CN1387231A - 基于氮化物的化合物半导体晶体衬底结构及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

在衬底主体的基于氮化物的化合物半导体基层上直接形成金属层,其中金属层包括从这样一组金属中选择的至少一种,该组金属借助于热处理,促使从基层中去掉构成原子;借助于热能的提供,形成穿过所述金属层的许多小孔,并在基于氮化物的化合物半导体基层中形成很多空隙;利用在开始工序中填充所述空隙和后继的在多孔金属层上的主外延生长,以在所述金属层上形成外延生长的基于氮化物的化合物半导体晶体层。

Description

基于氮化物的化合物半导体晶体衬底结构 及其制造方法
发明所属领域
本发明涉及用于可减少错位密度的形成外延生长氮化物的半导体晶体衬底结构的方法，以及这种减少了错位密度的衬底结构。
相关技术说明
基于氮化镓的化合物半导体对于本领域技术人员来说很有吸引力，它可广泛地用于各种半导体器件，如蓝色发光二极管和激光二极管。基于氮化镓的化合物半导体包括各种含镓和氮的化合物半导体，例如，氮化镓(GaN)，氮化铟镓(InGaN)以及氮化铝镓(AlGaN)等。基于氮化镓的化合物半导体在热稳定性和满足环境要求方面较优越。因此，将基于氮化镓的化合物半导体的应用到各种电子器件中的要求目前已经在不断增长。
本领域技术人员都知道，基于GaN的化合物半导体大块晶体生长是不容易的，而这种在整个衬底包含了一层基于氮化物的化合物半导体晶体的单层的基于氮化物的化合物半导体晶体结构又将是人们所需要的。
但是，根据当前的实践，普遍的做法是，使用单晶蓝宝石衬底作为基底结构，以允许任何可用的外延生长如在蓝宝石基底上的氮化合物半导体晶体层的金属有机汽相外延，从而衬底包括单晶蓝宝石衬底结构和在该基底结构上外延生长的基于氮化物的化合物半导体晶体层。
蓝宝石单晶的晶格常数与基于氮化物的化合物半导体晶体不同。蓝宝石单晶的晶格常数与氮化合物半导体晶体的晶格常数之间差异非常大，以致于难以直接在蓝宝石衬底的表面上实现理想的氮化合物半导体的外延生长。为了解决上述难题，已经提出了通过在蓝宝石单晶上低温生长诸如AlN或GaN作为缓冲层的基于氮化物的化合物半导体缓冲层，以便在以后通过直接在缓冲层的表面上能直接获得理想的基于氮化物的化合物半导体晶体的外延生长。其中缓冲层用于缓解外延生长的基于氮化物的化合物半导体晶体由于蓝宝石单晶的晶格常数与氮化合物半导体晶体的晶格常数之间的差异而产生的晶格应变。这种常规的技术在日本专利未决公开63-188983中作了说明，在此引用作为参考。
通过缓冲层的这种缓解将允许基于氮化物的化合物半导体晶体的外延生长，但仍然不能消除外延生长的基于氮化物的化合物半导体晶体的错位，这种错位密度数量级可能会达到例如1E9至1E10cm-2。这种错位密度范围仍然高于实际应用到各种基于氮化物的化合物半导体器件如激光二极管和发光二极管中时理想的错位密度。
近年来，已经报告了一些减少在蓝宝石单晶上外延生长的氮化镓晶体的晶体缺陷和错位的密度的技术，例如在Applied Physics Letter(应用物理报告71(18)2638(1997))所公开的外延横向过生长，在此引用作为参考。还有在日本应用物理期刊(Jpn.J.Appl.Phys.38，L184(1999))所公开的刻面起始的外延横向过生长。以及(MRS InternetJournal Nitride Semicond.Res.4S1，G3，38(1999))所公开的pendio外延等。同样在此引用作为参考。
根据这些生长技术，已构图的SiO2掩模被设置在外延生长在蓝宝石衬底上的氮化镓基底层的表面上，以随后通过已构图的SiO2掩模的开口、从氮化镓基底层的暴露的表面部分选择性地外延生长氮化镓层，其中通过改变氮化镓晶体的生长方向，进行在已构图的SiO2掩模上的横向氮化镓晶体生长，从而利用该外延生长方向的改变来中断通过已构图的SiO2掩模的开口、从氮化镓基底层的暴露的表面部分选择性地外延生长的氮化镓层中错位的延续。这些生长技术进一步的发展使得在一定程度上有效地将错位密度减少到接近1E7cm-2的程度。这些生长技术的例子可见之于日本专利未决公开10-312971中，在此同样引用作为另一参考文献。
上述采用构图的SiO2掩模的生长技术当然需要另外的用于在外延生长在蓝宝石衬底上的氮化镓基层的表面上形成构图的SiO2掩模的附加工艺。这些附加的工艺可以例如如下所述。用任何可用的淀积方法如化学汽相淀积方法在氮化镓基层的整个表面上淀积SiO2膜。在SiO2膜的表面上施加抗蚀剂材料。然后在光刻工艺中将该抗蚀剂膜曝光并随后显影，以获得SiO2膜上的抗蚀剂图形。通过抗蚀剂图形有选择地腐蚀SiO2膜，随后去除抗蚀剂图形并进行清洗工艺，从而获得已构图的SiO2掩模。这些用于形成已构图的SiO2掩模的后续工艺既复杂且耗费时间，并且还需要高精度的微光刻技术。这限制了已构图的SiO2掩模的产量和复制性。
上述采用构图的SiO2掩模的生长技术可能还要包括大量的热处理工艺和清洁工艺，并且由于处理而会造成对衬底的污染和损害。而且，上述采用构图的SiO2掩模的生长技术所形成的错位密度仍然要高于实际应用到各种基于氮化物的化合物半导体器件如激光二极管和/或发光二极管中时理想的错位密度。即，上述生长技术不能满足实际应用的要求。这是因为在构图的SiO2掩模上外延生长的氮化镓晶体由于在覆盖有构图SiO2掩模的区域与另一未被覆盖的区域之间生长机制的差异而表现出晶体应变的发生。该晶体应变的发生使得氮化镓晶体的晶轴倾斜。这可参考晶体生长期刊208(2000)第804-808页，引入本文作为参考。
鉴于上述情况，希望能开发出的能够避免上述问题用于形成外延生长氮化物的半导体晶体衬底结构的方法以及这种衬底结构。
发明概述
因此，本发明的一个目的是提供一种可以避免上述问题的形成外延生长的基于氮化物的化合物半导体晶体衬底结构的新型方法。
本发明的又一个目的是提供一种形成外延生长的基于氮化物的化合物半导体晶体衬底结构的新型方法，其中至少衬底结构的上部区域的错位密度或缺陷密度水平大大降低，一般小于在实际应用到各种基于氮化物的化合物半导体器件如激光二极管和发光二极管中时对错位密度值范围的最低要求。
本发明的又一个目的是提供一种形成外延生长的单层基于氮化物的化合物半导体晶体衬底结构的新型方法，其中至少单层衬底的上部区域的错位密度或缺陷密度水平大大降低，一般小于在实际应用到各种基于氮化物的化合物半导体器件如激光二极管和发光二极管中时对错位密度值范围的最低要求。
本发明的又一个目的是提供一种形成外延生长的单层基于氮化物的化合物半导体晶体衬底结构的新型方法，其中单层衬底的整体的错位密度或缺陷密度水平大大降低，一般小于在实际应用到各种基于氮化物的化合物半导体器件如激光二极管和发光二极管中时对错位密度值范围的最低要求。
本发明的又一个目的是提供一种形成外延生长的基于氮化物的化合物半导体晶体衬底结构的新型方法，其中错位密度或缺陷密度水平大大降低，从而在不使用任何构图的绝缘体掩模的情况下，一般也小于在实际应用到各种基于氮化物的化合物半导体器件如激光二极管和发光二极管中时对错位密度值范围的最低要求。
本发明的又一个目的是提供一种形成外延生长的基于氮化物的化合物半导体晶体衬底结构的新型方法，其中错位密度或缺陷密度水平大大降低，从而在不使用任何微光刻工艺的情况下，一般也小于在实际应用到各种基于氮化物的化合物半导体器件如激光二极管和发光二极管中时对错位密度值范围的最低要求。
本发明的又一个目的是提供一种形成外延生长的基于氮化物的化合物半导体晶体衬底结构的新型方法，其中错位密度或缺陷密度水平大大降低，从而在不使用任何附加的、复杂的和/或耗时的工艺的情况下，一般也小于在实际应用到各种基于氮化物的化合物半导体器件如激光二极管和发光二极管中时对错位密度值范围的最低要求。
本发明的又一个目的是提供一种形成外延生长的基于氮化物的化合物半导体晶体衬底结构的新型方法，其中错位密度或缺陷密度水平大大降低，从而在较高的产量、较低的成本和/或较高的复制性的情况下，一般也小于在实际应用到各种基于氮化物的化合物半导体器件如激光二极管和发光二极管中时对错位密度值范围的最低要求。
本发明的又一个目的是提供一种形成外延生长的基于氮化物的化合物半导体晶体衬底结构的新型方法，其中错位密度或缺陷密度水平大大降低，从而在不使用不利于环境的工艺例如具有一定的危害性的化学用品如在清洗工艺中使用的氟酸溶液和有机溶剂的情况下，一般也小于在实际应用到各种基于氮化物的化合物半导体器件如激光二极管和发光二极管中时对错位密度值范围的最低要求。
本发明的另一目的是提供一种新型的可以避免上述问题的外延生长的基于氮化物的化合物半导体晶体衬底结构。
本发明的又一个目的是提供一种新型的外延生长的基于氮化物的化合物半导体晶体衬底结构，其中至少衬底结构的上部区域的错位密度或缺陷密度水平大大降低，一般小于在实际应用到各种基于氮化物的化合物半导体器件如激光二极管和发光二极管中时对错位密度值范围的最低要求。
本发明的又一个目的是提供一种新型的外延生长的单层基于氮化物的化合物半导体晶体衬底结构，其中至少单层衬底的上部区域的错位密度或缺陷密度水平大大降低，一般小于在实际应用到各种基于氮化物的化合物半导体器件如激光二极管和发光二极管中时对错位密度值范围的最低要求。
本发明的又一个目的是提供一种新型的单层外延生长的基于氮化物的化合物半导体晶体衬底结构，其中单层衬底的整体的错位密度或缺陷密度水平大大降低，一般小于在实际应用到各种基于氮化物的化合物半导体器件如激光二极管和发光二极管中时对错位密度值范围的最低要求。
本发明的又一个目的是提供一种新型的外延生长的基于氮化物的化合物半导体晶体衬底结构，其中在不使用任何构图的绝缘体掩模的情况下，错位密度或缺陷密度水平也大大降低，一般小于在实际应用到各种基于氮化物的化合物半导体器件如激光二极管和发光二极管中时对错位密度值范围的最低要求。
本发明的再一目的是提供一种可以避免上述问题的新型的在外延生长的基于氮化物的化合物半导体晶体衬底结构上所形成的基于氮化物的化合物半导体器件。
本发明的再一目的是提供一种新型的在外延生长的基于氮化物的化合物半导体晶体衬底结构上所形成的基于氮化物的化合物半导体器件，其中至少衬底结构的上部区域的错位密度或缺陷密度水平大大降低，一般小于在实际应用到各种基于氮化物的化合物半导体器件如激光二极管和发光二极管中时对错位密度值范围的最低要求。
本发明的又一个目的是提供一种新型的在外延生长的单层基于氮化物的化合物半导体晶体衬底结构上所形成的基于氮化物的化合物半导体器件，其中至少单层衬底的上部区域的错位密度或缺陷密度水平大大降低，一般小于在实际应用到各种基于氮化物的化合物半导体器件如激光二极管和发光二极管中时对错位密度值范围的最低要求。
本发明的又一个目的是提供一种新型的在外延生长的单层基于氮化物的化合物半导体晶体衬底结构上所形成的基于氮化物的化合物半导体器件，其中单层衬底的整体的错位密度或缺陷密度水平大大降低，一般小于在实际应用到各种基于氮化物的化合物半导体器件如激光二极管和发光二极管中时对错位密度值范围的最低要求。
本发明的又一个目的是提供一种新型的在外延生长的基于氮化物的化合物半导体晶体衬底结构上所形成的基于氮化物的化合物半导体器件，其中在不使用任何构图的绝缘体掩模的情况下，错位密度或缺陷密度水平也大大降低，一般小于在实际应用到各种基于氮化物的化合物半导体器件如激光二极管和发光二极管中时对错位密度值范围的最低要求。
根据本发明的主要方面，在衬底主体上的基于氮化物的化合物半导体基层上直接形成了金属层，其中金属层包括从这样一组金属中选择的至少一种，该组金属利用热处理，表现出与构成基于氮化物的化合物半导体基层的原子间的相互作用，从而促使从基于氮化物的化合物半导体基层中去掉其构成原子，由此以均匀的分布情况来形成穿过金属层的许多小孔，同时以另一均匀的分布在基于氮化物的化合物半导体基层中形成很多空隙。然后，利用开始的填充空隙的过渡外延生长和后继的在多孔的金属层上的主外延生长，来进行基于氮化物的化合物半导体晶体的外延生长。
从下面的说明中可以更清楚地了解本发明的上述和其它目的、特征和优点。
附图的说明
下面将结合附图详细说明本发明的优选实施例。
图1是显示根据本发明优选实施例的外延生长的GaN衬底结构的部分剖视正面图。
图2A至2D按在用于形成根据本发明优选实施例的外延生长的GaN衬底结构的新型方法中的步骤顺序显示的衬底结构的部分剖视正面图。
图3是对具有淀积的钛金属层的衬底进行X射线衍射测量的结果图，该衬底在用于形成根据本发明优选实施例的外延生长的GaN衬底结构的新型方法的一个步骤未进行热处理。
图4是是对具有淀积的钛金属层的衬底进行X射线衍射测量的结果图，该衬底在用于形成根据本发明优选实施例的外延生长的GaN衬底结构的新型方法的一个步骤中进行了热处理。
图5是一SEM照片的复制件，显示了在根据本发明优选实施例的GaN基层上被热处理和淀积的钛金属层的表面。
图6是一SEM照片的复制件，显示了在根据本发明优选实施例的具有被热处理和淀积的钛金属层的衬底结构的一部分。
图7A至7H是按在用于形成根据本发明优选实施例的外延生长的GaN衬底结构的新型方法中的步骤顺序显示的衬底结构的部分剖视正面图。
图8A至8I是按在用于形成根据本发明优选实施例的外延生长的GaN衬底结构的新型方法中的步骤顺序显示的衬底结构的部分剖视正面图。
优选实施例的说明
根据本发明的主要方面，在衬底体上的基于氮化物的化合物半导体基层上直接形成了金属层，其中金属层包括从这样一组金属中选择的至少一种，该组金属在热处理的帮助下，表现出与构成基于氮化物的化合物半导体基层的原子间的相互作用，从而促使从基于氮化物的化合物半导体基层中去掉其构成原子，由此来形成穿过金属层的均匀分布的许多小孔，同时在基于氮化物的化合物半导体基层中形成另一均匀分布的很多空隙。然后，进行基于氮化物的化合物半导体的外延生长，包括开始时的填充空隙的过渡外延生长，和后继的在多孔的金属层上的主外延生长。这导致了在多孔的金属层上外延生长的基于氮化物的化合物半导体晶体层，其中衬底结构的至少上部区域或整体的错位密度或缺陷密度水平大大降低，一般小于在实际应用到各种基于氮化物的化合物半导体器件如激光二极管和发光二极管中时对错位密度值范围的最低要求。
对于金属层，可以考虑下面说明的去除基于氮化物的化合物半导体基层的机理来选择一个或多个金属。重要的是去掉基于氮化物的化合物半导体基层的构成原子，以在基于氮化物的化合物半导体基层中形成空隙，使得金属能够在所提供的热能的帮助下从基于氮化物的化合物半导体基层中取出氮原子，从而在金属层中形成金属氮化物。
如果金属层的金属氮化物比基于氮化物的化合物半导体基层的自由能量低，则这意味着金属层中的金属一般倾向于在所提供的热能的帮助下从基于氮化物的化合物半导体基层中取出氮原子，从而基于氮化物的化合物半导体基层的剩余的一种或多种元素变得不稳定，并且一般可能会从基于氮化物的化合物半导体基层的表面中去除。这导致了空隙的形成。
但是，与本发明相反，如果金属层的金属氮化物比基于氮化物的化合物半导体基层的自由能量高，则这意味着金属层中的金属一般不能利用所提供的热能从基于氮化物的化合物半导体基层中取出氮原子。
因此，根据本发明，应当根据基层的基于氮化物的化合物半导体来选择金属层的金属，以便所选择金属的氮具有比基于氮化物的化合物半导体基层的自由能量低的自由能量。这意味着这种所选择的至少一种金属在热处理的帮助下，表现出与构成基于氮化物的化合物半导体基层的原子间的相互作用，并且所选择的至少一种金属容易从基于氮化物的化合物半导体基层中取出氮原子，并促使去除基于氮化物的化合物半导体基层中的构成原子，由此形成许多穿过金属层的孔，而在基于氮化物的化合物半导体基层中形成很多空隙。
根据本发明，重要的是基于氮化物的化合物半导体晶体的外延生长与上述形成许多穿过金属层的孔和在基于氮化物的化合物半导体基层中形成很多空隙的工艺相结合。基于氮化物的化合物半导体晶体的外延生长包括：开始时的用基于氮化物的化合物半导体晶体填充空隙的过渡外延生长，和后继的用于在金属层上生长基于氮化物的化合物半导体晶体的主外延生长。
在开始时的过渡外延生长中，基于氮化物的化合物半导体晶体的原材料通过穿过氮化物金属层的孔提供到空隙中，从而从空隙的表面造成或引发外延生长，由此使空隙完全被基于氮化物的化合物半导体晶体所填充。由于错位传播方向的改变，该基于氮化物的化合物半导体晶体的错位密度比基于氮化物的化合物半导体基层的错位密度低。此外，多孔金属氮化物层可以用于阻挡或中断错位从基于氮化物的化合物半导体基层向上的进一步传播。
在空隙被开始时的过渡外延生长工艺用基于氮化物的化合物半导体晶体所填充之后，在开始时的过渡外延生长工艺之后紧随着主外延生长工艺，其中多孔金属氮化物层中的多个孔被基于氮化物的化合物半导体晶体所完全填充，并从多孔金属氮化物层的多个孔形成进一步的微凸(micro-projection)。
那些由于错位传播方向的改变、以及金属氮化物层对错位向上进一步传播入或穿过基于氮化物的化合物半导体基层的微凸的阻挡或中断而使错位密度比基于氮化物的化合物半导体基层的错位密度低的基于氮化物的化合物半导体晶体的微凸一般具有三角形的剖面形状，例如为等腰三角形的剖面形状。
主外延生长工艺进一步继续基于氮化物的化合物半导体晶体的微凸的生长，以便相邻的微凸将在连续的外延生长中彼此联为一体，由此改变错位的方向，并且一般向上传播的错位具有比填充空隙的基于氮化物的化合物半导体基层更低的错位密度。
主外延生长工艺将导致在多孔的金属氮化物层上形成外延生长的基于氮化物的化合物半导体晶体层，其具有错位密度比微凸的错位密度低的上部区或表面区域，因为到达上部区或表面区的将是基本向上传播的错位，它具有比用于填充空隙的填充基于氮化物的化合物半导体晶体更低的平均错位密度。如上所述，微凸起平均要比用于填充空隙的填充基于氮化物的化合物半导体晶体具有更低的平均错位密度，而后者则平均比基于氮化物的化合物半导体基层具有更低的错位密度。
因此，多孔金属氮化物层上外延生长的基于氮化物的化合物半导体晶体层的上部区或表面区的错位密度平均比基于氮化物的化合物半导体基层的错位密度更低。诸如激光二极管或发光二极管之类的半导体器件形成在外延生长的基于氮化物的化合物半导体晶体层的上部区或表面区上。基于氮化物的化合物半导体晶体层的上部区或表面区中低得多的错位密度可允许在上部区或表面区上的先进的半导体器件表现出改善的高性能并具有高可靠性。
因为金属层上外延生长的基于氮化物的化合物半导体晶体层的上部区或表面区具有足够低的错位密度对形成在其上的半导体器件是非常重要的，可以去除具有底层衬底体的金属层和基于氮化物的化合物半导体基层，在该底层衬底体上形成基于氮化物的化合物半导体基层，由此得到单层外延生长的基于氮化物的化合物半导体衬底，它简单地包括上述外延生长的基于氮化物的化合物半导体晶体层。
对本领域的技术人员显然可以理解氮化物基层可以在任何可用的支持氮化物基层的晶体衬底体上形成。例如衬底主体可以是蓝宝石衬底或任何其它在基于氮化物的化合物半导体基层和晶体衬底体之间设置或不设置缓冲层的玻璃衬底。在其间设置的缓冲层是缓解由于基于氮化物的化合物半导体基层和晶体衬底体的晶格常数不同而在基于氮化物的化合物半导体基层中导致应力。
对本领域的技术人员显然可以理解，上述外延生长可以通过使用任何优选可用的生长方法如金属有机化学汽相淀积、分子束外延、氢化物汽相外延等方法来执行。
在优选的实施例中，本发明人发现用于形成穿过金属膜的多个孔和形成基于氮化物的化合物半导体基层的空隙的热处理可以含氢的气氛中进行，其中包含在大气中的氢一般会促进基于氮化物的化合物半导体基层中空隙的形成。典型的基于氮化物的化合物半导体之一是氮化镓。在这种情况下，包含在气氛中的氢还促进了基于氮化物的化合物半导体基层中空隙的形成。
在另外的优选实施例中，本发明人还发现金属层的氮化有利于或有助于在金属氮化物层上基于氮化物的化合物半导体晶体的外延生长。典型的基于氮化物的化合物半导体之一是氮化镓，而典型的金属层之一是含钛的层。在这种情况下，含钛的层的氮化优选用于在氮化钛金属层上氮化镓晶体的外延生长。金属层的氮化可以通过将金属层暴露在用于利用热处理(例如在热处理过程中)在金属氮化物层上进行基于氮化物的化合物半导体晶体的外延生长的含氮的气氛中来自动地进行。为了改善在金属氮化物层上进行基于氮化物的化合物半导体晶体的理想外延生长的复制性，优选氮气在对气氛中的氮含量水平加以控制的条件下被加到气氛中，以在提供热能例如在热处理过程中进一步促进金属层的氮化。如上所述，选择用于金属层的至少一种金属，选择时要考虑该至少一种金属能够在提供热能(例如热处理过程)的帮助下将氮原子从基于氮化物的化合物半导体基层中取出，从而在基于氮化物的化合物半导体基层中形成空隙。这也会导致进一步促进金属层的氮化。因此，考虑到空隙的促成与其它对金属层氮化的促成的组合，更优选的是该气氛不仅加上促进空隙形成的氢气或氢原子，而且加上氮气或氮原子。
这些孔应当是穿过金属层的孔，以允许外延生长源气通过穿透多个孔提供到空隙中。优选金属层的厚度是考虑形成穿过金属层的多个孔的可能性来决定的。如果金属层的厚度过厚，这会使得难以形成穿过金属层的多个孔。如上所述，所选择的至少一种金属能够在由热处理所提供的热能的帮助下，从基于氮化物的化合物半导体基层中取出氮原子。可选择的金属的种类是有限制的。金属层的优选的厚度范围的典型上限是小于微米级。如果金属层是含钛金属层，晶体厚度可以是大约为500纳米，以允许形成在金属层上具有基本均匀的分布的多个孔。即，含钛金属层的厚度是优选不大于500纳米。如上所述，该金属层利用所提供的热能和将该金属层暴露于含氮的气氛中、以及上述所选择的金属从基于氮化物的化合物半导体基层中取出氮原子的现象来氮化。上述典型的厚度临界值是用于在氮化反应之前的未氮化金属层的厚度，而金属氮化物层的厚度可以经常大于未氮化金属层的厚度。
如果金属层的厚度大于可用的厚度范围的上限，则这会使得难以形成小的或细微的穿过金属层孔，导致难以在开始的过渡外延生长中利用基于氮化物的化合物半导体晶体填充空隙。另外，比临界上限更大的厚度通常会造成金属层表面平面度的劣化，导致在金属层上外延生长的基于氮化物的化合物半导体晶体中缺陷或错位的发生，或者在更坏的情况下阻止在金属上的外延生长。
优选微孔在金属层上基本均匀地分布，并且理想的是孔的平均直径和相邻两个孔的平均距离可以更优选为0.1微米的数量级，只要这些优选的平均直径和孔之间的距离可取决于为实现在金属层上外延生长的基于氮化物的化合物半导体晶体的错位密度减小效果所需要的边界条件，其中边界条件还取决于基于氮化物的化合物半导体基层的厚度、金属层的厚度、用于金属层的金属材料、热处理条件、用于在金属层上外延生长基于氮化物的化合物半导体晶体的外延生长条件的组合。
优选空隙在金属层上基本均匀分布，以获得在外延生长的基于氮化物的化合物半导体上基本均匀的错位密度。本领域的技术人员从上述的说明将容易理解在金属层上外延生长的基于氮化物的化合物半导体晶体的错位密度减小的机理。每个空隙的形状可取决于晶体结构，但空隙的大小取决于各种工艺条件。对空隙的大小的控制还可以优选考虑填充空隙的外延生长基于氮化物的化合物半导体晶体的错位密度的有效减小。优选空隙的平均深度基本小于大约10纳米。如果空隙的平均深度远浅于10纳米，则错位会出现在空隙内用于填充空隙的外延生长基于氮化物的化合物半导体晶体中，导致在金属层上外延生长的基于氮化物的化合物半导体晶体的错位密度减小的效率低或无效。
除了上述的因素之外，在金属层上外延生长的基于氮化物的化合物半导体晶体的错位密度减小的效率或效果还可取决于基于氮化物的化合物半导体基层的形成有空隙的表面上的多孔率。增加多孔率也会提高在金属层上外延生长的基于氮化物的化合物半导体晶体的错位密度减小的效率。过低的多孔率导致在金属层上外延生长的基于氮化物的化合物半导体晶体的错位密度减小不充分。过低的多孔率导致金属层从基于氮化物的化合物半导体基层的形成有空隙的表面上剥离的可能性。多孔率的典型和优选的范围可以在10％到90％的范围。
如上所述，在基于氮化物的化合物半导体基层中形成空隙的机理是，所选择的至少一种用于金属层的金属可以利用由热处理提供的热能从基于氮化物的化合物半导体基层中取出氮原子，其前提是所选择的至少一种用于金属层的金属的自由能低于基于氮化物的化合物半导体基层的自由能。用于允许所选择的至少一种用于金属层的金属从基于氮化物的化合物半导体基层中取出氮原子的最低热能水平将取决于一种或多种用于金属层的构成元素和用于基于氮化物的化合物半导体基层的构成元素。一般而言，较大的热能或较高的温度处理可以是优选的。热处理的典型的和优选的温度至少是近似700℃。从700℃降低温度降低了基于氮化物的化合物半导体的原子分解的效率，或降低了所选择的至少一种用于金属层的金属从基于氮化物的化合物半导体基层中取出氮原子的效率。这导致空隙形成的效率低。
在用于在金属层中形成多孔和在基于氮化物的化合物半导体基层中形成空隙的热处理在上述优选气氛和温度条件下进行之后，进行用于填充空隙和在金属层上生长基于氮化物的化合物半导体晶体的外延生长。优选热处理和后续的外延生长是在相同的反应室中连续进行而没有暴露在开放的大气环境中，以便保持衬底的表面清洁和得到理想的高纯度的外延生长，而在金属层上外延生长的基于氮化物的化合物半导体晶体中晶体缺陷或错位的形成较少。
用于减少外延生长的基于氮化物的化合物半导体晶体层的错位密度的机理已在上面详细说明。当然，上述机理可应用于各种基于氮化物的化合物半导体，典型地是氮化镓化合物半导体如氮化镓。根据上述错位密度减少的机理，在金属层上外延生长的基于氮化物的化合物半导体晶体层的上部区或上表面中错位密度可以平均减少到至多约1E8cm-2的数量级。一般地，在金属层上外延生长的基于氮化物的化合物半导体晶体层的上部区或上表面中错位密度可以平均减少到至多约1E8cm-2。
考虑到减少外延生长的基于氮化物的化合物半导体晶体层的错位密度，优选从基于氮化物的化合物半导体基层中形成有空隙的表面开始的外延生长是在有金属层的情况下进行的，因为金属层阻断了错位从基于氮化物的化合物半导体基层基本向上的主要传播。然而，穿过金属层的多孔允许少量的错位从金属层上的多孔进一步传播到微凸。但上述与减少错位密度有关的机理防止或控制了错位在基本向上的方向上进一步更多的传播，从而使外延生长的基于氮化物的化合物半导体晶体层有理想的低错位密度。
与本发明相反，如果从基于氮化物的化合物半导体基层中形成有空隙的表面开始的外延生长是在没有金属层的情况下进行的，则这会使少量错位进一步传播到外延生长的基于氮化物的化合物半导体晶体，导致错位密度的减少不充分。
同样与本发明相反，如果形成空隙并且从基于氮化物的化合物半导体基层中形成有空隙的表面开始的外延生长是在没有金属层的情况下进行的，则开始时的在空隙中的过渡外延生长没有利用上述减少错位密度的机理，也将导致错位密度的减少不充分。在存在覆盖无空隙表面上的氮化钛膜的情况下从无空隙的氮化镓基层进行氮化镓的外延生长时，错位密度的减少不充分。该外延生长在错位密度方面是不理想的，因为它不利于减少错位密度。这种在存在覆盖无空隙表面上的氮化钛膜的情况下从无空隙的氮化镓基层进行的氮化镓的不理想的外延生长在日本未决专利公开10-321954和11-260835中有介绍，在此结合作为参考。
因此，根据本发明的上述在外延生长中空隙和金属层的组合存在对于获得外延生长基于氮化物的化合物半导体晶体理想的低错位密度是重要的。
优选为了在金属层上外延生长的基于氮化物的化合物半导体晶体的上部区或上表面晶体的完好，在(0002)衍射摆动曲线最大值一半处的总宽和另一在(10-10)衍射摆动曲线最大值一半处的总宽都是至多为0.1度。对衍射摆动曲线最大值一半处的总宽的测量可选择用任何可用的X射线进行，例如使用具有四方晶体单色的Cukα1单色X射线。在(0002)衍射摆动曲线最大值一半处的总宽和另一在(10-10)衍射摆动曲线最大值一半处的总宽分别与外延生长的基于氮化物的化合物半导体晶体的上部区或上表面中晶粒的倾斜角和扭转角相对应。对于根据常规生长方法不形成空隙和没有金属层的情况下在蓝宝石衬底上外延生长的氮化镓晶体，扭转角一般不小于0.1度，而外延生长的氮化镓晶体的错位密度大于1E8cm-2。如果在(0002)衍射摆动曲线最大值一半处的总宽和另一在(10-10)衍射摆动曲线最大值一半处的总宽不大于0.1度，则这意味着外延生长的氮化镓晶体的错位密度不大于1E8cm-2。
优选对于各种半导体器件衬底的应用，根据本发明的外延生长的氮化镓晶体在较宽的区域或比所要应用的半导体器件的器件长度更大的长度上具有高的表面平整度。表面平整度对拾取从激光二极管通过衬底发射的光线的效率产生影响。对于应用到氮化镓半导体激光二极管的应用，优选为了获得较高的表面平整度，外延生长的氮化镓晶体的表面平整度相对于大约500微米的长度数量级的参考平面是在大约±0.2微米的范围内。
在优选的实施例中，在金属层上外延生长的基于氮化物的化合物半导体晶体的表面区域具有C平面。为了形成这种C平面，优选基于氮化物的化合物半导体基层具有基本朝向[0001]的表面，而金属层具有基本朝向[0001]的六边形晶体结构；或者基于氮化物的化合物半导体基层具有基本朝向[0001]的表面，而金属层具有基本朝向[111]的立方体晶体结构。例如，如果基于氮化物的化合物半导体基层在晶体支撑衬底上形成，则优选该晶体支撑衬底具有基本朝向[0001]的晶体结构，偏移角至多具有0.1度，更优选朝向[0001]而偏移角为零。
在优选实施例中，对本领域技术人员来说上述衬底结构可以选择在诸如蓝宝石衬底之类的上述晶体支撑结构上形成。即，基于氮化物的化合物半导体基层是在诸如蓝宝石衬底之类的晶体支撑衬底上形成的。此外，可以选择在晶体支撑衬底和上述衬底结构之间设置一个或多个缓冲层。即，基于氮化物的化合物半导体基层形成在诸如蓝宝石衬底之类的晶体支撑衬底上的一个或多个缓冲层上。
对于根据本发明的上述衬底结构，使用金属层上的外延生长的基于氮化物的化合物半导体晶体来形成半导体器件。这意味着在得到具有错位密度减少的外延生长的基于氮化物的化合物半导体晶体之后，就不再需要金属层和在金属层下的其它衬底结构来形成半导体器件。因此，在形成了金属层上的外延生长的基于氮化物的化合物半导体晶体之后，晶体支撑衬底、基于氮化物的化合物半导体基层、以及金属层可以选择被去除，以形成单层的外延生长基于氮化物的化合物半导体晶体的衬底结构。本领域技术人员所公知的技术如蚀刻可有利地用作除去这些层的方法。
在优选的实施例中，考虑到进一步减小外延生长的基于氮化物的化合物半导体晶体，在外延生长中利用电介质掩模图形是有效的。电介质掩模图形的底面用于阻挡错位向上的进一步传播。此外，电介质掩模图形的间隙也允许外延生长通过，其中，在外延生长进一步不仅在电介质掩模图形的垂直方向而且在横向上延续之前，外延生长的基于氮化物的化合物半导体晶体会在这些间隙中形成小的凸起。外延生长的基于氮化物的化合物半导体晶体的凸起然后会生长并且它们相邻的凸起会彼此合为一体，然后在基本向上的方向上进行主外延生长。
大多数错位的传播被电介质掩模图形的底面阻挡和终止，而少量错位会通过电介质掩模图形的间隙传播。少量的错位被传播到凸起上，其中这些传播错位中大部分的传播方向从基本垂直的方向变为基本水平的方向。这种变化减少了在基本垂直方向上传播的错位的数量。此外，当外延生长的基于氮化物的化合物半导体晶体的相邻凸起彼此合为一体时，将出现错位的传播方向从基本垂直的方向进一步变为基本水平的方向。这种变化使一部分水平传播的错位变为基本向上传播的错位。结果，在电介质掩模图形上的在基本垂直的方向上传播的错位密度远低于在电介质掩模图形下在基本垂直的方向上传播的错位密度。这些是通过电介质掩模图形减少错位密度的机理。
为了进一步减少错位密度，该电介质掩模图形可以优选比间隙的尺寸厚，以提供这样一种额外的效果，即，除了上述电介质掩模图形的基本效果和功能外，大多数水平传播的错位被电介质掩模图形间隙的侧壁所阻挡和终止。
采用电介质掩模图形以减少基于氮化物的化合物半导体晶体的错位密度的技术在美国专利申请10/091,437中公开，本文引入作为参考，以使本领域技术人员与上述本发明结合来实践和使用这些技术。
在一个优选实施例中，在所述电介质掩模图形上外延生长基于氮化物的化合物半导体基层之前，电介质掩模图形可以形成在晶体支撑衬底上。由此通过上述机理减少了基于氮化物的化合物半导体基层的错位密度。然后，金属层被形成在基于氮化物的化合物半导体基层上。根据上述的本发明，然后再进行热处理，在金属层中形成多个孔，在基于氮化物的化合物半导体基层中形成空隙，然后进行开始时的填充空隙的过渡外延生长和后继的主外延生长。
对这种根据本发明的包括电介质掩模图形和金属层以减少错位密度的衬底结构，在金属层上形成的外延生长基于氮化物的化合物半导体晶体被用于形成半导体器件。这意味着在得到具有错位密度减少的外延生长的基于氮化物的化合物半导体晶体之后，就不再需要电介质掩模图形、金属层和在金属层下的其它衬底结构来形成半导体器件。因此，可以在形成了金属层上的外延生长的基于氮化物的化合物半导体晶体之后，选择将晶体支撑衬底、电介质掩模图形、基于氮化物的化合物半导体基层、以及金属层去除，以形成单层的外延生长基于氮化物的化合物半导体晶体的衬底结构。本领域技术人员所公知的技术如蚀刻可有利地用作除去这些层的方法。
在另一个优选实施例中，电介质掩模图形可以形成在金属层上的基于氮化物的化合物半导体晶体上，以进一步在电介质掩模图形上外延生长另外的基于氮化物的化合物半导体顶层，由此该另外的基于氮化物的化合物半导体顶层的错位密度要低于在金属层上外延生长的基于氮化物的化合物半导体晶体的错位密度。
对于这种根据本发明的包括电介质掩模图形和金属层以减少错位密度的衬底结构，在电介质掩模图形上形成的另外的基于氮化物的化合物半导体顶层被用于形成半导体器件。这意味着在得到具有错位密度减少的另外的基于氮化物的化合物半导体顶层之后，就不再需要电介质掩模图形、外延生长的基于氮化物的化合物半导体晶体、金属层和在金属层下的其它衬底结构来形成半导体器件。因此，可以在形成了金属层上的外延生长的基于氮化物的化合物半导体晶体之后，选择将晶体支撑衬底、基于氮化物的化合物半导体基层、金属层、电介质掩模图形以及外延生长基于氮化物的化合物半导体晶体去除，以形成单层的另外的基于氮化物的化合物半导体顶层的衬底结构。本领域技术人员所公知的技术如蚀刻可有利地用作除去这些层的方法。
电介质掩模图形的形状和尺寸可以根据本领域技术人员的经验知识，借鉴美国专利申请10/091,437的技术内容来决定。
在说明书和权利要求书中，术语“基于氮化物的化合物半导体”是指包括各种未掺杂或掺杂的含有氮的化合物半导体，典型的是基于氮化镓的化合物半导体，例如，氮化镓、氮化铝镓、和氮化铟镓。
在另一优选实施例中，本领域技术人员显然可知金属层可以采用一些合金。这样，上述金属层可以由所选择的合金所制造，只要所选择的合金的氮化物比如上所述的基于氮化物的化合物半导体有更低的自由能即可。
此外，优选采用表面活性效果，以实现在金属层上外延生长的基于氮化物的化合物半导体晶体的缺陷或错位密度减少的在金属层上的外延生长。例如，可以选择一种或多种能够表现出表面活性的元素，使之被吸收到金属层的表面，以用于基于氮化物的化合物半导体晶体在金属层上的后续生长，从而减少在金属层上外延生长的基于氮化物的化合物半导体晶体的缺陷或错位密度。
根据上述详细说明的本发明，显然本领域的技术人员可以知道本发明提供了如下有利的方法和衬底结构。
本发明提供了一种可以避免上述问题的形成外延生长的基于氮化物的化合物半导体晶体衬底结构的新型方法。
本发明还提供了一种形成外延生长的基于氮化物的化合物半导体晶体衬底结构的新型方法，其中至少衬底结构的上部区域的错位密度或缺陷密度水平大大降低，一般小于在实际应用到各种基于氮化物的化合物半导体器件如激光二极管和发光二极管中时对错位密度值范围的最低要求。
本发明还提供了一种形成外延生长的单层基于氮化物的化合物半导体晶体衬底结构的新型方法，其中至少单层衬底的上部区域的错位密度或缺陷密度水平大大降低，一般小于在实际应用到各种基于氮化物的化合物半导体器件如激光二极管和发光二极管中时对错位密度值范围的最低要求。
本发明还提供了一种形成外延生长的单层基于氮化物的化合物半导体晶体衬底结构的新型方法，其中单层衬底的整体的错位密度或缺陷密度水平大大降低，一般小于在实际应用到各种基于氮化物的化合物半导体器件如激光二极管和发光二极管中时对错位密度值范围的最低要求。
本发明还提供了一种形成外延生长的基于氮化物的化合物半导体晶体衬底结构的新型方法，其中错位密度或缺陷密度水平大大降低，从而在不使用任何构图的绝缘体掩模的情况下，一般也小于在实际应用到各种基于氮化物的化合物半导体器件如激光二极管和发光二极管中时对错位密度值范围的最低要求。
本发明还提供了一种形成外延生长的基于氮化物的化合物半导体晶体衬底结构的新型方法，其中错位密度或缺陷密度水平大大降低，从而在不使用任何微光刻工艺的情况下，一般也小于在实际应用到各种基于氮化物的化合物半导体器件如激光二极管和发光二极管中时对错位密度值范围的最低要求。
本发明还提供了一种形成外延生长的基于氮化物的化合物半导体晶体衬底结构的新型方法，其中错位密度或缺陷密度水平大大降低，从而在不使用任何附加的、复杂的和/或耗时的工艺的情况下，一般也小于在实际应用到各种基于氮化物的化合物半导体器件如激光二极管和发光二极管中时对错位密度值范围的最低要求。
本发明的还提了供一种形成外延生长的基于氮化物的化合物半导体晶体衬底结构的新型方法，其中错位密度或缺陷密度水平大大降低，从而在较高的产量、较低的成本和/或较高的复制性的情况下，一般也小于在实际应用到各种基于氮化物的化合物半导体器件如激光二极管和发光二极管中时对错位密度值范围的最低要求。
本发明还提供了一种形成外延生长的基于氮化物的化合物半导体晶体衬底结构的新型方法，其中错位密度或缺陷密度水平大大降低，从而在不使用不利于环境的工艺例如具有一定的危害性的化学用品如在清洗工艺中使用的氟酸溶液和有机溶剂的情况下，一般也小于在实际应用到各种基于氮化物的化合物半导体器件如激光二极管和发光二极管中时对错位密度值范围的最低要求。
本发明还提供了一种新型的可以避免上述问题的外延生长的基于氮化物的化合物半导体晶体衬底结构。
本发明还提供了一种新型的外延生长的基于氮化物的化合物半导体晶体衬底结构，其中至少衬底结构的上部区域的错位密度或缺陷密度水平大大降低，一般小于在实际应用到各种基于氮化物的化合物半导体器件如激光二极管和发光二极管中时对错位密度值范围的最低要求。
本发明还提供了一种新型的外延生长的单层基于氮化物的化合物半导体晶体衬底结构，其中至少单层衬底的上部区域的错位密度或缺陷密度水平大大降低，一般小于在实际应用到各种基于氮化物的化合物半导体器件如激光二极管和发光二极管中时对错位密度值范围的最低要求。
本发明还提供了一种新型的外延生长的基于氮化物的化合物半导体晶体衬底单层结构，其中单层衬底的整体的错位密度或缺陷密度水平大大降低，一般小于在实际应用到各种基于氮化物的化合物半导体器件如激光二极管和发光二极管中时对错位密度值范围的最低要求。
本发明还提供了一种新型的外延生长的基于氮化物的化合物半导体晶体衬底结构，其中在不使用任何构图的绝缘体掩模的情况下，错位密度或缺陷密度水平也大大降低，一般小于在实际应用到各种基于氮化物的化合物半导体器件如激光二极管和发光二极管中时对错位密度值范围的最低要求。
本发明还提供了一种新型的在外延生长的基于氮化物的化合物半导体晶体衬底结构上所形成的可以避免上述问题的基于氮化物的化合物半导体器件。
本发明提供了一种新型的在外延生长的基于氮化物的化合物半导体晶体衬底结构上所形成的基于氮化物的化合物半导体器件，其中至少衬底结构的上部区域的错位密度或缺陷密度水平大大降低，一般小于在实际应用到各种基于氮化物的化合物半导体器件如激光二极管和发光二极管中时对错位密度值范围的最低要求。
本发明还提供了一种新型的在外延生长的单层基于氮化物的化合物半导体晶体衬底结构上所形成的基于氮化物的化合物半导体器件，其中至少单层衬底的上部区域的错位密度或缺陷密度水平大大降低，一般小于在实际应用到各种基于氮化物的化合物半导体器件如激光二极管和发光二极管中时对错位密度值范围的最低要求。
本发明还提供了一种新型的在外延生长的单层基于氮化物的化合物半导体晶体衬底结构上所形成的基于氮化物的化合物半导体器件，其中单层衬底的整体的错位密度或缺陷密度水平大大降低，一般小于在实际应用到各种基于氮化物的化合物半导体器件如激光二极管和发光二极管中时对错位密度值范围的最低要求。
本发明还提供了一种新型的在外延生长的基于氮化物的化合物半导体晶体衬底结构上所形成的基于氮化物的化合物半导体器件，其中在不使用任何构图的绝缘体掩模的情况下，错位密度或缺陷密度水平也大大降低，一般小于在实际应用到各种基于氮化物的化合物半导体器件如激光二极管和发光二极管中时对错位密度值范围的最低要求。
例1：
制备单晶蓝宝石衬底，其直径为2英寸，并具有C平面的表面。利用MOCVD法，以三甲基镓(TMG)和NH3作为源气，在单晶蓝宝石衬底的C平面上淀积厚度为400纳米的未掺杂的外延GaN层。通过蒸汽在未掺杂的外延GaN层上淀积厚度为20纳米的钛膜。对衬底进行X射线的衍射测量，其结果如图3所示。可观察到钛膜具有朝向[0001]的晶向。
将衬底放入MOCVD系统的反应室中。将含有20％H2的氨气连续通入该室中。在NH3和H2的气流存在的情况下在1050℃进行热处理30分钟，从而将钛膜氮化以形成氮化钛膜。对热处理后的衬底再次进行X射线衍射测量其结果示于图4。可观察到氮化钛膜具有朝向[111]的另一晶向。通过扫描电子显微镜(SEM)观察衬底的表面和截面部分，得到分别如图5和图6所示的结果。已经证明氮化钛膜的表面具有均匀分布的平均距离大约为0.1微米的许多孔，而在氮化钛膜下面的未掺杂的外延GaN层具有深度至多为约400纳米的均匀分布的基本呈倒三角形的空隙。未掺杂的外延GaN层包括均匀分布的基本为三角形的晶块，其顶尖部分实质上和机械式地支持着氮化钛膜的底面。从SEM照相观察衬底截面，大致估计空隙的多孔率为大约65％。
例2：
参考图2A，制备单晶蓝宝石衬底1，其直径为2英寸，并具有C平面的表面。利用MOCVD法，以三甲基镓(TMG)和NH3作为源气，在单晶蓝宝石衬底的C平面上淀积厚度为400纳米的未掺杂的外延GaN层2。
参考图2B，通过蒸汽在未掺杂的外延GaN层2上淀积厚度为20纳米的钛膜。
参考图2C，将衬底放入MOCVD系统的反应室中。将含有20％H2气的氨气连续通入室中。在NH3和H2的气流存在的情况下在1050℃进行热处理30分钟，从而将钛膜氮化以形成氮化钛膜3’。
参考图2D，接着，在不将衬底暴露于外部气体环境中的情况下，以三甲基镓(TMG)和NH3作为源气，在1050℃继续进行外延生长，以在氮化钛膜3’上形成厚度为2微米的GaN膜4。
通过显微镜和SEM观察证明，GaN外延衬底的表面比另一在低温下用缓冲层得到的GaN外延衬底表面具有更高的平整度。
剖开衬底并用SEM观察其截面部分，如图1所示。还证明在GaN层2’中形成的空隙已经被一部分在热处理后外延生长的GaN层4完全填充，并且外延生长的GaN层4平面平整度高。
用原子间力显微镜观察衬底的表面，测量凹坑的密度。所测量的凹坑密度为2E6cm-2。证明GaN单晶衬底具有理想的晶体完好性。
再对衬底进行X射线衍射测量。证明在衬底的整个表面上所测得的在(0002)面衍射摆动曲线最大值一半处的总宽和另一在(10-10)衍射摆动曲线最大值一半处的总宽分别是130秒。
衬底的表面粗糙度通过在5个点的表面分段测量来测量，这5个点例如是中心点、在两条穿过中心并相互垂直的水平线上的两组在直径两端的点。证明表面水平的变化相对于参考平面在±0.1微米的范围内。
例3：
制各单晶蓝宝石衬底，其直径为2英寸，并具有C平面的表面。利用MOCVD法，以三甲基镓(TMG)和NH3作为源气，在单晶蓝宝石衬底的C平面上淀积厚度为500纳米的未掺杂的外延GaN层。通过蒸汽在未掺杂的外延GaN层上淀积厚度为25纳米的钛膜。将衬底放入MOCVD系统的反应室中。将含有20％H2的氩气连续通入室中。在Ar和H2的气流存在的情况下在1050℃进行热处理10分钟。接着，在NH3和H2的气流存在的情况下在1050℃再进行热处理30分钟。然后，在不将衬底暴露于外部气体环境中的情况下，以三甲基镓(TMG)和NH3作为源气，在1050℃继续进行外延生长，以在氮化钛层上形成厚度为2微米的掺硅的GaN膜。
通过显微镜和SEM观察证明，GaN外延衬底的表面比另一在低温下用缓冲层得到的GaN外延衬底表面具有更高的平整度。
进一步对衬底用X射线衍射测量。证明在衬底的整个表面上所测得的在(0002)面衍射摆动曲线最大值一半处的总宽是大约120秒。对氮化钛膜也进行X射线衍射测量，证明另一测得的在(111)面衍射摆动曲线最大值一半处的总宽表明钛膜被氮化了。
剖开衬底并用SEM观察其截面部分，如图1所示。还证明在GaN层2’中形成的空隙已经被一部分在热处理后外延生长的GaN层4完全填充，并且外延生长的GaN层4平面平整度高。通过TEM照相的观察很难看清所填充的空隙区的边界。但是，可以通过TEM观察证实错位密度被减少至大约1E8cm-3。这比通常所观察到的在用MOCVD生长的GaN层的1E9cm-3至1E10cm-3的错位密度范围要小。该事实表明曾经形成了空隙然后又用错位密度低于GaN基底层的外延晶体进行了填充。考虑到通过热处理几乎不能得到减少错位密度这一公知的事实，如果通过热处理和后续的外延生长减少了GaN基底层的错位密度，则这意味着形成了空隙然后又用错位密度低于GaN基底层的外延晶体进行了填充。
还证明上述生长方法对10次以上的复制性表现良好。
例4：
制备单晶蓝宝石衬底，其直径为2英寸，并具有C平面的表面。利用MOCVD法，以三甲基镓(TMG)和NH3作为源气，在单晶蓝宝石衬底的C平面上淀积厚度为500纳米的未掺杂的外延GaN层。通过蒸汽在未掺杂的外延GaN层上淀积厚度为30纳米的钛膜。将衬底放入MOCVD系统的反应室中。将含有80％H2和20％NH3气的混合气体连续地通入室中。在NH3和H2的气流存在的情况下在1050℃进行热处理30分钟。由此将钛膜氮化以形成氮化钛膜。
从反应室中取出衬底，通过显微镜观察证明氮化钛膜具有与图5所示相似的均匀分布的微孔。然后，将衬底放入HVPE系统的反应室中。将含有NH3气体和GaCl气体的混合气作为源气，连续地通入室中。在大气压下在1050℃以80微米/小时的淀积速率进行外延生长，从而在氮化钛层3’上形成厚度为300微米的GaN膜。
通过显微镜和SEM观察证明，GaN外延衬底的表面比另一用SiO2掩模的常规HVPE选择生长所得到的GaN外延衬底表面具有更高的平整度。
剖开衬底并用SEM观察其截面部分。还证明在GaN基底层中形成的空隙已经被在热处理后外延生长的一部分GaN层完全填充，并且该外延生长的GaN层4平面平整度高。
将衬底的表面暴露在温度为250℃并包括磷酸和硫酸的混合腐蚀溶剂中进行120分钟的腐蚀处理。用SEM来测量被腐蚀衬底的表面凹坑密度。所测得的凹坑密度为1E7cm-2。证明GaN单晶衬底具有理想的晶体完好性。
进一步对衬底用X射线衍射测量。证明在衬底的整个表面上所测得的在(0002)面衍射摆动曲线最大值一半处的总宽是大约90秒。对氮化钛膜也进行X射线衍射测量，证明另一测得的在(10-10)面衍射摆动曲线最大值一半处的总宽大约是150秒。
衬底的表面粗糙度通过在5个点的表面分段测量来测量，这5个点例如是中心点、在两条穿过中心并相互垂直的水平线上的两组在直径两端的点。证明表面水平的变化相对于参考平面在±0.1微米的范围内。
例5：
参考图7A，制备单晶蓝宝石衬底1，其直径为2英寸，并具有C平面的表面。利用MOCVD法，以三甲基镓(TMG)和NH3作为源气，在单晶蓝宝石衬底1的C平面上淀积厚度为1微米的未掺杂的外延GaN层5。
参考图7B，通过热CVD方法将厚度为0.5微米的SiO2膜6淀积在未掺杂的外延GaN层5上。
参考图7C，在SiO2膜6上施加抗蚀剂。然后将抗蚀剂曝光和显影，以形成抗蚀剂图形。通过抗蚀剂图形作为腐蚀掩模选择性地腐蚀SiO2膜6，以形成具有条状窗口的SiO2掩模6，其中条状窗口的纵向与<11-20>平行，从而GaN层的表面部分通过窗口露出。每个窗口的宽度为3微米，而相邻两个窗口的距离宽度为7微米。
参考图7D，将衬底放入HVPE系统的反应室中。将含有NH3气体和GaCl气体的混合气作为源气，连续地通入室中。在大气压下在1050℃以80微米/小时的淀积速率进行外延生长，从而在SiO2掩模6和氮化镓层5上形成厚度为100微米的GaN膜2。在开始生长时，SiO2掩模6的窗口填充有GaN，然后在SiO2掩模6上生长GaN膜2。
参考图7E，通过蒸汽在未掺杂的外延GaN层上形成30纳米厚的钛膜。
参考图7F，将衬底放入MOCVD系统的反应室中。将含有50％H2和50％NH3气的混合气体连续地通入室中。在NH3和H2的气流存在的情况下在1040℃进行热处理40分钟。由此将钛膜氮化以形成具有空隙的氮化钛膜2’。
参考图7G，从反应室中取出衬底，然后，将衬底放入HVPE系统的反应室中。将含有NH3气体和GaCl气体的混合气作为源气，与SiH2Cl2掺杂剂一起连续地通入室中。在大气压下在1050℃进行外延生长，从而在GaN层氮化钛层3’上形成厚度为300微米的掺硅的GaN膜4。
用原子间力显微镜观察衬底的表面，测量凹坑的密度。所测量的凹坑密度为1E6cm-2。证明GaN单晶衬底具有理想的晶体完好性。
再对衬底进行X射线衍射测量。证明在衬底的整个表面上所测得的在(0002)面衍射摆动曲线最大值一半处的总宽大约是80秒，而另一在(10-10)衍射摆动曲线最大值一半处的总宽大约是110秒。
衬底的表面粗糙度通过在5个点的表面分段测量来测量，该5个点例如是中心点、在两条穿过中心并相互垂直的水平线上的两组在直径两端的点。证明表面水平的变化相对于参考平面在±0.15微米的范围内。
例6
通过例5得到的并示于图7G中的GaN外延衬底被浸入含有氢氟酸和硝酸的混合溶液。氮化钛层被选择性地腐蚀，由此将GaN层从衬底剥离而不造成断裂。从而得到厚度为300微米的如图7H所示的单层GaN衬底4。
测量单层GaN衬底4的室，与单层GaN衬底4的室相关的所测得的曲率半径是大约2米。证明单层GaN衬底4相当的平坦。
例7
参考图2A，制备单晶蓝宝石衬底1，其直径为2英寸，并具有C平面的表面。利用MOCVD法，以三甲基镓(TMG)和NH3作为源气，在单晶蓝宝石衬底1的C平面上淀积厚度为400纳米的未掺杂的外延GaN层2。
参考图8B，通过蒸汽在未掺杂的外延GaN层2上淀积厚度为20纳米的钛膜。
参考图8C，将衬底放入MOCVD系统的反应室中。将含有20％H2的氨气连续通入室中。在NH3和H2的气流存在的情况下在1050℃进行热处  30分钟，从而将钛膜氮化以形成氮化钛膜3’。
参考图8D，接着，在不将衬底暴露于外部大气环境中的情况下，以三甲基镓(TMG)和NH3作为源气，在1050℃对衬底继续进行外延生长，以在氮化钛膜3’上形成厚度为2微米的GaN膜4。
参考图8E，通过热CVD方法将厚度为0.5微米的SiO2膜6淀积在未掺杂的外延GaN膜4上。
参考图8F，在SiO2膜6上施加抗蚀剂。然后将抗蚀剂曝光和显影，以形成抗蚀剂图形。通过抗蚀剂图形作为腐蚀掩模选择性地腐蚀SiO2膜6，以形成具有条状窗口的SiO2掩模6，其中条状窗口的纵向与<11-20>平行，从而GaN层4的表面部分通过窗口露出。每个窗口的宽度为3微米，而相邻两个窗口的距离宽度为7微米。
参考图8G，将衬底放入HVPE系统的反应室中。将含有NH3气体和GaCl气体的混合气作为源气，连续地通入室中。在大气压下在1050℃以80微米/小时的淀积速率进行外延生长，从而在SiO2掩模6和GaN膜4上形成上层GaN膜4。在开始生长时，SiO2掩模6的窗口用GaN填充，然后在SiO2掩模6上生长GaN膜4。
将所得到的衬底浸入暴露在温度为250℃并包括磷酸和硫酸的混合腐蚀溶剂中进行120分钟的腐蚀处理。用SEM来测量被腐蚀衬底的表面凹坑密度。所测得的凹坑密度为9E5cm-2。证明GaN单晶衬底具有理想的晶体完好性。
例8
通过例7得到的并示于图8G中的GaN外延衬底被浸入含有氢氟酸和硝酸的混合溶液。如图8H所示，氮化钛层3’被选择性地腐蚀，由此将含有SiO2掩模6的GaN层从衬底剥离而不造成断裂。将含有SiO2掩模6的GaN层4的底面抛光，以便去除SiO2掩模6，产生如图8I所示的厚度为300微米的单层GaN衬底4。
尽管结合几个优选实施例对本发明进行了说明，应当理解这些优选实施例仅是起到说明本发明的目的，因而并不是限制性的。在参照上面对本发明的说明之后，本领域的技术人员可以对本发明所公开的实施例使用各种等同的材料和技术进行大量的修改和替代。所有这些修改和替代都在所附权利要求所涵盖的范围内。

Claims (67)

1.一种形成外延生长的基于氮化物的化合物半导体晶体衬底结构的方法，所述方法包括：
在基于氮化物的化合物半导体基层上直接形成金属层，其中金属层包括从这样一组金属中选择的至少一种，该组金属借助于热能，促使从所述基于氮化物的化合物半导体基层中去掉构成原子；
利用提供的热能，形成穿过所述金属层的许多小孔，和在所述基于氮化物的化合物半导体基层中形成很多空隙；和
利用在开始工序中填充所述空隙和后继的在主工序中在所述金属层上的外延生长，进行基于氮化物的化合物半导体晶体的外延生长，以在所述金属层上形成外延生长的基于氮化物的化合物半导体晶体层。
2.如权利要求1所述的方法，其中用于所述金属层的所述至少一种选择的金属具有比所述基于氮化物的化合物半导体基层的自由能低的自由能。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述至少一种所选择的金属包括Ti，含Ti的合金，Fe，Ni，Zr，Hf，W和Pt。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述空隙具有不小于10纳米的平均深度。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述空隙形成的多孔率在10％到90％的范围内。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述金属层的厚度不大于500纳米。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述热能由温度不低于700℃的热处理提供。
8.如权利要求7所述的方法，其中所述热处理是在氢存在的条件下进行的。
9.如权利要求8所述的方法，其中所述热处理是在含氢和氮的混合气体存在的条件下进行的。
10.如权利要求7所述的方法，其中对所述基于氮化物的化合物半导体晶体进行的所述热处理和所述外延生长工艺是在相同的反应室中相继进行的而没有暴露到开放的大气中。
11.如权利要求1所述的方法，其中所述多个孔在所述金属层上均匀地分布，而所述空隙也在所述基于氮化物的化合物半导体基层上均匀地分布。
12.如权利要求11所述的方法，其中形成在所述金属层中的所述多孔的平均孔直径为0.1微米的数量级，而相邻的两个所述孔之间的平均距离在0.1微米的数量级。
13.如权利要求1所述的方法，其中在所述空隙内的所述基于氮化物的化合物半导体晶体的错位密度要低于在所述金属层上的所述基于氮化物的化合物半导体基层的错位密度。
14.如权利要求1所述的方法，其中所述外延生长的基于氮化物的化合物半导体晶体包括错位密度为1E8cm-2的表面区域。
15.如权利要求14所述的方法，其中所述外延生长的基于氮化物的化合物半导体晶体的所述表面区域的表面平坦度在500微米数量级的长度中为±0.2微米以内。
16.如权利要求14所述的方法，其中在所述外延生长的基于氮化物的化合物半导体晶体的所述表面区，在(0002)衍射摆动曲线最大值一半处的总宽、和另一在(10-10)衍射摆动曲线最大值一半处的总宽分别是至多为0.1度。
17.如权利要求1所述的方法，其中所述外延生长的基于氮化物的化合物半导体晶体的所述表面区域具有C平面。
18.如权利要求17所述的方法，其中所述基于氮化物的化合物半导体基层具有朝向[0001]的表面，而所述金属层具有朝向[0001]的立方体晶体结构。
19.如权利要求17所述的方法，其中所述基于氮化物的化合物半导体基层具有朝向[0001]的表面，而所述金属层具有朝向[111]的立方体晶体结构。
20.如权利要求1所述的方法，还包括：
在晶体支撑衬底上形成所述基于氮化物的化合物半导体基层。
21.如权利要求20所述的方法，还包括：
去除所述晶体支撑衬底、所述基于氮化物的化合物半导体基层、以及所述金属层，以形成所述外延生长的基于氮化物的化合物半导体晶体的单层衬底结构。
22.如权利要求1所述的方法，还包括：
在晶体支撑衬底上形成电介质掩模图形；和
在所述电介质掩模图形上外延生长所述基于氮化物的化合物半导体基层。
23.如权利要求22所述的方法，还包括：
去除所述晶体支撑衬底，所述电介质掩模图形，所述基于氮化物的化合物半导体基层，以及所述金属层，以形成所述外延生长的基于氮化物的化合物半导体晶体的单层衬底结构。
24.如权利要求1所述的方法，还包括：
在所述金属层上的所述外延生长的基于氮化物的化合物半导体晶体上形成电介质掩模图形；和
在所述电介质掩模图形上进一步生长基于氮化物的化合物半导体晶体顶层。
25.如权利要求24所述的方法，还包括：
去除所述晶体支撑衬底、所述基于氮化物的化合物半导体基层、所述金属层、所述电介质掩模图形、以及所述外延生长的基于氮化物的化合物半导体晶体，以形成所述基于氮化物的化合物半导体晶体顶层的单层衬底结构。
26.一种形成外延生长的基于氮化物的化合物半导体晶体衬底结构的方法，所述方法包括：
利用提供的热能，在基于氮化物的化合物半导体基层中形成空隙，和形成穿过所述基于氮化物的化合物半导体基层上直接形成的金属层的多个孔，其中所述金属层包括从这样一组金属中选择的至少一种，该组金属利用所述热能，促进从所述基于氮化物的化合物半导体基层中去掉构成原子；和
利用在开始工序中填充所述空隙，和在主工序中在所述金属层上的后继的外延生长，来进行基于氮化物的化合物半导体晶体的外延生长，以在所述金属层上形成外延生长的基于氮化物的化合物半导体晶体层。
27.如权利要求26所述的方法，其中所述用于所述金属层的所述至少一种选择的金属具有比所述基于氮化物的化合物半导体基层的自由能低的自由能。
28.如权利要求26所述的方法，其中所述空隙具有不小于10纳米的平均深度。
29.如权利要求26所述的方法，其中所述空隙形成的多孔率在10％到90％的范围内。
30.如权利要求26所述的方法，其中所述金属层的厚度不大于500纳米。
31.如权利要求26所述的方法，其中所述热能由温度不低于700℃的热处理提供。
32.如权利要求26所述的方法，其中所述空隙内的所述基于氮化物的化合物半导体晶体的错位密度要低于在所述金属层上的所述基于氮化物的化合物半导体基层的错位密度。
33.如权利要求26所述的方法，其中所述外延生长的基于氮化物的化合物半导体晶体包括错位密度为1E8cm-2的表面区域。
34.如权利要求33所述的方法，其中所述外延生长的基于氮化物的化合物半导体晶体的所述表面区域的表面平坦度在500微米数量级的长度中为±0.2微米以内。
35.如权利要求33所述的方法，其中在所述外延生长的基于氮化物的化合物半导体晶体的所述表面区，在(0002)衍射摆动曲线最大值一半处的总宽、和另一在(10-10)衍射摆动曲线最大值一半处的总宽分别是至多为0.1度。
36.如权利要求26所述的方法，还包括：
在晶体支撑衬底上形成所述基于氮化物的化合物半导体基层。
37.如权利要求36所述的方法，还包括：
去除所述晶体支撑衬底、所述基于氮化物的化合物半导体基层、以及所述金属层，以形成所述外延生长基于氮化物的化合物半导体晶体的单层衬底结构。
38.如权利要求26所述的方法，还包括：
在晶体支撑衬底上形成电介质掩模图形；和
在所述电介质掩模图形上外延生长所述基于氮化物的化合物半导体基层。
39.如权利要求38所述的方法，还包括：
去除所述晶体支撑衬底，所述电介质掩模图形，所述基于氮化物的化合物半导体基层，以及所述金属层，以形成所述外延生长基于氮化物的化合物半导体晶体的单层衬底结构。
40.如权利要求26所述的方法，还包括：
在所述金属层上的所述外延生长的基于氮化物的化合物半导体晶体上形成电介质掩模图形；和
在所述电介质掩模图形上进一步生长基于氮化物的化合物半导体晶体顶层。
41.如权利要求40所述的方法，还包括：
去除所述晶体支撑衬底、所述基于氮化物的化合物半导体基层、所述金属层、所述电介质掩模图形、以及所述外延生长的基于氮化物的化合物半导体晶体，以形成所述基于氮化物的化合物半导体晶体顶层的单层衬底结构。
42.一种外延生长基于氮化物的化合物半导体晶体的方法，所述方法包括：
在基于氮化物的化合物半导体基层与金属层之间直接接触的情况下，借助于提供的热能，在所述基于氮化物的化合物半导体基层中形成空隙，和形成穿过所述金属层的多个孔，其中所述金属层包括从这样一组金属中选择的至少一种，该组金属利用所述热能，促使从所述基于氮化物的化合物半导体基层中去掉构成原子；和
利用在开始工序中填充所述空隙，和在主工序中在所述金属层上的后继的外延生长，来进行基于氮化物的化合物半导体晶体的外延生长，以在所述金属层上形成外延生长的基于氮化物的化合物半导体晶体层。
43.如权利要求42所述的方法，其中所述用于所述金属层的所述至少一种选择的金属具有比所述基于氮化物的化合物半导体基层的自由能低的自由能。
44.如权利要求42所述的方法，其中所述空隙具有不小于10纳米的平均深度。
45.如权利要求42所述的方法，其中所述空隙形成的多孔率在10％到90％的范围内。
46.如权利要求42所述的方法，其中所述金属层的厚度不大于500纳米。
47.如权利要求42所述的方法，其中所述热能由温度不低于700℃的热处理提供。
48.如权利要求42所述的方法，其中所述空隙内的所述基于氮化物的化合物半导体晶体的错位密度要低于在所述金属层上的所述基于氮化物的化合物半导体基层的错位密度。
49.如权利要求42所述的方法，其中所述外延生长的基于氮化物的化合物半导体晶体包括错位密度为1E8cm-2的表面区域。
50.如权利要求49所述的方法，其中所述外延生长的基于氮化物的化合物半导体晶体的所述表面区域的表面平坦度在500微米数量级的长度中为±0.2微米以内。
51.如权利要求49所述的方法，其中在所述外延生长的基于氮化物的化合物半导体晶体的所述表面区，在(0002)衍射摆动曲线最大值一半处的总宽、和另一在(10-10)衍射摆动曲线最大值一半处的总宽分别是至多为0.1度。
52.一种外延生长的基于氮化物的化合物半导体晶体衬底结构，包括：
具有空隙的基于氮化物的化合物半导体基层；
在所述基于氮化物的化合物半导体基层上的金属层，所述金属层包括从这样一组金属中选择的至少一种，该组金属具有比所述基于氮化物的化合物半导体基层的自由能低的自由能；和
在所述金属层上和在所述孔和所述空隙内外延生长的基于氮化物的化合物半导体晶体层，
其中所述外延生长的所述基于氮化物的化合物半导体晶体层的错位密度要低于所述基于氮化物的化合物半导体基层的错位密度。
53.如权利要求52所述的结构，其中所述空隙具有不小于10纳米的平均深度。
54.如权利要求52所述的结构，其中所述空隙形成的多孔率在10％到90％的范围内。
55.如权利要求52所述的结构，其中所述外延生长的基于氮化物的化合物半导体晶体包括错位密度为1E8cm-2的表面区域。
56.如权利要求55所述的结构，其中所述外延生长的基于氮化物的化合物半导体晶体的所述表面区域的表面平坦度在500微米数量级的长度中为±0.2微米内。
57.如权利要求55所述的结构，其中在所述外延生长的基于氮化物的化合物半导体晶体的所述表面区，在(0002)衍射摆动曲线最大值一半处的总宽、和另一在(10-10)衍射摆动曲线最大值一半处的总宽分别是至多为0.1度。
58.如权利要求52所述的结构，其中所述外延生长的基于氮化物的化合物半导体晶体的所述表面区域具有C平面。
59.如权利要求58所述的结构，其中所述基于氮化物的化合物半导体基层具有朝向[0001]的表面，而所述金属层具有朝向[0001]的六边形晶体结构。
60.如权利要求58所述的结构，其中所述基于氮化物的化合物半导体基层具有朝向[0001]的表面，而所述金属层具有朝向[111]的立方体晶体结构。
61.如权利要求52所述的结构，还包括，在所述基于氮化物的化合物半导体基层下面的晶体支撑衬底。
62.如权利要求61所述的结构，还包括：
在晶体支撑衬底上方和在所述基于氮化物的化合物半导体基层下面的电介质掩模图形。
63.如权利要求61所述的结构，还包括：
在所述金属层上的所述外延生长的基于氮化物的化合物半导体晶体上的电介质掩模图形；和
在所述电介质掩模图形上的基于氮化物的化合物半导体晶体顶层。
64.如权利要求52所述的结构，其中所述基于氮化物的化合物半导体是包含镓和氮的基于氮化镓的化合物半导体。
65.一种包括外延生长的基于氮化物的化合物半导体晶体的单层衬底结构，
其中所述外延生长的基于氮化物的化合物半导体晶体包括错位密度为1E8cm-2的表面区域。
66.如权利要求65所述的结构，其中所述外延生长的基于氮化物的化合物半导体晶体的所述表面区域的表面平坦度在500微米数量级的长度中为±0.2微米以内。
67.如权利要求65所述的结构，其中在所述外延生长的基于氮化物的化合物半导体晶体的所述表面区，在(0002)衍射摆动曲线最大值一半处的总宽、和另一在(10-10)衍射摆动曲线最大值一半处的总宽分别是至多为0.1度。
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