CN101421443A - Ⅲ族氮化物晶体的制造方法、ⅲ族氮化物晶体衬底及ⅲ族氮化物半导体器件 - Google Patents

Ⅲ族氮化物晶体的制造方法、ⅲ族氮化物晶体衬底及ⅲ族氮化物半导体器件 Download PDF

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Abstract

本发明提供了体III族氮化物晶体的制造方法，由此至少表面的位错密度普遍较低。当前的III族氮化物晶体制造方法包括：制备包含III族氮化物籽晶的下衬底(1)的步骤，III族氮化物籽晶具有基体(1s)和反转域(1t)，在反转域中，<0001>方向的极性相对于基体(1s)而被反转；通过液相法而在衬底(1)的基体(1s)和反转域(1t)上生长III族氮化物晶体(10)的步骤；其特征在于，第一区域(10s)覆盖第二区域(10t)，其中，在第一区域(10s)中，生长到基体(1s)上的III族氮化物晶体(10)的生长速率较大，在第二区域(10t)中，生长到反转域(1t)上的III族氮化物晶体(10)的生长速率较小。

Description

Ⅲ族氮化物晶体的制造方法、Ⅲ族氮化物晶体衬底及Ⅲ族氮化物半导体器件
技术领域
本发明涉及低位错密度的III族氮化物晶体的制造方法、通过该制造方法得到的III族氮化物晶体衬底和包含III族氮化物晶体衬底的III族氮化物半导体器件。
背景技术
III族氮化物晶体应用在发光器件——比如发光二极管(LED)和激光二极管(LD)、电子器件——比如整流器、双极晶体管、场效应晶体管和高电子迁移率晶体管(HEMT)、半导体传感器——比如温度传感器、压力传感器、辐射传感器和可见盲紫外探测器、表面弹性波器件(SAW器件)、加速度传感器、微机电系统部件(MEMS部件)、压电振动子、共振器和压电致动器中。为了改进各种器件的性能特性，在应用到这些部件中之后，寻求位错密度低的III族氮化物晶体。
制造III族氮化物晶体以使其具有低位错密度的推荐方法包括以下方法。日本专利申请特开2003-183100号公布(下文中称作“专利文献1”)公开了一种晶面生长方法，在该晶面生长方法中，被构图成规则的带的掩模被设置在下衬底上，并在形成多晶面的、直线状V凹槽并保持该凹槽的同时在该掩模的顶上气相沉积GaN晶体，并由此GaN晶体内的位错被聚集在V凹槽的正下方(位错集中的区域被称作“晶体缺陷聚集区域”)，从而降低了周围的位错密度。
采用专利文献1的前述的晶面生长方法，除晶体缺陷聚集区域以外的区域的位错密度可以被降低到1×105cm-2的水平，而晶体缺陷聚集区域的位错密度将是高的。此外，在这样的缺陷聚集区域中，沿着<0001>方向的极性通常相对于除聚集缺陷的区域以为的晶体区域反转。将III族氮化物半导体层外延生长到通过晶面生长而得到的GaN晶体衬底上的随后的挑战意指低的半导体器件良率。
同时，日本专利申请特开平H10-312971号公布(下文中的“专利文献2”)公开了一种外延横向过生长(ELO)法，在该ELO法中，将GaN薄膜形成到例如蓝宝石上来制备下衬底，从该下衬底的顶上形成例如具有孔的SiO2的掩模，通过孔在掩模上横向外延生长GaN晶体。
专利文献2的前述的ELO法使晶体横向生长而不出现应力和裂缝的可能，由此通过与直接在下衬底上生长GaN晶体的情况相比降低了位错密度；而新的位错出现在横向生长晶体接合处，这就使得位错密度难以降低到1×107cm-2以下。由于这个原因，使这样的GaN衬底实际作为LD的衬底存在困难。
在另一方案中，美国特许第5,868,837号说明书(下文中的“专利文献3”)公开了一种钠助熔剂法，在该方法中，在大约600℃至800℃的温度下、在处于大约5MPa的压力下的氮气气氛中，将氮气提供到Ga-Na熔融体以生长GaN晶体。
专利文献3的前述钠助熔剂法使得可以在比较适于液相法的温度和压力条件下生长低位错密度、低缺陷的GaN晶体，然而晶体生长速率慢，这就使得难以得到体GaN晶体。
在又一方法中，日本专利特开2004-221480号公布(下文中的“专利文献4”)公开了：将不同极性A、B域共存的起始衬底形成为骨架衬底，其中，通过蚀刻已经去除了极性域中的任一个的一部分或全部，并通过在骨架衬底上生长与衬底相同的材料的晶体、将具有另一极性的晶体填充在给定的去除部分中从而得到整个表面具有另一极性的晶体。然而，对于专利文献4的方法而言，因为一个极性的域是其中相对于另一极性的域而反转<0001>方向的极性的域，所以当利用气相法通过晶体生长填充这些域时，发生其中这些域的极性(一个极性)得以继承的生长。因此，就将用具有另一极性的晶体来覆盖整个晶体表面来说，衬底中的一个极性的域的全部或一部分必须被蚀刻深去除，这使得制造方法复杂化。
专利文献1：日本专利特开2003-183100号公布
专利文献2：日本专利特开平H10-312971号公布
专利文献3：美国特许第5868837号说明书
专利文献4：日本专利特开2004-221480号公布
发明内容
本发明解决的问题
本发明的目的在于：通过提供制造至少表面的位错密度全面地低的体III族氮化物晶体的方法、通过所述制造方法得到的III族氮化物晶体衬底和包含所述III族氮化物晶体衬底顶部的III族半导体器件，来解决上述讨论的问题。
解决问题的手段
本发明是III族氮化物晶体制造方法，包括：制备含有III族氮化物籽晶的下衬底的步骤，III族氮化物籽晶具有基体和反转域，在反转域中，相对于基体而反转<0001>方向的极性；和通过液相法在下衬底的基体和反转域上生长III族氮化物晶体的步骤；其特征在于，第一区域覆盖第二区域，其中，在第一区域中，生长到基体上的III族氮化物晶体的生长速率较大，在第二区域中，生长到反转域上的III族氮化物晶体的生长速率较小。
在涉及本发明的III族氮化物晶体制造方法中，下衬底可以是反转域的表面相对于基体表面凹陷的衬底。另外，沿着下衬底上的{0001}面，反转域可以为多个带状区域的形式，且带状区域以规则的间隔彼此平行布置。可选地，沿着下衬底上的{0001}面，反转域可以为多个点状区域的形式，且点状区域以规则的间隔二维地布置。还预期的是，反转域是蜂房的形式，被二维地布置成沿着衬底上的{0001}面的密堆积正六边形。
另外，在涉及本发明的III族氮化物晶体制造方法中，III族氮化物晶体可以生长到1μm以上的厚度。此外，III族氮化物晶体在其表面可以具有1×105Ω·m以上的电阻率。另外，可以在氮化物反应容器中生长III族氮化物晶体。
另外，使通过液相法已生长到下衬底上的III族氮化物晶体进一步通过气相法生长的步骤可以被包括在涉及本发明的III族氮化物晶体制造方法中。
此外，本发明还是通过对利用上述的制造方法而制作的III族氮化物晶体进行加工而得到的III族氮化物晶体衬底。在此，对III族氮化物晶体进行的加工可以包括对III族氮化物晶体进行切割或解理的步骤。而且，本发明还是其中将至少单个叠层体III族氮化物半导体层形成到前述的III族氮化物晶体衬底上的III族氮化物半导体器件。
本发明的效果
本发明提供了制造至少表面位错密度是全面地低的体III族氮化物晶体的方法、提供了通过所述制造方法制作的III族氮化物晶体衬底以及包含III族氮化物晶体衬底的III族氮化物半导体器件。
附图说明
图1A以图示了涉及本发明的III族氮化物晶体制造方法的一个实施方式的概略剖面图，示出制备下衬底的步骤。
图1B以图示了涉及本发明的III族氮化物晶体制造方法的该一个实施方式的概略剖面图，示出通过液相法来生长III族氮化物晶体的步骤。
图2A以图示了涉及本发明的III族氮化物晶体制造方法的另一个实施方式的概略剖面图，示出制备下衬底的步骤。
图2B以图示了涉及本发明的III族氮化物晶体制造方法的该另一个实施方式的概略剖面图，示出通过液相法来生长III族氮化物晶体的步骤。
图3是示出在涉及本发明的III族氮化物晶体制造方法中利用的下衬底中的反转域布局的一个示例的概略平面图。
图4是示出在涉及本发明的III族氮化物晶体制造方法中利用的下衬底中的反转域布局的另一个示例的概略平面图。
图5是示出在涉及本发明的III族氮化物晶体制造方法中利用的下衬底中的反转域布局的又一个示例的概略平面图。
图6是示出在涉及本发明的III族氮化物晶体制造方法中利用的下衬底中的反转域布局的又一个示例的概略平面图。
图7是示出在涉及本发明的III族氮化物晶体制造方法中利用的下衬底中的反转域布局的又一个示例的概略平面图。
图8是示出在涉及本发明的III族氮化物晶体制造方法中利用的下衬底中的反转域布局的又一个示例的概略平面图。
图9是示出在涉及本发明的III族氮化物晶体制造方法中利用的下衬底中的反转域布局的又一个示例的概略平面图。
图10A以图示了涉及本发明的III族氮化物晶体制造方法的又一个实施方式的概略剖面图，示出通过液相法来生长到下衬底上的III族氮化物晶体。
图10B以图示了涉及本发明的III族氮化物晶体制造方法的该又一个实施方式的概略剖面图，示出形成III族氮化物晶体衬底的步骤。
图11A以图示了涉及本发明的III族氮化物晶体制造方法的再一个实施方式的概略剖面图，示出通过液相法生长到下衬底上的III族氮化物晶体。
图11B以图示了涉及本发明的III族氮化物晶体制造方法的该再一个实施方式的概略剖面图，示出使已经通过液相法生长的III族氮化物晶体进一步通过气相法生长的步骤。
图11C以图示了涉及本发明的III族氮化物晶体制造方法的该再一个实施方式的概略剖面图，示出形成III族氮化物晶体衬底的步骤。
图12是图示了涉及本发明的III族氮化物半导体器件的一个示例的概略剖面图。
图13是图示了涉及本发明的III族氮化物半导体器件的另一个示例的概略剖面图。
图例
1：下衬底
1f：正方形
1g：正三角形
1h：正六边形
1s：基体
1t：反转域
1ta、1tb：带状域
1tm、1tn：点状域
2：晶体生长溶液
3：含氮气体
7：反应容器
10：III族氮化物晶体
10s：第一区域
10t：第二区域
10v：气相沉积区
100：III族氮化物晶体衬底
110、120：III族氮化物半导体层
111：n型Al0.1Ga0.9N披覆层
112：n型GaN引导层
113：多量子阱活性层
114：p型Al0.2Ga0.8N保护层
115：p型GaN引导层
116：p型Al0.1Ga0.9N披覆层
117：p型GaN接触层
118：p侧电极
119：n侧电极
121：未掺杂的Al0.26Ga0.74N隔离层
122：Si掺杂的n型Al0.26Ga0.74N载流子供给层
123：Si掺杂的n型GaN接触层
125：栅极电极
126：源极电极
127：漏极电极
具体实施方式
(实施方式1)
参照图1，涉及本发明的III族氮化物晶体制造方法的一个实施方式包括：制备含有III族氮化物籽晶的下衬底1的步骤(图1A)，III族氮化物籽晶具有基体1s和反转域1t，在反转域1t中，相对于基体1s而反转<0001>方向的极性；通过液相法在下衬底1的基体1s和反转域1t上生长III族氮化物晶体10的步骤(图1B)。在此，该实施方式的特征在于：第一区域10s覆盖第二区域10t，其中，在第一区域10s中，生长到基体1s上的III族氮化物晶体10的生长速率较大，在第二区域10t中，生长到反转域1t上的III族氮化物晶体10的生长速率较小。
在实施方式1中，通过液相法，将III族氮化物晶体10生长到含有III族氮化物晶体的下衬底1上，其中，III族氮化物晶体具有基体1s和反转域1t，在反转域1t中，相对于基体1s而反转<0001>方向的极性。具体来说，首先，将下衬底1放置在反应容器7中，环绕下衬底1形成含有III族元素的晶体生长溶液2。接着，将含氮气体3提供到晶体生长溶液2中，以在下衬底1上生长III族氮化物晶体10。可选地，可以将含氮物质(例如，III族氮化物)溶解在晶体生长溶液2中，以在下衬底上生长III族氮化物晶体。
在下衬底1中，例如，如专利文献1的第[0221]段至第[0271]段所描述的，以氢化物气相外延(HVPE)为手段通过晶面生长法，来制造III族氮化物籽晶，从而降低了III族氮化物籽晶的基体1s的位错密度，而III族氮化物籽晶的反转域1t的位错密度比基体1s的位错密度高。在此，图1示出下衬底1是由基体1s和反转域1t形成的III族氮化物晶体的情形，但是也可以利用其中由基体1s和反转域1t组成的III族氮化物晶体形成在除III族氮化物晶体之外的异种衬底上的下衬底(未示出)。
在III族氮化物晶体10中，生长到下衬底1的基体1s上的第一区域10s生长为继承基体1s的极性且位错密度低的晶体。同时，在III族氮化物晶体10中，生长到下衬底1的反转域1t上的第二区域10t生长为继承反转域1t的极性且位错密度高的晶体。因此，在III族氮化物晶体10中的第二区域10t中，相对于第一区域10s而反转<0001>方向的极性，且位错密度升高。
然而，第一区域10s的晶体生长速率大于第二区域10t的晶体生长速率。因此，与III族氮化物晶体10的生长一起，第一区域10s覆盖并掩埋第二区域10t。以这种方式生长III族氮化物晶体10导致其中仅第一区域10s存在的晶体，且晶体生长超出特定的厚度，这使得可以制造出至少其表面具有单一极性且位错密度在整个表面全面地低的III族氮化物晶体。即，在该实施方式中，注意的事实是：第一区域10s的晶体生长速率高于第二区域10t的生长速率，使得能够制造至少其表面具有单一极性且位错密度在整个表面全面地低的III族氮化物晶体，而不用在专利文献4中阐述的下衬底中深度蚀刻来去除一个极性的域的全部或一部分。
正如之前所描述的，本发明的发明人发现了新现象，其中：在通过液相法生长的III族氮化物晶体中，晶体生长到籽晶中的反转域上的生长速率和晶体生长到籽晶中的基体上的生长速率之间存在大的差异。本发明的一个特征在于利用该发现，以提供一种技术，利用所述技术，通过制备缺陷密度区域性地高的反转域的籽晶并掩埋反转域，来制造至少在表面中极性全面单一和位错密度全面地低的晶体。
在此，在III族氮化物晶体的生长时，由反转域1t的表面面积和III族氮化物晶体10的晶体生长条件来确定第二区域10t变成被第一区域10s覆盖的晶体厚度(与下文中一样，也被称作“第二区域覆盖晶体厚度”)。
在实施方式1中，虽然没有特别地限定用于在下衬底1上生长III族氮化物晶体10的液相法，但是由于产生高温、高压条件(由此III族氮化物晶体变得熔融)对于制造实用的2英寸直径的晶体的设备存在困难，因此优选利用溶液沉积法。另外，从工作的安全方面来看，特别优选主要利用含III族元素的熔融体来作为溶液。
在实施方式1中，包含在下衬底1中的III族氮化物籽晶中的基体1s和反转域1t的布局没有被特别限定，但是从在III族氮化物晶体10的生长过程中允许第一区域10s有效率地覆盖第二区域10t来看，优选使该布局作为下面的实施方式。
实施方式1A
参照图3至图5，在下衬底1中的反转域1t的布局的一个实施方式中，沿着下衬底1上的{0001}面，反转域1t为多个带状域1ta和1tb的形式，且带状域1ta和1tb中的每个以规则的间隔彼此平行地布置。从执行均一的晶体生长来看，优选的是：带状域1ta和1tb中的每个具有预定的宽度W，并以预定的间距P彼此平行地布置。另外，带状域1ta和1tb中的每个的带的方向没有被特别地限定，但是从稳定地生长反转域来看，带的方位优选地与<1-100>或<11-20>方向平行。这是因为如下事实：在液相沉积中，与HVPE和其它的高产率的气相法中的生长速率相比，生长速率较低，并且导致反映结晶结构的晶癖(crystal habit)易于出现，这意味着六棱柱状的或六边梯形状的梯台(terrace)(未示出)易于形成在生长晶体的表面上，在III族氮化物晶体10生长时，主要沿着与<0001>方向垂直的方位以及沿着与<1-100>方向垂直的方位的梯台的侧面的晶体生长导致第一区域10s在彼此平行的各面接合，这样促进了第一区域10s的生长。
各带状域中的带方位与<1-100>方向平行的示例在图3中示出，带方位与<11-20>方向平行的示例在图4中示出，带方位与相对于<1-100>方向沿着<11-20>方向旋转45°的方向平行的示例在图5中示出。
实施方式1B
参照图6和图7，在下衬底1中的反转域1t的布局的又一实施方式中，沿着下衬底上的{0001}面，反转域1t为多个点状域1tm和1tn的形式，且点状域1tm和1tn中的每个以规则的间隔二维地布置。与将反转域1t布置为带状域(实施方式1A)相比，将反转域1t布置为点状域1tm和1tn使得基体1s的表面面积能够增大，这意味着将要生长的III族氮化物晶体中的第一区域10s(低位错密度区域)的表面面积增加，从而即使III族氮化物晶体厚度较小，第二区域(高位错密度区域)也可以被覆盖。
在此，二维的、规则的布局不受特别的限定。在图6中，直径为W的点状域1tm和1tn的布置方式为：它们的中心分别处于密堆积(close-packed)正方形1f的顶点，且所述正方形1f被二维地布置并具有边P。在此，正方形1f的对边中的任意一对的方位平行于<1-100>方向。换言之，直径为W的点状域1tm和1tn中的每个被布置成平行于<1-100>方向和<11-20>方向，且具有恒定的间距P。
此外，如图7所示，从易于将位错集中到反转域来看，直径为W的点状域1tm和1tn的优选布置方式为：它们的中心分别位于密堆积正三角形1g的顶点处，且所述正三角形1g被二维地布置并具有边P。在此，上述正三角形1g中的每个的任意一边的方位具体优选地平行于<1-100>方向。这是因为在液相沉积中，六棱柱状的或六边梯形状的梯台(未示出)易于形成在生长晶体的表面上，在III族氮化物晶体10的生长过程中，梯台的侧面主要沿着垂直于<0001>方向的方位以及沿着垂直于<1-100>方向的方位生长这一事实，导致第一区域10s在彼此平行的各面接合，这就促进了第一区域10s的生长。
实施方式1C
参照图8和图9，在下衬底中的反转域1t的布局的又一实施方式中，反转域1t为蜂房形式，沿着下衬底1上的{0001}面二维地布置成密堆积正六边形1h，且具有L边。在此，“蜂房”意指具有其中心在正六边形1h的六边上的宽度W的区域，如图8和图9所示。
在此，上述六边的方位不受特别限定，但是从稳定地生长反转域来看，优选地平行于<1-100>方向或<11-20>方向。III族氮化物晶体具有纤锌矿型结晶结构，由于纤锌矿型结晶结构是沿着{0001}面的六重对称，因此图8所示的上述六边的方位平行于<11-20>方向，图9所示的上述六边的方位平行于<1-100>方向。此外，特别优选地，这六边的方位平行于<1-100>方向。这是因为在液相沉积中，六棱柱状的或六边梯形状的梯台(未示出)容易形成在晶体生长表面上，且由于梯台的侧面沿着垂直于<0001>方向的方向以及垂直于<1-100>方向的方向生长，因此在III族氮化物晶体10的生长中的第一区域10s沿着彼此平行的面接合，这有助于促进第一区域10s的生长。
另外，在实施方式1中，III族氮化物晶体优选地生长到1μm以上的厚度。因为通过液相法在下衬底1的基体1s和反转域1t上生长厚度为1μm以上的III族氮化物晶体10这保证了第一区域10s覆盖第二区域10t，所以可以容易地制造出至少其表面具有单一极性且位错密度在表面全面地低的III族氮化物晶体。
另外，在III族氮化物晶体中，从形成例如在HEMT中采用的高电阻率衬底来看，表面优选地具有1×105Ω·cm以上的电阻率。在此，可以通过上述制造方法容易地制造出其表面具有1×105Ω·cm以上的电阻率的III族氮化物晶体。
此外，在实施方式1中，用于生长III族氮化物晶体的反应容器不受特别限定，只要它具有足够的耐热性、化学上稳定且机械强度高，反应容器优选地由氧化物比如氧化铝(Al2O3)或氮化物比如热解氮化硼(pBN)形成。从防止杂质混合到晶体和使得制造低位错密度、高电阻率晶体能够更容易来看，反应容器更优选地由氮化物比如pBN形成。
(实施方式2)
参照图2，涉及本发明的III族氮化物晶体的另一实施方式包括：制备含有III族氮化物籽晶的下衬底1的步骤(图2A)，III族氮化物籽晶具有基体1s和反转域1t，在反转域1t中，相对于基体1s而反转<0001>方向的极性；通过液相法在下衬底1的基体1s和反转域1t上生长III族氮化物晶体10的步骤(图2B)。在此，该实施方式的特征在于：第一区域10s覆盖第二区域10t，在第一区域10s中，生长到基体1s上的III族氮化物晶体10的生长速率较大，在第二区域10t中，生长到反转域1t上的III族氮化物晶体10的生长速率较小。另外，该实施方式的特征在于：在下衬底1中，反转域1t的表面相对于基体1s的表面凹陷。
即，在该实施方式中，参照图2，在用于生长实施方式1中的III族氮化物晶体10的下衬底1中，反转域1t的表面相对于基体1s的表面凹陷。更准确地，下衬底1具有包括凹陷和梯台的表面，反转域1t的表面形成凹陷，而基体1s的表面形成梯台。
在该实施方式中，下衬底1的反转域1t的表面相对于下衬底1的基体1s的表面凹陷这一事实，使得在下衬底1的表面上生长III族氮化物晶体10时，与实施方式1相比，生长到基体1s上的第一区域10s的生长优先于生长到反转域1t上的第二区域10t的生长，从而减少了第二区域覆盖晶体厚度。因此，较薄晶体的生长(即，较短时间的晶体生长)使得可以制造出至少其表面具有单一极性且位错密度全面地低的III族氮化物晶体。
而且，在实施方式2中，与实施方式1中一样，优选的是：下衬底中的反转域1t的布局与实施方式1A、1B和1C中的任意一个的布局一样；III族氮化物晶体生长到1μm以上的厚度；在III族氮化物晶体中，表面具有1×105Ω·cm以上的电阻率；用于生长III族氮化物晶体的反应容器由氧化物比如Al2O3或氮化物比如pBN形成，更优选地由氮化物比如pBN形成。
(实施方式3)
参照图1、图2和图11，涉及本发明的III族氮化物晶体的又一实施方式包括：制备含有III族氮化物籽晶的下衬底1的步骤(图1A和图2A)，III族氮化物籽晶具有基体1s和反转域1t，在反转域1t中，相对于基体1s而反转<0001>方向的极性；通过液相法在下衬底1的基体1s和反转域1t上生长III族氮化物晶体10的步骤(图1B和图2B)；进一步通过气相法来生长已通过液相法生长到下衬底1上的III族氮化物晶体10的步骤(图11A和图11B)。
即是说，实施方式3包括进一步通过气相法生长到实施方式1或2中通过液相法已经生长到下衬底1上的III族氮化物晶体10的步骤(图11A和图11B)。这样的步骤使得能够有效率、高生长速率和低成本地制造至少其表面具有单一极性且具有全面地低的位错密度的III族氮化物晶体。在此，如图11B中所示，在III族氮化物晶体10中，通过液相法生长的第一区域10s和第二区域10t与通过气相法生长的气相沉积区域10v结合成一体。
在此，气相法不受特别地限定，但是从有助于外延生长来看，例如HVPE、金属有机化学气相沉积(MOCVD)和分子束外延(MBE)是优选的。另外，从高晶体生长速率来看，HVPE是特别优选的。
(实施方式4)
参照图10A、图10B、图11B和图11C，涉及本发明的III族氮化物晶体衬底的一个实施方式是通过对利用实施方式1至3中的任意一个而制造的III族氮化物晶体10进行加工来制作的III族氮化物晶体衬底L1、L2、V1、V2、V3、V4、V5、V6和V7。在此，III族氮化物晶体衬底L1和L2表示由通过液相法生长的区域(第一区域10s和第二区域10t)制作的衬底，III族氮化物晶体衬底V1、V2、V3、V4、V5、V6和V7表示由通过气相法生长出的区域(气相沉积区域10v)制作的衬底。另外，在III族氮化物晶体衬底L1中，可以包括用作下衬底的III族氮化物籽晶。
因为至少表面具有单一极性并具有全面地低的位错密度，所以以这种方式制作的III族氮化物晶体衬底理想地适于用作半导体器件的衬底。
III族氮化物晶体加工方法不特别受限，并可包括例如以下步骤：将与其主面(principal face)平行的III族氮化物晶体切割或解理成板状。切割或解理的步骤使得可以容易地制作板状的III族氮化物晶体衬底。另外，III族氮化物晶体加工方法可包括如下步骤：将制作的III族氮化物晶体衬底的主面磨光和/或抛光。另外，还可包括在磨光和/或抛光之后对主面上的损伤层进行反应离子蚀刻(RIE)或其它气相蚀刻的去除步骤。在其主面已经被磨光和/或抛光的III族氮化物晶体衬底的主面上，可以形成具有优选的结晶度的至少单层III族氮化物半导体层。
(实施方式5)
参照图12和图13，涉及本发明的III族氮化物半导体器件的一个实施方式是其中至少单个叠层体III族氮化物半导体层110或120形成在实施方式4的III族氮化物晶体衬底100上的III族氮化物半导体器件。III族氮化物半导体器件具有至少其表面具有单一极性并具有全面地低的位错密度的III族氮化物晶体衬底。因此，形成在该III族氮化物晶体衬底上的III族氮化物半导体层具有低的位错密度、满意的结晶度和提高的特性。III族氮化物半导体器件、LD和HEMT的示例如下。
实施方式5A
在涉及本发明的III族氮化物半导体器件的一个示例的LD中，参照图12，作为至少单个叠层体III族氮化物半导体层110，在至少其表面具有单一极性且具有全面地低的位错密度的III族氮化物晶体衬底100的第一主面上，顺次地形成下面的层：n型Al0.1Ga0.9N披覆层111、n型GaN引导层112、由四对InGaN/GaN层组成的多量子阱活性层113(发光层)、p型Al0.2Ga0.8N保护层114、p型GaN引导层115、p型Al0.2Ga0.8N披覆层116和p型GaN接触层117。在p型GaN接触层117上，PdAu合金电极形成为p侧电极118。在此，执行通过p侧电极118、p型GaN接触层117到进入p型Al0.1Ga0.9N披覆层116中的一深度的台面型晶体管蚀刻(mesa-etching)，来形成背脊部分(ridge portion)。另外，Ti/Al合金电极作为n侧电极119形成到III族氮化物晶体衬底100的第二主面上。
实施方式5B
在涉及本发明的III族氮化物半导体器件的另一示例的HEMT中，参照图13，作为至少单个叠层体III族氮化物半导体层120，在至少其表面具有单一极性且具有全面地低的位错密度的III族氮化物晶体衬底100的第一主面上，顺次地形成下面的层：未掺杂的Al0.26Ga0.74N隔离层(spacer layer)121、Si掺杂的n型Al0.26Ga0.74N载流子供给层122和Si掺杂的n型GaN接触层123。在Si掺杂的n型GaN接触层123上，用作源极电极126和漏极电极127的Ti/Al通过电子束蒸发形成，并通过热处理被合金化，从而形成Ti/Al合金电极。另外，通过凹陷蚀刻成带状而将Si掺杂n型Al0.26Ga0.74N载流子供给层122的一部分、Si掺杂n型GaN接触层123、Ti/Al合金电极的中间部分去除，在暴露的Si掺杂n型Al0.26Ga0.74N载流子供给层122上，通过电子束蒸发将Pt/Ti/Au层叠电极形成为栅极电极125，使得不与源极电极126和漏极电极127接触。在此，在栅极电极125中，从Si掺杂n型Al0.26Ga0.74N载流子供给层122侧顺次地形成Pt/Ti/Au层。
实施例
实施例1
(1)下衬底的制备
参照图1和图3，制备直径为2英寸(50.8mm)厚度为350μm且具有位错密度为1×104至1×105cm-2的基体1s和位错密度为1×108至1×109cm-2的反转域1t作为下衬底1。下衬底1的基体1s的表面是(0001)面，反转域1t的表面是(000-1)面。另外，沿着下衬底1的(0001)面，反转域1t为多个带状域1ta和1tb的形式，带状域1ta和1tb中的每个具有50μm的宽度并布置成彼此平行且间距P为300μm。另外，带状域1ta和1tb中的每个的带方位平行于<1-100>方向。
另外，基于专利文献1中阐述的生长方法，通过HVPE将GaN晶体生长到GaAs衬底上来制作实施例1中的下衬底1，在GaAs衬底中，多个带状掩模层形成在(111)A面上。在此，带状掩模层中的每个具有50μm的宽度，并以300μm的间距彼此平行地布置。另外，带状掩模层的每个的带方位平行于GaAs衬底中的<11-2>方向。即，GaN晶体的反转域1t形成在GaAs衬底中的带状掩模层上，基体1s形成在除了形成有掩模层之外的GaAs衬底上。
(2)通过液相法的III族氮化物晶体生长
通过溶液沉积而在上述的下衬底1上生长III族氮化物晶体10。具体来说，在内径跨度为52mm且高度为30mm的Al2O3坩埚(反应容器7)中，将下衬底1放置在坩埚的底部，12g金属Ga被放置并被加热，以在下衬底1上形成Ga熔融体(晶体生长溶液2)。接着，将下衬底1和Ga熔融体(晶体生长溶液2)的温度升至950℃，N2气被作为含氮气体3提供到Ga熔融体(晶体生长溶液2)中，以将N2气压力升至6.078MPa(60个大气压)，从而生长GaN晶体(III族氮化物晶体10)100个小时。在冷却之后，用盐酸去除坩埚中剩余的Ga，然后，选出将与之结合成一体的下衬底1上生长的GaN晶体(III族氮化物晶体10)。GaN晶体厚度为3μm。
(3)III族氮化物晶体的评价
以下面的方式对与下衬底1结合成一体的GaN晶体(III族氮化物晶体10)的极性和位错密度进行观察。
与下衬底结合成一体的GaN晶体被浸渍在磷酸-硫酸的混合溶液中，被加热至250℃以进行蚀刻1小时，并在光学显微镜下进行观察。观察结果证实：生长到下衬底1的反转域1t上的部分也与其它部分一样具有经受蚀刻的趋势。另外，在荧光显微镜下观察与下衬底结合成一体的GaN晶体揭示了：没有发现看上去像反映GaN晶体极性的反转的任何地带(即，其中发光变化了的任何地带)。这些结果确认的是：对于与下衬底结合成一体的GaN晶体的表面，整个表面被制成Ga面((0001)面)(即，整个表面具有单一的极性)。
此外，作为通过阴极发光(CL)观察到的结果，与下衬底结合成一体的GaN晶体的表面位错密度在整个表面均匀地为低的1×104至1×105cm-2。
从以上所述的结果，可以确认的是：与实施例1的下衬底结合成一体的GaN晶体是，在厚度为3μm的GaN晶体中，至少其表面具有单一极性且位错密度全面地低的晶体。
(4)LD的构造
参照图12，与这样的下衬底结合成一体的GaN晶体被用作III族氮化物晶体衬底100，至少单个叠层体III族氮化物半导体层110形成在III族氮化物晶体衬底100上，用于下面构造LD。
具体来说，将III族氮化物晶体衬底100抛光，通过反应离子蚀刻(RIE)来去除衬底表面上的损伤层。随后，作为III族氮化物半导体层110，在III族氮化物晶体衬底100的第一主面上顺次地形成下面的层：厚度为3μm的n型Al0.1Ga0.9N披覆层111；厚度为0.1μm的n型GaN引导层112；由四对InGaN/GaN层组成的厚度为0.05μm的多量子阱活性层113(发光层)；厚度为0.02μm的p型Al0.2Ga0.8N保护层114；厚度为0.1μm的p型GaN引导层115；厚度为0.4μm的p型Al0.1Ga0.9N披覆层116；厚度为0.1μm的p型GaN接触层117。通过MOCVD且使温度为1080℃来执行III族氮化物半导体层110的形成，其中，利用：三甲基镓和三甲基铝气体作为III族元素源气体；氨气作为氮源气体；氢气作为载气；硅烷气体作为n型掺杂剂气体；和镁作为p型掺杂剂。
接着，通过台面型晶体管蚀刻来去除形成在p型Al0.1Ga0.9N披覆层116的边缘和部分上的p型GaN接触层117的部分，从而形成背脊带宽度为2μm的背脊。随后，在p型GaN接触层117上，通过电子束蒸发和热处理来形成Pd/Au合金电极作为p侧电极118。
接着，将III族氮化物晶体衬底100的第二主面抛光，从而使衬底厚度为100μm，然后，在第二主面上，通过电子束蒸发和热处理来形成Ti/Al合金电极作为n侧电极119。
此后，其中III族氮化物半导体层110和p侧电极118形成在下衬底1的第一主面上且n侧电极119形成在第二主面上的晶片被划分为厚度为300μm的正方形芯片，以构造LD。由直径为2英寸(50.8mm)的晶片，构造1,000个LD。这些LD是具有45mA的阈值电流和405nm的振荡波长的蓝紫光LD。在对这些LD进行寿命测试的测试中，在温度为60℃的大气压下，LD在30mW的功率下振荡—得到估计寿命为10,000个小时或更长的合格的LD的良率为80％。
比较示例1
实施例1(即，直径为2英寸(50.8mm)且厚度为350μm的GaN籽晶，该GaN籽晶具有位错密度为1×104至1×105cm-2的基体1s且位错密度为1×108至1×109cm-2的反转域1t)中采用的下衬底1被用作III族氮化物晶体衬底100，以与实施例1相同的方式来构造LD。在LD的构造中，确信的是背脊部分形成在基体1s的正上方的区域。
由直径为2英寸(50.8mm)的晶片，构造出振荡波长为405nm的1,000个蓝紫光LD。作为对这些LD上结果进行与实施例1相同的寿命测试的结果，合格的LD的良率是10％。分析损坏的LD证明：在形成在下衬底1上的III族氮化物半导体层中的反转域1t上所形成的部分的大多数中，极性被反转。另外，在下衬底1上形成的III族氮化物半导体层中的基体1s上所形成的部分中，例如，出现部分的边缘升起的异常生长。
比较示例2
(1)下衬底的制备
制备通过专利文献2的ELO来构造的GaN晶体衬底作为下衬底。具体来说，通过化学气相沉积(CVD)在其中通过MOCVD在蓝宝石衬底的(0001)面上形成了1μm厚度的GaN层的衬底上形成了由SiO2膜组成的掩模，其中，蓝宝石衬底的直径为2英寸(50.8mm)且厚度为300μm，从而通过光刻和湿蚀刻将掩模构图成带状。留下的带状掩模每个都具有5μm的掩模宽度，并且布置成间距为7μm，且带方位沿着GaN晶体中的<11-20>方向。
接着，具有带状掩模的衬底被插入到HVPE设备中，且在H2气气氛下将温度升至1000℃，分别在20sccm(下文中，1sccm是意指处于1,013hPa、0℃的标准状态下的气体1分钟流动1cm3的流动速率)和1,000sccm下供给GaCl和NH3气体25分钟，从而穿过带状掩模的开口横向地生长GaN晶体。另外，使GaN晶体生长10小时，从而得到厚度为400μm的、整个表面是平坦的GaN晶体。
随后，在被冷却后，从HVPE设备中取出GaN晶体，从蓝宝石衬底侧在整个表面照射钇铝石榴石激光(YAG激光)的第三谐波(355nm波长)，以分解位于GaN晶体和蓝宝石衬底之间的界面处的GaN层，从而将GaN晶体与蓝宝石衬底分离。顺次地，GaN晶体的两面被抛光，以制作厚度为360μm的GaN晶体。
所制作的GaN晶体被浸渍在磷酸-硫酸的混合溶液中，被加热至250℃以对其进行蚀刻1小时，并在光学显微镜下进行观察。结果，GaN晶体的整个表面被证明为Ga面((0001)面)。另外，通过CL观察显示出：GaN晶体的表面位错密度是1×107至1×108cm-2。上述的GaN晶体的表面被抛光，以制作厚度为350μm的GaN晶体衬底。
(2)通过液相法的III族氮化物晶体生长
在与实施例1相同的条件下通过溶液沉积而在GaN晶体衬底(下衬底1)上生长GaN晶体(III族氮化物晶体10)100小时，选出以与实施例1的方式相同的方式与下衬底1结合成一体的GaN晶体(III族氮化物晶体10)。GaN晶体厚度为3μm。
(3)III族氮化物晶体的评价
在与实施例1相同的蚀刻之后，在光学显微镜和荧光显微镜下观察与下衬底结合成一体的GaN晶体(III族氮化物晶体10)，证明晶体表面的整体是Ga面((0001)面)并具有单一极性。另外，通过CL观察揭露了：在与下衬底结合成一体的GaN晶体(III族氮化物晶体10)中的位错密度是高的1×107至1×108cm-2。
(4)LD的构造
与下衬底结合成一体的GaN晶体被用作III族氮化物晶体衬底100，从而以与实施例1相同的方式来构造1,000个LD。然而，因为所有构造的LD即使在室温气氛(例如，25℃)下也不会在30mW的功率下进行振荡，所以不可以测量出LD的寿命。因此，合格的LD的良率为0％。
实施例2
(1)下衬底的制备
参照图1和图4，制备直径为2英寸(50.8mm)和厚度为350μm的、具有位错密度为1×104至1×105cm-2的基体1s和位错密度为1×108至1×109cm-2的反转域1t的GaN籽晶作为下衬底1。下衬底1的基体1s的表面为(0001)面，反转域1t的表面为(000-1)面。另外，沿着下衬底1的(0001)面，反转域1t为多个带状域1ta和1tb的形式，且带状域1ta和1tb中的每个具有50μm的宽度W，并被布置成彼此平行且具有300μm的间距P。另外，带状域1ta和1tb的每个的带方位平行于<11-20>方向。
此外，基于专利文献1中所阐述的生长方法，通过HVPE在GaAs衬底上生长GaN晶体，来制作实施例2中的下衬底，在GaAs衬底中，为多个带的形式的掩模层形成在(111)A面上。在此，带状掩模层中的每个具有50μm的厚度，并以300μm的间距彼此平行布置。另外，带状掩模层中的每个的带方位平行于GaAs衬底中的<-110>方向。即，GaN晶体的反转域1t形成在GaAs衬底中的带状掩模层上，基体1s形成在除了形成有掩模层之外的GaAs衬底上。
(2)通过液相法的III族氮化物晶体生长
在与实施例1的条件相同的条件下，通过液相沉积100小时而在上述的下衬底1上生长GaN晶体(III族氮化物晶体10)，选出以与实施例1的方式相同的方式与下衬底1结合成一体的GaN晶体(III族氮化物晶体10)。GaN晶体厚度为3μm。
(3)III族氮化物晶体评价
在与实施例1相同的蚀刻之后，在光学显微镜和荧光显微镜下观察与下衬底结合成一体的GaN晶体(III族氮化物晶体10)，这证明晶体表面的整体是Ga面((0001)面)并具有单一极性。此外，通过CL的观察揭露了：与下衬底结合成一体的GaN晶体(III族氮化物晶体10)的位错密度全面地在整个晶体表面均匀地为低的1×104至1×105cm-2。
由以上所述的结果，可以确认的是：与实施例2的下衬底结合成一体的GaN晶体是，在厚度为3μm的GaN晶体中，至少其表面具有单一极性并且位错密度全面地低的晶体。
实施例3
(1)下衬底的制备
参照图1和图5，制备直径为2英寸(50.8mm)且厚度为350μm的GaN籽晶作为下衬底1，所述GaN籽晶具有位错密度为1×104至1×105cm-2的基体1s和位错密度为1×108至1×109cm-2的反转域1t。下衬底1的基体1s的表面是(0001)面，反转域1t的表面是(000-1)面。此外，沿着下衬底1上的(0001)面，反转域1t为多个带状域1ta和1tb的形式，且带状域1ta和1tb中的每个具有50μm的宽度，并以间距P为300μm彼此平行布置。另外，带状域1ta和1tb中的每个的带方位与相对于<1-100>方向而沿着<11-20>方向旋转45°的方向平行。
另外，基于专利文献1中所阐述的生长方法，通过HVPE在GaAs衬底上生长GaN晶体，来制作实施例3中的下衬底，在GaAs衬底中，为多个带的形式的掩模层形成在(111)A面上。在此，带状掩模层中的每个具有50μm的宽度，并以300μm的间距彼此平行布置。另外，带状掩模层中的每个的带方位与相对于GaAs衬底中的<11-2>方向而沿着<-100>方向旋转45°的方向平行。即是说，GaN晶体的反转域1t形成在GaAs衬底中的带状掩模层上，而基体1s形成在除了形成有掩模层之外的GaAs衬底上。
(2)通过液相法的III族氮化物晶体生长
在与实施例1的条件相同的条件下，通过溶液沉积200小时而在上述的下衬底1上生长GaN晶体(III族氮化物晶体10)，选出以与实施例1的方式相同的方式与下衬底1结合成一体的GaN晶体(III族氮化物晶体10)。GaN晶体厚度为6μm。
(3)III族氮化物晶体的评价
在与实施例1相同的蚀刻之后，在光学显微镜和荧光显微镜下观察与下衬底结合成一体的GaN晶体(III族氮化物晶体10)，这证明晶体表面的整体是Ga面((0001)面)并具有单一极性。此外，通过CL的观察揭露了：与下衬底结合成一体的GaN晶体(III族氮化物晶体10)的位错密度全面地在晶体表面均匀地为低的1×104至1×105cm-2。
由以上所述的结果，可以确认的是：与实施例3的下衬底结合成一体的GaN晶体是，在厚度为6μm的GaN晶体中，至少其表面具有单一极性并且位错密度全面地低的晶体。
实施例4
(1)下衬底的制备
参照图1和图5，将与实施例3中相同的GaN籽晶制备作为下衬底1。随后，下衬底被浸渍在熔融的KOH溶液中，并在300℃下加热10分钟。在此，因为用熔融的KOH蚀刻N面的速度显著地比用熔融的KOH蚀刻Ga面的速度快，所以制作出下衬底1，如图2和图5所示，在下衬底1中，反转域1t的表面相对于基体1s的表面凹陷了20μm。
(2)III族氮化物晶体生长
通过在与实施例1相同的条件下进行溶液沉积36小时，在具有包括反转域1t的凹陷的粗糙表面的下衬底上生长GaN晶体(III族氮化物晶体10)，选出以与实施例1的方式相同的方式与下衬底结合成一体的GaN晶体(III族氮化物晶体10)。该GaN晶体的厚度为1μm。
(3)III族氮化物晶体的评价
在与实施例1相同的蚀刻之后，在光学显微镜和荧光显微镜下观察与下衬底结合成一体的GaN晶体(III族氮化物晶体10)，结果证明晶体表面的整体是Ga面((0001)面)并具有单一极性。此外，通过CL的观察揭露了：与下衬底结合成一体的GaN晶体(III族氮化物晶体10)的位错密度全面地在晶体表面均匀地为低的1×104至1×105cm-2。
由以上所述的结果，可以确认的是：与实施例4的下衬底结合成一体的GaN晶体是，在厚度为1μm的GaN晶体中，至少其表面具有单一极性并且位错密度全面地低的晶体。
比较实施例4与实施例3，证实：使下衬底1的反转域1t凹陷来生长III族氮化物晶体10，使在基体1s上生长的第一区域10s的生长优先于在反转域1t上生长的第二区域10t的生长，这样减小了第二区域覆盖晶体厚度，从而，较薄的晶体的生长(即，短时间的晶体生长)，使得可以制作出具有单一极性且至少表面的位错密度全面地低的III族氮化物晶体。
实施例5
(1)下衬底的制备
参照图1和图6，制备直径为2英寸(50.8mm)且厚度为350μm的GaN籽晶作为下衬底1，所述GaN籽晶具有位错密度为1×104至1×105cm-2的基体1s和位错密度为1×108至1×109cm-2的反转域1t。下衬底1的基体1s的表面是(0001)面，反转域1t的表面是(000-1)面。在此，沿着下衬底1上的(0001)面，反转域1t为多个点状域1tm和1tn的形式，且点状域1tm和1tn中的每个具有50μm的直径并被布置成使得它们的中心分别位于密堆积正方形1f的顶点处，所述正方形1f二维地布置并具有300μm的边P。另外，正方形1f的对边中的任意一对的方位平行于<1-100>方向。
另外，基于专利文献1中所阐述的生长方法，通过HVPE在GaAs衬底上生长GaN晶体，来制作实施例5中的下衬底，在GaAs衬底中，为多个点的形式的掩模层形成在(111)A面。在此，点状掩模层中的每个具有50μm的直径，并布置成使得它们的中心分别位于密堆积正方形1f的顶点，被二维地布置并具有300μm的边P。另外，正方形1f的对边中的任意一对的方位平行于GaAs衬底中的<11-2>方向。即是说，GaN晶体的反转域1t形成在GaAs衬底的掩模层上，而基体1s形成在除了形成有掩模层之外的GaAs衬底上。
(2)通过液相法的III族氮化物晶体生长
在与实施例1的条件相同的条件下，通过溶液沉积100小时而在上述的下衬底1上生长GaN晶体(III族氮化物晶体10)，选出以与实施例1的方式相同的方式与下衬底1结合成一体的GaN晶体(III族氮化物晶体10)。该GaN晶体厚度为3μm。
(3)III族氮化物晶体的评价
在与实施例1相同的蚀刻之后，在光学显微镜和荧光显微镜下观察与下衬底结合成一体的GaN晶体(III族氮化物晶体10)，结果证明晶体表面的整体是Ga面((0001)面)并具有单一极性。此外，通过CL的观察揭露了：与下衬底结合成一体的GaN晶体(III族氮化物晶体10)的位错密度全面地在晶体表面均匀地为低的1×104至1×105cm-2。
由以上所述的结果，可以确认的是：与实施例5的下衬底结合成一体的GaN晶体是，在厚度为1μm的GaN晶体中，至少其表面具有单一极性并且位错密度全面地低的晶体。
实施例6
(1)下衬底的制备
参照图1和图7，制备直径为2英寸(50.8mm)且厚度为350μm的GaN籽晶作为下衬底1，所述GaN籽晶具有位错密度为1×104至1×105cm-2的基体1s和位错密度为1×108至1×109cm-2的反转域1t。下衬底1的基体1s的表面是(0001)面，反转域1t的表面是(000-1)面。在此，沿着(0001)面，反转域1t为多个点状域1tm和1tn的形式，且点状域1tm和1tn中的每个具有50μm的直径并被布置成使得它们的中心分别位于密堆积正三角形的顶点，被二维地布置并具有300μm的边P。另外，正三角形1g的所有的三边的方位平行于<1-100>方向。
另外，基于专利文献1中提到的生长方法，通过HVPE在GaAs衬底上生长GaN晶体，来制作实施例6中的下衬底，在GaAs衬底中，为多个点的形式的掩模层形成在(111)A面。在此，点状掩模层中的每个具有50μm的直径，并布置成使得它们的中心分别位于密堆积正三角形的顶点，被二维地布置并具有300μm的边P。另外，正三角形中的每个的任意一边的方位平行于GaAs衬底中的<11-2>方向。即是说，GaN晶体的反转域1t形成在GaAs衬底上的带状的掩模层上，而基体1s形成在除了形成有掩模层之外的GaAs衬底上。
(2)通过液相法的III族氮化物晶体生长
利用作为坩埚的高纯材料的pBN作为反应容器7的材料，在比实施例1高的温度和压力条件下，通过溶液沉积而在上述的下衬底1上生长GaN晶体。具体来说，随着生长温度升至1500℃且N2气压力被升至1.5GPa(大致15,000个大气压)，生长GaN晶体(III族氮化物晶体10)200个小时，选出以与实施例1的方式相同的方式与下衬底1结合成一体的GaN晶体(III族氮化物晶体10)。该GaN晶体的厚度为650μm。
(3)III族氮化物晶体的评价
参照图10，利用切割器将与下衬底1结合成一体的厚度为1,000μm的GaN晶体(III族氮化物晶体10)切割成两片，并沿着通过溶液沉积生长的面将每片抛光，另外，用RIE将Ga面侧的损伤层去除。结果，制作出一个GaN晶体衬底(III族氮化物晶体衬底L1)和一个厚度为450μm的GaN晶体衬底(III族氮化物晶体衬底L2)，在衬底L1中，具有基体1s和反转域1t的、厚度为350μm的下衬底和溶液生长的、厚度为100μm的GaN晶体结合成一体，且衬底L2由溶液沉积生长的区域组成。
接着，对衬底L1和L2的Ga面侧进行四端子霍尔(Hall)测量。测量的结果确认衬底都是电阻率为1×105Ωm·cm或更高的高电阻率衬底，即是说，它们都是适合用于HEMT和其它装置的衬底。
另外，在与实施例1相同的蚀刻之后，在光学显微镜和荧光显微镜下观察衬底L1和L2，结果证明衬底表面的整体是Ga面((0001)面)并具有单一极性。此外，通过CL的观察揭露了：在衬底L1和L2(III族氮化物晶体10)中的位错密度全面地在晶体表面均匀地为低的1×104至1×105cm-2。
由以上所述的结果，可以确认的是：实施例6的GaN晶体(衬底L1和L2)是至少其表面具有单一极性并且位错密度全面地低的晶体。
(4)HEMT构造
参照图13，这样的高电阻率GaN晶体衬底用作III族氮化物晶体衬底100，至少单个叠层体III族氮化物半导体层120形成在III族氮化物晶体衬底100上，用于构造HEMT。
具体来说，抛光III族氮化物晶体衬底100，去除衬底表面上的损伤层。接着，作为半导体层120，在III族氮化物晶体衬底100的主面上顺次地形成下面的层：厚度为10nm的未掺杂的Al0.26Ga0.74N隔离层121、厚度为20nm的Si掺杂的n型Al0.26Ga0.74N载流子供给层122和厚度为20nm的Si掺杂的n型GaN接触层123。通过MOCVD且使衬底温度达到1100℃来执行III族氮化物半导体层120的形成，其中，利用：三甲基镓和三甲基铝气体作为III族元素源气体；氨气作为氮源气体；氢气作为载气；硅烷气体作为掺杂气体。
接着，作为源极电极126和漏极电极127，分别将Ti/Al层蒸发到Si掺杂的n型GaN接触层123上至25nm/150nm的厚度，并通过热处理而被合金化。在它们被合金化之后，通过RIE将晶片的中间部分凹陷蚀刻成带状。随后，在通过上述的凹陷蚀刻而被暴露的Si掺杂的n型Al0.26Ga0.74N载流子供给层122上，将Pt层(厚度为10nm)/Ti层(厚度为40nm)/Au层(厚度为100nm)形成在源极电极126和漏极电极127之间，作为栅极电极125。在栅极电极123中，栅的长度和宽度分别为2μm和14μm，源极电极126和漏极电极127之间的间隔是10μm。
通过构造在其表面平坦且位错密度低的GaN晶体衬底(III族氮化物晶体衬底100)上，HEMT具有极其清晰的界面，通过在透射电镜(TEM)下观察界面轮廓证实：界面轮廓被平坦化为原子层级。在室温(例如300k)下HEMT的特性是160mS/mm的跨导和1.1A/mm的漏电流，这意指可以构造出高度增强特性的器件。
实施例7
(1)下衬底的制备
参照图1和图8，制备直径为2英寸(50.8mm)且厚度为350μm的GaN籽晶作为下衬底1，所述GaN籽晶具有位错密度为1×104至1×105cm-2的基体1s和位错密度为1×108至1×109cm-2的反转域1t。下衬底1的基体1s的表面是(0001)面，反转域1t的表面是(000-1)面。在此，反转域1t为蜂房的形式，所述蜂房的宽度W为50μm，且其中心线位于沿着(0001)面二维地密堆积、具有300μm的边P的正六边形1h的六条边上。另外，所有六条边的方位均平行于<11-20>方向。
另外，基于专利文献1中所阐述的生长方法，通过HVPE在GaAs衬底上生长GaN晶体，来制作实施例7中的下衬底，在GaAs衬底中，掩模层形成在宽度W为50μm且其中心线位于沿着(111)A面二维地密堆积、具有300μm的边P的正六边形1h的六边上的蜂房上。在此，上述的正六边形的对边中的任意一对的方位平行于GaAs衬底中的<-110>方向。即是说，GaN晶体的反转域1t形成在GaAs衬底中的掩模层上，而基体1s形成在除了形成有掩模层之外的GaAs衬底上。
(2)通过液相法的III族氮化物晶体生长
在与实施例1的条件相同的条件下，通过溶液沉积200小时而在上述的下衬底1上生长GaN晶体(III族氮化物晶体10)，选出以与实施例1的方式相同的方式与下衬底1结合成一体的GaN晶体(III族氮化物晶体10)。该GaN晶体厚度为6μm。
(3)III族氮化物晶体的评价
在与实施例1相同的蚀刻之后，在光学显微镜和荧光显微镜下观察与下衬底结合成一体的GaN晶体(III族氮化物晶体10)，结果证明晶体表面的整体是Ga面((0001)面)并具有单一极性。此外，通过CL的观察揭露了：与下衬底结合成一体的GaN晶体(III族氮化物晶体10)的位错密度全面地在晶体表面均匀地为低的1×104至1×105cm-2。
由以上所述的结果，可以确认的是：与实施例7的下衬底结合成一体的GaN晶体是，在厚度为6μm的GaN晶体中，至少其表面具有单一极性并且位错密度全面地低的晶体。
实施例8
(1)下衬底的制备
参照图1和图9，制备直径为2英寸(50.8mm)且厚度为350μm的GaN籽晶作为下衬底1，所述GaN籽晶具有位错密度为1×104至1×105cm-2的基体1s和位错密度为1×108至1×109cm-2的反转域1t。下衬底1的基体1s的表面是(0001)面，反转域1t的表面是(000-1)面。在此，反转域1t为蜂房的形式，所述蜂房的宽度W为50μm，且其中心线位于沿着(0001)面二维地密堆积、具有300μm的边P的正六边形1h的六边上。另外，六条边中的任意一条的方位全都平行于<1-100>方向。
另外，基于专利文献1中所阐述的生长方法，通过HVPE在GaAs衬底上生长GaN晶体，来制作实施例8中的下衬底，在GaAs衬底中，掩模层形成在宽度W为50μm且其中心线位于沿着(111)A面二维地密堆积、具有300μm的边P的正六边形1h的六边上的蜂房上。在此，上述的正六边形的对边中的任意一对的方位平行于GaAs衬底中的<11-2>方向。即是说，GaN晶体的反转域1t形成在GaAs衬底中的掩模层上，而基体1s形成在除了形成有掩模层之外的GaAs衬底上。
(2)通过液相法的III族氮化物晶体生长
在与实施例1的条件相同的条件下，通过溶液沉积200小时而在上述的下衬底1上生长GaN晶体(III族氮化物晶体10)，选出以与实施例1的方式相同的方式与下衬底1结合成一体的GaN晶体(III族氮化物晶体10)。该GaN晶体厚度为6μm。
(3)III族氮化物晶体的评价
在与实施例1相同的蚀刻之后，在光学显微镜和荧光显微镜下观察与下衬底结合成一体的GaN晶体(III族氮化物晶体10)，结果证明晶体表面的整体是Ga面((0001)面)并具有单一极性。此外，通过CL的观察揭露了：与下衬底结合成一体的GaN晶体(III族氮化物晶体10)的位错密度全面地在晶体表面均匀地为低的1×104至1×105cm-2。
由以上所述的结果，可以确认的是：与实施例8的下衬底结合成一体的GaN晶体是，在厚度为6μm的GaN晶体中，至少其表面具有单一极性并且位错密度全面地低的晶体。
(实施例9)
(1)下衬底的制备
制备与实施例1相同的下衬底。
(2)通过液相法的III族氮化物晶体生长
在与实施例1的条件相同的条件下，通过溶液沉积200小时而在上述的下衬底1上生长GaN晶体(III族氮化物晶体10)，选出以与实施例1的方式相同的方式与下衬底1结合成一体的GaN晶体(III族氮化物晶体10)。该GaN晶体厚度为6μm。
(3)通过气相法的III族氮化物晶体生长
参照图11A和图11B，通过溶液沉积而生长到下衬底1上从而与下衬底1结合成一体的GaN晶体(III族氮化物晶体10)，通过HVPE再生长35小时，以进一步使GaN晶体加厚3500μm。在此，作为掺杂剂气体，利用了SiCl2H2气体。
(4)III族氮化物晶体衬底的构造
参照图11B和图11C，用切割器将通过溶液沉积且随后通过HVPE而生长到下衬底1上从而与下衬底1结合成一体的GaN晶体(III族氮化物晶体10)被切割成8片。从通过溶液沉积或通过HVPE而生长的两面，对这8片GaN晶体中的每个进行抛光，此外通过RIE来去除Ga面侧的损伤层。以这种方式，制作出8片厚度为355μm的GaN晶体衬底(III族氮化物晶体衬底L1、V1、V2、V3、V4、V5、V6和V7)。在此，由下衬底1和通过液相法而生长的区域(即，第一区域1s和第二区域1t)来制作衬底L1，由通过气相法而生长的区域(即，气相沉积区域10v)来制作衬底V1、V2、V3、V4、V5、V6和V7。在此，通过液相法在衬底L1中生长的区域的厚度为5μm。
作为将电极蒸发到衬底的Ga面上以进行Hall测量的结果，所有的衬底L1、V1、V2、V3、V4、V5、V6和V7都被证实具有0.01Ω·m的电阻率，并被确认为是适合用于蓝紫光激光器和其它光学器件的导电衬底。
(5)LD的构造
衬底L1、V1、V2、V3、V4、V5、V6和V7用作III族氮化物晶体衬底100，从而以与实施例1的方式相同的方式由所述衬底中的每个来构造1000个LD。对LD进行与实施例1相同的寿命测试，证实：对于所有的衬底，合格的LD的良率高达80％。
在此被公开的实施例和实施方式实际上是示例性的，不应该被认为是限制性的。本发明的范围不受前面描述的限定，应该被理解为，除了落入本发明范围的所有改变之外，还包括本发明的权利要求书及其等同物中的特征。

Claims (12)

1.一种III族氮化物晶体的制造方法，包括：
制备包含III族氮化物籽晶的下衬底的步骤，所述III族氮化物籽晶具有基体和反转域，在所述反转域中，<0001>方向的极性相对于所述基体而被反转；以及
通过液相法在所述下衬底的所述基体和所述反转域之上生长III族氮化物晶体的步骤；其特征在于：
第一区域覆盖第二区域，在所述第一区域中，在所述基体之上生长的III族氮化物晶体的生长速率较大，在所述第二区域中，在所述反转域之上生长的III族氮化物晶体的生长速率较小。
2.根据权利要求1所述的III族氮化物晶体的制造方法，其特征在于：
在所述下衬底中，所述反转域的表面相对于所述基体表面是凹陷的。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的III族氮化物晶体的制造方法，其特征在于：
沿着所述下衬底上的{0001}面，所述反转域被形成为多个条状区域，所述条状区域以规则的间隔互相平行地布置。
4.根据权利要求1或权利要求2所述的III族氮化物晶体的制造方法，其特征在于：
沿着所述下衬底上的{0001}面，所述反转域被形成为多个点状区域，所述点状区域以规则的间隔二维地布置。
5.根据权利要求1或权利要求2所述的III族氮化物晶体的制造方法，其特征在于：
沿着所述下衬底上的{0001}面，所述反转域为蜂房形式，其二维地布置成密堆积正六边形。
6.根据权利要求1或权利要求2所述的III族氮化物晶体的制造方法，其特征在于：
所述III族氮化物晶体生长为1μm或更大的厚度。
7.根据权利要求1或权利要求2所述的III族氮化物晶体的制造方法，其特征在于：
所述III族氮化物晶体的表面电阻率为1×105Ω·cm或更大。
8.根据权利要求1或权利要求2所述的III族氮化物晶体的制造方法，其特征在于：
在氮化物反应容器中生长所述III族氮化物晶体。
9.根据权利要求1或权利要求2所述的III族氮化物晶体的制造方法，包括通过气相法而使已通过液相法生长到所述下衬底之上的III族氮化物晶体进一步生长的步骤。
10.一种III族氮化物晶体衬底，所述III族氮化物晶体衬底通过加工根据权利要求1至9中的任一项所述的制造方法而制得的III族氮化物晶体来获得。
11.根据权利要求10所述的III族氮化物晶体衬底，其中，所述III族氮化物晶体的加工包括将所述III族氮化物晶体切片或者解理的步骤。
12.一种III族氮化物半导体器件，其中，在根据权利要求10中所述的III族氮化物晶体衬底之上形成至少单层III族氮化物半导体层。
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