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Fachgebiet
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Halbleiterkörper und
ein Herstellungsverfahren für denselben.
Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Struktur,
die brauchbar ist, wenn man ein Halbleitermaterial verwendet, das
mit dem leichten Auftreten von Dislokationsdefekten verbunden ist,
und auf ein Verfahren für
die Bildung derselben.
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Stand der Technik
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Für das Kristallwachstum
eines Materials der GaN-Gruppe wurde ein Substrat, dessen Gitter
mit demjenigen dieses Materials nicht übereinstimmt, wie Saphir, SiC,
Spinell und kürzlich
Si und dergleichen, wegen des Fehlens eines Substrats, dessen Gitter
mit dem der GaN-Gruppe übereinstimmt,
verwendet. Ein hergestellter GaN-Film enthält jedoch Dislokationen bis
zu 1010 Punkten/cm2 wegen
des Fehlens der Gitterübereinstimmung.
Obwohl in den letzten Jahren lichtemittierende Dioden hoher Leuchtkraft,
Halbleiterlaser und dergleichen realisiert wurden, ist eine Reduktion
der Dislokationsdichte zur Verbesserung der Eigenschaften erwünscht.
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Als
ein Verfahren zur Reduktion der Dislokationsdichte, wenn z. B. ein
Halbleitersubstrat der GaN-Gruppe und dergleichen auf einer Pufferschicht
und einem GaN-Substrat durch Aufdampfen wachsen gelassen wird, wurde
ein Verfahren vorgeschlagen, umfassend die Bildung einer partiellen
Maske auf dem oben erwähnten
Substrat und das selektive Wachstum, um ein Kristallwachstum in
der seitlichen Richtung zu erreichen, um dadurch einen Kristall
hoher Qualität
mit einer reduzierten Dislokationsdichte zu ergeben (z. B.
JP-A-10-312971 ).
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Es
wurde klargestellt, dass gemäß dem oben
erwähnten
Verfahren ein dahingehendes Problem auftritt, dass in einem Teil
der Maskenschicht, wo das Wachstum in der seitlichen Richtung erfolgte,
die C-Achse sich in einem geringen Maße zur Richtung des seitlichen
Wachstums hin neigt, was wiederum ein neues Problem einer verschlechterten
Kristallqualität
verursacht (Abstracts G3.1 des MRS Meetings im Herbst 1998).
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Dies
kann durch Messung (Φ Scan)
der Einfallorientierungsabhängigkeit
in der Röntgen-Schwingkurvenmessung
(XRC) bestätigt
werden. D. h. die volle Breite bei halbem Maximum (FWHM) der Röntgen-Schwingkurve
durch einfallende Röntgenstrahlung
aus der Richtung des seitlichen Wachstums ist größer als der FWHM-Wert durch
Röntgenstrahlung
von einer Streifenrichtung einer Maskenschicht, was das Vorliegen
einer Orientierungsabhängigkeit
in der Mikroneigung der C-Achse bedeutet. Dies deutet auf die Möglichkeit
hin, eine Anzahl von neuen Defekten in dem Verbindungsteil des seitlichen
Wachstums auf der Maske einzuleiten.
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Als
Material der Maskenschicht wird im Allgemeinen SiO2 verwendet.
Es wurde jedoch ein dahingehendes Problem gefunden, dass, wenn eine
Kristallwachstumsschicht darauf laminiert wird, die Si-Komponente
in die Kristallwachstumsschicht übertragen
wird, was das Problem einer Autodotierungs-Kontamination darstellt.
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Wenn
ein Al-haltiges Halbleitermaterial wie AlGaN auf einem Substrat
mit einer SiO2-Maskenschicht wachsen gelassen
wird, erfolgt auch ein Kristallwachstum auf der Maskenschicht, wodurch
ein effizientes selektives Wachstum an sich verhindert wird.
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In
einem Versuch zum Lösen
derartiger Probleme wurde ein Verfahren vorgeschlagen, in dem eine Streifenrillen-Verarbeitung
auf ein Substrat angewandt wird, das eine geformte Pufferschicht
und eine GaN-Schicht auf einem SiC-Grundsubstrat aufweist, wobei die SiC-Schicht
die Rille erreicht, um ein konvexes Teil zu bilden, und das Kristallwachstum
ausgehend von der GaN-Schicht am oberen Teil dieses konvexen Teils
beginnt (Abstracts G3.38 des MRS Meetings vom Herbst 1998). Gemäß diesem
Verfahren ist ein selektives Wachstum ohne eine SiO2-Maskenschicht
möglich,
wodurch verschiedene Probleme gelöst werden, die durch die Verwendung
der oben erwähnten
SiO2-Maske verursacht werden.
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Für das oben
erwähnte
Verfahren kann ein Saphir-Substrat als Grundsubstrat verwendet werden,
und das Verfahren dafür
wird auch offenbart (z. B.
JP-A-11-191659 ).
Das oben erwähnte
Verfahren erfordert die Schritte des Kristallwachstums eines Pufferschicht-Materials
und eines Materials der GaN-Gruppe auf einem Saphir-Grundsubstrat,
des Herausnehmens des Substrats aus dem Wachstumsofen, um eine Rillen-Verarbeitung
anzuwenden, und dann wiederum des Kristallwachstums, wodurch sich
die neuen Schwierigkeiten eines komplizierten Produktionsverfahrens,
einer erhöhten
Anzahl von Schritten, höherer
Kosten und dergleichen ergeben.
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Zudem
wurde ein Verfahren zum Unterdrücken
des Fortschreitens der Dislokation durch Bildung konkav-konvexer
Rillen auf einem Substrat und des Wachsenlassens eines Halbleiters
der Galliumnitirid-Gruppe, während
ein Hohlraum in dem konkaven Teil gebildet wurde, offenbart (
JP-A-2000-106455 ).
Gemäß diesem Verfahren
kann eine Fläche
geringer Dislokationsdichte durch ein einziges Wachstum gebildet
werden, es muss aber ein Hohlraum gebildet werden. Wenn somit ein
lichtemittierendes Element und dergleichen hergestellt wird, ist
es unzweckmäßig, wenn
die in dem lichtemittierenden Teil gebildete Wärme zur Substratseite hin freigesetzt
wird, wodurch problematischerweise die thermische Zersetzung der
Laserdiode und dergleichen begünstigt
wird. Da weiterhin dieses Verfahren das Fortschreiten der Dislokation
nicht aktiv steuert, schreitet die Dislokation zum oberen Teil des
konvexen Teils hin fort, wodurch problematischerweise die Reduktion
der Dislokationsdichte ungenügend
wird.
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Offenbarung der Erfindung
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In
Anbetracht der oben erwähnten
Probleme besteht daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin,
verschiedene Probleme zu vermeiden, die durch die Verwendung einer
Maskenschicht verursacht werden, und den Produktionsschritt zu vereinfachen.
Die Erfindung bezweckt zudem das Lösen des Problems des nicht
erreichbaren selektiven Wachstums von AlGaN, das herkömmlicherweise
schwierig ist. Darüber
hinaus zielt die Erfindung darauf ab, das Austreten von Wärme zu vermeiden,
die durch die Bildung von Hohlraumteilen verursacht wird.
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Der
Halbleiterkörper
der vorliegenden Erfindung besteht aus einem Substrat und einem
Halbleiterkristall, der auf dem Substrat durch Wachstum mittels
Aufdampfen gebildet wird, wobei die Kristallwachstumsebene des oben
erwähnten
Substrats eine konkav-konvexe Fläche
ist, und der oben erwähnte
Halbleiterkristall vom konkaven Teil und/oder konvexen Teil aus
wachsen gelassen wird, während
eine Facettenstruktur gebildet wird, wie in den beigefügten Ansprüchen definiert
ist.
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In
einer Streifenstruktur, die durch Unterziehen des oben erwähnten Substrats
einer konkaven-konvexen Verarbeitung erhalten wird, ist es erwünscht, dass
die Längsrichtung
des Streifens parallel zur (11–20)-Ebene
des oben erwähnten
InGaAlN-Kristalls vorliegt und die Präzision derselben nicht größer als
1° ist.
In einer bevorzugten Streifenstruktur ist die Gesamtheit (A + B)
der Breite A des konvexen Teils und der Breite B des benachbarten
konkaven Teils nicht größer als
20 μm, und
die Tiefe H des oben erwähnten
konkaven Teils ist nicht kleiner als 20% der größeren Breite von A oder B.
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Es
ist auch erwünscht,
dass der Winkel, der durch die zunehmende Steigung des konvexen
Teils, der durch die konkav-konvexe Verarbeitung des oben erwähnten Substrats
gebildet wird, und einer Substratebene gebildet wird, nicht kleiner
als 60° ist.
Es ist auch möglich,
einen gekrümmten
Teil an der Unterseite des konkaven Teils vorzusehen.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 stellt
einen Querschnitt dar, um den Zustand des Kristallwachstums des
Halbleiterkörpers
der vorliegenden Erfindung zu erklären.
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2 stellt
einen Querschnitt dar, um den Zustand des Kristallwachstums des
Halbleiterkörpers
der vorliegenden Erfindung zu erklären.
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3 stellt
einen Querschnitt dar, um den Zustand des Kristallwachstums des
Halbleiterkörpers
der vorliegenden Erfindung zu erklären.
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In
jeder der Figuren ist 1 ein Substrat, ist 11 ein
konvexer Teil, ist 12 ein konkaver Teil, ist 13 ein
Hohlraumteil und ist 2 eine Halbleiterschicht.
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Ausführliche
Beschreibung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass eine konkav-konvexe Fläche auf
einem Substrat gebildet wird, bevor die Bildung sogar einer Pufferschicht
und dergleichen erfolgt, wodurch eine Grundfläche bereitgestellt wird, auf
der eine Facettenebene vom Beginn des Kristallwachstums an gebildet werden
kann. D. h. durch Bereitstellen einer konkav-konvexen Fläche auf
dem Substrat wird die konkave Ebene oder die konvexe Ebene, die
durch Stufen getrennt sind, oder werden beide als Einheitsstandardfläche hergestellt,
auf der eine Facettenstruktur durch Wachstum mittels Aufdampfen
wachsen soll. Wenn sowohl die konkave Ebene als auch die konvexe
Ebene als Ebenen hergestellt werden, die zum Wachstum der Facettenstruktur
befähigt
sind, erfolgt das Kristallwachstum in der Gesamtheit der Substratoberfläche im anfänglichen Stadium
des Wachstums, so das sich ein Wachstum ergibt, das eine Facettenebene
sowohl auf dem konvexen Teil als auch aus dem konkaven Teil umfasst.
Wenn demgegenüber
entweder die konkave Ebene oder die konvexe Ebene im Wesentlichen
für ein
Kristallwachstum unfähig
ist, weil sie eine extrem geringe Breite und dergleichen hat, oder
das Kristallwachstum selbst möglich
ist, aber die Fläche
desselben verarbeitet wird und im Wesentlichen für ein Kristallwachstum nicht
befähigt
ist, erfolgt das Wachstum der Facettenstruktur entweder vom konvexen
Teil oder vom konkaven Teil her. In einigen Fällen erfolgt das Wachstum der
Facettenstruktur entweder vom konvexen Teil oder vom konkaven Teil
her, von der anderen Ebene her erfolgt aber das Wachstum einer Nicht-Facettenstruktur.
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Als
Ergebnis wird die Dislokationslinie, die sich vom Substrat in der
C-Achsenrichtung
erstreckt, zur seitlichen Richtung in der Facettenebene gebogen
und kann sich nicht nach oben fortpflanzen. Das anschließende kontinuierliche
Wachstum flacht die Wachstumsebene im Laufe der Zeit ab, und die
Nachbarschaft der Oberfläche
derselben wird eine Fläche
mit geringer Dislokationsdichte aufgrund des Fehlens eines Fortschreitens
der Dislokation vom Substrat. Mit anderen Worten: die Bildung einer
Fläche
mit geringer Dislokationsdichte wird erreicht, ohne dass wie in
den konventionellen Fällen
eine Maskenschicht verwendet wird und ohne dass eine Grundierungsschicht
benötigt
wird. Insbesondere kann das Problem der Wärmeableitung vermieden werden,
da kein Bedürfnis
zur Bildung eines Hohlraumteils besteht.
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Die
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden auf der Grundlage der
Zeichnungen ausführlicher
erklärt.
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Die 1(a) bis 1(c) zeigen
Querschnittsansichten, um den Zustand des Kristallwachstums des
Halbleiterkörpers
der vorliegenden Erfindung zu erklären. In diesen Figuren ist 1 ein
Substrat und 2 ist ein Halbleiterkristall, der durch Wachstum
mittels Aufdampfen auf dem Substrat 1 gezüchtet wurde.
Auf der Kristallwachstumsebene des Substrats 1 sind ein
konvexer Teil 11 und ein konkaver Teil 12 ausgebildet,
die die Grundflächen
darstellen, auf denen eine Facettenebene von dem oben erwähnten konvexen
Teil 11 und/oder konkaven Teil 12 her gebildet
werden soll.
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Das
oben erwähnte
Substrat 1 ist ein Grundsubstrat, auf dem verschiedene
Halbleiterkristall-Schichten in dem Zustand vor der Bildung einer
Pufferschicht und dergleichen für
die Gitter-Übereinstimmung
wachsen gelassen werden sollen. Als derartiges Substrat kann Saphir
(C-Ebene, A-Ebene, R-Ebene), SiC (6H, 4H, 3C), GaN, AlN, Si, Spinell,
ZnO, GaAs, NGO und dergleichen verwendet werden. Die Ebenenrichtung
des Substrats ist nicht speziell eingeschränkt und kann ein einfaches
Substrat oder ein solches mit einem anderen Winkel sein. Zusätzlich dazu
kann ein Saphir-Substrat und dergleichen mit mehreren μm eines epiaxial
darauf gewachsenen Halbleiters der GaN-Gruppe gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet werden.
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Als
Halbleiterschicht, die auf dem Substrat 1 gezüchtet werden
soll, können
verschiedene Halbleitermaterialien verwendet werden. Beispiele für dieselben
umfassen AlxGa1-x-yInyN(0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ x + y ≤ 1), wobei
die Zusammensetzungsverhältnisse
von x und y variieren, wie GaN, Al0,2Ga0,8N, In0,4Ga0,6N und dergleichen.
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Im
Falle eines Halbleitermaterials, das Al enthält, wie AlGaN und dergleichen,
ergibt die konventionelle Maskenmethode ein Wachstumsproblem auf
einer SiO2-Maskenschicht. Da die vorliegende Erfindung
dieses Problem durch Eliminierung des Maskierens löst, kann
nun eine herkömmlicherweise
nicht erreichbare niedrige AlGaN-Dislokationsdichte erreicht werden,
wodurch ein Filmwachstum hoher Qualität und geringer Dislokation
dicht oberhalb des Substrats gewährleistet
wird. Als Ergebnis wird die Lichtabsorption durch die GaN-Schicht – ein Problem
bei einem Ultraviolettlicht-emittierenden Element und dergleichen – gelöst, was vom
praktischen Standpunkt aus gesehen besonders bevorzugt ist.
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Im
Folgenden wird eine Grundfläche
erklärt,
die zur Bildung einer Facettenebene befähigt ist, wobei konkav-konvex
geformte Teile 11 und 12 auf einer Kristallwachstumsebene
des Substrats 1 gebildet werden.
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Für das typische
Wachstum von GaN wird ein Hochtemperatur-GaN-Film auf einem Saphir-C-Ebenen-Substrat
durch eine Niedrigtemperatur-Pufferschicht durch das konventionelle
MOVPE-Verfahren und dergleichen gezüchtet. Wenn ein Hochtemperatur-GaN
auf einer Niedrigtemperatur-Pufferschicht gezüchtet wird, wird die Pufferschicht
zu einem Kern, wobei sich dieser Kern mit dem Wachstum in der seitlichen
Richtung verbindet und flach wird. Weil das Saphir-Substrat frei
von einer Verarbeitung ist, schreitet an diesem Punkt das Wachstum
unter Bildung einer stabilen C-Ebene fort, und GaN wird flach. Dies
ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass
die Wachstumsgeschwindigkeit in der seitlichen Richtung größer ist
als diejenige der stabilen C-Ebene.
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Wenn
andererseits die Wachstumsgeschwindigkeit in der seitlichen Richtung
unterdrückt
wird und die Wachstumsgeschwindigkeit in der C-Achsenrichtung zunimmt,
kann eine schräge
Facette {1–101}
und dergleichen gebildet werden. In der vorliegenden Erfindung wird
die Wachstumsebene des Substrats einer konkav-konvexen Verarbeitung
unterzogen, um das oben erwähnte
Wachstum in der seitlichen Richtung zu unterdrücken.
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In
der vorliegenden Erfindung ist die Form des konkav-konvexen Teils
keiner speziellen Einschränkung
unterzogen, solange der oben erwähnte
Effekt erreicht werden kann, und verschiedene Formen können verwendet
werden.
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Zur
Bildung einer solchen konkav-konvexen Fläche können eingestreute konvexe Teile
vom Inseltyp, konvexe Teile vom Streifentyp, die aus konvexen Linien
bestehen, konvexe Teile vom Gittertyp, konvexe Teile, in denen die
Linien, die dieselben bilden, Kurven sind und dergleichen verwendet
werden.
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Von
diesen Arten des konvexen Teils wird eine bevorzugt, die aus konvexen
Linien bestehende Streifen aufweist, weil die Herstellungsschritte
derselben vereinfacht werden können
und regelmäßige Muster
leicht gebildet werden können.
Obwohl die Längsrichtung
des Streifens jede beliebige sein kann, wenn das Material, das auf
dem Substrat gezüchtet
werden soll, GaN ist, und diese Richtung die <11–20>-Richtung des Materials der
GaN-Gruppe ist, kann das Wachstum in der seitlichen Richtung unterdrückt werden
und schiefe {1–101}-Facetten und dergleichen
leicht gebildet werden. Als Ergebnis ist die Dislokation, die sich
in der C-Achsenrichtung von der Substratseite her ausbreitete, in
dieser Facettenebene zur seitlichen Richtung hin gebogen und widersteht
einer aufwärts
gerichteten Fortpflanzung, was wiederum auf besonders vorteilhafte Weise
eine Fläche
mit geringer Dislokationsdichte bildet.
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Selbst
wenn die Streifenrichtung auf die <1–100>-Richtung eingestellt
ist, können ähnliche
Effekte wie die oben erwähnten
durch Bestimmung der Wachstumsbedingungen, die eine leichte Bildung
der Facettenebene ermöglichen,
erhalten werden.
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Die
Richtung des Streifens, der durch die konkav-konvexe Verarbeitung
des oben erwähnten
Substrats gebildet wird, ist am meisten bevorzugt die <1–100>-Richtung oder die <11–20>-Richtung des InGaAlN-Kristalls.
Weil sie mit einem Wachstumsphänomen
verbunden ist, bei dem benachbarte Facetten verbunden und nivelliert
werden, stimmt die Richtung möglicherweise
jedoch nicht genau mit der oben erwähnten Richtung überein.
Obwohl das Vorliegen eines kleinen Richtungsfehlers tolerierbar
ist, ist es erwünscht,
die Genauigkeit der Streifenrichtung so zu machen, dass sie nicht
größer als
1° ist,
besonders bevorzugt innerhalb von 0,2° liegt, bezogen auf die <11–20>-Richtung des InGaAlN-Kristalls.
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In 1 – wie in
(a) gezeigt ist – wird
das Substrat 1 verwendet, wobei die Breite B eines konkaven Teils 11 und
die Breite A eines konvexen Teils 12 identisch sind. In
diesem Fall schreitet das Wachstum fort, während Facettenebenen sowohl
im konvexen Teil 11 als auch im konkaven Teil 12 gebildet
werden, wodurch die Kristalleinheiten 20 und 21 gebildet
werden. Da im konkaven Teil 12 das Wachstum im Tal zwischen
der Seitenwand und der Facettenebene erfolgt, wie in 1(b) gezeigt ist, ist ein verdecktes Tal
eingeschlossen. Wenn sich das Kristallwachstum in dieser Situation
fortsetzt, wachsen die Kristalleinheit 21 auf dem konvexen Teil 11 und
die Kristalleinheit 21 auf dem konkaven Teil, Filme werden
verbunden und die konkav-konvexe Fläche des Substrats 1 wird
bedeckt, wie in 1(c) gezeigt ist.
In diesem Fall wird eine geringe Dislokationsfläche auf dem oberen Teil gebildet,
wo einst eine Facettenebene gebildet wurde, und der hergestellte
Film erhält eine
hohe Qualität.
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In
der Ausführungsform
von 2 – nicht
gemäß der Erfindung –, wie in
(a) gezeigt ist, wird ein Substrat 1 verwendet, in dem
die Breite A des konvexen Teils 11 enger ist als die Breite
B des konkaven Teils. In diesem Fall schreitet das Wachstum im konvexen
Teil 11 unter Bildung einer Facettenebene fort, und das
Kristallwachstum erfolgt auch im konkaven Teil 12 (2(b)). Wenn in dieser Situation das Kristallwachstum
fortschreitet, werden die Filme, die vom konvexen Teil 11 und
vom konkaven Teil 12 her wachsen, verbunden, um die konkav-konvexe
Fläche
zu bedecken, wie in 2(c) gezeigt ist.
Obwohl eine Fläche
mit geringer Dislokation auf dem oberen Teil 11 gebildet
wird, wo einst eine Facettenebene gebildet wurde, ist es in diesem
Fall jedoch schwierig, die Facettenebene aus der Form des konkaven
Teils 11 zu bilden, und der Effekt des Biegens der Dislokation
zur seitlichen Richtung wird verringert. Obwohl der Effekt der Reduktion
der Dislokationsdichte, verglichen mit der Ausführungsform von 1,
gering ist, erreicht der hergestellte Film somit eine hohe Qualität.
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Obwohl
die Fläche,
wo die Facettenebene gebildet wird, durch die Kombination der Breite
B des konkaven Teils und der Breite A des konvexen Teils stark variiert,
kann die Dislokationsfortpflanzung durch die Bildung von Facettenebenen
gebogen werden, wodurch eine geringe Dislokationsdichte erreicht
werden kann. Obwohl diese Facettenebene so lang sein kann wie die
Dislokationsfortpflanzung gebogen wird, hat in einer bevorzugten
Ausführungsform – wie in 1 gezeigt
ist – die
Kristalleinheit 20, die von einer Facettenstruktur-Wachstumsgrundebene
her wachsen gelassen wird, demgemäß keinen flachen Teil auf ihrer
oberen Ebene, sondern eine Winkelform, wo beide Facettenebenen sich
vollständig
am oberen Teil überkreuzen.
Eine solche in 1 gezeigte Facettenebene wird
bevorzugt, weil sie beinahe alle Dislokationslinien biegen kann,
die von der oben erwähnten
Grundebene her verlaufen, und sie kann zudem die Dislokationsdichte
gerade oben reduzieren.
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Die
Fläche,
wo die Facettenebene gebildet wird, kann nicht nur durch die Kombination
der Breite, sondern auch durch die Änderung der Tiefe h des konkaven
Teils (Höhe
des konvexen Teils) gesteuert werden.
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Wie
oben erwähnt
wurde, schließt
die konkav-konvexe Kombination verschiedenartige Typen ein. Im Hinblick
auf die Anwendung für
ein lichtemittierendes Element sind die Breite des konkaven Teils 12 und
des konvexen Teils 11 und die Tiefe h des konkaven Teils
vorzugsweise derartig, dass die Gesamtheit (A + B) der Breite A
des konvexen Teils und der Breite B des benachbarten konkaven Teils
nicht größer als
20 μm ist,
und die Tiefe h des oben erwähnten
konkaven Teils ist nicht kleiner als 20% der größeren Breite von A oder B.
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Wenn
die zu bildende Facettenebene eine {1–101}-Facette ist, beträgt der Winkel
der Facettenebene mit der Substratebene etwa 60°. Daher ist die Höhe, die
für eine
vollständige
Bildung der Facette notwenig ist, in diesem Fall √3/2 (d.
h. die Quadratwurzel von 3)/2), bezogen auf die Breite der unteren
Fläche.
Wenn die untere Fläche
so angesehen wird, dass sie der Breite B des konkaven Teils oder
der Breite A des konvexen Teils, die die Facetten bilden, entspricht,
sollte A die Höhe
B × √3/2 haben.
Wenn A oder B 20 μm überschreiten,
beträgt
die notwendige Höhe
etwa 17 μm,
wobei sich häufig
die Probleme des Auftretens einer Wölbung aufgrund eines dicken
Substrats, einer langen Zeitspanne für das Wachstum und dergleichen
ergeben. Als Ergebnis der Untersuchungen der Erfinder der vorliegenden
Erfindung konnte – wenn
A + B ≤ 20 μm – das Auftreten
einer Wölbung
reduziert werden, und für
das Wachstum war keine große
Zeitspanne erforderlich.
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Die
Tiefe h des konkaven Teils wurde auch auf die gleiche Weise wie
oben in Betracht gezogen, und es wurde bestätigt, dass, wenn sie auf nicht
weniger als 20% der größeren Breite
von A oder B eingestellt wird, die Facetten gebildet werden und
eine Reduktion der Dislokation gefördert werden kann.
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Der
Winkel, der durch die zunehmende Steigung des konvexen Teils 11,
der durch die konkav-konvexe Verarbeitung des Substrats, und einer
Substratebene gebildet wird, ist vorzugsweise nicht kleiner als
60°, besonders
bevorzugt so nahe wie möglich
an einem rechten Winkel. Wenn er kleiner als 60° ist, beginnt das Wachstum von
der Steigung des konvexen Teils her, und es tritt das Problem der
schwierigen Abflachung nach dem Facettenwachstum auf. Als Ergebnis
der Untersuchungen der Erfinder der vorliegenden Erfindung wurde gefunden,
dass ein Winkel von nicht weniger als 60° – unter anderem eine zunehmende
Steigung in der Nähe eines
rechten Winkels – die
Bildung von Facetten erlaubt und eine Abflachung danach im Wesentlichen
nicht gehemmt wird. Falls es möglich
ist, wird auch ein Steigungswinkel von mehr als 90° bevorzugt.
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Es
ist auch möglich,
eine Krümmung
auf der unteren Fläche
des konkaven Teils 12, der konkav-konvex auf dem Substrat
verarbeitet ist, bereitzustellen. Typischerweise eine Krümmung, die
eine sanfte konkave Fläche
aufweist, wenn sie in einem Querschnitt zwischen der ansteigenden
Basis eines konvexen Teils 11 und der ansteigenden Basis
des benachbarten konvexen Teils 11 betrachtet wird. Wenn
eine solche Krümmung bereitgestellt
wird, kann das Wachstum so gesteuert werden, dass das Wachstum von
dem konkaven Teil 12 her langsam wird und das Wachstum
vom konvexen Teil 11 dominant ist.
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3 zeigt
eine andere Ausführungsform – nicht
gemäß der vorliegenden
Erfindung. Die konkav-konvexe Bildung und dergleichen ist in 1 gezeigt,
wie aber in 3(a) gezeigt ist, wird
in dieser Ausführungsform
eine Maskenschicht 3 auf dem konkaven Teil 12 des
Substrats 1 gebildet, die ein wesentliches Kristallwachstum
von der Fläche
her verhindert. In diesem Fall erfolgt das Wachstum, während eine
Facettenebene gebildet wird, nur vom konvexen Teil 11 her,
die Kristalleinheit 20 wird gebildet (3(b)),
und wenn das Kristallwachstum fortgesetzt wird, werden die Kristalleinheiten 20,
die von jedem konvexen Teil 11 her wachsen, verbunden,
um die konkav-konvexe Fläche
zu bedecken, wie in 3(c) gezeigt ist.
Wenn die Facettenebene gebildet ist, kann auch in dieser Ausführungsform
die Dislokationsfortpflanzung gebogen werden, wodurch eine niedrige
Dislokationsdichte erreicht werden kann.
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In
der oben erwähnten
Ausführungsform
kann als Maskenschicht 3 eine SiO2-Maske und dergleichen verwendet
werden. Die Verarbeitung ist frei von jeglicher Einschränkung, solange
sie ein erhebliches Kristallwachstum verhindert, wie die Bildung
eines dünnen
Films und dergleichen. Indem man zusätzlich dazu entweder den konkaven
Teil oder den konvexen Teil zu einem konkaven Teil mit einer winzigen Öffnung oder
einem konvexen Teil mit einer winzigen Breite macht, die kein wesentliches
Kristallwachstum verursachen können, kann
bewirkt werden, dass das Wachstum der Facettenstruktur nur von einem
dieser ausgeht.
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Oben
wurde eine Ausführungsform
erklärt,
bei der nur eine einzige Schicht der Halbleiterschicht 2 auf dem
Substrat 1 gezüchtet
wird. Um die Dislokationsdefekte weiterhin zu reduzieren, kann ein ähnlicher
Schritt wiederholt werden. Weiterhin können ähnliche Schritte wiederholt
werden, um mehrere Halbleiterschichten in einer Vielfalt zu bilden.
Diese Anordnung kann allmählich
die Dislokation reduzieren, die sich fortpflanzt, wenn die Schichten
laminiert sind.
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Ein
konvexer Teil kann durch eine konventionelle Photolithographie-Technik
gebildet werden, die die Musterbildung gemäß der Form des konvexen Teils
und die Anwendung einer Ätzverarbeitung
durch die RIE-Technik und dergleichen umfasst.
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Als
Verfahren zum Kristallwachstum einer Halbleiterschicht auf einem
Substrat können
HVPE, MOVPE, MBE und dergleichen durchgeführt werden. Wenn ein dicker
Film hergestellt werden soll, wird das HVPE-Verfahren bevorzugt,
wenn aber ein dünner
Film hergestellt werden soll, werden das MOVPE- und MBE-Verfahren bevorzugt.
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Die
Bildung der Facettenebene kann durch die Wachstumsbedingungen (Art
des Gases, Wachstumsdruck, Wachstumstemperatur und dergleichen)
für das
Kristallwachstum gesteuert werden. Im Falle des Dekompressionswachstums
führt ein
geringerer NH3-Partialdruck zur leichten
Bildung von Facetten in der <1–101>-Ebene, und das Wachstum
bei normalem Druck führt
zur leichten Bildung von Facettenebenen, verglichen mit einem reduzierten
Druck.
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Wenn
die Wachstumstemperatur ansteigt, wird das Wachstum in der seitlichen
Richtung gefördert, und
das Wachstum bei einer niedrigen Temperatur verursacht ein schnelleres
Wachstum in der C-Achsenrichtung als das Wachstum in der seitlichen
Richtung, wodurch sich leicht eine Facettenebene bilden lässt.
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Das
Obige zeigt, dass die Facettenform durch die Wachstumsbedingungen
gesteuert werden kann. Solange der Effekt der vorliegenden Erfindung
gewährleistet
ist, können
andere Bedingungen gemäß dem Zweck
verwendet werden.
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Wenn
die Facettenebene gebildet ist und die Dislokation in der seitlichen
Richtung gebogen ist, werden die Wachstumsbedingungen vorzugsweise
geändert,
um das Wachstum in der seitlichen Richtung zu fördern, damit GaN abgeflacht
wird. Um dies zu erreichen, können
die Wachstumsbedingungen, unter denen sich die Facettenebene schwer
bilden lässt,
verwendet werden, entgegen dem oben Ausgeführten.
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Beispiele
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Beispiel 1
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Ein
Photoresist-Muster (Breite: 2 μm,
Periode: 4 μm,
Streifenrichtung: die Streifenausdehnungsrichtung ist die <1–100>-Richtung des Saphir-Substrats)
wurde auf einem C-Ebenen-Saphirsubstrat hergestellt und zu einer
Tiefe von 2 μm
in einem quadratischen Querschnitt mit einer RIE(reaktives Ionenätzen)-Apparatur geätzt. Das
Aspektverhältnis
war dann 1. Nach dem Entfernen des Photoresists wurde das Substrat
in eine MOVPE-Apparatur gelegt. Dann wurde die Temperatur unter
einer Wasserstoffatmosphäre
auf 1100°C
erhöht, und
das thermische Ätzen
wurde durchgeführt.
Die Temperatur wurde auf 500°C
abgesenkt, und Trimethylgallium (nachstehend TMG) als Ausgangsmaterial
der Gruppe III und Ammoniak als N-Ausgangsmaterial wurden strömen gelassen,
um eine Niedrigtemperatur-GaN-Pufferschicht zu züchten. Dann wurde die Temperatur
auf 1000°C
erhöht,
und TMG und Ammoniak als Ausgangsmaterialien und Silan als Dotiermittel
wurde strömen gelassen,
um eine GaN-Schicht vom n-Typ zu züchten. Die Zeit für das Wachstum
war eine Zeitspanne, die derjenigen für ein konventionelles GaN-Wachstum
von 2 μm
ohne konkav-konvexen
Teil entspricht.
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Eine
Beobachtung des Querschnitts nach dem Wachstum ergab ein Wachstum
sowohl im konvexen Teil als auch im konkaven Teil, wie in 1(b) gezeigt ist.
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Das
Wachstum wurde gemäß einem ähnlichen
Verfahren während
einer Zeitspanne durchgeführt,
die einem konventionellen GaN-Wachstum von 6 μm ohne konkav-konvexen Teil
entspricht. Als Ergebnis wurde ein abgeflachter GaN-Film erhalten,
der den konkav-konvexen Teil bedeckt.
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Zur
Messung der Dislokationsdichte wurde die oben erwähnte Probe
in einer H2SO4:H3PO4-Lösung von
1:1 (250°C)
90 Minuten lang geätzt,
und die Anzahl der geformten Vertiefungen wurde gezählt. Zusätzlich dazu
wurde die Trägerdichte
des erhaltenen Films durch Hall-Messung bestimmt. Weiterhin wurde
auch die volle Breite beim halben Maximum der Röntgen-Schwingkurve gemessen.
-
Zum
Vergleich wurden eine Wachstumsprobe auf einem Saphir-Substrat,
das von einer konkav-konvexen Verarbeitung frei ist, und eine Probe,
die 2 μm
GaN umfasst, das auf einem Saphir-Substrat gezüchtet wurde, das frei von einer
konkav-konvexen Verarbeitung ist, eine SiO
2-Maske,
die in der gleichen wie oben erwähnten
Streifenrichtung und -breite gebildet wurde, und ein GaN von 4 μm, das auf
dem Substrat gezüchtet wurde,
hergestellt. Die Bewertungsergebnisse für jede Probe sind in der Tabelle
1 aufgeführt. Tabelle 1
Probe | Dislokationsdichte
(cm–2) | Trägerdichte
(cm–3) | FWHM
von XRC (s) |
Beispiel
1 | 1 × 107 | 1 × 1016 | 170 |
konventionelles
ELO | 4 × 107 | 5 × 1017 | 200–400 |
normales
GaN | 2 × 109 | 1 × 1016 | 220 |
-
Es
ist offensichtlich, dass die Dislokationsdichte in der Probe des
Beispiels stärker
reduziert wurde als in konventionellem ELO.
-
Es
wird angenommen, dass dies auf das Auftreten einer Biegung der durchdringenden
Dislokation auch im konkaven Teil zurückzuführen ist.
-
Demgegenüber war
die Trägerdichte
auf dem gleichen Niveau wie beim allgemeinen GaN-Wachstum. Das FWHM
von XRC betrug 107 Sekunden, was den niedrigsten Wert darstellte,
und der Film hatte bei der allgemeinen Bewertung eine hohe Qualität.
-
Beispiel 2 (nicht gemäß der Erfindung)
-
Die
Arbeitsweise des Beispiels 1 wurde befolgt, außer dass die Form des konkav-konvexen Teils wie folgt
geändert
wurde: (Breite: 2 μm,
Periode: 6 μm,
Streifenrichtung: <1–100> des Saphir-Substrats),
und es wurde zu einer Tiefe von 0,5 μm durch die RIE-Apparatur in
einem quadratischen Querschnitt geätzt.
-
Eine
Beobachtung des Querschnitts nach dem Wachstum ergab einen abgeflachten
Film, in dem der konkav-konvexe Teil wie im Beispiel 1 verdeckt
war, was in 2(c) gezeigt wird. Zur
Beobachtung der Dislokationsdichte wurden Vertiefungen gebildet,
und die Anzahl derselben wurde auf die gleiche Weise wie im Beispiel
1 gezählt.
-
Vertiefungen,
die einer Dislokation entsprechen, wurden auf dem oberen Teil des
konvexen Teils kaum gefunden. Es wird angenommen, dass dies das
Ergebnis des Wachstums ist, das sich auf dem konvexen Teil in dem
Zustand fortsetzte, in dem die Facettenebene gebildet wurde, und
die Dislokation war in der seitlichen Richtung gebogen.
-
Auf
den konkaven Teilen zeigten solche, die nahe bei dem konvexen Teil
vorlagen, nicht sehr viele Vertiefungen, aber eine Anzahl von Vertiefungen
wurde in der Fläche
(Breite 4 μm)
in der Nähe
des Mittelpunkts gefunden. Es wird angenommen, dass dies das Ergebnis
der Dislokation ist, die sich aufgrund des Fehlens der Facettenebene
in der Nähe
des Mittelpunkts des konkaven Teils zur Oberfläche fortsetzte. Wenn jedoch der
gesamte Wafer betrachtet wird, ist es klar, dass die Dislokationsdichte,
verglichen mit dem Wachstum auf dem Substrat, das keine konkav-konvexe
Verarbeitung aufweist, reduziert war.
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Beispiel 3 (nicht gemäß der Erfindung)
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Die
Arbeitsweise von Beispiel 1 wurde befolgt, um GaN zu züchten, außer dass
eine SiO2-Maske auf dem konkaven Teil gebildet
wurde. Die Beobachtung des Querschnitts des Films nach einem Wachstum,
das 2 μm
entsprach, zeigte, dass GaN mit einer Facettenebene gezüchtet wurde,
die auf dem oberen Teil des konvexen Teils gebildet wurde, wie in 3(b) gezeigt ist. Es wurde jedoch kein
Film in dem konkaven Teil gebildet.
-
Weiteres
Wachstum ergab ein Verbinden der Facetten auf den oberen Teilen
der benachbarten konvexen Teile. Danach wurde das Wachstum fortgesetzt,
um den verbundenen Tal-Teil zu verdecken, und es wurde rechtzeitig
ein GaN-Film erhalten, der einen Hohlraum auf dem oberen Teil des
konkaven Teils aufweist.
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Vertiefungen
wurden durch Ätzen
gebildet. Als Ergebnis wurde bestätigt, dass einige Vertiefungen,
die der Dislokation entsprechen, im Zentrum des konkaven Teils vorliegen.
Außer
diesen wurden kaum Vertiefungen beobachtet.
-
Beispiel 4
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Eine
AlGaN-Auskleidungsschicht vom n-Typ, eine lichtemittierende InGaN-Schicht, eine AlGaN-Auskleidungsschicht
vom p-Typ und eine GaN-Kontakschicht vom p-Typ wurden nacheinander
auf dem Film, der im Beispiel 1 erhalten wurde, gebildet, um einen
Ultraviolett-LED-Wafer mit einer lichtemittierenden Wellenlänge von
370 nm zu ergeben.
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Dann
wurden Elektroden gebildet, und das Element wurde abgetrennt, um
ein LED-Element zu ergeben. Die mittlere Leistung und die Umkehrstrom-Charakteristik (Verluststrom
nach dem Anlegen von –10
V) von LED-Chips, die aus dem ganzen Wafer gewonnen wurden, wurden
bewertet. Zum Vergleich wurden Ultraviolett-LED-Chips, in denen
die oben erwähnte
Struktur durch eine konventionelle ELO-Technik hergestellt wurde,
und Ultraviolett-LED-Chips, in denen die oben erwähnte Struktur
unter Verwendung eines konventionellen Saphir-Substrats hergestellt
wurde, gebildet. Die Bewertungsergebnisse derselben sind in der
Tabelle 2 aufgeführt. Tabelle 2
Probe | Leistung
(mW)
(elektrischer Strom 20 mA) | Verluststrom
nach Anlegen von –10
V |
Beispiel
4 | 1,7 | 10
(nA) |
konventionelles
ELO | 1,5 | 50
(nA) |
normales
GaN | 0,9 | 1
(μA) |
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Wie
aus Tabelle 2 ersichtlich ist, zeigte die Probe, welche gemäß der vorliegenden
Erfindung hergestellt wurde, eine höhere Leistung, verglichen mit
dem konventionellen Beispiel, und es zeigte sich, dass eine LED
hoher Qualität
mit einem geringeren Verluststrom hergestellt werden konnte.
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Beispiel 5
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Die
Arbeitsweise des Beispiels 1 wurde befolgt, außer dass Trimethylaluminium
(TMA) beim Wachsenlassen einer Halbleiterschicht zugegeben wurde.
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Als
Ergebnis wurde ein flacher Film von AlGaN (Al-Zusammensetzung: 0,2)
so gezüchtet,
dass der konkav-konvexe Teil bedeckt war. Vertiefungen wurden durch Ätzen gebildet.
Als Ergebnis ergaben sich nicht viele Vertiefungen, die der Dislokation
im oberen Teil des konkaven Teils entsprechen. Es wurde daher bestätigt, dass
ein AlGaN-Film mit hoher Qualität
(geringe Dislokationsdichte) gemäß der vorliegenden
Erfindung hergestellt werden kann, der durch die konventionelle
ELO-Technik nicht erreicht wurde.
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Beispiel 6 (nicht gemäß der Erfindung)
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Das
Folgende zeigt eine Ausführungsform
unter Verwendung von GaN als Substrat. Ein Photoresist-Muster (Breite:
2 μm, Periode:
4 μm, Streifenrichtung: <11–20> des GaN-Substrats)
wurde auf einem GaN-Substrat hergestellt und zu einer Tiefe von
2 μm in
einem quadratischen Querschnitt mit einer RIE-Apparatur geätzt. Nach dem Entfernen des
Photoresists wurde das Substrat in eine MOVPE-Apparatur gelegt.
Dann wurde die Temperatur unter einer Atmosphäre eines Stickstoff-Wasserstoff-Ammoniak-Gemisches
auf 1000°C erhöht.
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Danach
wurden TMG-Ammoniak als Ausgangsmaterial und Silan als Dotiermittel strömen gelassen, um
eine GaN-Schicht vom n-Typ zu züchten.
Die Wachstumszeit entsprach dann 4 μm des konventionellen GaN-Wachstums
ohne konkav-konvexen
Teil.
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Die
Beobachtung des Querschnitts nach dem Wachstum ergab einen abgeflachten
GaN-Film, der den konkav-konvexen Teil des Substrats bedeckte. Dann
wurden die Vertiefungen in dem erhaltenen Film bewertet. Die Vertiefungsdichte
von GaN, das als Substrat verwendet wurde, betrug 2 × 106 cm–2, das Wachstum in diesem
Beispiel ergab aber eine Abnahme der Anzahl der Vertiefungen, wie
sich durch 1 × 106 cm–2 im oberen Teil des
konkaven Teils und durch 5 × 104 cm–2 im oberen Teil des
konvexen Teils zeigte. Somit wurde bestätigt, dass ein weiterer Reduktionseffekt
der Dislokationsdichte in einem Substrat mit weniger Dislokation
erreicht wurde.
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Beispiel 7
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Unter
Verwendung eines im Beispiel 1 hergestellten GaN-Kristalls als erstem
Kristall wurde ein zweiter Kristall darauf wachsen gelassen. Ein
Photoresist-Muster
(Breite: 2 μm,
Periode: 4 μm,
Streifenrichtung: <11–20> des GaN-Substrats) wurde
auf dem ersten GaN-Kristall hergestellt und zu einer Tiefe von 2 μm in einem
quadratischen Querschnitt mit einer RIE-Apparatur geätzt. Die
Musterbildung wurde so durchgeführt, dass
der konkave Teil des ersten Kristalls auf dem konvexen Teil des
Substrats angeordnet wurde. Nach dem Entfernen des Photoresists
wurde das Substrat in eine MOVPE-Apparatur gelegt. Dann wurde die
Temperatur unter einer Atmosphäre
eines Stickstoff-Wasserstoff-Ammoniak-Gemisches
auf 1000°C
erhöht.
Danach wurden TMG-Ammoniak als Ausgangsmaterial und Silan als Dotiermittel
strömen
gelassen, um eine GaN-Schicht vom
n-Typ zu züchten.
Die Wachstumszeit entsprach dann 4 μm des konventionellen GaN-Wachstums
ohne konkav-konvexen Teil.
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Die
Beobachtung des Querschnitts nach dem Wachstum ergab einen abgeflachten
GaN-Film, der den konkav-konvexen Teil des Substrats bedeckte. Dann
wurden die Vertiefungen in dem erhaltenen Film bewertet. Als Ergebnis
nahm die Anzahl der Vertiefungen auf 8 × 105 cm–2 ab.
Somit wurde bestätigt,
dass ein weiterer Redukti onseffekt der Dislokationsdichte durch
Wiederholen dieses Beispiels erreicht werden konnte.
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Gewerbliche Anwendbarkeit
-
Gemäß dem oben
beschriebenen Halbleiterkörper
der vorliegenden Erfindung und dem Herstellungsverfahren für denselben
kann eine Grundfläche,
die eine Facettenebene bilden kann, vom Beginn des Kristallwachstums
an ohne Verwendung einer Maskenschicht durch Verwendung der konkav-konvexen
Verarbeitung des Substrats hergestellt werden. Daher können die
Probleme des Auftretens neuer Defekte im Verbindungsteil des durch
das seitliche Wachstum gebildeten Teils aufgrund der Mikroneigung
der Achse, einer Autodotierung und eines fehlenden selektiven Wachstums
von Al-haltigen Halbleitermaterialien, die auf die Bildung einer Maskenschicht
zurückzuführen sind,
gelöst
werden. Da das Wachstum vom Wachstum einer Pufferschicht an bis
zum Wachstum einer Halbleiterkristallschicht, wie eines lichtemittierenden
Teils und dergleichen, weiterhin kontinuierlich in einem einzigen
Wachstum nach der Bildung einer konkav-konvexen Fläche auf
einem Substrat durchgeführt
werden kann, kann das Produktionsverfahren vorteilhafterweise vereinfacht
werden. Da insbesondere keine Notwendigkeit zur Bildung von Hohlraumteilen
vorliegt, kann ein zusätzlicher
Effekt, nämlich dass
das Problem der Wärmeableitung
vermieden werden kann und dergleichen, erreicht werden, wodurch
die Erfindung für
die Verbesserung von Eigenschaften und die Kostenreduktion sehr
wertvoll wird.
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Diese
Anmeldung basiert auf den Patentanmeldungen Nr.
282047/2000 und
68067/2001 , die in Japan angemeldet
wurden.