-
Technisches Gebiet
-
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Schmelzflussverfahren
zur Herstellung eines Gruppe III Nitrid Verbindungshalbleiter-Kristalls,
in welchem ein Gruppe III Nitrid Verbindungshalbleiter-Kristall
unter Verwendung eines Schmelzflusses aufgewachsen wird.
-
Das
Verfahren der vorliegenden Erfindung ist zur Verringerung der Halbleiterkristall-Versetzungen oder
der Rissdichte wie auch die Herstellungskosten für Halbleiterkristalle effektiv.
-
Stand der Technik
-
Techniken,
welche bislang zum Aufwachsen eines Gruppe III Nitrid Verbindungshalbleiter-Kristalls durch
das Schmelzflussverfahren bekannt waren, schließen jene ein, welche zum Beispiel
in den offengelegten
japanischen
Patentanmeldungen (Kokai) Nummern H11-060394 ,
2001-058900 ,
2001-064097 ,
2004-292286 und
2004-300024 sowie in der
US 2005/0048686 A1 offenbart
sind.
-
Ein
solches herkömmliches
Herstellungsverfahren wendet allgemein als Grundträgermaterial (Impfkristall)
ein Templat, welches durch Bereitstellen einer Halbleiterschicht
(zum Beispiel einer Pufferschicht) auf einem Saphir-Trägermaterial,
einem freistehenden GaN Einkristall-Trägermaterial oder einem ähnlichen
Trägermaterial
gebildet wurde, an.
-
In
dem Verfahren, welches in jeder der vorher genannten Patentdokumente
offenbart ist, wird ein Impfkristall in einen Schmelzfluss eingetaucht, welcher
ein gelöstes
Gruppe III Element enthält,
während
ein N enthaltendes Gas zu dem Schmelzfluss zugeführt wird, gefolgt von Ziehen
des Impfkristalls aus dem Schmelzfluss.
-
In
dem Fall, in dem ein Templat-Trägermaterial,
das durch Aufwachsen von GaN auf einen Saphir-Trägermaterial durch MOCVD gebildet
wurde, als Impfkristall angewendet wird, wenn ein gezielter Gruppe
III Nitrid Verbindungshalbleiter-Kristall auf dem Impfkristall zu
einer großen
Dicke aufgewachsen wird, werden eine große Anzahl von Rissen in dem
Halbleiterkristall während
der Entfernung des Halbleiterkristalls aus der Reaktionskammer erzeugt, weil
ein großer
Unterschied im thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem
Halbleiterkristall und dem Saphir-Trägermaterial besteht. Wenn folglich
das zuvor genannte Templat als Grundträgermaterial angewendet wird,
wird eine Schwierigkeit bei der Herstellung zum Beispiel eines Halbleiterkristalls mit
hoher Qualität
mit einer Dicke von 400 μm
oder mehr hervorgerufen.
-
Wenn
ein freistehendes GaN Einkristall-Trägermaterial als Grundträgermaterial
angewendet wird, kann die Erzeugung von Rissen in einem Zielhalbleiterkristall
unterdrückt
werden, da es keinen Unterschied in thermischen Ausdehnungskoeffizienten
zwischen dem Halbleiterkristall und dem Grundträgermaterial gibt. Es wird jedoch
eine Schwierigkeit beim Verringern der Herstellungskosten erwartet,
da ein freistehendes GaN Einkristall-Trägermaterial teuer ist.
-
Zwischenzeitlich
bringt die Zufuhr keines Gruppe III Elements zu einem Schmelzfluss
während des
Aufwachsens eines Halbleiterkristalls ein Problem darin hervor,
dass der Gehalt des Gruppe III Elements des Schmelzflusses in Übereinstimmung mit
dem Voranschreiten des Wachstums des Halbleiterkristalls verringert
wird, was zu einer Abnahme der Kristallwachstumsrate führt.
-
Darstellung der Erfindung
-
Die
vorliegende Erfindung wurde abgeschlossen, um die zuvor genannten
Probleme zu lösen.
-
Technische Aufgabe
-
Ein
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Halbleiterkristall
mit hoher Qualität
durch das Schmelzflussverfahren bei niedrigen Kosten herzustellen.
-
Ein
anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist, die Wachstumsrate eines
Halbleiterkristalls in dem Schmelzflussverfahren anzuheben.
-
Noch
ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Gruppe
III Nitrid Halbleiterkristall mit guter Qualität ohne Risse herzustellen.
-
Ein
weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die effiziente
Entfernung eines Trägermaterials zu
erleichtern.
-
Technische Lösung
-
Diese
Ziele werden nicht notwendiger Weise gleichzeitig durch eine Erfindung
erreicht, solange eines oder mehrere Ziele durch jegliche Erfindung
der vorliegenden Erfindung erreicht werden.
-
Die
zuvor genannten Probleme werden effektiv durch die Verfahren gemäß der Ansprüche 1 und
2 gelöst.
-
In
einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren
zur Herstellung eines Gruppe III Nitrid Verbindungshalbleiter-Kristalls durch
das Schmelzflussverfahren zur Verfügung gestellt, welches einen
Schmelzfluss anwendet, wobei das Verfahren das Aufwachsen eines
Halbleiterkristalls auf einer Oberfläche eines Trägermaterials
umfasst, welches mindestens teilweise aus einem Material gebildet
wird, das in einem Schmelzfluss gelöst werden kann (hiernach kann
das Material als „im Schmelzfluss
lösliches
Material” bezeichnet
werden), während
das im Schmelzfluss lösliche
Material in dem Schmelzfluss von einer Oberfläche des Trägermaterials her gelöst wird,
die der Oberfläche
gegenüberliegt,
auf welche der Halbleiterkristall aufgewachsen wird.
-
Das
Herstellungsverfahren gemäß des ersten
Aspekts umfasst den Fall, in dem selbst nach Abschluss des Wachstums
des Gruppe III Nitrid Verbindungshalbleiters auf dem Trägermaterial
das im Schmelzfluss lösliche
Material weiter in dem Schmelzfluss von einer Oberfläche des
Trägermaterials
gelöst
wird, die der Oberfläche
gegenüberliegt, auf
welcher der Halbleiter aufgewachsen wurde. Alternativ kann vor Abschluss
des Wachstums des Gruppe III Nitrid Verbindungshalbleiters die Gesamtheit
des im Schmelzfluss löslichen
Materials oder des Trägermaterials
(in dem Fall, in dem zum Beispiel die Gesamtheit des Trägermaterials
aus dem im Schmelzfluss löslichen
Material gebildet wurde) in dem Schmelzfluss gelöst werden. Die Gesamtheit des
im Schmelzfluss löslichen
Materials (Trägermaterial)
kann in dem Schmelzfluss zum frühest
möglichen
Zeitpunkt gelöst
werden, das heißt,
zu dem Zeitpunkt, zu dem die Dicke des aufzuwachsenden Halbleiterkristalls
eine Schwellendicke erreicht, bei welcher ein stabiles Wachstum
eines Gruppe III Nitrid Verbindungshalbleiters beginnt.
-
In
einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren
zur Herstellung eines Gruppe III Nitrid Verbindungshalbleiter-Kristalls durch
das Schmelzflussverfahren bereitgestellt, welches einen Schmelzfluss
anwendet, wobei das Verfahren das Aufwachsen eines Halbleiterkristalls
auf einer Oberfläche
eines Trägermaterials
umfasst, welches mindestens teilweise aus einem im Schmelzfluss
löslichen
Material gebildet wird und nachfolgendes Lösen des im Schmelzfluss löslichen
Materials in dem Schmelzfluss von einer Oberfläche des Trägermaterials, die der Oberfläche gegenüberliegt,
auf welcher der Halbleiterkristall aufgewachsen wurde.
-
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
-
Ein
charakteristisches Merkmal des Herstellungsverfahrens gemäß des ersten
Aspekts besteht darin, dass während
der Gruppe III Nitrid Verbindungshalbleiter-Kristall auf dem Trägermaterial
aufgewachsen wird, das im Schmelzfluss lösliche Material oder das Trägermaterial
(in dem Fall, in dem die Gesamtheit des Trägermaterials aus dem im Schmelzfluss
löslichen
Material gebildet wird) in dem Schmelzfluss von einer Oberfläche des
Trägermaterials
her gelöst
wird, die der Oberfläche
gegenüberliegt,
auf welcher der Halbleiterkristall aufgewachsen wurde. Im Gegensatz
dazu liegt ein charakteristisches Merkmal des Herstellungsverfahrens
gemäß des zweiten
Aspekts darin, dass, nachdem der Gruppe III Nitrid Verbindungshalbleiter-Kristall auf einem Trägermaterial
aufgewachsen wurde, das im Schmelzfluss lösliche Material oder das Trägermaterial
(in dem Fall, in dem die Gesamtheit des Trägermaterials aus dem im Schmelzfluss
löslichen
Material gebildet wird) in dem Schmelzfluss von einer Oberfläche des
Trägermaterials
her gelöst
wird, die der Oberfläche
gegenüberliegt,
auf welcher der Halbleiterkristall aufgewachsen wurde.
-
Kurze Beschreibung der Abbildungen der
Zeichnungen
-
1 ist
eine Querschnittsansicht, welche ein Templat 10 zeigt.
-
2 zeigt
die Konfiguration eines Kristallwachstumsgeräts.
-
3A ist
eine Querschnittsansicht, welche einen Halbleiterkristall zeigt,
der aufgewachsen wurde.
-
3B ist
eine Querschnittsansicht, welche den Halbleiterkristall zeigt, der
aufgewachsen wurde.
-
3C ist
eine Querschnittsansicht, welche den Halbleiterkristall zeigt, der
aufgewachsen wurde.
-
4 ist
eine Querschnittsansicht, welche ein GaN Trägermaterial zeigt, das in einer
zweiten Ausführungsform
hergestellt wurde.
-
5A ist
eine Querschnittsansicht, welche einen Halbleiterkristall zeigt,
der in der zweiten Ausführungsform
aufgewachsen wurde.
-
5B ist
eine Querschnittsansicht, welche den Halbleiterkristall zeigt, der
in der zweiten Ausführungsform
aufgewachsen wurde.
-
5C ist
eine Querschnittsansicht, welche den Halbleiterkristall zeigt, der
in der zweiten Ausführungsform
aufgewachsen wurde.
-
6 ist
eine Querschnittsansicht, welche ein Trägermaterial zeigt, das in einer
Abwandlung angewendet wurde.
-
Bester Weg zur Ausführung der Erfindung
-
In
den vorstehend beschriebenen Herstellungsverfahren gibt es keine
besondere Begrenzung für
das anzuwendende im Schmelzfluss lösliche Material. Vom Standpunkt
der Herstellungskosten jedoch ist das im Schmelzfluss lösliche Material
bevorzugt ein Material, welches kostengünstiger als ein freitragendes
GaN Einkristall-Trägermaterial
ist. Das im Schmelzfluss lösliche
Material ist bevorzugt ein Material, welches relativ leicht in heißem Alkali
gelöst werden
kann.
-
Wenn
ein Gruppe III Nitrid Verbindungshalbleiter eine höhere Versetzungsdichte
als die eines aufzuwachsenden Einkristallhalbleiters aufweist, kann
der Gruppe III Nitrid Verbindungshalbleiter leicht in einem Schmelzfluss
gelöst
werden. Das im Schmelzfluss lösliche
Material ist ein Gruppe III Nitrid Verbindungshalbleiter, bevorzugt
ein freitragendes GaN Trägermaterial
mit einer Versetzungsdichte von 1 × 106 cm–2 oder
mehr und 1 × 1010 cm–2 oder weniger. Wenn
die Versetzungsdichte übermäßig klein
ist, ist das freitragende GaN Trägermaterial
in dem zuvor genannten Schmelzfluss schwierig zu lösen, wohingegen,
wenn die Versetzungsdichte übermäßig hoch ist,
die Qualität
eines aufzuwachsenden Halbleiterkristalls auf dem freitragenden
GaN Trägermaterial beeinträchtigt wird.
Wenn ein unterer halber Abschnitt (wie in einer Dickenrichtung gezeigt
wird) eines Trägermaterials,
das aus einem einzelnen Material gebildet wird, eine hohe Versetzungsdichte
aufweist, oder ein Abschnitt (wie in einer Richtung parallel zu
der Oberfläche
gezeigt wird) eines solchen einzelnen Materialträgermaterials eine hohe Versetzungsdichte
aufweist, kann der Abschnitt mit der hohen Versetzungsdichte als
im Schmelzfluss lösliches Material
definiert werden.
-
Es
wird keine Begrenzung für
das zuvor genannte im Schmelzfluss lösliche Material vorgegeben,
solange es zumindest ungelöst
bleibt bis der zuvor genannte Halbleiterkristall aufgewachsen ist,
so dass er eine Dicke aufweist, bei welcher der Kristall durch sich
selbst stabil als ein Impfkristall für das Kristallwachstum dienen
kann. Folglich wird vom Standpunkt der Herstellungseffizienz insbesondere bevorzugt
nahezu die Gesamtheit des im Schmelzfluss löslichen Materials in einem
Schmelzfluss zu dem Zeitpunkt gelöst, wenn der Halbleiterkristall
aufgewachsen ist, so dass er eine gewünschte Dicke aufweist. Ein
solcher bevorzugter Zustand kann durch ungefähres Bestimmen der Dicke des
im Schmelzfluss löslichen
Materials oder anderer Bedingungen erreicht werden.
-
Der
zuvor genannte Gruppe III Nitrid Verbindungshalbleiter für das Kristallwachstum
umfasst einen Zweikomponenten-Halbleiter, einen Dreikomponenten-Halbleiter,
einen Vierkomponenten-Halbleiter, welche durch die Formel:
Al1-x-yGayInxN(0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ x + y ≤ 1) dargestellt
werden und beliebige Verbindungskristall-Anteile aufweisen, und
einen Halbleiter, welcher eine Dotierung vom n-Typ oder vom p-Typ
enthält.
-
Speziell
kann mindestens ein Abschnitt des anzuwendenden Trägermaterials
aus einem im Schmelzfluss löslichen
Material oder die Gesamtheit des Trägermaterials kann aus einem
im Schmelzfluss löslichen
Material gebildet werden. Der Ausdruck „mindestens ein Abschnitt
des Trägermaterials wird
aus einem im Schmelzfluss löslichen
Material gebildet”,
wie er hierin verwendet wird, kann sich auf den Fall beziehen, in
dem das Trägermaterial
eine zweischichtige Struktur aufweist, welche in einer Dickenrichtung
einen aus einem im Schmelzfluss löslichen Material gebildeten
Abschnitt und einen aus einem im Schmelzfluss unlöslichen
Material gebildeten Abschnitt aufweist. Zum Beispiel kann das Trägermaterial
eine zweischichtige Struktur, welche einen Gruppe III Nitrid Verbindungshalbleiter
mit einer niedrigen Versetzungsdichte (zum Beispiel ein GaN Trägermaterial
für das
Kristallwachstum) und einen Gruppe III Nitrid Verbindungshalbleiter
mit einer höheren
Versetzungsdichte als die des Trägermaterials für das Kristallwachstum
(zum Beispiel GaN (im Schmelzfluss lösliches Material) mit einer
Versetzungsdichte von 1 × 106 cm–2 oder mehr), aufweisen. Ein
Abschnitt des Trägermaterials
(wie in einer Richtung parallel zu der Oberfläche gezeigt wird) kann aus
einem im Schmelzfluss löslichen
Material gebildet werden, das ähnlich
zu dem zuvor Beschriebenen ist. Zum Beispiel kann das Trägermaterial
eine Struktur aufweisen, in welcher sein Randabschnitt aus einem
im Schmelzfluss unlöslichen
Material und die Gesamtheit seines mittleren Abschnitts aus einem
im Schmelzfluss löslichen
Material gebildet wird. Alternativ kann das Trägermaterial eine Struktur aufweisen,
in welcher ein Abschnitt, wie er durch eine Richtung parallel zu
der Oberfläche
gezeigt wird, aus einem im Schmelzfluss löslichen Material in einem gitterförmigen Muster
gebildet wird.
-
Es
ist unnötig
zu betonen, dass in dem Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung
die Gesamtheit des Trägermaterials
aus dem zuvor genannten im Schmelzfluss löslichen Material gebildet werden
kann.
-
In
dem Herstellungsverfahren wird das im Schmelzfluss lösliche Material
bevorzugt in dem Schmelzfluss bei einer Temperatur nahe der Wachstumstemperatur
des Halbleiterkristalls gelöst.
-
Während des
Vorgangs des Aufwachsens des Halbleiterkristalls kann das im Schmelzfluss
lösliche
Material in dem Schmelzfluss bei einer Temperatur nahe der Wachstumstemperatur
des Halbleiterkristalls gelöst
werden. Alternativ kann nach dem Wachstum des Halbleiterkristalls
das im Schmelzfluss lösliche
Material in dem Schmelzfluss bei einer Temperatur nahe der Wachstumstemperatur
des Halbleiterkristalls gelöst
werden.
-
In
dem Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung enthält bevorzugt
zumindest ein Abschnitt des zuvor genannten im Schmelzfluss löslichen
Materials eine Dotierung, welche die Trägerkonzentration des zuvor
genannten Halbleiterkristalls steuert. Eine solche Dotierung kann
eine Dotierung vom n-Typ oder eine Dotierung vom p-Typ sein. Das im
Schmelzfluss lösliche
Material kann sowohl Dotierungen vom n-Typ wie auch vom p-Typ enthalten.
-
In
dem Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung kann ein Schutzfilm
auf einer freiliegenden Oberfläche
des zuvor genannten im Schmelzfluss löslichen Materials gebildet
sein, so dass die Dicke oder das Bildungsmuster des Schutzfilms
den Zeitpunkt, zu dem das im Schmelzfluss lösliche Material in dem Schmelzfluss
gelöst
wird, oder die Auflösungsrate
des im Schmelzfluss löslichen Materials
steuern.
-
Beispiele
des Materials zum Bilden eines solchen Schutzfilms schließen Aluminiumnitrid
(AIN) und Tantal (Ta) ein. Ein solcher Schutzfilm kann durch jede
gut bekannte Technik wie Kristallwachstum, Vakuumabscheidung oder
Sputtern gebildet werden.
-
Das
zuvor genannte Filmbildungsmuster kann durch jede gut bekannte Technik
wie Photolithographie oder Ätzen
gebildet werden. Je geringer die Dicke des Schutzfilms ist, umso
früher
ist die zuvor genannte Auflösungszeit.
Je größer die
Fläche
eines Abschnitts des zuvor genannten im Schmelzfluss löslichen
Materials ist, der dem Schmelzfluss ausgesetzt ist, umso höher ist
die zuvor genannte Auflösungsrate.
-
In
dem Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung wird das im
Schmelzfluss lösliche
Material aus einem Gruppe III Nitrid Verbindungshalbleiter mit einer
höheren
Versetzungsdichte als die des aufzuwachsenden Halbleiterkristalls
gebildet.
-
In
dem Herstellungsverfahren kann das im Schmelzfluss lösliche Material
wie folgt gebildet werden.
-
Das
Trägermaterial
für das
Kristallwachstum kann aus einem Zweikomponenten-Halbleiter, einem Dreikomponenten-Halbleiter
oder einem Vierkomponenten-Halbleiter gebildet werden, welche durch
die Formel:
Al1-x-yGayInxN(0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ x + y ≤ 1) dargestellt
werden und beliebige Verbindungskristall-Anteile aufweisen. Der
Gruppe III Nitrid Verbindungshalbleiter kann eine Dotierung vom
p-Typ oder eine Dotierung vom n-Typ enthalten. Der Halbleiter, welcher
das im Schmelzfluss lösliche
Material aufbaut, ist am besten GaN. Die Kristallversetzungsdichte
des im Schmelzfluss löslichen
Materials, welches mindestens einen Abschnitt des Trägermaterials
aufbaut, oder die Kristallversetzungsdichte der Gesamtheit des Trägermaterials
(in dem Fall, in dem die Gesamtheit des Trägermaterials aus dem im Schmelzfluss
löslichen
Material gebildet wird) ist 1 × 106 cm–2 oder mehr, insbesondere
bevorzugt 1 × 107 cm–2 oder mehr und am besten
1 × 108 cm–2 oder mehr. Um die Kristallinität des Gruppe
III Nitrid Verbindungshalbleiters, der auf dem Trägermaterial
aufzuwachsen ist, zu verbessern ist die Versetzungsdichte auf 1 × 1010 cm–2 oder weniger reguliert.
-
Der
zuvor genannte aufzuwachsende Gruppe III Nitrid Verbindungshalbleiter-Kristall
ist bevorzugt GaN.
-
Das
Trägermaterial
kann eine Dotierung enthalten, welche die Trägerkonzentration des aufzuwachsenden
Halbleiters steuert. Eine solche Dotierung kann eine Dotierung vom
n-Typ oder eine Dotierung vom p-Typ sein. Das Trägermaterial kann Dotierungen
sowohl vom n-Typ wie auch vom p-Typ enthalten.
-
Bevorzugt
wird die Dicke des Trägermaterials
auf eine solche Dicke reguliert, dass die Gesamtheit des Trägermaterials
in dem Schmelzfluss zu dem Zeitpunkt gelöst wird, zu dem das Wachstum des
Halbleiterkristalls abgeschlossen ist. Durch eine solche Regulierung
der Dicke kann ein Gruppe III Nitrid Verbindungshalbleiter mit guter
Qualität
mit niedriger Versetzungsdichte hergestellt werden, da das Trägermaterial
mit einer höheren
Versetzungsdichte als die des Halbleiters vollständig in dem Schmelzfluss zu
dem Zeitpunkt des Abschlusses des Flüssigphasenwachstums des Gruppe
III Nitrid Verbindungshalbleiters gelöst wurde.
-
Ein
Schutzfilm kann auf einer freiliegenden Oberfläche des Trägermaterials gebildet werden, zum
Beispiel der Oberfläche
(Rückseite)
die der Oberfläche
des Kristallwachstums gegenüberliegt, so
dass die Dicke oder das Bildungsmuster des Schutzfilms den Zeitpunkt,
zu dem das Trägermaterial
in dem Schmelzfluss gelöst
wird, oder die Auflösungsrate
des Trägermaterials
steuern. Beispiele des Materials zum Bilden eines solchen Schutzfilms schließen Aluminiumnitrid
(AIN) und Tantal (Ta) ein. Ein solcher Schutzfilm kann durch jede
gut bekannte Technik wie Kristallwachstum, Vakuumabscheidung oder
Sputtern gebildet werden.
-
Das
zuvor genannte Filmbildungsmuster kann durch jede gut bekannte Technik
wie Photolithographie oder Ätzen
gebildet werden. Je kleiner die Dicke des Schutzfilms ist, umso
früher
ist die zuvor genannte Auflösungszeit.
Je größer die
Fläche
eines Abschnitts des Trägermaterials
ist, der zu dem Schmelzfluss hin freiliegt, umso höher ist
die zuvor genannte Auflösungsrate.
Die Auflösung
des Trägermaterials
in dem Schmelzfluss beginnt zu dem Zeitpunkt, zu dem der freiliegende
Abschnitt des Trägermaterials
in Kontakt mit dem Schmelzfluss von hoher Temperatur kommt, und
die Auflösungsrate
ist nahezu proportional zu der Fläche des freiliegenden Abschnitts.
Folglich können
die Zeit, zu der die Auflösung
des Trägermaterials
beginnt, die Zeit, die zur Auflösung
des Trägermaterials
benötigt
wird, die Auflösungsrate
und so weiter wie gewünscht
durch geeignetes Bestimmen der Dicke des Schutzfilms und der Fläche des
freiliegenden Abschnitts des Trägermaterials
gesteuert werden. Die Zeit, welche für die Auflösung des Trägermaterials benötigt wird,
kann durch Variieren zum Beispiel der Zusammensetzungsverhältnisse
oder der Dicke des Trägermaterials
oder der Temperatur des Schmelzflusses reguliert werden. Wenn die
Dotierung, die in dem Trägermaterial
enthalten ist, als eine Dotierung angewendet wird, die zu dem auf
dem Trägermaterial
aufzuwachsenden Halbleiterkristall zugegeben wird, kann die Dotierungskonzentration
des Halbleiterkristalls wie gewünscht
durch geeignetes Steuern der Zeit, die zur Auflösung des Trägermaterials benötigt wird,
oder seiner Auflösungsrate,
reguliert werden.
-
Die
Effekte ergeben sich wie folgt.
-
Spezieller
wird in dem Herstellungsverfahren während des Vorgangs des Wachstums
eines Halbleiterkristalls oder nach dem Abschluss des Wachstums
des Halbleiterkristalls ein im Schmelzfluss lösliches Material in einem Schmelzfluss
bei einer Temperatur nahe der Wachstumstemperatur des Halbleiterkristalls
gelöst.
Wenn daher ein Zielhalbleiterkristall aus einer Reaktionskammer
entfernt wird, wird eine Spannung – welche andererseits aufgrund
von zum Beispiel einer Verringerung der Temperatur während des
Entfernens des Halbleiterkristalls aus der Reaktionskammer auftreten
würde – zwischen dem
Halbleiterkristall und dem Grundträgermaterial nicht angelegt.
Folglich können
gemäß der vorliegenden
Erfindung die Rissdichte des Halbleiterkristalls bemerkenswert verringert
werden, verglichen mit dem Fall eines weiteren Halbleiterkristalls.
-
Die
Auflösung
des im Schmelzfluss löslichen Materials
in den Schmelzfluss kann als eine Technik zum Hinzugeben einer Dotierung
angewendet werden. Folglich benötigt
die Zugabe einer Dotierung keine andere Technik. Darüber hinaus
kann notwendiges Dotierungsmaterial gespart werden.
-
Die
Auflösung
des im Schmelzfluss löslichen Materials
in den Schmelzfluss beginnt zu dem Zeitpunkt, zu dem der freiliegende
Abschnitt des im Schmelzfluss löslichen
Materials in Kontakt mit dem Schmelzfluss von hoher Temperatur kommt,
und die Auflösungsrate
ist nahezu proportional zu der Fläche des freiliegenden Abschnitts.
Folglich kann die Zeit, zu welcher die Auflösung des im Schmelzfluss löslichen
Materials beginnt, die Zeit, die für die Auflösung des Materials benötigt wird,
die Auflösungsrate
und so weiter wie gewünscht
durch geeignetes Bestimmen der Fläche des freiliegenden Abschnitts
des im Schmelzfluss löslichen
Materials oder anderer Bedingungen gesteuert werden. Die Zeit, die
für die
Auflösung
des im Schmelzfluss löslichen
Materials benötigt
wird, kann wie gewünscht
durch Variieren zum Beispiel der Art oder der Dicke des im Schmelzfluss löslichen
Materials oder der Temperatur des Schmelzflusses reguliert werden.
-
In
dem Herstellungsverfahren, wenn das im Schmelzfluss lösliche Material
als Dotierungsmaterial angewendet wird, welches zu einem Zielhalbleiterkristall
zugegeben wird, das auf dem Material aufzuwachsen ist, kann die
Dotierungsmaterialkonzentration des Halbleiterkristalls wie gewünscht durch
geeignetes Steuern der Zeit, die zum Lösen des im Schmelzfluss löslichen
Materials benötigt
wird, oder ihrer Auflösungsrate
reguliert werden.
-
In
dem Herstellungsverfahren wird das im Schmelzfluss lösliche Material,
das mindestens einen Abschnitt des Trägermaterials aufbaut, auf welchem
ein Gruppe III Nitrid Verbindungshalbleiter-Kristall aufzuwachsen
ist, aus einem Gruppe III Nitrid Verbindungshalbleiter-Kristall
mit einer höheren
Versetzungsdichte als die des aufzuwachsenden Halbleiterkristalls
gebildet. Der Halbleiterkristall wird auf eine Oberfläche des
Trägermaterials aufgewachsen,
während
das im Schmelzfluss lösliche
Material oder das Trägermaterial
(in dem Fall, in dem die Gesamtheit des Trägermaterials aus dem im Schmelzfluss
löslichen
Material gebildet wird) in dem Schmelzfluss von einer Oberfläche des
Trägermaterials
gelöst
wird, die der Oberfläche
gegenüberliegt, auf
welcher der Halbleiterkristall aufgewachsen wird. Die Löslichkeit
von Stickstoff (das heißt,
einem Gruppe V Element) in der Schmelzflusslösung wird durch Auflösung des
im Schmelzfluss löslichen
Materials (Trägermaterial)
angehoben, und daher kann die Wachstumsrate des Gruppe III Nitrid-Halbleiters
gesteigert werden. Ebenso wird die Löslichkeit eines Gruppe III
Elements durch die Auflösung
des im Schmelzfluss löslichen
Materials (Trägermaterial)
gesteigert, und daher kann die Abreicherung des Gruppe III Elements,
welche mit dem Kristallwachstum auf dem Trägermaterial assoziiert ist,
verringert werden. Folglich kann eine Abnahme des Zusammensetzungsverhältnisses
des Gruppe III Elements gegenüber
Na oder einem Additiv in dem Schmelzfluss unterdrückt und
die Einführung
von Na oder dem Additiv in den Kristall verhindert werden.
-
Alternativ
wird das im Schmelzfluss lösliche Material,
welches zumindest einen Abschnitt des Trägermaterials aufbaut, auf welchen
ein Gruppe III Nitrid Verbindungshalbleiter-Kristall aufzuwachsen
ist, aus einem Gruppe III Nitrid Verbindungshalbleiter mit einer
höheren
Versetzungsdichte als die des aufzuwachsenden Halbleiterkristalls
gebildet, und, nachdem der Halbleiterkristall auf einer Oberfläche des Trägermaterials
aufgewachsen wurde, wird das im Schmelzfluss lösliche Material oder das Trägermaterial
(in dem Fall, in dem die Gesamtheit des Trägermaterials aus dem im Schmelzfluss
löslichen
Material gebildet wurde) in dem Schmelzfluss von einer Oberfläche des
Trägermaterials
her gelöst,
die der Oberfläche
gegenüberliegt,
auf welcher der Halbleiterkristall aufgewachsen wurde. Da ein Halbleiterkristall
mit hoher Versetzungsdichte eine Rate der Auflösung in dem Schmelzfluss zeigt,
die höher
als die eines Halbleiterkristalls mit niedriger Versetzungsdichte
ist, kann das im Schmelzfluss lösliche
Material (Trägermaterial)
entfernt werden, wobei der auf diese Weise aufgewachsene Halbleiterkristall übrig bleibt.
Folglich wird eine Entfernung des im Schmelzfluss löslichen Materials
(Trägermaterials)
nach der Entfernung des aufgewachsenen Halbleiterkristalls aus einem
Kristallwachstumsgerät
benötigt,
das heißt,
das Herstellungsverfahren für
den Halbleiterkristall wird vereinfacht.
-
Wenn
die Versetzungsdichte des im Schmelzfluss löslichen Materials oder des
Trägermaterials
(in dem Fall, in dem die Gesamtheit des Substrats aus dem im Schmelzfluss
löslichen
Material gebildet wurde) auf 1 × 106 cm–2 oder mehr reguliert wird,
kann das Trägermaterial
sofort in dem Schmelzfluss gelöst
werden.
-
Wenn
sowohl das Trägermaterial
als auch der aufzuwachsende Halbleiterkristall aus GaN gebildet
werden, kann ein hochqualitativer Halbleiterkristall hergestellt
werden.
-
Das
Alkalimetall, das einen anzuwendenden Schmelzfluss aufbaut, ist
insbesondere bevorzugt Natrium (Na). Lithium (Li) kann ebenso angewendet werden.
-
Das
Stickstoff (N) enthaltende Gas, das anzuwenden ist, kann Stickstoffgas
(N2), Ammoniakgas (NH3)
oder eine Mischung von diesen Gasen sein.
-
Das
zuvor genannte zuzugebende Dotierungsmaterial vom p-Typ (Akzeptor)
kann zum Beispiel ein bekanntes Dotierungsmaterial vom p-Typ wie
ein Erdalkalimetall (zum Beispiel Magnesium (Mg) oder Calcium (Ca))
sein. Das zuvor genannte zuzugebende Dotierungsmaterial vom n-Typ
(Donor) kann zum Beispiel ein bekanntes Dotierungsmaterial vom n-Typ
wie Silicium (Si), Schwefel (S), Selen (Se), Tellur (Te) oder Germanium
(Ge) sein. Zwei oder mehr Dotierungsmaterialelemente (Akzeptor oder Donor)
können
gleichzeitig oder beide Dotierungsmaterialien vom n-Typ und vom
p-Typ gleichzeitig zugegeben werden. Ein solches Dotierungsmaterial kann
zu einem aufzuwachsenden Zielhalbleiterkristall zum Beispiel durch
Lösen des
Dotierungsmaterials vorher in dem Schmelzfluss oder durch Zugeben des
Dotierungsmaterials zu dem Trägermaterial
zugegeben werden.
-
Es
wird keine besondere Begrenzung für das anzuwendende Kristallwachstumsgerät vorgegeben, solange
das Schmelzflussverfahren mit Hilfe des Geräts ausgeführt werden kann. Zum Beispiel
kann ein Kristallwachstumsgerät,
das in jeder der offengelegten
japanischen
Patentanmeldungen (Kokai) Nummern H11-060394 ,
2001-058900 ,
2001-064097 ,
2004-292286 und
2004-300024 beschrieben wurde, angewendet
werden. Wenn das Kristallwachstum durch das Schmelzflussverfahren
ausgeführt
wird, kann die Temperatur einer Reaktionskammer eines anzuwendenden
Kristallwachstumsgeräts
bevorzugt angehoben oder erniedrigt werden, wie gewünscht auf
etwa 1000°C.
Der Druck der Reaktionskammer kann bevorzugt abgesenkt oder angehoben
werden wie gewünscht
auf etwa 1,0 × 10
7 Pa. Der elektrische Ofen, der Reaktionsbehälter, der
Rohmaterialgastank, die Leitungen etc. eines anzuwendenden Kristallwachstumsgeräts werden
bevorzugt aus zum Beispiel einem rostfreien Stahlmaterial (SUS),
einem Aluminiumoxidmaterial oder Kupfer gebildet.
-
In
dem Gruppe III Nitridverbindungshalbleiter, welcher durch die zuvor
genannte Zusammensetzungsformel dargestellt wird und der den Zielhalbleiterkristall
aufbaut, kann zumindest ein Anteil des zuvor genannten Gruppe III
Elements (Al, Ga oder In) durch zum Beispiel Bor (B) oder Thallium
(TI) substituiert werden. Oder zumindest ein Anteil des Stickstoffs
(N) kann durch zum Beispiel Phosphor (P), Arsen (As), Antimon (Sb)
oder Wismut (Bi) substituiert werden.
-
Weg(e) zur Ausführung von Ausführungsformen
-
Erste Ausführungsform (nicht erfindungsgemäß)
-
1. Herstellung des Grundträgermaterials
-
Als
nächstes
wird unter Bezug auf 1 ein Vorgang zur Herstellung
eines Grundträgermaterials (Templat 10)
beschrieben, welches in dem Kristallwachstumsschritt des Schmelzflussverfahrens
angewendet wird.
- (1) Als erstes wird ein Schutzfilm 15 auf
der Rückseite
eines Silicium-Trägermaterials 11 (Schmelzflusslösliches
Material) gebildet. Der Schutzfilm 15 kann durch Bereitstellen
einer AIN-Schicht auf dem Trägermaterial
durch MOVPE oder eine ähnliche
Technik gebildet werden. Alternativ kann der Schutzfilm 15 aus
einem geeigneten Metall wie Tantal (Ta) mit Hilfe eines Sputtergeräts oder
eines Vakuumabscheidungsgeräts
gebildet werden.
- (2) Nachfolgend wird durch Kristallwachstum durch MOVPE eine
AlGaN Pufferschicht 12 (Dicke: etwa 4 μm) auf dem Silicium-Trägermaterial 11 (Dicke:
etwa 400 μm)
gebildet, und eine GaN Schicht 13 wird auf der Pufferschicht 12 gebildet. Die
GaN Schicht 13 könnte
in einem Schmelzfluss zu einem gewissen Grad zu dem Zeitpunkt gelöst werden,
wenn das Wachstum des Zielhalbleiterkristalls durch das Schmelzflussverfahren
initiiert wurde. Folglich wird die GaN Schicht 13 so gebildet,
dass sie eine Dicke aufweist, die nicht vollständig in dem Schmelzfluss gelöst wird,
bis das Kristallwachstum initiiert wurde.
-
Das
Templat 10 (Grundträgermaterial)
kann durch die zuvor beschriebenen Schritte (1) und (2) hergestellt
werden.
-
2. Konfiguration des Kristallwachstumsgeräts
-
2 zeigt
die Konfiguration eines Kristallwachstumsgeräts, das in der ersten Ausführungsform
angewendet wird. Das Kristallwachstumsgerät schließt einen Rohmaterialgastank 21 zum
Zuführen von
Stickstoffgas, einen Druckregulator 22 zu Regulieren des
Drucks einer Kristallwachstumsatmosphäre; ein Leckageventil 23 und
einen elektrischen Ofen 25 zum Durchführen des Kristallwachstums
ein. Der elektrische Ofen 25, die Leitungen zum Verbinden des
Rohmaterialgastanks 21 mit dem elektrischen Ofen 25 etc.
werden zum Beispiel aus einem rostfreien Stahlmaterial (SUS), einem
Aluminiumoxidmaterial oder Kupfer gebildet.
-
Der
elektrische Ofen 25 schließt einen rostfreien Stahlbehälter 24 (Reaktionskammer)
darin ein, und der rostfreie Stahlbehälter 24 schließt einen
Tiegel 26 (Reaktionsbehälter)
darin ein. Der Tiegel 26 kann zum Beispiel aus Bornitrid
(BN) oder Aluminiumoxid (Al2O3)
gebildet werden.
-
Die
Temperatur des Inneren des elektrischen Ofens 25 kann wie
gewünscht
angehoben oder erniedrigt werden, solange die Temperatur 1000°C nicht übersteigt.
Der Druck für
das Kristallwachstum im Inneren des rostfreien Stahlbehälters 24 kann
wie gewünscht
angehoben oder abgesenkt werden mit Hilfe des Druckregulators 22,
solange der Druck 1,0 × 107 Pa nicht übersteigt.
-
3. Kristallwachstumsschritt
-
Als
nächstes
wird unter Bezug auf die 3A bis 3C der
Kristallwachstumsschritt des Schmelzflussverfahrens beschrieben,
welcher das in 2 gezeigte Kristallwachstumsgerät anwendet.
- (1) Als erstes wird Na (Alkalimetall), welches
als Schmelzfluss dient, und Ga (Gruppe III Element) in dem Reaktionsbehälter (Tiegel 26)
platziert und dann der Reaktionsbehälter (Tiegel 26) in
der Reaktionskammer (rostfreier Stahlbehälter 24) des Kristallwachstumsgeräts platziert,
gefolgt von Evakuieren des in der Reaktionskammer enthaltenen Gases.
Wenn notwendig, kann jedes des zuvor genannten Additive (zum Beispiel
ein Erdalkalimetall) vorher in den Tiegel zugegeben werden. Das
Einsetzen des Trägermaterials
oder des Rohmaterials in die Reaktionsbehälter wird in einer Handschuhbox
ausgeführt,
die mit einem Inertgas (zum Beispiel Ar-Gas) gefüllt ist, da, wenn ein solcher
Vorgang in Luft durchgeführt
wird, Na sofort oxidiert.
- (2) Nachfolgend wird, während
die Temperatur des Tiegels angehoben wird, so dass sie in den Bereich
von 850°C
bis 880°C
fällt,
Stickstoffgas (N2) in die Reaktionskammer
des Kristallwachstumsgeräts
zugeführt
und der Gasdruck in der Reaktionskammer bei etwa 3 × 105 Pa bis etwa 5 × 105 Pa
aufrecht erhalten. In diesem Fall wird der Schutzfilm 15 des
zuvor hergestellten Templats 10 in eine Ga-Na-Schmelze
eingetaucht, welche durch den vorstehenden Temperaturanstieg gebildet
wurde. Die Kristallwachstumsoberfläche des Templats 10 (das
heißt
die freiliegende Oberfläche
der GaN Schicht 13) ist in der Nähe der Grenzfläche zwischen
dem Schmelzfluss und dem Stickstoffgas lokalisiert.
-
Unter
den zuvor beschriebenen Bedingungen befinden sich die Atome, welche
das Material für einen
Gruppe III Nitrid Verbindungshalbleiter aufbauen, kontinuierlich
in einem übersättigten
Zustand in der Nähe
der Grenzfläche
zwischen der Ga-Na-Schmelze und dem Stickstoffgas. Folglich kann
ein Zielhalbleiterkristall (GaN Einkristall 20 vom n-Typ)
erfolgreich auf der Kristallwachstumsfläche des Templats 10 (3A)
aufgewachsen werden. Der Grund, warum der Halbleiterkristall vom
n-Typ (GaN Einkristall 20 vom n-Typ) erhalten wird, ist, dass
Si, welches das Silicium-Trägermaterial 11 aufbaut,
das in dem Schmelzfluss gelöst
wird, als ein Additiv vom n-Typ zu dem Kristall während seines Wachstums
zugegeben wird (3B).
-
Der
Schutzfilm 15 kann so gebildet werden, dass er eine große Dicke
aufweist, so dass das Silicium-Trägermaterial 11 nicht
in dem Schmelzfluss während
des Kristallwachstumsschritts gelöst wird. In diesem Fall kann
ein Halbleiterkristall, welcher nicht mit Silicium (Si) dotiert
ist, aufgewachsen werden.
-
4. Auflösung des Kristallwachstumsträgermaterials
-
Nachdem
der GaN Einkristall 20 vom n-Typ durch den zuvor genannten
Kristallwachstumsschritt aufgewachsen wurde, so dass er eine ausreichende Dicke
aufweist (zum Beispiel etwa 500 μm
oder mehr), wird die Temperatur des Tiegels kontinuierlich bei 850°C oder höher und
880°C oder
niedriger aufrecht erhalten, bis der Schutzfilm 15 und
das Silicium-Trägermaterial 11 vollständig in
dem Schmelzfluss gelöst
sind (3B und 3C). Danach
wird, während
der Druck des Stickstoffgases (N2) bei etwa 3 × 105 Pa bis etwa 5 × 106 Pa
aufrecht erhalten wird, die Temperatur der Reaktionskammer auf 100°C oder weniger
erniedrigt.
-
Der
Schritt des Lösens
des Silicium-Trägermaterials 11 in
dem Schmelzfluss und der vorstehende Schritt der Temperaturerniedrigung
können
in etwa parallel ausgeführt
werden. Wie vorstehend beschrieben wurde, kann zumindest ein Abschnitt
des Schutzfilms 15 oder des Silicium-Trägermaterials 11 in
dem Schmelzfluss während
des Wachstums des GaN Einkristalls 20 gelöst werden.
Der Modus des parallelen/simultanen Fortschreitens dieser Schritte kann
geeignet durch Variieren von zum Beispiel der Form des Schutzfilms 15 reguliert
werden.
-
5. Entfernung des Schmelzflusses
-
Nachfolgend
wird der zuvor aufgewachsene GaN Einkristall 20 vom n-Typ
(Zielhalbleiterkristall) aus der Reaktionskammer des Kristallwachstumsgeräts entfernt
und der Einkristall auf 30°C
oder weniger abgekühlt.
Danach wird, während
die Temperatur eine Atmosphäre, welche
den GaN Einkristall 20 vom n-Typ umgibt, bei 30°C oder weniger
aufrecht erhalten wird, der Schmelzfluss (Na), welcher auf dem Umfang
des Einkristalls abgeschieden wurde, unter Verwendung von Ethanol
entfernt.
-
Wenn
die zuvor beschriebenen Schritte sequenziell ausgeführt werden,
kann durch das Schmelzflussverfahren zu niedrigen Kosten ein hochqualitativer
Halbleitereinkristall (GaN Einkristall 20 vom n-Typ) hergestellt
werden, welcher eine Dicke von 400 μm oder mehr aufweist und bemerkenswert
verringerte Risse hat verglichen mit dem Fall eines herkömmlichen
Halbleitereinkristalls.
-
Andere Modifikationen
-
Erste Modifikation
-
In
der zuvor genannten ersten Ausführungsform
wird das Grundträgermaterial
(Impfkristall) durch Bilden des Schutzfilms 15 auf der
Rückseite des
Templats 10 hergestellt. Der Schutzfilm wird jedoch nicht
notwendiger Weise auf der Rückseite
des Grundträgermaterials
gebildet. Zum Beispiel kann ohne Bildung eines Schutzfilms auf der
Rückseite
eines Templats, wie vorstehend beschrieben wurde, die Dicke eines
im Schmelzfluss löslichen
Materials (Si-Trägermaterial 11)
auf einem solchen Niveau reguliert werden, dass das im Schmelzfluss
lösliche Material
vollständig
in dem Schmelzfluss zu dem Zeitpunkt gelöst wird, zu dem ein Zielhalbleiterkristall aufgewachsen
wurde, so dass er eine vorbestimmte Dicke in Übereinstimmung mit der Rate
des Ätzens des
im Schmelzfluss löslichen
Materials unter vorbestimmten Kristallwachstumsbedingungen aufweist.
-
In
der Modifikation kann ein Schritt des Lösens des im Schmelzfluss löslichen
Materials in dem Schmelzfluss unterlassen werden, welches in Bezug auf
die Produktivität
vorteilhaft ist. In der zuvor genannten ersten Ausführungsform
wird während
des Schritts des Lösens
des im Schmelzfluss löslichen Materials,
welches das Grundträgermaterial
aufbaut in dem Schmelzfluss, ein aufgewachsener Zielhalbleiterkristall
gelöst
und geht zu einem gewissen Grad in dem Schmelzfluss verloren. Wenn
jedoch die zuvor genannte Modifikation ausgeführt wird, wird das im Schmelzfluss
lösliche
Material (Si-Trägermaterial 11)
während
des Kristallwachstumsschritts geätzt, und
folglich muss ein Schritt zum Lösen
des im Schmelzfluss löslichen
Materials in dem Schmelzfluss nicht notwendigerweise bereitgestellt
werden. Folglich kann mit der zuvor genannten Modifikation der Verlust
eines aufgewachsenen Halbleiterkristalls minimiert werden.
-
Wenn
die Dicke des Schutzfilms geeignet reguliert wird, kann die Auflösung des
im Schmelzfluss löslichen
Materials (Si-Trägermaterial 11)
in den Schmelzfluss für
eine Weile nach der Initiierung des Kristallwachstums verhindert
werden. Folglich kann eine undotierte Halbleiterschicht direkt auf
dem Templat 10 und eine mit Silicium (Si) dotierte Halbleiterschicht
vom n-Typ auf der undotierten Halbleiterschicht gebildet werden.
-
Zweite Modifikation
-
In
der zuvor genannten ersten Ausführungsform
wird das Grundträgermaterial
(Impfkristall) durch gleichmäßiges Bilden
des Schutzfilms 15 auf der Rückseite des Templats 10 hergestellt.
Der Schutzfilm kann jedoch einem Ätzen unter Verwendung eines
geeigneten Ätzmusters
unterzogen werden, so dass ein Anteil der Rückseite des im Schmelzfluss
löslichen
Materials durch durch das Ätzen
gebildete Öffnungen
freiliegt. In diesem Fall kommt vom Beginn des Kristallwachstums
der auf diese Weise freiliegende Abschnitt des im Schmelzfluss löslichen
Materials in Kontakt mit dem Schmelzfluss und wird in dem Schmelzfluss
gelöst.
Folglich kann in der Modifikation zum Beispiel die Zeit, die zum
Lösen des
im Schmelzfluss löslichen
Materials benötigt
wird, welches das Grundträgermaterial
aufbaut, oder die Auflösungsrate
des im Schmelzfluss löslichen
Materials optimiert werden. Die Auflösungsrate des im Schmelzfluss
löslichen
Materials etc. kann durch Regulieren von zum Beispiel der Größe der Öffnungen,
die in dem Schutzfilm gebildet wurden, durch welche ein Abschnitt
der Rückseite
des im Schmelzfluss löslichen
Materials freiliegt, oder die Anordnungsdichte der Öffnungen
optimiert werden.
-
Wenn
das im Schmelzfluss lösliche
Material gemäß einer
nichterfindungsgemäßen Ausführungsform
aus Silicium bestehen würde
und die zuvor genannten Öffnungen
gebildet werden, kann das im Schmelzfluss lösliche Material als ein Dotierungsmaterial
vom n-Typ vom frühen
Zustand des Kristallwachstums an angewendet werden. Folglich kann vom
Beginn des Kristallwachstums ein Halbleiterkristall vom n-Typ mit
einer geeigneten Trägerkonzentration
als ein Zielhalbleiterkristall gebildet werden. Die Trägerkonzentration
des Halbleiterkristalls kann durch Regulieren von zum Beispiel der
Auflösungsrate
des im Schmelzfluss löslichen
Materials optimiert werden. Die zuvor genannten Öffnungen des Schutzfilms auf
der Rückseite
des im Schmelzfluss löslichen Materials
können
durch eine allgemein gut bekannte Ätztechnik einschließlich von
zum Beispiel einem Photolithographie- und einem Trockenätz-Schritt
gebildet werden.
-
Zweite Ausführungsform (erfindungsgemäß)
-
1. Herstellung des Trägermaterials
-
Als
nächstes
wird unter Bezug auf 4 ein Vorgang zur Herstellung
eines Trägermaterials
beschrieben, welches als Impfkristall in dem Kristallwachstumsschritt
des Schmelzflussverfahrens angewendet wird.
- (1)
Zuerst wird mit Hilfe eines MOCVD-Geräts eine AIN Pufferschicht 52 (Dicke:
35 nm) auf einem Saphir-Trägermaterial 51 und
eine GaN Schicht 53 (Dicke: 200 μm) auf der AIN Pufferschicht 52 gebildet.
Die GaN Schicht 53 kann durch HVPE gebildet werden. Nach
dem Abschluss des Wachstums der GaN Schicht 53 wird das
Saphir-Trägermaterial 51 von
der GaN Schicht 53 durch eine Laserabtragstechnik entfernt,
um dadurch ein GaN Trägermaterial 50 zu erhalten,
das aus der GaN Schicht 53 gebildet wurde. Das GaN Trägermaterial 50 weist
eine Versetzungsdichte von 5 × 107 cm–2 auf.
-
2. Konfiguration des Kristallwachstumsgeräts
-
Das
Kristallwachstumsgerät,
das in der zweiten Ausführungsform
angewendet wird, weist die gleiche Konfiguration wie das Gerät auf, das
in der ersten Ausführungsform
angewendet wird (siehe 2).
-
3. Kristallwachstumsschritt
-
Als
nächstes
wird unter Bezug auf 5A bis 5C der
Kristallwachstumsschritt des Schmelzflussverfahrens beschrieben,
welches das in 2 gezeigten Kristallwachstumsgerät anwendet.
- (1) Als erstes wird Na (Alkalimetall), welches
als Schmelzfluss dient, und Ga (Gruppe III Element) in dem Reaktionsbehälter 26 (Tiegel)
platziert und dann das zuvor hergestellte GaN Trägermaterial 50 in
dem Reaktionsbehälter 26 platziert.
In diesem Fall wird das GaN Trägermaterial 50 in
dem Reaktionsbehälter 26 so
platziert, dass die Kristallwachstumsoberfläche des Trägermaterials eine Ga-Oberfläche und
die gegenüberliegende Oberfläche davon
eine N-Oberfläche
annimmt. Der Reaktionsbehälter 26 wird
in der Reaktionskammer (rostfreier Stahlbehälter 24) des Kristallwachstumsgeräts platziert,
gefolgt von Evakuieren des in der Reaktionskammer 24 enthaltenen Gases.
Wenn notwendig, kann jede der zuvor genannten Additive (zum Beispiel
ein Erdalkalimetall) vorher in den Reaktionsbehälter 26 zugegeben
werden. Das Einsetzen des Trägermaterials oder
des Rohmaterials in den Reaktionsbehälter wird in einer Handschuhbox
ausgeführt,
welche mit einem Inertgas (zum Beispiel Ar-Gas) gefüllt ist,
da, wenn ein solcher Vorgang in Luft durchgeführt wird, Na sofort oxidiert.
- (2) Nachfolgend wird, während
die Temperatur des Reaktionsbehälters 26 auf
850°C oder
höher und
880°C oder
weniger angehoben wird, Stickstoffgas (N2)
in die Reaktionskammer 24 des Kristallwachstumsgerätes zugeführt und
der Gasdruck in der Reaktionskammer 24 bei etwa 3 × 106 Pa bis etwa 5 × 106 Pa
aufrecht erhalten. In diesem Fall kann das GaN Trägermaterial 50 auf
einem maschenförmigen
Suszeptor platziert werden, so dass das Niveau des GaN Trägermaterials 50 reguliert
werden kann (speziell kann die Rückseite
des GaN Trägermaterials 50 in
die Ga-Na-Schmelze eingetaucht werden, welche durch den vorstehenden Temperaturanstieg
gebildet wurde, und die Kristallwachstumsoberfläche 54 des GaN Trägermaterials 50 kann
in der Nähe der
Grenzfläche
zwischen dem Schmelzfluss und dem Stickstoffgas lokalisiert werden),
und so, dass die Gesamtheit des GaN Trägermaterials 50 in
Kontakt mit der Schmelzflusslösung
kommen kann. Alternativ kann das GaN Trägermaterial 50 auf
den Innenboden des Tiegels platziert werden. Die Reaktionskammer 24 kann
während
des Kristallwachstums geschwungen oder rotiert werden, so dass das
GaN Trägermaterial 50 und
die Schmelzflusslösung
miteinander sorgfältig
und gleichmäßig in Kontakt
kommen.
-
Unter
den zuvor beschriebenen Bedingungen befinden sich die Atome, die
das Material für
einen Gruppe III Nitridverbindungshalbleiter aufbauen, kontinuierlich
in einem übersättigten
Zustand in dem Schmelzfluss. Folglich kann ein GaN Zielhalbleiterkristall 60 erfolgreich
auf der Kristallwachstumsoberfläche
des Trägermaterials 50 aufgewachsen
werden (5A).
-
4. Auflösung des Kristallwachstumsträgermaterials
-
Während des
zuvor beschriebenen Kristallwachstumsschritts wird das GaN Trägermaterial 50 in
der Ga-Na-Schmelze von der Rückseite 55 her
gelöst.
Das GaN Trägermaterial 50 weist
eine Versetzungsdichte von 5 × 107 cm–2 und der aufgewachsene
GaN Einkristall 60 eine Versetzungsdichte von 1 × 103 cm–2 auf. Folglich wird
das GaN Trägermaterial 50 mit
höherer
Versetzungsdichte in der Schmelzflusslösung mit einer höheren Rate
gelöst,
verglichen mit dem aufgewachsenen GaN Einkristall 60. Als
Ergebnis ist die Löslichkeit
von Stickstoff in der Schmelzflusslösung gesteigert und die Kristallwachstumsrate
wird angehoben. Durch Auflösung
des Trägermaterials
wird Ga in dem Schmelzfluss gelöst, und
folglich kann Ga, das für
das Kristallwachstum auf der Trägermaterialoberfläche verbraucht
wurde, kompensiert werden. Folglich kann ein Anstieg des Na-Ga-Verhältnisses
in dem Schmelzfluss und eine Migration von Na und Additiven in den
Kristall verhindert und ein homogener Halbleiterkristall erhalten werden
(5B).
-
Bevorzugt
werden die Temperatur der Schmelzflusslösung, die Dicke des GaN Trägermaterials 50,
usw. so reguliert, dass die Auflösung
der Gesamtheit des GaN Trägermaterials
in dem Schmelzfluss gleichzeitig mit dem Abschluss des Wachstums des
GaN Einkristalls 60 abgeschlossen ist. Wenn das GaN Trägermaterial 50 nicht
vollständig
in dem Schmelzfluss zu dem Zeitpunkt des Abschlusses des Wachstums
des GaN Einkristalls 60 gelöst wird, wird nach dem Kristallwachstum
die Temperatur des Reaktionsbehälters 26 kontinuierlich
bei 850°C
oder höher
und 880°C
oder niedriger aufrecht erhalten, bis das GaN Trägermaterial 50 vollständig in
dem Schmelzfluss gelöst
ist. Durch diesen Vorgang wird die Gesamtheit des GaN Trägermaterials 50 gelöst, und
nur der GaN Einkristall 60 mit niedriger Versetzungsdichte
wird hergestellt (5C). Danach wird, während der
Druck des Stickstoffgases (N2) bei etwa 3 × 106 Pa bis etwa 5 × 106 Pa
aufrechterhalten wird, die Temperatur der Reaktionskammer auf 100°C oder niedriger
verringert.
-
Der
Schritt des Lösens
des GaN Trägermaterials 50 in
dem Schmelzfluss und der vorstehende Schritt der Temperaturerniedrigung
können
ungefähr parallel
ausgeführt
werden.
-
5. Entfernung des Schmelzflusses
-
Nachfolgend
wird der GaN Einkristall 60 (Zielhalbleiterkristall) aus
der Reaktionskammer 24 des Kristallwachstumsgeräts entfernt
und der Einkristall auf 30°C
oder niedriger gekühlt.
Danach wird, während
die Temperatur einer Atmosphäre,
die den GaN Einkristall 60 umgibt, bei 30°C oder niedriger aufrecht
erhalten wird, der Schmelzfluss (Na), der auf dem Umfang des Einkristalls
abgeschieden wurde, unter Verwendung von Ethanol entfernt.
-
Wenn
die zuvor beschriebenen Schritte sequenziell ausgeführt werden,
kann durch das Schmelzflussverfahren ein homogener, hochqualitativer
GaN Einkristall 60 hergestellt werden, welcher eine Dicke
von 400 μm
oder mehr und ein stöchiometrisches
Zusammensetzungsverhältnis
aufweist, und welcher bemerkenswert verringerte Risse verglichen mit
dem Fall eines herkömmlichen
Halbleitereinkristalls aufweist.
-
Andere Modifikationen
-
Die
vorliegende Erfindung ist nicht auf die zuvor beschriebene Ausführungsform
begrenzt, und die nachstehenden exemplarisch dargestellten Modifikationen
können
gemacht werden. Effekte der vorliegenden Erfindung können ebenso
durch solche Modifikationen oder Anwendungen gemäß den Vorgängen der vorliegenden Erfindung
erhalten werden.
-
Dritte Modifikation
-
Wie
in 6 gezeigt wird, kann ein Schutzfilm 56 auf
der Rückseite 55 des
Trägermaterials 50 gebildet
werden. Der Schutzfilm 56 kann durch Bereitstellen einer
AIN-Schicht auf dem Trägermaterial durch
MOVPE oder eine ähnliche
Technik gebildet werden. Alternativ kann der Schutzfilm 56 aus
einem geeigneten Material wie Tantal (Ta) mit Hilfe eines Sputtergeräts gebildet
werden.
-
Der
Zeitpunkt, zu welchem das Trägermaterial 50 in
dem Schmelzfluss von seiner Rückseite
her gelöst
wird, kann durch Variieren der Dicke des Schutzfilms 56 reguliert
werden. Der Schutzfilm 56 kann so gebildet werden, dass
er eine große
Dicke aufweist, so dass das Trägermaterial 50 nicht
in dem Schmelzfluss während
des Kristallwachstumsschritts gelöst wird.
-
Wenn
das Trägermaterial 50 in
dem Schmelzfluss selbst nach Abschluss des Wachstums des Halbleiterkristalls 60 gelöst wird,
kann die Temperatur des Reaktionsbehälters 26 kontinuierlich
bei 850°C
oder höher
und 880°C
oder niedriger so aufrecht erhalten werden, dass der Schutzfilm 56 und das
Trägermaterial 50 vollständig in
dem Schmelzfluss gelöst
werden.
-
In
dem Fall, in dem der Schutzfilm 56 nicht angewendet wird,
wird die Dicke des Trägermaterials 50 so
reguliert, dass die Auflösung
der Gesamtheit des Trägermaterials 50 in
dem Schmelzfluss gleichzeitig mit dem Abschluss des Wachstums des
Einkristalls 60 abgeschlossen ist. Im Gegensatz kann in dem
Fall, in dem der Schutzfilm 56 angewendet wird, der Zeitpunkt,
zu welchem das Trägermaterial 50 vollständig gelöst wird,
durch Variieren der Dicke des Trägermaterials 50 oder
zu einem solchen Zeitpunkt durch Variieren nur der Dicke des Schutzfilms 56 reguliert werden,
während
die Dicke des Trägermaterials 50 konstant
aufrecht erhalten wird.
-
In
der Modifikation kann ein Schritt des Lösens des Trägermaterials in dem Schmelzfluss
unterlassen werden, welches in Bezug auf die Produktivität vorteilhaft
ist.
-
In
der zuvor genannten zweiten Ausführungsform
wird während
des Schritts des Lösens
des Substrats 50 in dem Schmelzfluss ein aufgewachsener
Zielhalbleiterkristall gelöst
und geht in dem Schmelzfluss zu einem gewissen Grad verloren. Wenn
jedoch die zuvor genannte Modifikation ausgeführt wird, wird das Trägermaterial 50 während des Kristallwachstumsschritts
geätzt,
und folglich muss ein Schritt des Lösens des Trägermaterials 50 in
dem Schmelzfluss nicht notwendiger Weise nach dem Kristallwachstum
bereitgestellt werden. Folglich kann mit der zuvor genannten Modifikation
der Verlust eines aufgewachsenen Halbleiterkristalls minimiert werden.
-
Wenn
die Dicke des Schutzfilms geeignet reguliert wird, kann die Auflösung des
Trägermaterials 50 in
dem Schmelzfluss für
eine Weile nach der Initiation des Kristallwachstums verhindert
werden.
-
Vierte Modifikation
-
Wie
vorstehend beschrieben wurde, kann der Schutzfilm 56 gleichmäßig auf
der Rückseite
des Trägermaterials 50 gebildet
werden. Alternativ kann der Schutzfilm 56 einem Ätzen durch
die Verwendung eines geeigneten Ätzmusters
unterzogen werden, so dass ein Abschnitt der Rückseite des Trägermaterials 50 durch
durch das Ätzen
gebildete Öffnungen
freiliegt. In diesem Fall kommt vom Beginn des Kristallwachstums
an der auf diese Weise freiliegende Abschnitt des Trägermaterials 50 in
Kontakt mit dem Schmelzfluss und wird in dem Schmelzfluss gelöst. Folglich
kann in der Modifikation zum Beispiel die Zeit, welche für die Auflösung des
Trägermaterials 50 benötigt wird,
oder seine Auflösungsrate
optimiert werden. Die Auflösungsrate
des Trägermaterials 50 und
so weiter kann durch Regulieren von zum Beispiel der Größe der in
dem Schutzfilm 56 gebildeten Öffnungen, durch welche ein
Anteil der Rückseite 55 des
Trägermaterials 50 freiliegt,
oder die Anordnungsdichte der Öffnungen reguliert
werden. Die Öffnungen
des Schutzfilms 56 auf der Rückseite 55 des Trägermaterials 50 können durch
eine allgemein gut bekannte Technik einschließlich von zum Beispiel einem
Photolithographie- und einem Trockenätz-Schritt gebildet werden.
-
Gewerbliche Anwendbarkeit
-
Die
vorliegende Erfindung ist zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung
aus einem Gruppe III Nitrid Verbindungshalbleiter-Kristall nützlich.
Beispiele einer solchen Halbleitervorrichtung schließen Licht emittierende
Vorrichtungen (zum Beispiel LED's
und LD's), Licht
empfangende Vorrichtungen und andere allgemeine Halbleitervorrichtungen
(zum Beispiel FET's)
ein.
-
Die
vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Herstellung eines
Gruppe III Nitrid Verbindungshalbleiter-Kristalls zur Verfügung, wobei
der Halbleiterkristall durch das Schmelzflussverfahren unter Anwendung
eines Schmelzflusses aufgewachsen wird. Zumindest ein Abschnitt
des Trägermaterials,
auf welchem der Halbleiterkristall aufzuwachsen ist, wird aus einem
im Schmelzfluss löslichen
Material gebildet. Während
der Halbleiterkristall auf eine Oberfläche des Trägermaterials aufgewachsen wird, wird
das im Schmelzfluss lösliche
Material in den Schmelzfluss von einer Oberfläche des Trägermaterials gelöst, die
der Oberfläche
gegenüberliegt,
auf welche der Halbleiterkristall aufgewachsen wird. Alternativ
wird nachdem der Halbleiterkristall auf der Oberfläche des
Trägermaterials
aufgewachsen wurde, das im Schmelzfluss lösliche Material in dem Schmelzfluss
von einer Oberfläche
des Trägermaterials
her gelöst,
die der Oberfläche
gegenüberliegt, auf
welche der Halbleiterkristall aufgewachsen wurde. Das im Schmelzfluss
lösliche
Material oder das Trägermaterial
wird aus einem Gruppe III Nitrid Verbindungshalbleiter mit einer
höheren
Versetzungsdichte als der des aufzuwachsenden Halbleiterkristalls
gebildet.