CN107075719A - 用于生长第iii族氮化物晶体的衬底和其制造方法 - Google Patents

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Abstract

在一个例子中，本发明提供一种用于生长第III族氮化物的厚层的衬底。所述衬底具有经制备用于第III族氮化物的外延生长的第一表面和与所述第一表面相对、具有多个凹槽的第二表面。本发明还提供一种使用有槽衬底产生第III族氮化物的厚层或块状晶体的方法。在一个配置中，所述有槽衬底生长第III族氮化物的厚层或块状晶体，其中弓曲和/或从所述衬底自发分离减少。

Description

用于生长第III族氮化物晶体的衬底和其制造方法
相关申请的交叉参考
本申请要求发明人桥本忠雄(Tadao Hashimoto)于2014年9月11日提交的标题为“用于生长第III族氮化物晶体的衬底和其制造方法(Substrates for Growing Group IIINitride Crystals and Their Fabrication Method)”的美国专利申请序列号62/049,036的优先权，其全部内容以全文引用的方式并入本文中，如全文列出一样。
本申请还与以下美国专利申请相关：
藤户研二(Kenji Fujito)、桥本忠雄和中村修司(Shuji Nakamura)于2005年7月8日提交的标题为“使用高压釜在超临界氨气中生长第III族氮化物晶体的方法(METHOD FORGROWING GROUP III-NITRIDE CRYSTALS IN SUPERCRITICAL AMMONIA USING ANAUTOCLAVE)”的PCT实用专利申请序列号US2005/024239，代理人案卷号30794.0129-WO-01(2005-339-1)；
桥本忠雄、西都诚(Makoto Saito)和中村修司于2007年4月6日提交的标题为“在超临界氨气中生长较大表面积氮化镓晶体的方法和较大表面积氮化镓晶体”的美国实用专利申请第11/784,339号，代理人案卷号30794.179-US-U1(2006-204)，所述申请要求桥本忠雄、西都诚和中村修司于2006年4月7日提交的标题为“在超临界氨气中生长较大表面积氮化镓晶体的方法和较大表面积氮化镓晶体(A METHOD FOR GROWING LARGE SURFACE AREAGALLIUM NITRIDE CRYSTALS IN SUPERCRITICAL AMMONIA AND LARGE SURFACE AREAGALLIUM NITRIDE CRYSTALS)”的美国临时专利申请第60/790,310号的35U.S.C.部分119(e)的权益，代理人案卷号30794.179-US-P1(2006-204)；
桥本忠雄和中村修司于2007年9月19日提交的标题为“氮化镓块状晶体和其生长方法(GALLIUM NITRIDE BULK CRYSTALS AND THEIR GROWTH METHOD)”的美国实用专利申请第60/973,602号，代理人案卷号30794.244-US-P1(2007-809-1)；
桥本忠雄于2007年10月25日提交的标题为“在超临界氨气与氮气的混合物中生长第III族氮化物晶体的方法和由此生长的第III族氮化物晶体(METHOD FOR GROWING GROUPIII-NITRIDE CRYSTALS IN A MIXTURE OF SUPERCRITICAL AMMONIA AND NITROGEN,ANDGROUP III-NITRIDE CRYSTALS GROWNTHEREBY)”的美国实用专利申请第11/977,661号，代理人案卷号30794.253-US-U1(2007-774-2)；
桥本忠雄、爱德华莱特思(Edward Letts)、碇正则(Masanori Ikari)于2008年2月25日提交的标题为“用于产生第III族氮化物晶片的方法和第III族氮化物晶片(METHODFOR PRODUCING GROUP III-NITRIDE WAFERS AND GROUP III-NITRIDE WAFERS)”的美国实用专利申请第61/067,117号，代理人案卷号62158-30002.00或SIXPOI-003；
爱德华莱特思、桥本忠雄、碇正则于2008年6月4日提交的标题为“通过氨热生长，由初始第III族氮化物晶种产生结晶度提高的第III族氮化物晶体的方法(METHODS FORPRODUCING IMPROVED CRYSTALLINITY GROUP III-NITRIDE CRYSTALS FROM INITIALGROUP III-NITRIDE SEED BY AMMONOTHERMAL GROWTH)”的美国实用专利申请第61/058,900号，代理人案卷号62158-30004.00或SIXPOI-002；
桥本忠雄、爱德华莱特思、碇正则于2008年6月4日提交的标题为“用于生长第III族氮化物晶体的高压器皿和使用高压器皿生长第III族氮化物晶体的方法以及第III族氮化物晶体(HIGH-PRESSURE VESSEL FOR GROWING GROUP III NITRIDE CRYSTALS ANDMETHOD OF GROWING GROUP III NITRIDE CRYSTALS USING HIGH-PRESSURE VESSEL ANDGROUP III NITRIDE CRYSTAL)”的美国实用专利申请第61/058,910号，代理人案卷号62158-30005.00或SIXPOI-005；
桥本忠雄、碇正则、爱德华莱特思于2008年6月12日提交的标题为“用测试数据测试III氮化物晶片和III氮化物晶片的方法(METHOD FOR TESTING III-NITRIDE WAFERSAND III-NITRIDE WAFERS WITH TEST DATA)”的美国实用专利申请第61/131,917号，代理人案卷号62158-30006.00或SIXPOI-001；
桥本忠雄、碇正则、爱德华莱特思于2008年10月16日提交的标题为“用于生长第III族氮化物晶体的反应器设计和生长第III族氮化物晶体的方法(REACTOR DESIGN FORGROWING GROUP III NITRIDE CRYSTALS AND METHOD OF GROWING GROUP III NITRIDECRYSTALS)”的美国实用专利申请第61/106,110号，代理人案卷号SIXPOI-004；
桥本忠雄、爱德华莱特思、西拉霍夫(Sierra Hoff)于2012年8月28日提交的标题为“第III族氮化物晶片和生产方法(GROUP III NITRIDE WAFER AND PRODUCTIONMETHOD)”的美国实用专利申请第61/694,119号，代理人案卷号SIXPOI-015；
桥本忠雄、爱德华莱特思、西拉霍夫于2012年9月25日提交的标题为“生长第III族氮化物晶体的方法(METHOD OF GROWING GROUP III NITRIDE CRYSTALS)”的美国实用专利申请第61/705,540号，代理人案卷号SIXPOI-014；
所述申请以全文引用的方式并入本文中，如下文全文列出一样。
技术领域
本发明涉及一种用于产生第III族氮化物半导体材料，如GaN和AlN的厚层或块状晶体的衬底。本发明还提供产生第III族氮化物半导体材料的厚层或块状晶体的方法。第III族氮化物的厚层或块状晶体用于产生第III族氮化物半导体的晶片，如GaN晶片。
背景技术
本文档是指如在方括号(例如[x])内的数目指示的若干种出版物和专利。以下为这些出版物和专利的清单：
[1]R.堆林斯基(Dwiliński),R.多拉金斯基(Doradziński),J.盖克金斯基(Garczyński),L.赛兹普托斯基(Sierzputowski),Y.坎巴拉(Kanbara),美国专利案第6,656,615号。
[2]R.堆林斯基,R.多拉金斯基,J.盖克金斯基,L.赛兹普托斯基,Y.坎巴拉,美国专利案第7,132,730号。
[3]R.堆林斯基,R.多拉金斯基,J.盖克金斯基,L.赛兹普托斯基,Y.坎巴拉,美国专利案第7,160,388号。
[4]K.藤户(Fujito),T.桥本(Hashimoto),S.中村(Nakamura),国际专利申请第PCT/US2005/024239号，W007008198。
[5]T.桥本,M.西都(Saito),S.中村,国际专利申请第PCT/US2007/008743号，WO07117689。还参见US20070234946，2007年4月6日提交的美国申请序列号11/784,339。
[6]D'伊芙琳(Evelyn)，美国专利案第7,078,731号。
[7]酒井(Sakai)等人,应用物理学快报(Applied Physics Letters)第71卷(1997)第2259页。
本文档中列出的参考文献中的每一个以全文引用的方式并入本文中，如全文列出一样，且尤其相对于其制得和使用第III族氮化物衬底的方法的描述。
氮化镓(GaN)和其相关第III族氮化物合金为用于各种光电子和电子装置，如LED、LD、微波功率晶体管和日盲光检测器的关键材料。目前，LED广泛用于显示器、指示器、一般照明中，且LD用于数据存储磁盘驱动器中。然而，这些装置中的大多数外延生长在非均相衬底，如蓝宝石和碳化硅上，因为相比于这些异质外延的衬底，GaN衬底极其昂贵。第III族氮化物的异质外延的生长导致高度缺陷或甚至裂化的膜，其妨碍高端光学和电子装置的实现，如用于一般照明的高亮度LED或大功率微波晶体管。
为了解决由异质外延引起的基本问题，必不可少地利用结晶第III族氮化物。对于大多数装置，结晶GaN晶片为有利的，因为其相对易于控制晶片的导电率和GaN晶片将提供最小晶格/与装置层热不匹配。然而，归因于高温下的高熔点和高氮气蒸气压，难以生长GaN晶体锭。目前，大多数可商购GaN晶片通过称为氢化物气相外延法(HVPE)的方法产生。
为了获得GaN的块状晶体(从其中可切开GaN晶片)，已研发出各种生长方法，如氨热生长、熔化生长、高温溶液生长。氨热方法在超临界氨气中生长第III族氮化物晶体[1-6]。熔化方法和高温溶液生长使用第III族金属的熔融物。然而，这些方法典型地需要GaN晶种。因为单晶GaN在自然界中不存在，所以通过HVPE生长的GaN晶片典型地用作晶种。
为了通过HVPE产生第III族氮化物晶片，第III族氮化物的厚层(>500微米)生长在衬底，典型地蓝宝石、碳化硅、硅或砷化镓上。随后，通过机械打磨、激光辅助分离或化学蚀刻去除衬底。然而，这些方法需要去除衬底的额外工艺。
在结晶衬底的前侧制得特定缓冲层或形成图案的情况下，关于厚GaN膜的自发分离(或自动分离、自身分离、自身分层)存在若干技术。举例来说，在蓝宝石衬底的前侧的周期性SiO2条带掩模实现GaN的选择性生长[7]。因为GaN层仅部分粘着在蓝宝石衬底上，在生长后冷却时厚GaN层与衬底分层。类似地，在衬底的前侧产生周期性沟槽导致所谓的悬臂支架外延，且聚结层还往往会在冷却后分层。这些选择性生长典型地改变位错的传播方向，导致位错消失。然而，此导致GaN表面上的位错不均匀分布，其在搭接和抛光中为不利的。确切地说，化学机械抛光(CMP)利用化学作用，其对位错敏感。位错的不均匀分布在CMP之后导致高度波动。
发明内容
在一个例子中，本发明提供一种用于生长厚度超过0.5mm的第III族氮化物的厚层或块状晶体的衬底。如蓝宝石、碳化硅、石英、玻璃或氮化镓的衬底在背面上具有凹槽，在所述背面可或可不生长第III族氮化物晶体。
本发明还提供一种通过使用背面上具有凹槽的衬底生长第III族氮化物的厚层或块状晶体的方法。优选使用适用于主要在如HVPE的衬底的一个主面或侧面上生长第III族氮化物的厚膜或块状晶体的晶体生长的方法。
附图说明
现参看图式，其中相似参考数字遍及全文表示相应部件：
图1为从衬底边缘观看在背面上具有一组凹槽的衬底的示意图。
在所述图中，各数字表示以下各者：
1.在背面上具有凹槽的衬底，
1a.所述衬底的第一侧面(正面)
1b.所述衬底的第二侧面(背面)
2.凹槽，
3.所述凹槽的宽度，
4.所述凹槽的间距
5.所述凹槽的深度
6.所述衬底的厚度。
图2为衬底的底视图的示意图，说明多个凹槽如何在衬底的第二侧面中形成。
在所述图中，各数字表示以下各者：
1b.所述衬底的第二侧面(背面)，
2.凹槽。
图3为有槽蓝宝石衬底的背表面的显微镜图像。在所述图中，各数字表示以下各者：
1b.所述衬底的第二侧面(背面)，
2.凹槽。
图4为在蓝宝石衬底的背面上制得的凹槽表面的显微镜图像。在所述图中，各数字表示以下各者：
1b.所述衬底的第二侧面(背面)，
2.凹槽。
2a.沿着凹槽方向的划痕。
图5为生产方法的示意性流程。图5(A)为具有用于第III族氮化物生长制备的第一侧面(正面)的衬底。图5(B)为具有在第二侧面(背面)上制得的凹槽的衬底。图5(C)为具有在厚度大于衬底厚度的第一侧面上生长的第III族氮化物的衬底。图5(D)为在第III族氮化物膜从衬底自发分离之后。
在所述图中，各数字表示以下各者：
1.在背面上具有凹槽的衬底，
2.凹槽。
2b.裂痕。
7.衬底
8.附接到衬底上的第III族氮化物层
9.与衬底分离的第III族氮化物层。
图6为第III族氮化物层的弓曲的示意图。
在所述图中，各数字表示以下各者：
10.衬底或具有所述衬底的第III族氮化物层，
11.弓曲量。
具体实施方式
概述
在一个例子中，本发明的衬底在减少的弓曲和任选的自发分离的情况下实现第III族氮化物，如GaN的厚生长。第III族氮化物常用光电装置和电子装置，而大部分装置利用异质外延的衬底，如蓝宝石、碳化硅和硅。此归因于缺乏低成本、高品质自立式第III族氮化物晶片。最近，已用氢化物气相外延法(HVPE)、氨热方法和熔化方法产生GaN衬底，且已用HVPE和物理蒸汽输送方法产生AlN晶片。在这些方法中，HVPE最常用。GaN衬底的HVPE生产涉及在衬底上生长厚GaN层和去除衬底。
当在异质外延的衬底上生长GaN或其它第III族氮化物的厚层时，所述层归因于晶格常数和热膨胀系数的错配而高度受应力。此应力导致层和衬底弓曲。如果弓曲超过临界值，那么层和/或衬底将裂开。另外，有时GaN衬底上块状/厚GaN的同质外延生长甚至导致弓曲和裂化。因此，重要的是通过减小应力来减小在上面生长的厚层和/或衬底的弓曲。
通过HVPE的第III族氮化物(如GaN)的生产工艺的另一问题为去除衬底。目前使用如机械研磨、激光剥离和化学蚀刻的若干方法，但这些方法需要额外工艺来分离衬底和新生长物。已报导GaN层与衬底自发分离的若干情况。一种方法利用掩模或沟槽的选择性生长，然而选择性生长导致位错聚集在一个区域中，导致位错的不均匀分布。这些位错在表面处的终止位置通常在CMP工艺期间产生凹坑，因此位错的不均匀分布将在晶片上引起宏观厚度变化。
本发明的技术说明
本发明公开用于生长第III族氮化物的厚层的衬底且所述衬底可解决上文所论述的问题中的一或多个。衬底在经制备用于第III族氮化物的外延生长的第一侧面或正面处具有主表面，且所述衬底具有与第一侧面相对且具有多个凹槽的第二主表面或背面。凹槽减小在衬底上第III族氮化物的外延生长所引起的外延沉积的第III族氮化物中的应力，尤其相比于其它方面相同但在比较衬底上不具有凹槽的衬底或相比于其它方面相同但在上面待生长第III族氮化物的比较衬底的第一侧面或正面上具有凹槽的衬底。
优选不具有凹槽的衬底的第一侧面可具有高度抛光的表面和/或一或多个施加至其上以制得适用于外延沉积的第一侧面的表面的缓冲层(如AlN或GaN)，而第二侧面可能未抛光或高度抛光和/或可能不具有施加到其上的缓冲层。第二侧面可因此不适用于外延沉积，但在本发明的一种变化形式中，第二侧面也适用于外延沉积。
衬底可为非晶形、多晶或单晶的，且可为异质外延材料，如石英、玻璃、蓝宝石、碳化硅或硅，或衬底可为同质外延材料，如GaN或AlN。衬底可例如具有纤维锌矿晶体结构。在一些情况下，衬底为单晶硅、蓝宝石、GaN或AlN。衬底典型地为至少250微米厚。衬底可为至少500微米厚，或厚度可在例如250与500微米之间。
虽然存在利用衬底上的沟槽的一些异质外延技术，这些方法典型地在上面将进行外延生长的衬底的正面上形成沟槽或凹槽。另一方面，本发明利用衬底的背面上的凹槽，其中外延生长将不一定进行。
如图1中的边缘视图中所示，所描绘的衬底1具有第一侧面或主表面1a，且对于第III族氮化物的外延生长，将此表面抛光到约小于1nm的粗糙度Ra。第二侧面或主表面1b具有多个凹槽2。
图2提供横跨衬底的主面或表面的凹槽的示意图。衬底1b的背面具有凹槽2，其在此情况下沿着衬底和/或所形成的第III族氮化物的结晶定向，且优选凹槽中的至少一些沿着衬底中的裂解方向或平面安置。具有晶体裂解方向或平面的凹槽的此定向使得衬底弯曲更多，因为第III族氮化物沉积且相比于沿着衬底将相同凹槽放置于其它方向上的温度改变。举例来说，当c-平面蓝宝石用作衬底时，凹槽优选沿着蓝宝石的m-平面制得。对于所有可能的等效平面，即(10-10)平面、(01-10)平面和(1-100)平面，优选对称地制得凹槽。然而，取决于情形，可沿着仅一个结晶平面或两个结晶平面制得凹槽，但生长的第III族氮化物中的应力可在这些情况下变得不对称。
因此，衬底在其第二侧面上具有多个凹槽，其中凹槽彼此具有空间关系，和/或衬底允许衬底减小衬底中的弓曲超过比较衬底弓曲，因为第III族氮化物沉积和/或从外延生长条件到环境温度的温度改变。在此情况下，比较衬底可在其中不具有凹槽，但另外与本发明的衬底相同。替代性地，比较衬底可在上面沉积第III族氮化物的正面上具有凹槽，但比较衬底的背面不具有，而另外与本发明的衬底相同。本发明的有槽衬底优选具有足够的硬度，使得在外延生长沉积条件下当第III族氮化物首先沉积于衬底上时具有与表面在室温下具有的弓曲大约相同的弓曲的第一侧面的表面。
通过衬底的第二侧面上的凹槽的尺寸和位置测定空间关系。可用于表征凹槽的尺寸和位置的参数包括例如凹槽宽度、凹槽深度、凹槽间距、凹槽形状、相对于衬底(如上文所解释)的结晶平面的凹槽定向、凹槽表面上的划痕以及衬底厚度。这些参数中的每一个的组合可用于提供所需衬底灵活性。
在一个例子中，参看图1，凹槽的宽度3优选在100微米与300微米之间，且凹槽深度5优选在50微米与衬底1的厚度6的75％之间。凹槽彼此间隔开。凹槽可为平行或交叉的。平行凹槽可全部彼此间隔相同距离以使得所有平行凹槽具有相同时间段。替代性地，平行凹槽可安置在衬底上以使得第一组凹槽具有第一周期性间距，且第二组凹槽具有与第一周期性间距不同的第二周期性间距。替代性地，相邻平行凹槽之间的间距可能不是周期性的。与远离中心的外围区域中的相邻凹槽之间的间距相比，在衬底的第二侧面中心附近，相邻凹槽之间的间距可能较小，其中应力更大。如所论述的单独或组凹槽的间距4优选在0.1mm与5mm之间。这些凹槽可例如具有图2中所说明和如上文所解释的图案。图2中所说明的所述组凹槽的图案可具有三重对称性。通过交叉凹槽形成的形状可为相同的，以使得所有凹槽具有一种形状，即例如三角形，或形状可为如图2中所描绘的不同形状的混合物，其中衬底的第二侧面的一些部分为例如三角形且一些为另一形状，如具有不同长度或相同长度侧面的六边形。图3为实际有槽蓝宝石表面的显微镜图像。凹槽也可以具有曲形底部，如弧形底部，如图1中所示，或凹槽的底部可为平坦或V形的，取决于如何形成凹槽。优选沿着如图4中所示的凹槽具有划痕。具有这些凹槽的一种特定衬底为蓝宝石衬底，且如氮化镓的第III族氮化物沉积于此衬底的第一侧面上。
在本实例中，凹槽宽度、深度和间距明显大于上面生长第III族氮化物的比较衬底的第一侧面中所形成的凹槽的宽度、深度和间距。在第III族氮化物的外延生长沉积期间，比较衬底的第一侧面的平坦度的需要限制比较衬底第一侧面中的凹槽的尺寸和位置。因此，如本文所提供的衬底与在上面生长第III族氮化物的表面上仅具有凹槽的衬底不同，因为凹槽位置、形状和/或尺寸不同以使得衬底不同地影响第III族氮化物生长。
本发明的衬底可具有衬底的未受损的平面第一侧面以确保高品质第III族氮化物的外延生长。第二(背)侧面上的凹槽降低衬底的机械强度。当第III族氮化物层的厚度接近或超过衬底的厚度时，由晶格和/或热膨胀的不匹配引起的应力可通过允许衬底部分略微移动，通过压缩和/或弯曲或产生由凹槽中形成的划痕引发的裂痕被这些凹槽吸收。此可减小应力和/或第III族氮化物层的弓曲且还可能在冷却后诱导第III族氮化物层从衬底自发分离。
图5呈现本发明的示意性工艺流程。对于第III族氮化物的外延生长，制备衬底7以具有适合的前表面(图5(A))。在衬底的背面上制得多个凹槽以形成衬底1(图5(B))。相比于常规技术中的沟槽或凹槽，其中衬底的第一侧面中所形成的凹槽，当前实例中的凹槽宽度、深度和间距明显较大。另外，优选的是沿着凹槽方向具有许多机械划痕。因为这一性质，最优选产生具有产生弧形凹槽底部的多个线锯的凹槽。形成凹槽的另一方法为在室温下或在高温下进行化学蚀刻。举例来说，蓝宝石衬底可通过热(>80℃)磷酸蚀刻，且碳化硅和硅可在氢氟酸与硝酸或熔融的碱性氢氧化物(氢氧化钠、氢氧化钾等)的混合物中蚀刻。虽然其将需要额外时间，可使用其它机械方式，如晶片切片机或通过干式蚀刻(如反应性离子蚀刻)制得凹槽。凹槽也可以经激光蚀刻到衬底表面中。
第一侧面可为平坦的。替代性地，第一侧面可在如上文针对参考文献[7]所提及的第一侧面上具有周期性SiO2条带掩模和/或如例如参考文献[6]中所描述的第一侧面中的孔洞、切口和/或凹槽。
对于外延生长沉积，在凹槽形成之前和/或之后或在形成凹槽的工艺期间，可制备衬底的第一侧面(正面)。如果制得凹槽的工艺污染上面将沉积第III族氮化物的第一侧面的表面，那么优选清洁和/或抛光衬底以去除污染物。在如图5(C)中所示的衬底的第一侧面上生长第III族氮化物8，如GaN、AlN、InN或其固溶体中的一种。生长方法优选为HVPE，但可使用其它方法，如金属有机化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延法(MBE)、氨热生长、熔化生长、高温溶液生长、外延生长溅镀。
当第III族氮化物层的厚度变得较大时，衬底和层开始弓曲。如果所述层经历拉伸应力，如针对蓝宝石衬底来说，那么衬底1和层8变得呈凹面，如图5(C)中所示。相反地，当层经历压缩应力时，衬底1和层9变得呈凸面。在任一情况下，弓曲可通过衬底背面上的凹槽减小。为了产生第III族氮化物的自立式衬底，层厚度优选大于500微米。此外，层厚度优选超过衬底的厚度。
在第III族氮化物的厚层生长之后，衬底上的第III族氮化物层冷却。在冷却后，第III族氮化物层可间或、完全或部分与衬底分层，如图5(D)中所示。虽然此自发分离的详细机制未知，但当第III族氮化物层厚度超过500微米或层厚度超过衬底厚度时，往往会发生自发分离。
比较实例-实例1
通过HVPE在不具有任何凹槽的蓝宝石衬底上生长GaN的厚层。将直径2"、具有5度内切割错误的单侧面抛光c-平面蓝宝石衬底装载到HVPE反应器中。在反应器腔室中，通过使HCl流经熔融的Ga，GaCl合成第III族来源。第V族来源为NH3。首先，使GaN的缓冲层在约900℃下以20sccm的HCl流动速率和3.5slm的NH3流动速率生长10分钟。随后，使GaN厚层在约1030℃下以60sccm的HCl流动速率和2slm的NH3流动速率生长16小时。GaN的总层厚度为约2900微米。在生长之后，衬底上的GaN层冷却，但GaN层并不与衬底分离。晶体弓曲为朝向生长方向607微米(呈凸面)。弓曲11测量为衬底10的边缘与中心之间的高度差异(图6)。
生产有槽衬底-实例2
在2"c-平面蓝宝石衬底的背面上制得凹槽。主面或表面的切割错误在距离c-平面蓝宝石的5度内。首先，在具有蜡的金属块上面向下安装蓝宝石衬底。随后，将组件装载到多个线锯上。线直径为约160微米，且线间距为670微米。供应金刚石浆料，同时所述线在蓝宝石衬底的背面上来回跑动。首先，沿着(10-10)平面设定所述线，且在整个后表面上制得约160微米深凹槽。随后，沿着(1-100)平面设定所述线且在整个后表面上制得约160微米深凹槽。最后，沿着(01-10)平面设定所述线且在整个后表面上制得约160微米深凹槽。经由这些步骤，在衬底的背面上产生具有轮廓中含笔直壁和弧形底部的凹槽的蓝宝石衬底(图2中示意的)。凹槽深度为约160微米，衬底的厚度为约430微米，凹槽宽度约160微米且凹槽间距为约670微米。凹槽的方向在距离m-平面的合理的角度误差(+/-5度)内。通过使用多个线锯，可在小于一小时内制得较宽和较深凹槽。
在线锯工艺之后，加热衬底和金属板以使蜡熔融。从金属板去除衬底且用丙酮和异丙醇冲洗。此清洁步骤从衬底去除残余蜡和金刚石浆料。
在有槽衬底上生长厚第III族氮化物-实例3
类似于实例1中的方法，在实例2中产生的有槽蓝宝石衬底上生长厚GaN层。在衬底的光滑未开槽的顶部表面上生长GaN层，其中GaN未在衬底底部上暴露的有槽表面上生长。HVPE生长条件与实例1相同。在生长之后，GaN的总厚度为约3600微米。
在冷却后，GaN层自发地与蓝宝石衬底分离。GaN层的弓曲为朝向生长方向138微米(呈凸面)，其相比于实例1中的值大大降低(607微米呈凸面)。弓曲测量为GaN层的边缘与中心之间的高度差异。
在GaN层的自身分离后，蓝宝石衬底沿着凹槽破裂成若干片，其指示凹槽诱导蓝宝石衬底中的裂化。因为凹槽方向为沿着蓝宝石的裂解方向(即m-平面)，因此凹槽帮助蓝宝石裂解或裂化。在此特定情况下，凹槽中的划痕也可以具有辅助的裂解或裂化，但划痕不为必需的。衬底裂化和/或断裂可为自发分离和减小的弓曲的机制。
沿着凹槽的裂化可通过多个线锯的磨蚀性质促进。另外，多个线锯能够制得具有均一深度、宽度和间距的凹槽。由于凹槽、尤其沿着衬底中的裂解平面安置的凹槽的高度对称配置，此也可以影响在衬底与新生长物的界面处以及生长晶锭中的应力有效减小。
在本实例中，凹槽宽度为160微米，其由线锯的直径决定。如果使用具有不同直径的线锯，那么凹槽宽度可改变。然而，为了维持某一线锯强度，线锯直径典型地大于100微米。另外，如果凹槽宽度过小，可限制减小应力的作用。与其相反，如果宽度过大，那么衬底变得过于脆。在一个例子中，凹槽宽度在100微米与300微米之间。
本实例的凹槽深度为160微米。凹槽深度可容易地通过相对于衬底调节线锯高度改变。如果深度过小，那么减小应力的作用将有限。与其相反，如果深度过大，那么衬底变得过于脆。在一个例子中，凹槽可在50微米与衬底的厚度的75％之间。
本实例的凹槽间距为670微米，其通过线锯的线间距测定。通过使用具有适当的凹槽间距的线辊，其可为易于改变的。如果凹槽间距过大，那么减小应力的作用将有限。与其相反，如果凹槽间距过小，那么衬底变得过于脆性。在一个例子中，凹槽间距在0.1mm与5mm之间。
包括生长时间的生长条件与实例1和实例3相同，然而实例3中GaN层厚度出人意料地增加了约24％。在生长期间，通过衬底凹槽减小的应力可因此促进GaN的晶体生长，相比于在衬底的第二侧面上不具有凹槽但另外相同的比较衬底，使用本发明的衬底产生GaN的更大生长率。
因为衬底的正面具有与标准蓝宝石衬底相同的特性，不需要特定生长步骤以获得高品质GaN膜，如凹槽切割成衬底的正面时所需。另外，因为在第一侧面上不使用凹槽所需的选择性生长，不存在将引起CMP工艺中的问题的位错聚集。
处理所获得的3.6mm厚自立式GaN以通过研磨、搭接和CMP制造GaN衬底。GaN衬底的最终厚度为529微米。
优点和改进
在本发明中，在背面上具有凹槽的衬底可提供弓曲和任选的自发分离减少的第III族氮化物层。使用多个线锯的简单工艺产生具有背面凹槽的衬底。衬底背面上的凹槽可经由减小应力来减少第III族氮化物层弓曲。凹槽也可以诱导第III族氮化物层从衬底自发分离。任选地，衬底的光滑前表面在正面上实现第III族氮化物的高品质生长，而不需要如衬底正面有槽时所需的特殊处理步骤。此特征可帮助在CMP表面处理之后实现GaN的光滑表面。
可能的修改
虽然优选实施例描述GaN的块状晶体，但对于各种组合物(如AlN、AlGaN、InN、InGaN或GaAlInN)的其它第III族氮化物固溶体，可预期本发明的类似效益。
虽然优选实施例描述蓝宝石衬底，但也可使用其它材料，如碳化硅、硅、石英、砷化镓、磷化镓、氮化镓、氮化铝、没食子酸锂、铝酸锂、没食子酸镁、铝酸镁。衬底可为杂质衬底或同质衬底。
虽然优选实施例描述HVPE作为在衬底一侧上生长的生长方法，但如MOCVD、MBE、氨热方法、熔化方法、高压溶液生长、物理蒸汽输送的其它生长方法也可用于在一侧上(具有例如背面上的掩蔽，其中所述方法将典型地在两侧上生长)生长或在衬底两侧上生长。
虽然优选实施例描述多个线锯以制得凹槽，也可使用其它机械、化学、物理方法，如切割、湿式蚀刻、干式蚀刻。

Claims (33)

1.一种用于生长第III族氮化物层的衬底，且其中所述衬底具有
(a)第一侧面，其适用于块状第III族氮化物的外延生长，以及
(b)第二侧面，其与所述衬底的所述第一侧面相对且具有多个凹槽。
2.根据权利要求1所述的衬底，其中所述凹槽的宽度个别地在100微米与300微米之间，且所述凹槽的深度个别地在50微米与所述衬底的厚度的75％之间。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的衬底，其中所述凹槽的间距个别地在0.1mm与5mm之间。
4.根据权利要求1到3中任一权利要求所述的衬底，其中所述凹槽沿着所述衬底的结晶定向。
5.根据权利要求4所述的衬底，其中所述结晶定向为所述衬底的裂解方向。
6.根据权利要求1到5中任一权利要求所述的衬底，其中所述多个凹槽在所述第二侧面上具有尺寸、形状和位置以使得所述衬底提供与其它方面相同但在比较衬底的第二侧面上不具有所述凹槽的所述比较衬底相比形成于所述衬底上的第III族氮化物层中更小的弓曲。
7.根据权利要求1到5中任一权利要求所述的衬底，其中所述凹槽在所述第二侧面上具有尺寸、形状和位置以使得所述衬底提供与其它方面相同但在比较衬底的第二侧面上不具有所述凹槽的所述比较衬底相比所述衬底上的第III族氮化物层的更大生长速率。
8.根据权利要求1到5中任一权利要求所述的衬底，其中所述凹槽在所述第二侧面上具有尺寸、形状和位置以使得当所述第III族氮化物层具有超过500微米的厚度时，所述衬底完全或部分与所述衬底的第一侧面上生长的第III族氮化物层分离。
9.根据权利要求1到8中任一权利要求所述的衬底，其中所述凹槽在所述第二侧面的中心区域中比朝向所述第二侧面的边缘更紧密地间隔开。
10.根据权利要求1到9中任一权利要求所述的衬底，其中所述衬底为非晶形的。
11.根据权利要求1到9中任一权利要求所述的衬底，其中所述衬底为单一晶体。
12.根据权利要求11所述的衬底，其中所述衬底具有纤维锌矿晶体结构。
13.根据权利要求12所述的衬底，其中所述衬底为单晶蓝宝石或单晶GaN。
14.根据权利要求13所述的衬底，其中所述第一侧面和所述第二侧面为斜切在5度内的所述单晶蓝宝石的c-平面。
15.根据权利要求14所述的衬底，其中所述凹槽沿着所述单晶蓝宝石或单晶GaN的m-平面具有三重对称性。
16.根据权利要求1到15中任一权利要求所述的衬底，其中所述凹槽是使用多个线锯形成。
17.根据权利要求16所述的衬底，其中所述凹槽的表面沿着所述凹槽方向具有机械划痕。
18.根据权利要求1到17中任一权利要求所述的衬底，其中所述第III族氮化物为GaN。
19.根据权利要求1到18中任一权利要求所述的衬底，其中所述第一侧面不具有凹槽。
20.根据权利要求1到19中任一权利要求所述的衬底，其中所述衬底在所述衬底的所述第一侧面上具有缓冲层。
21.一种产生第III族氮化物晶锭的方法，其包含在衬底的第一侧面上生长一定量的第III族氮化物层，所述衬底具有与所述第一侧面相对的第二有槽侧面，其中所述量足以为所述第III族氮化物层提供大于所述衬底的厚度的厚度。
22.根据权利要求21所述的方法，且进一步包含将所述衬底与所述第III族氮化物层自发地分离。
23.根据权利要求21或权利要求22所述的方法，其中凹槽宽度在100微米与300微米之间且凹槽深度在50微米与所述衬底的厚度的75％之间。
24.根据权利要求21到23中任一权利要求所述的方法，其中所述凹槽的间距在0.1mm与5mm之间。
25.根据权利要求21到24中任一权利要求所述的方法，其中所述凹槽沿着所述衬底的结晶定向安置。
26.根据权利要求21到25中任一权利要求所述的方法，其中所述凹槽的表面沿着所述凹槽具有机械划痕。
27.根据权利要求21到26所述的方法，其中所述凹槽是使用多个线锯形成。
28.根据权利要求21到27中任一权利要求所述的方法，其中所述衬底为c-平面单晶蓝宝石或GaN。
29.根据权利要求28所述的方法，其中所述凹槽是利用沿着所述单晶蓝宝石或GaN的m-平面的三重对称性制得。
30.根据权利要求21到29中任一权利要求所述的方法，其中所述第III族氮化物为GaN。
31.根据权利要求21到30中任一权利要求所述的方法，其中所述第III族氮化物是通过氢化物气相外延法生长。
32.一种产生第III族氮化物晶锭的方法，其包含在根据权利要求1到20中任一权利要求所述的衬底的第一侧面上生长一定量的第III族氮化物层。
33.一种通过根据权利要求21到32中任一权利要求所述的方法形成的晶锭。
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