CN102465342A - 制造GaN基膜的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种制造GaN基膜的方法,所述方法包括准备复合衬底的步骤,所述复合衬底包含支持衬底和布置在所述支持衬底的主表面侧上的单晶膜,在所述支持衬底中主表面的热膨胀系数比GaN晶体在a轴方向上的热膨胀系数的1.0倍大且比其1.2倍小,所述单晶膜相对于垂直于所述单晶膜的主表面的轴呈三重对称;以及在所述复合衬底中的所述单晶膜的所述主表面上形成GaN基膜的步骤,所述复合衬底中的所述单晶膜为SiC膜。由此,提供了一种制造GaN基膜的方法,所述方法能够制造具有大主表面积和较少翘曲的GaN基膜。

Description

制造GaN基膜的方法
技术领域
本发明涉及一种制造GaN基膜的方法,所述方法能够得到具有大主表面积和较少翘曲的GaN基膜。
背景技术
GaN基膜适合用作半导体器件如发光器件和电子器件中的衬底和半导体层。从衬底与GaN基膜之间在晶格常数和热膨胀系数方面的匹配或基本匹配考虑,作为用于制造这种GaN基膜的衬底,GaN衬底是最好的。然而,GaN衬底非常贵,且难以获得主表面的直径超过2英寸的这种具有大直径的GaN衬底。
因此,通常将蓝宝石衬底用作用于形成GaN基膜的衬底。蓝宝石衬底和GaN晶体在晶格常数和热膨胀系数方面相互明显不同。
因此,为了缓和蓝宝石衬底与GaN晶体之间晶格常数的不匹配并生长具有良好结晶度的GaN晶体,例如,日本特开平04-297023号公报公开了,在蓝宝石衬底上生长GaN晶体时,在蓝宝石衬底上生长GaN缓冲层并在所述GaN缓冲层上生长GaN晶体层。
另外,为了通过使用热膨胀系数接近于GaN晶体的衬底而得到翘曲较少的GaN膜,例如,日本特表2007-523472号公报(对应WO2005/076345)公开了具有一对或多对如下层的复合支持衬底,所述层的热膨胀系数与位于其间的中心层基本相同且总的热膨胀系数与GaN晶体的热膨胀系数基本相同。
发明内容
根据上述日本特开平04-297023号公报,生长GaN晶体,同时在晶体生长方向上发生凹进形翘曲,这可能是因为在GaN晶体的生长期间由于缔合而消灭晶体缺陷如位错。
然而,如上所述,蓝宝石衬底的热膨胀系数远高于GaN晶体,因此,在晶体生长之后的冷却期间,生长的GaN晶体以在晶体生长方向上突出的形状大大翘曲并得到了以在晶体生长方向上突出的形状而大大翘曲的GaN膜。此处,由于蓝宝石衬底的主表面具有更大的直径,所以在上述生长期间GaN晶体的翘曲变得更大(具体地,得到的GaN膜的翘曲与蓝宝石衬底主表面的直径的平方基本成比例)。因此,在主表面具有更大的直径时,难以得到翘曲较少的GaN膜。
在上述日本特表2007-523472号公报(对应WO2005/076345)中公开的复合支持衬底的热膨胀系数与GaN晶体的热膨胀系数基本相同,因此在其上生长的GaN层的翘曲能够较少。然而,这种复合支持衬底具有复杂的结构,且所述结构的设计和形成困难。因此,用于设计和制造的成本变得非常高且用于制造GaN膜的成本变得非常高。
本发明的目的是解决上述问题并提供一种制造GaN基膜的方法,所述方法能够制造具有大主表面积和较少翘曲的GaN基膜。
根据一个方面,本发明涉及一种制造GaN基膜的方法,所述方法包括准备复合衬底的步骤,所述复合衬底包含支持衬底和布置在所述支持衬底的主表面侧上的单晶膜,在所述支持衬底中主表面的热膨胀系数比GaN晶体在a轴方向上的热膨胀系数的1.0倍大且比其1.2倍小,所述单晶膜相对于垂直于所述单晶膜的主表面的轴呈三重对称;以及在所述复合衬底中的所述单晶膜的所述主表面上形成GaN基膜的步骤,所述复合衬底中的所述单晶膜为SiC膜。
在根据本发明的制造GaN基膜的方法中,在所述复合衬底中所述单晶膜的所述主表面可具有等于或大于45cm2的面积。所述形成GaN基膜的步骤可包括:在所述单晶膜的所述主表面上形成GaN类缓冲层的子步骤和在所述GaN类缓冲层的主表面上形成GaN类单晶层的子步骤。所述复合衬底中的所述支持衬底可以由烧结体制成。
根据本发明,可提供一种制造GaN基膜的方法,所述方法能够制造具有大主表面积和较少翘曲的GaN基膜。
当结合附图时,根据本发明的下列详细说明,将使得本发明的上述和其他目的、特征、方面和优势变得更加显而易见。
附图说明
图1是显示根据本发明制造GaN基膜的方法的一个实例的示意性横断面图,(A)显示了准备复合衬底的步骤且(B)显示了形成GaN基膜的步骤。
图2是显示在根据本发明制造GaN基膜的方法中所使用的准备复合衬底的步骤的一个实例的示意性横断面图,(A)显示了准备复合衬底的子步骤,(B)显示了在底部衬底上形成单晶膜的子步骤,(C)显示了将单晶膜结合到支持衬底上的子步骤,且(D)显示了将底部衬底从单晶膜分离的子步骤。
具体实施方式
参考图1,根据本发明制造GaN基膜的方法的一个实施方案包括准备复合衬底10的步骤,所述复合衬底10包含支持衬底11和布置在所述支持衬底11的主表面11m侧上的单晶膜13,在所述支持衬底11中主表面11m的热膨胀系数比GaN晶体在a轴方向上的热膨胀系数的1.0倍大且比其1.2倍小,所述单晶膜13相对于垂直于所述单晶膜13的主表面13m的轴呈三重对称(图1(A));以及在所述复合衬底10中的所述单晶膜13的主表面13m上形成GaN基膜20的步骤(图1(B))。此处,GaN基膜是指由含有Ga作为III族元素的III族氮化物形成的膜,其例示性地有例如GaxInyAl1-x-yN膜(x>0,y≥0,x+y≤1)。
根据本实施方案中制造GaN基膜的方法,通过使用复合衬底,能够得到具有大主表面积(即大直径)和较少翘曲的GaN基膜,所述复合衬底包含支持衬底和布置在所述支持衬底的主表面侧上的单晶膜,在所述支持衬底中主表面的热膨胀系数比GaN晶体在a轴方向上的热膨胀系数的1.0倍大且比其1.2倍小,所述单晶膜相对于垂直于所述单晶膜的主表面的轴呈三重对称。
准备复合衬底的步骤
参考图1(A),本实施方案中制造GaN基膜的方法包括准备复合衬底10的步骤,所述复合衬底10包含支持衬底11和布置在所述支持衬底11的主表面11m侧上的单晶膜13,在所述支持衬底11中所述主表面11的热膨胀系数比GaN晶体在a轴方向上的热膨胀系数的1.0倍大且比其1.2倍小,所述单晶膜13相对于垂直于所述单晶膜13的所述主表面13m的轴呈三重对称。
上述复合衬底10包含支持衬底11和布置在所述支持衬底11的主表面11m侧上的单晶膜13,在所述支持衬底11中所述主表面11m的热膨胀系数稍高于GaN晶体在a轴方向上的热膨胀系数(具体地,比其1.0倍大且比其1.2倍小),所述单晶膜13相对于垂直于单晶膜13的主表面13m的轴呈三重对称。因此,能够在复合衬底10的单晶膜13的主表面13m上生长翘曲较少、位错密度低且直径大的GaN基膜。
从在复合衬底10的单晶膜13上生长翘曲较少、位错密度低且直径大的GaN基膜考虑,上述复合衬底10中所包含的支持衬底11在主表面11m的热膨胀系数应比GaN晶体在a轴方向上的热膨胀系数的1.0倍大且比其1.2倍小,优选比其1.04倍大且比其1.15倍小,进一步优选比其1.04倍大且比其1.10倍小。
此处,支持衬底11没有特别限制,只要衬底在主表面11m的热膨胀系数比GaN晶体在a轴方向上的热膨胀系数的1.0倍大且比其1.2倍小即可,且衬底可以为单晶、多晶或非晶的。从易于根据原料的种类和比率的变化而调节热膨胀系数并易于得到在上述范围内的热膨胀系数考虑,支持衬底11优选由烧结体制成。例如,所述烧结体的优选实例包括A12O3-SiO2-基烧结体、SiO2-MgO烧结体、和SiO2-ZrO2烧结体等。
此处,由于支持衬底11和GaN晶体各自的热膨胀系数通常随其温度而波动很大,所以重要的是,应根据热膨胀系数确定温度或温度区域。本发明的目的是在复合衬底上制造翘曲较少的GaN基膜。在从室温升温的同时,在用于GaN基膜的成膜温度下在复合衬底上形成GaN基膜,其后将温度降至室温,然后,将在复合衬底上形成的GaN基膜取出。因此适当考虑,对支持衬底和GaN晶体各自从室温到用于GaN基膜的成膜温度的平均热膨胀系数进行处理以作为支持衬底和GaN晶体各自的热膨胀系数。然而,即使在惰性气氛中,如果温度超过800℃,所述GaN晶体也会分解。因此,在本发明中,支持衬底和GaN晶体各自的热膨胀系数由从室温(具体地,25℃)到800℃的平均热膨胀系数确定。
另外,从在复合衬底10的单晶膜13上生长翘曲较少、位错密度低且直径大的GaN基膜考虑,布置在上述复合衬底10中所包含的支持衬底11主表面11m侧上的单晶膜13应相对于垂直于单晶膜13的主表面13m的轴呈三重对称,且所述单晶膜的优选实例包括具有(0001)面作为主表面13m的蓝宝石膜、具有(0001)面作为主表面13m的SiC膜、具有(111)面作为主表面13m的Si膜、具有(111)面作为主表面13m的GaAs膜等。此处,相对于垂直于单晶膜的主表面的轴呈三重对称的单晶膜不是指在晶体几何学方面严格呈三重对称,而是在实际单晶膜中基本呈三重对称,具体是指,在单晶膜的晶体几何学方面严格的三重对称轴与垂直于单晶膜主表面的轴之间的角的绝对值不超过10°即可。
从在复合衬底10中减少翘曲并降低位错密度考虑,支持衬底11的主表面11m和单晶膜13的主表面13m优选基本相互平行。此处,两个表面基本相互平行是指,由这两个表面形成的角的绝对值不超过10°。
另外,在复合衬底10的支持衬底11的主表面11m侧上布置单晶膜13的方法没有特别限制,且例示性方法包括在支持衬底11的主表面11m上直接生长单晶膜13的方法(第一方法)、将在底部衬底的主表面上形成的单晶膜13结合到支持衬底11的主表面11m上并其后将所述底部衬底除去的方法(第二方法)、将单晶(未示出)结合到支持衬底11的主表面11m上并其后在指定深度的平面处将单晶与结合表面分离以由此在支持衬底11的主表面11m上形成单晶膜13的方法(第三方法)等。在支持衬底由多晶烧结体制成的情况中,上述第一方法困难且因此优选使用上述第二和第三方法中的任一种。在上述第二方法中将单晶膜13结合到支持衬底11上的方法没有特别限制,且例示性方法包括将单晶膜13直接结合到支持衬底11的主表面11m上的方法、利用插入的胶粘层12将单晶膜13结合到支持衬底11的主表面11m上的方法等。在上述第三方法中将单晶结合到支持衬底11上的方法没有特别限制,且例示性方法包括将单晶直接结合到支持衬底11的主表面11m上的方法、利用插入的胶粘层12将单晶结合到支持衬底11的主表面11m上的方法等。
上述准备复合衬底10的步骤没有特别限制。然而,从有效准备高品质的复合衬底10考虑,例如,参考图2,上述第二方法能够包括准备支持衬底11的子步骤(图2(A))、在底部衬底30的主表面30n上形成单晶膜13的子步骤(图2(B))、将支持衬底11和单晶膜13相互结合的子步骤(图2(C))、以及除去底部衬底30的子步骤(图2(D))。
在图2(C)中,在将支持衬底11和单晶膜13相互结合的子步骤中,在支持衬底11的主表面11m上形成胶粘层12a(图2(C1)),在底部衬底30的主表面30n上生长的单晶膜13的主表面13n上形成胶粘层12b(图2(C2)),其后将在支持衬底11上形成的胶粘层12a的主表面12am与在底部衬底30上形成的单晶膜13上形成的胶粘层12b的主表面12bn相互结合,由此利用通过插入的胶粘层12a与胶粘层12b之间的接合而形成的胶粘层12将支持衬底11与单晶膜13相互结合(图2(C3))。然而,如果能够将支持衬底11与单晶膜13相互接合,则能够将支持衬底11与单晶膜13直接相互结合而不插入胶粘层12。
用于将支持衬底11和单晶膜13相互结合的具体技术没有特别限制。然而,从在结合之后即使在高温下仍保持接合强度的能力考虑,优选使用对结合表面进行洗涤、实施结合、并其后将温度提高至约600℃~1200℃以用于接合的直接接合法,对结合表面进行洗涤、利用等离子体或离子等对结合表面进行活化、并其后在约室温(例如25℃)到400℃的低温下实施接合的表面活化法等。
形成GaN基膜的步骤
参考图1(B),在本实施方案中制造GaN基膜的方法包括在复合衬底10中的单晶膜13的主表面13m上形成GaN基膜20的步骤。
在上述准备复合衬底的步骤中准备的复合衬底10包含支持衬底11和布置在所述支持衬底11主表面11m侧上的单晶膜13,在所述支持衬底11中主表面11m的热膨胀系数稍高于GaN晶体在a轴方向上的热膨胀系数(具体地,比其1.0倍大且比其1.2倍小),所述单晶膜13相对于垂直于单晶膜13的主表面13m的轴呈三重对称。因此,能够在复合衬底10的单晶膜13的主表面13m上形成翘曲较少、位错密度低且直径大的GaN基膜20。
尽管形成GaN基膜的方法没有特别限制,但是从形成位错密度低的GaN基膜考虑,优选例示性地有气相外延法如MOCVD(金属有机化学气相沉积)法、HVPE(氢化物气相外延)法、MBE(分子束外延)法和升华法;液相外延法如助熔剂法和高氮压溶液法。
形成GaN基膜的步骤没有特别限制。然而,从形成位错密度低的GaN基膜考虑,所述步骤优选包括在复合衬底10的单晶膜13的主表面13m上形成GaN类缓冲层21的子步骤和在GaN类缓冲层21的主表面21m上形成GaN类单晶层23的子步骤。此处,GaN类缓冲层21是指结晶度低或非结晶的层,其为GaN基膜20的一部分且是在低于GaN类单晶层23的生长温度的温度下生长的,所述GaN类单晶层23是GaN基膜20的另一部分。
通过形成GaN类缓冲层21,在GaN类缓冲层21上形成的GaN类单晶层23与单晶膜13之间的晶格常数不匹配得到缓和,因此GaN类单晶层23的结晶度提高且其位错密度下降。因此,GaN基膜20的结晶度提高且其位错密度下降。
还能够将GaN类单晶层23形成为单晶膜13上的GaN基膜20,而不生长GaN类缓冲层21。这种方法适用于单晶膜13与在其上形成的GaN基膜20之间的晶格常数不匹配较小的情况。
实施例1
1.测量GaN晶体的热膨胀系数
从利用HVPE法生长并具有1×106cm-2的位错密度、1×1018cm-2的Si浓度、1×1017cm-2的氧浓度和1×1016cm-2的碳浓度的GaN单晶切割具有2×2×20mm尺寸的评价用试样(具有在纵向上的a轴并具有C面和M面中的任一种以作为平行于所述纵向的面,且面取向的准确度在±0.1°内)。
利用TMA(热机分析)对在将温度从室温(25℃)升至800℃时上述评价用试样的平均热膨胀系数进行了测量。具体地,使用由日本理学株式会社(Rigaku Corporation)制造的TMA8310,在氮气流动的气氛中利用差示热膨胀测量法测量了评价用试样的热膨胀系数。通过这种测量得到的GaN晶体在a轴方向上的25℃~800℃的平均热膨胀系数αGaN-a为5.84×10-6/℃。
2.准备复合衬底的步骤
(1)准备支持衬底的子步骤
参考图2(A),从八种商购可获得的Al2O3-SiO2基烧结体A~H中的每一种上切割具有2×2×20mm尺寸的测量用试样(具有基本平行于从烧结体切割的支持衬底的主表面的方向以作为纵向),以作为用于支持衬底11的材料。此处,由于Al2O3-SiO2基烧结体不具有方向特殊性,所以可设置任意切割方向。按上述测量了在将温度从室温(25℃)升至800℃时这些测量用试样各自的平均热膨胀系数αS
Al2O3-SiO2基烧结体获得了5.5×10-6/℃的25℃~800℃下的平均热膨胀系数αS且烧结体的热膨胀系数αS对GaN晶体在a轴方向上的平均热膨胀系数αGaN-a之比(下文中称作αSGaN-a比)为0.942。Al2O3-SiO2基烧结体B获得了5.9×10-6/℃的25℃~800℃的平均热膨胀系数αS且αSGaN-a比为1.010。Al2O3-SiO2基烧结体C获得了6.1×10-6/℃的25℃~800℃的平均热膨胀系数αS且αSGaN-a比为1.045。Al2O3-SiO2基烧结体D获得了6.4×10-6/℃的25℃~800℃的平均热膨胀系数αS且αSGaN-a比为1.096。Al2O3-SiO2基烧结体E获得了6.6×10-6/℃的25℃~800℃的平均热膨胀系数αS且αSGaN-a比为1.130。Al2O3-SiO2基烧结体F获得了7.0×10-6/℃的25℃~800℃的平均热膨胀系数αS且αSGaN-a比为1.199。Al2O3-SiO2基烧结体G获得了7.2×10-6/℃的25℃~800℃的平均热膨胀系数αS且αSGaN-a比为1.233。Al2O3-SiO2基烧结体H获得了7.5×10-6/℃的25℃~800℃的平均热膨胀系数αS且αSGaN-a比为1.284。
从上述各种Al2O3-SiO2基烧结体A~H上切割具有4英寸(101.6mm)直径和1mm厚度的支持衬底,并对各种支持衬底的相反主表面进行镜面研磨,由此得到支持衬底A~H。即,支持衬底A~H中各自的25℃~800℃的平均热膨胀系数等于Al2O3-SiO2基烧结体A~H各自的25℃~800℃的平均热膨胀系数。表1总结了所述结果。
(2)在底部衬底上形成单晶膜的子步骤
参考图2(B),准备具有镜面研磨的(111)面作为主表面30n并具有5英寸(127mm)直径和0.5mm厚度的Si衬底以作为底部衬底30。
利用CVD(化学气相沉积)法在上述Si衬底(底部衬底30)的主表面30n上形成具有0.4μm厚度的SiC膜以作为单晶膜13。关于成膜条件,将SiH4气和C3H8气用作源气体,将H2气用作载气,将成膜温度设定为1300℃,并将成膜压力设定为大气压。在由此得到的SiC膜(单晶膜13)的主表面13m中包含Si原子面((0001)面)和C原子面((000-1)面)以作为混合状镶嵌图案。
(3)将支持衬底和单晶膜相互结合的子步骤
参考图2(C)中的(C1),利用CVD法在图2(A)中的各种支持衬底A~H(支持衬底11)的主表面11m上形成具有2μm厚度的SiO2膜。然后,通过利用CeO2浆体对各种支持衬底A~H(支持衬底11)的主表面11m上的具有2μm厚度的SiO2膜进行研磨,使得仅残留具有0.2μm厚度的SiO2膜以充当胶粘层12a。由此,掩埋各种支持衬底A~H(支持衬底11)的主表面11m中的孔,由此得到具有平坦主表面12am和0.2μm厚度的SiO2膜(胶粘层12a)。
此外,参考图2(C)中的(C2),在1000℃的氧气氛中对图2(B)中的Si衬底(底部衬底30)上形成的SiC膜(单晶膜13)的主表面13n进行氧化,由此在SiC膜(单晶膜13)的主表面13n上形成具有0.2μm厚度的SiO2层(胶粘层12b)。
接下来,参考图2(C)中的(C3),通过氩等离子体对各种支持衬底A~H(支持衬底11)上形成的SiO2膜(胶粘层12a)的主表面12am和Si衬底(底部衬底30)上形成的SiC膜(单晶膜13)上形成的SiO2层(胶粘层12b)的主表面12bn进行清洁并活化,其后,将SiO2膜(胶粘层12a)的主表面12am和SiO2层(胶粘层12b)的主表面12bn相互结合,随后在300℃的氮气氛中热处理2小时。
(4)除去底部衬底的子步骤
参考图2(D),利用蜡40对背面侧(未结合单晶膜13的侧)上的主表面和各种支持衬底A~H(支持衬底11)的侧表面进行覆盖和保护,其后,通过使用氢氟酸和硝酸的混合酸水溶液进行腐蚀而将Si衬底(底部衬底30)除去。由此,得到分别在支持衬底A~H(支持衬底11)的主表面11m侧上布置SiC膜(单晶膜13)的复合衬底A~H。
3.形成GaN基膜的步骤
参考图1(B),利用MOCVD法在各种复合衬底A~H(复合衬底10)的SiC膜(单晶膜13)的主表面13m(这种主表面为(0001)面、(000-1)面或这些面的混合)上和在具有4英寸(101.6mm)直径和1mm厚度的蓝宝石衬底的主表面(这种主表面为(0001)面)上形成GaN膜(GaN基膜20)。在形成GaN膜(GaN基膜20)中,将TMG(三甲基镓)气体和NH3气用作源气体,将H2气用作载气,并在500℃下生长GaN缓冲层(GaN类缓冲层21)至0.1μm的厚度,然后在1050℃下生长GaN单晶层(GaN类单晶层23)至5μm的厚度。此处,GaN单晶层的生长速率为1μm/小时。其后,在10℃/分钟的速率下将其中分别在复合衬底A~H和蓝宝石衬底上形成GaN膜的晶片A~H和R冷却至室温(25℃)。
关于在冷却至室温之后从成膜装置中取出的晶片A~H和R,测量晶片的翘曲以及GaN膜的外观和位错密度。此处,利用CorningTropel的FM200EWafer确定了在GaN膜主表面处晶片的翘曲形状和翘曲量,利用Nomarski显微镜观察了GaN膜的外观,并基于黑点的密度利用CL(阴极发光)测量了GaN膜的位错密度。
晶片A在GaN膜侧上以凹进方式翘曲,翘曲量为60μm,且在GaN膜中产生大量裂纹。晶片B在GaN膜侧上以凹进方式翘曲,翘曲量为320μm,在GaN膜中未产生裂纹,且GaN膜的位错密度为3×108cm-2。晶片C在GaN膜侧上以凹进方式翘曲,翘曲量为10μm,在GaN膜中未产生裂纹,且GaN膜的位错密度为1×108cm-2。晶片D在GaN膜侧上以突出方式翘曲,翘曲量为20μm,在GaN膜中未产生裂纹,且GaN膜的位错密度为1×108cm-2。晶片E在GaN膜侧上以突出方式翘曲,翘曲量为110μm,在GaN膜中未产生裂纹,且GaN膜的位错密度为2×108cm-2。晶片F在GaN膜侧上以突出方式翘曲,翘曲量为230μm,在GaN膜中未产生裂纹,且GaN膜的位错密度为3×108cm-2。晶片G在GaN膜侧上以突出方式翘曲,翘曲量为740μm,在GaN膜中未产生裂纹,且GaN膜的位错密度为4×108cm-2。在晶片H中,在支持衬底中发生破裂且未得到充分的GaN膜。晶片R在GaN膜侧上以突出方式翘曲,翘曲量为750μm,在GaN膜中未产生裂纹,且GaN膜的位错密度为4×108cm-2。表1总结了这些结果。在表1中,“-”指示未测量其物理性能值。
参考表1,与使用蓝宝石衬底的情况(晶片R)相比,通过使用具有如下支持衬底的复合衬底(晶片B~F),可形成翘曲极少的GaN膜,在所述支持衬底中主表面的热膨胀系数αS比GaN晶体在a轴方向上的热膨胀系数αGaN-a的1.0倍大且比其1.2倍小(即1.0<(αSGaN-a比)<1.2)。另外,从进一步降低晶片中GaN膜的翘曲和位错密度考虑,在所述复合衬底的支持衬底的主表面的热膨胀系数αS优选比GaN晶体在a轴方向上的热膨胀系数αGaN-a的1.04倍大且比其1.15倍小(即1.04<(αSGaN-a比)<1.15)(晶片C~E),进一步优选比GaN晶体在a轴方向上的热膨胀系数αGaN-a的1.04倍大且比其1.10倍小(即1.04<(αSGaN-a比)<1.10)(晶片C和D)。
尽管在上述实施例中显示了在复合衬底上形成未掺杂的GaN膜的情况,但是在形成通过掺杂而具有n-或p-型导电性的GaN膜的情况中和在形成通过掺杂而提高其电阻率的GaN膜的情况中,也获得了与上述实施例中基本相同的结果。
此外,在形成GaN基膜如GaxInyAl1-x-yN膜(0<x<1,y≥0,x+y≤1)以代替GaN膜的情况中,也获得了与上述实施例相同的结果。特别地,在形成GaxInyAl1-x-yN膜(0.5<x<1,y≥0,x+y≤1)以代替GaN膜的情况中,获得了与上述实施例基本相同的结果。
此外,通过改变III族元素如Ga、In和Al的组成比能够形成多种GaN基膜(具体地,GaxInyAl1-x-yN膜(x>0,y≥0,x+y≤1)等)。即,通过改变III族元素如Ga、In和Al的组成比,能够形成多种GaN基膜如GaxInyAl1-x-yN膜(x>0,y≥0,x+y≤1)等而代替GaN膜。
在实施本发明中,可将已知的位错降低技术如ELO(外延横向过生长)技术用于形成GaN基膜。
另外,在复合衬底上形成GaN基膜之后,可仅将复合衬底的支持衬底或者将整个复合衬底(支持衬底和单晶膜)腐蚀掉。此处,可将GaN基膜转移至另一个支持衬底上。
尽管已经详细地对本发明进行了描述和说明,但是应清楚地理解,上述内容仅是说明性和例示性的且不应被看作是限制性的,本发明的范围由附属权利要求书的项来解释。

Claims (4)

1.一种制造GaN基膜的方法,所述方法包括:
准备复合衬底的步骤,所述复合衬底包含支持衬底和布置在所述支持衬底的主表面侧上的单晶膜,在所述支持衬底中主表面的热膨胀系数比GaN晶体在a轴方向上的热膨胀系数的1.0倍大且比其1.2倍小,所述单晶膜相对于垂直于所述单晶膜的主表面的轴呈三重对称;以及
在所述复合衬底中的所述单晶膜的所述主表面上形成GaN基膜的步骤,
所述复合衬底中的所述单晶膜为SiC膜。
2.如权利要求1所述的制造GaN基膜的方法,其中在所述复合衬底中所述单晶膜的所述主表面具有等于或大于45cm2的面积。
3.如权利要求1所述的制造GaN基膜的方法,其中所述形成GaN基膜的步骤包括:在所述单晶膜的所述主表面上形成GaN类缓冲层的子步骤,以及在所述GaN类缓冲层的主表面上形成GaN类单晶层的子步骤。
4.如权利要求1所述的制造GaN基膜的方法,其中所述复合衬底中的所述支持衬底由烧结体制成。
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Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5938871B2 (ja) 2010-11-15 2016-06-22 住友電気工業株式会社 GaN系膜の製造方法
US8697564B2 (en) 2010-11-16 2014-04-15 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Method of manufacturing GaN-based film
EP2765226A4 (en) * 2011-10-07 2015-06-17 Sumitomo Electric Industries METHOD FOR MANUFACTURING GAN FILM AND COMPOSITE SUBSTRATE USED IN SAID METHOD
CN203277485U (zh) 2012-05-29 2013-11-06 璨圆光电股份有限公司 发光装置、用于形成多方向出光的发光二极管芯片及其蓝宝石基板
US9166116B2 (en) 2012-05-29 2015-10-20 Formosa Epitaxy Incorporation Light emitting device
WO2014057748A1 (ja) * 2012-10-12 2014-04-17 住友電気工業株式会社 Iii族窒化物複合基板およびその製造方法、ならびにiii族窒化物半導体デバイスの製造方法

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101246899A (zh) * 2008-03-20 2008-08-20 中国电子科技集团公司第十三研究所 碳化硅二次外延结构

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10051465A1 (de) * 2000-10-17 2002-05-02 Osram Opto Semiconductors Gmbh Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements auf GaN-Basis
EP1712662A4 (en) * 2003-06-30 2009-12-02 Kenichiro Miyahara SUBSTRATE FOR THE MANUFACTURE OF THIN FILMS, SUBSTRATE FOR THIN FILMS AND LIGHT EMITTING ELEMENT
WO2006116030A2 (en) * 2005-04-21 2006-11-02 Aonex Technologies, Inc. Bonded intermediate substrate and method of making same
JP5938871B2 (ja) * 2010-11-15 2016-06-22 住友電気工業株式会社 GaN系膜の製造方法
US8697564B2 (en) * 2010-11-16 2014-04-15 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Method of manufacturing GaN-based film

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101246899A (zh) * 2008-03-20 2008-08-20 中国电子科技集团公司第十三研究所 碳化硅二次外延结构

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