生長而和相鄰的外延層12一體化時，則較之一體化前，向厚度方向的生長速度加快。以上是第二外延層12的生長過程。
在此，如圖4的說明所述，條形窗10沿著GaN構成的第一外延層6的#6010-10#62方向延伸而形成，因此，條形窗10的寬度方向和第一外延層6的#601-120#62方向大體一致。而且，一般而言，GaN外延層向#601-210#62方向生長的速度快，所以從第二外延層12的橫向生長開始到相鄰的外延層12彼此之間形成一體的時間縮短。因此，第二外延層12的生長速度加快。
另外，條形窗10不一定需要沿著第一外延層6的#6010-10#62方向延伸，例如，沿著外延層6的#601-210#62方向延伸形成也可以。
其次，說明第二外延層12的錯位密度。如圖5所示，在第二外延層12的內部，存在多個錯位14。但是，如圖5D所示，即使第二外延層12橫向生長，錯位14也幾乎不向橫向擴展。另外，即使錯位14已向橫向擴展也不會成為在水平方向延伸而貫通上下面的貫通錯位。因此，在屏蔽層8的沒有形成條形窗10的部分(以下稱為屏蔽部)之上方，形成比條形窗10的上方區域錯位密度低的低錯位密度區域16。這樣，能夠減小第二外延層12的錯位密度。另外，從利用橫向生長使相鄰的外延層12之間一體化後的圖5C的狀態，外延層12向上方快速生長時，錯位14幾乎不向上方延伸。因此，第二外延層12的上面，形成沒有空隙和貫通錯位、埋入性及平坦性優異的面。
如上所述，形成第二外延層12之後，進行由圖1D所示的第四工序。在第四工序中，將晶片設置在蝕刻裝置內，用氨系蝕刻液完全除去GaAs襯底2。然後，在除去GaAs襯底2之後，對GaAs襯底2的除去面，即過渡層4的下面實施研磨處理，完成本實施形態的GaN單晶襯底13。
再有，在第二外延層12的局部產生異常粒生長時，或第二外延層12的層厚變得不均勻時，對第二外延層12的上面實施研磨處理，加工成鏡面，具體地講，最好是對第二外延層12的上面實施磨光(lapping)研磨之後，再實施拋光(buff)研磨。
另外，圖1B及圖4所示的屏蔽部的寬度P，理想的是大約在2μm～20μm範圍內。如果使屏蔽部的寬度P比所述下限還小，那麼第二外延層12的橫向生長效果就有降低的傾向，另一方面，如果寬度P大於所述上限，則第二外延層12的生長時間變長，就會有批量生產率降低的傾向。而且，條形窗10的窗寬Q理想的是在0．3μm～10μm範圍內。通過使條形窗10的窗寬Q置於這個範圍內，能夠發揮屏蔽的效果。
另外，在圖1A所示的第一工序，論述了生長由GaN構成的過渡層4的情況，但也可以生長由AIN替代GaN構成的過渡層4。這時，可以使用MOVPE法。具體地講就是，預先將反應容器內充分抽真空，之後，在常壓下，採用GaAs(111)A襯底時，使GaAs襯底2升溫保持在約550℃～700℃，採用GaAs(111)B襯底時，使GaAs襯底2升溫保持在約550℃～700℃，在這種狀態下，通入作為載氣的氫氣，作為原料氣的三甲基鋁(TMA)及氨(NH3)。然後，通過這樣處理，在GaAs襯底2上，形成厚度大約為100埃～1000埃的、由AIN構成的過渡層4。
第二實施形態下面，用圖6A～6D的製造工序圖說明第二實施形態的GaN單晶襯底及其製造方法。
首先，在圖6A所示的第一工序中，在GaAs襯底2上，直接形成由SiN或SiO2構成的屏蔽層8。屏蔽層8由等離子體CVD等形成厚度約100nm～500nm的SiN膜或SiO2膜，以光刻法技術，由圖形蝕刻形成該SiN膜或SiO2膜。
圖7是圖6A所示的、第一工序中的晶片的平面圖。如圖6A及圖7所示，在本實施形態的屏蔽層8，和第一實施形態相同，也形成多個帶狀的條形窗10。再有，條形窗10沿著GaAs襯底2的#6011-2#62方向延伸而形成。另外，圖7的箭頭表示GaAs襯底2的晶體方向。
屏蔽層8形成之後，進行圖6所示的第二工序，在條形窗10內的GaAs襯底2上，形成過渡層24。過渡層24和第一實施形態相同，可以由HVPE法、有機金屬氯化物氣相生長法、MOCVD法等形成。再有，過渡層24的厚度最好為約50nm～約120nm。
然後，在圖6C所示的第三工序中，在過渡層24上生長由GaN構成的外延層26。外延層26理想的是和第一實施形態1相同，由HVPE法、有機金屬氯化物氣相生長法、MOCVD法等，生長到厚度為約150μm～約1000μm。另外，這種情況下，也可利用外延層的橫向生長，降低外延層26的晶體缺陷，特別是可以降低屏蔽層8的屏蔽部上方以及外延層26的上面的晶體缺陷。
在此，如上所述，由於條形窗10沿著GaAs襯底2的#6011-2#62方向延伸而形成，故條形窗10的寬度方向和GaAs襯底2的#601-10#62方向大體一致。而且，一般地，由於GaN外延層向GaAs襯底2的#601-10#62方向生長的速度很快，所以從外延層26的橫向生長開始到相鄰的外延層之間一體化的時間縮短。因此，外延層26的生長速度變快。
再有，條形窗10不一定必須沿著GaAs襯底2的#6011-2#62方向延伸，例如也可以沿著GaAs襯底2的#601-10#62方向延伸而形成。
外延層26生長之後，進行圖6D所示的第四工序，除去GaAs襯底2，完成本實施形態的GaN單晶襯底27。再有，作為除去GaAs襯底2的除去方法，例如有蝕刻法。用氨系蝕刻液對GaAs襯底2進行大約1小時溼式蝕刻，由此可以除去該GaAs襯底2。另外，也可用王水對GaAs襯底2進行溼式蝕刻。另外，除去GaAs襯底2之後，也可以對GaAs襯底2的除去面、即屏蔽層8及過渡層24的下面進行研磨處理。而且，和第一實施形態相同，也可以對外延層26的上面進行研磨處理。
這樣，根據本實施形態的GaN單晶襯底的製造方法，由於只將外延層生長一次，就可以製造晶體缺陷少、內部應力小的GaN襯底，因此，和第一實施形態相比，能夠減少製造工序數量，並且可以降低成本。
第三實施形態在說明第三實施形態之前，先說明完成本實施形態的GaN單晶襯底及其製造方法的原委。
為滿足提高光半導體器件性能的要求，本發明者們為了製作更高品質的GaAs襯底，反覆了多次試行錯誤。結果本發明者們發現了重要的一點要製作高品質的GaN襯底就要降低生長的GaN外延層的內部應力。
一般地，GaN外延層的內部應力可分為熱應力和純粹的內部應力。該熱應力是由於GaAs襯底和外延層的熱膨脹係數之差而產生的。另外，根據該熱應力可以預測GaN襯底彎曲的方向，但是，在沒有除去GaAs襯底的狀態下，GaN襯底整體的實際彎曲和預測的方向是相反的，而且即使在除去GaAs襯底之後，GaN襯底還是發生很大彎曲，由此判明在GaN外延層存在著純粹的內部應力。
純粹的內部應力是從生長的初期階段就存在的，生長了的GaN外延層中的純粹的內部應力，測量結果判明為0．2×109～2．0×109dyn／cm2左右。在此說明計算純粹的內部應力所採用的斯通尼(Stoney)公式。在襯底上形成有薄膜的晶片中，內部應力σ由下述數學式(1)給出=Eb23(1-)I2d(1)]]>[公式(1)中，σ為內部應力、E為剛性模量，v為泊松比，b為襯底厚度，d為薄膜厚度，I為襯底直徑，δ為晶片撓度]。GaN單晶時，設d=b，則變為下式(2)=Ed3(1-)I2(2)]]>[公式(2)中，符號表示和(1)式相同。]。根據該公式(2)，本發明者們計算出了如上所述的外延層的純粹的內部應力的值。
如果存在純粹的內部應力和熱應力等內部應力，那麼襯底就會產生彎曲或發生裂紋，就不能得到大面積、高品質的GaN單晶襯底。因此，本發明者們重新分析了純內部應力發生的原因。其結果，發現純粹的內部應力發生的原因如下。即在GaN外延層，晶體一般呈六角柱狀，在這柱狀粒的界面存在著具有很小傾度的粒界，可以觀察到原子排列不匹配。而且在GaN外延層中，存在著很多的錯位。並且，這些粒界和錯位，通過缺陷的增加、消失，產生GaN外延層的體積收縮等，這就成為純粹的內部應力發生的原因。
依據上述純粹的內部應力發生的原因完成的發明實施形態是第三實施形態～第七實施形態的GaN單晶襯底及其製造方法。
以下用圖8A～圖8D的製造工序圖，說明第三實施形態的GaN單晶襯底及其製造方法。
在圖8所示的第一工序中，用和第一實施形態同樣的方法，在GaAs襯底2上，生長由GaN構成的過渡層4及由GaN構成的第一外延層(下層外延層)6。然後在圖8所示的第二工序中，在第一外延層6上形成由SiN或SiO2構成的屏蔽層28。本實施形態與第一實施形態的不同點，在於該屏蔽層28的形狀。
在此，用圖9說明屏蔽層28的形狀。如圖9所示，在本實施形態中，在屏蔽層28形成多個正方形的開口窗30。而且使各開口窗10沿著第一外延層6的#6010-10#62方向以間距L配置，形成#6010-10#62窗群32。而且，該#6010-10#62窗群32，各開口窗10的中心位置相對於相鄰的#6010-10#62窗群32的各開口窗10的中心位置，各向#6010-10#62方向移動1/2L，同時在第一外延層6的#601-210#62方向，以間距d並列設置多個。再有，在此所說的各開口窗30的中心位置是指各開口窗30的重心位置。另外，使各開口窗30為邊長為2μm的正方形，間距L為6μm，間距d為5μm。
接著，在圖8C所示的第三工序中，以和第一實施形態相同的方法，在屏蔽層28上，生長第二外延層34。
在此，用圖10A及圖10B，說明第二外延層34的生長過程。圖10A表示第二外延層34的生長初期階段。如該圖所示，在生長初期，從各開口窗30生長正六角錐或六角錐臺的GaN晶粒36。而且如圖10B所示，如果該GaN晶粒36橫向生長在屏蔽層28上，那麼各個GaN晶粒36和其他GaN晶粒36之間，不設間隙(凹痕)地聯結。而且各GaN晶粒36覆蓋屏蔽層28，表面形成鏡面狀的第二外延層34。
即沿#6010-10#62方向，使各開口窗30的中心移動1／2L，同時使#6010-10#62窗群32在#601-210#62方向並列設置多個，因此，正六方錐臺的GaN晶粒36幾乎不產生間隙地生長，其結果，純粹的內部應力大幅度地降低。
另外，和第一實施形態相同，在第二外延層34的屏蔽層28的相當於屏蔽部上方的區域，由於GaN晶粒36的橫向生長效果而幾乎不發生錯位。
使第二外延層34生長之後，進行圖8D所示的第四工序，由蝕刻處理除去GaAs襯底2，完成本實施形態的GaN單晶襯底35。
在本實施形態中，如上所述，使屏蔽層28的各開口窗30為邊長2μm的方形。屏蔽層28的開口窗30的形狀和尺寸不限於此，最好根據生長條件適當地調整。例如，可以是邊長為1～5μm的方形，可以是直徑為1～5μm的圓形。而且各窗10的形狀，不限於方形、圓形，為橢圓形、多邊形也可以。這時各開口窗30的面積最好為0．7μm2～50μm2。如果各窗口30的面積比這個範圍過大，則在各開口窗30內的外延層34，易發生缺陷、有內部應力增加的傾向。另一方面，如果各開口窗30的面積比這個範圍過小，則各開口窗30的形成就困難，也有外延層34的生長速度降低的傾向。另外，各開口窗30的總面積最好是屏蔽層28的所有開口窗30及屏蔽部面積之和的10-50％，各開口窗30的總面積在這個範圍時，就可以顯著降低GaN單晶襯底的缺陷密度及內部應力。
另外，在本實施形態中，取間距L為6μm，間距d為5μm，但間距L及間距d的長度並不限定於此。間距L最好在3～10μm的範圍內。如果間距L較之10μm過長，那麼達到GaN晶粒36之間連結的時間增加，第二外延層34的生長就要花費很多時間。另一方面，如果間距L較之3μm過短，那麼晶粒36橫向生長的距離縮短，橫向生長的效果變差。另外，由同樣的理由，間距d最好位於0．75L≤d≤1．3L的範圍內。特別是，d=0．87L時，即如果連結在#6010-10#62方向相鄰的二個開口窗30和在這二個開口窗34的#601-210#62方向存在同時到這二個開口窗34的距離最短的一個開口窗30可形成正三角形時，那麼晶粒全都無間隙地排列，產生於外延層34的凹痕最少，能夠使GaN單晶襯底的缺陷密度及內部應力最小。
另外，#6010-10#62窗群32的各開口窗30，和相鄰的#6010-10#62窗群32的各開口窗30，在#6010-10#62方向偏移的距離，不一定是準確的1／2L，如果是2／5L～3／5L的程度，就能降低內部應力。
再有，屏蔽層28的厚度，最好位於大約0．05μm～0．5μm的範圍內。那是因為如果屏蔽層28較之這個範圍過厚，那麼在GaN的生長中就會有裂紋進入，另一方面，如果較之這個範圍過薄，在GaN的生長過程中GaAs襯底就會受到蒸發損傷。
第四實施形態。
接著，用圖11A～圖11D的製造工序圖，說明第四實施形態的GaN單晶襯底及其製造方法。本實施形態除屏蔽層的形狀以外，其他和第二實施形態相同。
首先，在圖11A所示的第一工序中，由SiN或SiO2構成的屏蔽層38直接在GaAs襯底2上形成。屏蔽層38，由等離子體CVD等形成厚度約100nm～500nm的SiN膜或SiO2膜。該SiN膜或SiO2膜以光刻法技術由圖形蝕刻形成。
圖12是圖11A所示的第一工序中的晶片的平面圖。如圖12所示，本實施形態的屏蔽層38的形狀和第三實施形態的屏蔽層28形狀相同。在屏蔽層38形成多個開口窗40。而且各窗口40在GaAs襯底2的#6011-2#62方向以間距L配置，形成#6011-2#62窗群42。而且該#6011-2#62窗群42，其各開口窗40的中心位置相對於相鄰的#6011-2#62窗群42的各開口窗40的中心位置沿#6011-2#62方向偏移1／2L，同時，在GaAs襯底2的#601-10#62方向以間距d並列設置多個。本實施形態的屏蔽層38，和第三實施形態的屏蔽層28的差異，只是這樣的各開口窗的配列方向。
屏蔽層38形成之後，在圖11B所示的第二工序中，在開口窗40內的GaAs襯底2上，形成過渡層24。
接著，在圖11C所示的第三工序中，由GaN構成的外延層26在過渡層24上生長。
在本實施形態中，也和第三實施形態相同，在生長初期，從各開口窗40生長正六方錐臺的GaN晶粒。而且，如果該GaN晶粒在屏蔽層38上橫向生長，則各GaN晶粒和其他的GaN晶粒之間不設置間隙地連結。而且各GaN晶粒覆蓋屏蔽層38，表面形成鏡狀面的外延層26。
即一邊沿著GaAs襯底2的#6011-2#62方向使各開口窗40的中心偏移1／2L，一邊將#6011-2#62窗群42在#601-10#62方向並列設置多個，因此，正六方錐臺的GaN晶粒，幾乎不產生間隙地生長。其結果是，大幅度降低純粹的內部應力。
再有，各開口窗40不一定必須沿著GaAs襯底2的#6011-2#62方向延伸，例如也可以沿著GaAs襯底2的#601-10#62方向延伸而形成。
外延層26形成之後，進行圖11D所示的第四工序，除去GaAs襯底2，就完成了本實施形態的GaN單晶襯底39。再有，GaN單晶襯底39的表面和內面的粗糙度大時，可將表面及內面進行研磨。
如上所述，根據本實施形態的GaN單晶襯底的製造方法，由於外延層只生長一次，所以能夠製造出大幅度降低了晶體缺陷的GaN襯底。能謀求降低成本。
第五實施形態用圖13A-圖13E，說明第五實施形態的GaN單晶襯底及其製造方法首先，在圖13A所示的第一工序中，和第四實施形態相同，在GaAs襯底2上，理想的是形成厚度大約為100nm～500nm的屏蔽層38。
其次，在圖13B所示的第二工序中，在開口窗40內的GaAs襯底2上，理想的情況是，形成厚度約為500nm～1200nm的過渡層24。
然後，在圖13C所示的第三工序中，在過渡層24及屏蔽層38上，生長由GaN構成的第一外延層44。第一外延層的厚度理想的是在約50μm～約300μm的範圍內。
在本實施形態中，也和第三實施形態及第四實施形態一樣，由各開口窗40構成的GaN晶粒，和其他的晶粒之間，不設置間隙(凹痕)地連結，成為將屏蔽層38埋入那樣的結構。
在圖13D所示的第四工序中，將形成第一外延層44的晶片配置在蝕刻裝置內，用王水蝕刻約10個小時，完全除去GaAs襯底2。這樣，先形成厚度為約50μm～約300μm厚薄的CaN單晶襯底。
在圖13E所示的第五工序中，在第一外延層44上，由上述HVPE法，有機金屬氯化物氣相生長法、HOCVD法等，生長厚度約為100μm～700μm的、由GaN構成的第二外延層46。由此，生成厚度約為150μm～1000μm的GaN單晶襯底47。
如上所述，在本實施形態中，在第二外延層46生長之前，除去GaAs襯底2，所以能夠防止GaAs襯底2、過渡層24及外延層44、46之間，由於熱膨脹係數不同而引起熱應力的發生。因此，和GaAs襯底2不在途中除去，外延層一直生長到最後的情況比較，能夠製作出彎曲和裂紋少的高品質的GaN單晶襯底。
再有，如上所述，之所以使第一外延層44的厚度在約300μm以下，是因為如果第一外延層44過厚，熱應力的影響就會變大。另一方面，之所以第一外延層44的厚度在約50μm以上，那是因為如果第一外延層44過薄，那麼機械強度就弱，就會難於操作。
另外，在此說明屏蔽層採用第四實施形態的屏蔽層的情況，但本實施形態的屏蔽層也可採用具有第二實施形態那樣的條形窗的屏蔽層。而且，GaN單晶襯底47的表面和內面的粗糙度大時，可研磨表面及內面。
第六實施形態下面用圖14說明第六實施形態的GaN單晶襯底及其製造方法。本實施形態的過渡層及外延層的形成方法，和第三實施形態的方法相同，只是屏蔽層的開口窗的形狀和第三實施形態不同。
圖14是表示本實施形態採用的層蔽層48的各開口窗形狀及配置的圖。如圖所示，各開口窗形成長方形(短柵狀)，成為使屏蔽層48正下方的層即第一外延層6的#6010-10#62方向為縱向的長方形窗50。各長方形窗50以間距L配置在第一外延層6的#6010-10#62方向，形成#6010-10#62長方形窗群52。而且，該#6010-10#62長方形窗群52和相鄰的#6010-10#62長方形窗群52，使各長方形窗50的中心位置，向#6010-10#62方向偏移1／2L，同時在第一外延層6的#601-210#62方向，以間距d並列設置多個。
再有，間距L鑑於在長方形窗50的縱向長度長時，第二外延層在#6010-10#62方向不橫向生長的區域變寬，內部應力難於降低，故該長度範圍最好是約4μm～約20μm。另外，縱向即#6010-10#62方向上相鄰的長方形窗50之間的屏蔽層長度，最好是約1μm～約4μm。這是因為，由於向#6010-10#62方向的GaN的生長慢，所以如果屏蔽層長度過長，則第二外延層的形成就須花費很長時間。
另外，在第一外延層6的#601-210#62方向，相鄰的長方向窗群52之間的屏蔽寬度(d-w)，最好是約2μm～約10μm。這是因為如果屏蔽寬度(d-w)過寬，則六稜柱狀的晶粒為連續化需很長時間，另一方面，屏蔽寬度(d-w)過窄，就不能得到橫向生長的效果，晶體缺陷難於降低。而且，各長方形窗52的寬W最好是約1μm～約5μm。這是因為寬度W過寬的話，在各長方形窗50內的GaN層，有缺陷多發生的傾向，另一方面，寬度W過窄的話，各長方形窗50的形成變得困難，第二外延層的生長速度也有降低的傾向。
這樣的屏蔽層48形成之後，和第三實施形態一樣，在屏蔽層48上，生長由GaN構成的第二外延層12，但是在本實施形態中，也在第二外延層12的生成初期，從各長方形窗50，生長正六方錐臺的GaN晶粒。而且，如果該GaN晶粒在屏蔽層48上橫向生長，則各GaN晶粒和其他GaN晶粒之間不設置間隙(凹痕)地連結，成為將屏蔽層埋入般的結構。
即在第一外延層6的#6010-10#62方向，將各長方形窗50的中心位置偏移1／2L，同時將#6010-10#62長方形窗群52在第一外延層6的#601-210#62方向並列設置多個，所以正六方錐臺的GaN晶粒，不產生凹痕地生長，能夠謀求降低晶體缺陷及降低純粹的內部應力。
另外，和第三實施形態一樣，在第二外延層的屏蔽層48的相當於屏蔽部上方的區域中，由於GaN晶粒的橫向生長效果而幾乎不發生錯位。
而且，各長方形窗50的縱向和第一外延層6的#6010-10#62方向一致地形成各長方形窗50，因此能夠提高在屏蔽層48上生長的第二外延層的生長速度。這是因為，在GaN的生長初期生長速度快的{1-211}面顯現出來，向#601-210#62方向的生長速度增加，在各長方形窗50內形成的島狀GaN晶粒達到連續膜化的時間縮短。
另外，和本實施形態不同，即使不通過第一外延層6而直接在GaAs襯底2上形成屏蔽層48，也能提高在屏蔽層48上形成的第二外延層的生長速度。這種情況理想的是長方形窗50的縱向方向和屏蔽層48的下層的GaAs襯底2的#6011-2#62方向一致地形成。
第七實施形態下面，用圖15說明第七實施形態的GaN單晶襯底及其製造方法。本實施形態的特徵在於屏蔽層的窗的形狀。過渡層及外延層的形成和上述各實施形態相同。
如圖15所示，在本實施形態中，屏蔽層58的各開口窗，成為形成正六角環狀的六角窗60。而且，該六角窗60的六個邊和屏蔽層58的下層的外延層的#6010-10#62方向一致。通過在該方向形成六角窗60的各邊，可以提高形成在屏蔽層58上的外延層的生長速度。這是因為，在GaN的生長初期，生長速度快的{1-211}面，在#601-210#62方向生長。再有，理想的是六角窗60的窗寬a大約為2μm，外側的正六邊形邊長b大約為5μm，相鄰的六角窗60之間的屏蔽寬度W約為3μm。但是，這些值不限於這個範圍。另外，圖15中的箭頭表示屏蔽層58下層的外延層的結晶方向。
在屏蔽層58上形成外延層之後，通過在晶片上施於蝕刻處理，完全除去GaAs襯底，而且，將GaAs襯底的除去面進行研磨處理，形成本實施形態的GaN單晶襯底。
本實施形態的GaN單晶襯底，也和上述各實施形態一樣，在屏蔽層上的外延層的相當於屏蔽部上方的區域中，由於GaN晶粒的橫向生長效果而幾乎不發生錯位。
再有，和本實施形態不同，即使不通過外延層而直接在GaAs襯底上形成屏蔽層58，也可以提高形成在屏蔽層上的外延層的生長速度。這時該六角窗42的六個邊和GaAs襯底的#6011-2#62方向一致。
第八實施形態下面，用圖16A-16F說明第八實施形態的GaN單晶襯底及其製造方法。
圖16A所示的第一工序中的屏蔽層8的形成、圖16B所示的第二工序中的過渡層24的形成、圖16C所示的第三工序中的外延層26的生長、圖16D所示的第四工序中的GaAs襯底2的除去與第二實施形態一樣進行，故說明就省略了。再有，除去GaAs襯底2後的GaN單晶襯底的厚度理想的是和第二實施形態一樣為約50μm～約300μm，或者在其之上。
在圖16E所示的第五工序中，將圖16D所示的GaN單晶作為晶種，在外延層26上生長由GaN構成的外延層62，形成GaN單晶的晶錠64。再有，作為外延層62的生長方法，和上述各實施形態一樣，有HVPE法、有機金屬氯化物氣相生長法和MOCVD法等，在本實施形態中，另外也可採用升華法。升華法就是使用如圖22所示的生長裝置90進行的生長方法。更詳細地說就是在原料GaN粉末92和襯底2對向設置的反應爐94內，在高溫下通入NH3氣體等，由此一邊進行GaN粉末的蒸發擴散，一邊通入NH3氣體，在襯底2上生長GaN的氣相生成法。該升華法，難於進行微細控制，但是適於外延層的增厚，即適於晶錠的製作。在本實施形態中，反應爐的溫度設定為約1000℃～約1300℃，將氮氣作為載氣通入氨氣約10sccm～100sccm。
然後，在圖16F所示的第六工序中，將GaN單晶的晶錠64作成多個GaN單晶襯底66。作為將晶錠64形成多個GaN單晶襯底的方法有將晶錠64用內周齒切片機等切斷的方法和沿著GaN單晶的解理面將晶錠64解理的方法。再有，也可採用切斷處理和解理處理兩者。
如上所述，根據本實施形態，由於將GaN單晶的晶錠切斷或解理為多片，所以能夠以簡單的操作，得到多片晶體缺陷低的GaN單晶襯底。即與上述各實施形態相比，可以提高批量生產率。
再有，晶錠64的高度，理想的是為約1cm以上。那是因為，如果晶錠64比1cm過低，就沒有批量生產的效果。
另外，本實施形態的製造方法，是在通過從圖6A到圖6D所示的第二實施形態的製造工序的GaN單晶襯底上形成晶錠64，但是本實施形態不限於該方法。另外，以通過第一實施形態～第七實施形態的製造工序的GaN單晶襯底為基礎形成晶錠64也可以。
再有，本實施形態的GaN單晶襯底66，由實驗判明可以不特意摻雜質進行如下控制，使載流子的濃度為n型1×1016cm-3～1×1020cm-3的範圍，電子遷移率在60cm2～800cm2的範圍，比電阻在1×10-4Ωcm～1×10Ωcm的範圍內。
第九實施形態下面，用圖17A～圖17C說明第九實施形態的GaN單晶襯底及其製造方法。
在圖17A所示的第一工序中，在GaAs襯底2上形成屏蔽層8及過渡層24。屏蔽層8及過渡層24的形成方法和上述各實施形態相同。
其次，在圖17B所示的第二工序中，由GaN構成的外延層68一氣生長，形成晶錠70。外延層68的生長方法和第八實施形態的外延層62的生長方法一樣。再有，晶錠70的高度理想的是大約1cm以上。
在圖17C所示的第三工序中，和第八實施形態的第六工序一樣，由切斷處理或解理處理使GaN單晶的晶錠70形成多個GaN單晶襯底72。
如上所述，根據本實施形態，由於將GaN單晶的晶錠切為或解理成為多片，所以用簡單的操作，就能得到多個晶體缺陷低的GaN單晶襯底。即和第一實施形態～第七實施形態相比較，能提高批量生產率。而且，GaN外延層的生長只是一次，所以即使和第八實施形態比較，也能謀求製造工藝的簡化和成本的降低。
再有，本實施形態的GaN單晶襯底72，也和第八實施形態的GaN單晶襯底66一樣，由實驗判明可如下控制，不特意地摻雜質，使載流子的濃度為n型1×1016cm-3～1×1020cm-3範圍內，電子遷移率為60cm2～800cm2範圍內，比電阻為1×10-4Ωcm～1×10Ωcm範圍內。
第十實施形態用圖18A～圖18B說明第十實施形態的GaN單晶襯底及其製造方法。
首先，在圖18A所示的第一工序中，在以上述第八實施形態製造的GaN單晶襯底66上生長外延層74，形成GaN單晶的晶錠76。外延層74的生長方法和上述各實施形態一樣，可以採用HVPE法、有機金屬氯化物氣相生長法、MOCVD法和升華法等。
其次，在圖18B所示的第二工序中，通過切斷處理或解理處理，將GaN單晶的晶錠76形成為多片GaN單晶襯底78，由此，可以得到本實施形態的GaN單晶襯底78。
如上所述，在本實施形態中，以已經製造的GaN單晶襯底為基礎製作晶錠，因此能夠以簡單的操作，得到多片晶體缺陷低的GaN單晶襯底。再有，在本實施形態中，將以第八實施形態製造的GaN單晶襯底66作為晶種，製作晶錠，但是晶錠的晶種不限於此，例如也可以將第九實施形態的GaN單晶襯底72作為晶種。
第十一實施形態用圖19A～19C說明第十一實施形態的GaN單晶襯底及其製造方法。
首先，在圖19所示的第一工序中，在GaAs襯底2上形成厚度大約為50nm～120nm的過渡層79。
然後，在圖19B所示的第二工序中，不形成屏蔽層，在過渡層79上生長由GaN構成的外延層81，形成高度約為1cm以上的GaN單晶的晶錠83。再有，在生長外延層81中，可以採用HVPE法、有機金屬氯化物氣相生成法、MOCVD法和升華法等。在此，在本實施形態中，由於不形成屏蔽層，所以不產生外延層的橫向生長，晶體缺陷不少，但通過使外延層變厚，能夠降低錯位。
最後，在圖19所示的第三工序中，由切斷處理或解理處理，將GaN單晶的晶錠83形成多片GaN單晶襯底85。
如上所述，根據本實施形態，由於將GaN單晶的晶錠切為或解理為多片，故能夠用簡單的操作得到多片晶體缺陷低的GaN單晶襯底。即，和第一實施形態～第七實施形態比較，能夠提高批量生產率。
發光器件及電子器件由上述各實施形態製造的GaN單晶襯底，由於為n型具有導電性，所以通過在其上，用MOCVD法等，外延生長包括InGaN活性層的GaN系層，可以形成發光二極體等發光器件和場效應電晶體(MESFET)等電子器件。這些發光器件等，由於使用以上述各實施形態製造的晶體缺陷少的高品質GaN襯底製作，所以與採用藍寶石襯底的發光器件比較，特性顯著提高。另外，在GaN單晶襯底上生長的外延層的(0001)面，相對於GaN單晶襯底的(0001)面，平行地同質外延生長，解理面一致，因此，上述發光器件等具有優良的性能。
圖20是顯示採用以第三實施形態得到的GaN單晶襯底35的發光二極體80的圖。該發光二極體80為下述量子勢阱結構，該結構在GaN單晶襯底35上生長GaN過渡層101、Si摻雜n型勢壘層102、厚度為30埃的不摻雜In0．45Ga0．55N勢阱層103、Mg摻雜P型Al0．2Ga0．8N勢壘層104、Mg摻雜P型GaN接觸層105。該發光二極體80，能夠根據不摻雜InGaN勢阱層103的組成比例改變發光顏色，例如，In的組成比為0．2時發出蔚藍色光。
對該發光二極體80特性的調查結果，與目前採用藍寶石襯底的發光二極體的發光輝度為0．5cd相對照，發光輝度為2．5cd，為其5倍。
再有，作為這樣的發光二極體襯底，不限於第三實施形態的GaN單晶襯底35，當然也可以使用其他實施形態的GaN單晶襯底。
圖21是表示採用以第三實施形態得到的GaN單晶襯底35的半導體雷射器82的圖。半導體雷射器82為下述結構，該結構在GaN單晶襯底35上生長GaN過渡層111、n-GaN接觸層112、n-In0．05Ga0．95N包層113、n-Al0．08Ga0．92N包層114、n-GaN波導(ガィド)層115、由Si摻雜In0．15Ga0．85N(35埃)／In0．02Ga0．08N(70埃)多層形成的MQW層116、P-Al0．2Ga0．8N內部包層117、P-GaN波導層118、P-Al0．08Ga0．92N包層119和P-GaN接觸層，從其上、下面得到電極。
該半導體雷射器82可以使目前數分鐘的振蕩壽命超過100小時，能夠實現大幅度的提高性能。具體地講，使目前大約1．5分鐘的振蕩壽命增加大約120小時。
再有，這種半導體雷射器，不限於第三實施形態的GaN單晶襯底35，當然也可以使用其他的實施形態的GaN單晶襯底。
進而，省略圖示，以本實施形態的GaN單晶襯底為基礎，製作了場效應電晶體(MESFEF)。對該場效應電晶體的特性調查的結果，即使在500℃這樣的高溫下，也可以得到43ms／mm這樣高的互導(gm)，由此可知，本實施形態的GaN單晶襯底作為電子器件也是有效的。
實施例1對作為第一實施形態的GaN單晶襯底及其製造方法的實施例的實施例1，參照圖1A～圖1D進行說明。
GaAs襯底2使用了GaAs(111)面為Ga面的GaAs(111)A襯底。另外，過渡層4、第一外延層6及第二外延層12，全部使用圖3所示的氣相生長裝置，由有機金屬氯化物氣相生長法形成。
首先，在圖1A所示的第一工序中，由有機金屬氯化物氣相生長法形成過渡層4。這時，由電阻加熱器81，使GaAs襯底2升溫並保持在約500℃，使三甲基鎵(TMG)以分壓6×10-4atm、氯化氫以分壓6×10-4atm、氨以分壓0．13atm，分別通入反應腔79內，使過渡層4的厚度形成約800埃。
然後，在過渡層4上，通過有機金屬氯化物氣相生長法生長第一外延層6。這時由電阻加熱器81，將GaAs襯底2升溫並保持在大約970℃，使三甲基鎵(TMG)以分壓2×10-3atm、氯化氫以分壓2×10-3atm、氨以分壓為0．2atm，分別通入反應腔79內。然後，以大約150μm／hr的生長速度，使第一外延層6的厚度形成約為4μm。
然後，在圖1B所示的第二工序中，在第一外延層6上，形成由SiO2構成的屏蔽層8。這時，使條形窗10的縱向方向向著第一外延層6的[10-10]方向，使屏蔽層8的厚度為約300nm，屏蔽部的寬度P約為5μm，窗寬Q約為2μm。
然後，在圖1C所示的第三工序中，通過有機金屬氯化物氣相生長法，生長第二外延層12。這時，由電阻加熱器81，使GaAs襯底2升溫並保持在970℃的溫度，使三甲基鎵(TMG)以分壓2×10-3atm、氯化氫以分壓2×10-3atm，氨以分壓0．25atm，分別通入反應腔79內。然後，以約20μm／hr的生長速度，使第二外延層12的厚度約為100μm。
然後，在圖1D所示的第四工序中，將晶片設置在蝕刻裝置上，用氨系蝕刻液，將GaAs襯底2液體蝕刻約1小時，從而完全除去GaAs襯底2。最後，對GaAs襯底2的除去面，施於研磨處理，完成GaN單晶襯底13。
根據本實施例製造的GaN單晶襯底有如下諸特性。即該GaN單晶襯底，襯底面為(0001)面，其結晶性為由X射線分析的X射線半值寬4．5分，而且錯位密度為單位面積大約107(cm-2)。由此，與在目前的藍寶石襯底上形成GaN外延層時的缺陷密度大約是單位面積109(cm-2)的相比，晶體缺陷大幅度地降低了。
實施例2下邊，參照圖1A～圖1D說明作為第一實施形態的另一實施例的實施例2。
GaAs襯底2使用了GaAs(111)A襯底。而且，過渡層4、第一外延層6及第二外延層12，全部採用由圖2所示的氣相生長裝置，根據HVPE法形成。
首先，在圖1A所示的第一工序中，由HVPE法形成過渡層4。這時，由電阻加熱器61，使GaAs襯底2升溫並保持在約500℃的溫度，使氯化氫以分壓5×10-3atm、氨以分壓0．1atm分別通入反應腔59內，然後，使過渡層4的厚度形成約為800埃。
接著，在過渡層4上，由HVPE法，生長第一外延層6。這時，由電阻加熱器，使GaAs襯底2升溫並保持在約970℃的溫度，使氯化氫以分壓2×10-2atm、氨以分壓0．25atm分別通入反應腔79內。然後，使生長速度約為80μm／hr，使第一外延層6的厚度形成約為4μm。
然後，在圖1B所示的第二工序中，在第一外延層6上形成屏蔽層8。這時，使條形窗10的縱向方向朝著第一外延層6的[10-10]方向，使屏蔽層8的厚度約為300nm，屏蔽部寬度P約為5μm，窗寬Q約為2μm。
然後，在圖1C所示的第三工序中，由HVPE法生長第二外延層12。這時，由電阻加熱器61使GaAs襯底2升溫並保持在約970℃的溫度，使氯化氫以分壓2．5×10-2atm、氨以分壓0．25atm分別通入反應腔79內。然後，使生長速度約為100μm／hr，使第二外延層12的厚度形成約為100μm。這樣，在本實施例中，由於採用HVPE法，所以與採用有機金屬氯化物氣相生長法的實施例1比較，能多加快外延層的生長速度。
其次，在圖1D所示的第四工序中，將晶片設置在蝕刻裝置中，用氨系蝕刻液將GaAs襯底2液體蝕刻大約1小時，從而完全除去GaAs襯底2。最後，對GaAs襯底2的除去面施於研磨處理，完成GaN單晶襯底13。
根據本實施例製造的GaN單晶襯底的各種特性如下即該GaN單晶襯底，襯底面為(0001)面，其結晶性為由X射線分析的X射線半值寬4．5分，而且錯位密度是單位面積大約5×107(cm-2)程度。因此，與目前的在藍寶石襯底上形成GaN外延層時的缺陷密度為單位面積大約109(cm-2)相比，可以看出晶體缺陷大幅度地降低了。
實施例3然後，參照圖6A～圖6D說明作為第二實施形態的實施例的實施例3。
GaAs襯底2採用了GaAs(111)面為As面的GaAs(111)B襯底。而且，過渡層24及第二外延層26，全都採用圖3所示的氣相生長裝置，依據有機金屬氯化物氣相生長法形成。
首先，在圖6A所示的第一工序中，在GaAs襯底2上形成屏蔽層8。這時，使條形窗10的縱向方向朝著GaAs襯底2的[11-2]方向，使屏蔽層8的厚度大約為350nm，屏蔽部的寬度P約為4μm，窗寬Q約為2μm。
其次，在圖6B所示的第二工序中，在條形窗10內的GaAs襯底2上，由有機金屬氯化物氣相生長法形成過渡層24。這時由電阻加熱器81使GaAs襯底2升溫並保持在約500℃的溫度，使三甲基鎵(TMG)以分壓6×10-4atm、氯化氫以分壓6×10-4atm、氨以分壓0．1atm分別通入反應腔79內。然後，使過渡層24的厚度形成約為700埃。
接著，在圖6C所示的第三工序中，在層蔽層24上，通過有機金屬氯化物氣相生長法，生長外延層26。這時，由電阻加熱器81使GaAs襯底2升溫並保持在約820℃的溫度，使三甲基鎵(TMG)以分壓3×10-3atm、氯化氫以分壓3×10-3atm、氨以分壓0．2atm分別通入反應腔79內。然後使生長速度約為30μm／hr，使外延層26的厚度約為100μm。
然後，在圖6D所示的第四工序中，將晶片設置在蝕刻裝置中，用氨系蝕刻液，將GaAs襯體2液體蝕刻大約1小時，從而完全除去GaAs襯底2。最後，對GaAs襯底2的除去面施於研磨處理，完成GaN單晶襯底27。
根據本實施例製造的GaN單晶襯底，錯位密度是單位面積大約2×107(cm-2)左右，即根據本實施例製造的GaN單晶襯底，比實施例1及實施例2的GaN單晶襯底，錯位密度大，但可以看出與目前在藍寶石襯底上形成GaN外延層的情況相比，晶體缺陷也大幅度地降低了。另外，在本實施例中，由於比實施例1及實施2製作工序數少，所以能夠謀求降低成本。
實施例4
下面，參照圖8A～圖8D說明作為第三實施形態的實施例的實施例4。
GaAs襯底2使用了GaAs(111)A襯底。另外，過渡層4，第一外延層6及第二外延層34，全部採用圖3所示的氣相生長裝置，由有機金屬氯化物氣相生長法形成。
首先，在圖8A所示的第一工序中，通過有機金屬氯化物氣相生長法形成過渡層4。這時，由電阻加熱器81將GaAs襯底2的溫度升溫並保持在大約500℃的溫度，使三甲基鎵(TMG)以分壓6×10-4atm、氯化氫以分壓6×10-4atm、氨以分壓0．1atm分別導入反應腔79內。然後使過渡層4的厚度形成大約為700埃。
然後，在過渡層4上，通過有機金屬氯化物氣相生長法，生長第一外延層6。這時，由電阻加熱器81將GaAs襯底2升溫並保持在大約970℃的溫度，使三甲基鎵(TMG)以分壓2×10-3atm、氯化氫以分壓2×10-3atm、氨以分壓0．2atm分別導入反應腔79內。然後以15μm／hr的生長速度，使第一外延層6的厚度形成約為2μm。
然後，在圖8B所示的第二工序中，在第一外延層6上，形成由SiO2構成的屏蔽層28。這時，將開口窗30取邊長為2μm的正方形，使#6010-10#62窗群32的間距L為6μm，間距d為5μm。另外，將相鄰的#6010-10#62窗群32之間，在#6010-10#62方向每隔3μm錯開。
然後，在圖8C所示的第三工序中，通過有機金屬氯化物氣相生長法生長第二外延層34。這時，由加熱器81使GaAs襯底2升溫並保持在約1000℃的溫度，使三甲基鎵(TMG)以分壓4×10-3atm、氯化氫以分壓4×10-3atm、氨以分壓0．2atm分別通入反應腔79內。然後，使生長速度約為25μm／hr，使第二外延層12的厚度形成約為100μm。
然後，在圖8D所示的第四工序中，將晶片設置在蝕刻裝置中，用王水將GaAs襯底2蝕刻大約10小時，完全除去GaAs襯底2。最後，對GaAs襯底2的除去面施於研磨處理，完成GaN單晶襯底35。
根據本實施例製造的GaN單晶襯底的各種特性如下。即缺陷密度約3×107(cm-2)的程度，比目前的顯著降低。另外，也觀察不到裂縫。另外其他途徑省略屏蔽層形成工序而製造的GaN單晶襯底的曲率半徑約65mm，但本實施例的GaN單晶襯底的曲率半徑約為770mm，能夠使GaN單晶襯底的彎曲大大降低。另外，目前的內部應力為0．05MPa，在本實施例的GaN單晶襯底中為0．005MPa，也大約降低為1／10。再有，GaN單晶襯底的內部應力是由上述的斯通尼公式(公式(2))算出的。另外，通過霍爾(Hall)測定算出了電氣特性，其結果是載流子濃度為n型2×1018cm-3、載流子遷移率為180cm2／v．s。
實施例5然後，參照圖13A～圖13E說明作為第五實施形態的實施例的實施例5。
GaAs襯底2使用了GaAs(111)A襯底。另外，過渡層24、第一外延層44及第二外延層46，全部採用圖2所示的氣相生長裝置，由HVPE法形成。
首先，在圖13A所示的第一工序中，在GaAs襯底2上，形成屏蔽層38，這時，使開口窗成為直徑為2μm的圓形，使#6011-2#62窗群的間距L為6μm，間距d為5．5μm。另外，使相鄰的#6011-2#62窗群之間，在#6011-2#62方向，各自以3μm錯開。
然後，在圖13B所示的第二工序中，在開口窗40內的GaAs襯底2上，由HVPE法形成過渡層24。這時，由電阻加熱器61，將GaAs襯底2升溫並保持在約500℃的溫度，使三甲基鎵(TMG)以分壓6×10-4atm、氯化氫以分壓6×10-4atm、氨以分壓0．1atm分別通入反應腔59內。然後，使過渡層24的厚度形成約為700埃。
然後，在圖13C所示的第三工序中，在過渡層24上，由HVPE法生長第一外延層44。這時，由電阻加熱器61，將GaAs襯底2的溫度升溫並保持在約970℃，使三甲基鎵(TMG)以分壓5×10-3atm、氯化氫以分壓5×10-3atm氨以分壓0．25atm分別通入反應腔59內。然後，使生長速度約為25μm／hr，使第一外延層44的厚度形成約為50μm。
然後，在圖13D所示的第四工序中，將晶片配置在蝕刻裝置中，用王水蝕刻約10小時，將GaAs襯底2完全除去。這樣，暫時形成厚度約為50μm厚薄的GaN單晶襯底。
然後，在圖13E所示的第五工序中，在第一外延層44上，由HVPE法，以生長溫度1000℃，使氯化氫以分壓2×10-2atm，氨以分壓0．2atm，以約100μm／hr的生長速度，生長厚度約為130μm的由GaN構成的第二外延層46。由此，形成厚度約180μm的GaN單晶襯底47。
如上形成的本實施例的GaN單晶襯底，測量結果是，在襯底表面的缺陷密度為2×107／cm2左右，顯著降低，也觀察不到裂縫。另外，可知能使GaN單晶襯底的彎曲比目前降低，內部應力為0．002GPa，也非常小。
實施例6然後，參照圖16A～圖16F說明作為第八實施形態的實施例的實施例6。
在本實施例中，GaAs襯底2使用了GaAs(111)A襯底。另外，過渡層24、外延層26及外延層62，全部採用圖2所示的氣相生長裝置，由HVPE法生成。
首先，在圖16A所示的第一工序中，在GaAs襯底2上形成屏蔽層8。這時，使條形窗10的縱向方向朝著GaAs襯底2的[11-2]方向，使屏蔽層8的厚度約為300nm、屏蔽部寬度P約為5μm、窗寬Q約為3μm。
然後，在圖16B所示的第二工序中，在使GaAs襯底2的溫度形成約為500℃的狀態下，在條形窗10內的GaAs襯底2上，由HVPE法形成過渡層24。再有，過渡層24的厚度形成約為800埃。
然後，在圖16C所示的第三工序中，在使GaAs襯底2的溫度形成約為950℃的狀態下，在過渡層24上，由HVPE法生長約200μm的外延層26。
然後，在圖16D所示的第四工序中，用王水蝕刻除去GaAs襯底2。
在圖16E所示的第五工序中，在使反應腔59內的溫度為1020℃的狀態下，在外延層26上，由HVPE法進一步加厚生成外延層62，形成GaN單晶的晶錠64。晶錠64是上面中央部位稍微下陷的形狀，從底到上面中央部位的高度約為2cm，外徑約為55mm。
接著，在圖16F所示的第六工序中，由有內周齒的切片機將晶錠64切斷，得到20片外徑約50mm，厚度約350μm的GaN單晶襯底66。在這個GaN單晶襯底66中，看不到明顯彎曲的發生。再有，切斷處理後，對GaN單晶襯底66施於拋光研磨(ラツピング)及精修研磨。
在上述實施例1～實施例5中，一次製造處理只能得到1片單晶襯底，但在本實施例中，一次製造處理就能得到20片的襯底。製造成本降低為實施的65％。這樣，在本實施例中，可謀求大幅度地降低成本，而且可以縮短每一片的製造時間。
再有，測定從晶錠64的最上端部得到的GaN單晶襯底66的電氣特性，其結果是，載流子濃度是n型2×1018cm-3，電子遷移率是200cm2／vs，比電阻是0．017Ωcm。
另外，測定從晶錠64最下端部得到的GaN單晶襯底66的電氣特性，其結果是，載流子濃度為n型8×1018cm-3，電子遷移率為150cm2／vs，比電阻為0．06Ωcm。
因此，晶錠64中間部的特性，能質量保證為它們之間的值或位於其附近，能夠省去全量檢查的時間。
再有，採用該GaN單晶襯底66，製作以InGaN為發光層的LED時，與目前的藍寶石襯底上的比較，發光輝度提高了約5倍。發光輝度提高的原因可以認為是因為，與在目前的LED中，在活性層內存在大量的貫通錯位相對，在本實施例中，在發光層內，不存在貫通錯位。
實施例7下面，參照圖16A～圖16F說明作為除第八實施形態之另一實施例的實施例7。
在本實施例中，GaAs襯底2使用了GaAs(111)A襯底。另外，過渡層24、外延層26及外延層62全部採用由圖3所示的氣相生長裝置，由有機金屬氯化物氣相生長法形成。
首先，在圖16A所示的第一工序中，在GaAs襯底2上形成屏蔽層8。這時，將條形窗10的縱向方向朝著GaAs襯底2的[11-2]方向，使屏蔽層的厚度約為500nm，屏蔽部的寬度P約為5μm，窗寬Q約為3μm。
然後，在圖16B所示的第二工序中，在使GaAs襯底2的溫度約為490℃的狀態下，在條形窗10內的GaAs襯底2上，由HVPE法，形成過渡層24。再有，過渡層24的厚度形成約為800埃。
然後，在圖16C所示的第三工序中，在使GaAs襯底2的溫度為約970℃的狀態下，在過渡層24上，由有機金屬氯化物氣相生長法，生長約25μm的外延層26。
然後，在圖16D所示的第四工序中，用王水將GaAs襯底2腐蝕除去。
在圖16E所示的第五工序中，在使反應腔79內的溫度為1000℃的狀態下，在外延層26上，由HVPE法，進一步加厚生成外延層62，形成GaN單晶的晶錠64。晶錠64上面中央部位是稍微下陷的狀態，從底到上面中央部位的高度約為3cm，外徑約為30mm。
接著，在圖16F所示的第六工序中，由有內周齒的切片機，將晶錠64切斷，得到25片外徑約為20～30mm，厚度約為400μm的GaN單晶襯底66。該GaN單晶襯底66，看不到顯著的彎曲發生。再有，切斷處理後，對GaN單晶襯底66施於拋光研磨及精修研磨。
在上述實施例1～實施例5中，製造處理一次，只能得到1片單晶襯底，但在本實施例中，製造處理一次可得到25片襯底。另外，製造成本降低到實施的約65％。這樣，在本實施中，能夠謀求大幅度地降低成本，而且，能夠縮短每一片的製造時間。
再有，測定從晶錠64中間部位得到的GaN單晶襯底66的電氣特性，其結果，載流子濃度為n型2×1018cm-3，電子遷移率為250cm2／vs，比電阻為0．015Ωcm。
實施例8然後，參照圖17A～圖17C說明作為第九實施形態的實施例的實施例8。
在本實施例中，GaAs襯底2使用了GaAs(111)A襯底。另外，過渡層24及外延層68，全部採用圖2所示的生長裝置，由HVPE法形成。
首先，在圖17A所示的第一工序中，在GaAs襯底2上形成屏蔽層8。這時，使條形窗10的縱向方向朝著襯底2的[11-2]方向，使屏蔽層8的厚度約為250nm，屏蔽部的寬度P約為5μm，窗寬Q約為3μm。而且屏蔽層8形成之後，在使GaAs襯底2的溫度約為500℃的狀態下，在條形窗10內的GaAs襯底2上，由HVPE法形成過渡層24。再有，過渡層24的厚度形成約為900埃。
然後，在圖17B所示的第二工序中，在使GaAs襯底2的溫度約為1000℃的狀態下，在過渡層24上，由HVPE法生長外延層68，形成GaN單晶的晶錠70。晶錠70是上面中央部位稍微下陷的形狀，從底部到上面中央部位的高度約為1．6cm。
接著，在圖17C所示的第三工序中，由有內周齒的切片機，切斷晶錠70，得到12片厚度約為300μm的GaN單晶襯底72。該GaN單晶襯底72看不到顯著的彎曲發生。再有，切斷處理後，對GaN單晶襯底72，施於拋光研磨及精修研磨。
在上述實施例1～實施例5中，製造處理一次，只能得到1片單晶襯底，但在本實施例中，製造處理一次，可得到12片襯底。另外，製造成本降低到實施例1的約60％。這樣，本實施例，可以謀求大幅度地降低成本，而且，能夠縮短每一片的製造時間。
再有，測定從晶錠70中間部位得到的GaN單晶襯底72的電氣特性，其結果，載流子濃度為n型1×1019cm-3，電子遷移率為100cm2／vs，比電阻為0．005Ωcm。
實施例9下面，參照圖18A-圖18B說明作為第十實施形態的實施例的實施例9。
首先，在圖18A所示的第一工序中，在以實施例6製造的GaN單晶襯底上，生長外延層74，形成GaN單晶的晶錠76。這時，外延層74，由HVPE法，在使GaAs襯底2的溫度約為1010℃的狀態下生成。另外，晶錠76是上面中央部位稍微下陷的形狀，從底部到上面中央部位的高度約為2．5cm，外徑約為55mm。
然後，在圖18B所示的第二工序中，由有內周齒的切片機將晶錠76切斷，得到15片外徑約為50mm、厚度約為600μm的GaN單晶襯底78。
在實施例1～實施例5中，製造處理1次，只能得到1片單晶襯底，但在本實施例中，製造處理1次，能得15片襯底。另外，製造成本，以和實施例1同樣的工藝製造的情況相比較，約降低到55％。這樣，在本實施中，可以謀求大幅度地降低成本，而且，可以縮短每一片的製造時間。
再有，測量從晶錠76的中間部分得到的GaN單晶襯底78的電氣特性，其結果，載流子濃度為n型1×1017cm-3，電子遷移率是650cm2／vs，比電阻是0．08Ωcm。
實施例10下面，參照圖18A～圖18B說明作為第十實施形態之另一實施例的實施例10。
首先，在圖18A所示的第一工序中，在實施例7製造的GaN單晶襯底上，生長外延層74，形成GaN單晶的晶錠76。這時，外延層74，採用由圖22所示的生長裝置，由升華法，在使GaAs襯底2的溫度約為1200℃的狀態下生長。再有，流入反應容器內的氨為20sccm。另外，晶錠76，與實施例6～實施例9的晶錠比較，是平坦的，從底部到上面的高度約為0．9cm，外徑約為35mm。
然後，在圖18B所示的第二工序中，由具有內周齒的切片機，將晶錠76切斷，得到5片外徑約35mm、厚度約500μm的GaN單晶襯底78。
在實施例1～實施例5中，製造處理1次只能得到1片單晶襯底，但在本實施例中，製造處理1次，能得到5片襯底。另外，製造成本降低到實施例1的大約80％。這樣，在本實施例中，可以謀求大幅度地降低成本，而且，可以縮短每1片的製造時間。
再有，測定從晶錠76中間部得到的GaN單晶襯底78的電氣特性，其結果，載流子的濃度為n型1×1018cm-3，電子遷移率為200cm2／vs，比電阻為0．03Ωcm。
實施例11然後，參照圖19A～19C說明作為第十一實施形態的實施例的實施例11。
首先，在圖19A所示的第一工序中，由HVPE法，在形成約為500℃的GaAs襯底2上，形成厚度約為90nm、由GaN構成的過渡層79。再有，作為GaAs襯底，使用了GaAs(111)B襯底。
然後，在圖19B所示的第二工序中，由HVPE法，在過渡層79上生長由GaN構成的外延層81，形成GaN單晶的晶錠83。這時，外延層81，由HVPE法，在使GaAs襯底2的溫度約為1030℃的狀態下生長。另外，晶錠83是上面中央部位稍微下陷的形狀，從底部到上面中央部位的高度約為1．2cm。
最後，在圖19C所示的第三工序中，由有內周齒的切片機，將晶錠83切斷，得到10片厚度約為300μm的GaN單晶襯底85。
在實施例1～實施例5中，製造處理1次只能得到1片單晶襯底，但在本實施例中，製造處理1次，可以得到10片襯底。另外，製造成本降低到實施例1的大約70％。這樣，在本實施例中，可以謀求大幅度降低成本，而且可以縮短每一片的製造時間。
再有，測定從晶錠83的中間部位得到的GaN單晶襯底78的電氣特性，其結果，載流子濃度為n型1×1019cm-3，電子遷移率為100cm2／vs，比電阻為0．005Ωcm。
產業上利用的可能性如上所述，在本發明的GaN單晶襯底的製造方法中，在屏蔽層的各開口窗內，形成GaN核，該GaN核依次向屏蔽層上的橫向，即向沒有形成屏蔽層的開口窗的屏蔽部的上方，毫無障礙地，自由地橫向生長。因此，根據本發明的GaN單晶襯底的製造方法，可以高效且可靠地得到晶體缺陷大幅度降低的本發明的GaN單晶襯底。
權利要求
1．一種GaN單晶襯底的製造方法，其特徵在於，包括屏蔽層形成工序，在GaAs襯底上，形成具有相互隔離配置的多個開口窗的屏蔽層；和在所述屏蔽層上，生長由GaN構成的外延層的外延層生長工序。
2．如權利要求1所述的GaN單晶襯底的製造方法，其特徵在於，還包括在所述屏蔽層形成工序之前，在所述GaAs襯底上，形成過渡層的過渡層形成工序；和在所述過渡層上，生長由GaN構成的下層外延層的下層外延層生長工序。
3．如權利要求1所述的GaN單晶襯底的製造方法，其特徵在於，還包括在所述外延層生長工序之前，在所述過渡層的所述開口窗內的所述GaAs襯底上，形成過渡層的過渡層形成工序。
4．如權利要求2所述的GaN單晶襯底的製造方法，其特徵在於，所述過渡層的所述開口窗，是帶狀的條形窗。
5．如權利要求4所述的GaN單晶襯底的製造方法，其特徵在於，所述條形窗沿著由所述GaN構成的所述下層外延層的#6010-10#62方向延伸，窗寬在0．3μm～10μm範圍內，屏蔽寬在2μm～20μm範圍內。
6．如權利要求4所述的GaN單晶襯底的製造方法，其特徵在於，所述條形窗沿著由所述GaN構成的所述下層外延層的#601-210#62方向延伸，窗寬在0．3μm～10μm範圍內，屏蔽寬在2μm～20μm範圍內。
7．如權利要求2所述的GaN單晶襯底的製造方法，其特徵在於，在所述外延層生長工序之後，還包括除去所述GaAs襯底的GaAs襯底除去工序；和研磨所述過渡層的下面及所述外延層的上面的研磨工序。
8．如權利要求3所述的GaN單晶襯底的製造方法，其特徵在於，所述屏蔽層的所述開口窗是帶狀的條形窗。
9．如權利要求8所述的GaN單晶襯底的製造方法，其特徵在於，所述條形窗，沿著所述GaAs襯底的#6011-2#62方向延伸，窗寬在0．3μm～10μm範圍內，屏蔽寬在2μm～20μm範圍內。
10．如權利要求8所述的GaN單晶襯底的製造方法，其特徵在於，所述條形窗，沿著所述GaAs襯底的#601-10#62方向延伸，窗寬在0．3μm～10μm範圍內，屏蔽寬在2μm～20μm範圍內。
11．如權利要求3所述的GaN單晶襯底的製造方法，其特徵在於，在所述外延層生長工序之後，還包括除去所述GaAs襯底的GaAs襯底除去工序；和研磨所述屏蔽層及所述過渡層的下面和所述外延層的上面的研磨工序。
12．如權利要求1～3中任一項所述的GaN單晶襯底的製造方法，其特徵在於，所述GaAs襯底是GaAs(111)A襯底或GaAs(111)B襯底。
13．如權利要求2或權利要求收3所述的GaN單晶襯底的製造方法，其特徵在於，所述過渡層由氫化VPE形成。
14．如權利要求1～權利要求3中任一項所述的GaN單晶襯底的製造方法，其特徵在於，所述外延層由氫化VPE形成。
15．如權利要求1或權利要求3所述的GaN單晶襯底的製造方法，其特徵在於，所述外延層在厚度為5μm～300μm範圍內生長，在所述外延層生長工序之後，還包括除去所述GaAs襯底的GaAs襯底除去工序；和在所述外延層上，使由GaN構成的第二外延層積層生長的工序。
16．如權利要求2所述的GaN單晶襯底的製造方法，其特徵在於，使所述屏蔽層的所述開口窗，沿所述下層外延層的#6010-10#62方向，以間距L排列設置多個，形成#6010-10#62窗群，同時將所述的#6010-10#62窗群，沿所述下層外延層的#601-210#62方向，以間距d(0．75L≤d≤1．3L)並列設置多個。
17．如權利要求16所述的GaN單晶襯底的製造方法，其特徵在於，所述各#6010-10#62窗群，其所述各開口窗的中心位置相對於相鄰的所述#6010-10#62窗群的所述各開口窗中心位置，沿所述#6010-10#62方向偏移大約1／2L而並列設置。
18．如權利要求3所述的GaN單晶襯底的製造方法，其特徵在於，使所述屏蔽層的所述開口窗，在所述GaAs襯底的(111)面上，沿#6011-2#62方向，以間距L排列設置多個，形成#6011-2#62窗群，同時，使所述#6011-2#62窗群，沿所述GaAs襯底的(111)面的#60-110#62方向，以間距d(0．75L≤d≤1．3L)並列設置多個。
19．如權利要求18所述的GaN單晶襯底的製造方法，其特徵在於，所述各#6011-2#62窗群，其所述各開口窗的中心位置相對於相鄰的所述#6011-2#62窗群的所述各開口窗中心位置，沿所述#6011-2#62方向，大約偏移1／2L而並列設置。
20．如權利要求16～權利要求19中任一項所述的GaN單晶襯底的製造方法，其特徵在於，所述各開口窗的間距L在3μm～10μm範圍內。
21．如權利要求1～權利要求書20之中任一項所述的GaN單晶襯底的製造方法，其特徵在於，所述屏蔽層的所述開口窗的形狀為圓形、橢圓形、多邊形中的任一種。
22．如權利要求1～權利要求書21之中任一項所述的GaN單晶襯底的製造方法，其特徵在於，所述屏蔽層的所述各開口窗的面積為0．7μm2～50μm2。
23．如權利要求1～權利要求書20中任一項所述的GaN單晶襯底的製造方法，其特徵在於，所述屏蔽層的所述各開口窗是邊長為1μm～5μm的方形或直徑為1μm～5μm的圓形。
24．如權利要求1～權利要求書23中任一項所述的GaN單晶襯底的製造方法，其特徵在於，所述各開口窗的總面積，是全部的所述開口窗面積和沒有形成所述開口窗的屏蔽部的面積之和的總面積的10-50％。
25．如權利要求2所述的GaN單晶襯底的製造方法，其特徵在於，所述屏蔽層的所述開口窗是將所述下層外延層的#6010-10#62方向作為縱向的長方形狀的長方形窗，將所述長方形窗沿所述#6010-10#62方向以間距L配置多個，形成#6010-10#62長方形窗群，同時，將#6010-10#62長方形窗群沿所述下層外延層的#601-210#62方向，以間距d並列設置多個。
26．如權利要求25所述的GaN單晶襯底的製造方法，其特徵在於，所述各#6010-10#62長方形窗群，其所述各長方形窗的中心位置相對於相鄰的所述#6010-10#62長方形窗群的所述各長方形窗的中心位置，沿所述#6010-10#62方向偏移約1／2L並列設置。
27．如權利要求3所述的GaN單晶襯底的製造方法，其特徵在於，所述屏蔽層的所述開口窗是以所述GaAs襯底的#6011-2#62方向為縱向的長方形形狀的長方形窗，將所述長方形窗在所述GaAs襯底的(111)面上，沿#6011-2#62方向，以間距L配置多個，形成#6011-2#62長方形窗群，同時，將所述#6011-2#62長方形窗群，沿#60-110#62方向，以間距d並列設置多個。
28．如權利要求27所述的GaN單晶襯底的製造方法，其特徵在於，所述各#6011-2#62長方形窗群，其所述各長方形窗的中心位置相對於相鄰的所述#6011-2#62長方形窗群的所述各長方形窗的中心位置，沿所述#6011-2#62方向，大約偏移1／2L而並列設置。
29．如權利要求25～權利要求書28之中任一項所述的GaN單晶襯底的製造方法，其特徵在於，所述長方形窗的間距L為4μm-20μm，沿所述長方形窗的縱向相鄰的所述各長方形窗的屏蔽長度為1μm-4μm，所述各長方形窗的寬度W為1μm～5μm，在所述長方形狀的所述開口窗的橫向方向，相鄰的所述長方形窗群間的屏蔽寬(d-w)為2μm～10μm。
30．如權利要求2所述的GaN單晶襯底的製造方法，其特徵在於，所述屏蔽層的所述各開口窗為六角環狀的六角窗，所述六角窗的六個邊的各邊方向為所述下層外延層的#6010-10#62方向。
31．如權利要求3所述的GaN單晶襯底的製造方法，其特徵在於，所述屏蔽層的所述各開口窗是六角環狀的六角窗，所述六角窗的六個邊的各邊方向是所述GaAs襯底的#6011-2#62方向。
32．如權利要求1～31之中任一項所述的GaN單晶襯底的製造方法，其特徵在於，所述屏蔽層由SiO2或SiN形成。
33．如權利要求1～權利要求書6，權利要求書8～權利要求書10，權利要求書12～權利要求書14，權利要求16～權利要求書32之中任一項所述的GaN單晶襯底的製造方法，其特徵在於，包括除去所述GaAs襯底的工序。
34．如權利要求1～權利要求書33之中任一項所述的GaN單晶襯底的製造方法，其特徵在於，還包括在所述外延層生長工序中，生長了所述外延層，形成了GaN單晶的晶錠；和將所述晶錠切為多片的切斷工序。
35．如權利要求1～權利要求書33之中任一項所述的GaN單晶襯底的製造方法，其特徵在於，在所述外延層生長工序中，生長所述外延層，形成GaN單晶的晶錠；還包括將所述晶錠切斷為多片的切斷工序。
36．一種GaN單晶襯底的製造方法，其特徵在於，還包括在根據權利要求1～權利要求書35之中任一項所述的製造方法得到的GaN單晶襯底上，生長由GaN構成的外延層，形成GaN單晶的晶錠的晶錠形成工序；和將所述晶錠切成多片的切斷工序。
37．一種GaN單晶襯底的製造方法，其特徵在於，還包括在根據權利要求1～35之中任一項所述的製造方法得到的GaN單晶襯底上，生長由GaN構成的外延層，形成GaN單晶的晶錠的晶錠形成工序；和將所述晶錠解理為多片的解理工序。
38．一種GaN單晶襯底的製造方法，其特徵在於，包括將GaN單晶作為晶種，在該GaN單晶之上生長由GaN構成的外延層，形成GaN單晶的晶錠的晶錠形成工序；和將所述晶錠切為多片的切斷工序。
39．一種GaN單晶襯底的製造方法，其特徵在於，包括將GaN單晶作為晶種，在該GaN單晶上，生長由GaN構成的外延層，形成GaN單晶的晶錠的晶錠形成工序；和將所述晶錠解理為多片的解理工序。
40．一種GaN單晶襯底，其特徵在於，至少包括具有相互隔離配置的多個開口窗的屏蔽層；和由GaN構成同時在所述屏蔽層上層疊的外延層。
41．如權利要求書40所述的GaN單晶襯底，其特徵在於，在沒有形成所述屏蔽層的所述外延層的一側，還包括過渡層；和在該過渡層與所述屏蔽層之間形成的下層外延層。
42．如權利要求書40所述的GaN單晶襯底，其特徵在於，在所述屏蔽層的所述各開口窗內形成有過渡層。
43．如權利要求書41所述的GaN單晶襯底，其特徵在於，所述屏蔽層的所述開口窗，沿所述下層外延層的#6010-10#62方向，以間距L，配置多個，形成#6010-10#62窗群，同時使所述#6010-10#62窗群沿所述下層外延層的#601-210#62方向，以間距d(0．75L≤d≤1．3L)並列設置多個。
44．如權利要求書43所述的GaN單晶襯底，其特徵在於，所述各#6010-10#62窗群，其所述各開口窗的中心位置相對於相鄰的所述#6010-10#62窗群的所述各開口窗的中心位置，向所述#6010-10#62方向大約偏移1／2L而並列設置。
45．如權利要求書40～權利要求書44之中任一項所述的GaN單晶襯底，其特徵在於，在從所述外延層的與所述屏蔽層的接觸面起10μm的範圍內，而且，在所述屏蔽層的沒有形成所述開口窗的屏蔽部上，形成有比所述開口窗的上方的區域錯位密度低的低錯位密度區域。
46．如權利要求書45所述的GaN單晶襯底，其特徵在於，所述外延層的所述低錯位密度區域的錯位密度為1×108cm-2以下。
47．如權利要求書40～權利要求書46之中任一項所述的GaN單晶襯底，其特徵在於，在所述外延層的形成所述屏蔽層的側面的相對側面，還具有GaAs襯底。
48．如權利要求書40或權利要求書42所述的GaN單晶襯底，其特徵在於，所述外延層厚度在5μm～30μm範圍內，在所述外延層上，還形成有由GaN構成的第二外延層。
49．如權利要求書40所述的GaN單晶襯底，其特徵在於，該GaN單晶襯底是由權利要求書1～權利要求書33之中任一項所述的GaN單晶襯底的製造方法製造的。
50．如權利要求書40所述的GaN單晶襯底，其特徵在於，該GaN單晶襯底是由權利要求書34～權利要求書39之中任一項所述的GaN單晶襯底的製造方法製造的。
51．如權利要求書50所述的GaN單晶襯底，其特徵在於，載流子濃度為n型位於1×1016cm-3～1×1020cm-3範圍內。
52．如權利要求書50或權利要求書51所述的GaN單晶襯底，其特徵在於，電子遷移率位於60cm2～800cm2範圍內。
53．如權利要求書50～權利要求書52之中任一項所述的GaN單晶襯底，其特徵在於，比電阻在1×10-4Ωcm～1×10Ωcm範圍內。
54．一種發光器件，其特徵在於，包括權利要求書40～權利要求書53之中任一項所述的GaN單晶襯底；和在所述GaN單晶襯底上形成的半導體層；由所述半導體層構成發光元件。
55．一種電子器件，其特徵在於，包括權利要求書40～53之中任一項所述的GaN單晶襯底；和在所述GaN單晶襯底上形成的半導體層；由所述半導體層至少形成Pn結。
全文摘要
一種GaN單晶襯底的製造方法,其特徵在於,包括:屏蔽層形成工序,在GaAs襯底2上,形成具有相互隔離配置的多個開口窗10的屏蔽層8;和外延層生成工序,在屏蔽層8上,生長由GaN構成的外延層12。
文檔編號H01L33/00GK1283306SQ98812716
公開日2001年2月7日 申請日期1998年10月29日 優先權日1997年10月30日
發明者元木健作, 岡久拓司, 松本直樹 申請人:住友電氣工業株式會社