DE102018213437A1 - Verfahren zur Herstellung von Galliumnitridsubstrat unter Verwendung von Hydriddampfphasenepitaxie - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von Galliumnitridsubstrat unter Verwendung von Hydriddampfphasenepitaxie Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Galliumnitridsubstrats unter Verwendung von Hydriddampfphasenepitaxie (HVPE), umfassend einen Schritt des Einspritzens von Ammoniakgas (NH3), um eine erste Oberflächenbehandlung auf einem Saphirsubstrat durchzuführen; einen Schritt des Einspritzens von Ammoniakgas und Chlorwasserstoffgas (HCl), um eine Pufferschicht auf dem Saphirsubstrat zu bilden; ein Schritt des Einspritzens von Ammoniakgas, um eine zweite Oberflächenbehandlung auf dem Saphirsubstrat durchzuführen; und einen Schritt, bei dem Galliumnitrid (GaN) auf dem Saphirsubstrat gewachsen wird, während das Flussratenverhältnis von Ammoniakgas zu Chlorwasserstoffgas schrittweise verringert wird.

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Galliumnitridsubstrats unter Verwendung von Hydrid-Dampfphasenepitaxie (HVPE) und insbesondere ein Verfahren zur Herstellung eines Galliumnitridsubstrats mit hoher Qualität und geringer Defektdichte durch Verhinderung von Biegung und Rissbildung des Galliumnitridsubstrats.
  • Hintergrund
  • Leistung und Lebensdauer von Halbleitervorrichtungen, wie z.B. Laserdioden und Leuchtdioden, wird durch verschiedene Faktoren bestimmt, die die Vorrichtung bilden, und werden insbesondere durch ein Basissubstrat beeinflusst, auf dem Elemente gestapelt sind. Es sind mehrere Verfahren zur Herstellung eines hochqualitativen Halbleitersubstrats vorgeschlagen worden.
  • Ein Galliumnitridsubstrat (GaN) ist ein typisches Verbindungshalbleitersubstrat der III-V Gruppe. Zusätzlich zu einem GaAs Substrat und einem InP Substrat wird das GaN Substrat geeigneterweise für eine Halbleitervorrichtung verwendet. Die Herstellungskosten des GaN Substrats sind jedoch viel höher als die von GaAs Substrat oder des InP Substrat.
  • Bei der Herstellung eines Galliumnitridhalbleiters (GaN) wird ein Einkristall-GaN-Film auf einem heterogenen Substrat unter Verwendung von Dampfzüchtungsverfahren wie metallorganischer chemischer Gasphasenabscheidung (MOCVD), Molekularstrahlepitaxie und Hydriddampfphasenepitaxie (HVPE) gebildet.
  • Darunter ist das HVPE-Züchtungsverfahren vorteilhaft, dass das Wachstum eines dicken Films mit einer Dicke von einigen bis einigen hundert Mikrometern (µm) möglich ist. Insbesondere ist gemäß dem HVPE-Züchtungsverfahren ein Massenwachstum bis zu mehreren Millimetern (mm) in Abhängigkeit von den Wachstumsbedingungen und den Verwendungsbedingungen eines Substrats möglich.
  • In einer Galliumnitridschicht (GaN) wird jedoch aufgrund von unterschiedlichen Gitterkonstanten zwischen einem heterogenen Substrat und einem Galliumnitridhalbleiter (GaN) eine innere Spannung erzeugt wird, und während des Abkühlens nach dem Wachstum mehr Spannung an der Grenzfläche akkumuliert wird. Folglich treten Risse auf, wenn das Wachstum eine bestimmte Dicke übersteigt, und eine Dislokation tritt an der Grenzfläche zwischen Saphir und Galliumnitrid auf, um die Spannung zu entspannen.
  • Die erzeugte Versetzung wird in der Kristallwachstumsrichtung übertragen, und eine Verspannung wird auf die Wachstumsoberfläche übertragen, wodurch die Kristallinität des Nitridhalbleitersubstrats verringert und schließlich die elektrischen Eigenschaften der Vorrichtung verringert werden.
  • Um diese Probleme zu lösen, wurde in einer koreanischen Patentschrift 10-0893360 ein Verfahren zum Steuern des Verhältnisses von HCl: NH3 vorgeschlagen, wenn eine Pufferschicht für einen Galliumnitrideinkristall unter Verwendung eines HVPE-Züchtungsverfahrens gebildet wird. Bei einem herkömmlichen Verfahren zum Bilden einer Pufferschicht wird eine Technik zum Bilden einer nanoporösen Pufferschicht an der Grenzfläche zwischen einem Saphirsubstrat und Galliumnitrid offenbart, um einen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Galliumnitrid und dem Saphirsubstrat zu verringern.
  • Da jedoch bei dem herkömmlichen Verfahren ein Saphirsubstrat vor dem Wachstum mit HCl vorbehandelt wird, ist das Verfahren kompliziert, und das Saphirsubstrat wird aufgrund von HCl beschädigt (z. B. geätzt), wodurch Kristalldefekte erhöht werden. Da Ammoniak (NH3) in der letzten Stufe des Verfahrens mit einer relativ hohen Flussrate injiziert wird, wächst ferner Galliumnitrid nicht gleichmäßig auf der Oberfläche des Saphirsubstrats, und wächst Polygalliumnitrid (Poly-GaN) intensiv an den Rändern des Saphirsubstrats.
  • Zusätzlich wurde in einem japanischen Patentanmeldung 2009-519202 eine Technik zum Steuern der Flussrate von NH3 und HCl, insbesondere eine Technik zum Steuern der Flussrate von NH3 zur Verringerung der Biegung eines Gruppe III - Nitrids, wenn das Gruppe III - Nitrid sich unter Verwendung eines HVPE-Züchtungsverfahrens wachsen lässt, vorgeschlagen.
  • Bei dem herkömmlichen Verfahren wächst Galliumnitrid jedoch nicht gleichmäßig auf der Oberfläche eines Saphirsubstrats, und Polygalliumnitrid (Poly-GaN) wächst intensiv an den Rändern des Saphirsubstrats. Zusätzlich ist es schwierig, ein defektarmes Material mit hoher optischer Qualität zu erhalten, indem Galliumnitrid sich auf eine gewünschte Dicke innerhalb eines zulässigen Bereichs wachsen lässt, während Auftreten von Defekten in der Kristallstruktur des aufgewachsenen Gruppe III - Nitrids verhindert wird.
  • Zusätzlich wurde in einer japanischen Patentanmeldung 2004-296640 eine Technik zum Steuern eines V / III-Verhältnisses zur Herstellung einer Galliumnitridhalbleiterschicht hoher Qualität, wenn die Galliumnitridhalbleiterschicht durch das HVPE-Züchtungsverfahren gewachsen wird, vorgeschlagen.
  • Beim herkömmlichen Verfahren ist es jedoch schwierig, ein defektarmes Material mit hoher optischer Qualität zu erhalten, indem Galliumnitrid sich auf eine gewünschte Dicke innerhalb eines zulässigen Bereichs wachsen lässt, während das Auftreten von Defekten in der Kristallstruktur der aufgewachsenen Galliumnitridhalbleiterschicht verhindert wird.
  • Zusätzlich wurde in einem herkömmlichen HVPE-Züchtungsverfahren, das von Hae-Yong Lee durchgeführt wurde, eine Technik zum Reduzieren der Biegung von Galliumnitrid durch Rotieren eines Suszeptors bei 100 U/min und bei einer Züchtungstemperatur von 1.010 ° C vorgeschlagen, wenn Galliumnitrid gewachsen wird.
  • Beim herkömmlichen Verfahren erhöht sich jedoch der Grad der Prozessschwierigkeit, und ein Biegungsphänomen von aufgewachsenem Galliumnitrid ist nicht vollständig gelöst.
  • Zusätzlich wurde in einer herkömmlichen HVPE-Züchtungstechnik, die von P. Visconti durchgeführt wurde, eine Technik zum Reduzieren von Defekten vorgeschlagen, die in Galliumnitrid auftreten können, das durch chemisches Ätzen unter Verwendung von Kaliumhydroxid (KOH) und Phosphorsäure (H3PO4) gewachsen ist.
  • Da jedoch beim herkömmlichen Verfahren ein Züchtungsprozess durchgeführt wird und dann ein chemischer Ätzprozess durchgeführt wird, ist ein zusätzlicher Prozessschritt erforderlich, und Galliumnitrid kann durch übermäßiges chemisches Ätzen beschädigt werden.
  • Ein koreanischer Patentschrift 10-0893360 offenbart ein Verfahren zum Bilden einer Pufferschicht zur Züchtung eines Galliumnitrideinkristalls.
  • Eine japanische Patentanmeldung 2009-519202 offenbart ein Produkt des Gruppe III - Nitrids und ein Herstellungsverfahren desselben.
  • Eine japanische Patentanmeldung 2004-296640 offenbart ein Verfahren zur Züchtung einer GaN-Halbleiterschicht und ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleitersubstrats und einer Halbleitervorrichtung unter Verwendung einer GaN-Halbleiterschicht.
  • Hae-Yong Lee et al., 2014 beschreibt Steuern des mechanischen Bogens für GaN Substrat, das durch HVPE mit relativ längerem Radius der Gitterbiegung gewachsen ist P. Visconti et al., 2000 beschreibt eine Verspannungsdichte in GaN, die durch photoelektrochemisches und Heiß-Nass-Ätzen bestimmt wird.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Daher ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Galliumnitridsubstrats frei von Biegung und Rissbildung bereitzustellen, wobei durch eine schrittweise Verringerung eines Flussratenverhältnisses von Ammoniakgas zu Chlorwasserstoffgas Galliumnitrid gleichmäßig auf einer Oberfläche eines Saphirsubstrats wächst, sodass verhindert wird, dass Polygalliumnitrid (Poly-GaN) an Rädern des Saphirsubstrats intensiv wächst.
  • Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Galliumnitridsubstrats mit einer Grubengalliumnitridschicht ähnlich einer darauf befindlichen Spiegelgalliumnitridschicht bereitzustellen, wobei, wenn das Galliumnitridsubstrat hergestellt wird, die erste und die zweite Oberflächenbehandlung durchgeführt sind, um eine Oberflächenrauhigkeit eines Saphirsubstrats zu reduzieren, wodurch ermöglicht wird, dass eine Grubengalliumnitridschicht ähnlich einer Spiegelgalliumnitridschicht wächst.
  • Es ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Galliumnitridsubstrats mit verringertem Auftreten von Kristalldefekten bereitzustellen, wobei, wenn das Galliumnitridsubstrat hergestellt wird, eine große Gitterfehlanpassung zwischen einem Saphirsubstrat und Galliumnitrid durch Bilden einer Pufferschicht reduziert wird.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung können die obigen Aufgaben durch die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines Galliumnitridsubstrats gelöst werden. Das Verfahren umfasst die Schritte: Einspritzen von Ammoniakgas (NH3) zur Durchführung einer ersten Oberflächenbehandlung auf einem Saphirsubstrat; Einspritzen von Ammoniakgas und Chlorwasserstoffgas (HCl) zur Bildung einer Pufferschicht auf dem Saphirsubstrat; Einspritzen von Ammoniakgas zur Durchführung einer zweiten Oberflächenbehandlung auf dem Saphirsubstrat; Ermöglichen, dass Galliumnitrid auf dem Saphirsubstrat wächst, während ein Flussratenverhältnis von Ammoniakgas zu Chlorwasserstoffgas (NH3: HCl) schrittweise verringert wird.
  • In dem Schritt, in dem Galliumnitrid ermöglicht wird, auf dem Saphirsubstrat zu wachsen, während das Flussratenverhältnis von Ammoniakgas zu Chlorwasserstoffgas schrittweise verringert wird, kann die Flussrate von Ammoniakgas stufenweise über die Zeit verringert werden und die Flussrate von Chlorwasserstoffgas kann über die Zeit konstant gehalten werden.
  • In dem Schritt, in dem Galliumnitrid ermöglicht wird, auf dem Saphirsubstrat zu wachsen, während das Flussratenverhältnis von Ammoniakgas zu Chlorwasserstoffgas schrittweise verringert wird, kann eine Biegung des Galliumnitridsubstrats durch das Flussratenverhältnis von Ammoniakgas zu Chlorwasserstoffgas gesteuert werden.
  • Das Flussratenverhältnis von Ammoniakgas zu Chlorwasserstoffgas kann 2 bis 10,8 betragen.
  • Das Galliumnitrid kann eine Grubengalliumnitridschicht (pit GaN) und eine Spiegelgalliumnitridschicht (mirror GaN) umfassen.
  • Die Grubengalliumnitridschicht kann eine Dicke von 50 µm bis 200 µm aufweisen.
  • Die Spiegelgalliumnitridschicht kann eine Dicke von 50 µm bis 200 µm aufweisen.
  • Die Pufferschicht kann Aluminiumnitrid (AlN) sein.
  • Figurenliste
  • Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele und den Figuren.
    • 1a bis 1c sind ein Flussdiagramm und graphische Darstellungen zum Erläutern eines Verfahrens zur Herstellung eines Galliumnitridsubstrats gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 2 ist eine graphische Darstellung einer Dicke von jedem der Galliumnitridsubstrate, die gemäß Beispiel 1 der vorliegenden Erfindung hergestellt sind, und die Dicke von jedem der Galliumnitridsubstrate, die gemäß den Vergleichsbeispielen 1 bis 6 hergestellt sind.
    • 3 ist eine graphische Darstellung einer Biegung von Galliumnitridsubstraten vor dem Laserabheben, wenn die Galliumnitridsubstrate gemäß Beispiel 1 oder Vergleichsbeispielen 1 bis 6 der vorliegenden Erfindung hergestellt sind.
    • 4 ist eine graphische Darstellung eines Biegens von Galliumnitridsubstraten, nachdem Saphirsubstrate durch einen Laserabhebevorgang getrennt sind, wenn die Galliumnitridsubstrate gemäß Beispiel 1 oder Vergleichsbeispielen 1 bis 6 der vorliegenden Erfindung hergestellt sind.
    • 5a bis 5c sind schematische Darstellungen von Rasterelektronenmikroskop-Kathodolumineszenz (SEM-CL) Bildern der Spiegelgalliumnitridschicht (170 µm) des Galliumnitridsubstrats, das gemäß Beispiel 1 der vorliegenden Erfindung hergestellt ist.
  • Detaillierte Beschreibung exemplarischer Ausführungsformen
  • Die vorliegende Erfindung wird nun vollständiger unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen und Inhalte, die in den Zeichnungen offenbart sind, beschrieben. Die vorliegende Erfindung sollte jedoch nicht so ausgelegt werden, dass sie auf die hierin beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen beschränkt ist.
  • Die in der vorliegenden Beschreibung vorkommenden Begriffe werden verwendet, um eine spezifische beispielhafte Ausführungsform zu erläutern und das vorliegende erfinderische Konzept nicht zu beschränken. Somit schließt der Ausdruck der Singularität in der vorliegenden Beschreibung den Ausdruck der Mehrzahl ein, sofern nicht anders im Zusammenhang angegeben. Es versteht sich ferner, dass die Ausdrücke „umfassen“ und / oder „umfassend“, wenn sie in dieser Beschreibung verwendet werden, das Vorhandensein von angegebenen Komponenten, Schritten, Operationen und / oder Elementen spezifizieren, aber das Vorhandensein oder Hinzufügen eines solchen nicht ausschließen oder mehrere andere Komponenten, Schritte, Operationen und / oder Elemente davon.
  • Es sollte nicht verstanden werden, dass willkürliche Aspekte oder Designs, die in „Ausführungsformen“, „Beispielen“, „Aspekten“ usw. offenbart sind, die in der Beschreibung verwendet werden, befriedigender oder vorteilhafter sind als andere Aspekte oder Designs.
  • Ferner, der Begriff „oder“ bedeutet „einschließlich oder“ und nicht „exklusiv oder“. Das heißt, wenn nicht anders erwähnt oder aus dem Kontext klar abgeleitet, bedeutet der Ausdruck „x verwendet a oder b“ irgendeine der natürlichen einschließenden Permutationen.
  • Außerdem wie in der Beschreibung und den Ansprüchen verwendet, sollen die Singularformen „a“, „an“ und „die“ außerdem auch die Mehrzahlformen einschließen, sofern der Zusammenhang nicht deutlich anderes anzeigt.
  • Obwohl in der Beschreibung verwendete Begriffe aus Begriffen ausgewählt werden, die allgemein in verwandten technischen Gebieten verwendet werden, können andere Ausdrücke gemäß der technischen Entwicklung und / oder aufgrund von Änderungen, Praktiken, Prioritäten von Technikern usw. verwendet werden. Daher sollte es nicht verstanden werden, dass die unten verwendeten Begriffe das technische Konzept der vorliegenden Erfindung begrenzen, und es sollte verstanden werden, dass die Begriffe beispielhaft zum Beschreiben von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind.
  • Außerdem können einige der hierin verwendeten Begriffe von dem vorliegenden Anmelder willkürlich ausgewählt werden. In diesem Fall werden diese Begriffe im Folgenden näher definiert. Dementsprechend sollten die hierin verwendeten spezifischen Begriffe basierend auf ihren eindeutigen Bedeutungen und dem gesamten Kontext der vorliegenden Erfindung verstanden werden.
  • Begriffe wie „erster“ und „zweiter“ werden hierin lediglich dazu verwendet, eine Vielzahl von konstituierenden Elementen zu beschreiben, aber die konstituierenden Elemente sind nicht durch die Ausdrücke beschränkt. Die Begriffe werden nur zu dem Zweck verwendet, ein konstituierendes Element von einem anderen konstituierenden Element zu unterscheiden.
  • Wenn ein Element wie eine Schicht, ein Film, ein Bereich und ein Bestandteil als „auf“ einem anderen Element bezeichnet werden, kann das Element direkt auf einem anderen Element sein oder ein dazwischenliegendes Element vorhanden sein.
  • Sofern nicht anders definiert, haben alle hierin verwendeten Begriffe (einschließlich technischer und wissenschaftlicher Begriffe) die gleiche Bedeutung, wie sie üblicherweise von einem Durchschnittsfachmann verstanden werden. Es wird ferner verstanden werden, dass Begriffe, wie jene, die in allgemein verwendeten Wörterbüchern definiert sind, so interpretiert werden sollten, dass sie eine Bedeutung haben, die mit ihrer Bedeutung im Kontext der relevanten Technik und der vorliegenden Erfindung übereinstimmt, und nicht idealisiert interpretiert werden oder übermäßig formaler Sinn, sofern nicht ausdrücklich hierin definiert.
  • Des Weiteren wird in der folgenden Beschreibung der vorliegenden Erfindung eine detaillierte Beschreibung der hierin enthaltenen bekannten Funktionen und Konfigurationen weggelassen, wenn dies den Gegenstand der vorliegenden Erfindung unklar machen kann. Die in der Beschreibung verwendeten Begriffe sind unter Berücksichtigung von Funktionen definiert, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden, und können gemäß den beabsichtigten oder herkömmlich verwendeten Verfahren von Kunden, Betreibern und Benutzern geändert werden. Dementsprechend sollten Definitionen der Begriffe auf der Grundlage der gesamten Beschreibung der vorliegenden Beschreibung verstanden werden.
  • Nachstehend wird ein Verfahren zur Herstellung eines Galliumnitridsubstrats gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf 1a bis 1c beschrieben.
  • 1a bis 1c umfassen ein Flussdiagramm und Graphen zum Erläutern eines Verfahrens zur Herstellung eines Galliumnitridsubstrats gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Das Verfahren zur Herstellung eines Galliumnitridsubstrats gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann unter Verwendung von Hydriddampfphasenepitaxie durchgeführt werden.
  • Eine Hydriddampfphasenepitaxievorrichtung kann einen Reaktor, einen Substratträger, der in dem Reaktor angeordnet ist und ein Saphirsubstrat trägt, eine Einleitungskammer, die angeordnet ist, um mit dem Reaktor verbunden zu sein, und eine Heizeinrichtung umfassen. Trägergas, Ammoniakgas (NH3) und Chlorwasserstoffgas (HCl) können der Einleitungskammer zugeführt werden.
  • Zusätzlich wird in der Einführungskammer ein Gallium (Ga) enthaltender Behälter angeordnet, und Chlorwasserstoffgas, das in die Einführungskammer zugeführt wird, reagiert mit Gallium, das in dem Behälter enthalten ist, um Galliumchloridgas (GaCl) zu erzeugen. Das erzeugte Galliumchloridgas kann in den Reaktor zusammen mit Trägergas und Ammoniakgas zugeführt werden, damit Galliumnitrid sich wachsen lässt.
  • Da die Flussrate von Chlorwasserstoffgas proportional zu dem Partialdruck von Galliumchloridgas ist, kann das Flussratenverhältnis von Ammoniakgas zu Galliumchloridgas (NH3: GaCl) (x: 1) gleich dem Flussratenverhältnis von Ammoniakgas zu Chlorwasserstoffgas (NH3: HCl) (x: 1) sein.
  • Als Trägergas kann ein Inertgas verwendet werden. Vorzugsweise wird Wasserstoffgas (H2) oder Stickstoffgas (N2) als Trägergas verwendet.
  • Das Verfahren zur Herstellung eines Galliumnitridsubstrats gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst einen Schritt S110 zum Einspritzen von Ammoniakgas zur Durchführung einer ersten Oberflächenbehandlung auf einem Saphirsubstrat, einen Schritt S120 zum Einspritzen von Ammoniakgas und Chlorwasserstoffgas zur Bildung einer Pufferschicht auf dem Saphirsubstrat und einen Schritt S130 zum Einspritzen von Ammoniakgas zur Durchführung einer zweiten Oberflächenbehandlung auf dem Saphirsubstrat.
  • Danach wird ein Schritt S140 durchgeführt, bei dem Galliumnitrid sich auf dem Saphirsubstrat wachsen lässt, während das Flussratenverhältnis (x: 1) von Ammoniakgas zu Chlorwasserstoffgas schrittweise verringert wird.
  • Daher wenn das Verfahren zur Herstellung eines Galliumnitridsubstrats gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird, kann Galliumnitrid gleichmäßig auf der Oberfläche eines Saphirsubstrats gewachsen werden, während das Flussratenverhältnis (x: 1) von Ammoniakgas zu Chlorwasserstoffgas stufenweise verringert wird, wodurch ein intensives Wachsen des Polygalliumnitrids (Poly GaN) intensiv an den Rändern des Saphirsubstrats verhindert wird und ein Biegungsphänomen und ein Rissbildungsphänomen minimiert werden.
  • Zusätzlich bei dem Verfahren zur Herstellung eines Galliumnitridsubstrats gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird Schritt S110 des Einspritzens von Ammoniakgas zur Durchführung einer ersten Oberflächenbehandlung auf einem Saphirsubstrat, Schritt S120 des Einspritzens von Ammoniakgas und Chlorwasserstoffgas zur Bildung eines Gases Pufferschicht auf dem Saphirsubstrat, und Schritt S130 des Einspritzens von Ammoniakgas zur Durchführung einer zweiten Oberflächenbehandlung auf dem Saphirsubstrat sind getrennt beschrieben. Die Bildung einer Pufferschicht, die im Schritt S120 beschrieben ist, kann jedoch auch in den Schritten S110 und S130 durchgeführt werden.
  • Nachstehend wird das Verfahren zur Herstellung eines Galliumnitridsubstrats gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Detail unter Bezugnahme auf 1a bis 1c beschrieben.
  • Im Schritt S110 wird Ammoniakgas eingespritzt, um die erste Oberflächenbehandlung auf einem Saphirsubstrat durchzuführen.
  • In dem Verfahren zur Herstellung eines Galliumnitridsubstrats gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Saphirsubstrat in einem Reaktor befestigt werden, und dann kann Ammoniakgas in den Reaktor eingespritzt werden, um die erste Oberflächenbehandlung auf dem Saphirsubstrat durchzuführen.
  • Wenn Ammoniakgas in das Saphirsubstrat eingeführt wird, kann ein sehr dünner Aluminiumnitridfilm (AlN) auf der Oberfläche des Saphirsubstrats gebildet werden, und der Aluminiumnitridfilm kann als Pufferschicht dienen.
  • Wenn beispielsweise das Saphirsubstrat in dem Reaktor befestigt wird und dann die Oberfläche des Saphirsubstrats bei einer Temperatur von 900 ° C bis 1100 ° C für 10 Minuten bis 1 Stunde unter Verwendung von Ammoniakgas geätzt wird, reagiert Aluminiumoxid (Al3O3), welches ein Material des Saphirsubstrats ist, mit Ammoniakgas, so dass Aluminiumnitrid auf der Oberfläche des Saphirsubstrats gebildet werden kann.
  • Die Reaktion zwischen Aluminiumoxid (Al2O3) und Ammoniakgas wird durch die folgende Formel 1 dargestellt. Al2O3 + 2NH3 → 2AlN + 3H2O [Formel 1]
  • Bezugnehmend auf 1b und 1c wird im Schritt S110, da kein Chlorwasserstoffgas eingespritzt wird, sondern nur Ammoniakgas eingespritzt wird, das Flussratenverhältnis (x: 1) von Ammoniakgas zu Chlorwasserstoffgas Null.
  • Zusätzlich kann im Schritt 110 Ammoniakgas mit einer Flussrate von 16.000 sccm bis 18.000 sccm eingespritzt werden. Wenn Ammoniakgas mit einer Flussrate von 16.000 sccm oder weniger eingespritzt wird, kann die Menge und Größe des erzeugten Aluminiumnitrids verringert werden. Wenn Ammoniakgas mit einer Flussrate von mehr als 18.000 sccm eingespritzt wird, kann die Menge und Größe des erzeugten Aluminiumnitrids übermäßig erhöht werden.
  • Im Schritt S120 werden Ammoniakgas und Chlorwasserstoffgas (HCl) eingespritzt, um eine Pufferschicht auf einem Saphirsubstrat zu bilden.
  • Gemäß dem Verfahren zur Herstellung eines Galliumnitridsubstrats gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können Ammoniakgas und Chlorwasserstoffgas in einen Reaktor eingespritzt werden, der mit dem Saphirsubstrat ausgestattet ist, um die Pufferschicht auf dem Saphirsubstrat zu bilden.
  • Wenn beispielsweise das Saphirsubstrat in dem Reaktor befestigt wird und dann die Oberfläche des Saphirsubstrats bei einer Temperatur von 900 ° C bis 1100 ° C für 10 Minuten bis 1 Stunde unter Verwendung von Ammoniakgas und Chlorwasserstoffgas geätzt wird, reagiert Aluminiumoxid (Al3O3), das ein Material des Saphirsubstrats ist, mit Ammoniakgas und Chlorwasserstoffgas, sodass Aluminiumnitrid, das als die Pufferschicht wirkt, auf der Oberfläche des Saphirsubstrats gebildet werden kann.
  • Außerdem wird im Vergleich zum Schritt S110 im Schritt S120 Chlorwasserstoffgas zusätzlich eingespritzt und somit kann eine Pufferschicht intensiv gebildet werden. Daher kann das im Schritt S120 gebildete Aluminiumnitrid dicker sein als das im Schritt S110 gebildete Aluminiumnitrid.
  • Bezugnehmend auf 1b und 1c, wird im Schritt S120 Ammoniakgas mit der gleichen Flussrate wie im Schritt S110 eingespritzt, aber Chlorwasserstoffgas wird mit einer konstanten Flussrate unterschiedlich zum Schritt S110 eingespritzt.
  • Außerdem kann im Schritt 110 Ammoniakgas mit einer Flussrate von 16.000 sccm bis 18.000 sccm eingespritzt werden. Wenn Ammoniakgas mit einer Flussrate von 16.000 sccm oder weniger eingespritzt wird, kann die Menge und Größe des erzeugten Aluminiumnitrids verringert werden. Wenn Ammoniakgas mit einer Flussrate von mehr als 18.000 sccm eingespritzt wird, kann die Menge und Größe des erzeugten Aluminiumnitrids übermäßig erhöht werden.
  • Zusätzlich kann im Schritt S120 Chlorwasserstoffgas mit einer Flussrate von 1.000 sccm bis 2.000 sccm eingespritzt werden. Wenn Chlorwasserstoffgas mit einer Flussrate von 1000 sccm oder weniger eingespritzt wird, kann Aluminiumnitrid nicht ausreichend wachsen. Wenn Chlorwasserstoffgas mit einer Flussrate von mehr als 2000 sccm eingespritzt wird, kann das Wachstum und Ätzen von Aluminiumnitrid zur gleichen Zeit ausgeführt werden, was Probleme bei der Bildung von Aluminiumnitrid verursachen kann.
  • Zusätzlich kann im Schritt S120 das Flussratenverhältnis (x: 1) von Ammoniakgas zu Chlorwasserstoffgas 11 bis 13 betragen. Wenn das Flussratenverhältnis 12 oder weniger beträgt, können die Menge und Größe des erzeugten Aluminiumnitrids reduziert werden . Wenn das Flussratenverhältnis größer als 13 ist, kann die Menge und Größe des erzeugten Aluminiumnitrids übermäßig erhöht werden.
  • Gemäß dem Verfahren zur Herstellung eines Galliumnitridsubstrats gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Pufferschicht in situ ohne einen zusätzlichen Prozess gebildet werden, sodass der Grad an Prozessschwierigkeiten verringert werden kann.
  • Zusätzlich kann die Pufferschicht dazu dienen, die Dichte von Kristalldefekten zu minimieren, indem der kristallographische Unterschied zwischen dem Saphirsubstrat und dem Galliumnitrid reduziert wird, um in einem nachfolgenden Prozess zu wachsen.
  • Im Schritt S130 wird Ammoniakgas eingespritzt, um eine zweite Oberflächenbehandlung auf dem Saphirsubstrat durchzuführen.
  • Gemäß dem Verfahren zur Herstellung eines Galliumnitridsubstrats gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann Ammoniakgas in einen Reaktor eingespritzt werden, der mit dem Saphirsubstrat ausgestattet ist, um die zweite Oberflächenbehandlung auf dem Saphirsubstrat durchzuführen.
  • Zusätzlich kann die zweite Oberflächenbehandlung auf die gleiche Weise wie die erste Oberflächenbehandlung durchgeführt werden.
  • Wenn Ammoniakgas in das Saphirsubstrat eingeführt wird, kann ein sehr dünner Aluminiumnitridfilm (AlN) auf der Oberfläche des Saphirsubstrats gebildet werden, und der Aluminiumnitridfilm kann als Pufferschicht dienen.
  • Wenn beispielsweise das Saphirsubstrat in dem Reaktor befestigt wird und dann die Oberfläche des Saphirsubstrats bei einer Temperatur von 900 ° C bis 1100 ° C für 10 Minuten bis 1 Stunde unter Verwendung von Ammoniakgas geätzt wird, reagiert Aluminiumoxid (Al3O3), das ein Material des Saphirsubstrats ist, mit Ammoniakgas, sodass Aluminiumnitrid auf der Oberfläche des Saphirsubstrats gebildet werden kann.
  • Bezugnehmend auf 1b und 1c, da im Schritt S110 kein Chlorwasserstoffgas eingespritzt wird, sondern nur Ammoniakgas eingespritzt wird, ist das Flussratenverhältnis (x: 1) von Ammoniakgas zu Chlorwasserstoffgas Null.
  • Zusätzlich kann im Schritt 110 Ammoniakgas mit einer Flussrate von 16.000 sccm bis 18.000 sccm eingespritzt werden. Wenn Ammoniakgas mit einer Flussrate von 16.000 sccm oder weniger eingespritzt wird, kann die Menge und Größe des erzeugten Aluminiumnitrids verringert werden. Wenn Ammoniakgas mit einer Flussrate von mehr als 18.000 sccm eingespritzt wird, kann die Menge und Größe des erzeugten Aluminiumnitrids übermäßig erhöht werden.
  • Gemäß dem Verfahren zur Herstellung eines Galliumnitridsubstrats gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann durch Bilden der Pufferschicht durch die Schritte S110, S120 und S130 die Oberflächenrauigkeit von Galliumnitrid reduziert werden, sodass Galliumnitrid mit einer Oberfläche ähnlich der Oberfläche eines Spiegels wachsen kann.
  • Im Schritt S140 wird Galliumnitrid auf dem Saphirsubstrat gewachsen, während das Flussratenverhältnis (x: 1) von Ammoniakgas zu Chlorwasserstoffgas schrittweise verringert wird.
  • Gemäß dem Verfahren zur Herstellung eines Galliumnitridsubstrats gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann sich Galliumnitrid wachsen lassen, während das Flussratenverhältnis (x: 1) von Ammoniakgas zu Chlorwasserstoffgas in einem Reaktor, der mit dem Saphirsubstrat ausgestattet ist, schrittweise abgesenkt ist.
  • Zusätzlich kann der Schritt S140 einen Schritt S141 zum Ermöglichen eines Wachsens von einer Grubengalliumnitridschicht (pit GaN), und einen Schritt S142 zum Ermöglichen des Wachsens von einer Spiegelgalliumnitridschicht (mirror GaN) umfassen.
  • Die Grubengalliumnitridschicht ist eine anfänglich gewachsene Galliumnitridschicht mit einer größeren Anzahl von Defekten als die Spiegelgalliumnitridschicht, und die Spiegelgalliumnitridschicht ist eine Galliumnitridschicht, die auf der Grubengalliumnitridschicht gebildet ist und eine Oberfläche ähnlich der Oberfläche eines Spiegels aufweist. Im Schritt S140 werden die Grubengalliumnitridschicht und die Spiegelgalliumnitridschicht getrennt beschrieben, aber die Grubengalliumnitridschicht und die Spiegelgalliumnitridschicht können natürlich während des Wachstumsprozesses gebildet werden.
  • Bezugnehmend auf 1b wird im Schritt S140 die Flussrate von Ammoniakgas schrittweise über die Zeit verringert, wohingegen die Flussrate von Chlorwasserstoffgas über die Zeit konstant gehalten wird.
  • Zusätzlich kann im Schritt S140 gemäß einer Ausführungsform die Flussrate von Chlorwasserstoff über die Zeit konstant gehalten werden während im Schritt S141 eine Grubengalliumnitridschicht gewachsen wird, und im Schritt S142 des Ermöglichens des Wachsens einer Spiegelgalliumnitridschicht kann die Flussrate von Chlorwasserstoff bei einem Wert, der niedriger als die Flussrate von Chlorwasserstoff im Schritt S141 ist, konstant gehalten werden.
  • Im Schritt S142 des Wachsens einer Spiegelgalliumnitridschicht ist die Wachstumsrate der Spiegelgalliumnitridschicht proportional zu der Flussrate von Chlorwasserstoff (oder der Flussrate von Galliumchlorid). Daher wenn Chlorwasserstoff mit der gleichen Flussrate wie während des Wachstums der Grubengalliumnitridschicht eingespritzt wird, kann eine poröse s Spiegelgalliumnitridschicht zu verringern, und die Flussrate von Chlorwasserstoff (oder die Flussrate von Galliumchlorid) kann zur Verringerung der Wachstumsrate verringert werden.
  • Bezugnehmend auf 1c wird zusätzlich während des Schritts S140 das Flussratenverhältnis (x: 1) von Ammoniakgas zu Chlorwasserstoffgas schrittweise abgesenkt.
  • Vorzugsweise wird im Schritt S141 des Ermöglichens des Wachsens einer Grubengalliumnitridschicht das Flussratenverhältnis (x: 1) von Ammoniakgas zu Chlorwasserstoffgas schrittweise verringert, bis die Grubengalliumnitridschicht gebildet ist. Im Schritt S142 des Ermöglichens des Wachstums einer Spiegelgalliumnitridschicht wird das Flussratenverhältnis (x: 1) von Ammoniakgas zu Chlorwasserstoffgas auf einem konstanten Wert gehalten.
  • Daher kann gemäß dem Verfahren zur Herstellung eines Galliumnitridsubstrats gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung Galliumnitrid auf der Oberfläche eines Saphirsubstrats gleichmäßig gewachsen werden, indem das Flussratenverhältnis (x: 1) von Ammoniakgas zu Chlorwasserstoffgas schrittweise verringert wird während des Wachsens von Galliumnitrid. Zusätzlich ist es möglich zu verhindern, dass Polygalliumnitrid an den Rändern des Saphirsubstrats intensiv wächst, wodurch das Auftreten von Biegung und Rissbildung minimiert wird.
  • Wenn Galliumnitrid sich wachsen lässt, kann zusätzlich das Flussratenverhältnis (x: 1) von Ammoniakgas zu Chlorwasserstoffgas schrittweise verringert werden, wodurch die während des Wachsens von Galliumnitrid erzeugte Spannung minimiert wird.
  • Im Schritt S140 kann Ammoniakgas mit einer Flussrate von 3.000 sccm bis 20.000 sccm eingespritzt werden. Wenn Ammoniakgas mit einer Flussrate von 3000 sccm oder weniger eingespritzt wird, kann die Wachstumsrate von Galliumnitrid sehr niedrig sein. Wenn Ammoniakgas mit einer Flussrate von mehr als 20.000 sccm eingespritzt wird, kann poröses Galliumnitrid sehr schnell wachsen.
  • Zusätzlich kann im Schritt S140 Chlorwasserstoffgas mit einer Flussrate von 1.000 sccm bis 3.000 sccm eingespritzt werden. Wenn Chlorwasserstoffgas mit einer Flussrate von 1000 sccm oder weniger eingespritzt wird, wird die Wachstumsrate von Galliumnitrid beträchtlich verringert. Wenn Chlorwasserstoffgas mit einer Flussrate von mehr als 3000 sccm eingespritzt wird, kann die Wachstumsrate von Galliumnitrid erhöht werden, aber die Oberflächenrauigkeit von Galliumnitrid kann erhöht werden.
  • Zusätzlich kann im Schritt S140 das Flussratenverhältnis (x: 1) von Ammoniakgas zu Chlorwasserstoffgas 2 bis 10,8 betragen. Wenn das Strömungsratenverhältnis 2 oder weniger beträgt, kann die Wachstumsrate von Galliumnitrid verringert sein. Wenn das Flussratenverhältnis größer als 10,8 ist, kann die Wachstumsrate von Galliumnitrid erhöht werden, aber poröses Galliumnitrid kann wachsen.
  • Vorzugsweise kann im Schritt S141 Ammoniakgas mit einer Flussrate von 4.000 sccm bis 20.000 sccm eingespritzt werden. Wenn Ammoniakgas mit einer Flussrate von 4000 sccm oder weniger eingespritzt wird, kann poröses Galliumnitrid nicht wachsen und Spannungen, die zwischen dem Saphirsubstrat und dem Galliumnitrid erzeugt werden, können nicht reduziert werden. Wenn Ammoniakgas mit einer Flussrate von mehr als 20000 sccm eingespritzt wird, kann poröses Galliumnitrid wachsen, aber die Oberflächenrauhigkeit des gewachsenen Galliumnitrids kann erhöht werden, was das Wachstum von Galliumnitrid stören kann.
  • Daher kann im Schritt S141 das Flussratenverhältnis (x: 1) von Ammoniakgas zu Chlorwasserstoffgas 2 bis 10,8 betragen. Wenn das Flussratenverhältnis 2 oder weniger beträgt, kann poröses Galliumnitrid nicht wachsen, was zu einer Rissbildung von Galliumnitrid führen kann. Wenn das Flussratenverhältnis größer als 10,8 ist, kann die Oberflächenrauheit des gewachsenen Galliumnitrids erhöht werden, was das Wachstum von Galliumnitrid stören kann.
  • Vorzugsweise kann im Schritt S142 Ammoniakgas mit einer Flussrate von 2000 sccm bis 4000 sccm eingespritzt werden. Wenn Ammoniakgas mit einer Flussrate von 2000 sccm oder weniger eingespritzt wird, kann Galliumnitrid nicht ausreichend wachsen. Wenn Ammoniakgas mit einer Flussrate von mehr als 4000 sccm eingespritzt wird, kann poröses Galliumnitrid wachsen.
  • Zusätzlich kann im Schritt S142 das Flussratenverhältnis (x: 1) von Ammoniakgas zu Chlorwasserstoffgas 1 zu 3 sein. Wenn das Flussratenverhältnis 1 oder weniger ist, kann die Wachstumsrate von Galliumnitrid verringert sein. Wenn das Flussratenverhältnis größer als 3 ist, kann poröses Galliumnitrid wachsen.
  • Zusätzlich kann gemäß dem Verfahren zur Herstellung eines Galliumnitridsubstrats gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung das Biegen des Galliumnitridsubstrats durch das Flussratenverhältnis von Ammoniakgas zu Chlorwasserstoffgas gesteuert werden.
  • Daher kann das Biegen des Galliumnitridsubstrats durch Einstellen des Verhältnisses von Ammoniakgas zu Chlorwasserstoffgas basierend auf dem anfänglichen Biegungsgrad des Substrats gesteuert werden. Zusätzlich kann gemäß einer Ausführungsform ein gekrümmtes Galliumnitridsubstrat hergestellt werden, und diese Art von Substrat kann auf verschiedenen Gebieten verwendet werden.
  • Zusätzlich kann gemäß dem Verfahren zur Herstellung eines Galliumnitridsubstrats gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung das Verhältnis von Ammoniakgas zu Chlorwasserstoffgas über die Zeit eingestellt (schrittweise verringert) werden, und das Verhältnis von Ammoniakgas zu Chlorwasserstoff kann auch entsprechend der Dicke einer wachsenden Galliumnitridschicht eingestellt (stufenweise verringert) werden, sodass die Biegung des Galliumnitridsubstrats eingestellt werden kann.
  • Die Grubengalliumnitridschicht kann eine Dicke von 50 µm bis 200 µm aufweisen. Wenn die Dicke der Grubengalliumnitridschicht 50 µm oder weniger beträgt, kann die zwischen dem Saphirsubstrat und dem gewachsenen Galliumnitrid erzeugte Spannung nicht verringert werden. Wenn die Dicke der Grubengalliumnitridschicht größer als 200 µm ist, kann ein Spiegelgalliumnitridschicht nicht dick ausgebildet werden.
  • Die Spiegelgalliumnitridschicht kann eine Dicke von 50 µm bis 200 µm aufweisen. Wenn die Dicke der Spiegelgalliumnitridschicht 50 µm oder weniger beträgt, kann die Verspannungsdichte des gewachsenen Galliumnitrids nicht verringert werden, wodurch die Defektdichte erhöht wird. Wenn die Dicke der Spiegelgalliumnitridschicht größer als 200 µm ist, können Risse während eines Herunterfahrprozesses auftreten, bei dem die Temperatur der Schicht nach dem Wachstum auf Raumtemperatur gesenkt wird.
  • Gemäß dem Verfahren zur Herstellung eines Galliumnitridsubstrats gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ein Galliumnitridsubstrat mit einer selbststehenden Struktur durch Trennen von Galliumnitrid von einem Saphirsubstrat hergestellt werden.
  • Gemäß dem Verfahren zur Herstellung eines Galliumnitridsubstrats gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das gewachsene Galliumnitrid von dem Saphirsubstrat unter Verwendung von mindestens einem von Ätzen, Laserabhebung (LLO) und einem mechanischen Verfahren getrennt werden. Vorzugsweise wird ein Laserabhebeverfahren verwendet. Besonders bevorzugter wird eine Laserabhebung unter Verwendung von ultraviolettem Licht von 355 nm verwendet.
  • Zum Beispiel können Galliumnitrid und das Saphirsubstrat durch Bestrahlen des Saphirsubstrats mit einem Hochleistungs-Ultraviolettlaser getrennt werden. Da in diesem Fall der verwendete Ultraviolettlaser eine geringere Energie als die Bandlücke des Saphirsubstrats und eine höhere Energie als die Galliumnitridbandlücke aufweist, durchläuft der bestrahlte Ultraviolettlaser das Saphirsubstrat, und Laserenergie wird an der Grenzfläche von Galliumnitrid angelegt.
  • Daher werden das Saphirsubstrat und die Galliumnitridgrenzfläche vorübergehend geschmolzen, so dass das Saphirsubstrat und das Galliumnitrid voneinander getrennt werden. In diesem Fall können, wenn der Prozess des Trennens des Saphirsubstrats durchgeführt wird, Restmaterialien an der Grenzfläche zwischen dem Saphirsubstrat und Galliumnitrid verbleiben. Die Restmaterialien können jedoch beispielsweise durch Ätzen entfernt werden.
  • Zusätzlich kann gemäß dem Verfahren zur Herstellung eines Galliumnitridsubstrats gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Galliumnitridsubstrat mit einer Templatsubstratstruktur hergestellt werden, indem das Verfahren beendet wird, ohne das Saphirsubstrat zu entfernen, nachdem das Wachstum von Galliumnitrid abgeschlossen ist .
  • Im Fall des Galliumnitridsubstrats, das unter Verwendung des Verfahrens zur Herstellung eines Galliumnitridsubstrats gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, wird ein Rissbildungsphänomen durch einen Spannungsrelaxationseffekt verringert, und die Defektdichte wird durch Wachstumsmodussteuerung verringert. Selbst wenn ein dicker Galliumnitridfilm mit einer Dicke von 300 um oder mehr und einem Durchmesser von 50,8 mm (2 Zoll) oder mehr daher auf einem Saphirsubstrat gewachsen wird, treten keine Defekte, Biegung und Risse auf. In Bezug auf die Dicke kann der dicke Galliumnitridfilm unbegrenzt wachsen.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung eines Galliumnitridsubstrats gemäß der vorliegenden Erfindung wird in dem folgenden Beispiel 1 beschrieben.
  • [Beispiel 1]
  • Nachdem ein Saphirsubstrat in einen Hydriddampfphasenwachstumsreaktor eingesetzt wurde, wurde die erste Oberflächenbehandlung bei einer Temperatur von 950°C durchgeführt, während Ammoniakgas zugeführt wurde. Eine Aluminiumnitridpufferschicht wurde gebildet, während Ammoniakgas und Chlorwasserstoffgas zugeführt wurden, und die zweite Oberflächenbehandlung wurde durchgeführt, während Ammoniakgas erneut zugeführt wurde.
  • Als nächstes wurde Gallium in einen Galliumbehälter gegeben, der in dem Hydriddampfphasenwachstumsreaktor enthalten war, und Chlorwasserstoffgas wurde zugeführt, während die Temperatur bei 850°C gehalten wurde, um Galliumchloridgas zu erzeugen. Durch eine weitere Einspritzöffnung wurde Ammoniakgas dem auf eine Temperatur von 950°C eingestellten Behälter zugeführt, während die Flussrate von Ammoniakgas schrittweise verringert wurde (d.h. das Flussratenverhältnis (x: 1) von Ammoniakgas zu Chlorwasserstoffgas schrittweise verringert wurde) so dass Galliumnitrid mit einer Dicke von etwa 300 µm auf einem Einkristallsubstrat wachsen wurde.
  • Zusätzlich wurden 10 Galliumnitridsubstrate durch den gleichen Prozess hergestellt, um die Zuverlässigkeit des Prozesses zu testen.
  • Die Prozessbedingungen des Verfahrens zur Herstellung eines Galliumnitridsubstrats gemäß dem Beispiel 1 der vorliegenden Erfindung sind in Tabelle 1 gezeigt.
  • Tabelle 1 ist eine Tabelle, die die Prozessbedingungen des Verfahrens zur Herstellung eines Galliumnitridsubstrats gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. [Tabelle 1]
    Wachstums stufe Verhältnis Ammoniak (sccm) Galliumchlorid (sccm) Stickstoff (sccm) Summe (NH3+N2, sccm) Wachstumsrate
    µm/min Zeit
    Erste Oberflächenbehandlung 1 - 16,800 0 19,800 36,600 - 1
    Pufferschicht (AlN) 2 12.0 16,800 1,400 19,800 38,000 0.05 5
    Zweite Oberflächenbehandlung 3 - 16,800 0 19,800 36,600 - 2
    Galliumnitrid Grubengalliumnitridschicht 1 10.8 19,600 1,800 8,400 28,000 1.33 7.5
    2 10.3 18,500 1,800 9,500 28,000 1.32 7.58
    3 9.7 17,400 1,800 10,600 28,000 1.30 7.66
    4 9.1 16,300 1,800 11,700 28,000 1.29 7.75
    5 8.5 15,300 1,800 12,700 28,000 1.28 7.83
    6 7.9 14,200 1,800 13,800 28,000 1.26 7.92
    7 7.3 13,100 1,800 14,900 28,000 1.25 8.01
    8 6.7 12,000 1,800 16,000 28,000 1.23 8.11
    9 6.1 11,000 1,800 17,000 28,000 1.22 8.2
    10 5.5 9,900 1,800 18,100 28,000 1.20 8.3
    11 4.9 8,800 1,800 19,200 28,000 1.19 8.4
    12 4.3 7,700 1,800 20,300 28,000 1.18 8.5
    13 3.7 6,600 1,800 21,400 28,000 1.16 8.6
    14 3.1 5,500 1,800 22,500 28,000 1.15 8.71
    15 2.5 4,400 1,800 23,600 28,000 1.13 8.82
    Spiegelgalliumnitridschicht 1 2 2,000 1,000 26,000 28,000 0.64 236
  • Bei dem Verfahren zur Herstellung eines Galliumnitridsubstrats unter Verwendung der Hydriddampfphasenepitaxie gemäß dem Beispiel 1 der vorliegenden Erfindung wird nur Ammoniakgas bei einer Flussrate von 16.800 sccm während der ersten Oberflächenbehandlung und der zweiten Oberflächenbehandlung eingespritzt.
  • Zusätzlich wurde nach der ersten Oberflächenbehandlung Ammoniakgas mit einer Flussrate von 16.800 sccm eingespritzt und Galliumchlorid wurde mit einer Flussrate von 1400 sccm (gleich der Flussrate von Chlorwasserstoff) eingespritzt, um eine Pufferschicht zu bilden.
  • Zusätzlich wurde gemäß dem Verfahren zur Herstellung eines Galliumnitridsubstrats unter Verwendung der Hydriddampfphasenepitaxie gemäß Beispiel 1 der vorliegenden Erfindung das Flussratenverhältnis von Ammoniakgas zu Galliumchloridgas (oder Ammoniakgas zu Chlorwasserstoffgas) allmählich verringert über 16 Stufen, so dass Galliumnitrid auf dem Saphirsubstrat wachsen konnte. Zu diesem Zeitpunkt wurde ein Wachstumsprozess einer Grubengalliumnitridschicht in 15 Schritten durchgeführt, und ein Wachstumsprozess einer Spiegelgalliumnitridschicht wurde in einem Schritt durchgeführt.
  • Wie in Tabelle 1 gezeigt, wird die Flussrate von Ammoniakgas während des Wachstums von Galliumnitrid schrittweise verringert. In jedem Schritt (Schritt 1 bis Schritt 16) wird Ammoniakgas mit der gleichen Flussrate für eine bestimmte Zeitperiode oder für eine Zeitperiode eingespritzt, wenn eine Schicht einer bestimmten Dicke gebildet wird.
  • Auf der anderen Seite wird Galliumchloridgas (oder Chlorwasserstoffgas) während des Wachstums von Galliumnitrid mit einer konstanten Flussrate eingespritzt. Daher wird das Flussratenverhältnis von Ammoniakgas zu Chlorwasserstoffgas schrittweise verringert.
  • [Vergleichsbeispiel 1]
  • Gallium wurde in einen Galliumbehälter gegeben, der in einem Hydriddampfphasenwachstumsreaktor enthalten war, und Chlorwasserstoffgas wurde mit einer Flussrate von 1800 sccm zugeführt, während die Temperatur bei 850°C gehalten wurde, um Galliumchloridgas mit einer Flussrate von 1800 sccm zu erzeugen.
  • Durch eine weitere Einspritzöffnung wurde Ammoniakgas mit einer Flussrate von 19.600 sccm dem auf eine Temperatur von 990 ° C eingestellten Behälter zugeführt (zu dieser Zeit wurde das Flussratenverhältnis von Ammoniakgas zu Chlorwasserstoffgas auf 10,8: 1 eingestellt), so dass eine Grübchengalliumnitridschicht mit einer Dicke von etwa 100 µm und eine Spiegelgalliumnitridschicht mit einer Dicke von etwa 200 µm (d.h. Galliumnitrid mit einer Dicke von etwa 300 µm) auf einem Einkristallsubstrat gewachsen wurden.
  • Zusätzlich wurden 10 Galliumnitridsubstrate durch den gleichen Prozess hergestellt, um die Zuverlässigkeit des Prozesses zu testen.
  • [Vergleichsbeispiel 2]
  • Ein Galliumnitridsubstrat wurde auf die gleiche Weise wie in Vergleichsbeispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, dass eine Grubengalliumnitridschicht mit einer Dicke von 75 µm und eine Spiegelgalliumnitridschicht mit einer Dicke von 225 µm gewachsen wurden, so dass Galliumnitrid mit einer Dicke von 300 µm gebildet wurde.
  • [Vergleichsbeispiel 3]
  • Ein Galliumnitridsubstrat wurde auf die gleiche Weise wie in Vergleichsbeispiel 1 hergestellt, außer dass eine Spiegelgalliumnitridschicht mit einer Dicke von 180 µm gewachsen wurde.
  • [Vergleichsbeispiel 4]
  • Ein Galliumnitridsubstrat wurde auf die gleiche Weise wie in Vergleichsbeispiel 1 hergestellt, außer dass eine Spiegelgalliumnitridschicht mit einer Dicke von 220 µm gewachsen wurde.
  • [Vergleichsbeispiel 5]
  • Ein Galliumnitridsubstrat wurde auf die gleiche Weise wie in Vergleichsbeispiel 1 hergestellt, außer dass eine Spiegelgalliumnitridschicht mit einer Dicke von 175 µm gewachsen wurde.
  • [Vergleichsbeispiel 6]
  • Ein Galliumnitridsubstrat wurde auf die gleiche Weise wie in Vergleichsbeispiel 1 hergestellt, außer dass eine Spiegelgalliumnitridschicht mit einer Dicke von 205 µm gewachsen wurde.
  • Nachstehend werden die Eigenschaften eines Galliumnitridsubstrats, das gemäß einem Verfahren zur Herstellung eines Galliumnitridsubstrats gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, unter Bezugnahme auf 2 bis 5c beschrieben.
  • 2 ist ein Graph, der die Dicke von jedem der Galliumnitridsubstrate zeigt, die gemäß Beispiel 1 der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden, und die Dicke von jedem der Galliumnitridsubstrate, die gemäß den Vergleichsbeispielen 1 bis 6 hergestellt wurden.
  • In Tabelle 2 sind die Dicke der gemäß Beispiel 1 der vorliegenden Erfindung hergestellten Galliumnitridsubstrate und die Dicke der gemäß den Vergleichsbeispielen 1 bis 6 hergestellten Galliumnitridsubstrate gezeigt. [Tabelle 2]
    Dicke (µm) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Durchschnitt
    Vergleichsbeispiel 1 320.7 305.1 300.5 292.0 293.8 291.8 291.1 293.9 298.1 288.0 297.5
    Vergleichsbeispiel 2 326.8 312.3 300.8 304.6 305.8 303.0 297.0 273.5 276.2 273.2 297.3
    Vergleichsbeispiel 3 298.5 292.8 281.1 276.4 278.3 278.9 275.2 275.1 258.5 281.4 279.6
    Vergleichsbeispiel 4 336.9 326.2 316.1 312.6 311.0 336.9326.2316.1312.6311.0- - - - - 320.6
    Vergleichsbeispiel 5 299.1 287.4 285.7 275.3 275.7 272.3 270.2 269.3 274.1 244.6 275.4
    Vergleichsbeispiel 6 328.2 320.0 308.3 308.3 302.5 303.8 304.1 302.9 302.8 276.7 305.8
    Beispiel 1 340.6 335.8 315.5 318.2 309.3 313.4 309.4 318.3 318.1 297.8 317.7
  • Bezugnehmend auf 2 und Tabelle 2 haben die Galliumnitridsubstrate, die gemäß dem Beispiel 1 der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden, eine gleichförmige Dicke im Vergleich zu den Galliumnitridsubstraten, die gemäß den Vergleichsbeispielen 1 bis 6 hergestellt wurden.
  • 3 ist ein Graph, der die Biegung von Galliumnitridsubstraten vor dem Laserabheben zeigt, wenn die Galliumnitridsubstrate gemäß Beispiel 1 oder Vergleichsbeispielen 1 bis 6 der vorliegenden Erfindung hergestellt werden.
  • Tabelle 3 zeigt die Biegung von Galliumnitridsubstraten vor dem Laserabheben, wenn die Galliumnitridsubstrate gemäß Beispiel 1 oder den Vergleichsbeispielen 1 bis 6 der vorliegenden Erfindung hergestellt werden. [Tabelle 3]
    Biegung (µm) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Durchschnitt
    Wachstum Vergleichsbeispiel 1 769 819 817 833 829 832 849 850 836 827 826.1
    Vergleichsbeispiel 2 785 808 805 796 805 824 817 840 835 817 813.2
    Vergleichsbeispiel 3 778 791 816 798 781 790 804 801 794 817 797.0
    Vergleichsbeispiel 4 795 832 853 847 836 - - - - - 832.6
    Vergleichsbeispiel 5 768 802 821 796 802 687 799 769 811 794 784.9
    Vergleichsbeispiel 6 778 793 806 809 806 813 817 815 827 824 809.0
    Beispiel 1 851 857 833 844 820 840 824 863 861 825 842
  • Bezugnehmend auf 3 und Tabelle 3, weisen die Galliumnitridsubstrate, die unter Verwendung des Verfahrens zur Herstellung eines Galliumnitridsubstrats gemäß Beispiel 1 der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden, einen Biegegrad ähnlich dem der Galliumnitridsubstrate auf, die unter Verwendung des Verfahrens zur Herstellung eines Galliumnitridsubstrats unter Verwendung der Hydriddampfphasenepitaxie gemäß den Vergleichsbeispielen 1 bis 6 hergestellt wurden.
  • 4 ist ein Graph, der das Biegen von Galliumnitridsubstraten zeigt, nachdem Saphirsubstrate durch einen Laserabhebeprozess getrennt wurden, wenn die Galliumnitridsubstrate gemäß Beispiel 1 oder Vergleichsbeispielen 1 bis 6 der vorliegenden Erfindung hergestellt werden. [Tabelle 4]
    Biegung (µm) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Durchschnitt
    Laserabheben Vergleichsbeispiel 1 -136 -30 -42 -16 -3 -11 -2 -160 -106 -136 -64.2
    Vergleichsbeispiel 2 -282 -196 -49 -35 -50 -72 -82 185 130 -207 -128.8
    Vergleichsbeispiel 3 -184 -224 -70 -103 -22 -29 -75 -42 -116 -144 -100.9
    Vergleichsbeispiel 4 -322 -180 -150 -162 -140 - - - - - -190.8
    Vergleichsbeispiel 5 -213 -315 -105 -185 -97 -130 -163 -144 -195 -315 -186
    Vergleichsbeispiel 6 -62 -30 -13 -17 -57 -42 -82 -10 -50 -47 -50
  • Bezugnehmend auf 4 und Tabelle 4 haben die Galliumnitridsubstrate, die gemäß Beispiel 1 der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden, einen kleineren Bogenwert als die Galliumnitridsubstrate, die unter Verwendung des Verfahrens zur Herstellung eines Galliumnitridsubstrats gemäß den Vergleichsbeispielen 1 bis 6 hergestellt wurden.
  • Vorzugsweise weist ein Galliumnitridsubstrat einen durchschnittlichen Biegungswert von -30 µm auf.
  • Die Galliumnitridsubstrate, die gemäß Beispiel 1 der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden, haben einen durchschnittlichen Biegungswert von -50 µm
  • Wenn daher das Verfahren zur Herstellung eines Galliumnitridsubstrats gemäß Beispiel 1 der vorliegenden Erfindung verwendet wird, kann Galliumnitrid gleichmäßig auf der Oberfläche eines Saphirsubstrats wachsen, wodurch verhindert wird, dass Polygalliumnitrid an den Kanten eines Saphirsubstrats intensiv wächst, wodurch die Biegung minimiert wird und Spannungen minimiert werden, die während des Wachstums von Galliumnitrid erzeugt werden. Als Ergebnis kann ein Galliumnitridsubstrat frei von Rissen hergestellt werden.
  • 5a bis 5c sind Rasterelektronenmikroskop-Kathodolumineszenz (SEM-CL) Bilder der Spiegelgalliumnitridschicht (170 µm) des Galliumnitridsubstrats, das gemäß Beispiel 1 der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde.
  • Bezugnehmend auf 5a bis 5c weisen die Spiegelgalliumnitridschichten der Galliumnitridsubstrate, die gemäß Beispiel 1 der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden, eine sehr niedrige Fehlerrate auf und sind gleichmäßig ausgebildet.
  • Zusätzlich ist die Verspannung (threading dislocation, TDD) des zentralen Abschnitts der Oberfläche der Spiegelgalliumnitridschicht, wie in 5a gezeigt, betrug 1,31 × 107 cm -2, die Verspannung der linken Kante der Oberfläche der Spiegelgalliumnitridschicht, wie in 5b gezeigt betrug 6,16 × 106 cm -2 und die Verspannung der rechten Kante der Oberfläche der Spiegelgalliumnitridschicht, wie in 5c gezeigt, war 7,63 × 106 cm -2.
  • Daher wird im Falle der Galliumnitridsubstrate, die gemäß Beispiel 1 der vorliegenden Offenbarung hergestellt wurden, die Verspannung reduziert.
  • Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wächst Galliumnitrid (GaN) gleichmäßig auf der Oberfläche eines Saphirsubstrats, indem sich Galliumnitrid wächst, während das Flussratenverhältnis von Ammoniakgas zu Chlorwasserstoffgas schrittweise verringert wird, wodurch Polygalliumnitrid (Poly GaN) verhindert wird, an den Rändern des Saphirsubstrats intensiv zu wachsen. Daher kann ein Galliumnitridsubstrat erhalten werden, das frei von Biegung und Rissbildung ist.
  • Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die erste und die zweite Oberflächenbehandlung durchgeführt, um die Oberflächenrauheit eines Saphirsubstrats zu reduzieren, wodurch ermöglicht wird, dass eine Galliumnitridgrubenschicht ähnlich einer Spiegelgalliumnitridschicht wachsen kann.
  • Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine große Gitterfehlanpassung zwischen einem Saphirsubstrat und Galliumnitrid durch Bilden einer Pufferschicht reduziert, wodurch das Auftreten von Kristalldefekten verringert wird.
  • Obwohl die vorliegende Erfindung durch beschränkte Beispiele und Figuren beschrieben wurde, soll die vorliegende Erfindung nicht auf die Beispiele beschränkt sein. Der Fachmann wird erkennen, dass verschiedene Modifikationen, Hinzufügungen und Ersetzungen möglich sind, ohne vom Umfang und Wesen der Offenbarung abzuweichen.
  • Daher sollte verstanden werden, dass es keine Absicht gibt, die Erfindung auf die hierin offenbarten Ausführungsformen zu beschränken, vielmehr soll die Offenbarung alle Modifikationen, Äquivalente und Alternativen abdecken, wie durch die Ansprüche definiert.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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    • JP 2004296640 A [0012, 0020]

Claims (8)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Galliumnitridsubstrats, umfassend: Einspritzen von Ammoniakgas (NH3), zur Durchführung einer ersten Oberflächenbehandlung auf einem Saphirsubstrat; Einspritzen von Ammoniakgas und Chlorwasserstoffgas (HCl) zur Bildung einer Pufferschicht auf dem Saphirsubstrat; Einspritzen von Ammoniakgas zur Durchführung einer zweiten Oberflächenbehandlung auf dem Saphirsubstrat; und Ermöglichen, dass Galliumnitrid (GaN) auf dem Saphirsubstrat wächst, während ein Flussratenverhältnis (x: 1) von Ammoniakgas zu Chlorwasserstoffgas (NH3: HCl) schrittweise verringert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei beim Ermöglichen die Flussrate von Ammoniakgas schrittweise über die Zeit verringert wird und die Flussrate von Chlorwasserstoffgas über die Zeit konstant gehalten wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei beim Ermöglichen das Biegen des Galliumnitridsubstrats durch das Flussratenverhältnis von Ammoniakgas zu Chlorwasserstoffgas gesteuert wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Flussratenverhältnis von Ammoniakgas zu Chlorwasserstoffgas 2 bis 10,8 beträgt.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Galliumnitrid (GaN) eine Grubengalliumnitridschicht (pit GaN) und eine Spiegelgalliumnitridschicht (mirror GaN) umfasst.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Grubengalliumnitridschicht eine Dicke von 50 µm bis 200 µm aufweist.
  7. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Spiegelgalliumnitridschicht eine Dicke von 50 µm bis 200 µm aufweist.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Pufferschicht Aluminiumnitrid (AlN) ist.
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