DE60030279T2 - Halbleiterbasis, ihre herstellungsmethode und halbleiterkristallherstellungsmethode - Google Patents

Halbleiterbasis, ihre herstellungsmethode und halbleiterkristallherstellungsmethode Download PDF

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Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleiterbasis, einen Halbleiterkristall und ein Herstellungsverfahren für diese. Insbesondere betrifft diese Erfindung eine Struktur und ein Verfahren, die bei Verwendung eines Halbleitermaterials geeignet sind, das anfällig gegenüber Versetzungsfehlern ist.
  • Technischer Hintergrund
  • Für das Züchten von Kristallen eines Materials der GaN-Gruppe wird ein Substrat verwendet, das frei von Gitteranpassung ist, wie z.B. Saphir, SiC, Spinell, seit Kurzem auch Si, und dergleichen, da es kein Substrat gibt, bei dem eine Gitteranpassung mit Materialien der GaN-Gruppe existiert. Ein hergestellter GaN-Film enthält jedoch aufgrund des Nichtvorhandenseins einer Gitteranpassung Versetzungen bis zu 1010 Versetzungen/cm2. Da in den letzten Jahren lichtemittierende Dioden mit hoher Leuchtdichte, Halbleiterlaser und dergleichen entwickelt worden sind, ist eine Reduzierung der Versetzungsdichte gewünscht, um verbesserte Eigenschaften zu erreichen.
  • Zur Vermeidung von Fehlern wie z.B. Versetzungen und dergleichen, die durch unterschiedliche Gitterkonstanten verursacht werden, wird der gleiche Kristall wie das für die Kristallzüchtung vorgesehene Material verwendet. Beispielsweise wird für die Kristallzüchtung eines GaN-Gruppen-Halbleiters ein GaN-Substrat verwendet. Man erhielt jedoch kein Produkt mit großen Abmessungen, und somit werden derzeit Saphir und dergleichen als Substrat verwendet. In den vergangenen Jahren wurde ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem für das Dampfphasenwachstum einer auf Saphir gezüchteten GaN-Basis-Schicht die soeben erwähnte Basisschicht teilweise maskiert wird, um eine selektive Züchtung für ein Kristallwachstum in seitlicher Richtung zu bewirken, wodurch man einen qualitativ hochwertigen Kristall mit reduzierter Versetzungsdichte erhält (z.B. JP-A-10-312971). Durch Züchten dieses Films, bis dieser eine dicke Bemessung hat, und durch Abtrennen und Entfernen des Substrats kann man einen GaN-Kristall erzeugen. Aufgrund des Problems des Auftretens von Rissen und Brüchen des Substrats, die aus Unterschieden der Gitterkonstanten und der Wärmeausdehnungskoeffizienten resultieren, erhielt man kein Substrat mit einem großen Flächenbereich.
  • Die oben erwähnte JP-A-10-312971 beschreibt ein Verfahren zum Erhalt eines Films mit reduzierter Versetzungsdichte. Es wurde jedoch ein neues Problem dahingehend festgestellt, dass in dem in einer Seitenrichtung auf einer Maskenschicht gezüchteten Teil die C-Achse in geringem Maß zu der Richtung des seitlichen Wachstums hin kippt und die Qualität des Kristalls verschlechtert (Abstracts of MRS 1998, Fall Meeting G3.1). Dies kann durch Messung (C-Scan) der Einfallsausrichtungsabhängigkeit der Röntgenkippkurvenmessung (XRC) bestätigt werden. Dies bedeutet, dass die volle Breite beim halben Maximum (FWHM) der Röntgenkippkurve durch Einfalls-Röntgenstrahlung aus der Richtung des seitlichen Wachstums größer ist als der FWHM-Wert durch Röntgeneinwirkung aus einer Streifenrichtung einer Maskenschicht, was das Vorhandensein von Ausrichtungsabhängigkeit der Mikrokippung der C-Achse bedeutet. Dies deutet auf die Möglichkeit hin, dass eine Anzahl neuer Fehler in den Anschlussteil des seitlichen Wachstums an der Maske eingeführt wird.
  • Als Material für die Maskenschicht wird generell SiO2 verwendet. Es wurde das Problem erkannt, dass, wenn darauf eine Schicht durch Kristallwachstum laminiert wird, sich die Si-Komponente in die Kristallzüchtungsschicht überträgt, so dass das Problem einer Selbstdotierungsverschmutzung entsteht.
  • Wenn ein Halbleitermaterial, das Al wie z.B. AlGaN enthält, auf einem Substrat gezüchtet wird, das eine SiO2-Masken-Schicht aufweist, tritt ein Kri stallwachstum auch an der Maskenschicht auf, so dass das wirksame selektive Wachstum selbst verhindert wird.
  • In einem Versuch zur Lösung dieses Problems wurde ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem ein Streifennut-Verarbeitungsvorgang an einem Substrat vorgenommen wurde, das eine Pufferschicht und eine GaN-Schicht hat, die auf einem SiC-Basis-Substrat ausgebildet sind, wobei diese Nut die SiC-Schicht erreicht, um eine Wölbung zu bilden, und das Kristallzüchten von der GaN-Schicht her auf dem oberen Ende dieser Wölbung erfolgt (Abstracts of MRS 1998 Fall Meeting G3.38). Gemäß diesem Verfahren ist ein selektives Züchten ohne eine SiO2-Masken-Schicht möglich, wodurch verschiedene Probleme, die durch die Verwendung der oben erwähnten SiO2-Maske verursacht werden, beseitigt werden können.
  • Bei dem vorstehend erwähnten Verfahren kann ein Saphirsubstrat als Basissubstrat verwendet werden, und ein entsprechendes Verfahren ist beschrieben worden (z.B. JP-A-11-191659). Das vorstehend erwähnte Verfahren erfordert die Schritte des Kristallzüchtens eines Pufferschichtmaterials und eines GaN-Gruppen-Materials auf einem Saphir-Basissubstrat, das Herausnehmen des Substrats aus einem Ofen zwecks Züchtens, das Durchführen eines Nutenverarbeitungsvorgangs und eines erneuten Kristallzüchtens, wodurch jedoch neue Nachteile in Form eines komplizierten Herstellungsvorgangs, einer vergrößerten Anzahl von Schritten, höherer Kosten und dergleichen verursacht werden.
  • MRS Internet J. Nitrite Semicond. Res. 4S1, G3.38 (1999) beschreibt einen Prozessablauf zum seitlichen Züchten nahezu fehlerfreier GaN-Strukturen durch Pendeoepitaxie. Seitliches Züchten von GaN-Filmen, die von {11 20}-Seitenwänden von GaN-Spalten mit [0001]-Ausrichtung in und über angrenzende geätzte Gräben heranhängen, ist durch MOVPE-Technik ohne Verwendung oder Kontakt mit einer haltenden Maske oder eines/einem haltenden Substrat(s) durchgeführt worden. Pendeoepitaxie wird als beschreibender Ausdruck für die Wachstumstechnik vorgeschlagen. Das selektive Wachstum wurde erreicht unter Verwendung von Prozessparametern, die ein seitliches Wachstum der {11 20}-Ebenen von GaN fördern und eine Keimbildung dieser Phase auf dem exponierten SiC-Substrats nicht zulassen.
  • US-A-5,676,752 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen von Bahnen aus kristallinem Material sowie Vorrichtungen, bei denen diese Bahnen verwendet werden. Bei dem Verfahren wird eine Züchtungsmaske auf einem Substrat ausgebildet, und an den Bereichen des Substrats, die durch die Maske hindurch exponiert sind, und seitlich über die Oberfläche der Maske hinweg wird kristallines Material gezüchtet, um eine Bahn aus kristallinem Material zu bilden. Die Bahn wird wahlweise abgelöst, so dass das Substrat wiederverwendet werden kann. Das Verfahren ist von besonderer Wichtigkeit beim Bilden von Bahnen aus kristallinem Halbleitermaterial zur Verwendung in Festkörpervorrichtungen.
  • Ferner wurde in den "Abstracts of the Japan Society of Applied Physics 99, Autumn 2P-W-8" ein Lösungsansatz beschrieben, bei dem ein Schritt an dem GaN-Substrat vorgenommen wird und ein Einbettungszüchtvorgang durchgeführt wird, um einen Bereich festzulegen, der eine niedrige Versetzungsdichte hat. In diesem Fall wird ein Bereich mit niedriger Versetzungsdichte in einem Teil der eingebetteten Schicht gebildet.
  • Um mit dem oben angeführten Verfahren einen Bereich mit niedriger Versetzungsdichte zu erhalten, müssen jedoch die Intervalle zwischen konvexen Teilen erweitert werden, oder die Tiefe des konkaven Teils muss vergrößert werden. Zu diesem Zweck muss die Schicht bis auf eine dicke Bemessung gezüchtet werden, indem sie während einer langen Zeitdauer eingebettet wird, was wiederum inhärent verschiedene Probleme verursacht, zu denen das Auftreten von Rissen aufgrund der Ausbildung des dicken Films, der bei der Herstellung anfallende Kostenaufwand aufgrund der langen Verweildauer und dergleichen zählen.
  • Ferner existiert ein Lösungsansatz zur Kristallzüchtung eines GaN-Gruppen-Materials auf einem Si-Substrat. Das Züchten eines GaN-Gruppen-Kristalls führt jedoch zu Wölbungen und Rissen, die durch Unterschiede im Wärmeausdehnungskoeffizienten verursacht werden, so dass die Züchtung eines Kristalls mit hoher Qualität verhindert wird.
  • Somit ist es vor dem Hintergrund der oben angeführten Schwierigkeiten eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, verschiedene Probleme, die durch ELO-Züchten unter Verwendung einer herkömmlichen Masken-Schicht verursacht werden, zu vermeiden und eine Vereinfachung des Herstellungsvorgangs zu erreichen. Die vorliegende Erfindung zielt auf eine Lösung der Probleme ab, die durch das Einbettungszüchten einer Schritt-Struktur ohne eine Maske verursacht werden. Ferner zielt die vorliegende Erfindung darauf ab, das Problem eines selektiven Züchtens von AlGaN zu lösen, das herkömmlicherweise nicht lösbar war. Zudem soll die vorliegende Erfindung das mit der Verwendung eines Si-Substrats und dergleichen einhergehende Auftreten von Wölbungen und Rissen vermeiden.
  • In Anbetracht der oben erwähnten Probleme ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen GaN-Kristall zu schaffen, der einen großen Flächenbereich aufweist. Die vorliegende Erfindung soll ferner verschiedene Probleme vermeiden, die durch das ELO-Züchten unter Verwendung einer herkömmlichen Masken-Schicht verursacht werden, und den Herstellungsvorgang vereinfachen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die Halbleiterbasis gemäß der vorliegenden Erfindung weist ein Substrat und eine Schicht aus Halbleiterkristall auf, die durch Dampfphasenwachstum auf dem Substrat ausgebildet ist, wobei eine Kristallwachstumsebene des Substrats durch Ätzen zur Bildung einer konkav-konvexen Oberfläche bearbeitet ist, wobei die Schicht des Halbleiterkristalls aus dem oberen Teil des konvexen Teils der konkav-konvexen Oberfläche und einer Oberfläche des konkaven Teils gewachsen ist, und wobei der Kristall, der seitlich aus dem oberen Teil der konvexen Teile als Startpunkt gewachsen ist, und der Kristall, der aus der Oberfläche des konkaven Teils gewachsen ist, derart miteinander verbunden sind, dass sie die konkav-konvexe Oberfläche des Substrats bedecken.
  • In diesem Fall handelt es sich bei dem oben erwähnten Halbleiterkristall vorzugsweise um InGaAlN.
  • Vorzugsweise bilden die konvexen Teile der Kristallzüchtungsebene des oben erwähnten Substrats parallele Streifen.
  • Insbesondere ist bevorzugt, dass der oben erwähnte Halbleiterkristall InGaAlN darstellt und die Längsrichtung des Streifens parallel zu der (1-100)-Ebene des InGaAlN-Kristalls verläuft.
  • Eine spezielle Halbleiterbasis weist ein Substrat und einen Halbleiterkristall auf, der durch Dampfphasenwachstum auf dem Substrat ausgebildet ist, wobei das genannte Substrat eine konkav-konvexe Oberfläche als Kristallwachstumsebene aufweist, der genannte Halbleiterkristall ausschließlich aus einem oberen Teil eines konvexen Teils der konkav-konvexen Oberfläche kristallgezüchtet ist, die genannte konkav-konvexe Oberfläche mit einem kristallgezüchteten Halbleiter bedeckt ist und ein Hohlraum zwischen der Halbleiterkristallschicht und dem konkaven Teil der genannten konkav-konvexen Oberfläche ausgebildet ist.
  • Der konkave Teil der konkav-konvexen Oberfläche des genannten Substrats ist mit einer Maske bedeckt, auf der der Kristall nicht wesentlich wachsen kann, und der genannte Halbleiterkristall kann ausschließlich aus einem oberen Teil eines konvexen Teils der konkav-konvexen Oberfläche gezüchtet sein.
  • Es ist möglich, eine Ausgestaltung der Halbleiterbasis zu verwenden, die eine erste Halbleiterkristallschicht aufweist, welche gebildet ist durch Ausgestaltung einer Kristallwachstumsebene eines Substrats als konkav-konvexe Oberfläche und durch Kristallzüchten mittels Dampfphasenzüchtung ausschließlich aus einem oberen Teil eines konvexen Teils der genannten konkav-konvexen Oberfläche, und die eine zweite Halbleiterkristallschicht aufweist, welche gebildet ist durch Ausgestaltung einer Oberfläche der ersten Halbleiterkristallschicht als konkav-konvexe Oberfläche und in ähnlicher Weise durch Kristallzüchten ausschließlich aus einem oberen Teil eines konvexen Teils dieser Oberfläche.
  • Es ist ferner möglich, eine Ausgestaltung der Halbleiterbasis zu verwenden, die eine erste Halbleiterkristallschicht aufweist, welche gebildet ist durch Ausgestaltung einer Kristallwachstumsebene eines Substrats als konkav-konvexe Oberfläche, Abdecken des konkaven Teils mit einer Maske, auf der der Kristall nicht wesentlich wachsen kann, und durch Kristallzüchten mittels Dampfphasenzüchtung ausschließlich aus einem oberen Teil eines konvexen Teils der genannten konkav-konvexen Oberfläche, und die eine zweite Halbleiterkristallschicht aufweist, welche gebildet ist durch Ausgestaltung der Oberfläche der ersten Halbleiterkristallschicht als konkav-konvexe Oberfläche, in ähnlicher Weise vorgenommenes Abdecken des konkaven Teils mit einer Maske, auf der der Kristall nicht wesentlich wachsen kann, und durch Kristallzüchten ausschließlich aus einem oberen Teil eines konvexen Teils dieser Oberfläche.
  • Ferner können eine dritte Halbleiterkristallschicht, die gebildet ist durch Ausgestaltung einer Oberfläche der zweiten Halbleiterkristallschicht der genannten Halbleiterbasis als konkav-konvexe Oberfläche, und durch in ähnlicher Weise vorgenommene Dampfphasen-Züchtung auf dieser Oberfläche, oder mehrere Halbleiterkristallschichten einbezogen sein, die in ihrer Vielzahl durch Wiederholen ähnlicher Schritte gebildet sind.
  • Ferner können eine dritte Halbleiterkristallschicht, die gebildet ist durch Ausgestaltung einer Oberfläche der zweiten Halbleiterkristallschicht der genannten Halbleiterbasis als konkav-konvexe Oberfläche, Abdecken des konkaven Teils mit einer Maske, auf der der Kristall nicht wesentlich wachsen kann, und durch in ähnlicher Weise vorgenommene Dampfphasen-Züchtung auf dieser Oberfläche, oder mehrere Halbleiterkristallschichten einbezogen sein, die in ihrer Vielzahl durch Wiederholen ähnlicher Schritte gebildet sind.
  • Das Verfahren zur Herstellung der Halbleiterbasis ist dadurch gekennzeichnet, dass für die Dampfphasen-Züchtung eines Halbleiterkristalls auf einem Substrat eine Substratoberfläche im Voraus derart bearbeitet wird, dass sie eine konkav-konvexe Oberfläche aufweist, dem Substrat ein als Bestandteil vorgesehenes Gas zugeführt wird, und die genannte konkav-konvexe Oberfläche des Substrats mit einem Halbleiterkristall bedeckt wird, der durch Kristallwachstum ausschließlich aus einem oberen Teil eines konvexen Teils der genannten konkav-konvexen Oberfläche gebildet wird.
  • Gemäß dem oben erwähnten Herstellungsverfahren kann ein konkaver Teil der konkav-konvexen Oberfläche des genannten Substrats mit einer Maske bedeckt werden, auf der der Kristall nicht wesentlich wachsen kann, und dem Substrat wird ein als Bestandteil vorgesehenes Gas zugeführt, wodurch die konkav-konvexe Oberfläche des genannten Substrats mit einem Halbleiterkristall bedeckt wird, der durch Kristallwachstum ausschließlich aus einem oberen Teil eines konvexen Teils der genannten konkav-konvexen Oberfläche gebildet wird.
  • Das Verfahren zur Herstellung des Halbleiterkristalls ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Kristallwachstumsebene des Substrats derart bearbeitet wird, dass sie eine konkav-konvexe Oberfläche aufweist, und ein Halbleiterkristall durch Dampfphasen-Kristallzüchtung aus einem oberen Teil eines konvexen Teils der konkav-konvexen Oberfläche gebildet wird, um die konkav-konvexe Oberfläche zu bedecken, wodurch ein Laminat gebildet wird, das einen Hohlraum zwischen der Halbleiterkristallschicht und dem konka ven Teil der genannten konkav-konvexen Oberfläche aufweist, und dass an dem genannten Hohlraum der Halbleiterkristall von dem Substrat getrennt wird. In diesem Fall handelt es sich bei dem oben erwähnten Halbleiterkristall vorzugsweise um InGaAlN.
  • Gemäß dem Verfahren zum Herstellen des Halbleiterkristalls kann ein Schritt, der zum Bilden eines Halbleiterkristalls wie bei dem Verfahren zum Herstellen der Halbleiterbasis der vorliegenden Erfindung vorgesehen ist, mehrere Male wiederholt werden.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • 1 zeigt eine Schnittansicht zur Veranschaulichung des Zustands der Kristallzüchtung der Halbleiterbasis anders als gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei 1 ein Substrat ist, 11 ein konvexer Teil ist, 12 ein konkaver Teil ist, 13 ein Hohlraum ist und 2 eine Halbleiterkristallschicht ist.
  • 2 zeigt eine Schnittansicht zur Veranschaulichung des Zustands der Kristallzüchtung der Halbleiterbasis anders als gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • 3 zeigt eine Schnittansicht zur Veranschaulichung des Zustands der Kristallzüchtung der Halbleiterbasis gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • 4 zeigt ein Diagramm der θ-XRC-Scan-Daten.
  • 5 zeigt eine Schnittansicht zur Veranschaulichung des Zustands der Kristallzüchtung der Halbleiterbasis anders als gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • 6 zeigt eine Schnittansicht zur Veranschaulichung des Zustands der Kristallzüchtung der Halbleiterbasis anders als gemäß der vorliegenden Erfindung und des Verfahrens zum Herstellen des Halbleiterkristalls anders als gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei 3 eine Maske ist.
  • 7 zeigt eine Schnittansicht zur Veranschaulichung des Zustands der Kristallzüchtung der Halbleiterbasis anders als gemäß der vorliegenden Erfindung und des Verfahrens zum Herstellen des Halbleiterkristalls anders als gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • 8 zeigt eine Schnittansicht zur Veranschaulichung des Zustands der Kristallzüchtung der Halbleiterbasis anders als gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • 9 zeigt eine Schnittansicht zur Veranschaulichung des Zustands der Kristallzüchtung der Halbleiterbasis anders als gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • 10 zeigt eine Schnittansicht zur Veranschaulichung einer anderen Ausgestaltung der Verfahren zum Herstellen des Halbleiterkristalls anders als gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • Detaillierte Beschreibung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass zu Beginn des Kristallzüchtens eine ein seitliches Wachstum ermöglichende Substratoberfläche, die zur Bildung eines Bereichs mit geringer Versetzung in der Lage ist, ausgebildet wird, indem eine konkav-konvexe Oberfläche auf einem Substrat erzeugt wird, auf dem noch nicht einmal eine Pufferschicht ausgebildet worden ist. Wenn das Substrat in dieser Weise ausgebildet worden ist, um ein mittels Dampfphase vorgenommenes Züchten von Kristallen zu ermöglichen, kann in der Anfangsphase des Züchtens das Züchten des Kristalls auf der Gesamtheit der Substratoberfläche erfolgen. Während des Züchtvorgangs tritt das Wachstum vorwiegend in einem oberen Teil eines konvexen Teils auf, wobei aufgrund dieser Tatsache die Diffusion des Ausgangsmaterials in den konkaven Bereich nicht leicht erfolgt und die oben erwähnte konkav-konvexe Oberfläche mit einer Schicht bedeckt wird, ausschließlich aus dem oberen Teil des konvexen Teils gezüchtet wird. Bei dem vom konvexen Teil ausgehenden Wachstum erfolgt das Wachstum in zur C-Achse rechtwinkliger Richtung (sogenanntes seitliches Wachstum), wodurch anders als bei der herkömmlichen Verfahrensweise ohne Verwendung einer Masken-Schicht ein Bereich mit beträchtlich geringer Versetzung gebildet wird. Somit wird durch bloßes Ausbilden einer konkav-konvexen Oberfläche auf dem Substrat ein sukzessives Wachstum z.B. dadurch erreicht, dass eine Pufferschicht und dann eine GaN-Schicht gezüchtet wird.
  • Ferner kann, wenn eine Maske auf dem Grund des konkaven Teils ausgebildet wird, das Wachstum in dem konkaven Teil unterdrückt werden, was die Effizienz des seitlichen Wachstums verbessert, wobei vorteilhafterweise die zum Bedecken des konkaven Teils erforderliche Dicke reduziert wird.
  • Das Verfahren zum Herstellen des Halbleiterkristalls ist erstens durch das Züchten eines Halbleiterkristalls mittels des gleichen Vorgangs wie bei dem Verfahren zum Herstellen der oben erwähnten Halbleiterbasis gekennzeichnet. Wie oben erwähnt kann das Kristallwachstum in dem konkaven Teil des Substrats unterdrückt werden, und somit wird ein Hohlraum zwischen dem Substrat und dem Halbleiterkristall gebildet. Als Ergebnis kann der Kontaktbereich zwischen dem Substrat und dem Halbleiterkristall reduziert werden, was seinerseits eine beträchtliche Reduzierung der Spannung bewirkt, die aufgrund der Differenzen in der Gitterkonstanten und dem Wärmeausdehnungskoeffizient erzeugt wird. Dies bildet ein zweites Kennzeichen des Verfahrens zum Herstellen des Halbleiterkristalls. Dies hat den Effekt, dass das Auftreten von Rissen und Brüchen unterdrückt werden kann und man einen Halbleiterkristall mit einem großen Flächenbereich erhalten kann. Ferner können, da sich die oben erwähnte Spannung auf den Kontaktteil zwischen dem Substrat und dem Halbleiterkristall fokussiert, das Substrat und der Halbleiterkristall wirksam getrennt werden.
  • Im Folgenden wird die Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Zusammenhang mit den Zeichnungen detailliert erläutert.
  • 1(a)–(c) und 6(a)–(c) zeigen Schnittansichten zur Veranschaulichung des Zustands des Kristallwachstums der Halbleiterbasis anders als gemäß der vorliegenden Erfindung. 6(a)–(d) zeigen Schnittansichten zur Veranschaulichung der Verfahren zum Herstellen des Halbleiterkristalls anders als gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • In den Figuren ist mit 1 ein Substrat und mit 2 ein Halbleiterkristall gekennzeichnet, der mittels einer Dampfphase auf dem Substrat 1 gezüchtet wird. Auf der Kristallwachstumsebene des Substrats 1 sind ein konvexer Teil 11 und ein konkaver Teil 12 ausgebildet, so dass das Kristallwachstum ausschließlich von einem oberen Teil des oben erwähnten konvexen Teils 11 ausgeht. Bei der Ausführungsform gemäß 6 ist der konkave Teil 12 mit einer Maske 3 bedeckt, auf der der Kristall im Wesentlichen nicht wachsen kann.
  • Das Substrat der vorliegenden Erfindung ist eine Basis, auf der verschiedene Halbleiterkristallschichten gezüchtet werden können, und auf der noch nicht einmal eine Pufferschicht zur Gitteranpassung ausgebildet worden ist. Zu den Beispielen eines derartigen Substrats zählen Saphir (C-Ebene, A-Ebene, R-Ebene), SiC (6H, 4H, 3C) GaN, Si, Spinell, ZnO, GaAs, NGO und dergleichen. Es können auch andere Materialen verwendet werden, solange die Aufgabe der Erfindung erfüllt wird. Es ist auch möglich, ein von diesen Substraten abgezogenes Material zu verwenden.
  • Ein auf dem Substrat 1 zu züchtender Halbleiterkristall enthält zahlreiche Halbleitermaterialien. Hinsichtlich AlxGa1-x-yInyN (0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1) lassen sich als Beispiele diejenigen anführen, die unterschiedliche x-, y-Zusammensetzungsverhältnisse aufweisen, wie etwa GaN, Al0,5Ga0,5N, In0,5Ga0,5N und dergleichen.
  • Im Fall eines Halbleitermaterials, das Al enthält, wie z.B. AlGaN und dergleichen, ist das herkömmlicherweise nicht erzielbar seitliche Wachstum von AlGaN ermöglicht worden, da das mit dem herkömmlichen Maskierungsverfahren einhergehende Problem des Züchtens einer SiO2-Masken-Schicht durch das maskenlose Verfahren der vorliegenden Erfindung beseitigt werden kann, und somit kann ein qualitativ hochwertiger Film mit geringer Versetzung direkt auf dem Substrat gezüchtet werden. Als Ergebnis kann die durch eine GaN-Schicht verursachte Absorption von Licht, die problematischerweise bei einem UV-emittierenden Element und dergleichen auftritt, beseitigt werden, was in der Praxis besonders günstig ist.
  • Es ist vorteilhaft, dass der auf der Kristallwachstumsebene des Substrats 1 ausgebildete konvexe Teil 11 eine derartige Form hat, dass ein Kristallwachstum ausschließlich von einem oberen Teil des konvexen Teils her möglich ist. In der vorliegenden Verwendung ist mit einem "Kristallwachstum ausschließlich von einem oberen Teil her" der Zustand gemeint, in dem das Kristallwachstum an der Apex oder in der Apexebene oder -nähe des konvexen Teils 11 vorherrscht. In diesem Zustand kann in der Anfangsstufe des Züchtens das Wachstum in dem konkaven Teil erfolgen, jedoch erfolgt das Kristallwachstum letztlich vorherrschend in dem konvexen Teil 11. Anders ausgedrückt ist ein Bereich mit niedriger Versetzung, der durch das von dem oberen Teil als Startpunkt ausgehende seitliche Wachstum ausgebildet wird, so wirksam wie das herkömmliche ELO, das eine Maske erfordert. Ein solches Wachstum kann gemäß der vorliegenden Erfindung typischerweise maskenlos erzielt werden.
  • Bei den in 6–10 gezeigten Ausführungsformen wird die Maske 3, auf der der Kristall im Wesentlichen nicht wachsen kann, an dem konkaven Teil 12 ausgebildet. Mit der Formulierung "auf der der Kristall im Wesentli chen nicht wachsen kann" ist ein Zustand gemeint, in dem das Kristallwachstum nur mit Schwierigkeiten fortschreiten kann. In diesem Zustand kann in der Anfangsstufe des Züchtens das Wachstum auf der Maske des konkaven Teils erfolgen, wobei jedoch letztlich das Kristallwachstum des konvexen Teils 11 vorherrscht.
  • Anders ausgedrückt ist der Bereich mit niedriger Versetzung, der durch das von dem oberen Teil als Startpunkt ausgehende seitliche Wachstum ausgebildet wird, so wirksam wie das herkömmliche ELO, das eine Maske verlangt. Der Bereich mit niedriger Versetzungsdichte kann typischerweise in einem einzigen Kristallzüchtungszyklus gezüchtet werden, indem das Substrat gemäß der vorliegenden Erfindung verarbeitet wird.
  • 1–3 und 6–8 zeigen Querschnittsansichten der konvexen Teile 11, die derart ausgebildet sind, dass sie Streifen bilden. In 1 und 6 ist als Beispiel ein Substrat 1 gezeigt, das eine größere Nutentiefe (konvexe Höhe) h als die Nutenbreite B hat, wie in 1(a) und 6(a) gezeigt ist. In diesem Fall erreicht keine ausreichende Menge eines als Bestandteil vorgesehenen Gases den konkaven Teil 12 oder dessen Umgebung. Bei der Ausführungsform gemäß 6 erfolgt aufgrund der an den konkaven Teil 12 angelegten Maske 3 das Kristallwachstum nur von dem oberen Teil des konvexen Teils 11 her. In 1(b) und 6(b) ist mit 20 eine Kristalleinheit zu Beginn des Kristallzüchtens gezeigt. Unter den Umständen werden mit dem Fortschreiten des Kristallwachstums die Filme, die in der seitlichen Richtung von dem oberen Teil des konvexen Teils 11 als Startpunkt ausgehend gezüchtet werden, verbunden, und gemäß 1(c), 6(c) wird die konkav-konvexe Oberfläche des Substrats 1 bedeckt, wobei ein Hohlraum 13 in dem konkaven Teil belassen wird. In diesem Fall wird ein Bereich mit niedriger Versetzung in dem in seitlicher Richtung gezüchteten Teil oder in dem oberen Teil des konkaven Teils 12 ausgebildet, so dass der in dieser Weise ausgebildete Film eine hohe Qualität hat.
  • Gemäß dem Verfahren zum Herstellen des Halbleiterkristalls wird eine Halbleiterbasis (ein Laminat, das aus dem Substrat 1 und dem Halbleiterkristall 2 mit dem zwischen diesen angeordneten Hohlraum 13 besteht) gemäß 1(c), 2(c), 6(c) und 7(c) hergestellt, und das Substrat 1 und der Halbleiterkristall 2 werden an einem Teil voneinander getrennt, der die Hohlraumteile 13 enthält, nämlich den konvexen Teilen 11 des Substrats 1, wie 6(d) und 7(d) zeigen, um den gewünschten Halbleiterkristall 2 mit geringer Versetzung zu erhalten. Für das Trennen können typischerweise Schleifvorgänge oder dergleichen verwendet werden, jedoch unterliegt das Verfahren keinen besonderen Beschränkungen, solange der Halbleiterkristall herausgenommen werden kann.
  • 2 zeigt eine nicht gemäß der Erfindung konzipierte Ausführungsform eines Substrats 1, bei der die Nutentiefe (konvexe Höhe) h kleiner ist als die Nutenbreite B oder die Nutenbreite B größer ist als die Breite A des konvexen Teils 11 (siehe 2(a)). In diesem Fall erreicht das als Bestandteil vorgesehene Gas den konkaven Teil 12 und dessen Umgebung, wodurch das Wachstum in dem konkaven Teil 12 ermöglicht wird. Das Kristallwachstum schreitet ferner von dem oberen Teil des konvexen Teils 11 her fort, und gemäß 2(b) werden Kristalleinheiten 20,21 an dem oberen Teil des konvexen Teils 11 und der Oberfläche des konkaven Teils 12 ausgebildet. Unter den Umständen werden mit fortschreitendem Kristallwachstum die in seitlicher Richtung von dem oberen Teil des konvexen Teils als Startpunkt gezüchteten Filme verbunden, und gemäß 2(c) wird die konkav-konvexe Oberfläche des Substrats 1 bedeckt. In diesem Fall wird in dem oberen Teil des konkaven Teils 12 ein Bereich mit geringer Versetzung ausgebildet, so dass der in dieser Weise gebildete Film eine hohe Qualität hat.
  • 3 und 7(a)–(c) zeigen eine Ausführungsform eines Substrats 1, bei der die Nutentiefe (konvexe Höhe) h beträchtlich kleiner ist als die Nutenbreite B oder die Nutenbreite B deutlich größer ist als die Breite A des konvexen Teils 11 (siehe 3(a), 7(a)).
  • Bei der Ausführungsform gemäß 3 erreicht das als Bestandteil vorgesehene Gas den konkaven Teil 12 und dessen Umgebung, wodurch das Wachstum in dem konkaven Teil 12 ermöglicht wird. Bei der Ausführungsform gemäß 7 erreicht das als Bestandteil vorgesehene Gas die Maske 3 des konkaven Teils 12 und dessen Umgebung, und es besteht die Möglichkeit, dass die Kristalle an dem konkaven Teil 12 wachsen. Im Vergleich mit dem Wachstum in dem oberen Teil eines konvexen Teils ist die Wachstumsrate jedoch extrem niedrig. Dies ist zurückführbar auf den größeren Anteil des als Bestandteil vorgesehenen Materials, das die Maske 3 erreicht hat, jedoch wieder in das Gas freigegeben wird.
  • Gemäß 3(b) und 7(b) schreitet das Kristallwachstum auch von dem oberen Teil des konvexen Teils 11 fort, wodurch Kristalleinheiten 20, 21 jeweils an dem oberen Teil des konvexen Teils 11 und der Oberfläche des konkaven Teils 12 ausgebildet werden. Unter den Umständen werden mit fortschreitendem Kristallwachstum die in seitlicher Richtung von dem oberen Teil als Startpunkt gezüchteten Filme verbunden, und gemäß 3(c) und 7(c) wird die konkav-konvexe Oberfläche des Substrats 1 bedeckt.
  • Bei der Ausführungsform gemäß 3 wird in dem Teil ausgehend von dem konkaven Teil 12 kaum ein Bereich mit geringer Versetzung gebildet, jedoch wird ein Bereich mit geringer Versetzung in dem Teil gebildet, der das Wachstum in der Seitenrichtung ausgehend von dem konvexen Teil 11 bildet, und der zubereitete Film als Ganzes hat eine höhere Qualität. Auch bei der Ausführungsform gemäß 7 ist der Anteil des Wachstums in der Seitenrichtung ausgehend von dem konvexen Teil 11 größer als bei der Ausführungsform gemäß 1. Somit ist der Anteil des Bereichs mit geringer Versetzung größer, und der zubereitete Film hat als Ganzes eine höhere Qualität als die Ausführungsform gemäß 1.
  • Wenn der konkave Teil breiter ist und sich die Versetzung in der C-Achsen-Richtung erstreckt, hat der in dem oberen Teil des konkaven Teils ausgebildete Bereich mit geringer Versetzung einen größeren Flächenbereich. In diesem Fall kann die Registrierung mit dem emittierenden Teil eines lichtemittierenden Elements oder mit einem lichtaufnehmenden Teil eines lichtaufnehmenden Elements leicht und praktisch durchgeführt werden.
  • Es ist auch möglich, den Bereich mit geringer Versetzung eines herkömmlichen ELO zu erweitern, doch dazu muss die Schicht dick ausgebildet werden. Eine dicke Schicht verursacht das Auftreten von Wölbungen, wodurch der Photolithographie-Schritt in dem Vorgang erschwert wird.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung, besonders bei einer Ausführungsform, bei der eine Maske in dem konkaven Teil ausgebildet wird, ist die Bildung eines großen Bereich mit geringer Versetzung auf einem dünnen Film möglich. Als Ergebnis kann das Auftreten einer Wölbung unterdrückt werden, und wenn ein Halbleiterelement mit einem großen Bereich (z.B. ein Lichtempfangselement etc.) gebildet werden soll, kann das Auftreten von Problemen, die durch eine Wölbung in einem Photolithographie-Schritt verursacht werden, unterdrückt werden. Somit erhält man ein Element, das gegenüber herkömmlichen Elementen verbesserte Eigenschaften hat und für Dunkelstrom und hohe Reaktionsgeschwindigkeiten geeignet ist.
  • Gemäß dem Verfahren zur Herstellung des Halbleiterkristalls wird ein Laminat in der oben beschriebenen Weise zubereitet, und das Substrat 1 und der Halbleiterkristall 2 werden gemäß 7(d) an einem Teil voneinander getrennt, der den Hohlraum 13 oder den konvexen Teil 11 des Substrats 1 enthält, wodurch ein Halbleiterkristall 2 mit der gewünschten geringen Versetzung enthalten werden kann.
  • Bei der vorliegenden Erfindung unterliegt der konvexe Teil 11 keiner besonderen Beschränkung, und er kann verschiedene Formen aufweisen.
  • Insbesondere können verschiedene Kombinationen verwendet werden, bei denen die Nutentiefe (konvexe Höhe) h größer ist als die Nutenbreite B, die Nutentiefe (konvexe Höhe) h kleiner ist als die Nutenbreite B, die Nutentiefe (konvexe Höhe) h deutlich kleiner ist als die Nutenbreite B, die Nutenbreite B deutlich größer ist als die Nutenbreite A des konvexen Teils 11 usw. Insbesondere wenn die Nutentiefe (konvexe Höhe) h größer ist als die Nutenbreite B, kann gemäß 1 das als Bestandteil vorgesehene Gas während des Dampfphasen-Züchtens selbst ohne eine Maske auf der Oberfläche des konkaven Teils nicht ausreichend zu dem Boden hin diffundieren. Somit trägt das als Bestandteil vorgesehene Material wirksam zu dem Wachstum an dem oberen Teil des konvexen Teils 11 bei. Wenn die Nutenbreite B größer ist als die Breite A des konvexen Teils 11 wird der Bereich des Wachstums in der seitlichen Richtung größer, und es wird vorteilhafterweise ein weiter Bereich mit geringer Versetzung gebildet.
  • Wenn die Versetzung von dem Saphirsubstrat geradlinig verläuft, ist der Anteil des konvexen Teils kleiner, wobei die kleinere Breite vorteilhafterweise in einer kleineren Anzahl von Versetzungen resultiert. Der von dem konvexen Teil bedeckte Bereich beträgt vorzugsweise nicht mehr als 50%, erwünschterweise nicht mehr als 40% und besonders erwünscht nicht mehr als 30%. Eine kleinere konvexe Breite bedeutet einen höheren Effekt, der vorzugsweise nicht mehr als 5 μm, erwünschterweise nicht mehr als 2 μm beträgt und besonders bevorzugt gemäß 0 < konvexer Teil < 1 μm bemessen ist.
  • Wenn der konvexe Teil schmal ist, wird die Dicke, die erforderlich ist, um den konkaven Teil durch Bedecken desselben flach auszubilden, vorteilhafterweise kleiner. Somit kann das Problem einer durch Differenzen der Wärmeausdehnungskoeffizienten erzeugten Wölbung beseitigt werden, da eine nur dünne Schicht gezüchtet zu werden braucht. Wenn der konvexe Teil schmal ist und der von dem konvexen Teil eingenommene Flächenbereich klein ist, kommt zu dem oben erwähnten Effekt der Effekt einer geringeren Versetzung hinzu, und es kann ein noch besserer Effekt erreicht werden. Die Nutentiefe (Höhe des konvexen Teils) wird aus dem Bereich bestimmt, innerhalb dessen der Effekt der vorliegenden Erfindung erzielt werden kann.
  • Zum Bilden einer derartigen konkav-konvexen Oberfläche können konvexe Einfüge-Teile vom Insel-Typ, konvexen Teile vom Streifen-Typ, die aus konvexen Linien bestehen, konvexe Gitter-Teile, konvexe Teile, bei denen die diese bildenden Linien Kurven sind, und dergleichen verwendet werden.
  • Von den Ausführungsformen dieser konvexen Teile ist der konvexe Linien bildende Streifen-Typ vorzuziehen, da die Herstellungsschritte vereinfacht werden können und regelmäßige Muster problemlos gebildet werden können. Während die Längsrichtung des Streifens beliebig ist, kann, wenn das auf einem Substrat zu züchtende Material GaN ist und es sich bei der Richtung um die <1-100>-Richtung des GaN-Gruppen-Materials handelt, die diagonale Facette, wie z.B. die {1-101}-Ebene und dergleichen, nicht leicht gebildet werden, wodurch das Wachstum in der seitlichen Richtung (seitliches Wachstum) beschleunigt wird. Folglich wird die konkav-konvexe Oberfläche schneller bedeckt, was besonders vorzuziehen ist.
  • Bei Anwendung der Wachstumsbedingungen, unter denen eine diagonale Facette wie z.B. die {1-101}-Ebene und dergleichen gebildet wird (z.B. niedrige Temperatur beim Wachstum, hohe H3-Konzentration usw.) verläuft die Versetzung des Substrats zuerst geradlinig in dem konvexen Teil (C-Achsen-Richtung im Fall des Saphir-C-Ebenen-Substrats), durchläuft dann eine Kurve in der Facettenebene und kann die Mitte des konkaven Teils erreichen. In diesem Fall wird ein Bereich mit geringer Versetzung zu dem oberen Teil des konvexen Teils. Anschließend werden die Gasatmosphäre, die Züchtungstemperatur und dergleichen verändert, um das seitliche Wachstum zu fördern, wodurch man einen flachen Film erhalten kann, der die C-Ebene bedeckt. Auch wenn die Streifenrichtung auf die <11-20>-Richtung gesetzt ist, erhält man durch die Wahl der Züchtungsbedingungen offensichtlich ein Verfahren ähnlich dem oben beschriebenen Verfahren.
  • Die auf dem konkaven Teil 12 auszubildende Maske 3 braucht nur ein wesentliches Wachstum auf ihr zu verhindern, und es können SiO2, SiNx, TiO2, ZrO2 und dergleichen verwendet werden. Es ist möglich, ein Laminat dieser Materialien zu bilden. Gemäß dem Verfahren zum Herstellen des Halbleiterkristalls wird eine Maske 3 auf dem konkaven Teil 12 gebildet. Die Verwendung nur eines konkav-konvexen Substrats ohne Bildung einer Maske 3 ist ebenfalls akzeptabel.
  • Wie bei den in 1 und 6 gezeigten Bezugsbeispielen kann, wenn die konkav-konvexe Oberfläche des Substrats 1 vergraben wird und der Hohlraum 13 belassen wird und auf der Oberfläche ein emittierender Teil zum Bilden eines lichtemittierenden Elements gezüchtet wird, die Differenz der Brechungsindizes zwischen dem Hohlraum und dem Halbleiter an der Grenzfläche größer gemacht werden. Als Ergebnis wird ein größerer Anteil des Lichts, das zur unteren Seite des emittierenden Teils gerichtet ist, an der Grenzfläche reflektiert. Beispielsweise nimmt, wenn eine LED zum Chipbonden bei abwärtsgerichteter Saphirsubstrat-Ebene gebildet wird, die Menge des nach oben hin entnommenen Lichts vorteilhafterweise zu.
  • Das Einbetten, das den Hohlraum 13 belässt, reduziert den Kontaktbereich zwischen dem Substrat 1 und der darauf zu züchtenden Halbleiterschicht. Somit kann die in dem Halbleiter erzeugte Dehnung, die durch die Differenz der Gitterkonstanten und der Wärmeausdehnungskoeffizienten verursacht wird, vorteilhafterweise reduziert werden. Die Reduzierung der Dehnung hat den Effekt, dass die Wölbung reduziert wird, die auftritt, wenn ein GaN-Gruppen-Material in dicker Bemessung auf Saphir gezüchtet wird. Insbesondere leiden die herkömmlichen Verfahren unter dem Problem des Auftretens von Wölbungen und Rissen aufgrund der Differenz der Wärmeausdehnungskoeffizienten bei Kristallzüchtung eines GaN-Gruppen-Materials auf einem Si-Substrat, wodurch ein feines Kristallwachstum verhindert wird. Durch die Reduzierung der Dehnung mittels der vorliegenden Erfindung wird dieses Problem beseitigt.
  • Durch Nutzung der Möglichkeit, den Kontaktbereich zwischen dem Substrat 1 und der darauf gezüchteten Halbleiterschicht 2 zu minimieren, kann die Halbleiterschicht 2 dick gezüchtet werden. Als Ergebnis sammelt sich die Spannung an dem Bereich geringen Kontakts, von dem ausgehend das Substrat 1 von der Halbleiterschicht 2 getrennt werden kann. Durch Nutzung dieses Effekts können Substrate von GaN und dergleichen zubereitet werden.
  • Gemäß dem Verfahren zum Herstellen des Halbleiterkristalls wird ein Hohlraum 13 zwischen dem Substrat 1 und dem Halbleiterkristall 2 ausgebildet, um den Kontaktbereich zwischen diesen zu minimieren, wie in 6(c), 7(c) und 10 gezeigt ist. Folglich kann die Dehnung, die durch Differenzen der Gitterkonstanten und des Wärmeausdehnungskoeffizienten in dem Halbleiterkristall 2 verursacht wird, reduziert werden. Als Effekt der Reduzierung der Dehnung wird die Wölbung reduziert, die spürbar auftritt, wenn ein GaN-Gruppen-Material als Halbleiterkristall 2 dick auf einem als Substrat 1 verwendeten Saphir gezüchtet wird. Insbesondere treten Wölbungen und Risse aufgrund der Differenz der Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, wenn ein GaN-Gruppen-Material durch Kristallzüchtung mittels eines herkömmlichen Verfahrens auf einem Substrat gebildet wird, so dass ein feines Kristallwachstum verhindert wird. Dieses Problem kann durch den Dehnungsreduzierungseffekt aufgrund des Vorhandenseins des Hohlraums 13 reduziert werden.
  • Gemäß dem Verfahren zum Herstellen des Halbleiterkristalls wird durch Nutzung der Fähigkeit, den Kontaktbereich zwischen dem Substrat 1 und der darauf gezüchteten Halbleiterschicht 2 wie oben erwähnt zu minimieren, bei Züchtung des Films auf eine Dicke von nicht weniger als 10 μm und vorzugsweise nicht weniger als 100 μm die Spannung auf den kleinen Kontaktteil beschränkt, von dem ausgehend das Trennen des Substrats 1 und der Halbleiterschicht 2 erleichtert werden kann. In dieser Weise kann ein Substrat aus GaN oder dergleichen zubereitet werden.
  • Während die obige Beschreibung den Fall betrifft, dass nur eine einzige Halbleiterschicht 2 auf dem Substrat 1 gezüchtet wird, kann ein ähnlicher Schritt wiederholt werden, um den Versetzungseffekt weiter zu reduzieren.
  • Gemäß 5, 8 und 9 wird nach dem Kristallzüchten der ersten Halbleiterkristallschicht (der ersten Halbleiterschicht) 2a derart, dass diese die konkav-konvexe Oberfläche des Substrats 1 in der gleichen Weise wie oben beschrieben bedeckt, die Oberfläche der ersten Halbleiterschicht 2a derart bearbeitet, dass sie eine konkav-konvexe Oberfläche bildet, wobei auf dieser Oberfläche eine zweite Halbleiterkristallschicht (die zweite Halbleiterschicht) 2b durch Kristallzüchtung mittels Dampfphasen-Züchtung ausschließlich von einem oberen Teil des konvexen Teils der ersten Halbleiterschicht 2a her gebildet werden kann. In diesem Fall, falls insbesondere der konvexe Teil 11 des Substrats 1 und der auf der oben erwähnten ersten Halbleiterschicht 2a auszubildende konvexe Teil 11a versetzt werden (nämlich durch Bilden eines konkaven Hohlraumteils der ersten Halbleiterschicht 2a an einem Bereich, zu dem hin sich die Versetzung von dem Substrat ausbreitet), ist die zweite Halbleiterschicht 2b frei von der Ausbreitung der Versetzung. Anders ausgedrückt kann durch diese Ausgestaltung die Gesamtheit der zweiten Halbleiterschicht 2b ein Bereich mit geringer Versetzung sein, so dass eine Halbleiterbasis erzeugt wird, die eine Halbleiterkristallschicht mit noch höherer Qualität aufweist. Anschließend wird gemäß 10 der Halbleiterkristall 2 (die zweite Halbleiterkristallschicht 2b) an dem Hohlraum 13 von dem Laminat (Halbleiterbasis) getrennt, so dass der verlangte Halbleiterkristall 2 herausgenommen werden kann.
  • Es besteht die Möglichkeit, die Ausbreitung zu verhindern, indem eine Maske wie z.B. SiO2 oder dergleichen an dem Teil der ersten Halbleiterschicht verwendet wird, an dem sich die Versetzung ausbreitet. Dies bedeutet, dass die herkömmlicherweise angeführte ELO-Technik für das Züchten der zweiten Halbleiterschicht verwendet werden kann. In diesem Fall werden, da die erste Halbleiterschicht gemäß der vorliegenden Erfindung gebildet wird, offensichtliche Effekte erzielt, die bei der alleinigen Verwendung des ELO nicht vorhanden sind, wie z.B. ein dünner Film, eine geringe Anzahl von Schritten und dergleichen.
  • Es ist auch möglich, die Oberfläche der zweiten Halbleiterschicht 2b zu einer konkav-konvexen Oberfläche zu verarbeiten, auf der eine dritte Halbleiter-Kristallschicht (die dritte Halbleiterschicht) durch Dampfphasen-Züchtung in der gleichen Weise wie oben beschrieben gebildet wird. Alternativ kann ein ähnlicher Schritt wiederholt werden, um mehrere Halbleiterschichten durch einen Mehrfachvorgang zu bilden. Durch diese Ausgestaltung kann die Versetzung, die sich beim Laminieren der Schichten ausbreitet, allmählich reduziert werden, sogar ohne die oben erwähnte beabsichtigte Positionseinstellung des konvexen Teils zwischen oben und unten, so dass die Halbleiterbasis, die schließlich gezüchtet werden soll, und der von dieser getrennte Halbleiterkristall mit höherer Qualität hergestellt werden können.
  • Die Herstellung des konvexen Teils erfolgt z.B. durch Bilden eines der Form des konvexen Teils entsprechenden Musters durch eine herkömmliche Photolithographie-Technik und Ätzen durch eine RIE-Technik und dergleichen.
  • Eine Halbleiterschicht wird vorzugsweise auf einem Substrat durch Kristallzüchten mittels HVPE, MOCVD, MBE und dergleichen gebildet. Wenn ein dicker Film zubereitet werden soll, ist HVPE vorzuziehen, und ein dünner Film wird vorzugsweise mittels MOCVD gebildet.
  • Die Züchtbedingungen (Art des Gases, Züchtdruck, Züchttemperatur und dergleichen) für die Kristallzüchtung der Halbleiterschicht auf einem Substrat können je nach den Erfordernissen des Gegenstands bestimmt werden, solange der Effekt der vorliegenden Erfindung erzielt wird.
  • Die nachstehend aufgeführten Bezugsbeispiele sind nicht gemäß der Erfindung konzipiert, sind jedoch zweckdienlich zum Verständnis der Erfindung.
  • Beispiele
  • Bezugsbeispiel 1
  • Ein Photoresist wurde zum Bilden eines Musters (Breite: 2 μm, Periode: 4 μm, Streifenrichtung: Streifenverlaufsrichtung war die <11-20>-Richtung des Saphirsubstrats) auf einem C-Ebenen-Saphirsubstrat platziert. Das Substrat wurde mittels einer RIE-(Reactive Ion Etching) Vorrichtung geätzt zur Bildung eines quadratischen Querschnitts mit einer Tiefe von 5 μm. Die Breite von 2 μm des genannten Musters entsprach der Breite eines konvexen Teils. Somit betrug die Breite (= Periode – Breite des konvexen Teils) eines konkaven Teils 2 μm, und das Aspektverhältnis (Tiefe/Breite des konkaven Teils) des Querschnitts des konkaven Teils betrug 2,5. Nach dem Entfernen des Photoresists wurde das Substrat 1 auf die MOVPE-Vorrichtung gesetzt. Anschließend wurde die Temperatur unter einer Wasserstoffatmosphäre auf 1100°C erhöht, und das Wärmeätzen wurde durchgeführt. Die Temperatur wurde auf 500°C abgesenkt, und es wurden TMG (im folgenden TMG) als Bestandteil-bildendes Material der Gruppe III und Ammoniak als einen N-Bestandteil bildendes Material strömen gelassen, wodurch eine Niedrigtemperatur-GaN-Pufferschicht gezüchtet wurde. Die Temperatur wurde auf 1000°C erhöht, TMG und Ammoniak als zur Verwendung als Bestandteile vorgesehene Materialien und Silan als Dotierungsmittel wurden strömen gelassen, wodurch eine GaN-Schicht vom N-Typ gezüchtet wurde. Die Zeit des Züchtens entsprach der erforderlichen Zeit zum Züchten von GaN mit einer Dicke von 4 μm in einem herkömmlichen Fall ohne konkav-konvexe Oberfläche.
  • Der Querschnitt nach dem Züchten wurde beobachtet. Als Ergebnis zeigte der konkave Teil des Substrats eine gewisse Spur von Wachstum, jedoch wurde wie in 1(c) die konkav-konvexe Oberfläche abgedeckt, wodurch ein Hohlraum 13 in dem konkaven Teil belassen wurde, so dass ein flacher GaN-Film erhalten wurde.
  • Zum Vergleich wurden eine GaN-Schicht, die auf einem herkömmlichen C-Ebenen-Saphirsubstrat unter den gleichen Züchtungsbedingungen ausgebildet war, und ein GaN-Film, der mittels ELO unter Verwendung einer SiO2- Maske mit dem gleichen Muster (herkömmliche ELO-Probe mittels Maskierungsverfahren) gezüchtet war, zubereitet.
  • Zur Auswertung wurde InGaN (InN-Mischkristallverhältnis = 0,2, Dicke 100 nm) kontinuierlich gezüchtet, und die (entsprechend der Versetzung) darauf erscheinenden Pits wurden gezählt und als Versetzungsdichte aufgefasst. Die Trägerdichte wurde mittels Hall-Effekt-Messung evaluiert, und die Fluktuation der Kristallachse wurde mittels C-Scan von XRC evaluiert. Die Auswertungsergebnisse sind in Tabelle 1 und 4 gezeigt.
  • Tabelle 1
    Figure 00250001
  • Die als Beispiel gewählte Probe zeigte eine Reduzierung der Versetzungsdichte auf dem gleichen Niveau wie dem Niveau des herkömmlichen ELO. Andererseits lag die Trägerkonzentration auf dem gleichen Niveau wie das normale GaN-Wachstum. FWHM von XRC war kleinstmöglich und dauerte 170 s. Die Gesamtauswertung des Films zeigte eine hohe Qualität.
  • Durch die XRC-C-Scan-Daten gemäß 4 wurde auch bestätigt, dass der Kristall eine hohe Qualität hatte, ohne dass sich die Fluktuation der Kristallachse nahe der Richtung des seitlichen Wachstums intensivierte, wie bei dem GaN-Film, der durch ELO-Züchtung unter Verwendung einer SiO2-Maske zubereitet wurde.
  • Bezugsbeispiel 2
  • Dieses Beispiel folgte dem Beispiel 1 mit Ausnahme der Form des konkav-konvexen Teils, die auf die folgende verändert wurde: (Breite: 2 μm, Perio de: 4 μm, Streifenrichtung: <11-20> des Saphirsubstrats). Das Substrat wurde mittels einer RIE- (Reactive Ion Etching) Vorrichtung geätzt zur Bildung eines quadratischen Querschnitts mit einer Tiefe von 1 μm. Das Aspektverhältnis betrug dann 0,25.
  • Der Querschnitt nach dem Züchten wurde beobachtet. Als Ergebnis wurde festgestellt, dass der konkav-konvexe Teil vergraben war und der dem konkaven Teil 12 entsprechende Teil durch den Hohlraum 13 und den GaN-Film 21 auf dessen Grund ersetzt war, wie 2(c) zeigt.
  • Zur Auswertung dieses Films wurde InGaN (InN-Mischkristallverhältnis = 0,2, Dicke 100 nm) kontinuierlich gezüchtet, und die darauf erscheinenden Pits wurden wie erwähnt beobachtet. Als Ergebnis wurden zahlreiche Pits, die der Versetzung entsprachen, in dem oberen Teil des konvexen Teils beobachtet, jedoch waren die Pits, die in dem in der seitlichen Richtung aus dem oberen Teil des konvexen Teils als Startpunkt gewachsenen Teil zu sehen waren, zahlenmäßig klein, wobei die Versetzungsdichte 4 × 107 cm–2 wie in Beispiel 1 betrug.
  • Beispiel 3
  • Dieses Beispiel folgte dem Beispiel 1 mit Ausnahme der Form des konkav-konvexen Teils, die auf die nachfolgend genannte Weise verändert wurde, und die auf dem konkav-konvexen Teil gezüchtete Schicht eine Dicke von 1 μm hatte (Breite: 0,5 μm, Periode: 1 μm, Streifenrichtung: <11-20> des Saphirsubstrats). Das Substrat wurde mittels einer RIE-Vorrichtung geätzt zur Bildung eines quadratischen Querschnitts mit einer Tiefe von 1,0 μm.
  • Der Querschnitt nach dem Züchten wurde beobachtet. Als Ergebnis wurde festgestellt, dass der konkav-konvexe Teil vergraben war und die Oberfläche flach war. Durch Verkürzen der Breite und der Periode kann ein Film erhalten werden, der bereits eine flache Fläche bei einer Dicke von 1 μm hat. Zur Auswertung dieses Films wurde InGaN (InN-Mischkristallverhältnis = 0,2, Dicke 100 nm) kontinuierlich gezüchtet, und die Pits wurden wie in dem obigen Beispiel beobachtet. Zahlreiche Pits, die der Versetzung entsprachen, erschienen in dem oberen Teil des konvexen Teils, jedoch waren die Pits, die in dem in der seitlichen Richtung aus dem oberen Teil des konvexen Teils als Startpunkt gewachsenen Teil zu sehen waren, zahlenmäßig klein, wobei die Versetzungsdichte 4 × 107 cm–2 wie in Beispiel 1 betrug.
  • Beispiel 4
  • Dieses Beispiel folgte dem Beispiel 1 mit Ausnahme der Form des konkav-konvexen Teils, die auf die folgende Weise verändert wurde: (Breite: 0,3 μm, Periode: 3 μm, Streifenrichtung: <11-20> des Saphirsubstrats). Das Substrat wurde mittels einer RIE-Vorrichtung geätzt zur Bildung eines quadratischen Querschnitts mit einer Tiefe von 3,0 μm.
  • Der Querschnitt nach dem Züchten wurde beobachtet. Als Ergebnis wurde festgestellt, dass der konkav-konvexe Teil vergraben war und die Oberfläche flach war. Zur Auswertung dieses Films wurde InGaN (InN-Mischkristallverhältnis = 0,2, Dicke 100 nm) kontinuierlich gezüchtet, und die Pits wurden wie erwähnt beobachtet.
  • Pits, die der Versetzung entsprachen, erschienen in dem oberen Teil des konvexen Teils; jedoch war die Anzahl deutlich kleiner. Die Pits, die in dem in der seitlichen Richtung aus dem oberen Teil des konvexen Teils als Startpunkt gewachsenen Teil zu sehen waren, waren zahlenmäßig klein. Andererseits fanden sich einige Pits in der Mitte des konkaven Teils. Die Versetzungsdichte dieses Films betrug 2 × 106 cm–2, was im Vergleich zu dem herkömmlichen Beispiel 1, 2 und dem herkömmlichen GaN-Züchten eine beträchtliche Abnahme darstellt. Es ist anzunehmen, dass dies auf den reduzierten Bereich, der von dem konvexen Teil eingenommen wird, und auf die reduzierte Anzahl ausgebreiteter Versetzungen zurückzuführen ist.
  • Referenzbeispiel 5
  • Eine mit AlGaN vom N-Typ ausgekleidete Schicht, eine lichtemittierende InGaN-Schicht, eine mit AlGaN vom P-Typ ausgekleidete Schicht und eine mit GaN-Kontaktschicht vom P-Typ wurden nacheinander auf dem in Beispiel 1 erhaltenen Film ausgebildet, um einen UV-LED-Wafer mit einer Lichtemissionswellenlänge von 370 nm zu erzeugen.
  • Anschließend wurde eine Elektrode gebildet und in Elemente unterteilt, um LED-Elemente zu erzeugen. Die mittlere Ausgangsleistung und die Rückstromeigenschaft der aus dem gesamten Wafer erhaltenen LED-Chips wurden ausgewertet. Bei den Vergleichsgegenständen handelte es sich um einen UV-LED-Chip mit der oben erwähnten Struktur, der mittels einer herkömmlichen ELO-Technik gebildet wurde, und einen UV-LED-Chip mit der oben erwähnten Struktur, der durch das herkömmliche Saphirsubstrat gebildet wurde. Die Auswertungsergebnisse dieser Chips sind in Tabelle 2 aufgeführt.
  • Tabelle 2
    Figure 00280001
  • Wie aus Tabelle 2 ersichtlich ist, zeigte die zubereitete Probe eine höhere Ausgangsleistung als die herkömmlichen Proben, und es erwies sich, dass eine qualitativ hochwertige LED, bei der weniger Leckstrom auftrat, zubereitet werden konnte.
  • Dieses Beispiel folgte Beispiel 1 mit der Ausnahme, dass Trimethylaluminium (TMA) während des Züchtens einer Halbleiterschicht hinzugefügt wurde.
  • Als Ergebnis beließ der AlGaN (Al-Zusammensetzung 0,2)-Film einen Hohlraum in dem konkaven Teil, und der den konkav-konvexen Teil bedeckende Film wurde flach gezüchtet. Die Pits, die in dem in der seitlichen Richtung ausgehend von dem oberen Teil des konvexen Teils als Startpunkt gewachsenen Teil erschienen, waren zahlenmäßig klein. Folglich wurde, wie bestätigt wurde, ein AlGaN-Film mit hoher Qualität (niedriger Versetzungsdichte) erzielt, der mittels einer herkömmlichen ELO-Technik nicht gebildet werden konnte.
  • Bezugsbeispiel 7
  • Bei dem nächsten Beispiel wurde GaN als Substrat verwendet. Ein Photoresist wurde zum Bilden eines Musters (Breite: 2 μm, Periode: 4 μm, Streifenrichtung: <1-100> des GaN-Substrats) auf einem GaN-Substrat platziert, und das Substrat wurde mittels einer RIE-Vorrichtung geätzt zur Bildung eines quadratischen Querschnitts mit einer Tiefe von 5 μm. Das Aspektverhältnis betrug dann 2,5. Nach dem Entfernen des Photoresists wurde das Substrat auf die MOVPE-Vorrichtung gesetzt. Anschließend wurde die Temperatur unter einer Atmosphäre einer Mischung von Stickstoff, Wasserstoff und Ammoniak auf 1000°C erhöht. Dann wurden TMG und Ammoniak als Bestandteile bildende Materialien und Silan als Dotierungsmittel strömen gelassen, wodurch eine GaN-Schicht vom N-Typ gezüchtet wurde. Die Zeit des Züchtens entsprach der erforderlichen Zeit zum Züchten von GaN mit einer Dicke von 4 μm in einem herkömmlichen Fall ohne konkav-konvexe Oberfläche.
  • Der Querschnitt nach dem Züchten wurde beobachtet. Als Ergebnis wurde das Wachstum in dem konkaven Teil des Substrats und das Wachstum an der seitlichen Fläche des konvexen Teils festgestellt, jedoch war gemäß 5 der konkav-konvexe Teil unter Belassung des Hohlraums bedeckt, so dass ein flacher GaN-Film erhalten wurde. Dann wurden die Pits in dem erhaltenen Film bewertet. Das als Substrat verwendete GaN hatte eine Pit-Dichte von 2 × 105 cm–2. Durch das Züchten bei diesem Beispiel nahmen die Pits auf 1 × 105 cm–2 in dem oberen Teil des konvexen Teils und auf 5 × 103 cm–2 in dem oberen Teil des konkaven Teils ab. Es wurde bestätigt, dass ein Versetzungsdichtereduzierungseffekt in einem Substrat vorhanden war, das bereits eine geringere Versetzung aufwies.
  • Bezugsbeispiel 8
  • Der in Beispiel 1 zubereitete GaN-Kristall wurde als erste Halbleiterschicht verwendet, und auf dieser wurde eine zweite Halbleiterschicht gezüchtet. Zuerst wurde ein Photoresist derart angeordnet, dass es ein Muster (Breite: 2 μm, Periode: 4 μm, Streifenrichtung: <1-100> des GaN-Substrats) auf einem GaN-Kristall (die erste Halbleiterschicht) bildete, und das Substrat wurde mittels einer RIE-Vorrichtung geätzt zur Bildung eines quadratischen Querschnitts mit einer Tiefe von 2 μm. Das Bilden des Musters enthielt das Registeranordnen des konkaven Teils der ersten Halbleiterschicht auf dem konvexen Teil des Substrats. Das Aspektverhältnis betrug dann 1. Nach dem Entfernen des Photoresists wurde das Substrat auf die MOVPE-Vorrichtung gesetzt. Anschließend wurde die Temperatur unter einer Atmosphäre einer Mischung aus Stickstoff, Wasserstoff und Ammoniak auf 1000°C erhöht. Dann wurden TMG und Ammoniak als Bestandteile bildende Materialien und Silan als Dotierungsmittel strömen gelassen, wodurch eine GaN-Schicht vom N-Typ gezüchtet wurde. Die Zeit des Züchtens entsprach der erforderlichen Zeit zum Züchten von GaN mit einer Dicke von 4 μm in einem herkömmlichen Fall ohne konkav-konvexe Oberfläche.
  • Der Querschnitt nach dem Züchten wurde beobachtet. Als Ergebnis wurde das Wachstum in dem konkaven Teil des Substrats und das Wachstum an der seitlichen Fläche des konvexen Teils festgestellt, jedoch war der konkav-konvexe Teil unter Belassung des Hohlraums bedeckt, und es wurde ein flacher GaN-Film erhalten. Anschließend wurden die Pits in dem erhaltenen Film ausgewertet, wobei sich eine Reduzierung der Anzahl auf 8 × 105 cm–2 zeigte. Durch Wiederholung dieses Beispiels bestätigte sich der Erhalt eines weiteren Effekts einer Reduzierung der Versetzungsdichte.
  • Bezugsbeispiel 9
  • in Photoresist wurde derart angeordnet, dass es ein Muster (Breite: 2 μm, Periode: 6 μm, Streifenrichtung: Streifenverlaufsrichtung war die <11-20>-Richtung des Saphirsubstrats) auf einem C-Ebenen-Saphirsubstrat bildete, und das Substrat wurde mittels einer RIE-Vorrichtung geätzt zur Bildung eines quadratischen Querschnitts mit einer Tiefe von 2 μm. Ein SiO2-Film wurde in einer Dicke von 0,1 μm auf die Gesamtheit des Substrats aufgetragen, und das Photoresist und der darauf aufgetragene SiO2-Film wurden durch einen Abzieh-Schritt entfernt. Auf diese Weise wurde eine Maskenschicht auf dem konkaven Teil des Substrats gebildet. Anschließend wurde das Substrat auf eine MOVPE-Vorrichtung gesetzt, und die Temperatur wurde unter einer Wasserstoffatmosphäre auf 1100°C erhöht, um die Applikation und den Wärmeätzvorgang durchzuführen. Dann wurde die Temperatur auf 500°C abgesenkt, und es wurden TMG als Bestandteil-bildendes Material der Gruppe III und Ammoniak als einen N-Bestandteil bildendes Material strömen gelassen, wodurch eine Niedrigtemperatur-GaN-Pufferschicht gezüchtet wurde. Die Temperatur wurde auf 1000°C erhöht, TMG und Ammoniak als zur Verwendung als Bestandteile vorgesehene Materialien und Silan als Dotierungsmittel wurden strömen gelassen, wodurch eine GaN-Schicht vom N-Typ auf dem Substrat gezüchtet wurde. Die Zeit des Züchtens entsprach der erforderlichen Zeit zum Züchten von GaN mit einer Dicke von 4 um in einem herkömmlichen Fall ohne konkav-konvexe Oberfläche.
  • Der Querschnitt nach dem Züchten wurde beobachtet. Als Ergebnis zeigte die Maske auf dem konkaven Teil des Substrats eine gewisse Spur von Wachstum, jedoch war wie in 7(c) der konkav-konvexe Teil abgedeckt, wodurch der Hohlraum 13 in dem konkaven Teil belassen wurde, so dass ein flacher GaN-Film erhalten wurde. Zum Vergleich wurde eine ähnliche Studie unter Verwendung eines herkömmlichen ELO-Verfahrens durchgeführt. Es wurde eine SiO2-Maske (d.h. mit einer Masken-Breite von 4 μm und einer Periode von 6 μm), die in der Breite und der Periode dem konkav-konvexen Teil dieses Beispiels entsprach, während einer Zeitdauer gebildet und gezüchtet, welche der erforderlichen Zeit zum Züchten eines normalen GaN auf eine Dicke von 4 μm entsprach. Der Querschnitt der erhaltenen Probe wurde beobachtet. Als Ergebnis erfolgte an der SiO2-Maske ein Wachstum in der seitlichen Richtung, und obwohl der Verbindungsbereich beobachtet wurde, war die Oberfläche noch nicht flach geworden. Die zur flachen Ausgestaltung der Oberfläche erforderliche Züchtungszeit wurde geprüft, und es wurde festgestellt, dass diese die Zeit war, welche der erforderlichen Zeit zum Züchten von GaN auf eine Dicke von 10 μm mittels herkömmlicher GaN-Züchtung entsprach. In diesem Fall zeigte, obwohl die Oberfläche der Kristallschicht flach war, der erhaltene Wafer aufgrund der Verdickung des Films eine beträchtliche Wölbung.
  • Wie aus dem für dieses Beispiel vorgenommenen Vergleich ersichtlich ist, erhält man durch diese Verwendung einen dünnen und in der Oberfläche flachen Film, selbst wenn der konkave Teil, an dem die seitliche Züchtung vorgenommen werden soll, breit ist.
  • Bezugsbeispiel 10
  • Bei dem nächsten Beispiel wurde GaN als Substrat verwendet. Ein Photoresist wurde derart angeordnet, dass es ein Muster (Breite: 2 μm, Periode: 6 μm, Streifenrichtung: <1-100> des GaN-Substrats) auf einem GaN-Substrat bildete, und das Substrat wurde mittels einer RIE-Vorrichtung geätzt zur Bildung eines quadratischen Querschnitts mit einer Tiefe von 2 μm. Ein SiO2-Film wurde in einer Dicke von 0,1 μm auf die Gesamtheit des Substrats aufgetragen, und das Photoresist und der darauf aufgetragene SiO2-Film wurden durch einen Abzieh-Schritt entfernt. Das in dieser Weise gebildete GaN-Substrat wurde auf eine MOVPE-Vorrichtung gesetzt, und die Temperatur wurde unter einer Atmosphäre einer Mischung aus Stickstoff, Wasserstoff und Ammoniak auf 1000°C erhöht. Dann wurden TMG und Ammoniak als Bestandteile bildende Materialien und Silan als Dotierungsmittel strömen gelassen, wodurch eine GaN-Schicht vom N-Typ gezüchtet wurde. Die Zeit des Züchtens entsprach der erforderlichen Zeit zum Züchten von GaN mit einer Dicke von 4 μm in einem herkömmlichen Fall ohne konkav-konvexe Oberfläche.
  • Nach dem Züchten wurde der Querschnitt beobachtet. Als Ergebnis zeigte die Maske auf dem konkaven Teil des Substrats eine gewisse Spur von Wachstum, und es zeigte sich Wachstum an der seitlichen Fläche des konvexen Teils, jedoch war wie in 8 der konkav-konvexe Teil abgedeckt, wodurch der Hohlraum-Teil belassen wurde, so dass ein flacher GaN-Film erhalten wurde. Dann wurden die Pits in dem erhaltenen Film ausgewertet. Das als Substrat verwendete GaN wies eine Pit-Dichte von 2 × 105 cm–2 auf. Durch das bei diesem Beispiel erfolgende Züchten nahmen die Pits auf 1 × 105 cm–2 in dem oberen Teil des konvexen Teils und auf 5 × 103 cm–2 in dem oberen Teil des konkaven Teils ab. Es wurde bestätigt, dass ein Versetzungsdichtereduzierungseffekt in einem Substrat vorhanden war, das bereits eine geringere Versetzung aufwies.
  • Bezugsbeispiel 11
  • Der in Beispiel 9 zubereitete GaN-Kristall wurde als erste Halbleiterschicht verwendet, und auf dieser wurde eine zweite Halbleiterschicht gezüchtet. Zuerst wurde ein Photoresist derart angeordnet, dass es ein Muster (Breite: 2 μm, Periode: 6 μm, Streifenrichtung: <1-100> des GaN-Substrats) auf einem GaN-Kristall bildete (die erste Halbleiterschicht), und das Substrat wurde mittels einer RIE-Vorrichtung geätzt zur Bildung eines quadratischen Querschnitts mit einer Tiefe von 2 μm. Das Bilden des Musters enthielt das Registeranordnen des konkaven Teils der ersten Halbleiterschicht auf dem konvexen Teil des Substrats. Ein SiO2-Film wurde in einer Dicke von 0,1 μm auf die Gesamtheit des Substrats aufgetragen, und das Photoresist und der darauf aufgetragene SiO2-Film wurden durch einen Abzieh-Schritt entfernt.
  • Anschließend wurde das Substrat auf eine MOVPE-Vorrichtung gesetzt, und die Temperatur wurde unter einer Atmosphäre einer Mischung aus Stickstoff, Wasserstoff und Ammoniak auf 1000°C erhöht. Dann wurden TMG und Ammoniak als Bestandteile bildende Materialien und Silan als Dotierungsmittel strömen gelassen, wodurch eine GaN-Schicht vom N-Typ gezüchtet wurde. Die Zeit des Züchtens entsprach dann der erforderlichen Zeit zum Züchten von GaN mit einer Dicke von 4 μm in einem herkömmlichen Fall ohne konkav-konvexe Oberfläche.
  • Dann wurden die Pits in dem erhaltenen Film ausgewertet. Als Ergebnis zeigte sich eine Reduzierung der Anzahl auf 8 × 105 cm–2. Durch Wiederholung dieses Beispiels bestätigte sich der Erhalt eines weiteren Effekts einer Reduzierung der Versetzungsdichte.
  • Bei diesem Beispiel wurde ein SiO2-Film an dem konkaven Teil der ersten Halbleiterschicht gebildet. Selbst wenn der SiO2-Film nicht gebildet wurde, wurden ähnliche Ergebnisse erzielt, indem der zweiten Halbleiterschicht eine Dicke von 2 μm gegeben wurde.
  • Bezugsbeispiel 12
  • In der gleichen Weise wie bei dem oben erwähnten Beispiel 9 wurde eine Maskenschicht auf dem konkaven Teil eines Substrats ausgebildet, wurde eine GaN-Niedrigtemperatur-Pufferschicht gezüchtet, wurde die Temperatur auf 1000°C erhöht, und TMG und Ammoniak als Bestandteile bildende Materialien und Silan als Dotierungsmittel wurden 10 Stunden lang strömen gelassen, um eine GaN-Schicht vom N-Typ mit einer Dicke von 30 μm zu züchten.
  • Der erhaltene GaN-Kristall wurde beobachtet. Als Ergebnis zeigte sich das Auftreten einer leichten Wölbung, jedoch war der Kristall frei von Rissen und Brüchen, und es wurde eine Spiegelebene erhalten. Der Querschnitt nach dem Züchten wurde beobachtet. Als Ergebnis zeigte die Maske auf dem konkaven Teil des Substrats eine gewisse Spur von Wachstum, jedoch war wie in 7(c) der konkav-konvexe Teil des Substrats abgedeckt, wodurch der Hohlraum 13 in dem konkaven Teil belassen wurde, so dass ein flacher GaN-Kristall erhalten wurde.
  • Vergleichsbeispiel 1, 2
  • Zum Vergleich wurden eine GaN-Schicht, die auf einem herkömmlichen C-Ebenen-Saphirsubstrat unter den gleichen Züchtungsbedingungen ausgebildet war (Vergleichsbeispiel 1), und ein GaN-Film, der mittels ELO unter Verwendung einer SiO2-Maske mit dem gleichen Muster gezüchtet war (Vergleichsbeispiel 2), zubereitet.
  • Nach dem Züchten wurden die Proben aus den Vorrichtungen herausgenommen. Es zeigte sich, dass die ohne jede Behandlung gezüchtete Probe in kleine Stücke mit einer Anzahl von Rissen gebrochen war. Die ELO-gezüchtete Probe war frei von Brüchen, wies jedoch beträchtliche Wölbungen und eine Anzahl von Rissen auf.
  • Der in Beispiel 12 erhaltene GaN-Kristall und der durch ELO-Züchtung in dem Vergleichsbeispiel 2 erhaltene GaN-Kristall wurden von dem Substrat getrennt. Die GaN-Kristall-Oberfläche wurde mit einem Wachs mit der nach unten gerichteten Oberfläche fixiert. Anschließend wurde das Saphirsubstrat durch Abschleifen entfernt.
  • Der durch ELO-Züchten in dem Vergleichsbeispiel 2 erhaltene GaN-Kristall war aufgrund der beträchtlichen Wölbung ungeeignet für ein gleichförmiges Abschleifen. Nach dem Abschleifen wurde der GaN-Kristall von dem Wachs gelöst. Bei der in Beispiel 1 zubereiteten Probe war ein Herausnehmen des GaN-Kristalls möglich, die in dem Vergleichsbeispiel 2 durch ELO gezüchtete GaN-Kristall-Probe brach jedoch in Stücke.
  • Bezugsbeispiel 13
  • Wie in 10 gezeigt, wurde der GaN-Kristall, der frei von der Trennung vom Saphirsubstrat ist, wie er im Beispiel 12 erhalten wurde, als erste Halbleiterschicht 2a verwendet, und auf dieser wurde die zweite Halbleiterschicht 2 gezüchtet. Zuerst wurde ein Photoresist derart angeordnet, dass es ein Muster (Breite: 2 μm, Periode: 6 μm, Streifenrichtung: <1-100> des GaN-Substrats) auf der ersten GaN-Halbleiterschicht bildete, und das Substrat wurde mittels einer RIE-Vorrichtung geätzt zur Bildung eines quadratischen Querschnitts mit einer Tiefe von 2 μm. Das Bilden des Musters enthielt hier das Ausbilden der ersten Halbleiterschicht, bei der häufig eine Versetzung auftrat, als konkaven Teil. Ein SiO2-Film wurde in einer Dicke von 0,1 μm auf die Gesamtheit des Substrats aufgetragen, und das Photoresist und der darauf aufgetragene SiO2-Film wurden durch einen Abzieh-Schritt entfernt. Anschließend wurde das Substrat auf eine MOVPE-Vorrichtung gesetzt, und die Temperatur wurde unter einer Atmosphäre einer Mischung aus Stickstoff, Wasserstoff und Ammoniak auf 1000°C erhöht. TMG und Ammoniak als Bestandteile bildende Materialien und Silan als Dotierungsmittel wurden strömen gelassen, wodurch eine GaN-Schicht vom N-Typ gezüchtet wurde. Die Zeit des Züchtens entsprach dann der erforderlichen Zeit zum Züchten einer 4 μm betragenden Dicke von GaN in einem herkömmlichen Fall ohne konkav-konvexe Oberfläche. Die Probe wurde zum Züchten in einer HVPE-Vorrichtung platziert, wodurch ein GaN-Kristall mit einer Gesamt-Filmdicke von 200 μm erhalten wurde.
  • In der gleichen Weise wie im Beispiel 12 wurde das Saphirsubstrat durch Abschleifen entfernt, um einen GaN-Kristall zu erhalten. Nach dem Züchten wurden die Pits in der Oberfläche ausgewertet. Als Ergebnis zeigte sich eine Reduzierung der Pits auf 8 × 105 cm–2. Durch Wiederholung dieses Beispiels-bestätigte sich die Möglichkeit des Erhalts eines hoch qualitativen GaN-Kristalls mit geringer Versetzung.
  • Industrielle Anwendbarkeit
  • Gemäß der Halbleiterbasis und dem entsprechenden Herstellungsverfahren, die gemäß der vorliegenden Erfindung wie oben beschrieben vorgesehen sind, kann durch Bildung eines konvexen Teils auf einem Substrat ein seitliches Wachstum bewirkt werden, das dazu geeignet ist, einen Bereich mit geringer Versetzung an einem Teil zu bilden, bei dem es sich nicht um eine Maskenschicht handelt. Somit können Probleme gelöst werden, die aufgrund der Bildung einer Maskenschicht verursacht würden, wie z.B. das Auftreten neuer Defekte in dem Verbindungsteil des durch seitliches Züchten gebildeten Teils aufgrund des Mikro-Kippens der Achse, ein Selbstdotierungsproblem, die Unmöglichkeit des Bewirkens eines selektiven Wachstums Al-haltiger Halbleitermaterialien und dergleichen. Nach dem Bilden einer konkav-konvexen Oberfläche auf einem Substrat kann zudem das Wachstum einer Pufferschicht an einer wachsenden Halbleiterkristallschicht wie z.B. einem lichtemittierenden Teil etc. sequentiell mittels eines einzigen Wachstumszyklus erzielt werden, was den Herstellungsvorgang vorteilhafterweise vereinfacht.
  • Kombiniert mit der verbesserten Reflektivität durch die Verwendung des Hohlraums und das Phänomen der Restdehnung und dergleichen ist die vorliegende Erfindung höchst zweckmäßig für die Verbesserung der Eigenschaften und in Bezug auf niedrige Kosten. Insbesondere wenn der Boden des konkaven Teils mit einer Maske bedeckt ist, kann das Wachstum in dem konkaven Teil unterdrückt werden, wodurch die Effizienz des seitlichen Wachstums vergrößert wird.
  • Gemäß dem Verfahren zum Herstellen des Halbleiterkristalls kann eine Halbleiterkristallschicht mit einem großen Flächenbereich durch den Effekt des Unterdrückens der Restdehnung und dergleichen realisiert werden, da der Kontaktbereich zwischen dem Substrat und der Kristallwachstumsschicht klein ist. Somit wird mit der vorliegenden Erfindung das Züchten eines großen Flächenbereichs ermöglicht, was durch das herkömmliche Züchten oder das Dickfilmzüchten mittels ELO bei Ausbildung einer Maskenschicht nicht erreicht werden kann. Ferner löst die Erfindung die Probleme eines durch Mikrokippen der Achse verursachten Auftretens neuer Defekte in dem Verbindungsteil des durch seitliches Wachstum gebildeten Teils, und das Selbstdotierungsproblem. Die vorliegende Erfindung ermöglicht äußerst vorteilhafte Effekte eines Halbleiterkristalls mit großem Flächenbereich, eine Verbesserung der Eigenschaften und niedrige Kosten.
  • Diese Anmeldung basiert auf den in Japan eingereichten Patentanmeldungen Nr. 072133/1999, 335591/1999, 336421/1999 und 353044/1999.

Claims (12)

  1. Halbleiterbasis mit einem Substrat und einer Schicht aus Halbleiterkristall, die durch Dampfphasenwachstum auf dem Substrat ausgebildet ist, wobei eine Kristallwachstumsebene des Substrats durch Ätzen zur Bildung einer konkav-konvexen Oberfläche bearbeitet ist, wobei die Schicht des Halbleiterkristalls aus dem oberen Teil des konvexen Teils der konkav-konvexen Oberfläche und einer Oberfläche des konkaven Teils gewachsen ist, und wobei der Kristall, der seitlich aus dem oberen Teil der konvexen Teile als Startpunkt gewachsen ist, und der Kristall, der aus der Oberfläche des konkaven Teils gewachsen ist, derart miteinander verbunden sind, dass sie die konkav-konvexe Oberfläche des Substrats bedecken.
  2. Halbleiterbasis nach Anspruch 1, bei der der konkave Teil des Substrats mit dem Halbleiterkristall gefüllt ist und frei von Hohlräumen ist.
  3. Halbleiterbasis nach Anspruch 1 oder 2, bei der der Halbleiterkristall ein GaN-Gruppen-Halbleiterkristall ist, der durch AlxGa1-x-yInyN (0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1) definiert ist.
  4. Halbleiterbasis nach Anspruch 3, bei der der Ga-N-Gruppen-Halbleiterkristall GaN ist.
  5. Halbleiterbasis nach Anspruch 3 oder 4, bei der das Substrat aus Saphir (C-Ebene, A-Ebene, R-Ebene), SiC (6H, 4N, 3C), GaN, Si, Spinell, ZnO, GaAs oder NGO ausgebildet ist.
  6. Halbleiterbasis nach einem der Ansprüche 3–5, bei der eine Pufferschicht gezüchtet wird und dann der GaN-Gruppen-Halbleiterkristall auf einer konkav-konvexen Oberfläche eines Substrats gezüchtet wird.
  7. Halbleiterbasis nach Anspruch 6, bei der die Pufferschicht eine GaN-Niedrigtemperatur-Pufferschicht ist.
  8. Halbleiterbasis nach einem der Ansprüche 1–7, bei der die konvexen Teile der konkav-konvexen Oberfläche des Substrats eingestreute konvexe Teile vom Insel-Typ, aus konvexen Linien bestehende konvexe Teile vom Streifen-Typ, gitterartige konvexe Teile oder irgendeines dieser konvexen Teile sind, das durch Kurven geformt ist.
  9. Halbleiterbasis nach einem der Ansprüche 3–7, bei der die konvexen Teile der konkav-konvexen Oberfläche des Substrats parallele Streifen bilden und die Längsrichtung des Streifens die <1-100>-Richtung des GaN-Gruppen-Halbleiterkristalls oder die <11-20> -Richtung des GaN-Gruppen-Halbleiterkristalls ist.
  10. Halbleiterbasis nach Anspruch 9, bei der der konvexe Teil eine Breite von nicht mehr als 5 μm hat.
  11. Halbleiterbasis nach einem der Ansprüche 1–10, bei der der Flächenbereich des konvexen Teils der konkav-konvexen Oberfläche des Substrats nicht mehr als 50% beträgt.
  12. Halbleiterbasis nach einem der Ansprüche 1–11, bei der die Schicht des Halbleiterkristalls als erste Halbleiterkristallschicht verwendet wird, die Oberfläche der ersten Halbleiterkristallschicht derart bearbeitet wird, dass sie eine konkav-konvexe Oberfläche aufweist, und mehrere Halbleiterkristallschichten in einer Vielzahl auf der konkav-konvexen Oberfläche ausgebildet werden, indem ein Züchtungsschritt ähnlich dem Schritt des Züchtens der ersten Halbleiterkristallschicht wiederholt durchgeführt wird.
DE60030279T 1999-03-17 2000-03-15 Halbleiterbasis, ihre herstellungsmethode und halbleiterkristallherstellungsmethode Expired - Lifetime DE60030279T2 (de)

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