CN101144182A

CN101144182A - 生长氮化镓晶体的方法

Info

Publication number: CN101144182A
Application number: CNA2007101382041A
Authority: CN
Inventors: 弘田龙; 元木健作; 中畑成二; 冈久拓司; 上松康二
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2006-08-02
Filing date: 2007-07-31
Publication date: 2008-03-19
Also published as: TW200827499A; EP1884580A2; JP2008037665A; KR20080012236A

Abstract

根据本发明，一种生长氮化镓晶体的方法，包括步骤：在基底基板(U)上部分地形成掩膜(M)，其抑制晶体的外延生长；通过气相淀积，在上面形成了掩膜(M)的基底基板(U)上外延生长晶体，其中在外延生长晶体的步骤中，晶体是在第一生长条件下生长的，其中以μm/h为单位表述的生长速率Vj和以绝对温度表述的生长温度T被表示为(a₁/T+b₁)＜Vj＜(a₂/T+b₂)，其中使用系数a₁＝－4.39×10⁵，b₁＝3.87×10²，a₂＝－7.36×10⁵和b₂＝7.37×10²。这样，晶体中的位错密度减小。

Description

生长氮化镓晶体的方法

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。

在位错减少方法中，当生长厚的GaN晶体时，所出现的位错缺陷聚集在特定的位置，由此减少了其他区域中的位错缺陷。

形成三维晶面结构，例如倒置六角棱锥凹口(孔)，其由多个晶面平面构成。晶体生长，同时晶面形状保持不变，并且凹口未被填埋。图1(a)和(b)示出了部分晶体4，其中形成了倒置六角棱锥凹口5。晶体4的顶部平面不是完美平坦的，并且在数个位置提供了凹口5。平坦的顶部平面7是C平面。凹口5可以是倒置六角棱锥，或者可以是倒置十二角棱锥。凹口5相互相邻，由此晶面6形成了相互之间的120°角。相邻的晶面6、6在脊线8处相接。其中脊线8会聚的凹口底部9是晶面尖端聚集的部分。

晶体生长发生在平面的法线方向(意味着垂直于平面的射线，下文与此相同)。平均生长方向是向上的。在顶部平面(C平面)7处，晶体生长发生在向上的方向(c轴方向)。在晶面6处，晶体生长发生在对角线方向。晶面6相对于C平面的角度被指定为θ。未被填埋的晶面意味着顶部平面(C平面7)处的生长速率u和晶面6处的生长速率v不相同，并且提供了诸如v＝ucosθ的各向异性。

位错D与晶体的生长方向平行延伸。已处于晶面6上的位错D随着晶体生长的进行移动到脊线8。由于v<u并且晶面处的生长速率比C平面处的生长速率慢，因此到达脊线8处的位错D固定到脊线8，然后沿脊线8相对下降，在凹口底部9处会聚。如图1(b)中所示，自脊线8连续地形成了平面位错聚集部分10。沿脊线8下降的位错D自凹口底部9连续地形成了线状位错聚集束11。

已处于晶面6上的位错D聚集在平面位错聚集部分10或线状位错聚集束11处，从晶面6逐渐地消除位错D。因此，获得了晶面6部分处的低密度的位错。C平面7处的位错D也被朝向晶面6吸引。如果高密度地提供了凹口5，则位错D被扫除到凹口底部9或脊线8下面，由此减少了其他区域中的位错。通过使凹口5保持未被填埋直至生长结束，位错减少效果恒定继续。

图2是示出了利用晶面生长的该位错减少效果的凹口平面视图。在保持晶面6时，生长方向是法线方向，并且位错D也在法线方向中延伸。图2示出了位错的方向，并且生长方向是相同的。在平面视图中投影到在晶面6，位错D延伸的方向是晶面6的梯度方向，其到达脊线8处。到达脊线8处之后，位错D沿脊线8朝向内部移动。“朝向内部移动”意味着其沿脊线8相对下降。尽管位错D实际上仅横向延伸或者略微向上延伸，但是由于v<u，它们相对晶体生长表面相对下降。位错D形成了沿脊线8的平面位错聚集部分10。其他的位错D聚集在会聚点9处(凹口底部)。形成了自凹口底部9开始的连续线状位错聚集束11。

然而，已经发现，其中利用了晶面生长的该方法牵涉到下列问题(1)和(2)。

(1)随着晶体生长变厚并且更多的位错D聚集，位错D趋向于再次分散，并且在由晶面构成的凹口的中心处自线状位错聚集束11以类似烟雾的方式变宽。这是参考图3描述的。图3(a)是晶面凹口的纵向截面视图，其示出了位错D聚集在凹口底部9，以形成线状位错聚集束11(线状缺陷)。图3(b)示出了，从前聚集的位错D再次分散并且以类似烟雾的方式变宽13。类似烟雾变宽的位错13指出了，自凹口底部9开始的连续位错聚集束11在约束位错D方面是差的。

(2)由多个晶面构成的凹口5的中心处的线状位错聚集束11是偶然定位的。其随机分布并且不能预先确定。即，不能控制位错聚集束11的位置。

问题(2)归于如下事实，即晶面凹口5是偶然形成的，并且不能预先确定其将在哪里形成。如同问题(1)，理想的是，形成阻挡层等，其是凝固的，并且不会释放从前聚集的位错D。

为了解决这两个问题，本发明人提出了如下发展方案。本发明人考虑到，由于聚集在倒置六角棱锥凹口5的底部9的位错D未被消除，而是仅驻留在该处，因此发生了如图3(b)所示的类似烟雾变宽的位错13。

这样，本发明人得到了向位错D聚集部分添加位错D消除/累积机制的思想。这在图4(a)和(b)中示出。孤立的点状掩膜23具有抑制外延生长的效果，其被施加在基底基板21上，以便于规则分布。生长发生在暴露部分处。在暴露部分的中心，发生了生长，其中C平面是顶部平面27，并且生长继续进行。晶体24主要生长在暴露部分中。

然而，在具有宽的宽度的掩膜23上，生长几乎不发生。由于生长在暴露部分处进行，因此形成了基部为掩膜末端的晶面26以及作为晶面26的组的晶面凹口25。生长继续直至结束，而晶面凹口25未被填埋。沿晶面26，位错D被扫除并且到达凹口底部29。凹口底部29被定位在紧接掩膜23上面。位错D会聚在掩膜23上面的部分中。位错会聚的部分是晶体缺陷聚集区域H。即，在生长的氮化镓晶体中，在掩膜23上形成的第一晶体区域是晶体缺陷聚集区域H。该晶体缺陷聚集区域H由晶粒界面K和内核S构成，即，区域H＝内核S+晶粒界面K。

通过在基底基板21上面施加掩膜23，产生了由晶粒界面K围绕的晶体缺陷聚集区域H，作为位错D消除/累加机制。即，掩膜23、晶体缺陷聚集区域H(第一晶体区域)、以及凹口底部29沿垂直方向中的一条线对准。掩膜23确定晶体缺陷聚集区域H(第一晶体区域)和凹口25的位置。在生长的氮化镓晶体中的基底基板区域上面的暴露部分上生长的第二晶体区域中，晶面26下面的部分被称为低晶体缺陷区域部分Z，这是因为，相比于其他部分，其晶体缺陷减少。暴露部分上的C平面27下面的部分被称为C平面生长区域部分Y。由于第二晶体区域由低晶体缺陷区域部分Z和C平面生长区域部分Y构成，因此在下文中它们被标为ZY。

氮化镓晶体的位错D会聚在晶体缺陷聚集区域H中。晶体缺陷聚集区域H具有有限的宽度，而且由晶粒界面K围绕。位错D未自晶体缺陷聚集区域H再次分散。晶粒界面K具有消除位错的作用。晶粒界面K的内部是内核S。内核S具有累积和消除位错的作用。重要的是，其中位错D会聚的由晶粒界面K和内核S构成的区域是通过掩膜23主动产生的。随着晶体生长的进行，同时状态从图4(a)转变到图4(b)，位错D不再分散，这是因为它们被约束在晶体缺陷聚集区域H中。不断地保持相同的状态。因此，完全实现了位错D的约束，解决了位错以类似烟雾的方式再次分散的问题。

起初，作为第一晶体区域的晶体缺陷聚集区域H的性质是不清楚的。晶体缺陷聚集区域H不是意义明确确定的。在一个情况中，其可以是多晶区域P。在另一情况中，其可是单晶区域A，其中晶轴相对于除了第一晶体区域以外的晶体区域(即第二晶体区域ZY，下文与此相同)略微倾斜。在该情况中，其未完全用作位错D消除/累积机制。在另一情况中，根本不存在晶体缺陷聚集区域H，并且晶面26在掩膜23上逐渐生长，导致了轻微的凹陷。而且，在该情况中，其未完全用作位错D消除/累积机制。在另一情况中，其是单晶区域J，其中c轴方向相对于第二晶体区域ZY反转。已经发现，该差异可以依赖于生长条件。

最适宜地，作为第一晶体区域的晶体缺陷聚集区域H是在整个掩膜23上面形成的，以便于成为单晶区域J，其中[0001]方向(c轴方向)相对于第二晶体区域ZY反转。在该情况中，在晶体缺陷聚集区域H中，晶向相对于第二晶体区域ZY关于c轴方向反转，并且因此在晶体缺陷聚集区域H周围形成了清楚的晶粒界面K。晶粒界面K具有消除和累积位错D的强大作用。当晶体缺陷聚集区域H是多晶区域P时，单晶区域A(其中晶向略微不同于第二晶体区域ZY的晶向)、或者轻微凹陷、晶粒界面K不是清楚地形成的，并且消除和累积位错D的作用是弱的。

作为第二晶体区域ZY，存在两种类型的单晶区域。在晶面下面生长的部分被称为低晶体缺陷区域部分Z。在C平面下面生长的部分被称为C平面生长区域部分Y。它们均为具有相同晶向并且具有低密度的位错的单晶。然而，它们的电学特性是不同的。C平面生长区域部分Y具有高的电阻，而低晶体缺陷区域部分Z具有低的电阻。

尽管低晶体缺陷区域部分Z和C平面生长区域部分Y均为单晶，其中[0001]方向(c轴方向)向上，晶体缺陷聚集区域H(其是单晶区域J，其中c轴反转)为单晶，其中[000-1]取向(-c轴方向)向上。由于晶向反转，因此在界面H和Z之间稳定地产生了晶粒界面K。由于晶粒界面K具有消除和约束位错D的作用，因此在晶体缺陷聚集区域H和低晶体缺陷区域部分Z之间产生K是有用的特性。在晶粒界面K处，内部和外部区域是相互清楚区分的。

形成作为晶体缺陷聚集区域H的其中c轴方向([0001]方向)反转的区域(被称为取向反转区域J，下文与此相同)，在减小位错密度方面是最有效的。应当注意， “c轴方向反转”意味着：c轴方向相差180°。取向反转区域J还被称为极性反转区域J，这是因为，晶体的c轴方向的极性由于c轴方向的晶向反转而反转。即，在本说明书中，取向反转区域和极性反转区域是相互同义的。本发明人使用该命名的原因在于，GaN的晶体结构是纤锌矿类型，仅具有c轴方向中的极性。如果c轴反转，则极性也反转。

当晶体缺陷聚集区域H是极性反转区域J时，由于极性反转区域J的晶体生长速率是低的，因此晶体缺陷聚集区域H变为凹陷。其可能位于凹口底部或者凹槽中。因此，晶体缺陷聚集区域H可以稳定地呈现在其中聚集了位错的倒置六角棱锥的凹口底部。

在晶体缺陷聚集区域H周围的晶粒界面K处，充分地消除了位错D，并且类似烟雾变宽的位错不再出现。因此可以获得低缺陷密度的氮化镓晶体，其中位错被约束在晶体缺陷聚集区域H及其非常接近的近区中。

其中应出现晶体缺陷聚集区域H的区域可被固定到任意位置。该晶体缺陷聚集区域H并非随机地偶然出现和呈现，而是可以形成在预定的位置。因此，可以产生优良的氮化镓晶体，其中晶体缺陷聚集区域H规则对准。

对于晶体缺陷聚集区域H的形状，存在多种类型。例如，其可以是点状孤立封闭区域。日本专利申请公开No.2003-165799提出了一种氮化镓晶体，其具有晶体缺陷聚集区域H的该配置。

图9A是示出了点状掩膜的一个示例的平面视图。形成了具有孤立的点的掩膜M，其中孤立的点规则地分布在基底平面U上。在暴露部分上面，形成了低缺陷密度的晶体。在所获得的晶体中，每个点状掩膜M上面的部分是晶体缺陷聚集区域H。形成了底部为晶体缺陷聚集区域H的晶面凹口。晶面下面的部分是低晶体缺陷区域部分Z，并且晶面外部的C平面下面的部分是C平面生长区域部分Y。

图6B是在配备有点状掩膜的基底基板U上面生长的GaN晶体的透视图。尽管C平面生长部分Y是大的，但是存在大量的由晶面F构成的棱锥凹口。在点状掩膜上面，形成了凹口。

图9B示出了平面结构，其中自点状掩膜上面生长的GaN晶体移除基底基板U，这样晶体成为基底，并且被抛光以成为平坦基板(晶片)。掩膜上面的部分变为晶体缺陷聚集区域H，低晶体缺陷部分Z和C平面生长区域部分Y围绕在其周围，以形成同心结构(YZH)。

可替换地，晶体缺陷聚集区域H可被形成为平行的条。日本专利申请公开No.2003-183100提出了一种氮化镓晶体，其具有该条状类型的晶体缺陷聚集区域H。图8A中示出了条状掩膜。在基底基板U上，规则地(间距p)形成了大量的平行和线状掩膜(宽度s)。

图6A示出了在其上面生长氮化镓晶体的状态。在暴露部分上形成了由低晶体缺陷区域部分Z形成的峰部。峰部的斜面是晶面F。在掩膜M上，形成了由晶体缺陷聚集区域H形成的的V形槽。图8B示出了所获得的晶片的平面结构，其方法为，在基底基板U上面生长氮化镓晶体，其中在该基底基板U上面形成了条状掩膜，然后从基底基板U移除晶体，使其成为基底并且将其抛光。其具有平行结构HZYZHZYZ...。

图5是用于描述使用条状掩膜的晶面生长方法的示图。将相互平行延伸的掩膜M(条状掩膜)施加在基底基板U上(图5(a))。掩膜M垂直于示图表面延伸。通过气相淀积在基底基板U和掩膜M上生长GaN晶体。尽管在基底基板U上产生和生长了晶核，但是在掩膜M上未形成晶核，并且因此未发生晶体生长。在除了掩膜M以外的部分(暴露部分)中，在c轴方向中形成了GaN晶体(图5(b))。晶体的顶部平面是C平面。起初在掩膜M上面未形成晶体，因此形成了间隔。晶体从两侧接近掩膜的边缘。从掩膜的末端向上延伸的晶体的倾斜平面是晶面F。

随着生长的进一步进行，晶体还生长到掩膜M上面(图5(c))。由于该生长相对其他部分是延迟的，因此该部分是凹陷。掩膜M上的晶体是晶体缺陷聚集区域H，其中c轴方向([0001]方向)相对于第二晶体区域ZY反转。在其上面呈现了具有较小的倾斜的另外的晶面Fa，Fa。它们与图7(c)和(d)中示出的小极性反转晶体Q的顶部平面的倾斜相同。低晶体缺陷区域部分Z在暴露部分上面和晶面F下面生长。C平面生长区域部分Y在暴露部分上面和C平面(顶部平面)下面生长。晶体缺陷聚集区域H和低晶体缺陷区域部分Z之间的界面是晶粒界面K。倾斜不同的晶面F和晶面Fa之间的界面线是晶粒界面K。

由于存在多个平行掩膜M，因此晶体缺陷聚集区域H形成了平行的凹槽。掩膜M之间的部分是低晶体缺陷区域部分Z或C平面生长区域部分Y。Z和Y是平行的峰部。即，在使用条状掩膜时，晶体具有其中平行峰部和凹槽重复的结构。当不存在C平面生长区域部分Y时，显现了尖锐的峰部。当存在C平面生长区域部分Y时，该部分变为平坦的峰部。

当掩膜M是孤立的点状掩膜时，也示出了基本上相似的方式。在该情况中，形成了均由掩膜M周围的晶面F构成的孤立凹口。暴露部分上面和晶面F下面的部分是低晶体缺陷区域部分Z，并且暴露部分上面和C平面下面的部分是C平面生长区域部分Y。应当注意，Z和Y是具有低位错密度的单晶区域，其具有相同的晶向。即，晶体具有如下结构，其中大量的凹口在C平面上对准。尽管在截面视图中示出了相似的状态，但是在点状掩膜的情况中，晶体缺陷聚集区域H是孤立封闭区域。晶面F常常具有{11-22}、{1-101}等平面取向。可以认为，掩膜M是晶体缺陷聚集区域H的晶籽。

掩膜上面的部分是晶体缺陷聚集区域H。晶体缺陷聚集区域H是多晶区域P、单晶区域A(其中晶向相对于其他区域(第二晶体区域ZY)移位)、或者取向反转单晶区域(极性反转区域J)(其中c轴方向([0001]方向)相对于其他区域(第二晶体区域ZY)反转)。还存在如下情况，其中晶体缺陷聚集区域H未在掩膜(O)上形成。即，存在四种类型的在掩膜上面生长的晶体区域，其为O、A、P和J。

当作为第一晶体区域的晶体缺陷聚集区域H是单晶区域J时，其中c轴方向相对于第二晶体区域ZY反转，晶体缺陷聚集区域H的Ga平面和N平面与第二晶体区域ZY的Ga平面和N平面相对。本发明人习惯性地将具有反转的c轴方向的取向反转单晶区域J称为“极性反转区域”。化合物半导体通常是极性晶体，并且具有纤锌矿类型的晶体结构的GaN晶体具有c轴方向上的Ga原子层和N原子层，其以不同的间距交替重叠。因此，其是具有c轴方向上的极性的晶体。作为GaN晶体的第一晶体区域的取向反转单晶区域J具有相对于第二晶体区域ZY反转180°的其c轴方向，并且因此其被称为“极性反转区域”。

晶体缺陷聚集区域H和低晶体缺陷区域部分Z之间的界面是晶粒界面K。晶体缺陷聚集区域H的顶部是更加适度倾斜的晶面Fa。

通过在最初时在基底基板上形成晶籽(掩膜)，确定了形成晶体缺陷聚集区域H(第一晶体区域)的位置。相应地，也确定了形成低晶体缺陷区域部分Z和C平面生长区域部分Y(第二晶体区域ZY)的位置。这意味着，已经克服了前面提及的不能确定晶体缺陷聚集区域H的位置的缺点。

而且，由于取向反转晶体缺陷聚集区域H具有其周围的清楚的晶粒界面K，因此从前会聚的位错不会再次以类似烟雾的方式分散。通过预先在基底基板上形成掩膜，可以控制形成晶体缺陷聚集区域H的位置。

尽管通过掩膜位置可以清楚地实现H、Z和Y结构的定位控制，但是已经发现，存在其中晶体缺陷聚集区域H能够形成清楚的晶粒界面K的情况，也存在其中晶体缺陷聚集区域H不能形成清楚的晶粒界面K的情况。尽管作为第一晶体区域的晶体缺陷聚集区域H是在掩膜上面形成的，但是其并不总是c轴方向旋转180°的取向反转区域(极性反转区域)J。相反地，其可能是多晶区域P。其可以是晶向不同于第二晶体区域ZY的晶向的单晶区域A。可能未形成晶体缺陷聚集区域H(O)。存在四种类型的在掩膜上面生长的晶体区域，其为O、A、P和J。

当掩膜上面形成的作为第一晶体区域的晶体缺陷聚集区域H是多晶区域P时，还存在取向与相邻的低晶体缺陷区域部分Z相似的部分晶体。因此，其之间在晶体结构上不存在差异，并且因此晶粒界面K未清楚地显现。而且，当晶体缺陷聚集区域H是c轴方向相对于第二晶体区域ZY略微倾斜的单晶区域A时，晶体结构是部分相似的，并且晶粒界面K是不清楚的。当晶体缺陷聚集区域H是c轴方向相对于第二晶体区域ZY反转180°的极性反转区域J时，晶粒界面K清楚地显现。在形成极性反转区域J时，在任何部分中，晶体缺陷聚集区域H和围绕的低晶体缺陷区域部分Z在晶格结构上显著不同。因此，该界面变为晶粒界面K。

在没有晶粒界面K的情况下，捕获、消除和累积位错的作用是弱的。因此，特别需要总是在掩膜上形成晶向反转的晶体缺陷聚集区域H，作为第一晶体区域。日本专利申请公开No.2006-66496公开了晶体生长，其中在掩膜上形成极性不同于其他晶体区域的晶体缺陷聚集区域H。然而，其未公开恒定地形成极性反转区域作为晶体缺陷区域H的方法或其条件。本发明的目的在于提供一种可靠的晶体生长方法及其条件，其使掩膜上面形成的晶体缺陷聚集区域H是极性反转区域J，其中c轴方向([0001]方向)相对于第二晶体区域ZY反转180°。

发明内容

最适宜的是，在整个掩膜上形成极性反转区域J，作为晶体缺陷聚集区域H，其是第一晶体区域。如果产生了具有小的极性反转区域J作为晶体缺陷聚集区域H的晶体，则位错再次自除了形成极性反转区域以外的晶体区域(例如，其中晶向相对于第二晶体区域ZY移位的单晶区域A)的位置释放。如果例如，使用由该晶体制造的GaN基板生产蓝紫色激光器，则激光输出将是极差的。为了获得用作有用基板的晶体，本发明的目的在于确保在掩膜上面形成极性反转区域J。当在掩膜上面形成其中c轴方向相对于第二晶体区域ZY反转180°的极性反转区域J时，针对晶体生长方式进行细致的观察。发现了其中c轴反转的极性反转区域J是通过如下工艺在掩膜上形成的。图7示出了该工艺。

1)在基底基板U上形成晶体缺陷聚集区域H的位置处，形成晶籽(掩膜)M，其使用抑制外延生长的材料。晶籽意味着用于晶体缺陷聚集区域H的晶籽，并且其与掩膜M同义使用。图7(a)示出了该状态。尽管仅示出了一个条状掩膜M，但是实际上形成了多个相互平行的掩膜M。

2)在基底基板U上，通过气相淀积生产了氮化镓晶体。由于晶核容易地在基底基板U(暴露部分)上形成，并且不易于在掩膜(覆盖部分)上形成，因此从暴露部分开始晶体生长。获得了其中C平面是顶部平面的晶向。氮化镓晶体的生长进程停止于晶籽(掩膜)的末端(周界)。起初，晶体不会爬到晶籽M上。其确实未爬到晶籽M上，并且确实未横向生长。生成了倾斜平面，其自晶籽(掩膜)的周界向暴露部分侧面对角地向上延伸(图7(b))。这是非C平面的晶面F中的一个晶面。该晶面F常常是{11-22}平面。当条状掩膜是晶籽M时，晶面F在垂直于示图表面的方向中延伸。当其是点状掩膜(孤立的点)时，其是开口(凹口)。由于条状掩膜和点状掩膜之间的方式相似，因此此处仅描述了条状掩膜的情况。

3)自生长停止于晶籽(掩膜)的末端(周界)处的氮化镓晶体的晶面的倾斜平面的末端(掩膜周界侧面上的末端)，产生了形成第一晶体区域H的细晶Q，并且其在水平方向中延伸(图7(c))。该晶体是极性反转晶体Q，其中c轴方向([0001]方向)相对于其他晶体区域(第二晶体区域ZY)反转180°。极性反转晶体Q具有比晶面F更加适度倾斜的平面，并且具有下面的另一倾斜平面。如下文中描述的，极性反转晶体Q在尺寸上增加，以形成极性反转区域J。

4)随着晶体的生长，在晶面F上生成的极性反转晶体Q的数目增加。每个极性反转晶体Q生长并变为掩膜M的每个侧面上的长的柱。极性反转晶体Q自掩膜M的相对侧面延伸，以便于覆盖掩膜M(图7(c)) 。

5)极性反转晶体Q均在上面具有如下晶面Fa，其具有比晶面F小的角度。上晶面Fa是具有小倾斜角度的晶面，其具有诸如{11-2-6}、{11-2-5}等的平面取向。下面的晶面是倾斜更大的平面。

6)极性反转晶体Q在垂直和水平方向中放大，并且极性反转晶体Q的尖端在掩膜M上面相互碰撞并接触。极性反转晶体Q结成一体，以形成桥状部分，如图7(d)中所示。在形成桥状部分之后，在极性反转晶体Q，Q上面生长晶体，其中c轴方向([0001]方向)相似地相对第二晶体区域ZY反转180°(在下文中，该晶体还被称为取向反转晶体)。在下面的间隙中也形成了晶体，其中取向也相似地反转。紧邻掩膜M上面的该部分不是由爬上掩膜M并横向延伸的晶体形成的，而是由自桥状部分向下生长的晶体形成的，极性反转晶体Q在该桥状部分中结成一体。该生长方向与第二晶体区域ZY的晶体生长方向相反。

7)其中极性反转晶体Q，Q碰撞的部分被生长为厚的，保持其之间的晶格失配界面Ka。该界面Ka不同于极性反转晶体Q和相邻的低缺陷单晶区域Z之间的晶粒界面K。极性反转晶体Q变为晶体缺陷聚集区域H。

8)通过将晶体生长为厚的(图7(e))，通过晶面F的倾斜平面的生长，氮化镓晶体中的位错聚集到掩膜M上的晶体缺陷聚集区域H中。在作为晶体缺陷聚集区域H(极性反转晶体Q)和低缺陷单晶区域Z之间的界面的晶粒界面K处，或者在内核S处，部分地消除和减少了聚集的位错。极性反转晶体Q向上延伸，由此形成了晶体缺陷聚集区域H。未被消除的位错被捕获并且累积在晶粒界面K和内核S内部。在晶面F下面，减少位错，以形成低缺陷单晶区域Z。

通过该工艺，形成了作为取向反转区域(极性反转区域J)的晶体缺陷聚集区域H。因此，为了使掩膜M上面的部分成为c轴相对于第二晶体区域ZY反转的部分，最适宜的是，在晶面的整个平面(例如{11-22}平面)上形成如图7(c)所示的极性反转晶体Q。而且，有必要稳定地形成。如果极性反转晶体Q不能稳定地形成在晶面F上，则掩膜M上面的晶体缺陷聚集区域H不能成为所需的取向反转区域。在该情况中，周围区域(第二晶体区域)中的位错不能被吸引和消除。位错将散开，并且将不会形成低缺陷单晶区域部分Z。

当掩膜M简单地形成在基底基板U上并且通过气相淀积生长晶体时，掩膜M上面的部分将不会成功地成为取向反转区域J。不易于稳定地形成极性反转晶体Q，其中晶向在自掩膜边缘对角线延伸的晶面F的整个平面上反转。对于任何晶体的生长，用于使预期的晶向反转的晶体生长条件从未被公开，其不限于GaN晶体或者化合物半导体晶体。

本发明涉及通过晶面生长减少位错，其可被称为晶面生长方法。其与公知的ELO(外延横向过生长)方法截然不同，其是使用掩膜M减少位错的方案。尽管其截然不同，但是本发明的方案有时与ELO方法混淆，这是因为其是使用掩膜减少位错的方案。为了避免该混淆，此处描述了某些差异。

(a)在ELO方法中，覆盖部分面积远大于暴露部分面积(覆盖部分>暴露部分)。应当认识到，掩膜在数个部分处具有开口。在根据本发明的晶面生长方法中，暴露部分大，而覆盖部分小(覆盖部分<暴露部分)。应当认识到，基底基板仅配备有数个掩膜。

(b)在覆盖部分的末端处存在晶体的取向反转区域(极性反转区域)方面，它们是截然不同的。在ELO方法中，在暴露部分处产生的晶体保持取向并且爬上掩膜。即，晶向被保持。其处于相同的晶向。例如，当在掩膜末端处呈现{11-22}晶面时，晶体爬上覆盖部分，同时保持平面和倾斜。而且，在掩膜上面生长继续，同时保持{11-22}平面。因此，不会发生掩膜界面处的取向反转(极性反转)。在根据本发明的晶面生长方法中，在暴露部分处产生的晶体不会爬上掩膜。相反地，在远离覆盖部分的晶面中间产生了极性反转晶体Q，因此其与暴露部分的晶体不是连续的。

(c)在ELO方法中，用于减少位错的晶体生长方向是横向方向。通过允许晶体相对掩膜水平和横向生长，减少了横向生长部分中的穿过位错。然而，在根据本发明的晶面生长方法中，晶体生长方向是厚度方向。通过允许晶体在厚度方向中生长，位错聚集到晶体缺陷聚集区域H中并且减少。它们在晶体生长方向上是不同的。

(d)对于减少位错的工艺，根据ELO方法，在掩膜上获得了低密度的位错。在暴露部分处形成了高位错密度的缺陷区域。相反地，根据晶面生长方法，在暴露部分处形成了具有低位错密度的质量优良的单晶。在掩膜上形成了具有许多缺陷并且具有高位错密度的区域。在形成低位错密度区域和高位错密度区域的部分方面，即覆盖部分或暴露部分，ELO方法和晶面生长方法总体上是相反的。

在本发明中，抑制外延生长的掩膜部分形成在基底基板上，以产生基底基板表面，其中暴露部分和覆盖部分均呈现。通过气相淀积在基底基板上生长氮化镓晶体。这里，本发明额外地包括在掩膜上生成极性反转区域(取向反转区域)J的工艺。氮化镓晶体的气相淀积是缓冲层形成和外延生长。在其之间，本发明额外地包括形成极性反转区域的工艺。即，生长由三个阶段构成，即缓冲层形成、反转区域形成和外延生长。

可以将蓝宝石(0001)单晶基板(蓝宝石单晶基板，其中生长氮化镓晶体的表面是(0001)平面)、Si(111)单晶基板(Si单晶基板，其中生长氮化镓晶体的表面是(111)平面)、SiC(0001)单晶基板(SiC单晶基板，其中生长氮化镓晶体的表面是(0001)平面)、GaN单晶基板、GaAs(111)A平面单晶基板(GaAs单晶基板，其中生长氮化镓晶体的表面是(111)A平面)等用作基底基板。还可以将复合基板(还被称为模板)用作基底基板，其中GaN薄膜生长在蓝宝石基板上。

在基底基板上面形成掩膜(图7(a))。掩膜材料是SiO₂、Pt、W、SiON、SiN等。也可以将其他的材料用作掩膜材料。对于该材料，仅需要在气相淀积的生长条件下具有热化学稳定性，并且能够抑制氮化镓晶体的外延生长。其厚度约为30nm～300nm。示例性的掩膜图案可以是条状类型(M1)，其中多条相互平行的线以恒定的间距(图8A)对准。可替换地，其可以是点状类型(M2)，其中孤立的点规则分散(图9A)。掩膜的施加形成了基底基板表面上的覆盖部分和暴露部分。优选地，覆盖部分小而暴露部分大。

在暴露部分中使用传统的ELO方法或HELO方法可以形成线状或格状细微掩膜，其具有数μm的宽度和数μm的间距。在其中形成了细微掩膜的暴露部分中，晶体横向爬上掩膜，同时保持取向，并且因此不会发生极性反转。尽管该部分中的穿过位错稍有减少，但是由于保持了取向，因此该部分仍可被视为本发明中的暴露部分。

在配备有掩膜的基底基板上，在低温下生长氮化镓晶体，以形成薄的约30nm～200nm的缓冲层。该缓冲层形成温度被表示为Tb。诸如Tb＝400℃～600℃是低温是优选的。缓冲层具有释放基底基板和氮化镓晶体的应力的作用。

在本发明中，用于生成极性反转区域(取向反转区域)的下一晶体生长被称为第一生长。本发明的基本点在于第一生长的生长条件。在氮化镓晶体的第一生长中，晶体生长从暴露部分开始进行，并且接触覆盖部分(掩膜)的部分变为晶面F。在从覆盖部分的末端上升的晶面F的中间，产生了细微的极性反转晶体Q。极性反转晶体Q具有其相对于周围单晶反转180°的取向。极性反转晶体Q从覆盖部分(掩膜)的相对侧面延伸，并且结成一体。晶体进一步在极性反转晶体Q上生长，由此极性反转晶体Q被放大。这累积起来，并且在覆盖部分上也产生晶体。由于覆盖部分上生长的晶体是在极性反转晶体Q上形成的晶体，因此其c轴方向与第二晶体区域ZY的c轴方向相差180°。该极性反转区域J在覆盖部分上向上延伸，同时基本上保持覆盖部分的截面积(比覆盖部分的宽度略窄) (图7(e))。该极性反转区域J是晶体缺陷聚集区域H，其从周围区域(即第二晶体区域ZY)的晶体吸引位错，并且允许位错会聚。

由于位错会聚到掩膜上面的部分，因此该部分被称为晶体缺陷聚集区域H。晶体缺陷聚集区域H是多晶区域P、单晶区域A(其中晶轴相对于其他区域倾斜(应当注意，c轴方向([0001]方向)未完全反转))、以及单晶区域(极性反转区域)J(其中c轴方向相对于其他区域反转)中的一个。在某些情况中，未形成晶体缺陷聚集区域H(O)。

特别地，本发明的特征在于，在掩膜上生长的第一晶体区域是极性反转区域J。晶体缺陷聚集区域H将位错从相邻的暴露部分上面和晶面下面生长的周围的晶体中拉出，并且将其约束在晶体缺陷聚集区域H中。在暴露部分上面和晶面下面生长的晶体变为具有低位错密度的单晶Z。极性反转区域J具有最强的该作用。

在本发明中，已寻找并获得了用于使晶体缺陷聚集区域H成为极性反转区域J的条件。本发明能够在掩膜上总是产生极性反转区域J。

通过阴极发光(CL)可以确定掩膜上的第一晶体区域是三个区域中的哪一个，即晶轴倾斜的单晶区域A、多晶区域P和极性反转区域J。其还可以通过荧光显微镜观察获知。GaN晶体是均匀地基本上透明的，并且因此不能通过裸眼确定。

已经发现，为了稳定地生长作为极性反转区域J的晶体缺陷聚集区域H，其中c轴方向([0001]方向)相对于其他区域(第二晶体区域ZY)反转，晶体缺陷聚集区域H的最初形成阶段的晶体生长条件是重要的。如果未成功地满足最初的晶体生长条件，则在掩膜上面生长的晶体缺陷聚集区域H不能变为极性反转区域J，而是变为多晶区域P或者其中晶轴倾斜(应当注意，c轴方向未反转)的单晶区域A。可替换地，晶面F逐渐覆盖在掩膜上面。这导致了轻微凹陷。对于多晶区域P、晶轴倾斜的单晶区域A、或者凹陷，从其相邻区域(即第二晶体区域)吸引位错由此减少相邻区域中的位错，消除位错和连续地约束未消除的位错的作用是不充分的。极为需要的是，掩膜上面的晶体缺陷聚集区域H变为极性反转区域J。

在上文描述的工艺中，3)、4)、5)和6)对应于极性反转区域J(细微极性反转晶体Q)的最初形成阶段。极性反转晶体Q的生成是重要的。本发明阐明了用于生成极性反转晶体Q和后继的极性反转区域J的条件。即，本发明阐明了生长温度、生长速率、基底基板、掩膜等应是怎样的。

这里，用于生成极性反转晶体Q和极性反转区域J的晶体生长被称为“第一生长”。用于生成极性反转区域J的生长温度被称为“第一生长温度”Tj(℃)。一旦形成了极性反转晶体Q和极性反转区域J，随后执行正常的外延生长，由此获得了厚的晶体。用于生成极性反转区域J的生长时间可以是短的，并且可以约为0.25～2小时，尽管其取决于生长速率。

本发明人进行了许多实验，并且作为结果，发现了第一生长温度Tj＝900℃～990℃使得在整个掩膜M上生成极性反转区域J，并且可以在整个晶体中产生低晶体缺陷区域部分Z。该温度范围传统上被认为不适合于氮化镓的气相淀积。通常认为较高的温度允许生长较高质量的晶体。已经成为常识的是，在1000℃或更高的温度下执行氮化镓的气相淀积。然而，首次发现了，为了确保在整个掩膜上面生成作为本发明的基本点的极性反转区域J,900℃～990℃的相对低的温度的生长条件是适宜的。

而且，本发明人已经发现，当第一生长温度Tj＝920℃～960℃时，在每个生长温度下，即使处于不同的第一生长速率Vj下，仍可以在整个掩膜M上生成极性反转区域J。这允许更加稳定地生成极性反转区域J和低晶体缺陷区域部分Z，并且因此进一步适合于氮化镓晶体的工业制造。

而且，本发明人以有组织的方式进行了许多实验，其中在上文指明的温度范围中包括的和超出该温度范围的每个生长温度下，改变生长速率。结果，实验发现，允许生成极性反转区域J的第一生长条件强烈地还依赖于每个第一生长温度Tj(℃)下的第一生长速率Vj(μm/h)。第一生长温度Tj和第一生长速率Vj协同增效。然后，实验发现，适合于允许生成极性反转区域J的生长条件是由关于Tj和Vj的下式(i)表示的条件范围：

[-439×{1000/(Tj+273.15)}+387]<Vj<[-736×{1000/(Tj+273.15)}+737](i)

由绝对温度T(K)表示Tj(℃)，上式(i)可由下式(ii)表示：

(-4.39×10⁵/T+3.87×10²)<Vj<(-7.36×10⁵/T+7.37×10²) (ii)

式(ii)示出了由图1 0中的两条实线围绕的范围中的生长条件。

如图10中所示，即使对于超过900℃～990℃范围的第一生长温度，如果处于式(ii)表示的生长条件范围中，仍容易地生成了极性反转区域J。生长温度和生长速率协同增效以允许容易地生成极性反转区域J这一事实是由本发明人首次发现的。

最理想的是，极性反转区域J是在前面的第一生长条件下在整个掩膜M上形成的，这是因为，在每个极性反转区域J周围的低晶体缺陷区域部分Z中确保获得了低位错密度。应当注意，即使在极性反转区域J未呈现在整个晶体区域中的掩膜M上，并且其部分地分离或者部分地未生成时，仍可以产生有用的GaN晶体。这是因为，当在大部分掩膜M上面生成极性反转区域J时，存在将位错聚集在生成的极性反转区域J处以约束和消除该位错的功能。因此，仍在大部分晶体中形成了低缺陷单晶区域部分Z，由此显著地减少了晶体中的位错密度。

在氮化镓晶体的第一生长中使NH₃分压P_NH3除以HCl分压P_HC1获得的比应适当地为P_NH3/P_HCl＝3～50。而且，0.05atm(5kPa)≤P_NH3≤0.3atm(30kPa)是适宜的。

氮化镓晶体的第一生长约为0.25～2小时。在掩膜上面形成了极性反转区域J的晶体缺陷聚集区域H，同时在暴露部分上面形成了低晶体缺陷区域部分Z。在某些情况中，在暴露部分的中心部分处形成了C平面生长区域部分Y。在某些情况中，未形成C平面生长区域部分Y。

随后执行外延生长以便于加厚晶体。用于加厚晶体的生长被称为“第二生长”。该生长时间的范围可以是从数十小时、数百小时到数千小时，其取决于预期的晶体厚度。用于加厚晶体的外延生长温度被标为第二生长温度Te。用于厚膜生长的外延生长温度Te优选地至少是990℃，并且更优选地，Te＝1000℃～1200 ℃。

极为需要一种低位错密度和高质量的氮化镓基板。本发明阐明了在晶面生长方法中允许在掩膜上面生成极性反转区域J的条件，其中：在基底基板U上形成掩膜M；执行晶体生长，同时保持晶面F；在掩膜上面形成极性反转区域J；并且使缺陷聚集在极性反转区域J处，由此减少了暴露部分处的晶体中的位错。本发明阐明了用于形成极性反转区域J的条件，由此在掩膜上面形成了稳定的极性反转区域J，并且可以进一步减少暴露部分上的单晶部分的位错，由此可以生长高质量的氮化镓晶体。

通过本发明的下面的详细描述，结合附图，本发明的前面的和其他的目的、特征、方面和优点将变得更加明显。

附图说明

图1是凹口部分的透视图，用于示出，在本发明人在WO99/23693中提出的晶面生长方法中，在不填埋由晶面平面构成的六角棱锥凹口的情况下允许生长时，位错随着生长的进行在晶面法线方向中延伸并且聚集在界面处。图1(a)示出了生长的最初阶段，而图1(b)示出了生长的进行阶段。

图2是凹口部分的平面视图，用于示出，在本发明人在WO99/23693中提出的晶面生长方法中，在不填埋由晶面平面构成的六角棱锥凹口的情况下允许生长时，位错随着生长的进行在晶面法线方向中延伸并且聚集在界面处，以进一步沿界面会聚在凹口的底部。随着生长在法线方向中在晶面处进行，位错也在该方向中前进。

图3是晶面凹口部分的截面视图，用于示出，在本发明人在WO99/23693中提出的晶面生长方法中，从前聚集在凹口底部的位错束再次以类似烟雾的方式散开。图3(a)示出了从前位错聚集在凹口底部以形成位错聚集束的状态，而图3(b)示出了位错自凹口底部分开并且以类似烟雾的方式散开的方式。

图4是凹口和V形槽的纵向截面视图，用于示出，在本发明人在日本专利申请公开No.2001-102307和日本专利申请公开No.2003-165799中提出的使用掩膜的晶面生长方法中，在掩膜上面产生了具有约束位错的作用的晶体缺陷聚集区域H，并且从前捕获的位错将不会分散，并且生长继续。图4(a)示出了通过晶面生长使位错会聚到掩膜上面的缺陷聚集区域H的方式，而图4(b)示出了即使晶面生长进一步进行，仍将位错约束在缺陷聚集区域H中的方式。

图5是示出了晶面生长方法的纵向截面视图，其中将掩膜施加在基底基板上，并且在其上面生长氮化镓晶体。图5(a)示出了在基底基板上形成掩膜的状态。图5(b)示出了如下操作的方式，在生长氮化镓晶体时，晶体仅在暴露部分处生长，并且掩膜上不发生晶体生长，并且出现了自掩膜末端对角线延伸的晶面。图5(c)示出了随着晶体生长的进一步进行，晶体还生长到掩膜上面以形成两段晶面的方式。

图6A是示出了在施加条状掩膜的基底基板上通过晶面生长方法生长的氮化镓晶体的透视图。

图6B是示出了在施加点状掩膜的基底基板上通过晶面生长方法生长的氮化镓晶体的透视图。

图7是关于在生长的最初阶段中，在掩膜上面形成晶体缺陷聚集区域H时，用于使晶体缺陷聚集区域H成为极性反转区域的条件描述的纵向截面视图。图7(a)示出了在基底基板上面提供掩膜的状态。图7(b)示出了如下操作的方式，其中在氮化镓晶体的气相淀积生长中，在暴露部分处发生了晶体生长，而在掩膜上未发生晶体生长，并且产生了末端是掩膜的晶面。图7(c)示出了在晶面处产生极性反转晶体的状态。图7(d)示出了极性反转晶体在掩膜上面结成一体的状态。图7(e)示出了晶向与极性反转晶体相同的晶体在极性反转晶体上面生长的方式。

图8A是示出了基板的平面视图，其中在基底基板上面形成具有恒定间距的相互平行的掩膜。

图8B是示出了通过如下方法获得的晶片的CL图像的平面视图，即，通过晶面生长方法在图8A中示出的基板上面生长晶体，使生长的晶体同基底基板分离，使其经历研磨和抛光以成为平坦的板。

图9A是示出了基板的平面视图，其中在基底基板上面形成具有恒定间距的点状掩膜，以便于获得六重对称性。

图9B是示出了通过如下方法获得的晶片的CL图像的平面视图，即，通过晶面生长方法在图9A中示出的基板上面生长晶体，使生长的晶体同基底基板分离，使其经历研磨和抛光以成为平坦的板。

图10是示出了根据本发明的氮化镓晶体生长方法中的第一生长条件和极性反转区域的生成之间的关系的曲线图。在该曲线图中，纵坐标指出了生长速率Vj(μm/h)，而横坐标指出了1000/T(K^-1)，其是以绝对温度表述的生长温度乘以1000的倒数。在该曲线图中，实心圆表示在整个掩膜上生成了极性反转区域，空心圆表示在大部分掩膜上生成了极性反转区域，而三角形表示在掩膜上略微生成了极性反转区域。

具体实施方式

作为氮化镓晶体的气相淀积生长方法，可以使用氢化物气相外延(HVPE)方法、金属有机化学气相淀积(MOCVD)方法、金属有机氯化物方法、升华方法等。由于HVPE方法实现了最快生长速率和优良的材料产量，允许在当前阶段以低的成本生长GaN晶体，因此寻找在HVPE方法中生成极性反转区域的条件，尽管近来MOCVD方法可以提供超过50μm/h的生长速率，并且因此诸如MOCVD方法的其他的气相淀积方法能够实现相似的晶体生长。

近来，报导了通过诸如熔盐法的液相生长方法的GaN晶体生产方法获得了40μm/h的生长速率，尽管其直径是小的。然而，液相生长方法是由接近热化学平衡状态的状态进行的生长，其生长原理自身不同于气相淀积。因此，条件可能极为不同，并且本发明不适用于液相生长方法。

因此，在示例中，将描述利用HVPE方法的生长。在HVPE方法中，使用了横向热壁类型的反应器(HVPE反应器)。HVPE反应器具有加热器，其在其周围的横向方向中分开，并且其能够在横向方向中自由地形成温度分布。在反应器内部空间中的上游侧，HVPE反应器具有Ga金属船(boat)，其中安置Ga金属。在下游侧，HVPE反应器具有感受器(susceptor)，在其上面安置有样本。

在HVPE反应器中，通常在正常压力(1atm＝100kPa)下执行晶体生长。将Ga金属船加热到至少800 ℃，由此使Ga熔化。在反应器的上游侧提供气体引入管。H₂和HCl的混合气体由气体引入管吹入到反应器中。因此，合成了GaCl。GaCl是气态的，并且其在下游侧移动，以到达附近的加热感受器和样本。在感受器附近，吹送H₂和NH₃的混合气体。GaCl和NH₃之间的反应生成了GaN，其淀积在样本上。

将在基底基板上面形成的掩膜图案仅需要是抑制外延生长的材料。示例性掩膜材料可以是SiO₂、SiON、SiN、Pt、W等。该掩膜变为晶体缺陷聚集区域H的晶籽。GaN的晶向由基底基板确定。掩膜的取向确定了沿掩膜的晶面的平面取向。因此，有必要形成具有相对于基底基板的晶向的恒定关系的掩膜。

示例1(第一生长温度Tj引起的极性反转区域J的形成程度)

1.基底基板(U)

制备了2英寸直径的蓝宝石基板(U1)、GaAs基板(U2)、蓝宝石基板(U3)(在其上面通过MOCVD方法形成了1.5μm厚的GaN外延层)，作为基底基板。蓝宝石基板(U1)是C平面((0001)平面)为主表面的基板。GaAs基板(U2)是(111)A平面(即，Ga平面)作为主表面的基板。GaN/蓝宝石基板(U3)是镜面状的基板，其中在蓝宝石基板的C平面((0001)平面)上形成了GaN层的外延层。该配备有外延层的基板还被称为模板。

2.掩膜图案(M)

在这三种类型的基底基板U1、U2和U3的每一个上面，通过等离子体CVD(化学气相淀积)方法形成1μm厚的SiO₂薄膜。通过光刻和刻蚀，形成了掩膜图案。掩膜图案有两种类型，即条状类型(M1)和点状类型(M2)。

(M1：条状类型掩膜图案：图8A)

在基底基板U上面形成的具有如图8A所示的宽度的平行线状掩膜被称为条状类型(M1)掩膜图案。取向被确定为，条的延伸方向是GaN外延层的<1-100>方向。GaN外延层是在掩膜形成之后淀积的层。另一方面，由于存在基底基板U的取向和在其上面淀积的GaN外延层的取向之间的恒定关系，因此其适合于相对于基底基板U的取向的关系。当在C平面蓝宝石基板(U1)上面生长GaN膜时，取向绕c轴扭曲90°。对于在(111)平面GaAs基板(U2)上面形成的GaN晶体，由于在立方晶体的三重对称平面上生长六角晶体，因此应注意平面取向对应性。在GaN/蓝宝石基板(U3)的GaN外延层上面生长的GaN晶体在与GaN外延层相同的晶向中生长。因此，通过确定与基底基板U相关联的掩膜的纵向方向的取向，可以将掩膜M设定为在随后生长的GaN外延层的<1-100>取向中延伸。

在GaN/蓝宝石基板(U3)的情况中，掩膜延伸方向的取向被确定为平行于GaN晶体的<1-100>方向。在(111)平面GaAs基板(U2)的情况中，掩膜延伸方向的取向被确定为平行于GaAs晶体的<11-2>方向。在蓝宝石基板(U1)的情况中，掩膜延伸方向的取向被确定为平行于蓝宝石晶体的<11-20>方向。

在条状类型(M1)掩膜图案中，条状覆盖部分(SiO₂)的宽度，即s＝30μm，并且条状覆盖部分和暴露部分的重复间距，即p＝300μm。暴露部分也相互平行延伸，并且其宽度，即e＝270μm。即，p＝e+s。间距意指从覆盖部分的中心到相邻的覆盖部分的中心的距离。暴露部分：覆盖部分的面积比是9∶1。

(M2：点状类型掩膜图案：图9A)

均具有特定的直径以规定的间隔对准以形成线的点，被视为一个单元。大量的单元相互平行对准。相对于特定的点行，相邻的点行被形成为，其点呈现在相对于该特定行的点移位半个间距的位置。其是这样的图案，其中点呈现在由无间隙配置的等边三角形构成的图形的顶点处。这在图9A中示出。即，其是六重对称图案。点对准的方向被确定为平行于例如，GaN晶体的<1-100>方向。尽管GaN晶体在此处也是在后面生长的，但是基底基板U的晶向和GaN晶体的晶向具有特定的关系。因此，可以与基底基板U的晶向相关联地确定掩膜图案的方向，由此点线平行于GaN晶体的<1-100>方向。当基底基板是蓝宝石基板(U1)，点被对准为平行于<11-20>方向。当基底基板是GaAs(111)基板(U2)时，点被对准为平行于<11-2>方向。

每个点(覆盖部分)是圆形的，点直径t＝50μm，并且点间距p＝300μm，其是最接近的点的中心之间的距离。连接点的线上的暴露部分的长度，即f＝250μm。具有作为顶点的三个点的单位等边三角形的面积是38971μm²。一个点(覆盖部分)的面积是1963μm²。暴露部分：覆盖部分的面积比是19∶1。

3.第一生长温度(极性反转区域生长温度)Tj

用于生长极性反转区域J的第一生长温度被标为Tj。在本示例中，测试了作为Tj的下列7种类型的温度：Tj₍₁₎＝850℃(1123.15K)、Tj₍₂₎＝900℃(1173.15K)、Tj₍₃₎＝920℃(1193.15K)、Tj₍₄₎＝950℃(1223.15K)、Tj₍₅₎＝970℃(1243.15K)、Tj₍₆₎＝990℃(1263.15K)、Tj₍₇₎＝1150℃(1423.15K)。

4.其他晶体生长条件

在HVPE反应器中，安置上文描述的具有掩膜的基板(六种类型的具有掩膜的基板，其中三种类型的基底基板U1、U2和U3均配备有两种类型的掩膜图案M1和M2)。起初，在约500℃(Tb＝500℃(773.15K))的低温下，NH₃气体分压P_NH3＝0.2atm(20kPa)，而HCl气体分压P_HCl＝2×10^-3atm(0.2kPa)，并且生长时间为15分钟，形成了GaN的缓冲层。该缓冲层的厚度为60nm。

随后，在每个实验中，使基板温度升高到各个第一生长温度Tj₍₁₎～Tj₍₇₎，并且在掩膜上面生长第一晶体区域(极性反转区域J)，在暴露部分上面生长第二晶体区域ZY(图7(b)～(d))。指明了NH₃气体分压P_NH3＝0.2atm(20kPa)，而HCl气体分压P_HCl＝2×10^-2atm(2kPa)。生长时间是60分钟。这样生长的晶体的平均厚度约为70μm。未观察到三种类型的基底基板U1～U3之间的差异。即，晶体生长速率是70μm/h，并且基本上是恒常固定的。

5.用于允许生成极性反转区域的晶体生长

考虑到以前的经验，公知的是，用于获得极性反转区域J的晶体生长示出了如下列段落所述的状态，在极性反转区域J中，c轴方向([0001]方向)相对于除了极性反转区域以外的区域(第二晶体区域ZY)旋转180°。

参考图7给出了描述。图7(a)示出了在基底基板U上面形成掩膜M的状态。如果该掩膜是条状类型掩膜M1或点状类型掩膜M2，则该状态是相似的。此处描述了条状掩膜M1的情况。尽管存在许多平行掩膜，但是仅示出了一个掩膜。

在条状类型掩膜M1的情况中，氮化镓晶体的生长开始于未呈现掩膜M的暴露部分。在不爬上掩膜的情况下，在整个暴露部分上面以薄膜的形式形成了晶体。当生长进一步进行时，形成了倾斜平面，其下端是掩膜末端。该倾斜平面进一步生长，未爬上掩膜，以形成清楚的晶面F(图7(b))。该晶面F具有例如，{11-22}平面取向，尽管其取决于掩膜M的取向。晶体未呈现在掩膜上，并且晶面F，F在掩膜M的两个末端处相互相对。晶面下面的部分是低晶体缺陷区域部分Z。C平面生长区域部分Y呈现在C平面下面的部分。

在形成c轴方向反转180°的极性反转区域J时，在晶面F的倾斜表面的中间产生了粗糙凸起，作为前体(precursor)。这被称为极性反转晶体Q(图7(c))。由于晶面F被形成为相互相对，因此极性反转晶体Q，Q同样被形成为相互相对。极性反转晶体Q是极性反转区域J的晶籽。如果未形成极性反转晶体Q，则后面未形成极性反转区域J。凸起(极性反转晶体Q)的顶部平面形成了同水平面(C平面)之间的约25°～30°的倾斜角。在晶面F上形成的极性反转晶体Q(凸起)是其中c轴方向相对于晶面F下面的相邻区域部分(低晶体缺陷区域Z)反转180°的晶体。由于晶向反转，因此其变为极性反转区域J的晶籽。极性反转晶体Q也生长，并且粗糙凸起放大。然后，自相对晶面F延伸的极性反转晶体Q结成一体(图7(d))。通过使极性反转晶体Q结成一体，如图7(d)所示，掩膜M上面的部分封闭。极性反转晶体Q未与掩膜M接触。它们自晶面F，F横向延伸，并且相互结成一体。

结成一体的部分变为具有相同取向的晶体的晶籽，其在纵向方向中生长。因此，在掩膜M上面，形成了晶向与极性反转晶体Q相同的晶体。由于极性反转晶体Q是c轴方向反转的晶体，因此在其上面形成的晶体缺陷聚集部分H变为极性反转区域J。在掩膜M两侧的暴露部分上，更高的晶体区域(第二晶体区域ZY)已经存在(图7(e))。其平坦表面是C平面，并且其倾斜平面是晶面F。在暴露部分上面形成的第二晶体区域ZY的晶体具有大量的位错，其出现在同基底基板U之间的界面处。该位错随着生长的进行向上延伸。在不填埋晶面同时保持晶面F的情况下，生长继续。

由于晶面F中的晶体的生长方向位于法线方向，因此随着晶体生长，位错也在晶面F的法线方向中延伸。因此，位错延伸的方向垂直向外。其实际上朝向掩膜上面的晶体缺陷聚集区域H延伸。位错到达晶体缺陷聚集区域H并且由此被吸收。由晶体缺陷聚集区域H吸收的位错不再返回到晶面。由于其不返回，因此减少了紧邻晶面下面的晶体区域中的位错。在暴露部分上面生长的第二晶体区域中，晶面下面生长的部分被称为低晶体缺陷区域部分Z。尽管该部分最初同基底基板之间具有大量的位错，但是随着晶面生长，位错被排出到外部，并且在晶体缺陷聚集区域H中累积，由此在该部分中逐渐获得了低位错密度。在GaN晶体的生长中，通过同基底基板的关系确定晶向。因此，在基底基板的暴露部分上面生长的第二晶体区域ZY变为单晶。第二晶体区域ZY中的在晶面下面生长的低晶体缺陷区域部分Z具有低位错密度，并且是单晶，并且因此其也被称为低缺陷单晶区域部分。该晶面生长继续，直至结束。这样，高效地从在暴露部分上面生长的第二晶体区域ZY排除了位错，低晶体缺陷区域部分Z变为质量更加优良的晶体，其具有低位错密度。在某些情况中，除了低晶体缺陷区域部分Z以外，还保留了C平面生长区域部分Y。

另一方面，在某些情况中，未成功地形成作为极性反转区域J的晶体缺陷聚集区域H。可以预见到，极性反转区域J是否生成受到稳定、生长速率、气体流速、基底基板、掩膜材料等等的影响。

(1)在Tj₍₁₎＝850℃(1123.15K)的情况中

基底基板：蓝宝石基板(U1)、GaAs基板(U2)、GaN/蓝宝石基板(U3)

掩膜图案：条状类型掩膜(M1)、点状类型掩膜(M2)

观察结果

M1(条状类型掩膜)：极性反转区域间歇地呈现，类似虚线。

M2(点状类型掩膜)：在大部分点中呈现了极性反转区域。

(2)在Tj₍₂₎＝900℃(11 73.1 5K)的情况中

基底基板：蓝宝石基板(U1)、GaAs基板(U2)、GaN/蓝宝石基板(U3)

掩膜图案：条状类型掩膜(M1)、点状类型掩膜(M2)

观察结果

M1(条状类型掩膜)：极性反转区域连续地呈现。

M2(点状类型掩膜)：在全部点中呈现了极性反转区域。

(3)在Tj₍₃₎＝920℃(1193.15K)的情况中

基底基板：蓝宝石基板(U1)、GaAs基板(U2)、GaN/蓝宝石基板(U3)

掩膜图案：条状类型掩膜(M1)、点状类型掩膜(M2)

观察结果

M1(条状类型掩膜)：极性反转区域连续地呈现。

M2(点状类型掩膜)：在全部点中呈现了极性反转区域。

(4)在Tj₍₄₎＝950℃(1223.15K)的情况中

基底基板：蓝宝石基板(U1)、GaAs基板(U2)、GaN/蓝宝石基板(U3)

掩膜图案：条状类型掩膜(M1)、点状类型掩膜(M2)

观察结果

M1(条状类型掩膜)：极性反转区域连续地呈现。

M2(点状类型掩膜)：在全部点中呈现了极性反转区域。

(5)在Tj₍₅₎＝970℃(1243.15K)的情况中

基底基板：蓝宝石基板(U1)、GaAs基板(U2)、GaN/蓝宝石基板(U3)

掩膜图案：条状类型掩膜(M1)、点状类型掩膜(M2)

观察结果

M1(条状类型掩膜)：极性反转区域连续地呈现。

M2(点状类型掩膜)：在全部点中呈现了极性反转区域。

(6)在Tj₍₆₎＝990℃(1263.1 5K)的情况中

基底基板：蓝宝石基板(U1)、GaAs基板(U2)、GaN/蓝宝石基板(U3)

掩膜图案：条状类型掩膜(M1)、点状类型掩膜(M2)

观察结果

M1(条状类型掩膜)：极性反转区域连续地呈现。

M2(点状类型掩膜)：在全部点中呈现了极性反转区域。

(7)在Tj₍₇₎＝1150℃(1423.15K)的情况中

基底基板：蓝宝石基板(U1)、GaAs基板(U2)、GaN/蓝宝石基板(U3)

掩膜图案：条状类型掩膜(M1)、点状类型掩膜(M2)

观察结果

M1(条状类型掩膜)：仅部分地观察到极性反转区域。

M2(点状类型掩膜)：仅部分地呈现具有极性反转区域的点。

如上文，依赖于第一生长温度Tj，生成了或仅部分地生成了c轴方向反转的极性反转区域J。通过除了温度以外的不同条件检查极性反转区域J的生成。因此发现了，在生长速率固定的情况下(在本示例中，约为70μm/h)，第一生长温度Tj极大地影响是否生成极性反转区域J。

由于在第一生长温度Tj₍₇₎＝1150℃(1423.15K)下，在任何具有条状类型掩膜图案(M1)或点状类型掩膜图案(M2)的基底基板U1～U3中，不能容易地生成极性反转区域J，因此该温度在该生长速率下几乎不被视为适用于极性反转区域的生长温度。在Tj₍₁₎＝850℃(1123.15K)～Tj₍₆₎＝990℃(1263.15K)的第一温度的范围中，在大部分或全部的掩膜图案上面生成了极性反转区域J。因此，可以看到，从850℃到990℃的该140℃的温度范围，至少在本示例的70μm/h的生长速率下，适于用作极性反转区域生长温度。

在Tj₍₂₎＝900℃(1173.15K)～Tj₍₆₎＝990℃(1263.15K)的第一温度的范围中，在全部掩膜图案上面生成了极性反转区域J。因此发现了，温度范围900℃～990℃是更加适于用作极性反转区域生长温度的第一生长温度。

示例2(生长速率Vj引起的差异)

使用与示例1相同的反应器并且改变生长速率，如同示例1，在配备有SiO₂的条状类型掩膜(M1)和点状类型掩膜(M2)的GaAs(111)基板(U2)上，生长氮化镓晶体。检查氮化镓晶体的晶体生长速率Vj同极性反转区域J的形成容易度之间的关系。

在HVPE反应器中，安置上文描述的具有掩膜的基板(两种类型的基板，其中一种类型的基底基板U2配备有两种类型的掩膜图案M1和M2)。起初，在约500℃(Tb＝500℃(773.15K))的低温下，NH3气体分压P_NH3＝0.2atm(20kPa)，而HCl气体分压P_HCl＝2×10^-3atm(0.2kPa)，并且生长时间为15分钟，形成了GaN的缓冲层。该缓冲层的厚度为60nm。

随后，使温度升高，由此第一生长温度(极性反转区域形成温度)Tj＝940℃(1213.15K)，并且在掩膜上面生长第一晶体区域(极性反转区域J)，在暴露部分上面生长第二晶体区域ZY。指明了NH₃气体分压P_NH3＝0.2atm(20kPa)，而HCl气体分压P_HCl改变。通过改变HCl气体分压检查极性反转区域的生成状态如何变化。

HC1气体分压：

P_HCl(1)＝7×10^-3atm(0.7kPa)

P_HCl(2)＝1×10^-2atm(1kPa)

P_HCl(3)＝1.5×10^-2atm(1.5kPa)

P_HCl(4)＝2×10^-2atm(2kPa)

P_HCl(5)＝3×10^-2atm(3kPa)

P_HCl(6)＝4×10^-2atm(4kPa)

在本示例中，尽管NH₃气体分压P_NH3恒处于0.2atm，但是生长速率随着HCl气体分压的改变而改变。当HCl气体分压增加时，生长速率Vj增加。通过改变生长速率，检查极性反转区域J的生成改变的方式。

(1)在P_HCl(1)＝7×10^-3atm(0.7 kPa)的情况中

生长速率Vj₍₁₎＝18μm/h

观察结果

M1(条状类型掩膜)：仅部分地观察到极性反转区域。

M2(点状类型掩膜)：仅部分地呈现具有极性反转区域的点。

(2)在P_HCl(2)＝1×10^-2atm(1kPa)的情况中

生长速率Vj₍₂₎＝32μm/h

观察结果

M1(条状类型掩膜)：极性反转区域间歇地呈现，类似虚线。

M2(点状类型掩膜)：在大部分点中呈现了极性反转区域。

(3)在P_HCl(3)＝1.5×10^-2atm(1.5kPa)的情况中

生长速率Vj₍₃₎＝48μm/h

观察结果

M1(条状类型掩膜)：极性反转区域连续地呈现。

M2(点状类型掩膜)：在全部点中呈现了极性反转区域。

(4)在P_HCl(4)＝2×10^-2atm(2kPa)的情况中

生长速率Vj₍₄₎＝70μm/h

观察结果

M1(条状类型掩膜)：极性反转区域连续地呈现。

M2(点状类型掩膜)：在全部点中呈现了极性反转区域。

(5)在P_HCl(5)＝3×10^-2atm(3kPa)的情况中

生长速率Vj₍₅₎＝102μm/h

观察结果

M1(条状类型掩膜)：极性反转区域连续地呈现。

M2(点状类型掩膜)：在全部点中呈现了极性反转区域。

(6)在P_HCl(6)＝4×10^-2atm(4kPa)的情况中

生长速率Vj₍₆₎＝138μm/h

观察结果

M1(条状类型掩膜)：仅部分地观察到极性反转区域。

M2(点状类型掩膜)：仅部分地呈现具有极性反转区域的点。

由上面的结果，发现通过改变生长速率Vj，改变了c轴方向相对于其他区域(第二晶体区域ZY)反转180°的极性反转区域J(第一晶体区域)的生成状态。当生长速率Vj慢于18μm/h时，在掩膜(条状类型掩膜M1和点状类型掩膜M2)上面不能容易地生成极性反转区域J。而且，当生长速率Vj快于138μm/h时，在掩膜上面不能容易地生成极性反转区域J。

为了在掩膜上面生成极性反转区域J，适当的生长速率Vj为25μm/h～120μm/h。这里，适当的生长速率范围是由顺利地生成极性反转区域时的生长速率值和不能容易地形成极性反转区域时的生长速率值之间的中间值定义的，并且其量是小的。

示例3(不同生长温度下的生长速率Vj引起的差异)

本发明人重复地进行如示例1和2中描述的试验，并且发现了极性反转区域形成的容易度取决于晶体生长温度以及在该晶体生长温度下的晶体生长速率。在下面的示例3以及以下等等示例中，通过在不同于示例2的生长温度下的生长速率Vj，检查极性反转区域J形成的容易度。

使用与示例1相同的反应器，在不同于示例2的生长温度下，并且改变生长速率，在如示例1和2的配备有SiO2的条状类型掩膜(M1)和点状类型掩膜(M2)的GaAs(111)基板(U2)上，生长氮化镓晶体。检查氮化镓晶体的晶体生长速率Vj和极性反转区域J形成的容易度之间的关系。

在HVPE反应器中，安置上文描述的具有掩膜的基板(两种类型的基板，其中一种类型的基底基板U2配备有两种类型的掩膜图案M1和M2)。起初，在约500℃(Tb＝500℃(773.15K))的低温下，NH₃气体分压P_NH3＝0.2atm(20kPa)，而HC1气体分压P_HCl＝2×10^-3atm(0.2kPa)，并且生长时间为15分钟，形成了GaN的缓冲层。该缓冲层的厚度为60nm。

随后，使温度升高，由此第一生长温度(极性反转区域形成温度)Tj＝1030℃(1303.15K)，并且在掩膜上面生长第一晶体区域(极性反转区域J)，在暴露部分上面生长第二晶体区域ZY。指明了NH₃气体分压P_NH3＝0.2atm(20kPa)，而HCl气体分压P_HCl改变。通过改变HCl气体分压检查极性反转区域的生成状态如何变化。

HCl气体分压：

P_HCl(1)＝7×10^-3atm(0.7kPa)

P_HCl(2)＝1×10^-2atm(1kPa)

P_HCl(3)＝1.5×10^-2atm(1.5kPa)

P_HCl(4)＝2×10^-2atm(2kPa)

P_HCl(5)＝4×10^-2atm(4kPa)

P_HCl(6)＝6×10^-2atm(6kPa)

P_HCl(7)＝8×10^-2atm(8kPa)

(1)在P_HCl(1)＝7×10^-3atm(0.7kPa)的情况中

生长速率Vj₍₁₎＝22μm/h

基底基板：GaAs基板(U2)

观察结果

M1(条状类型掩膜)：仅部分地观察到极性反转区域。

M2(点状类型掩膜)：仅部分地呈现具有极性反转区域的点。

(2)在P_HCl(2)＝1×10^-2atm(1kPa)的情况中

生长速率Vj₍₂₎＝38μm/h

基底基板：GaAs基板(U2)

观察结果

M1(条状类型掩膜)：仅部分地观察到极性反转区域。

M2(点状类型掩膜)：仅部分地呈现具有极性反转区域的点。

(3)在P_HCl(3)＝1.5×10^-2atm(1.5kPa)的情况中

生长速率Vj₍₃₎＝62μm/h

基底基板：GaAs基板(U2)

观察结果

M1(条状类型掩膜)：极性反转区域间歇地呈现，类似虚线。

M2(点状类型掩膜)：在大部分点中呈现了极性反转区域。

(4)在P_HCl(4)＝2×10^-2atm(2kPa)的情况中

生长速率Vj₍₄₎＝85μm/h

基底基板：GaAs基板(U2)

观察结果

M1(条状类型掩膜)：极性反转区域间歇地呈现，类似虚线。

M2(点状类型掩膜)：在大部分点中呈现了极性反转区域。

(5)在P_HCl(5)＝4×10^-2atm(4kPa)的情况中

生长速率Vj₍₅₎＝132μm/h

基底基板：GaAs基板(U2)

观察结果

M1(条状类型掩膜)：极性反转区域间歇地呈现，类似虚线。

M2(点状类型掩膜)：在大部分点中呈现了极性反转区域。

(6)在P_HCl(6)＝6×10^-2atm(6kPa)的情况中

生长速率Vj₍₆₎＝158μm/h

基底基板：GaAs基板(U2)

观察结果

M1(条状类型掩膜)：极性反转区域间歇地呈现，类似虚线。

M2(点状类型掩膜)：在大部分点中呈现了极性反转区域。

(7)在P_HCl(7)＝8×10^-2atm(8kPa)的情况中

生长速率Vj₍₇₎＝236μm/h

基底基板：GaAs基板(U2)

观察结果

M1(条状类型掩膜)：仅部分地观察到极性反转区域。

M2(点状类型掩膜)：仅部分地呈现具有极性反转区域的点。

由上文的结果，发现通过改变生长速率Vj，改变了c轴方向相对于其他区域(第二晶体区域ZY)反转180°的极性反转区域J(第一晶体区域)的生成状态。然而，发现在1030℃(1303.15K)的生长温度下，生长速率和极性反转区域J生成的状态之间的关系，不同于940℃(1213.15K) (第二示例)的生长温度下的关系。在本示例中，其中生长温度是高的，当生长速率Vj慢于38μm/h时，在掩膜(条状类型掩膜M1和点状类型掩膜M2)上面不能容易地生成极性反转区域J。相反地，当生长速率Vj是快的时候，甚至在158μm/h下，在掩膜上面大量地生成了极性反转区域J。在230μm/h下，极性反转区域J的生成首次减少。

即，可以估计，当生长温度是1030℃(1303.15K)时，用于生成极性反转区域的适当的生长速率范围为50μm/h～197μm/h。可以确信，相比于其中生长温度是940℃(1213.15K)的情况，该适当的生长速率范围整体地向较高速率移动。

示例4(不同生长温度下的生长速率Vj引起的差异)

在示例3中，在1030℃(1303.15K)的高的温度范围中，获得了在大部分区域中生成极性反转区域J的有效生长速率范围。然而，在示例1和2中，在整个掩膜M上面生成极性反转区域J的温度低于示例3的生长温度。因此，在约940℃(1213.15K)的生长温度Tj下(其在示例2的生长温度附近)，利用生长速率Vj的差异，检查极性反转区域J形成的容易度。

使用与示例1相同的反应器，在不同于示例2的生长温度下，并且改变生长速率，在如示例1和2的配备有SiO₂的条状类型掩膜(M1)和点状类型掩膜(M2)的GaAs(111)基板(U2)上，生长氮化镓晶体。检查氮化镓晶体的晶体生长速率Vj和极性反转区域J形成的容易度之间的关系。

在HVPE反应器中，安置上文描述的具有掩膜的基板(两种类型的基板，其中一种类型的基底基板U2配备有两种类型的掩膜图案M1和M2)。起初，在约500℃(Tb＝500℃(773.15K))的低温下，NH₃气体分压P_NH3＝0.2atm(20kPa)，而HCl气体分压P_HCl＝2×10^-3atm(0.2kPa)，并且生长时间为15分钟，形成了GaN的缓冲层。该缓冲层的厚度为60nm。

随后，使温度升高，由此第一生长温度(极性反转区域形成温度)Tj＝960℃(1233.15K)，并且在掩膜上面生长第一晶体区域(极性反转区域J)，在暴露部分上面生长第二晶体区域ZY。指明了NH₃气体分压P_NH3＝0.2atm(20kPa)，而HCl气体分压P_HCl改变。通过改变HCl气体分压检查极性反转区域的生成状态如何变化。

HCl气体分压：

P_HCl(1)＝7×10^-3atm(0.7kPa)

P_HCl(2)＝1×10^-2atm(1kPa)

P_HCl(3)＝1.5×10^-2atm(1.5kPa)

P_HCl(4)＝2×10^-2atm(2kPa)

P_HCl(5)＝2.5×10^-2atm(2.5kPa)

P_HCl(6)＝3×10^-2atm(3kPa)

P_HCl(7)＝4×10^-2atm(4kPa)

(1)在P_HCl(1)＝7×10^-3atm(0.7 kPa)的情况中

生长速率Vj₍₁₎＝20μm/h

基底基板：GaAs基板(U2)

观察结果

M1(条状类型掩膜)：仅部分地观察到极性反转区域。

M2(点状类型掩膜)：仅部分地呈现具有极性反转区域的点。

(2)在P_HCl(2)＝1×10^-2atm(1kPa)的情况中

生长速率Vj₍₂₎＝28μm/h

基底基板：GaAs基板(U2)

观察结果

M1(条状类型掩膜)：仅部分地观察到极性反转区域。

M2(点状类型掩膜)：仅部分地呈现具有极性反转区域的点。

(3)在P_HCl(3)＝1.5×10^-2atm(1.5kPa)的情况中

生长速率Vj₍₃₎＝42μm/h

基底基板：GaAs基板(U2)

观察结果

M1(条状类型掩膜)：极性反转区域间歇地呈现，类似虚线。

M2(点状类型掩膜)：在大部分点中呈现了极性反转区域。

(4)在P_HCl(4)＝2×10^-2atm(2kPa)的情况中

生长速率Vj₍₄₎＝65μm/h

基底基板：GaAs基板(U2)

观察结果

M1(条状类型掩膜)：极性反转区域连续地呈现。

M2(点状类型掩膜)：在全部点中呈现了极性反转区域。

(5)在P_HCl(5)＝2.5×10^-2atm(2.5kPa)的情况中

生长速率Vj₍₅₎＝110μm/h

基底基板：GaAs基板(U2)

观察结果

M1(条状类型掩膜)：极性反转区域连续地呈现。

M2(点状类型掩膜)：在全部点中呈现了极性反转区域。

(6)在P_HCl(6)＝3×10^-2atm(3kPa)的情况中

生长速率Vj₍₆₎＝130μm/h

基底基板：GaAs基板(U2)

观察结果

M1(条状类型掩膜)：极性反转区域间歇地呈现，类似虚线。

M2(点状类型掩膜)：在大部分点中呈现了极性反转区域。

(7)在P_HCl(7)＝4×10^-2atm(4kPa)的情况中

生长速率Vj₍₇₎＝150μm/h

基底基板：GaAs基板(U2)

观察结果

M1(条状类型掩膜)：仅部分地观察到极性反转区域。

M2(点状类型掩膜)：仅部分地呈现具有极性反转区域的点。

由上文的结果，再次发现通过改变生长速率Vj，改变了c轴方向相对于其他区域(第二晶体区域ZY)反转180°的极性反转区域J的生成状态。

然而，发现了关于生长速率Vj的极性反转区域J生成状态不同于生长温度Tj为940℃(1213.15K)的生成状态。在本示例中，生长温度Tj比示例2高20℃，在42μm/h的生长速率下，在大部分区域中生成了极性反转区域，在慢于28μm/h的生长速率下，在掩膜(条状类型掩膜M1和点状类型掩膜M2)上不能容易地生成极性反转区域J。相反地，当生长速率Vj是快的时候，甚至在Vj₍₆₎＝130μm/h时，在掩膜上面大量地生成了极性反转区域J。在Vj₍₇₎＝150μm/h的生长速率下，极性反转区域J的生成首次减少。

即，可以认为，当生长温度Tj是960℃(1233.15K)时，用于生成极性反转区域的适当的生长速率范围为35μm/h～140μm/h。这里，适当的生长速率范围是由在大部分掩膜M上面生成极性反转区域时的生长速率值和在大部分掩膜M上面不能容易地形成极性反转区域时的生长速率值之间的中间值定义的。可以确信，相比于其中生长温度是940℃的情况，该适当的生长速率范围整体地向较高速率移动。

而且，由于极性反转区域是在生长速率Vj₍₄₎＝65μm/h和生长速率Vj₍₅₎＝110μm/h下在整个掩膜上面生成的，因此可以确信，相比于Tj＝1030℃(1303.15K)的第一生长温度的情况，本示例的温度允许更加容易地生成极性反转区域。

示例5(不同生长温度下的生长速率Vj引起的差异)

出于与示例4相同的目的，在920℃(1193.15K)的第一生长温度Tj下，利用生长速率Vj，详细地检查极性反转区域J形成的容易度。

在HVPE反应器中，安置上文描述的具有掩膜的基板(U2；M1，M2)。起初，在约500℃(Tb＝500℃(773.15K))的低温下，NH₃气体分压P_NH3＝0.2atm(20kPa)，而HCl气体分压P_HCl＝2×10^-3atm(0.2kPa)，并且生长时间为15分钟，形成了GaN的缓冲层。该缓冲层的厚度为60nm。

随后，使温度升高，由此第一生长温度(极性反转区域形成温度)Tj＝920℃(1193.15K)，并且在掩膜上面生长第一晶体区域(极性反转区域J)，在暴露部分上面生长第二晶体区域ZY。指明了NH₃气体分压P_NH3＝0.2atm(20kPa)，而HCl气体分压P_HCl改变。通过改变HCl气体分压检查极性反转区域的生成状态如何变化。

HCl气体分压：

P_HCl(1)＝7×10^-3atm(0.7 kPa)

P_HCl(2)＝1×10^-2atm(1kPa)

P_HCl(3)＝1.5×10^-2atm(1.5kPa)

P_HCl(4)＝2×10^-2atm(2kPa)

P_HCl(5)＝4×10^-2atm(4kPa)

P_HCl(6)＝5×10^-2atm(5kPa)

尽管NH₃气体分压P_NH3恒处于0.2atm，但是生长速率随着HCl气体分压的改变而改变。当HCl气体分压增加时，生长速率Vj增加。通过改变生长速率，检查极性反转区域J的生成改变的方式。

(1)在P_Hcl(1)＝7×10^-3atm(0.7kPa)的情况中

生长速率Vj₍₁₎＝14μm/h

基底基板：GaAs基板(U2)

观察结果

M1(条状类型掩膜)：仅部分地观察到极性反转区域。

M2(点状类型掩膜)：仅部分地呈现具有极性反转区域的点。

(2)在P_HCl(2)＝1×10^-2atm(1kPa)的情况中

生长速率Vj₍₂₎＝36μm/h

基底基板：GaAs基板(U2)

观察结果

M1(条状类型掩膜)：极性反转区域连续地呈现。

M2(点状类型掩膜)：在全部点中呈现了极性反转区域。

(3)在P_HCl(3)＝1.5×10^-2atm(1.5kPa)的情况中

生长速率Vj₍₃₎＝55μm/h

基底基板：GaAs基板(U2)

观察结果

M1(条状类型掩膜)：极性反转区域连续地呈现。

M2(点状类型掩膜)：在全部点中呈现了极性反转区域。

(4)在P_HCl(4)＝2×10^-2atm(2kPa)的情况中

生长速率Vj₍₄₎＝75μm/h

基底基板：GaAs基板(U2)

观察结果

M1(条状类型掩膜)：极性反转区域连续地呈现。

M2(点状类型掩膜)：在全部点中呈现了极性反转区域。

(5)在P_Hcl(5)＝4×10^-2atm(4 kPa)的情况中

生长速率Vj₍₅₎＝110μm/h

基底基板：GaAs基板(U2)

观察结果

M1(条状类型掩膜)：极性反转区域间歇地呈现，类似虚线。

M2(点状类型掩膜)：在大部分点中呈现了极性反转区域。

(6)在P_HCl(6)＝5×10^-2atm(5kPa)的情况中

生长速率Vj₍₆₎＝130μm/h

基底基板：GaAs基板(U2)

观察结果

M1(条状类型掩膜)：仅部分地观察到极性反转区域。

M2(点状类型掩膜)：仅部分地呈现具有极性反转区域的点。

由上文的结果，再次发现通过改变生长速率Vj，改变了c轴方向相对于其他区域(第二晶体区域ZY)反转180°的极性反转区域J的生成状态。而且，发现了关于生长速率Vj的极性反转区域J生成状态不同于生长温度Tj为940℃(1213.15K)的生成状态。在本示例中，生长温度Tj比示例2低20℃，在36μm/h的生长速率Vj下，在整个掩膜上面生成了极性反转区域，在14μm/h下，在掩膜(条状类型掩膜M1和点状类型掩膜M2)上面不能容易地生成极性反转区域J。当生长速率Vj是快的时候，在高达110μm/h时，在掩膜上面大量地生成了极性反转区域J，并且在130μm/h下，极性反转区域J的生成减少。

即，可以估计，当生长温度Tj是920℃(1233.15K)时，用于生成极性反转区域的适当的生长速率范围为25μm/h～120μm/h。这里，适当的生长速率范围是由在大部分掩膜M上面生成极性反转区域时的生长速率值和在大部分掩膜M上面不能容易地形成极性反转区域时的生长速率值之间的中间值定义的。可以确信，相比于其中生长温度是940℃(1213.15K)的情况，该适当的生长速率范围整体地向较高速率移动。

而且，由于极性反转区域是在生长速率Vj分别为36μm/h、55μm/h和75μm/h的三个示例中，在整个掩膜上面生成的，因此可以确信，相比于Tj＝1030℃(1303.15K)的情况，更加容易地生成了极性反转区域。

对于示例1～5中的GaN晶体生长，在图10的曲线图中总结了第一生长条件(晶体生长温度和晶体生长速率)和极性反转区域的生成之间的关系。在图10中，纵坐标指出了生长速率Vj(μm/h)，而横坐标指出了1000/T(K^-1)，其是以绝对温度表述的生长温度T乘以1000的倒数。在图10中，实心圆表示在整个掩膜上面生成了极性反转区域，空心圆表示在大部分掩膜上面生成了极性反转区域，而三角形表示在掩膜上面略微生成了极性反转区域。在图10的曲线图中，基于示例1～5的结果，实线表示上限线和下限线，在其之间容易地生成了极性反转区域J。这里，下限线L1由Vj＝(-4.39×10⁵/T+3.87×10²)表示，而上限线L2由Vj＝(-7.36×10⁵/T+7.37×10²)表示。因此，容易地形成极性反转区域的第一生长条件由下式(ii)表示：

(-4.39×10⁵/T+3.87×10²)<Vj<(-7.36×10⁵/T+7.37×10²) (ii)

参考图10，可以看到，在第一生长条件中，当以摄氏度表述的生长温度Tj是900℃～990℃时，在整个掩膜上面容易地生成了极性反转区域。因此，优选的是，以摄氏度表述的第一生长条件的生长温度Tj是900℃～990℃。而且，出于相同的视点，更优选的是，以摄氏度表述的第一生长条件的生长温度Tj是920℃～960℃。

示例6(极性反转区域形成之后的厚的晶体的生长)

根据示例1执行第一生长，以形成极性反转区域。随后，执行第二生长(用于增加GaN晶体厚度的生长)，以生长厚的GaN膜。使用与示例1相同的反应器。将蓝宝石(0001)单晶基板用作基底基板。

对于掩膜，产生了条状类型掩膜M1(图8A)和点状类型掩膜M2(图9A)。制备了分别配备有两种类型的掩膜的基底基板。在每个基底基板上，执行缓冲层生长和第一生长。

在HVPE反应器中，安置上文描述的具有掩膜的基板。起初，在约500℃(Tb)的低温下，NH₃气体分压P_NH3＝0.2atm(20kPa)，而HCl气体分压P_HCl＝2×10^-3atm(0.2kPa)，并且生长时间为15分钟，形成了GaN的缓冲层。P_NH3/P_HCl＝100。该缓冲层的厚度为60nm。

随后，使温度升高并且生成极性反转区域，其中第一生长温度Tj＝950℃(1223.15K)。指明了NH₃气体分压P_NH3＝0.2atm(20kPa)，而HCl气体分压P_HCl＝2×10^-2atm(2kPa)。P_NH3/P_HCl＝10。第一生长的周期是45分钟。

在用于生成极性反转区域的生长之后，随后在正常的条件下外延生长GaN晶体。这是第二生长，其中第二生长温度Te＝1050℃(1323.15K)。指明了NH₃气体分压P_NH3＝0.2atm(20kPa)，而HCl气体分压P_HCl＝3×10^-2atm(3kPa)。P_NH3/P_HCl＝6.7。第二生长的周期是15小时。将样本冷却并从反应器中取出。获得了1.5mm厚的GaN晶体。

使用立体显微镜和SEM观察生长的GaN晶体。对于点状类型掩膜，对应于点的部分是凹陷。对于条状类型掩膜，对应于掩膜的部分凹陷。掩膜图案和凹陷位置准确地相互对应。凹陷由晶面平面构成。在凹陷的底部，呈现了倾斜角比上晶面小的晶面。

通过研磨加工移除蓝宝石基板，以留下GaN晶体。使该表面进一步经历研磨加工和抛光加工，并且获得了具有平坦表面的GaN基板。

通过光学显微镜和阴极发光(CL)察看抛光之后的平坦的GaN基板的表面。

发现在使用条状类型掩膜(M1)生长的晶体基板中，呈现了宽度为20μm并且以300μm的规则的间距相互平行的线状凹陷。该凹陷归属于显现在该表面上的{11-2-6}平面，由此可以确信，生成了晶体缺陷聚集区域H，并且晶体缺陷聚集区域H是极性反转区域J。

而且，在使用点状类型掩膜(M2)生长的晶体基板中，在间距为300μm的六重对称位置生成了直径约为30μm～40μm的凹陷。它们恰好对应于掩膜位置。如图9B中所示，晶体缺陷聚集区域H，低缺陷单晶区域Z和C平面生长区域Y形成了晶体缺陷聚集区域H周围的共轴结构。

在CL图像观察中，暴露在基板表面上的穿过位错显现为深色斑点。通过CL观察可以测量穿过位错的密度。在晶体缺陷聚集区域H中，穿过位错密度是高的，并且约为10⁷cm^-2～10⁸cm^-2。在晶体缺陷聚集区域H之间的低晶体缺陷区域部分Z中，穿过位错密度是低的，并且约为1×10⁵cm^-2。因此，在相邻的晶体缺陷聚集区域H之间，形成了低晶体缺陷区域部分Z，其中穿过位错密度是足够低的。其是具有异质组分的基板。

在低晶体缺陷区域部分Z处可以生产激光器器件。因此制造了具有低晶体缺陷密度的氮化镓基板，通过其可以生产高质量的激光器器件。在该基板中，尽管位错密度不是均匀低的，而在某些区域(晶体缺陷聚集区域H)中是高的，但是呈现了宽的低晶体缺陷区域部分Z。因此，该基板可良好地用于生产器件。

尽管详细地描述和说明了本发明，但是应清楚地理解，其仅作为说明和示例，不应被当作限制，本发明的精神和范围仅由所附权利要求的术语来限定。

Claims

1.一种生长氮化镓晶体的方法，包括步骤：

在基底基板(U)上部分地形成掩膜(M)，其抑制氮化镓晶体的外延生长，以提供由所述掩膜(M)覆盖的覆盖部分和未由所述掩膜(M)覆盖的暴露部分；以及

通过气相淀积，在其上形成了所述掩膜(M)的所述基底基板(U)上外延生长所述晶体，其中

在所述的外延生长所述晶体的步骤中，所述晶体是在第一生长条件下生长的，其中，以μm/h为单位表述的生长速率Vj和以绝对温度表述的生长温度T被表示为

(a₁/T+b₁)＜Vj＜(a₂/T+b₂)

其中使用系数a₁＝-4.39×10⁵，b₁＝3.87×10²，a₂＝-7.36×10⁵和b₂＝7.37×10²，

由此，所述晶体在所述暴露部分上生长，在所述暴露部分上面的所述晶体处形成了多个晶面(F)，其末端是所述掩膜(M)的周界，在保持所述晶面(F)的情况下生长所述晶体，在相互相对的所述晶面(F)上面生长第一晶体区域，所述掩膜(M)置于所述相互相对的所述晶面(F)之间，以便于使所述第一晶体区域在所述掩膜(M)上方结成一体，并且被形成为覆盖所述掩膜(M)，并且

所述第一晶体区域的c轴方向相对于所述暴露部分上生长的第二晶体区域反转。

2.如权利要求1所述的生长氮化镓晶体的方法，其中

在所述的外延生长所述晶体的步骤中，在所述第一生长条件下生长所述晶体，并且在至少990℃的第二生长条件下，在保持所述晶面(F)的情况下进一步生长所述晶体，由此，在所述晶面(F)下面形成了所述第二晶体区域的低晶体缺陷区域部分(Z)，并且随着所述晶体的生长，所述低晶体缺陷区域部分(Z)中的位错减少。

3.如权利要求2所述的生长氮化镓晶体的方法，其中

所述第二生长条件是1000℃～1200℃。

4.如权利要求1所述的生长氮化镓晶体的方法，其中

所述第一生长条件是进一步由900℃～990℃的摄氏度表述的生长温度Tj。

5.如权利要求4所述的生长氮化镓晶体的方法，其中

6.如权利要求5所述的生长氮化镓晶体的方法，其中

所述第二生长条件是1000℃～1200℃。

7.如权利要求1所述的生长氮化镓晶体的方法，其中

所述第一生长条件是进一步由920℃～960℃的摄氏度表述的生长温度Tj。

8.如权利要求1～7之一所述的生长氮化镓晶体的方法，进一步包括步骤：

在向所述基底基板(U)提供所述覆盖部分和所述暴露部分的步骤之后，并且在所述的外延生长所述晶体的步骤之前，在400℃～600℃的低温下，在所述暴露部分上面提供厚度为30nm～200nm的缓冲层。

9.如权利要求1～7之一所述的生长氮化镓晶体的方法，其中

所述基底基板(U)是下述基板中的一个：蓝宝石单晶基板、Si单晶基板、SiC单晶基板、GaN单晶基板、GaAs单晶基板、表面上形成有GaN薄膜的蓝宝石单晶基板。

10.如权利要求1～7之一所述的生长氮化镓晶体的方法，其中

通过氢化物气相外延方法来执行所述的外延生长所述晶体的步骤。