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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleiterbasis, einen Halbleiterkristall
und ein Herstellungsverfahren für
diese. Insbesondere betrifft diese Erfindung eine Struktur und ein
Verfahren, die bei Verwendung eines Halbleitermaterials geeignet
sind, das anfällig
gegenüber
Versetzungsfehlern ist.
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Technischer
Hintergrund
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Für das Züchten von
Kristallen eines Materials der GaN-Gruppe wird ein Substrat verwendet,
das frei von Gitteranpassung ist, wie z.B. Saphir, SiC, Spinell,
seit Kurzem auch Si, und dergleichen, da es kein Substrat gibt,
bei dem eine Gitteranpassung mit Materialien der GaN-Gruppe existiert.
Ein hergestellter GaN-Film enthält
jedoch aufgrund des Nichtvorhandenseins einer Gitteranpassung Versetzungen
bis zu 1010 Versetzungen/cm2.
Da in den letzten Jahren lichtemittierende Dioden mit hoher Leuchtdichte,
Halbleiterlaser und dergleichen entwickelt worden sind, ist eine
Reduzierung der Versetzungsdichte gewünscht, um verbesserte Eigenschaften
zu erreichen.
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Zur
Vermeidung von Fehlern wie z.B. Versetzungen und dergleichen, die
durch unterschiedliche Gitterkonstanten verursacht werden, wird
der gleiche Kristall wie das für
die Kristallzüchtung
vorgesehene Material verwendet. Beispielsweise wird für die Kristallzüchtung eines
GaN-Gruppen-Halbleiters ein GaN-Substrat verwendet. Man erhielt
jedoch kein Produkt mit großen
Abmessungen, und somit werden derzeit Saphir und dergleichen als
Substrat verwendet. In den vergangenen Jahren wurde ein Verfahren
vorgeschlagen, bei dem für
das Dampfphasenwachstum einer auf Saphir gezüchteten GaN-Basis-Schicht die
soeben erwähnte
Basisschicht teilweise maskiert wird, um eine selektive Züchtung für ein Kristallwachstum
in seitlicher Richtung zu bewirken, wodurch man einen qualitativ
hochwertigen Kristall mit reduzierter Versetzungsdichte erhält (z.B. JP-A-10-312971).
Durch Züchten
dieses Films, bis dieser eine dicke Bemessung hat, und durch Abtrennen und
Entfernen des Substrats kann man einen GaN-Kristall erzeugen. Aufgrund
des Problems des Auftretens von Rissen und Brüchen des Substrats, die aus
Unterschieden der Gitterkonstanten und der Wärmeausdehnungskoeffizienten
resultieren, erhielt man kein Substrat mit einem großen Flächenbereich.
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Die
oben erwähnte
JP-A-10-312971 beschreibt ein Verfahren zum Erhalt eines Films mit
reduzierter Versetzungsdichte. Es wurde jedoch ein neues Problem
dahingehend festgestellt, dass in dem in einer Seitenrichtung auf
einer Maskenschicht gezüchteten
Teil die C-Achse in geringem Maß zu
der Richtung des seitlichen Wachstums hin kippt und die Qualität des Kristalls
verschlechtert (Abstracts of MRS 1998, Fall Meeting G3.1). Dies
kann durch Messung (C-Scan) der Einfallsausrichtungsabhängigkeit
der Röntgenkippkurvenmessung (XRC)
bestätigt
werden. Dies bedeutet, dass die volle Breite beim halben Maximum
(FWHM) der Röntgenkippkurve
durch Einfalls-Röntgenstrahlung
aus der Richtung des seitlichen Wachstums größer ist als der FWHM-Wert durch
Röntgeneinwirkung
aus einer Streifenrichtung einer Maskenschicht, was das Vorhandensein
von Ausrichtungsabhängigkeit
der Mikrokippung der C-Achse bedeutet. Dies deutet auf die Möglichkeit
hin, dass eine Anzahl neuer Fehler in den Anschlussteil des seitlichen
Wachstums an der Maske eingeführt wird.
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Als
Material für
die Maskenschicht wird generell SiO2 verwendet.
Es wurde das Problem erkannt, dass, wenn darauf eine Schicht durch
Kristallwachstum laminiert wird, sich die Si-Komponente in die Kristallzüchtungsschicht überträgt, so dass
das Problem einer Selbstdotierungsverschmutzung entsteht.
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Wenn
ein Halbleitermaterial, das Al wie z.B. AlGaN enthält, auf
einem Substrat gezüchtet
wird, das eine SiO2-Masken-Schicht aufweist,
tritt ein Kri stallwachstum auch an der Maskenschicht auf, so dass
das wirksame selektive Wachstum selbst verhindert wird.
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In
einem Versuch zur Lösung
dieses Problems wurde ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem ein Streifennut-Verarbeitungsvorgang
an einem Substrat vorgenommen wurde, das eine Pufferschicht und
eine GaN-Schicht hat, die auf einem SiC-Basis-Substrat ausgebildet
sind, wobei diese Nut die SiC-Schicht
erreicht, um eine Wölbung
zu bilden, und das Kristallzüchten
von der GaN-Schicht her auf dem oberen Ende dieser Wölbung erfolgt
(Abstracts of MRS 1998 Fall Meeting G3.38). Gemäß diesem Verfahren ist ein
selektives Züchten
ohne eine SiO2-Masken-Schicht möglich, wodurch
verschiedene Probleme, die durch die Verwendung der oben erwähnten SiO2-Maske verursacht werden, beseitigt werden
können.
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Bei
dem vorstehend erwähnten
Verfahren kann ein Saphirsubstrat als Basissubstrat verwendet werden,
und ein entsprechendes Verfahren ist beschrieben worden (z.B. JP-A-11-191659).
Das vorstehend erwähnte
Verfahren erfordert die Schritte des Kristallzüchtens eines Pufferschichtmaterials
und eines GaN-Gruppen-Materials auf einem Saphir-Basissubstrat,
das Herausnehmen des Substrats aus einem Ofen zwecks Züchtens,
das Durchführen
eines Nutenverarbeitungsvorgangs und eines erneuten Kristallzüchtens,
wodurch jedoch neue Nachteile in Form eines komplizierten Herstellungsvorgangs,
einer vergrößerten Anzahl
von Schritten, höherer
Kosten und dergleichen verursacht werden.
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MRS
Internet J. Nitrite Semicond. Res. 4S1, G3.38 (1999) beschreibt
einen Prozessablauf zum seitlichen Züchten nahezu fehlerfreier GaN-Strukturen
durch Pendeoepitaxie. Seitliches Züchten von GaN-Filmen, die von
{11 20}-Seitenwänden
von GaN-Spalten mit [0001]-Ausrichtung in und über angrenzende geätzte Gräben heranhängen, ist
durch MOVPE-Technik ohne Verwendung oder Kontakt mit einer haltenden
Maske oder eines/einem haltenden Substrat(s) durchgeführt worden.
Pendeoepitaxie wird als beschreibender Ausdruck für die Wachstumstechnik
vorgeschlagen. Das selektive Wachstum wurde erreicht unter Verwendung
von Prozessparametern, die ein seitliches Wachstum der {11 20}-Ebenen
von GaN fördern
und eine Keimbildung dieser Phase auf dem exponierten SiC-Substrats
nicht zulassen.
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US-A-5,676,752
beschreibt ein Verfahren zum Herstellen von Bahnen aus kristallinem
Material sowie Vorrichtungen, bei denen diese Bahnen verwendet werden.
Bei dem Verfahren wird eine Züchtungsmaske
auf einem Substrat ausgebildet, und an den Bereichen des Substrats,
die durch die Maske hindurch exponiert sind, und seitlich über die
Oberfläche
der Maske hinweg wird kristallines Material gezüchtet, um eine Bahn aus kristallinem
Material zu bilden. Die Bahn wird wahlweise abgelöst, so dass
das Substrat wiederverwendet werden kann. Das Verfahren ist von
besonderer Wichtigkeit beim Bilden von Bahnen aus kristallinem Halbleitermaterial zur
Verwendung in Festkörpervorrichtungen.
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Ferner
wurde in den "Abstracts
of the Japan Society of Applied Physics 99, Autumn 2P-W-8" ein Lösungsansatz
beschrieben, bei dem ein Schritt an dem GaN-Substrat vorgenommen
wird und ein Einbettungszüchtvorgang
durchgeführt
wird, um einen Bereich festzulegen, der eine niedrige Versetzungsdichte
hat. In diesem Fall wird ein Bereich mit niedriger Versetzungsdichte
in einem Teil der eingebetteten Schicht gebildet.
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Um
mit dem oben angeführten
Verfahren einen Bereich mit niedriger Versetzungsdichte zu erhalten, müssen jedoch
die Intervalle zwischen konvexen Teilen erweitert werden, oder die
Tiefe des konkaven Teils muss vergrößert werden. Zu diesem Zweck
muss die Schicht bis auf eine dicke Bemessung gezüchtet werden, indem
sie während
einer langen Zeitdauer eingebettet wird, was wiederum inhärent verschiedene
Probleme verursacht, zu denen das Auftreten von Rissen aufgrund
der Ausbildung des dicken Films, der bei der Herstellung anfallende
Kostenaufwand aufgrund der langen Verweildauer und dergleichen zählen.
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Ferner
existiert ein Lösungsansatz
zur Kristallzüchtung
eines GaN-Gruppen-Materials
auf einem Si-Substrat. Das Züchten
eines GaN-Gruppen-Kristalls führt
jedoch zu Wölbungen
und Rissen, die durch Unterschiede im Wärmeausdehnungskoeffizienten
verursacht werden, so dass die Züchtung
eines Kristalls mit hoher Qualität
verhindert wird.
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Somit
ist es vor dem Hintergrund der oben angeführten Schwierigkeiten eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung, verschiedene Probleme, die durch
ELO-Züchten
unter Verwendung einer herkömmlichen
Masken-Schicht verursacht werden, zu vermeiden und eine Vereinfachung
des Herstellungsvorgangs zu erreichen. Die vorliegende Erfindung
zielt auf eine Lösung
der Probleme ab, die durch das Einbettungszüchten einer Schritt-Struktur
ohne eine Maske verursacht werden. Ferner zielt die vorliegende
Erfindung darauf ab, das Problem eines selektiven Züchtens von
AlGaN zu lösen,
das herkömmlicherweise
nicht lösbar
war. Zudem soll die vorliegende Erfindung das mit der Verwendung
eines Si-Substrats und dergleichen einhergehende Auftreten von Wölbungen
und Rissen vermeiden.
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In
Anbetracht der oben erwähnten
Probleme ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen GaN-Kristall
zu schaffen, der einen großen
Flächenbereich
aufweist. Die vorliegende Erfindung soll ferner verschiedene Probleme
vermeiden, die durch das ELO-Züchten
unter Verwendung einer herkömmlichen
Masken-Schicht verursacht werden, und den Herstellungsvorgang vereinfachen.
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Offenbarung
der Erfindung
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Die
Halbleiterbasis gemäß der vorliegenden
Erfindung weist ein Substrat und eine Schicht aus Halbleiterkristall
auf, die durch Dampfphasenwachstum auf dem Substrat ausgebildet
ist, wobei eine Kristallwachstumsebene des Substrats durch Ätzen zur
Bildung einer konkav-konvexen Oberfläche bearbeitet ist, wobei die Schicht
des Halbleiterkristalls aus dem oberen Teil des konvexen Teils der
konkav-konvexen Oberfläche
und einer Oberfläche des
konkaven Teils gewachsen ist, und wobei der Kristall, der seitlich
aus dem oberen Teil der konvexen Teile als Startpunkt gewachsen
ist, und der Kristall, der aus der Oberfläche des konkaven Teils gewachsen
ist, derart miteinander verbunden sind, dass sie die konkav-konvexe
Oberfläche
des Substrats bedecken.
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In
diesem Fall handelt es sich bei dem oben erwähnten Halbleiterkristall vorzugsweise
um InGaAlN.
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Vorzugsweise
bilden die konvexen Teile der Kristallzüchtungsebene des oben erwähnten Substrats parallele
Streifen.
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Insbesondere
ist bevorzugt, dass der oben erwähnte
Halbleiterkristall InGaAlN darstellt und die Längsrichtung des Streifens parallel
zu der (1-100)-Ebene
des InGaAlN-Kristalls verläuft.
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Eine
spezielle Halbleiterbasis weist ein Substrat und einen Halbleiterkristall
auf, der durch Dampfphasenwachstum auf dem Substrat ausgebildet
ist, wobei das genannte Substrat eine konkav-konvexe Oberfläche als
Kristallwachstumsebene aufweist, der genannte Halbleiterkristall
ausschließlich
aus einem oberen Teil eines konvexen Teils der konkav-konvexen Oberfläche kristallgezüchtet ist,
die genannte konkav-konvexe Oberfläche mit einem kristallgezüchteten
Halbleiter bedeckt ist und ein Hohlraum zwischen der Halbleiterkristallschicht
und dem konkaven Teil der genannten konkav-konvexen Oberfläche ausgebildet ist.
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Der
konkave Teil der konkav-konvexen Oberfläche des genannten Substrats
ist mit einer Maske bedeckt, auf der der Kristall nicht wesentlich
wachsen kann, und der genannte Halbleiterkristall kann ausschließlich aus
einem oberen Teil eines konvexen Teils der konkav-konvexen Oberfläche gezüchtet sein.
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Es
ist möglich,
eine Ausgestaltung der Halbleiterbasis zu verwenden, die eine erste
Halbleiterkristallschicht aufweist, welche gebildet ist durch Ausgestaltung
einer Kristallwachstumsebene eines Substrats als konkav-konvexe
Oberfläche
und durch Kristallzüchten
mittels Dampfphasenzüchtung
ausschließlich
aus einem oberen Teil eines konvexen Teils der genannten konkav-konvexen
Oberfläche,
und die eine zweite Halbleiterkristallschicht aufweist, welche gebildet
ist durch Ausgestaltung einer Oberfläche der ersten Halbleiterkristallschicht
als konkav-konvexe Oberfläche
und in ähnlicher
Weise durch Kristallzüchten
ausschließlich
aus einem oberen Teil eines konvexen Teils dieser Oberfläche.
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Es
ist ferner möglich,
eine Ausgestaltung der Halbleiterbasis zu verwenden, die eine erste
Halbleiterkristallschicht aufweist, welche gebildet ist durch Ausgestaltung
einer Kristallwachstumsebene eines Substrats als konkav-konvexe Oberfläche, Abdecken
des konkaven Teils mit einer Maske, auf der der Kristall nicht wesentlich
wachsen kann, und durch Kristallzüchten mittels Dampfphasenzüchtung ausschließlich aus
einem oberen Teil eines konvexen Teils der genannten konkav-konvexen
Oberfläche,
und die eine zweite Halbleiterkristallschicht aufweist, welche gebildet
ist durch Ausgestaltung der Oberfläche der ersten Halbleiterkristallschicht
als konkav-konvexe Oberfläche,
in ähnlicher
Weise vorgenommenes Abdecken des konkaven Teils mit einer Maske,
auf der der Kristall nicht wesentlich wachsen kann, und durch Kristallzüchten ausschließlich aus einem
oberen Teil eines konvexen Teils dieser Oberfläche.
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Ferner
können
eine dritte Halbleiterkristallschicht, die gebildet ist durch Ausgestaltung
einer Oberfläche
der zweiten Halbleiterkristallschicht der genannten Halbleiterbasis
als konkav-konvexe Oberfläche,
und durch in ähnlicher
Weise vorgenommene Dampfphasen-Züchtung
auf dieser Oberfläche,
oder mehrere Halbleiterkristallschichten einbezogen sein, die in
ihrer Vielzahl durch Wiederholen ähnlicher Schritte gebildet
sind.
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Ferner
können
eine dritte Halbleiterkristallschicht, die gebildet ist durch Ausgestaltung
einer Oberfläche
der zweiten Halbleiterkristallschicht der genannten Halbleiterbasis
als konkav-konvexe Oberfläche,
Abdecken des konkaven Teils mit einer Maske, auf der der Kristall
nicht wesentlich wachsen kann, und durch in ähnlicher Weise vorgenommene
Dampfphasen-Züchtung
auf dieser Oberfläche,
oder mehrere Halbleiterkristallschichten einbezogen sein, die in
ihrer Vielzahl durch Wiederholen ähnlicher Schritte gebildet
sind.
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Das
Verfahren zur Herstellung der Halbleiterbasis ist dadurch gekennzeichnet,
dass für
die Dampfphasen-Züchtung
eines Halbleiterkristalls auf einem Substrat eine Substratoberfläche im Voraus
derart bearbeitet wird, dass sie eine konkav-konvexe Oberfläche aufweist,
dem Substrat ein als Bestandteil vorgesehenes Gas zugeführt wird,
und die genannte konkav-konvexe Oberfläche des Substrats mit einem
Halbleiterkristall bedeckt wird, der durch Kristallwachstum ausschließlich aus
einem oberen Teil eines konvexen Teils der genannten konkav-konvexen
Oberfläche
gebildet wird.
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Gemäß dem oben
erwähnten
Herstellungsverfahren kann ein konkaver Teil der konkav-konvexen Oberfläche des
genannten Substrats mit einer Maske bedeckt werden, auf der der
Kristall nicht wesentlich wachsen kann, und dem Substrat wird ein
als Bestandteil vorgesehenes Gas zugeführt, wodurch die konkav-konvexe
Oberfläche
des genannten Substrats mit einem Halbleiterkristall bedeckt wird,
der durch Kristallwachstum ausschließlich aus einem oberen Teil
eines konvexen Teils der genannten konkav-konvexen Oberfläche gebildet
wird.
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Das
Verfahren zur Herstellung des Halbleiterkristalls ist dadurch gekennzeichnet,
dass eine Kristallwachstumsebene des Substrats derart bearbeitet
wird, dass sie eine konkav-konvexe Oberfläche aufweist, und ein Halbleiterkristall
durch Dampfphasen-Kristallzüchtung
aus einem oberen Teil eines konvexen Teils der konkav-konvexen Oberfläche gebildet
wird, um die konkav-konvexe Oberfläche zu bedecken, wodurch ein
Laminat gebildet wird, das einen Hohlraum zwischen der Halbleiterkristallschicht
und dem konka ven Teil der genannten konkav-konvexen Oberfläche aufweist,
und dass an dem genannten Hohlraum der Halbleiterkristall von dem
Substrat getrennt wird. In diesem Fall handelt es sich bei dem oben
erwähnten
Halbleiterkristall vorzugsweise um InGaAlN.
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Gemäß dem Verfahren
zum Herstellen des Halbleiterkristalls kann ein Schritt, der zum
Bilden eines Halbleiterkristalls wie bei dem Verfahren zum Herstellen
der Halbleiterbasis der vorliegenden Erfindung vorgesehen ist, mehrere
Male wiederholt werden.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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1 zeigt
eine Schnittansicht zur Veranschaulichung des Zustands der Kristallzüchtung der
Halbleiterbasis anders als gemäß der vorliegenden
Erfindung, wobei 1 ein Substrat ist, 11 ein konvexer
Teil ist, 12 ein konkaver Teil ist, 13 ein Hohlraum
ist und 2 eine Halbleiterkristallschicht ist.
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2 zeigt
eine Schnittansicht zur Veranschaulichung des Zustands der Kristallzüchtung der
Halbleiterbasis anders als gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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3 zeigt
eine Schnittansicht zur Veranschaulichung des Zustands der Kristallzüchtung der
Halbleiterbasis gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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4 zeigt
ein Diagramm der θ-XRC-Scan-Daten.
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5 zeigt
eine Schnittansicht zur Veranschaulichung des Zustands der Kristallzüchtung der
Halbleiterbasis anders als gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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6 zeigt
eine Schnittansicht zur Veranschaulichung des Zustands der Kristallzüchtung der
Halbleiterbasis anders als gemäß der vorliegenden
Erfindung und des Verfahrens zum Herstellen des Halbleiterkristalls
anders als gemäß der vorliegenden
Erfindung, wobei 3 eine Maske ist.
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7 zeigt
eine Schnittansicht zur Veranschaulichung des Zustands der Kristallzüchtung der
Halbleiterbasis anders als gemäß der vorliegenden
Erfindung und des Verfahrens zum Herstellen des Halbleiterkristalls
anders als gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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8 zeigt
eine Schnittansicht zur Veranschaulichung des Zustands der Kristallzüchtung der
Halbleiterbasis anders als gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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9 zeigt
eine Schnittansicht zur Veranschaulichung des Zustands der Kristallzüchtung der
Halbleiterbasis anders als gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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10 zeigt
eine Schnittansicht zur Veranschaulichung einer anderen Ausgestaltung
der Verfahren zum Herstellen des Halbleiterkristalls anders als
gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass zu Beginn
des Kristallzüchtens
eine ein seitliches Wachstum ermöglichende
Substratoberfläche,
die zur Bildung eines Bereichs mit geringer Versetzung in der Lage
ist, ausgebildet wird, indem eine konkav-konvexe Oberfläche auf
einem Substrat erzeugt wird, auf dem noch nicht einmal eine Pufferschicht
ausgebildet worden ist. Wenn das Substrat in dieser Weise ausgebildet
worden ist, um ein mittels Dampfphase vorgenommenes Züchten von
Kristallen zu ermöglichen, kann
in der Anfangsphase des Züchtens
das Züchten
des Kristalls auf der Gesamtheit der Substratoberfläche erfolgen.
Während
des Züchtvorgangs
tritt das Wachstum vorwiegend in einem oberen Teil eines konvexen Teils
auf, wobei aufgrund dieser Tatsache die Diffusion des Ausgangsmaterials
in den konkaven Bereich nicht leicht erfolgt und die oben erwähnte konkav-konvexe
Oberfläche
mit einer Schicht bedeckt wird, ausschließlich aus dem oberen Teil des
konvexen Teils gezüchtet
wird. Bei dem vom konvexen Teil ausgehenden Wachstum erfolgt das
Wachstum in zur C-Achse
rechtwinkliger Richtung (sogenanntes seitliches Wachstum), wodurch anders
als bei der herkömmlichen
Verfahrensweise ohne Verwendung einer Masken-Schicht ein Bereich
mit beträchtlich
geringer Versetzung gebildet wird. Somit wird durch bloßes Ausbilden
einer konkav-konvexen Oberfläche
auf dem Substrat ein sukzessives Wachstum z.B. dadurch erreicht,
dass eine Pufferschicht und dann eine GaN-Schicht gezüchtet wird.
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Ferner
kann, wenn eine Maske auf dem Grund des konkaven Teils ausgebildet
wird, das Wachstum in dem konkaven Teil unterdrückt werden, was die Effizienz
des seitlichen Wachstums verbessert, wobei vorteilhafterweise die
zum Bedecken des konkaven Teils erforderliche Dicke reduziert wird.
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Das
Verfahren zum Herstellen des Halbleiterkristalls ist erstens durch
das Züchten
eines Halbleiterkristalls mittels des gleichen Vorgangs wie bei
dem Verfahren zum Herstellen der oben erwähnten Halbleiterbasis gekennzeichnet.
Wie oben erwähnt
kann das Kristallwachstum in dem konkaven Teil des Substrats unterdrückt werden,
und somit wird ein Hohlraum zwischen dem Substrat und dem Halbleiterkristall
gebildet. Als Ergebnis kann der Kontaktbereich zwischen dem Substrat
und dem Halbleiterkristall reduziert werden, was seinerseits eine
beträchtliche
Reduzierung der Spannung bewirkt, die aufgrund der Differenzen in
der Gitterkonstanten und dem Wärmeausdehnungskoeffizient
erzeugt wird. Dies bildet ein zweites Kennzeichen des Verfahrens
zum Herstellen des Halbleiterkristalls. Dies hat den Effekt, dass
das Auftreten von Rissen und Brüchen
unterdrückt
werden kann und man einen Halbleiterkristall mit einem großen Flächenbereich
erhalten kann. Ferner können,
da sich die oben erwähnte
Spannung auf den Kontaktteil zwischen dem Substrat und dem Halbleiterkristall
fokussiert, das Substrat und der Halbleiterkristall wirksam getrennt
werden.
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Im
Folgenden wird die Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung im Zusammenhang mit den Zeichnungen detailliert
erläutert.
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1(a)–(c)
und 6(a)–(c) zeigen Schnittansichten
zur Veranschaulichung des Zustands des Kristallwachstums der Halbleiterbasis
anders als gemäß der vorliegenden
Erfindung. 6(a)–(d) zeigen Schnittansichten
zur Veranschaulichung der Verfahren zum Herstellen des Halbleiterkristalls
anders als gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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In
den Figuren ist mit 1 ein Substrat und mit 2 ein
Halbleiterkristall gekennzeichnet, der mittels einer Dampfphase
auf dem Substrat 1 gezüchtet
wird. Auf der Kristallwachstumsebene des Substrats 1 sind
ein konvexer Teil 11 und ein konkaver Teil 12 ausgebildet,
so dass das Kristallwachstum ausschließlich von einem oberen Teil
des oben erwähnten
konvexen Teils 11 ausgeht. Bei der Ausführungsform gemäß 6 ist
der konkave Teil 12 mit einer Maske 3 bedeckt,
auf der der Kristall im Wesentlichen nicht wachsen kann.
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Das
Substrat der vorliegenden Erfindung ist eine Basis, auf der verschiedene
Halbleiterkristallschichten gezüchtet
werden können,
und auf der noch nicht einmal eine Pufferschicht zur Gitteranpassung
ausgebildet worden ist. Zu den Beispielen eines derartigen Substrats
zählen
Saphir (C-Ebene, A-Ebene,
R-Ebene), SiC (6H, 4H, 3C) GaN, Si, Spinell, ZnO, GaAs, NGO und
dergleichen. Es können
auch andere Materialen verwendet werden, solange die Aufgabe der
Erfindung erfüllt
wird. Es ist auch möglich,
ein von diesen Substraten abgezogenes Material zu verwenden.
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Ein
auf dem Substrat 1 zu züchtender
Halbleiterkristall enthält
zahlreiche Halbleitermaterialien. Hinsichtlich AlxGa1-x-yInyN (0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1) lassen
sich als Beispiele diejenigen anführen, die unterschiedliche x-,
y-Zusammensetzungsverhältnisse
aufweisen, wie etwa GaN, Al0,5Ga0,5N, In0,5Ga0,5N und dergleichen.
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Im
Fall eines Halbleitermaterials, das Al enthält, wie z.B. AlGaN und dergleichen,
ist das herkömmlicherweise
nicht erzielbar seitliche Wachstum von AlGaN ermöglicht worden, da das mit dem
herkömmlichen Maskierungsverfahren
einhergehende Problem des Züchtens
einer SiO2-Masken-Schicht durch das maskenlose
Verfahren der vorliegenden Erfindung beseitigt werden kann, und
somit kann ein qualitativ hochwertiger Film mit geringer Versetzung
direkt auf dem Substrat gezüchtet
werden. Als Ergebnis kann die durch eine GaN-Schicht verursachte
Absorption von Licht, die problematischerweise bei einem UV-emittierenden
Element und dergleichen auftritt, beseitigt werden, was in der Praxis
besonders günstig
ist.
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Es
ist vorteilhaft, dass der auf der Kristallwachstumsebene des Substrats 1 ausgebildete
konvexe Teil 11 eine derartige Form hat, dass ein Kristallwachstum
ausschließlich
von einem oberen Teil des konvexen Teils her möglich ist. In der vorliegenden
Verwendung ist mit einem "Kristallwachstum
ausschließlich
von einem oberen Teil her" der
Zustand gemeint, in dem das Kristallwachstum an der Apex oder in
der Apexebene oder -nähe des
konvexen Teils 11 vorherrscht. In diesem Zustand kann in
der Anfangsstufe des Züchtens
das Wachstum in dem konkaven Teil erfolgen, jedoch erfolgt das Kristallwachstum
letztlich vorherrschend in dem konvexen Teil 11. Anders
ausgedrückt
ist ein Bereich mit niedriger Versetzung, der durch das von dem
oberen Teil als Startpunkt ausgehende seitliche Wachstum ausgebildet
wird, so wirksam wie das herkömmliche
ELO, das eine Maske erfordert. Ein solches Wachstum kann gemäß der vorliegenden
Erfindung typischerweise maskenlos erzielt werden.
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Bei
den in 6–10 gezeigten
Ausführungsformen
wird die Maske 3, auf der der Kristall im Wesentlichen
nicht wachsen kann, an dem konkaven Teil 12 ausgebildet.
Mit der Formulierung "auf
der der Kristall im Wesentli chen nicht wachsen kann" ist ein Zustand
gemeint, in dem das Kristallwachstum nur mit Schwierigkeiten fortschreiten
kann. In diesem Zustand kann in der Anfangsstufe des Züchtens das
Wachstum auf der Maske des konkaven Teils erfolgen, wobei jedoch
letztlich das Kristallwachstum des konvexen Teils 11 vorherrscht.
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Anders
ausgedrückt
ist der Bereich mit niedriger Versetzung, der durch das von dem
oberen Teil als Startpunkt ausgehende seitliche Wachstum ausgebildet
wird, so wirksam wie das herkömmliche
ELO, das eine Maske verlangt. Der Bereich mit niedriger Versetzungsdichte
kann typischerweise in einem einzigen Kristallzüchtungszyklus gezüchtet werden,
indem das Substrat gemäß der vorliegenden
Erfindung verarbeitet wird.
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1–3 und 6–8 zeigen
Querschnittsansichten der konvexen Teile 11, die derart
ausgebildet sind, dass sie Streifen bilden. In 1 und 6 ist
als Beispiel ein Substrat 1 gezeigt, das eine größere Nutentiefe
(konvexe Höhe)
h als die Nutenbreite B hat, wie in 1(a) und 6(a) gezeigt ist. In diesem Fall erreicht
keine ausreichende Menge eines als Bestandteil vorgesehenen Gases
den konkaven Teil 12 oder dessen Umgebung. Bei der Ausführungsform
gemäß 6 erfolgt
aufgrund der an den konkaven Teil 12 angelegten Maske 3 das
Kristallwachstum nur von dem oberen Teil des konvexen Teils 11 her.
In 1(b) und 6(b) ist
mit 20 eine Kristalleinheit zu Beginn des Kristallzüchtens gezeigt.
Unter den Umständen
werden mit dem Fortschreiten des Kristallwachstums die Filme, die
in der seitlichen Richtung von dem oberen Teil des konvexen Teils 11 als
Startpunkt ausgehend gezüchtet
werden, verbunden, und gemäß 1(c), 6(c) wird die
konkav-konvexe Oberfläche
des Substrats 1 bedeckt, wobei ein Hohlraum 13 in
dem konkaven Teil belassen wird. In diesem Fall wird ein Bereich
mit niedriger Versetzung in dem in seitlicher Richtung gezüchteten Teil
oder in dem oberen Teil des konkaven Teils 12 ausgebildet,
so dass der in dieser Weise ausgebildete Film eine hohe Qualität hat.
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Gemäß dem Verfahren
zum Herstellen des Halbleiterkristalls wird eine Halbleiterbasis
(ein Laminat, das aus dem Substrat 1 und dem Halbleiterkristall 2 mit
dem zwischen diesen angeordneten Hohlraum 13 besteht) gemäß 1(c), 2(c), 6(c) und 7(c) hergestellt,
und das Substrat 1 und der Halbleiterkristall 2 werden
an einem Teil voneinander getrennt, der die Hohlraumteile 13 enthält, nämlich den
konvexen Teilen 11 des Substrats 1, wie 6(d) und 7(d) zeigen,
um den gewünschten
Halbleiterkristall 2 mit geringer Versetzung zu erhalten.
Für das
Trennen können
typischerweise Schleifvorgänge
oder dergleichen verwendet werden, jedoch unterliegt das Verfahren
keinen besonderen Beschränkungen,
solange der Halbleiterkristall herausgenommen werden kann.
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2 zeigt
eine nicht gemäß der Erfindung
konzipierte Ausführungsform
eines Substrats 1, bei der die Nutentiefe (konvexe Höhe) h kleiner
ist als die Nutenbreite B oder die Nutenbreite B größer ist
als die Breite A des konvexen Teils 11 (siehe 2(a)). In diesem Fall erreicht das als
Bestandteil vorgesehene Gas den konkaven Teil 12 und dessen
Umgebung, wodurch das Wachstum in dem konkaven Teil 12 ermöglicht wird. Das
Kristallwachstum schreitet ferner von dem oberen Teil des konvexen
Teils 11 her fort, und gemäß 2(b) werden
Kristalleinheiten 20,21 an dem oberen Teil des
konvexen Teils 11 und der Oberfläche des konkaven Teils 12 ausgebildet.
Unter den Umständen
werden mit fortschreitendem Kristallwachstum die in seitlicher Richtung
von dem oberen Teil des konvexen Teils als Startpunkt gezüchteten
Filme verbunden, und gemäß 2(c) wird die konkav-konvexe Oberfläche des
Substrats 1 bedeckt. In diesem Fall wird in dem oberen
Teil des konkaven Teils 12 ein Bereich mit geringer Versetzung
ausgebildet, so dass der in dieser Weise gebildete Film eine hohe
Qualität
hat.
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3 und 7(a)–(c)
zeigen eine Ausführungsform
eines Substrats 1, bei der die Nutentiefe (konvexe Höhe) h beträchtlich
kleiner ist als die Nutenbreite B oder die Nutenbreite B deutlich
größer ist
als die Breite A des konvexen Teils 11 (siehe 3(a), 7(a)).
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Bei
der Ausführungsform
gemäß 3 erreicht
das als Bestandteil vorgesehene Gas den konkaven Teil 12 und
dessen Umgebung, wodurch das Wachstum in dem konkaven Teil 12 ermöglicht wird.
Bei der Ausführungsform
gemäß 7 erreicht
das als Bestandteil vorgesehene Gas die Maske 3 des konkaven
Teils 12 und dessen Umgebung, und es besteht die Möglichkeit,
dass die Kristalle an dem konkaven Teil 12 wachsen. Im
Vergleich mit dem Wachstum in dem oberen Teil eines konvexen Teils
ist die Wachstumsrate jedoch extrem niedrig. Dies ist zurückführbar auf
den größeren Anteil
des als Bestandteil vorgesehenen Materials, das die Maske 3 erreicht
hat, jedoch wieder in das Gas freigegeben wird.
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Gemäß 3(b) und 7(b) schreitet
das Kristallwachstum auch von dem oberen Teil des konvexen Teils 11 fort,
wodurch Kristalleinheiten 20, 21 jeweils an dem
oberen Teil des konvexen Teils 11 und der Oberfläche des
konkaven Teils 12 ausgebildet werden. Unter den Umständen werden
mit fortschreitendem Kristallwachstum die in seitlicher Richtung
von dem oberen Teil als Startpunkt gezüchteten Filme verbunden, und
gemäß 3(c) und 7(c) wird
die konkav-konvexe Oberfläche
des Substrats 1 bedeckt.
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Bei
der Ausführungsform
gemäß 3 wird
in dem Teil ausgehend von dem konkaven Teil 12 kaum ein
Bereich mit geringer Versetzung gebildet, jedoch wird ein Bereich
mit geringer Versetzung in dem Teil gebildet, der das Wachstum in
der Seitenrichtung ausgehend von dem konvexen Teil 11 bildet,
und der zubereitete Film als Ganzes hat eine höhere Qualität. Auch bei der Ausführungsform
gemäß 7 ist
der Anteil des Wachstums in der Seitenrichtung ausgehend von dem
konvexen Teil 11 größer als
bei der Ausführungsform gemäß 1.
Somit ist der Anteil des Bereichs mit geringer Versetzung größer, und
der zubereitete Film hat als Ganzes eine höhere Qualität als die Ausführungsform
gemäß 1.
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Wenn
der konkave Teil breiter ist und sich die Versetzung in der C-Achsen-Richtung erstreckt,
hat der in dem oberen Teil des konkaven Teils ausgebildete Bereich
mit geringer Versetzung einen größeren Flächenbereich.
In diesem Fall kann die Registrierung mit dem emittierenden Teil
eines lichtemittierenden Elements oder mit einem lichtaufnehmenden
Teil eines lichtaufnehmenden Elements leicht und praktisch durchgeführt werden.
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Es
ist auch möglich,
den Bereich mit geringer Versetzung eines herkömmlichen ELO zu erweitern, doch
dazu muss die Schicht dick ausgebildet werden. Eine dicke Schicht
verursacht das Auftreten von Wölbungen,
wodurch der Photolithographie-Schritt in dem Vorgang erschwert wird.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung, besonders bei einer Ausführungsform, bei der eine Maske
in dem konkaven Teil ausgebildet wird, ist die Bildung eines großen Bereich
mit geringer Versetzung auf einem dünnen Film möglich. Als Ergebnis kann das
Auftreten einer Wölbung
unterdrückt
werden, und wenn ein Halbleiterelement mit einem großen Bereich
(z.B. ein Lichtempfangselement etc.) gebildet werden soll, kann
das Auftreten von Problemen, die durch eine Wölbung in einem Photolithographie-Schritt
verursacht werden, unterdrückt werden.
Somit erhält
man ein Element, das gegenüber
herkömmlichen
Elementen verbesserte Eigenschaften hat und für Dunkelstrom und hohe Reaktionsgeschwindigkeiten
geeignet ist.
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Gemäß dem Verfahren
zur Herstellung des Halbleiterkristalls wird ein Laminat in der
oben beschriebenen Weise zubereitet, und das Substrat 1 und
der Halbleiterkristall 2 werden gemäß 7(d) an
einem Teil voneinander getrennt, der den Hohlraum 13 oder
den konvexen Teil 11 des Substrats 1 enthält, wodurch
ein Halbleiterkristall 2 mit der gewünschten geringen Versetzung
enthalten werden kann.
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Bei
der vorliegenden Erfindung unterliegt der konvexe Teil 11 keiner
besonderen Beschränkung,
und er kann verschiedene Formen aufweisen.
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Insbesondere
können
verschiedene Kombinationen verwendet werden, bei denen die Nutentiefe
(konvexe Höhe)
h größer ist
als die Nutenbreite B, die Nutentiefe (konvexe Höhe) h kleiner ist als die Nutenbreite B,
die Nutentiefe (konvexe Höhe)
h deutlich kleiner ist als die Nutenbreite B, die Nutenbreite B
deutlich größer ist
als die Nutenbreite A des konvexen Teils 11 usw. Insbesondere
wenn die Nutentiefe (konvexe Höhe)
h größer ist
als die Nutenbreite B, kann gemäß 1 das
als Bestandteil vorgesehene Gas während des Dampfphasen-Züchtens selbst
ohne eine Maske auf der Oberfläche
des konkaven Teils nicht ausreichend zu dem Boden hin diffundieren.
Somit trägt
das als Bestandteil vorgesehene Material wirksam zu dem Wachstum
an dem oberen Teil des konvexen Teils 11 bei. Wenn die
Nutenbreite B größer ist
als die Breite A des konvexen Teils 11 wird der Bereich
des Wachstums in der seitlichen Richtung größer, und es wird vorteilhafterweise
ein weiter Bereich mit geringer Versetzung gebildet.
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Wenn
die Versetzung von dem Saphirsubstrat geradlinig verläuft, ist
der Anteil des konvexen Teils kleiner, wobei die kleinere Breite
vorteilhafterweise in einer kleineren Anzahl von Versetzungen resultiert.
Der von dem konvexen Teil bedeckte Bereich beträgt vorzugsweise nicht mehr
als 50%, erwünschterweise
nicht mehr als 40% und besonders erwünscht nicht mehr als 30%. Eine
kleinere konvexe Breite bedeutet einen höheren Effekt, der vorzugsweise
nicht mehr als 5 μm,
erwünschterweise
nicht mehr als 2 μm
beträgt
und besonders bevorzugt gemäß 0 < konvexer Teil < 1 μm bemessen
ist.
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Wenn
der konvexe Teil schmal ist, wird die Dicke, die erforderlich ist,
um den konkaven Teil durch Bedecken desselben flach auszubilden,
vorteilhafterweise kleiner. Somit kann das Problem einer durch Differenzen
der Wärmeausdehnungskoeffizienten
erzeugten Wölbung
beseitigt werden, da eine nur dünne
Schicht gezüchtet
zu werden braucht. Wenn der konvexe Teil schmal ist und der von
dem konvexen Teil eingenommene Flächenbereich klein ist, kommt
zu dem oben erwähnten
Effekt der Effekt einer geringeren Versetzung hinzu, und es kann
ein noch besserer Effekt erreicht werden. Die Nutentiefe (Höhe des konvexen
Teils) wird aus dem Bereich bestimmt, innerhalb dessen der Effekt
der vorliegenden Erfindung erzielt werden kann.
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Zum
Bilden einer derartigen konkav-konvexen Oberfläche können konvexe Einfüge-Teile
vom Insel-Typ, konvexen Teile vom Streifen-Typ, die aus konvexen
Linien bestehen, konvexe Gitter-Teile, konvexe Teile, bei denen
die diese bildenden Linien Kurven sind, und dergleichen verwendet
werden.
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Von
den Ausführungsformen
dieser konvexen Teile ist der konvexe Linien bildende Streifen-Typ
vorzuziehen, da die Herstellungsschritte vereinfacht werden können und
regelmäßige Muster
problemlos gebildet werden können.
Während
die Längsrichtung
des Streifens beliebig ist, kann, wenn das auf einem Substrat zu züchtende
Material GaN ist und es sich bei der Richtung um die <1-100>-Richtung des GaN-Gruppen-Materials
handelt, die diagonale Facette, wie z.B. die {1-101}-Ebene und dergleichen,
nicht leicht gebildet werden, wodurch das Wachstum in der seitlichen
Richtung (seitliches Wachstum) beschleunigt wird. Folglich wird
die konkav-konvexe Oberfläche
schneller bedeckt, was besonders vorzuziehen ist.
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Bei
Anwendung der Wachstumsbedingungen, unter denen eine diagonale Facette
wie z.B. die {1-101}-Ebene und dergleichen gebildet wird (z.B. niedrige
Temperatur beim Wachstum, hohe H3-Konzentration
usw.) verläuft
die Versetzung des Substrats zuerst geradlinig in dem konvexen Teil
(C-Achsen-Richtung im
Fall des Saphir-C-Ebenen-Substrats), durchläuft dann eine Kurve in der
Facettenebene und kann die Mitte des konkaven Teils erreichen. In
diesem Fall wird ein Bereich mit geringer Versetzung zu dem oberen
Teil des konvexen Teils. Anschließend werden die Gasatmosphäre, die
Züchtungstemperatur
und dergleichen verändert,
um das seitliche Wachstum zu fördern,
wodurch man einen flachen Film erhalten kann, der die C-Ebene bedeckt.
Auch wenn die Streifenrichtung auf die <11-20>-Richtung gesetzt
ist, erhält
man durch die Wahl der Züchtungsbedingungen
offensichtlich ein Verfahren ähnlich
dem oben beschriebenen Verfahren.
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Die
auf dem konkaven Teil 12 auszubildende Maske 3 braucht
nur ein wesentliches Wachstum auf ihr zu verhindern, und es können SiO2, SiNx, TiO2, ZrO2 und dergleichen
verwendet werden. Es ist möglich,
ein Laminat dieser Materialien zu bilden. Gemäß dem Verfahren zum Herstellen
des Halbleiterkristalls wird eine Maske 3 auf dem konkaven
Teil 12 gebildet. Die Verwendung nur eines konkav-konvexen
Substrats ohne Bildung einer Maske 3 ist ebenfalls akzeptabel.
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Wie
bei den in 1 und 6 gezeigten
Bezugsbeispielen kann, wenn die konkav-konvexe Oberfläche des
Substrats 1 vergraben wird und der Hohlraum 13 belassen
wird und auf der Oberfläche
ein emittierender Teil zum Bilden eines lichtemittierenden Elements
gezüchtet
wird, die Differenz der Brechungsindizes zwischen dem Hohlraum und
dem Halbleiter an der Grenzfläche
größer gemacht
werden. Als Ergebnis wird ein größerer Anteil
des Lichts, das zur unteren Seite des emittierenden Teils gerichtet
ist, an der Grenzfläche reflektiert.
Beispielsweise nimmt, wenn eine LED zum Chipbonden bei abwärtsgerichteter
Saphirsubstrat-Ebene gebildet wird, die Menge des nach oben hin
entnommenen Lichts vorteilhafterweise zu.
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Das
Einbetten, das den Hohlraum 13 belässt, reduziert den Kontaktbereich
zwischen dem Substrat 1 und der darauf zu züchtenden
Halbleiterschicht. Somit kann die in dem Halbleiter erzeugte Dehnung,
die durch die Differenz der Gitterkonstanten und der Wärmeausdehnungskoeffizienten
verursacht wird, vorteilhafterweise reduziert werden. Die Reduzierung
der Dehnung hat den Effekt, dass die Wölbung reduziert wird, die auftritt, wenn
ein GaN-Gruppen-Material
in dicker Bemessung auf Saphir gezüchtet wird. Insbesondere leiden
die herkömmlichen
Verfahren unter dem Problem des Auftretens von Wölbungen und Rissen aufgrund
der Differenz der Wärmeausdehnungskoeffizienten
bei Kristallzüchtung
eines GaN-Gruppen-Materials auf einem Si-Substrat, wodurch ein feines
Kristallwachstum verhindert wird. Durch die Reduzierung der Dehnung
mittels der vorliegenden Erfindung wird dieses Problem beseitigt.
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Durch
Nutzung der Möglichkeit,
den Kontaktbereich zwischen dem Substrat 1 und der darauf
gezüchteten
Halbleiterschicht 2 zu minimieren, kann die Halbleiterschicht 2 dick
gezüchtet
werden. Als Ergebnis sammelt sich die Spannung an dem Bereich geringen
Kontakts, von dem ausgehend das Substrat 1 von der Halbleiterschicht 2 getrennt
werden kann. Durch Nutzung dieses Effekts können Substrate von GaN und
dergleichen zubereitet werden.
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Gemäß dem Verfahren
zum Herstellen des Halbleiterkristalls wird ein Hohlraum 13 zwischen
dem Substrat 1 und dem Halbleiterkristall 2 ausgebildet,
um den Kontaktbereich zwischen diesen zu minimieren, wie in 6(c), 7(c) und 10 gezeigt
ist. Folglich kann die Dehnung, die durch Differenzen der Gitterkonstanten
und des Wärmeausdehnungskoeffizienten
in dem Halbleiterkristall 2 verursacht wird, reduziert werden.
Als Effekt der Reduzierung der Dehnung wird die Wölbung reduziert,
die spürbar
auftritt, wenn ein GaN-Gruppen-Material als Halbleiterkristall 2 dick
auf einem als Substrat 1 verwendeten Saphir gezüchtet wird.
Insbesondere treten Wölbungen
und Risse aufgrund der Differenz der Wärmeausdehnungskoeffizienten auf,
wenn ein GaN-Gruppen-Material durch Kristallzüchtung mittels eines herkömmlichen
Verfahrens auf einem Substrat gebildet wird, so dass ein feines
Kristallwachstum verhindert wird. Dieses Problem kann durch den
Dehnungsreduzierungseffekt aufgrund des Vorhandenseins des Hohlraums 13 reduziert
werden.
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Gemäß dem Verfahren
zum Herstellen des Halbleiterkristalls wird durch Nutzung der Fähigkeit,
den Kontaktbereich zwischen dem Substrat 1 und der darauf
gezüchteten
Halbleiterschicht 2 wie oben erwähnt zu minimieren, bei Züchtung des
Films auf eine Dicke von nicht weniger als 10 μm und vorzugsweise nicht weniger
als 100 μm
die Spannung auf den kleinen Kontaktteil beschränkt, von dem ausgehend das
Trennen des Substrats 1 und der Halbleiterschicht 2 erleichtert
werden kann. In dieser Weise kann ein Substrat aus GaN oder dergleichen
zubereitet werden.
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Während die
obige Beschreibung den Fall betrifft, dass nur eine einzige Halbleiterschicht 2 auf
dem Substrat 1 gezüchtet
wird, kann ein ähnlicher
Schritt wiederholt werden, um den Versetzungseffekt weiter zu reduzieren.
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Gemäß 5, 8 und 9 wird
nach dem Kristallzüchten
der ersten Halbleiterkristallschicht (der ersten Halbleiterschicht) 2a derart,
dass diese die konkav-konvexe Oberfläche des Substrats 1 in
der gleichen Weise wie oben beschrieben bedeckt, die Oberfläche der
ersten Halbleiterschicht 2a derart bearbeitet, dass sie
eine konkav-konvexe Oberfläche
bildet, wobei auf dieser Oberfläche
eine zweite Halbleiterkristallschicht (die zweite Halbleiterschicht) 2b durch
Kristallzüchtung
mittels Dampfphasen-Züchtung
ausschließlich
von einem oberen Teil des konvexen Teils der ersten Halbleiterschicht 2a her
gebildet werden kann. In diesem Fall, falls insbesondere der konvexe
Teil 11 des Substrats 1 und der auf der oben erwähnten ersten
Halbleiterschicht 2a auszubildende konvexe Teil 11a versetzt
werden (nämlich
durch Bilden eines konkaven Hohlraumteils der ersten Halbleiterschicht 2a an
einem Bereich, zu dem hin sich die Versetzung von dem Substrat ausbreitet), ist
die zweite Halbleiterschicht 2b frei von der Ausbreitung
der Versetzung. Anders ausgedrückt
kann durch diese Ausgestaltung die Gesamtheit der zweiten Halbleiterschicht 2b ein
Bereich mit geringer Versetzung sein, so dass eine Halbleiterbasis
erzeugt wird, die eine Halbleiterkristallschicht mit noch höherer Qualität aufweist. Anschließend wird
gemäß 10 der
Halbleiterkristall 2 (die zweite Halbleiterkristallschicht 2b)
an dem Hohlraum 13 von dem Laminat (Halbleiterbasis) getrennt,
so dass der verlangte Halbleiterkristall 2 herausgenommen
werden kann.
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Es
besteht die Möglichkeit,
die Ausbreitung zu verhindern, indem eine Maske wie z.B. SiO2 oder dergleichen an dem Teil der ersten
Halbleiterschicht verwendet wird, an dem sich die Versetzung ausbreitet.
Dies bedeutet, dass die herkömmlicherweise
angeführte
ELO-Technik für
das Züchten
der zweiten Halbleiterschicht verwendet werden kann. In diesem Fall
werden, da die erste Halbleiterschicht gemäß der vorliegenden Erfindung
gebildet wird, offensichtliche Effekte erzielt, die bei der alleinigen
Verwendung des ELO nicht vorhanden sind, wie z.B. ein dünner Film,
eine geringe Anzahl von Schritten und dergleichen.
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Es
ist auch möglich,
die Oberfläche
der zweiten Halbleiterschicht 2b zu einer konkav-konvexen
Oberfläche
zu verarbeiten, auf der eine dritte Halbleiter-Kristallschicht (die dritte Halbleiterschicht)
durch Dampfphasen-Züchtung
in der gleichen Weise wie oben beschrieben gebildet wird. Alternativ
kann ein ähnlicher
Schritt wiederholt werden, um mehrere Halbleiterschichten durch
einen Mehrfachvorgang zu bilden. Durch diese Ausgestaltung kann
die Versetzung, die sich beim Laminieren der Schichten ausbreitet,
allmählich
reduziert werden, sogar ohne die oben erwähnte beabsichtigte Positionseinstellung
des konvexen Teils zwischen oben und unten, so dass die Halbleiterbasis,
die schließlich
gezüchtet
werden soll, und der von dieser getrennte Halbleiterkristall mit
höherer
Qualität
hergestellt werden können.
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Die
Herstellung des konvexen Teils erfolgt z.B. durch Bilden eines der
Form des konvexen Teils entsprechenden Musters durch eine herkömmliche
Photolithographie-Technik und Ätzen
durch eine RIE-Technik und dergleichen.
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Eine
Halbleiterschicht wird vorzugsweise auf einem Substrat durch Kristallzüchten mittels
HVPE, MOCVD, MBE und dergleichen gebildet. Wenn ein dicker Film
zubereitet werden soll, ist HVPE vorzuziehen, und ein dünner Film
wird vorzugsweise mittels MOCVD gebildet.
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Die
Züchtbedingungen
(Art des Gases, Züchtdruck,
Züchttemperatur
und dergleichen) für
die Kristallzüchtung
der Halbleiterschicht auf einem Substrat können je nach den Erfordernissen
des Gegenstands bestimmt werden, solange der Effekt der vorliegenden
Erfindung erzielt wird.
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Die
nachstehend aufgeführten
Bezugsbeispiele sind nicht gemäß der Erfindung
konzipiert, sind jedoch zweckdienlich zum Verständnis der Erfindung.
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Beispiele
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Bezugsbeispiel 1
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Ein
Photoresist wurde zum Bilden eines Musters (Breite: 2 μm, Periode:
4 μm, Streifenrichtung:
Streifenverlaufsrichtung war die <11-20>-Richtung des Saphirsubstrats)
auf einem C-Ebenen-Saphirsubstrat platziert. Das Substrat wurde
mittels einer RIE-(Reactive Ion Etching) Vorrichtung geätzt zur
Bildung eines quadratischen Querschnitts mit einer Tiefe von 5 μm. Die Breite
von 2 μm
des genannten Musters entsprach der Breite eines konvexen Teils.
Somit betrug die Breite (= Periode – Breite des konvexen Teils)
eines konkaven Teils 2 μm,
und das Aspektverhältnis
(Tiefe/Breite des konkaven Teils) des Querschnitts des konkaven
Teils betrug 2,5. Nach dem Entfernen des Photoresists wurde das
Substrat 1 auf die MOVPE-Vorrichtung gesetzt. Anschließend wurde
die Temperatur unter einer Wasserstoffatmosphäre auf 1100°C erhöht, und das Wärmeätzen wurde
durchgeführt.
Die Temperatur wurde auf 500°C
abgesenkt, und es wurden TMG (im folgenden TMG) als Bestandteil-bildendes
Material der Gruppe III und Ammoniak als einen N-Bestandteil bildendes
Material strömen
gelassen, wodurch eine Niedrigtemperatur-GaN-Pufferschicht gezüchtet wurde.
Die Temperatur wurde auf 1000°C
erhöht,
TMG und Ammoniak als zur Verwendung als Bestandteile vorgesehene
Materialien und Silan als Dotierungsmittel wurden strömen gelassen,
wodurch eine GaN-Schicht vom N-Typ gezüchtet wurde. Die Zeit des Züchtens entsprach
der erforderlichen Zeit zum Züchten
von GaN mit einer Dicke von 4 μm
in einem herkömmlichen
Fall ohne konkav-konvexe
Oberfläche.
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Der
Querschnitt nach dem Züchten
wurde beobachtet. Als Ergebnis zeigte der konkave Teil des Substrats
eine gewisse Spur von Wachstum, jedoch wurde wie in 1(c) die
konkav-konvexe Oberfläche
abgedeckt, wodurch ein Hohlraum 13 in dem konkaven Teil
belassen wurde, so dass ein flacher GaN-Film erhalten wurde.
-
Zum
Vergleich wurden eine GaN-Schicht, die auf einem herkömmlichen
C-Ebenen-Saphirsubstrat
unter den gleichen Züchtungsbedingungen
ausgebildet war, und ein GaN-Film, der mittels ELO unter Verwendung
einer SiO2- Maske mit dem gleichen Muster (herkömmliche
ELO-Probe mittels Maskierungsverfahren) gezüchtet war, zubereitet.
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Zur
Auswertung wurde InGaN (InN-Mischkristallverhältnis = 0,2, Dicke 100 nm)
kontinuierlich gezüchtet,
und die (entsprechend der Versetzung) darauf erscheinenden Pits
wurden gezählt
und als Versetzungsdichte aufgefasst. Die Trägerdichte wurde mittels Hall-Effekt-Messung
evaluiert, und die Fluktuation der Kristallachse wurde mittels C-Scan
von XRC evaluiert. Die Auswertungsergebnisse sind in Tabelle 1 und 4 gezeigt.
-
-
Die
als Beispiel gewählte
Probe zeigte eine Reduzierung der Versetzungsdichte auf dem gleichen
Niveau wie dem Niveau des herkömmlichen
ELO. Andererseits lag die Trägerkonzentration
auf dem gleichen Niveau wie das normale GaN-Wachstum. FWHM von XRC
war kleinstmöglich
und dauerte 170 s. Die Gesamtauswertung des Films zeigte eine hohe
Qualität.
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Durch
die XRC-C-Scan-Daten gemäß 4 wurde
auch bestätigt,
dass der Kristall eine hohe Qualität hatte, ohne dass sich die
Fluktuation der Kristallachse nahe der Richtung des seitlichen Wachstums
intensivierte, wie bei dem GaN-Film, der durch ELO-Züchtung unter
Verwendung einer SiO2-Maske zubereitet wurde.
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Bezugsbeispiel 2
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Dieses
Beispiel folgte dem Beispiel 1 mit Ausnahme der Form des konkav-konvexen Teils, die
auf die folgende verändert
wurde: (Breite: 2 μm,
Perio de: 4 μm,
Streifenrichtung: <11-20> des Saphirsubstrats).
Das Substrat wurde mittels einer RIE- (Reactive Ion Etching) Vorrichtung
geätzt
zur Bildung eines quadratischen Querschnitts mit einer Tiefe von
1 μm. Das
Aspektverhältnis
betrug dann 0,25.
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Der
Querschnitt nach dem Züchten
wurde beobachtet. Als Ergebnis wurde festgestellt, dass der konkav-konvexe
Teil vergraben war und der dem konkaven Teil 12 entsprechende
Teil durch den Hohlraum 13 und den GaN-Film 21 auf
dessen Grund ersetzt war, wie 2(c) zeigt.
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Zur
Auswertung dieses Films wurde InGaN (InN-Mischkristallverhältnis =
0,2, Dicke 100 nm) kontinuierlich gezüchtet, und die darauf erscheinenden
Pits wurden wie erwähnt
beobachtet. Als Ergebnis wurden zahlreiche Pits, die der Versetzung
entsprachen, in dem oberen Teil des konvexen Teils beobachtet, jedoch waren
die Pits, die in dem in der seitlichen Richtung aus dem oberen Teil
des konvexen Teils als Startpunkt gewachsenen Teil zu sehen waren,
zahlenmäßig klein,
wobei die Versetzungsdichte 4 × 107 cm–2 wie in Beispiel 1
betrug.
-
Beispiel 3
-
Dieses
Beispiel folgte dem Beispiel 1 mit Ausnahme der Form des konkav-konvexen Teils, die
auf die nachfolgend genannte Weise verändert wurde, und die auf dem
konkav-konvexen Teil gezüchtete
Schicht eine Dicke von 1 μm
hatte (Breite: 0,5 μm,
Periode: 1 μm,
Streifenrichtung: <11-20> des Saphirsubstrats).
Das Substrat wurde mittels einer RIE-Vorrichtung geätzt zur
Bildung eines quadratischen Querschnitts mit einer Tiefe von 1,0 μm.
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Der
Querschnitt nach dem Züchten
wurde beobachtet. Als Ergebnis wurde festgestellt, dass der konkav-konvexe
Teil vergraben war und die Oberfläche flach war. Durch Verkürzen der
Breite und der Periode kann ein Film erhalten werden, der bereits
eine flache Fläche
bei einer Dicke von 1 μm
hat. Zur Auswertung dieses Films wurde InGaN (InN-Mischkristallverhältnis =
0,2, Dicke 100 nm) kontinuierlich gezüchtet, und die Pits wurden
wie in dem obigen Beispiel beobachtet. Zahlreiche Pits, die der
Versetzung entsprachen, erschienen in dem oberen Teil des konvexen
Teils, jedoch waren die Pits, die in dem in der seitlichen Richtung
aus dem oberen Teil des konvexen Teils als Startpunkt gewachsenen
Teil zu sehen waren, zahlenmäßig klein,
wobei die Versetzungsdichte 4 × 107 cm–2 wie in Beispiel 1
betrug.
-
Beispiel 4
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Dieses
Beispiel folgte dem Beispiel 1 mit Ausnahme der Form des konkav-konvexen Teils, die
auf die folgende Weise verändert
wurde: (Breite: 0,3 μm,
Periode: 3 μm,
Streifenrichtung: <11-20> des Saphirsubstrats).
Das Substrat wurde mittels einer RIE-Vorrichtung geätzt zur
Bildung eines quadratischen Querschnitts mit einer Tiefe von 3,0 μm.
-
Der
Querschnitt nach dem Züchten
wurde beobachtet. Als Ergebnis wurde festgestellt, dass der konkav-konvexe
Teil vergraben war und die Oberfläche flach war. Zur Auswertung
dieses Films wurde InGaN (InN-Mischkristallverhältnis = 0,2, Dicke 100 nm)
kontinuierlich gezüchtet,
und die Pits wurden wie erwähnt
beobachtet.
-
Pits,
die der Versetzung entsprachen, erschienen in dem oberen Teil des
konvexen Teils; jedoch war die Anzahl deutlich kleiner. Die Pits,
die in dem in der seitlichen Richtung aus dem oberen Teil des konvexen Teils
als Startpunkt gewachsenen Teil zu sehen waren, waren zahlenmäßig klein.
Andererseits fanden sich einige Pits in der Mitte des konkaven Teils.
Die Versetzungsdichte dieses Films betrug 2 × 106 cm–2,
was im Vergleich zu dem herkömmlichen
Beispiel 1, 2 und dem herkömmlichen
GaN-Züchten
eine beträchtliche
Abnahme darstellt. Es ist anzunehmen, dass dies auf den reduzierten
Bereich, der von dem konvexen Teil eingenommen wird, und auf die
reduzierte Anzahl ausgebreiteter Versetzungen zurückzuführen ist.
-
Referenzbeispiel 5
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Eine
mit AlGaN vom N-Typ ausgekleidete Schicht, eine lichtemittierende
InGaN-Schicht, eine mit AlGaN vom P-Typ ausgekleidete Schicht und
eine mit GaN-Kontaktschicht vom P-Typ wurden nacheinander auf dem
in Beispiel 1 erhaltenen Film ausgebildet, um einen UV-LED-Wafer
mit einer Lichtemissionswellenlänge von
370 nm zu erzeugen.
-
Anschließend wurde
eine Elektrode gebildet und in Elemente unterteilt, um LED-Elemente
zu erzeugen. Die mittlere Ausgangsleistung und die Rückstromeigenschaft
der aus dem gesamten Wafer erhaltenen LED-Chips wurden ausgewertet.
Bei den Vergleichsgegenständen
handelte es sich um einen UV-LED-Chip mit der oben erwähnten Struktur,
der mittels einer herkömmlichen
ELO-Technik gebildet wurde, und einen UV-LED-Chip mit der oben erwähnten Struktur,
der durch das herkömmliche
Saphirsubstrat gebildet wurde. Die Auswertungsergebnisse dieser
Chips sind in Tabelle 2 aufgeführt.
-
-
Wie
aus Tabelle 2 ersichtlich ist, zeigte die zubereitete Probe eine
höhere
Ausgangsleistung als die herkömmlichen
Proben, und es erwies sich, dass eine qualitativ hochwertige LED,
bei der weniger Leckstrom auftrat, zubereitet werden konnte.
-
Dieses
Beispiel folgte Beispiel 1 mit der Ausnahme, dass Trimethylaluminium
(TMA) während
des Züchtens
einer Halbleiterschicht hinzugefügt
wurde.
-
Als
Ergebnis beließ der
AlGaN (Al-Zusammensetzung 0,2)-Film einen Hohlraum in dem konkaven
Teil, und der den konkav-konvexen Teil bedeckende Film wurde flach
gezüchtet.
Die Pits, die in dem in der seitlichen Richtung ausgehend von dem
oberen Teil des konvexen Teils als Startpunkt gewachsenen Teil erschienen,
waren zahlenmäßig klein.
Folglich wurde, wie bestätigt
wurde, ein AlGaN-Film mit hoher Qualität (niedriger Versetzungsdichte)
erzielt, der mittels einer herkömmlichen
ELO-Technik nicht gebildet werden konnte.
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Bezugsbeispiel 7
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Bei
dem nächsten
Beispiel wurde GaN als Substrat verwendet. Ein Photoresist wurde
zum Bilden eines Musters (Breite: 2 μm, Periode: 4 μm, Streifenrichtung: <1-100> des GaN-Substrats)
auf einem GaN-Substrat platziert, und das Substrat wurde mittels
einer RIE-Vorrichtung geätzt
zur Bildung eines quadratischen Querschnitts mit einer Tiefe von
5 μm. Das
Aspektverhältnis
betrug dann 2,5. Nach dem Entfernen des Photoresists wurde das Substrat
auf die MOVPE-Vorrichtung gesetzt. Anschließend wurde die Temperatur unter einer
Atmosphäre
einer Mischung von Stickstoff, Wasserstoff und Ammoniak auf 1000°C erhöht. Dann
wurden TMG und Ammoniak als Bestandteile bildende Materialien und
Silan als Dotierungsmittel strömen
gelassen, wodurch eine GaN-Schicht vom N-Typ gezüchtet wurde. Die Zeit des Züchtens entsprach
der erforderlichen Zeit zum Züchten
von GaN mit einer Dicke von 4 μm
in einem herkömmlichen
Fall ohne konkav-konvexe Oberfläche.
-
Der
Querschnitt nach dem Züchten
wurde beobachtet. Als Ergebnis wurde das Wachstum in dem konkaven
Teil des Substrats und das Wachstum an der seitlichen Fläche des
konvexen Teils festgestellt, jedoch war gemäß 5 der konkav-konvexe
Teil unter Belassung des Hohlraums bedeckt, so dass ein flacher GaN-Film
erhalten wurde. Dann wurden die Pits in dem erhaltenen Film bewertet.
Das als Substrat verwendete GaN hatte eine Pit-Dichte von 2 × 105 cm–2. Durch das Züchten bei
diesem Beispiel nahmen die Pits auf 1 × 105 cm–2 in
dem oberen Teil des konvexen Teils und auf 5 × 103 cm–2 in
dem oberen Teil des konkaven Teils ab. Es wurde bestätigt, dass
ein Versetzungsdichtereduzierungseffekt in einem Substrat vorhanden
war, das bereits eine geringere Versetzung aufwies.
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Bezugsbeispiel 8
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Der
in Beispiel 1 zubereitete GaN-Kristall wurde als erste Halbleiterschicht
verwendet, und auf dieser wurde eine zweite Halbleiterschicht gezüchtet. Zuerst
wurde ein Photoresist derart angeordnet, dass es ein Muster (Breite:
2 μm, Periode:
4 μm, Streifenrichtung: <1-100> des GaN-Substrats)
auf einem GaN-Kristall (die erste Halbleiterschicht) bildete, und
das Substrat wurde mittels einer RIE-Vorrichtung geätzt zur
Bildung eines quadratischen Querschnitts mit einer Tiefe von 2 μm. Das Bilden
des Musters enthielt das Registeranordnen des konkaven Teils der
ersten Halbleiterschicht auf dem konvexen Teil des Substrats. Das
Aspektverhältnis betrug
dann 1. Nach dem Entfernen des Photoresists wurde das Substrat auf
die MOVPE-Vorrichtung
gesetzt. Anschließend
wurde die Temperatur unter einer Atmosphäre einer Mischung aus Stickstoff,
Wasserstoff und Ammoniak auf 1000°C
erhöht.
Dann wurden TMG und Ammoniak als Bestandteile bildende Materialien
und Silan als Dotierungsmittel strömen gelassen, wodurch eine
GaN-Schicht vom N-Typ gezüchtet
wurde. Die Zeit des Züchtens
entsprach der erforderlichen Zeit zum Züchten von GaN mit einer Dicke
von 4 μm
in einem herkömmlichen
Fall ohne konkav-konvexe Oberfläche.
-
Der
Querschnitt nach dem Züchten
wurde beobachtet. Als Ergebnis wurde das Wachstum in dem konkaven
Teil des Substrats und das Wachstum an der seitlichen Fläche des
konvexen Teils festgestellt, jedoch war der konkav-konvexe Teil
unter Belassung des Hohlraums bedeckt, und es wurde ein flacher
GaN-Film erhalten. Anschließend
wurden die Pits in dem erhaltenen Film ausgewertet, wobei sich eine
Reduzierung der Anzahl auf 8 × 105 cm–2 zeigte. Durch Wiederholung
dieses Beispiels bestätigte
sich der Erhalt eines weiteren Effekts einer Reduzierung der Versetzungsdichte.
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Bezugsbeispiel 9
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in
Photoresist wurde derart angeordnet, dass es ein Muster (Breite:
2 μm, Periode:
6 μm, Streifenrichtung:
Streifenverlaufsrichtung war die <11-20>-Richtung des Saphirsubstrats) auf einem
C-Ebenen-Saphirsubstrat bildete, und das Substrat wurde mittels
einer RIE-Vorrichtung geätzt
zur Bildung eines quadratischen Querschnitts mit einer Tiefe von
2 μm. Ein
SiO2-Film wurde in einer Dicke von 0,1 μm auf die
Gesamtheit des Substrats aufgetragen, und das Photoresist und der
darauf aufgetragene SiO2-Film wurden durch
einen Abzieh-Schritt entfernt. Auf diese Weise wurde eine Maskenschicht
auf dem konkaven Teil des Substrats gebildet. Anschließend wurde
das Substrat auf eine MOVPE-Vorrichtung gesetzt, und die Temperatur
wurde unter einer Wasserstoffatmosphäre auf 1100°C erhöht, um die Applikation und
den Wärmeätzvorgang
durchzuführen. Dann
wurde die Temperatur auf 500°C
abgesenkt, und es wurden TMG als Bestandteil-bildendes Material
der Gruppe III und Ammoniak als einen N-Bestandteil bildendes Material
strömen
gelassen, wodurch eine Niedrigtemperatur-GaN-Pufferschicht gezüchtet wurde.
Die Temperatur wurde auf 1000°C
erhöht,
TMG und Ammoniak als zur Verwendung als Bestandteile vorgesehene
Materialien und Silan als Dotierungsmittel wurden strömen gelassen,
wodurch eine GaN-Schicht vom N-Typ auf dem Substrat gezüchtet wurde.
Die Zeit des Züchtens
entsprach der erforderlichen Zeit zum Züchten von GaN mit einer Dicke
von 4 um in einem herkömmlichen
Fall ohne konkav-konvexe Oberfläche.
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Der
Querschnitt nach dem Züchten
wurde beobachtet. Als Ergebnis zeigte die Maske auf dem konkaven
Teil des Substrats eine gewisse Spur von Wachstum, jedoch war wie
in 7(c) der konkav-konvexe Teil abgedeckt,
wodurch der Hohlraum 13 in dem konkaven Teil belassen wurde,
so dass ein flacher GaN-Film erhalten wurde. Zum Vergleich wurde
eine ähnliche Studie
unter Verwendung eines herkömmlichen
ELO-Verfahrens durchgeführt.
Es wurde eine SiO2-Maske (d.h. mit einer
Masken-Breite von 4 μm
und einer Periode von 6 μm),
die in der Breite und der Periode dem konkav-konvexen Teil dieses Beispiels entsprach,
während einer
Zeitdauer gebildet und gezüchtet,
welche der erforderlichen Zeit zum Züchten eines normalen GaN auf eine
Dicke von 4 μm
entsprach. Der Querschnitt der erhaltenen Probe wurde beobachtet.
Als Ergebnis erfolgte an der SiO2-Maske
ein Wachstum in der seitlichen Richtung, und obwohl der Verbindungsbereich
beobachtet wurde, war die Oberfläche
noch nicht flach geworden. Die zur flachen Ausgestaltung der Oberfläche erforderliche
Züchtungszeit
wurde geprüft,
und es wurde festgestellt, dass diese die Zeit war, welche der erforderlichen Zeit
zum Züchten
von GaN auf eine Dicke von 10 μm
mittels herkömmlicher
GaN-Züchtung
entsprach. In diesem Fall zeigte, obwohl die Oberfläche der
Kristallschicht flach war, der erhaltene Wafer aufgrund der Verdickung
des Films eine beträchtliche
Wölbung.
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Wie
aus dem für
dieses Beispiel vorgenommenen Vergleich ersichtlich ist, erhält man durch
diese Verwendung einen dünnen
und in der Oberfläche
flachen Film, selbst wenn der konkave Teil, an dem die seitliche Züchtung vorgenommen
werden soll, breit ist.
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Bezugsbeispiel 10
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Bei
dem nächsten
Beispiel wurde GaN als Substrat verwendet. Ein Photoresist wurde
derart angeordnet, dass es ein Muster (Breite: 2 μm, Periode:
6 μm, Streifenrichtung: <1-100> des GaN-Substrats)
auf einem GaN-Substrat
bildete, und das Substrat wurde mittels einer RIE-Vorrichtung geätzt zur
Bildung eines quadratischen Querschnitts mit einer Tiefe von 2 μm. Ein SiO2-Film wurde in einer Dicke von 0,1 μm auf die
Gesamtheit des Substrats aufgetragen, und das Photoresist und der
darauf aufgetragene SiO2-Film wurden durch einen Abzieh-Schritt
entfernt. Das in dieser Weise gebildete GaN-Substrat wurde auf eine
MOVPE-Vorrichtung gesetzt, und die Temperatur wurde unter einer
Atmosphäre
einer Mischung aus Stickstoff, Wasserstoff und Ammoniak auf 1000°C erhöht. Dann
wurden TMG und Ammoniak als Bestandteile bildende Materialien und Silan
als Dotierungsmittel strömen
gelassen, wodurch eine GaN-Schicht vom N-Typ gezüchtet wurde. Die Zeit des Züchtens entsprach
der erforderlichen Zeit zum Züchten
von GaN mit einer Dicke von 4 μm
in einem herkömmlichen
Fall ohne konkav-konvexe Oberfläche.
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Nach
dem Züchten
wurde der Querschnitt beobachtet. Als Ergebnis zeigte die Maske
auf dem konkaven Teil des Substrats eine gewisse Spur von Wachstum,
und es zeigte sich Wachstum an der seitlichen Fläche des konvexen Teils, jedoch
war wie in 8 der konkav-konvexe Teil abgedeckt,
wodurch der Hohlraum-Teil belassen wurde, so dass ein flacher GaN-Film
erhalten wurde. Dann wurden die Pits in dem erhaltenen Film ausgewertet.
Das als Substrat verwendete GaN wies eine Pit-Dichte von 2 × 105 cm–2 auf. Durch das bei
diesem Beispiel erfolgende Züchten
nahmen die Pits auf 1 × 105 cm–2 in dem oberen Teil
des konvexen Teils und auf 5 × 103 cm–2 in dem oberen Teil
des konkaven Teils ab. Es wurde bestätigt, dass ein Versetzungsdichtereduzierungseffekt
in einem Substrat vorhanden war, das bereits eine geringere Versetzung
aufwies.
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Bezugsbeispiel 11
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Der
in Beispiel 9 zubereitete GaN-Kristall wurde als erste Halbleiterschicht
verwendet, und auf dieser wurde eine zweite Halbleiterschicht gezüchtet. Zuerst
wurde ein Photoresist derart angeordnet, dass es ein Muster (Breite:
2 μm, Periode:
6 μm, Streifenrichtung: <1-100> des GaN-Substrats)
auf einem GaN-Kristall bildete (die erste Halbleiterschicht), und
das Substrat wurde mittels einer RIE-Vorrichtung geätzt zur
Bildung eines quadratischen Querschnitts mit einer Tiefe von 2 μm. Das Bilden
des Musters enthielt das Registeranordnen des konkaven Teils der
ersten Halbleiterschicht auf dem konvexen Teil des Substrats. Ein
SiO2-Film wurde in einer Dicke von 0,1 μm auf die
Gesamtheit des Substrats aufgetragen, und das Photoresist und der
darauf aufgetragene SiO2-Film wurden durch
einen Abzieh-Schritt entfernt.
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Anschließend wurde
das Substrat auf eine MOVPE-Vorrichtung gesetzt, und die Temperatur
wurde unter einer Atmosphäre
einer Mischung aus Stickstoff, Wasserstoff und Ammoniak auf 1000°C erhöht. Dann wurden
TMG und Ammoniak als Bestandteile bildende Materialien und Silan
als Dotierungsmittel strömen
gelassen, wodurch eine GaN-Schicht vom N-Typ gezüchtet wurde. Die Zeit des Züchtens entsprach
dann der erforderlichen Zeit zum Züchten von GaN mit einer Dicke
von 4 μm
in einem herkömmlichen
Fall ohne konkav-konvexe Oberfläche.
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Dann
wurden die Pits in dem erhaltenen Film ausgewertet. Als Ergebnis
zeigte sich eine Reduzierung der Anzahl auf 8 × 105 cm–2.
Durch Wiederholung dieses Beispiels bestätigte sich der Erhalt eines
weiteren Effekts einer Reduzierung der Versetzungsdichte.
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Bei
diesem Beispiel wurde ein SiO2-Film an dem
konkaven Teil der ersten Halbleiterschicht gebildet. Selbst wenn
der SiO2-Film nicht gebildet wurde, wurden ähnliche
Ergebnisse erzielt, indem der zweiten Halbleiterschicht eine Dicke
von 2 μm
gegeben wurde.
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Bezugsbeispiel 12
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In
der gleichen Weise wie bei dem oben erwähnten Beispiel 9 wurde eine
Maskenschicht auf dem konkaven Teil eines Substrats ausgebildet,
wurde eine GaN-Niedrigtemperatur-Pufferschicht gezüchtet, wurde
die Temperatur auf 1000°C
erhöht,
und TMG und Ammoniak als Bestandteile bildende Materialien und Silan
als Dotierungsmittel wurden 10 Stunden lang strömen gelassen, um eine GaN-Schicht
vom N-Typ mit einer Dicke von 30 μm
zu züchten.
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Der
erhaltene GaN-Kristall wurde beobachtet. Als Ergebnis zeigte sich
das Auftreten einer leichten Wölbung,
jedoch war der Kristall frei von Rissen und Brüchen, und es wurde eine Spiegelebene
erhalten. Der Querschnitt nach dem Züchten wurde beobachtet. Als
Ergebnis zeigte die Maske auf dem konkaven Teil des Substrats eine
gewisse Spur von Wachstum, jedoch war wie in 7(c) der
konkav-konvexe Teil des Substrats abgedeckt, wodurch der Hohlraum 13 in
dem konkaven Teil belassen wurde, so dass ein flacher GaN-Kristall erhalten
wurde.
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Vergleichsbeispiel 1,
2
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Zum
Vergleich wurden eine GaN-Schicht, die auf einem herkömmlichen
C-Ebenen-Saphirsubstrat
unter den gleichen Züchtungsbedingungen
ausgebildet war (Vergleichsbeispiel 1), und ein GaN-Film, der mittels ELO
unter Verwendung einer SiO2-Maske mit dem
gleichen Muster gezüchtet
war (Vergleichsbeispiel 2), zubereitet.
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Nach
dem Züchten
wurden die Proben aus den Vorrichtungen herausgenommen. Es zeigte
sich, dass die ohne jede Behandlung gezüchtete Probe in kleine Stücke mit
einer Anzahl von Rissen gebrochen war. Die ELO-gezüchtete Probe
war frei von Brüchen,
wies jedoch beträchtliche
Wölbungen
und eine Anzahl von Rissen auf.
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Der
in Beispiel 12 erhaltene GaN-Kristall und der durch ELO-Züchtung in
dem Vergleichsbeispiel 2 erhaltene GaN-Kristall wurden von dem Substrat
getrennt. Die GaN-Kristall-Oberfläche wurde mit einem Wachs mit
der nach unten gerichteten Oberfläche fixiert. Anschließend wurde
das Saphirsubstrat durch Abschleifen entfernt.
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Der
durch ELO-Züchten
in dem Vergleichsbeispiel 2 erhaltene GaN-Kristall war aufgrund
der beträchtlichen
Wölbung
ungeeignet für
ein gleichförmiges
Abschleifen. Nach dem Abschleifen wurde der GaN-Kristall von dem
Wachs gelöst.
Bei der in Beispiel 1 zubereiteten Probe war ein Herausnehmen des
GaN-Kristalls möglich,
die in dem Vergleichsbeispiel 2 durch ELO gezüchtete GaN-Kristall-Probe brach
jedoch in Stücke.
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Bezugsbeispiel 13
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Wie
in 10 gezeigt, wurde der GaN-Kristall, der frei von
der Trennung vom Saphirsubstrat ist, wie er im Beispiel 12 erhalten
wurde, als erste Halbleiterschicht 2a verwendet, und auf
dieser wurde die zweite Halbleiterschicht 2 gezüchtet. Zuerst
wurde ein Photoresist derart angeordnet, dass es ein Muster (Breite:
2 μm, Periode:
6 μm, Streifenrichtung: <1-100> des GaN-Substrats)
auf der ersten GaN-Halbleiterschicht bildete, und das Substrat wurde
mittels einer RIE-Vorrichtung geätzt
zur Bildung eines quadratischen Querschnitts mit einer Tiefe von
2 μm. Das
Bilden des Musters enthielt hier das Ausbilden der ersten Halbleiterschicht,
bei der häufig
eine Versetzung auftrat, als konkaven Teil. Ein SiO2-Film
wurde in einer Dicke von 0,1 μm
auf die Gesamtheit des Substrats aufgetragen, und das Photoresist
und der darauf aufgetragene SiO2-Film wurden durch
einen Abzieh-Schritt
entfernt. Anschließend
wurde das Substrat auf eine MOVPE-Vorrichtung gesetzt, und die Temperatur
wurde unter einer Atmosphäre
einer Mischung aus Stickstoff, Wasserstoff und Ammoniak auf 1000°C erhöht. TMG
und Ammoniak als Bestandteile bildende Materialien und Silan als
Dotierungsmittel wurden strömen
gelassen, wodurch eine GaN-Schicht vom N-Typ gezüchtet wurde. Die Zeit des Züchtens entsprach
dann der erforderlichen Zeit zum Züchten einer 4 μm betragenden
Dicke von GaN in einem herkömmlichen
Fall ohne konkav-konvexe Oberfläche.
Die Probe wurde zum Züchten
in einer HVPE-Vorrichtung platziert, wodurch ein GaN-Kristall mit
einer Gesamt-Filmdicke von 200 μm
erhalten wurde.
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In
der gleichen Weise wie im Beispiel 12 wurde das Saphirsubstrat durch
Abschleifen entfernt, um einen GaN-Kristall zu erhalten. Nach dem
Züchten
wurden die Pits in der Oberfläche
ausgewertet. Als Ergebnis zeigte sich eine Reduzierung der Pits
auf 8 × 105 cm–2. Durch Wiederholung
dieses Beispiels-bestätigte sich die
Möglichkeit
des Erhalts eines hoch qualitativen GaN-Kristalls mit geringer Versetzung.
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Industrielle Anwendbarkeit
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Gemäß der Halbleiterbasis
und dem entsprechenden Herstellungsverfahren, die gemäß der vorliegenden
Erfindung wie oben beschrieben vorgesehen sind, kann durch Bildung
eines konvexen Teils auf einem Substrat ein seitliches Wachstum
bewirkt werden, das dazu geeignet ist, einen Bereich mit geringer
Versetzung an einem Teil zu bilden, bei dem es sich nicht um eine
Maskenschicht handelt. Somit können
Probleme gelöst
werden, die aufgrund der Bildung einer Maskenschicht verursacht
würden,
wie z.B. das Auftreten neuer Defekte in dem Verbindungsteil des
durch seitliches Züchten
gebildeten Teils aufgrund des Mikro-Kippens der Achse, ein Selbstdotierungsproblem,
die Unmöglichkeit
des Bewirkens eines selektiven Wachstums Al-haltiger Halbleitermaterialien und dergleichen.
Nach dem Bilden einer konkav-konvexen Oberfläche auf einem Substrat kann
zudem das Wachstum einer Pufferschicht an einer wachsenden Halbleiterkristallschicht
wie z.B. einem lichtemittierenden Teil etc. sequentiell mittels
eines einzigen Wachstumszyklus erzielt werden, was den Herstellungsvorgang
vorteilhafterweise vereinfacht.
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Kombiniert
mit der verbesserten Reflektivität
durch die Verwendung des Hohlraums und das Phänomen der Restdehnung und dergleichen
ist die vorliegende Erfindung höchst
zweckmäßig für die Verbesserung der
Eigenschaften und in Bezug auf niedrige Kosten. Insbesondere wenn
der Boden des konkaven Teils mit einer Maske bedeckt ist, kann das
Wachstum in dem konkaven Teil unterdrückt werden, wodurch die Effizienz des
seitlichen Wachstums vergrößert wird.
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Gemäß dem Verfahren
zum Herstellen des Halbleiterkristalls kann eine Halbleiterkristallschicht
mit einem großen
Flächenbereich
durch den Effekt des Unterdrückens
der Restdehnung und dergleichen realisiert werden, da der Kontaktbereich
zwischen dem Substrat und der Kristallwachstumsschicht klein ist.
Somit wird mit der vorliegenden Erfindung das Züchten eines großen Flächenbereichs
ermöglicht,
was durch das herkömmliche
Züchten
oder das Dickfilmzüchten
mittels ELO bei Ausbildung einer Maskenschicht nicht erreicht werden
kann. Ferner löst
die Erfindung die Probleme eines durch Mikrokippen der Achse verursachten
Auftretens neuer Defekte in dem Verbindungsteil des durch seitliches
Wachstum gebildeten Teils, und das Selbstdotierungsproblem. Die
vorliegende Erfindung ermöglicht äußerst vorteilhafte
Effekte eines Halbleiterkristalls mit großem Flächenbereich, eine Verbesserung
der Eigenschaften und niedrige Kosten.
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Diese
Anmeldung basiert auf den in Japan eingereichten Patentanmeldungen
Nr. 072133/1999, 335591/1999, 336421/1999 und 353044/1999.