[发明专利]生长氮化镓晶体的方法

说明书

技术领域

基于氮化镓的蓝紫色激光用于下一代的大容量光盘。为了使蓝紫色激光达到实际应用，需要高质量的氮化镓基板。除了蓝紫色激光以外，氮化镓基板还预期用于：光发射元件，诸如光发射二极管、激光二极管等；电子元件，诸如整流器、双极型晶体管、场效应晶体管、HEMT(高电子迁移率晶体管)等；半导体传感器，诸如温度传感器、压力传感器、辐射传感器、可见紫外光检测器等；SAW(表面声波)器件；加速度传感器；MEMS(微机电系统)部件；压电振子；谐振器；压电致动器等。本发明涉及一种生长氮化镓晶体用于制造高质量的氮化镓基板的方法。

背景技术

具有405nm波长的基于氮化镓(GaN)的半导体激光被用作蓝紫色激光，用于将数据记录在高密度光盘上或者使数据自高密度光盘再现。通过在蓝宝石(Al₂O₃)基板上形成GaN、InGaN等的薄膜，生产蓝紫色光发射二极管(LED)。由于蓝宝石和氮化镓的晶格常数显著不同，因此出现了高密度的位错缺陷。在低电流密度的LED中，缺陷未增加，并且LED具有长的操作寿命，并且具有不同于氮化镓的化学组分的异质基板的蓝宝石基板足够用作基底基板(ground substrate)。然而，已经发现，蓝宝石基板不适用于具有高注入电流密度的半导体激光器(激光二极管；LD)。由于高电流密度，缺陷增加，并且招致迅速劣化。不同于LED，使用蓝宝石基板的蓝紫色激光器仍未达到实际应用。

不存在晶格常数足够接近氮化镓的材料。近来，已经发现，上面形成有氮化镓薄膜的基板自身必须是氮化镓。为了实现蓝紫色半导体激光器，极为需要具有低位错密度的高质量氮化镓基板。

然而，生长氮化镓晶体是非常困难的。在加热时氮化镓(GaN)不易于熔融。尽管从液相到固相的晶体生长方法正在发展，诸如由熔融物生长晶体的熔盐法，但是仍未生产出实用水平的尺寸至少为两英寸的氮化镓晶体。已经尝试通过生长方法由气相生长氮化镓晶体，其中将气体用作材料。为了生长具有实用水平尺寸的大直径和高质量的氮化镓基板晶体，已提出了多种发展方案。

本发明的发明人发展和提出了一种方案，其中将掩膜施加在异质基底基板上，以生长厚的氮化镓晶体，并且随后移除异质基底基板，由此获得了厚的氮化镓自支撑晶体。

由本发明的相同的发明人提出的发明WO99/23693提出了一种方法，其中在GaAs基底基板上形成具有条状(平行线状)开口或圆形开口的掩膜，在其上面生长厚的氮化镓晶体，并且移除GaAs基底基板，由此获得了氮化镓自支撑单晶体(基板)。该掩膜是覆盖部分为主的掩膜，其中覆盖部分大，而孔(暴露部分)小。仅在每个开口中形成晶核。随着厚度的增加，晶体爬上覆盖部分，自相邻开口横向延伸的晶体碰撞并且使其生长方向转向上方。这显著地减少了位错。在该状态下，保持平坦平面(C平面)向上，使晶体生长。

该方法可被视为一种类型的ELO(外延横向过生长)方法，由于晶体在掩膜上横向生长，由此减少了位错。然而，在常规的ELO方法中，首先在诸如蓝宝石的基底基板上预先形成GaN薄膜，然后在其上面形成诸如SiO2的掩膜，并且向掩膜提供细线状或点状的孔。当再次生长GaN晶体时，其在掩膜上自使同质材料的GaN薄膜暴露的孔横向生长。另一方面，WO99/23693的特征在于，允许在作为异质基板的GaAs基板上直接形成掩膜，并且GaN自掩膜的条状或点状开口直接生长，并且因此其还包括被称为HELO方法(异质外延横向过生长)的方案。在以该方式形成的氮化镓(GaN)自支撑膜中，显著地减少了位错。还提出了一种方法，其中将GaN晶体用作新的基板，通过气相淀积到厚的GaN晶锭中，在其上面进一步生长GaN晶体，其中垂直于生长方向切割GaN晶锭，由此制造了多个GaN基板(晶片)。氮化镓晶体的气相淀积生长包括MOCVD(金属有机化学气相淀积)方法、MOC(金属有机氯化物)方法、HVPE(氢化物气相外延)方法、升华方法等。根据本发明人的发明WO99/23693，其中HVPE方法获得了最快的晶体生长速率，并且因此是极为有利的。

然而，通过上文所述的方法生产的氮化镓晶体仍然具有极高的位错密度，并且因此是低质量的。如果基板，即氮化镓基板自身不是高质量的，则不能生产优良的器件。特别地，用于量产的基板需要具有优良的质量，在宽广区域上具有低位错密度。作为一种减少基板自身的位错密度用于获得高质量的氮化镓基板的方法，本发明人提出了如下方案，其在日本专利申请公开No.2001-102307中披露。