[发明专利]制造第III族氮化物半导体单晶的方法及制造GaN衬底的方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于制造第III族氮化物半导体单晶的方法及用于制造GaN衬底的方法。更具体地，所述发明涉及用于制造第III族氮化物半导体单晶的方法及用于制造GaN衬底的方法，所述方法使用熔剂法。

背景技术

已知多种用于制造半导体晶体的方法，并且这些方法的示例包括气相生长法如金属有机化学气相沉积(MOCVD)和氢化物气相外延(HVPE)、分子束外延(MBE)以及液相外延(LPE)。一种液相外延技术是使用Na熔剂的熔剂法。在Na熔剂法中，为了生长GaN晶体，Na(钠)和Ga(镓)的熔融混合物在约800℃和数十个大气压下与氮反应。

在Na熔剂法中，通常使用籽晶。在所述方法中使用的籽晶的示例包括GaN衬底和所谓的模板衬底，该模板衬底由蓝宝石衬底和通过HVPE或类似技术形成于其上的GaN层组成。专利文献1公开了作为籽晶的由底部衬底和形成于其上的底层膜组成的模板衬底的用途。模板衬底的底部衬底由蓝宝石或类似材料制成，以及底层膜由GaN、AlN、AlGaN、GaN/AlN等形成。

专利文献2公开了包括将C(碳)添加到熔融混合物的Ng熔剂法。通过添加碳，防止了杂晶的产生并且提高了氮溶解度。但是，没有详细说明其过程。

专利文献1：日本公开特许公报(kokai)No.2006-131454

专利文献2：日本公开特许公报(kokai)No.2011-132110

Na熔剂法的缺点在于：在晶体生长的开始到熔融混合物的氮浓度达到过饱和水平的时刻的时间段期间，GaN籽晶熔化(即，经历回熔)。当回熔发生时，温度分布曲线以及熔融混合物的组成改变，并且籽晶的表面未能具有均匀的厚度。具体地，在将碳添加到熔融混合物的情况下，GaN籽晶更容易经历回熔，并且局部进行蚀刻，从而显著地削弱表面平坦度，这是有问题的。当模板衬底用作籽晶时，在一些情况下，模板衬底部分经历回熔，并且露出蓝宝石衬底表面的一部分。在露出区域上，GaN不能够生长。

为了避免回熔的影响，形成于蓝宝石衬底上的GaN的厚度通常被调整到5μm至30μm厚。但是，形成这样厚的GaN层需要长的时间段，从而削弱了模板衬底生产率。诚然，厚的GaN层的形成避免了如下问题，即由于通过回熔露出蓝宝石衬底而提供了GaN非生长区域。但是，籽晶表面未能具有均匀的厚度。因此，不能够获得GaN的均匀的晶体生长。

专利文献1公开，为了在GaN的晶体生长期间抑制回熔，操作温度维持在比生长温度低的水平，并且之后温度提高到生长温度。但是，当生长温度降低时，形成了不期望的杂晶。专利文献1也公开了不仅在GaN的情况下而且在AlN的情况下发生回熔。因此，在AlGaN的情况下也可能发生回熔。

但是，与根据专利文献1估计的AlGaN的可能的回熔相比，本发明人发现在AlGaN的情况下没有发生显著的回熔，并且籽晶的回熔的量被抑制到500nm或更小。本发明人已经发现可以通过将籽晶的回熔的量降低到500nm或更小来显著地提高形成于籽晶上的晶体的品质。

同时，在通过熔剂法在底层(underlayer)上生长GaN单晶的情况下，GaN单晶的晶体特性源自底层的晶体特性。即，待形成的单晶的位错密度源自底层。在专利文献1中公开的生长的情况下，该特征相同。在这样的情况下，GaN单晶的位错密度是约1×10⁶/cm²，并且更小的位错密度是优选的。例如，1×10⁵/cm²或更小的位错密度是优选的。因此，为了制造具有较小位错密度的GaN单晶，必须在GaN单晶的生长期间显著地降低位错密度。

同时，当通过熔剂法生长GaN单晶时，底层经历回熔。通常，已经经历回熔的底层的表面不平坦并且具有不规则结构。在半导体单晶的随后的生长中，一些位错弯曲，结果，从不规则结构延伸的位错减少。尽管回熔能够减少一部分位错，但是，减少的影响不明显。由于回熔以不均匀的方式发生，因此在减少整个晶片的位错方面遇到了难题。

发明内容

为了克服常规技术中含有的前述缺点，设想出了本发明。因此，本发明的一个目的是提供一种用于制造具有优异的结晶度的第III族氮化物半导体单晶的方法，所述方法包括控制回熔。本发明的另一目的是提供一种用于制造具有优异的结晶度的GaN衬底的方法，所述方法包括控制回熔。

在本发明的第一方面，提供了一种用于制造第III族氮化物半导体单晶的方法，所述方法包括：