TW200415712A - GaN single crystal substrate and method of making the same - Google Patents

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TW200415712A
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Kensaku Motoki
Takuji Okahisa
Naoki Matsumoto
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Sumitomo Electric Industries
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Description

200415712 玖、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於使用氮化鎵（GaN)等氮化物系化合物半 導體的發光二極管、半導體雷射等之發光裝置或電效應電 晶體管等電子裝置用基板及其製造方法。 【先前技術】 過去，應用氮化物系化合物半導體的發光裝置中有使用 較為穩定的藍寶石基板。 然而，藍寶石不具有劈開面，因此半導體雷射中使用藍 寶石基板時，會構成無法利用劈開面而製造反射面的問題。 此外，以藍寶石為發光裝置等之基板材質時，因為藍寶 石基板與成長於該藍寶石基板上的磊晶層之間的晶格不一 致，或熱膨脹係數相差等原因，也會發生磊晶層中多次產 生差排等結晶缺陷的問題。 為解決如此以藍寶石為發光裝置等之基板時所發生的問 題，而開發的技術則有如特開平8_116〇9〇號公報中揭示半 導體發光7L件之製造方法。該半導體發光元件之製造方法 係砷化鎵（GaAs)基板等之半導體結晶基板上成長氮化鎵系 半導體層之後，去除半導體結晶基板（GaAs層），並以留下 的氮化鎵系化合物半導體層為新的基板，其上面蠢晶層成 長氮化鎵系化合物半導體單結晶層作為動作層，以製造半 導體發光元件。 根據該特開平8-116〇9〇號公報之技術，氮化鎵系化合物 半導體層與成長於該半導體層上的氮化鎵系化合物半導體
O:\91\91269.DOC 200415712 單結晶層（蠢晶層）的晶格常數或熱膨漲系數較接近，因此在 半導體單結晶層（磊晶層）上不易發生差排的原因所引起的 晶格缺陷。並且基板與成長在該基板上之動作層均為氮化 鎵系化合物半導體層。是故，同一種結晶拼在一起，較容 易劈開，於是半導體雷射等反射鏡之製造較為簡便。 【發明内容】 然而，依上述特開平8_116090號公報上所揭示之製造方 法製造GaN基板時，因晶格不一致等原因該基板之結晶品 質極為低劣，同時，因結晶缺陷而產生内部應力，發生較 大的、考曲，疋故未能得至實用化。之後，隨著技術的進步 產生更要提高使用氮化鎵系化合物半導體之光半導體裝置 特性的需求，於是發生由本發明人等人製造更高品質的 GaN單結晶基板之需要。為此需更進一步減少發生在 單結晶基板的磊晶層上之差排等結晶缺陷。若能減少結晶 缺陷，即可製造出具有高品質的結晶，内部應力低，二 乎不會發生彎曲的GaN單結晶基板。 本發明係鑒於如此情形而創作，以提供GaN降低差排等 紇aa缺陷之單結晶基板及其製造方法為目的。 本發明有關於GaN單結晶基板的製造方法係，其特徵為 具備有-遮蔽罩層形成步驟，在GaAS基板上具有相互隔離 而佈置之複數開口冑；以及一磊晶層形成步驟，該遮蔽罩 層上成長GaN而成的磊晶層。 根據本發明之GaN單結晶基板的製造方法，在遮蔽罩層 的各開Π窗内形成了 GaN核，而該GaN核漸漸地向遮蔽軍^
O:\91\91269.DOC 200415712 的橫向，即，向著沒有形成遮蔽罩層之開口窗的遮蔽罩部 上方，毫無障礙，自由地橫向成長（lateral)，而當GaN核橫 向成長時，GaN核内的缺陷卻沒擴充，因此得形成大幅降 低結晶缺陷的GaN單結晶基板。 再者，由GaN而成之下層蠢晶層在於遮蔽罩層之開口窗 下方，而該下層屋晶層上形成由GaN而成之上述屋晶層， 因此該磊晶層之結晶缺陷更為降低，即差排等結晶缺陷係 其部位愈接近緩衝層密度愈高。如此將下層蠢晶層先成長 一次，而離缓衝層一定的距離形成遮蔽罩層，則較未成長 下層磊晶層的情形，得降低結晶缺陷之發生。 再者，關於本發明之GaN單結晶基板的製造方法，上述 磊晶層成長步驟之前，更具備有上述遮蔽罩層的該開口窗 之上述GaAs基板上形成緩衝層的緩衝層形成步驟，亦較為 理想。 此時，將磊晶層成長一次，即可形成大幅度地降低結晶 缺陷的GaN單結晶基板，從而得以降低成本。再者，將GaN 磊晶層成長在GaAs基板上時，形成近於非晶形的GaN低溫 緩衝層或A1N緩衝層後高溫成長GaN，則即使晶格不整合的 程度較為大，亦可成長蠢晶層’而形成低溫緩衝層時’由 Si02、Si3N4而成的遮蔽罩層之遮蔽部上不會成長低溫緩衝 層，只在開口窗才會形成。 再者，關於本發明之GaN單結晶基板的製造方法，上述 磊晶層是在厚度5-300 /z m的範圍内成長，而在上述磊晶層 成長步驟之後，更具備有去除上述GaAs基板的GaAs基板去
O:\91\91269.DOC 200415712 除步驟，以及在上述磊晶層上使GaN而成之第二磊晶層沈 積成長的步驟亦較為理想。 此時’因為在成長第二磊晶層之前除去GaAs基板。是故， 可預防由於GaAs基板與緩衝層及磊晶層之間的熱膨脹係數 差距所引起的熱應力之發生，而降低發生在磊晶層的裂痕 及内部應力，從而得形成沒有裂痕且大幅度地降低結晶缺 陷的GaN單結晶基板。 再者，關於本發明之GaN單結晶基板的製造方法，將上 述遮蔽罩層的該開口窗以間距L往上述下層磊晶層的〈 1〇-1〇>方向複數排列，以形成< 1〇-1〇>窗群。同時，將該 < 10-10 >窗群往上述下層磊晶層的< 方向以間距 d(< 0.75L$ 1.3L)複數並設。並且該< 1(M〇>窗群係對 於其中心位置相鄰的各該< i 〇_丨〇 >窗群之各開口窗中心 位置，在< 10-1 〇 >方向偏錯約i/2L而並設較為理想。 此時，各< 1(Μ〇>窗群的各開口群係，因為對於其中心 位置相鄰的< 1(Μ〇>窗群中心位置，往< 1〇_1〇>方向偏錯 約1/2L。是故，從各開口窗成長的正六角錐或正六角錐台 的GaN結晶粒係，與相鄰的開口窗中成長的結晶粒之間幾 乎不會發生坑狀，其連接沒有間隙，從而得降低磊晶層的 結晶缺陷及内部應力。 再者’關於本發明之GaN單結晶基板的製造方法，在上 述GaAs基板之（U1)面上以間距L將上述遮蔽罩層的該開口 窗往<U_2>方向複數排列，以形成<1卜2>窗群，同時，將 該窗群以間距d(<〇.75L$d$ 1.3L)往上述GaAs基板（111)面
O:\91\91269.DOC -9- 200415712 之<-110>的方向複數排列。並且，上述各<u_2>窗群係上 述開口窗之中心位置相鄰的上述<u_2>窗群之該各開口窗 中心位置，往<11-2>方向偏錯約1/2L較為理想。 此時’因為各cU-2>窗群之各開口窗係對於其中心位置 相鄰的<U-2>窗群之該各開口窗中心位置，往<u_2>方向 扁m/2L’疋故’從各窗成長的正六角錐或正六角錐台 之⑽結晶粒係與從相鄰窗成長的結晶粒之間幾乎不會發 生坑狀’其連接無間隙，從而得降低蟲晶層的結晶缺陷與 内部應力。 再者，關於本發明之GaN單結晶基板的製造方法，在於 述猫BB層形成步驟更具備有—切割步驟，使上述蟲晶層 ，長得更厚，以形成GaN單結晶的晶鍵，而該晶旋切割成 複數片，亦較為理想。 2時’目為將GaN單結晶的晶錠切割成複數片，一次的 ，处里即可知到降低結晶缺陷的複數片GaN單結晶基 板0 、關於本务明之GaN單結晶基板的製造方法，在於 ^述，晶層形成步驟更具備有一劈開步驟，使上述蠢晶層 :、仔更#卩形成GaN單結晶的晶旋，而該晶鍵臂開成 複數片，亦較為理想。 :時因為將GaN單結晶的晶旋劈開成複數片，一次的 * P可知到降低結晶缺陷的複數片GaN單結晶基 板0 再者 關於本發明之GaN單結晶基板的製造方法，更具
O:\91\91269.DOC 200415712 2-晶旋形成步驟，藉由上述製造方法所得到的㈣單 ::,板上使成長更厚的由GaN而成之磊晶層，以形成⑽ 早…晶的晶錠；以及—切割步驟，將該晶錠切割成複數片， 亦較為理想。 、此1* ’、要藉由上述製造方法製造的單結晶基板上 士長GaN磊晶層’以形成晶錠，而切割該晶錠，即可得到 復數片的GaN單結晶基板，易言之，、經由簡單作業即可製 造出降低結晶缺陷之複數片GaN單結晶基板。 【實施方式】 以下芩佐檢附圖示詳加說明本發明之理想的實施形態。 各實施形態的說明中有使用肖晶的晶格方向及晶格面的情 ^仁疋，在此預先說明晶格方向及晶格面的記號，個別 方位係〔〕、集合方位係 < >、個別面係（）及集合面係㈠ 各表示之。並且關於負的指數，結晶學上應在數字上加，，一 (bar) ’但疋’為方便撰寫專利說明書，加負號改在數字前 面。 [第一實施形態] 參佐圖1A〜圖1D的製造步驟圖說明第一實施形態相關 GaN單結晶基及其製造方法。 首先依圖1A所示之第一步驟將GaAs基板2設置在汽相成 長裝置的反應容器内。作為GaAs基板2可採用GaAs(lll)面 為Ga面的GaAs(lll)A基板或GaAs(lll)面為As面的 G a A s (111 )B基板之任何一種。 將GaAs基板2設置在汽相成長裝置的反應容器内之 O:\91\91269DOC -11 - 200415712 後，該GaAs基板2上形成由GaN而成的缓衝層4。缓衝層4 的形成方法有如：HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy)法，有 機氯化物汽相成長法及MOCVD法等之汽相成長法，以下詳 述該等各汽相成長法。 首先說明HVPE法。圖2所示為使用於HVPE法的常壓汽相 成長裝置。該裝置具備有：一反應室59;具有第1氣體引進 孔5 1、第2氣體引進孔5 3、第3氣體引進孔5 5及排氣孔5 7， 以及加熱該反應室59的電阻加熱電熱器61而構成。並且反 應室59内設有Ga金屬供應孔63以及支承GaAs基板2的旋轉 支承構件65。 使用如此汽相成長裝量的緩銜層形成方法之說明如次： 作為GaAs基板2使用GaAs(lll)A基板時，藉由電阻加熱 電熱器61將GaAs基板2加熱至約450°C〜530°C，而保持該溫 度狀怨彳之從第2氣體孔53以分壓4χ 10 4atm〜4χ 1 〇-3atm將氯 化氫（HC1)引進至金屬供應孔63，由此處理使Ga金屬與氯化 氫（HC1)互相反應，產生氯化鎵（GaC1)。接著從第i氣體孔 51以分壓〇_1 atm〜0.3atm引進氨（NH〇，而在接近GaAs基板2 之處使該NH3與GaCl反應，以產生氮化鎵（GaN)，並且在第 1氣體引進孔51與第2氣體引進孔53引進氫（HO以作載子氣 體’而弟3氣體孔55則只引進氫（pj?)。如此條件之下成長 約20分〜40分鐘，從而在GaAs基板2上形成厚度約5〇〇 A〜1200 A的GaN而成之緩衝層4。利用HVPE法，則即使增 加氯化鎵（GaCl)的合成量，緩衝層的成長速度上並無太大 變化，可謂反應律速。 O:\91\91269.DOC -12- 200415712 再者’作為GaAs基板2將用GaAs(lll)B基板時，亦與採
K 用GaAs(lll)A基板的情形幾乎同樣條件之下，得以形成緩 衝層。 接著，說明有機金屬氯化物汽相成長法。圖3所示為使用 於有機金屬氯化物汽相成長法的成長裝置。該裝置具備有· 一反應室79;具有第1氣體引進孔71、第2氣體引進孔73、 第3氣體引進孔75及排氣孔77，以及加熱該反應室79的電阻 加熱電熱器81而構成。並且反應室79内設有支承GaAs基板2 的旋轉支承構件83。 _ 使用如此成長裝置的緩衝層4形成方法之說明如次： 作為GaAs基板2使用GaAs(lll)A基板時，藉由電阻加熱 電熱器81將GaAs基板2加熱至約450。(：〜530°C，而保持該溫 度狀態從第1氣體孔71以分壓4χ 10-4atm〜2χ 10-3atm將三甲 基鎵（TMG)引進，同時，從第2氣體孔73以分壓4xl(T4atm〜 2xl(T3atm將等量之氯化氫（HC1)引進。由此處理使三曱基錄 (TMG)與氯化氫（HC1)互相反應，產生氯化鎵（GaC1)。接著 籲 從第3氣體孔75以分壓0.1 atm〜0.3atm引進氨（NH3)，而在接 近GaAs基板2之處使該NH3與GaC 1反應，以產生氮化嫁 (GaN)。並且在第1氣體引進孔71與第2氣體引進孔73及第3 氣體引進孔各引進氫（H2) ’以作載子氣體。如此條件之下 成長GaN約20分〜40分鐘，從而在GaAs基板2上形成厚度約 5 00 A〜1200 A的GaN而成的緩衝層4。此時，缓衝層4的成長 速度可調整為約0.08 // m/hr〜0.1 8 // m/hr。 再者，作為GaAs基板採用GaAs(lll)B基板時，亦可與 O:\91\91269.DOC -13 - 200415712
GaAs(lll)A基板幾乎相同條件之下形成緩衝層。 再者’所謂MOCVD法係指在冷壁型反應爐加熱的GaAs 基板2上將含有三甲基鎵（TMG)之類的有機金屬、氨（NHj 及載子氣體一同喷出，以GaAs基板2上成長GaN的一種方 法。在此’將含有Ga的有機金屬等喷在GaAs基板2時之該 GaAs基板2的溫度係採用GaAs(1 i 1)A基板則約45〇。〇〜55〇 °C ’而採用GaAs(lll)B基板則約450°C〜550°C較為理想。再 者’就含有Ga的有機金屬而言，除tmg之外亦可使用，例 如三乙鎵（TEG)等。 以上為形成緩衝層4的汽相成長法，形成緩衝層4後，在 該緩衝層4上成長由GaN而成的第！磊晶層6(下層磊晶層）。 第1磊晶層6的成長係與緩衝層4的形成方法同樣地可以使 用HVPE法、有機金屬氯化物汽相成長法或M〇CVD法等汽 相成長法。以下說明利用該等汽相成長法成長第丨磊晶層6 的最適當條件。 利用HVPE法成長第1磊晶層6之時，與緩衝層4的形成同 樣可以使用第2圖所示之裝置，而作為GaAs基板2採用 GaAs(lll)A基板時，利用電阻加熱電熱器61將GaAs基板2 的加熱至約92(TC〜103(rc，並保持該狀態成長第i磊晶層 6。此日守，第1磊晶層6的成長速度可調整為約2〇 # m/h卜約 200 /zm/hr’其成長速度為caci分壓，亦即對^^丨分壓的依 賴性較大，HC1分壓得以5xl0-4atm〜5xl〇_2atm的範圍。另一 方面，作為GaAs基板2採用GaAs(m)B基板時，利用電阻加 熱電熱器61加熱GaAs基板2，使其溫度升高至約85〇t：〜95〇 O:\91\91269.DOC • 14 - 200415712 °C ’而保持該狀態成長第1磊晶層6。 利用有機金屬氣化物汽相成長法使第i磊晶層6成長 時’與緩衝層4之形成同樣可以使用圖3所示之裝置，而作 為GaAs基板2採用GaAs(lll)A基板時，利用電阻加熱電熱 器81加熱GaAs基板2,其溫度提高至約920°C〜1030°C，而保 持該溫度狀態成長第1磊晶層6。此時，第1磊晶層6的成長 速度可調整為約1 〇 # // m/hr。欲提高成長速度，藉 由提高TMG的分壓，以提高GaCl的分壓即可。但是，假若 該分壓係氣體管路溫度之TMG平衡蒸氣壓以上的分壓，則 產生對氣體管路内壁的TMG液體化，從而發生管路的污染 或堵塞等問題，因此不得任意提高TMG的分壓，可能約5x 10 3atm為上限。是故，成長速度亦6〇 # 上限。 另一方面，作為GaAs基板2使用GaAs(lll)B基板時，利 用電阻加熱電熱器81加熱GaAs基板，其溫度提高至約850 °C〜950°C，而保持該溫度狀態成長第i磊晶層6。此時，第1 磊晶層6的成長速度可調整為約10// m/hr〜5〇 # m/hr。並且 引進至反應79的二甲基叙專之分壓係由於上述理由以5χ 10_3atm為上限。 利用MOCVD法成長第1磊晶層6時，就將含有Ga的有機金 屬嘴在GaAs基板2時之㊂亥GaAs基板溫度而言，採用GaAs (111)A基板則約750 C〜900°C，而GaAs(l 11)B基板則約730 C〜820 C較為理想。以上為第1蠢晶層6的成長條件。 接者說明圖1B所示之第2步驟，圖1B所示之第2步驟係從 成長裝置取出製造中的晶圓，在磊晶層6上形成siN或Si02 O:\91\91269.DOC -15- 200415712 而成的遮蔽罩層8。該遮蔽罩層8係藉由等離子CVD等方法 形成厚度約l〇〇nm〜500nm的SiN膜或Si〇2膜，並利用光蝕刻 法將該SiN膜或Si02膜圖形化而形成之。 圖4所示為圖⑺中揭示的第2步驟之晶圓平面圖。如圖1B 及圖4所示，本實施形態之遮蔽罩層8上有形成條帶狀的複 數條帶狀開口窗10，而該條帶狀開口窗1〇係向GaN而成之 第1磊晶層6的<i〇-i〇>延伸而形成。圖4之箭頭係指第 晶層6的結晶方位。 形成遮蔽罩層8之後，進入圖10：所示之第3步驟。在第3 · 步驟中將形成有遮蔽罩層8之晶圓再設置在汽相成長裝置 的反應容器内，而在遮蔽罩層8與從第丨磊晶層6之條帶狀開 口窗10露出的部份上增長第2磊晶層12。就第2磊晶層的成 長方法有如與弟1蟲晶層6的成長方法相同之HVPE法、有 機金屬氯化汽相成長法及M〇Cvd法等等。第2磊晶層的厚 度调整為約15 0 # m〜10 0 // m較為理想。 在此，參佐圖5A〜圖5D詳加說明第2磊晶層12的成長過 _ 私。如圖5A所示在於GaN而成之第2磊晶層12的成長初期， 第2磊晶層12不會成長在遮蔽罩層8上，而作為GaN核只成 長在條帶狀開口窗1〇内的第丨磊晶層6上。隨著成長的進行 第2磊晶層12的厚度增加，而跟著該厚度之增加如圖⑶所 示，在遮蔽罩層8上發生第2磊晶層的橫向成長（Lateral growth)，從而如圖5C所示，在遮蔽罩層8上從兩側成長來 的磊晶層12連接來，變成一體化。由於橫向成長一體化之 後，就如圖5D所示第2磊晶層12往上面成長，增加厚度。第 O:\91\91269_DOC -16- 200415712 2磊晶層12係經由橫向成長與鄰接的磊晶層12形成一體 化，而一體化後的成長速度，較一體化前快速。以上為第2 磊晶層12的成長過程。 在此，就如圖4之說明，條帶狀開口窗1〇係沿著GaN而成 的第1蠢晶層6之<10-10>方向延伸而形成，因此條帶狀開 口窗10的寬方向與磊晶層6的<1-210〉方向係幾乎會一 致。並且一般GaN磊晶層之往<1-210>方向的成長速度較 為快’是故’得縮短從第2蠢晶層12開始橫向成長至與鄰接 之蠢晶層12互相形成一體化的時間。因為如此，可促進第2 磊晶層12成長速度更為快速。 再者，使條帶狀開口窗10沿著第1磊晶層6的方 向延伸，例如沿著蠢晶層6的<1_21〇>方向延伸而形成亦 接著說明弟2蟲晶層12的差排密度。如圖5 a所示，在第2 磊晶層12的内部有存在複數的差排14。然而，如圖5d所示， 即使弟2蟲晶層12橫向成县，H姚1 4龜永丁 a
的上面不會有空隙或貫通差排， 句延伸，因此第2磊晶層12 可以形成填充性及平坦性
O:\91\91269.DOC ，17 - 200415712 均佳的面。 如上述形成第2蠢晶層12之後，進入圖id所示之第4步 驟。在弟4步驟當中將晶圓設置至在钱刻裝置内，利用氨係 餘刻液完全去除GaAs基板2。並且除去GaAs基板2後，在 GaAs基板的去除面，即緩衝層4的下面加以研磨處理，以完 成本實施形態相關之GaAs單結晶基板13。 再者’假若第2蠢晶層12的一部份發生異常粒的成長或第 2蠢晶層12的厚度不均衡等現象時，在第2磊晶層12的上面 施以研磨處理，形成鏡面。具體地說：在第2磊晶層12的上 面加以撤光（lapping)研磨後，再加磨光（butt)研磨較為理想。 再者，圖1B及圖4所示之遮蔽部的寬度p在於約2//m〜2〇 # m的範圍内較為理想。假使遮蔽部寬度p較上述下限小， 苐2蠢晶層12的橫向成長就發生效果降低的傾向，而遮蔽部 寬度P較上述下限大，磊晶層12的成長時間就變長，發量產 性降低的傾向。此外，條帶狀開口窗10的窗寬q在於約〇.3 // m〜10 # m的範圍内較為理想，條帶狀開口窗1〇的窗寬q 設定在該範圍内，即可發揮遮蔽罩層的效果。 再者，上述圖1A之第1步驟說明中提示，由GaN而的緩衝 層4之成長情形。但是，以ain代替GaN成長緩衝4亦可。此 時，可使用MOVPE法，具體地說：預先從反應容器排氣形 成十分的真空狀態，然後在常壓之下加熱GaAs基板2，其溫 度提高至採用GaAs(lll)A基板則約550°C〜700°C，而採用 GaAs(lll)B基板則約550°C〜700°C，且保持該溫度狀態，引 進載子氣體的氫及原料氣體的三甲基鋁（TMA)與氨（NH3)， O:\91\91269.DOC -18- 200415712 而經由如此處理在GaAs基板2上形成厚度約1〇〇A〜1〇〇〇八的 A1N而成之緩衝層4。 〔第2實施形態〕 接著筝佐圖6A〜圖6D的製造步驟圖說明GaN單結晶基板 及其製造方法。 首先，依圖6A所示之第1步驟在GaAs基板2上直接形成 SiN或SiO而成的遮蔽罩層8。遮蔽罩層8係利用等離子cVD 4形成厚度約l〇〇nm〜500nm的SiN膜或Si〇2膜，並藉由光钱 刻技術將該SiN膜或Si〇2膜圖形化而形成。 圖7為圖6A所示之笫1步驟的晶圓平面圖。如圖6八、圖7 所不，本實施形態的遮蔽罩層8也有形成與第丨實施形態相 同之條帶狀條帶狀開口窗10。該條帶狀開口窗1〇係沿著 GaAs基板2的<U_2>方向延伸而形成之。同時，圖7之前 頭係表示GaAs基板的結晶方位。 形成遮蔽罩層8之後，進入圖6B所示之第2步驟，在條帶 狀開口窗10内的GaAs基板2上形成緩衝層24，該緩衝層24 係與第1實施形態同樣可利用HVPE法、有機金屬氯化物汽 相成長法或MOCVD法等而形成之，而緩衝層24的厚度為約 50nm〜120nm較為理想。 接著依圖6C所示之第3步驟，在緩衝層24上成長GaN而成 的磊晶層26。該磊晶層26係與第1實施形態同樣可利用 HVPE法、有機金屬氯化物汽相成長法或m〇cvd法等，而 成長至厚度約150//m〜1000/zm較為理想。並且，此時亦可 藉由磊晶層的橫向成長得降低磊晶層26的結晶缺陷，尤其 O:\9l\91269.DOC -19- 200415712 遮蔽罩層8的遮蔽部上方及磊晶層26上面的結晶缺陷。 ， 在此’如上述條帶狀開口窗10係沿著GaAs基板2的< 11-2 >方向延伸而形成，因此條帶狀開口窗10的寬方向與GaAs 基板2的<1_ι〇>方向幾乎會一致，而一般GaN磊晶層係往 GaAs基板2的< 1_10>方向較快速地成長，由是得縮短自從 蠢晶層26開始橫向成長至鄰接的磊晶層26相互形成一體化 的日守間疋故’可促進蠢晶層26的成長速度更為快速。 再者，條帶狀開口窗10未必沿著GaAs基板的< u_2>方 向延伸，例如往GaAs基板的〈丨—⑺〉方向延伸而形成亦可。« 成長磊晶層26後，進入圖6〇所示之第4步驟，去除GaAs 基板2而完成本實施形態之GaN單結晶基板27。就〇aAs基板 2的去除方法，有如蝕刻法；利用氨係蝕刻液對GaAs基板施 以約1小時的濕式蝕刻法，即可去除GaAs基板2。或者，利 用王水亦可在GaAs基板2上加以濕式蝕刻法。並且去除 GaAs基板2後，在GaAs基板的去除面，亦即遮蔽罩層8及緩 衝層24的下面施以研磨處理亦可。此外，與第i實施形態同 _ 樣在日日層2 6上面加以研磨處理亦可。 如上述說明，依本實施形態的製造方法，將蟲晶層只成 長n可製造出單結晶缺陷較少’且内部應力亦較小 的⑽基板’ @此與第丨實施形態相較，可減少製造步驟程 序’且可圖成本降低。 〔第3實施形態〕 說明第3實施形態之前，先敘述所以要完成本實施形態相 關GaN單結晶基板及其製造方法的經緯。 O:\91\91269.DOC -20- 200415712 為響應提高光半導體裝置特性的要求，本發明人等以更 高品質GaN基板的製造為目的反覆試行，結果本發明人等 發現，為製造出高品質GaN基板，降低成長後的GaN磊晶層 之内部應力是甚為重要。 一般想法上，GaN磊晶層的内部應力可分為熱應力與真 正的内部應力，該熱應力係因熱膨脹係數的差距而發生， 而藉由s亥熱應力传預測g aN基板弯曲的方向。但是，未去 除GaAs基板狀態的GaN基板整體的彎曲係與預測方向相反 的方向彎曲。同時，去除GaAs基板後，在GaN基板上仍發 生較大彎曲，由此證明，在GaN磊晶層中有存在真正的内 部應力。 真正的内部應力係從成長初期階段就有存在，而測試成 長後的GaN磊晶層中之真正内部應力的結果，發現〇·2χ 1〇9〜2.0Xl〇9dyn/em2左右。以下說明為計算真正内部應力所 使用的史東尼（Stoney)公式。在於基板上形成有薄膜的晶 圓，其内部應力σ係可由下列公式（1)得之：
Eb2S C7"~3a-v)ITd 〔公式（1)中σ為内部應力，Ε為剛性率、〉為橫向變形系 數、b為基板厚度、j為基板直徑，以及5為晶圓的彎曲〕
GaA單結晶，則d = b之下，可由下列公式（2)得之：
Eb^ 〔公式（2)中之記號係與公式（1)相同〕 本發明人等根據公式2計算出上述磊晶層的真正内部應
O:\91\91269.DOC -21 - 200415712 力。 :有存在真正的内部應力或熱應力等内部應力，基板產 生弓曲或衣痕’無法得到寬面積、高品質的GaN單結晶基 板’因此本發明人等針對發生真正内部應力的原因探討， 結果所得到的真正内部應力發生之原因為如次：即GaN蟲 晶層係-般結晶構成六角柱狀態，而餘狀粒的界面上有 存在具有微傾斜的粒界，從此可觀察原子排列的不整合。 亚且GaN蟲晶層中有存在不少差排，而該等粒界或差排經 由缺fe的繁殖或消滅，產生GaN磊晶層的體積收縮等現 象’造成内部應力發生的原因。 依據如此真正的内部應力發生之原因而完成的發明之實 鉍形悲，便是第3貫施形態〜第7實施形態之QaN單結晶基板 及其製造方法。 以下參佐圖8A〜圖8D的製造步驟圖說明第3實施形態相 關之GaN單結晶基板及其製造方法。 圖8A所示第1步驟中，依與第實施形態相同的方法，在 GaAs基板2上成長GaN而成的緩衝層4以及GaN而成的第1 蟲晶層（下層蠢晶層）6。接著依圖8B所示之步驟在第1蠢晶 層6上形成SiN或Si 〇2而成之遮蔽罩層28，本實施形態與第1 實施形態之差異，就在該遮蔽罩層28的形狀。 在此參佐圖9說明遮蔽罩層28的形狀，如圖9所示本實施 例中在遮敝罩層28上形成複數的正方形的開口窗3〇，然後 將各窗10沿著磊晶層6的< 1 〇_ 10 >方向以間距l排列，以形 成< 10-10〉窗群32。該< 10-10〉窗群32係對於各開口窗1〇 O:\91\91269.DOC -22- 200415712 的中心位置鄰接的< 10_10>窗群32係對於各開口窗1〇的 中心位置’往< 1〇_10>方向各偏錯lOL，同時往第}磊晶 層6的< 1 -21 0 >方向以間距d複數並設之。在此所謂各開口 窗的中心位置係指各開口窗3〇的中心位置。並且各開口窗 30為邊長2// m的正方形，而間距[為m，而間距d為5//m。 接著’依圖8C所示之第3步驟，與第1實施形態相同的方 法’在遮蔽罩層28上成長第2磊晶層34。 在此參佐圖10A及圖10B說明第2磊晶層34的成長過程， 圖10A表示第2磊晶層34的初期成長階段，就如該圖所示， 在於成長初期從各開口窗30成長正六角錐或正六角台的 GaN結晶粒36，而如圖10B所示，該GaN結晶粒36在遮蔽罩 層28上橫向成長，於是就各GaN結晶粒36係與其他GaN結晶 粒3 6之間不會產生間隙（pit)而連結起來。然後，各GaN結晶 粒覆盍遮蔽罩層28，形成其表面為鏡面狀的第2磊晶層34。 即往< ΗΜ0 >方向以1/2L偏錯各開口窗30的中心位 置’同時往< 1-120>方向複數並設< ι〇_10>窗群，因此正 六角錐台的GaN結晶粒36幾乎不會產生間隙而成長，結果 得大幅度降低真正内部應力。 再者’與第1實施形態同樣，在於相當於第2磊晶層34的 遮敝罩層28之遮敝部上方的範圍中幾乎不會發生由於 結晶粒36之橫向效而產生的差排。 成長弟2蠢晶層34之後’進入圖8D所示之第4步驟，藉由 蝕刻處理等去除GaAs基板2，以完成本實施形態的GaN單結 晶基板3 5。 0:\91\91269.D〇C -23· )712 如上述’在本實施例中，以遮蔽罩層28的各開口窗30形 狀為邊長2" m之方形。但是，遮蔽軍層28的各開口窗卿 、尺f並不限於此’依照成長條件加以適當調整為理 7例如·邊長為卜5//111的方向或直徑卜的圓形亦 "、同"各_1()的形狀並不限於方形及圓形，改為橢圓 形或2多角形亦可。此時，各開口窗3〇的面積為一2〜5〇 較理想。假若各開口窗3〇的面積超過該範圍，在各開 口窗3〇_晶層34發生大量的缺陷，而產生内部應力增 勺傾向另一方面，各開口窗30的面積低於該範圍，則 各開口窗30的形成較困難。同時，也產生蟲晶層^成長速 牛低的傾向。再者，各開口窗3〇的總面積為遮蔽罩層Μ 、斤有開口固30加上遮蔽部的面積之1〇〜5〇%為理想。各開 口窗30的總面積設定為該範圍時，得明顯降低單結晶 基板的缺陷密度及内部應力。 再者，本實施形態中以間距乙為ό/zm，而間距〇1為5//111。 但疋，間距L及間距d的長度並不限於此，就間距1^設定在 3〜l〇#m範圍為理想。假若，間距L超過1〇心，各結 阳粒36相互連結的時間會增加，導致為第2磊晶層的成長 而化費過多的時間。另一方面，間距L短於3 # m，則會縮 短結晶粒36橫向成長之距離，導致降低橫向成長的效果。 亚且，因為相同理由，間距d設定為〇75LgdS13L的範圍 為理想。尤其d=〇.87L時，即沿著<10-10>方向鄰接的兩 個開口窗30與存在於該兩個開口窗34的< uw〉方向，且 離該兩個開口窗34距離最接近的另一開口窗3〇連結起來形
〇：\91\9l269.D〇C -24- 200415712 成正二角形時，得結晶粒全面性且無隙縫地排列，從而使 猫晶層34中產生的間隙最少。同時，使GaN單結晶基板的 缺陷密度及内部應力為最少。 再者，< 10_10>窗群32之各開口窗3〇之對於相互鄰接的 < 1〇-1〇>窗群32沿著< 1(M0>方向偏錯的距離未必是正 確的1/2，只要2/5L〜3/5L·左右即可得降低内部應力。 再者，遮蔽罩層28的厚度為約的範圍内 較理想。假若，遮蔽罩層厚度超過該範圍，GaN成長中發 生裂痕。反過來，其厚度較該範圍薄，則QaN成長中GaAs 基板會受到蒸發損傷。 〔第4實施形態〕 接著參佐圖11A〜圖11D的製造步驟圖說明第4實施形態 之GaN單結曰a基板及其製造方法。本實施形態係除遮蔽罩 層形狀以外與實施形態2相同。 首先依圖11A所示之第1步驟在GaAs基板2上直接形成 SiN或Si〇2而成的遮蔽罩層38。遮蔽罩層係利用等離子 CVD等形成厚度約1〇〇nm〜5〇〇随的SiN膜或8丨〇2膜，並藉由 光蝕刻技術將該SiN膜或Si〇2膜圖形化而形成。 圖12為圖11A所示之第1步驟的晶圓平面圖。如圖丨2所 不，本貫施形態之遮蔽罩層38形狀與第3實施形態之遮蔽罩 層38形狀為相同。該遮蔽罩層38形成有複數的開口窗4〇， 而將各窗40沿著GaAs基板2的< u_2>方向以間距L排列， 以形成< 11-2>窗群42。該< 11_2>窗群42係將各開口窗40 的中心位置對著鄰接的<U_2>窗群42之各開口窗4〇往<
〇：\91\91269.D〇C -25- 200415712 11-2>方向各偏錯1/2L，同時往GaAs基板2的< 1-10>方向 以間距d複數並設之。本發明實施形態的遮蔽罩層38與第3 實施形態之遮蔽罩層28有所不同，是只有在如此的各開口 窗之排列方向而已。 形成遮蔽罩層38之後，依圖iiB所示之第2步驟，在條帶 狀開口窗40内的GaAs基板2上形成緩衝層24。 接著依圖11C所示之第3步驟，在緩衝層24上成長GaN而 成的蠢晶層26。 在本貫施形態也在初期成長階段從各開口窗4〇成長正六 角錐或台的GaN結晶粒，而該GaN結晶粒在遮蔽罩層3丨上橫 向成長，於是就各GaN結晶粒係與其他GaN結晶粒之間不會 產生間隙（Pit)而連結起來。然後，各GaN結晶粒覆蓋遮蔽罩 層38’形成其表面為鏡面狀的第2磊晶層26。 即往GaAs基板2的< 11-2>方向以1/2L偏錯各開口窗4〇 的中心位置，同時往<;μ10>方向複數並設<11-2>窗群 42，因此正六角錐或台的GaN結晶粒幾乎不會產生間隙而 成長’結果得大幅降低真正的内部應力。 再者，各開口窗40未必沿著GaAs基板2的< π_2>方向延 伸，例如GaAs基板2的<^0〉方向延伸而形成亦可成長磊 晶層26後，進入圖UD所示之第4步驟，去除基板二而 完成本實施形態之GaN單結晶基板39。假若GaN單結晶基板 39的表面或背面的粗糙程度較大，在表面或背面施以研磨 處理亦可。 如上述說明，依本實施形態的GaN單結晶基板製造方
O:\91\91269.DOC -26- 200415712 法，將磊晶層只成長一次，即可製造出大幅降低結晶缺陷 的GaN基板，且可降低成本。 〔第5實施形態〕 參佐圖13A〜圖13E說明第5實施形態的GaN基板及其製造 方法。 首先，依圖13A所示之第1步驟，在GaAs基板2上與第4實 施形態同樣形成遮蔽罩層38，其厚度約100nm〜500nm為理 想。 接著，依圖13B所示之第2步驟在開口窗40的GaAs基板2 上形成缓衝層24，其厚度約500nm〜1200nm為理想。 接著，依圖13C所示之第3步驟，在缓衝層24及遮蔽罩層 3 8上成長由GaN而成的第1磊晶層44，而該第1磊晶層44的 厚度為約50# m〜300 // m的範圍之内較理想。在本實施形態 之從各開口窗40成長的GaN結晶粒係與第3實施形態及第4 實施形態同樣地與其他GaN結晶之間不會產生間隙（Pit)而 相互連結，形成填埋遮蔽罩層38的構造。 在圖13D所示之第4步驟，將形成有第1磊晶層44的晶圓放 置在蝕刻裝置内，利用王水施以約10小時的蝕刻，以完全 去除GaAs2基板。如此先形成一次厚度約50/zm〜300 //m的 GaN單結晶基板。 依圖13E所示之第5步驟，利用上述HVPE法、有機金層氯 化物汽相成長法或MOCVD法等第1磊晶層44上成長GaN而 成的第2磊晶層46，其厚度約100# m〜700 # m，從而形成厚 度約150// m〜1000 // m的GaN單結晶基板47。 O:\91\91269.DOC -27- 200415712 如上述本貫施形態係在成長第2蟲晶層46之前去除Ga As 基板2，是故可預防因GaAs基板2、緩衝層24及磊晶層44、 46之間的熱膨脹係數差距而引起的熱應力之發生。因此， 得製造出與中途未去除GaAs基板2,而將磊晶層成長至最後 的方法比較，少有彎曲或裂痕的高品質GaN單結晶基板。 再者，所以如上述說明將第i磊晶層44的厚度為約3〇〇# m 以下的原因，係因為第1磊晶層44過於厚，會增加熱應力的 影響。另一方面，所以第}磊晶層44的厚度為約5〇#m以上 的原口係因為弟1蠢晶層44過於薄，機械性強度就變弱， 處理較困難。 雖在此說明，以第4實施形態的遮蔽罩層為遮蔽罩層的情 开/仁疋如第2只靶形怨以具有條帶狀開口窗的遮蔽罩層 為本實施形態的遮蔽罩層亦可。並且，假若㈣單結晶基 板47的表面或反面祕程度較大，亦可研磨其表面或反面。 〔第6實施形態〕
接著，參佐圖14說明第6實施形態之單結晶基板及製造: 法。本貫施形態的緩衝層及磊晶層的形成方法與第3實施; 態的方法相同，只有遮蔽罩層的開口窗形狀與第3實二形丨 有所不同。 ^ ㈤所示為本實施形態所使用之遮蔽罩層Μ各開口窗形 狀及其佈置。如圖示各開窗 ϋ p s 1 _形係成長為方形（長條形），而 就在遮敝罩層48下一屛的筮】石曰昆。 …… 層之<10_10>方向為 長方形的長邊方向長方形窗50。
π荖篦1石日® < 谷長方形固50係以間距L 〆口者第1猫晶層6的< 1 〇_丨〇 >古A姐 1〇>方向排列，而該<1(Μ〇>長方
O:\91\91269.DOC • 28 - 200415712 形自群52係沿著〈ημο〉方向對著相鄰的長方 形窗群52,往<10_10>方向將各長方形窗5〇的中心位置偏 錯1/2L，而沿著第！蠢晶層6的< K21〇>方向以間距d複數 排列。 再者，就間距L而言，假若長方形窗5〇的長邊方向之長度 較長，則第2蟲晶層不會沿著<1()_1()>方向橫向成長的^ 圍會擴大，因此難以降低内部應力，鑑此設定在約m〜2〇 的範圍内較為理想。這是因為GaN之往<ι〇_ι〇>方向 的成長較慢，而遮蔽罩層過於長，則第2磊晶層的形成須花 費長一段時間的緣故。 再者，第1磊晶層6的沿著<^20〉方向相互鄰接之長方 幵v _群52的遮蔽罩層寬度（d_w)為約2 # m〜1〇 #㈤較理想。這 是因為假若遮蔽罩層寬度（d-w)太寬，則為六角柱結晶粒速 續化須花費長一段時間。反之，遮蔽罩層過於狹窄，則無 法得到橫向成長的效果，難以降低結晶缺陷發生的緣故。 並且各長方形窗50的寬度w為約1 # m〜5 # m理想。這是因為 寬度w過於寬，則發生各長方形窗5〇内的GaN層中常發生缺 陷的傾向。反之，寬度w過於狹窄，則各長方形窗5〇的形成 車父困難，而發生第2磊晶層的成長速度也降低的傾向。 形成如上述的遮蔽罩層48之後與第3實施形態同樣地在 该遮蔽罩層48上成長GaN而成的第2磊晶層12。但是，本實 施形態也在第2磊晶層12的成長初期，從各長方形窗5〇成長 正八角錐台的GaN結晶粒，而該GaN結晶粒在遮蔽罩層48 上橫向成長的結果，各GaN結晶粒則與其他GaN結晶粒之間 O:\91\91269.DOC -29- 200415712 不會產生間隙（pit)就連接起來，形成填埋遮蔽罩層的構造。 即，因為將各長方形窗50的中心位置以i/2L往第1蠢晶層 6的< 1〇-1〇>方向偏錯。同時，將< 1〇-1〇>長方形窗群 往第1磊晶層6的< 1-210>方向複數並設的緣故，正六角錐 台的GaN結晶粒就不會產生間隙而成長，從而可降低結晶 缺陷的發生及真正的内部應力。 再者，與第3實施形態同樣地，由於GaN結晶粒的橫向成 長效果在相菖於弟2蠢晶層的遮蔽罩層48之遮蔽部上方的 範圍内，幾乎不會發生差排。 再者，各長方形窗50的形成時，各長方形窗5〇的長邊方 向與第1磊晶層6的<10-1〇>方向會一致。因此，可提高成 長在遮蔽罩層48上的第2磊晶層之成長速度。這是因為在 GaN成長初期會出現成長速度較快速的{1_211}面，而往< 1-21〇>方向的成長速度加快，從而縮短形成於各長方形窗 5 〇内的島狀GaN結晶粒之連續膜化時間的緣故。 再者，除本實施形態相同之外，不介於第丨磊晶層6，直 接在GaN基板2上另形成遮蔽罩層48，亦可提高形成於遮蔽 罩層48上的第2磊晶層之成長速度。此時，使長方形窗5〇之 長邊方向與遮蔽罩層48下一層iGaAs基板2的 < 丨^〉方 向一致較為理。 〔弟7實施形態〕 接著參照圖15說明第7實施形態相關之GaN單結晶基板 及製造方法。本實施形態之特徵在於遮蔽罩層之窗形狀， 而緩衝層及磊晶層係與上述各實施形態同樣地形成。 O:\91\91269.DOC -30- 200415712 如圖15所示，本實施形態中將遮蔽罩層58的各開口窗形 成正六角开》環狀的六角形窗60’而使該六角形窗之六各 邊與遮蔽罩層58之下一層的磊晶層<1〇-1()>方向一致。由 於將六角形窗60的各邊往該方向形成，可提高形成在遮蔽 罩層58上的磊晶層之成長速度。這是因為在GaN的成長初 期，成長速度較快速的{1-211}面，往方向成長的 緣故。此外，六角形窗60的窗寬度a為約2/Zm，正六角形外 侧之一邊的長度b為約5 # m，而相互鄰接的六角形窗6〇間之 遮蔽罩層寬度w為約3/zm較理想。但是，該等數值並不限 定於此範圍内。並且圖15的箭頭係表示遮蔽罩層58下一層 的蠢晶層之結晶方向。 在遮蔽罩層58上成長磊晶層之後，晶圓上施以蝕刻處 理，以完全去除GaAs基板。並且#GaAs基板的去除面加以 研磨處理，形成本實施形態的GaN單結晶基板。 本實施形態之GaN單結晶基板亦與上述各實施形態相 同，在相當於遮蔽罩層上的磊晶層遮蔽部上方之區域中， 由於GaN結晶粒的橫向成長效果幾乎不會發生差排。 再者，除本實施形態相同之外，不介於磊晶層直接在 基板上另形成遮蔽罩層58亦可提高形成於遮蔽罩層58上的 第2磊晶層之成長速度。此時，使六角形窗42的各六邊與 GaAs基板之<11_2>方向一致而形成之。 〔第8實施形態〕 接著參佐圖16A〜圖16F說明第8實施形態相關之GaN單結 晶基板及其製造方法。
O:\91\91269.DOC -31- 200415712 圖〗6A所示第！步驟的遮蔽罩層8之形成，圖ΐ6β所示第2 步驟的緩衝層24之形成，圖〗6C所示第3步驟的磊晶層之成 長以及圖16D所示第4步驟的GaAs基板2之去除係與第2實 施形態同樣實施，是故在此省略說明。並且去除基板2 後的GaN單、結晶基板厚度係與第2實施形態同樣約 m〜300/zm左右或該數值以上較為理想。 在圖16E所示之第5步驟中，以圖16〇所示之㈣單結晶為 種晶，在蟲晶層26上成長GaN而成的蟲晶層62，以形成⑽ 單結晶的晶錠64。就蟲晶層62的成長方法，與上述各實施 形態同樣有如··聰滕、有機金屬氯化物汽相成長法或 MO+CVD法等。但是，除此外本實施形態亦可採用升華法， 升華法係指利用如圖22所示裝置的—種成長法，詳述之·· 為原料之⑽粉末92與基板2相互面對而設置的反應爐94 二用馬溫送進NHi氣體等，而邊進行⑽粉末的蒸發，一邊 达進NHi氣體等，在基板2上成長⑽的—種汽相成長法。 該升華法雖然微小控制較為困難，卻適合於增加蟲晶層的 厚度’亦即適合於晶錠的製造。在本實施形態將反應爐的 溫度設〜测。c，並錢氣體為載子氣體將氨 送進約 lOsccm〜lOOsccm 〇 接著’依圖i6F所示之第6步驟使㈣單結晶的晶魏成 為複數片的GaN單結晶基板，就使晶旋^成為複數片⑽ 早結晶基板的方法而言，有如利用内周齒的薄切器等切割 的方法與沿著⑽單結晶劈開面劈開晶旋M的方法，此外 亦可併用切割處理與劈開處理之兩者。
0-\9l\9l269.DOC -32- 200415712 如上述，本實施形態係將GaN單結晶的晶錠切割或劈開 成複數片。因此簡便作業即可得到降低結晶缺陷的複數片 ⑽單結晶基板。#於較上述各實施形態可提高量產性。 再者，晶鍵64的高度為約lcm以上較理想，因為晶旋μ 的尚度低於1 cm時，未能得量產效果。 再者，本實施形態的製造方法係依據經由圖6A〜圖6〇所 示之第2實施形態之製造步驟製造的GaN單結晶基板而形 成晶錠64。但是，本實施形態並不限於該方法，除此外依 據經由第1實施形態〜第7形態之製造步驟的GaN單結晶基 板形成晶錠64亦可。 再者，由於實驗證明：本實施形態的GaN單結晶基板％ 係沒有故意摻雜質即可控制為，載子氣體濃度為則在於 1 X 1016cnT3〜1 X 102()cm·3的範圍内，電子遷移率在 60cm2〜800cm2的範圍内以及比電阻在於1χ1〇-4Ω cm〜ixi〇 Ω cm的範圍内。 〔第9實施形態〕 接著參佐圖17A〜圖17C說明第9實施形態相關之GaN單結 晶基板及其製造方法。 圖17A所示之第1步驟中，在GaAs基板上形成遮蔽罩層8 及緩衝層24,而遮蔽罩層8及緩衝層24的形成方法係與上述 各實施形態相同。 接著’圖17B所示之第2步驟中一氣呵成地成長GaN而成 的蠢晶層68，以形成晶錠7〇。蠢晶層68的成長方法與第8實 施形態的磊晶層62之成長方法相同，而晶錠7〇的高度為約 O:\91\91269.DOC -33 - 200415712 1 cm較理想。 圖17C所示之第3步驟中與第8實施形態之第6步驟同樣地 利用切剎處理或劈開處理，使GaN單結晶的晶錠7〇成為複 數片的GaN單結晶基板72。 如上述說明，依照本實施形態，因為將GaN單結晶的晶 錠切割或劈開，簡便的作業即可得到複數片的降低結晶缺 陷的GaN單結晶基板，亦即較第丨實施形態〜第7實施形態可 提高量產性。並且GaN磊晶層的成長係只有一次，是故與 第8實施形態比較亦可得到製造過程的簡便化及降低成本。_ 再者，本實施形態的GaN單結晶基板72亦與第8實施形態 的GaN單結晶基板66同樣由實驗證明：故意摻雜質而即可 控制為載子氣體濃度為η型則在於lxl〇16cm-3〜lxl〇2Gcm-3的 範圍内，電子遷移率在60cm2〜80〇cm2的範圍内以及比電阻 在於lxlO_4Dcm〜lxlOQcm的範圍内。 〔第10實施形態〕 參佐圖18A〜圖丨8B說明第丨〇實施形態相關之GaN單結晶 基板及製造方法。 首先’依照圖18A所示之第丨工利用上述第8實施形態所製 造的GaN單結晶基板66上成長磊晶層74，以形成GaN單結晶 的晶錠76。就磊晶層74的成長方法而言，與上述各實施形 態同樣可利用HWE法、有機金屬氯化物汽相成長法、 MOCVD法或升華法等等。 接著，在圖18所示第2步驟中，利用切割處理或劈開處一 理，使GaN單結晶的晶錠76成為複數片的GaN單結晶基板 O:\91\91269.DOC -34- 78。 78。200415712 如上述，本實施形態係因為依照既有製造的GaN單結晶 基板製造晶錠。是故，簡便的作業即可得到降低結晶缺陷 的複數片GaN單結晶基板。此外，在本實施形態中以第8實 施形態之GaN單結晶基板66為種晶而製造晶錠。但是，晶 錠的種晶並不限於此，例如：以第9實施形態之GaN單結晶 基板72為種晶亦可。 〔第11實施形態〕 參佐圖19A〜圖19C說明第11實施形態相關之GaN單結晶 基板及製造方法。 首先，依圖19A所示之第1步驟在GaAs基板2上，形成厚 度約50nm〜120nm的緩衝層79。 接著，依圖19B所示之第2步驟不要形成遮蔽罩層，而在 緩衝層79上成長GaN而成的蠢晶層81，以形成高度約lcm以 上的G aN早結晶之晶鍵83。就蠢晶層81的成長方法而言’ 可利用HVPE法、有機金屬氯化物汽相成長法、MOCVD法 或升華法等等。在此，本實施形態係因不要形成遮蔽罩層 之故，不會產生磊晶層的橫向成長，而發生不少結晶缺陷。 但是，增加蠢晶層的厚度即可降低差排的發生。 最後，依圖19C所示之第3步驟利用切割處理或劈開處 理，使GaN單結晶的晶錠83成為複數片的GaN單結晶基板 85 〇
如上述，本實施形態係因為切割或劈開GaN單結晶的晶 錠。是故，簡便的作業即可得到降低結晶缺陷的複數片GaN O:\91\91269.DOC -35- 200415712 單結晶基板。即與第1實施形態〜第7實施形態比較，可提高 量產性。 〔發光裝置與電子裝置〕 由於上述各實施形態所製造之GaN單結晶基板係因具有 η型之通電性。同時，藉由M〇CVD法等，使含有比g—活 性層之GaN系層外延成長。是故，得形成發光二極管等之 發光裝置或場效應晶體管（MESFET)等之電子裝置。該等發 光裝置等係因為使用依上述各實施形態所製造之結晶缺陷 少，且咼品質GaN基板而製造，因此與利用藍寶石基板的 發光裝置比較，得明顯提高特性。再者，在GaN單結晶基 板上所成長的磊晶層之（〇〇〇1)面係對著GaN單結晶基板 (0001)面平行而進行均質外延成長。是故，得到一致的劈開 面’從而上述發光狀等能具有優異的性能。 圖2 0所示為使用第3實施形態之G a N單結晶基板3 5的發 光二極管80。該發光二極管80係在GaN單結晶基板％上成 長有GaN緩衝層1〇1、Si摻雜11型(3抓障壁層1〇2、厚度从的 未摻雜ln〇.45GaG.55N井層1〇3、Mg摻雜？型A1() 2GaQ sN障壁層 104以及Mg摻雜p型GaN接觸層1〇5的一種量子井構造。該發 光二極管80係由於未摻雜InGaN井層1〇3的組成比率可使發 光顏色變化，例：I η的組成比率為〇 · 2即發光顏色變成藍色。 檢測該發光二極管特性的結果，較習知藍寶石基板的發 光二極管之發光亮度〇.5cd，提高到5倍的2.5cd。 再者，就如此發光二極管的基板，並不限於第3實施形態 的GaN單結晶基板35，當然亦可使用其他實施形態之 O:\9I\91269DOC -36- 200415712 早結晶基板。
圖21所示為使用第3實施形態之GaN單結晶基板3 5的半 導體雷射82。半導體雷射82的構造係在GaN單結晶基板3 5 上成長有GaN緩衝層1 U、n_ GaN接觸層丨丨2、n-In() Q5Ga() 95N 覆蓋層 113、n-Al〇.08Ga0 92N覆蓋層 114、η-GaN導引層 11 5、 Si摻雜 In〇15Ga0.35N(35A)/In〇.02Ga0.08(70 A)多層之 MQW層 116、P-Al0.2Ga0.8N内部覆蓋層 ι17、P_GaN導引層 118、 P-Al〇.8Ga〇.92N覆蓋層119以及p_GaN接觸層120,而從其上、 下面取得電極。 该半導體雷射82之振蕩壽命係較習知之數分鐘，超過1〇〇 小時，得到大幅度的特性提升，具體地說，較過去的振蕩 壽命約I·5分鐘左右，增加至12〇小時。 再者，如此半導體雷射係並不限於使用第3實施形態之
GaN單結晶基板35,當然亦可使用其他實施形態之GaN單結 晶基板。 此外，雖省略圖示。但是，根據本實施形態之QaN單結 晶基板製場效電晶管區（MESFET)，而測試該場效電晶管特 性的結果，在500°C的高溫之下，仍得到43mS/mni高互導 (gm)，由此得知本實施形態之GaN單結晶基板係作為電子 裝置之基板亦有效。 貫施例1 蒼佐圖1A〜圖1D說明第1實施形態的GaN單結晶基板及其 製造方法之一種實施例的實施例1。
GaAs基板2係採用GaAs(l 11)面為Ga面的GaAs(l 11) A基 O:\91\91269.DOC -37- 200415712 板’而緩衝層4、第i蠢晶層6以及第2蟲曰曰曰層i2係皆利用圖3 所不之A相成長衣置’並藉由有機金屬氯化物汽相成長法 形成之。 百先依圖1A所之第i步驟，藉由有機金屬氯化物汽相成 長法形成缓衝層4。此時，利用電阻加熱電熱器8工將 基板2加熱至約500 C，而保持此溫度狀態將三甲基鎵（TMG) 以分壓6x 1 Ο·4atm、氯化氫以分壓6χ丨〇_4_、及氨則以分壓 〇_13atm各引進至反應室79。並且緩衝層4的厚度為約8〇〇a。 接著，藉由有機金屬氯化物汽相成長法在緩衝層4上成長 第1磊晶層6。此時，利用電阻加熱電熱器以將^^基板2 加熱至約970 C，而保持此溫度狀態將三曱基鎵以…⑺以分 壓2xl(T3atm、氣化氫以分壓2xl〇-3atm、及氨則以分壓〇上加 各引進至反應室79。並且以的成長速度使第1磊 晶層6的厚度為約4/zm。 接著，依圖1B所示之第2步驟在第1磊晶層6上形成si〇2 而成的遮蔽罩層8。此時，使條帶狀開口窗1〇的長邊方向對 著第1蠢晶層6的〔1〇-1〇〕，而遮蔽罩層8的厚度為約 3 00nm’遮蔽部的寬度P為約5μιη，以及窗寬度q為約2# m。接著，依圖1C所示之第3步驟利用有機金屬氯化物汽相 成長法成長第2磊晶層12。此時，利用電阻加熱電熱器8 i加 熱GaAs基板2’其溫度提高至約970°C，而保持該溫度狀態 將三甲基鎵（TMG)以分壓2x l(T3atm、氣化氫以分壓2χ 10_3atm、及氨則以分壓0.25atm各引進至反應室79。並且以 約20/im/hr的成長速度使第2蠢晶層12的厚度為約1〇〇//m。 O:\9l\91269.DOC -38- 200415712 接著，依圖ID所示之第4步驟將晶圓設置在蝕刻裝置，利 用氨係蝕刻液對GaAs基板2施以約！小時的濕式蝕刻法，而 完全去除GaAs基板2。並且，最後在（^八3基板的去除面施 以研磨處理，以完成GaN單結晶基板。 由本貝施例所制製造之GaN單結晶基板的各特性如下： 即該GaN單結晶基板係基板面為（〇〇〇1)面，其結晶性為依 X光解析則半幅為4.5分，以及差排密度為每單位面積 1〇 (cm )左右。由此得知，與習知藍寶石基板上形成 磊晶層的情形之缺陷密度每單位面積為1〇9(cm_2)左右，得 大幅度降低結晶缺陷。 實施例2 參佐圖1A〜圖1D說明第i實施形態之其他實施例的實施 例2 〇
GaAs基板2係採用GaAs(lll) A基板，而緩衝層4、第玉磊 晶層6以及第2磊晶層12係皆利用圖2所示之汽相成長裝 置，並藉由HVPE法形成之。 首先依圖1A所示之第1步驟，藉由ΗνρΕ法形成緩衝層4。 此時，利用電阻加熱電熱器6U^GaAs基板2加熱至約5〇〇 C ’而保持此溫度狀態將氯化氫以分壓5xl〇_3atm、及氨則 以刀壓O.latm各引進至反應室59。並且緩衝層4的厚度為約 8 0 0 A。 接著，藉由HVPE法在緩衝層4上成長第丨磊晶層6。此時， 利用電阻加熱電熱器61將（}“3基板2加熱至約97〇。〇，而保 持此溫度狀態將氯化氫以分壓2xl(r2atm、及氨則以分壓 O:\9I\91269.DOC -39- 200415712 0.25atm各引進至反應室79。並且以約80 # m/hr的成長速度 使第1磊晶層6的厚度為約4// m。 接著，依圖1B所示之第2步驟在第！磊晶層6上形成遮蔽軍 層8。此時，使條帶狀開口窗1〇的長邊方向對著第i磊晶層6 的〔10-10〕，而遮蔽罩層8的厚度為約3〇〇nm，遮蔽部的寬 度P為約5//m，以及窗寬度Q為約2/zm。 接著，依圖1C所示之第3步驟利用HVPE法成長第2磊晶層 12 °此時，利用電阻加熱電熱器61加熱GaAs基板2，其溫度 提高至約970°C，而保持該溫度狀態將氣化氫以分壓2·5χ l〇_2atm、及氨則以分壓〇.25atm各引進至反應室乃。並且以 約100/z m/hr的成長速度使第2磊晶層12的厚度為約l〇Q# m。如上述本實施例係因為利用hVPE法，與利用有機金屬 氯化物汽相成長法的實施例丨比較，可提高磊晶層的成長速 度。 接著，依圖1D所示之第4步驟將晶圓設置在蝕刻裝置，利 用氨係蝕刻液對GaAs基板2施以約1小時的濕式蝕刻法，而 π王去除GaAs基板2。並且，最後在GaAs基板2的去除面施 以研磨處理’以完成GaN單結晶基板13。 由本實施例所製造之GaN單結晶基板的各特性如下： 即该GaN單結晶基板係基板面為（〇〇〇1)面，其結晶性為依 X光解析則半幅為4.5分，以及差排密度為每單位面積為& 1〇7(Cm·2)左右。由此得知，與習知藍寶石基板上形成GaN 麻日日層之缺陷岔度每單位面積為109(cnT2)左右的情形比 車义’得大幅度降低結晶缺陷。
O:\91\91269.DOC 200415712 實施例3 接著’參佐圖6A〜圖6D說明第2實施形態之實施例的實施 例3。
GaAs基板2係採用GaAs(lll)面為As面的GaAs(lll) B基 板’而緩衝層24及第2磊晶層26均以圖3所示之汽相成長裝 置’並藉由有機金屬氯化物汽相成長法形成之。 首先依圖6A所示之第1步驟在GaAs基板2上形成緩衝層 8 °此時，使條帶狀開口窗10的長邊方向對著GaAs基板2的 〔U·2〕方向，而遮蔽罩層8的厚度為約3 50nm，遮蔽部的 寬度P為約4//m，以及窗寬度q為約2//ln。 接著’依圖6B所示之第2步驟利用有機金屬氯化物汽相成 長法形成緩衝層24。此時，利用電阻加熱電熱器8丨加熱GaAs 基板2，其溫度提高至約500°C，而保持該溫度狀態將三甲 基鎵（TMG)以分壓6xl〇-4atm、將氯化氫以分壓6xl〇-4atm、 及氨則以分壓〇·1 atm各引進至反應室79。並且使緩衝層24 的厚度為約700A。 接著，依圖6C所示之第3步驟利用有機金屬氯化物汽相成 長法在緩衝層24成長磊晶層26 。此時，利用電阻加熱電熱 器81加熱GaAs基板2，其溫度提高至約82(rc，而保持該溫 度狀悲將二甲基鎵（TMG)以分壓3xl(T3atm、將氣化氫以分 壓3xl(T3atm、及氨則以分壓〇.2atm各引進至反應室乃。並 且成長速度為約30// m/hr，而使磊晶層26的厚度為約1〇〇# m ° 接著，依圖6D所示之第4步驟將晶圓設置在蝕刻裝置，利 O:\91\91269.DOC -41 - 200415712 用氨係蝕刻液對GaAs基板2施以約1小時的濕式蝕刻法，而 完全去除GaAs基板2。並且，最後在（^^基板2的去除面施 以研磨處理，以完成GaN單結晶基板27。 依本實施例所製造之GaN單結晶基板係差排密度為每單 位面積2X107(Cnr2)左右。由於得知，本實施例所製造之GaN 單結晶基板係與第1實施例及第2實施例之GaN單結晶基板 比較，雖然差排密度大，但是，與習知藍寶石基板上形成 GaN磊晶層之情形比較，得大幅度降低結晶缺陷。同時， 本κ加例之製造步驟次數係較第1實施例及第2實施例少， 故得降低成本。 實施例4 接著，參佐圖8A〜圖8D說明第3實施形態之實施例的實施 例4。
GaAs基板2係採用GaAs(lll) As基板，而緩衝層4、第1磊 晶層6及第2磊晶層34係皆以圖3所示之汽相成長裝置，並藉 由有機金屬氯化物汽相成長法形成之。 首先依圖8A所示之第1步驟藉由有機金屬氯化物汽相成 長法形成緩衝層4。此時，利用電阻加熱電熱器8丨加熱GaAs 基板2 ’其溫度提高至約500°C，而保持該溫度狀態將三甲 基鎵（TMG)以分壓6xl〇_4atm、將氯化氳以分壓6xl〇-4atm、 及氨則以分壓0.1atm各引進至反應室79。並且使缓衝層24 的厚度為約700A。 接著’藉由有機金屬氯化物汽相成長法在緩衝層4成長第 1蟲晶層6 。此時，利用電阻加熱電熱器81加熱GaAs基板
O:\91\91269.DOC -42- 200415712 2，其溫度提咼至約970°C，而保持該溫度狀態將三甲基鎵 (TMG)时壓2xl0-3atm、將氯化氫以分壓2xi〇.3atm、及氨 則以分壓0.2atm各引進至反應室79。並且以約15 # m/hr的成 長速度使磊晶層6的厚度為約2"m。 接著，依圖8B所示之第2步驟在第丨磊晶層6上形成si〇2 而成的在遮蔽罩層28。此時，使開口窗％為邊長瓜正方 形，而窗群32的間距L為6# m，間距。並且將相互 鄰接的<1(M0>窗群32往<10_10>方向偏錯3/^。 接著’依圖8C所示之第3步驟利用有機金屬氯化物汽相成 長法使第2蟲曰曰曰層34成長。此時，利用電阻加熱電熱器81加 熱GaAs基板2,其溫度提高至約1〇〇(rc ’而保持該溫度狀態 將，甲基鎵（TMG)以分壓4x !〇-3atm、將氣化氣以分壓4χ 10 atm、及氨則以分壓〇.2atm各引進至反應室79。並且使 成長速度為約25/z m/hr’而第2磊晶層12的厚度為約1〇〇// m 接著，依圖8D所示之第4步驟將晶圓設置在蝕刻裝置，利用 王水對GaAs基板2施以約1〇小時的蝕刻，而完全去除 基板2。並且，最後在GaAs基板2的去除面施以研磨處理， 以完成GaN單結晶基板3 5。 由本實施例所製造之GaN單結晶基板的各特性如下： 即缺陷密度為約3xl07(cm-2)左右，比過去明顯降低，而 也未觀察到裂痕。再者，另外省略遮蔽罩層的形成步驟製 造之GaN單結晶基板的曲率半徑係約65mm，但是，本實施 例之GaN單結晶基板曲率半徑為約77〇mm，由此得相當降低 GaN單結晶基板的f曲。此外，過去Q()5Gpa的内部應力也
O:\91\91269.DOC -43- 200415712 本實施例之GaN單結晶基板則降低至約ι/；ι〇的〇.005GPa。 GaN單結晶基板之内部應力係由上述石頭之公式（公式2)計 算之。並且利用空穴測驗計算電特性的結果，就η型載子濃 度為2xl018cnr3，載子遷移率為i80cm2/V · S。 實施例5 接著’參佐圖13 A〜圖13E說明第5實施形態之實施例的實 施例5。
GaAs基板2係採用GaAs(lll) A基板，而緩衝層24、第1 蠢晶層44及第2磊晶層46係皆以圖3所示之汽相成長裝置， 並藉由HVPE法形成之。 首先依圖13A所示之第i步驟在GaAs基板2上形成遮蔽罩 層38 ’此時，使開口窗4〇為直徑m的圓形，而< u-2〉 窗群32的間距L為6# m，間距d為5 /z m。並且將相互鄰接的 <11-2>窗群往<U_2>方向偏錯3//111。 接著，依圖13B所示之第2步驟在開口窗4〇内的GaAs基板 2上利用HVPE法形成緩衝層4。此時，利用電阻加熱電熱器 61加熱GaAs基板2，其溫度提高至約5〇〇。(：，而保持該溫度 狀態將三甲基鎵（TMG)以分壓6xl0-4atm、將氣化氫以分壓 6x10 atm、及氨則以分壓〇 latm各引進至反應室59。並且 使緩衝層24的厚度為約7〇〇A。 接著，依圖13C所示之步驟，藉由HvpE法在緩衝層24上 成長第1磊晶層44。此時，利用電阻加熱電熱器61加熱GaAs 基板2,其溫度提高至約97〇。(：，而保持該溫度狀態將三甲 基鎵（TMG)以分壓5xl(T3atm、將氯化氫以分壓5><1〇、恤、
O:\91\91269.DOC -44- 200415712 及氨則以分壓〇.25atm各引進至反應室59。並且以約25 # m/hr的成長速度使第！磊晶層44的厚度為約5〇 #瓜。 接著，依圖13D所示之第4步驟將晶圓設置在蝕刻裝置， 利用王水對GaAs基板2施以約1 〇小時的蝕刻，而完全去除
GaAs基板2，如此先形成一次厚度約5〇//111薄的GaN單結晶 基板。 接著，依圖13E所示之第5步驟在藉由HVPE法在第！磊晶 層44上成長厚度約的GaN而成之第2磊晶層;其成 長溫度為100°C，氯化氫之分壓係2xl0-2atm，而氨則分壓 〇.2atm，以及成長速度約1〇〇 # m/hr，從而形成厚度約^⑼ μ m的GaN單結晶基板47。 如上述形成之本實施例GaN單結晶基板係測試的結果得 知··基板表面之缺陷密度明顯的降低，呈現約2xl〇7(cm·2)， 也未觀察到裂痕。並且GaN單結晶基板的彎曲也較過去降 低’内部應力亦非常小，呈現〇 〇〇2Gpa。 實施例6 參佐圖16A〜圖16F說明第8實施形態之實施例的實施例 6 〇 本實施例中GaAs基板2係採用GaAs(lu) a基板，而緩衝 層24、磊晶層26以及磊晶層62係皆利用圖2所示之汽相成長 裝置，並藉由HVPE法形成之。 首先依圖16A所示之第！步驟，藉由HvpE法在GaAs基板2 上形成遮蔽罩層8。此時，使條帶狀開口窗丨〇的長邊方向對 著GaAs基板2的<U_2> ，而遮蔽罩層8的厚度為約
O:\91\91269JDOC -45- 200415712 3 00nm，遮蔽部的寬度P為約5 // m，以及窗寬度Q為約3 /z m。 接著依圖16B所示之第2步驟加熱GaAs基板2，其溫度提 高至約500°C，而保持此溫度狀態在條帶狀開口窗10内的 GaAs基板2上利用HVPE法形成緩衝層24，該緩衝層24之厚 度為約800A。 接著依圖16C所示之第3步驟加熱GaAs基板2，其溫度提 高至約950°C，而保持此溫度狀態在缓衝層24上利用HVPE 法形成厚度為約200 /z m的磊晶層26。 接著，依圖16D所示之第4步驟利用王水施以蝕刻，去除 GaAs基板2 〇 圖16E所示之第6步驟則使反應室59内溫度為1020°C，而 保持該溫度狀態在於磊晶層26上利用HVPE法使該磊晶層 26更為厚，以形成GaN單結晶的晶錠64。該晶錠64的形狀 係上面中央部位稍微凹陷，從底部至上面中央部位之高度 約2cm，外徑為約55mm。 接著依圖16F所示之第6步驟利用内周齒薄切器切割晶錠 64，而得到外徑約55mm、厚度約350 /z m的GaN單結晶基板 66共20片。該GaN單結晶基板66上未發現明顯彎曲的發 生。此外，在切割處理後GaN單結晶基板66上加以擦光研 磨以及完成階段的最後研磨。 上述實施例1〜實施例5由於一次的製造處理只能得到1片 單結晶基板，但是本實施例則由於一次的製造處理即得到 20片基板。並且，製造成本降低至實施之約65% 。如此本 實施例可以得到大幅度的降低成本，同時得縮短每一片的 O:\91\91269.DOC -46- 200415712 製造時間。 再者’測試得自晶錠64最頂端部位的GaN單結晶基板66 之電特性的結果，載子濃度為η型2xl018cnT3，電子遷移率 為 200cm2/Vs，比電阻為 0.017Qcm。 再者’測試得自晶錠64最下端部位的GaN單結晶基板66 之私特性的結果，載子濃度為η型8x1018cm·3，電子遷移率 為 150cm2/Vs，比電阻為 0.006Ωοηι。 因此’晶錠64中間部位的特性可以品質保證為在於上述 數值之間或其近旁，而可以省略整體檢查的程序。 再者，利用GaN單結晶基板66製造以InGaN為發光層的 LED 、纟σ果與習知藍寶石基板比較，發光亮度增加5倍。所 以增加發光亮度的原因係可能因為習知LED在活性層内有 存在不少貫穿差排，但是本實施例則在活性層内不會存在 貫穿差排。 實施例7 參佐圖16A〜圖16F說明第8實施形態之另一實施例的實 施例7。 本實施例中GaAs基板2係採用GaAs(111) A基板，而緩衝 層24、磊晶層26以及磊晶層62係皆利用圖2所示之汽相成長 裝置，並藉由HVPE法形成之。 首先依圖16A所示之第1步驟，在GaAs基板2上形成遮蔽 罩層8。此時，使條帶狀開口窗1〇的長邊方向對著GaAs基板 2的< 11-2>，而遮蔽罩層8的厚度為約5〇〇nm，遮蔽部的寬 度P為約5 v m，以及窗寬度q為約3 # m。
O:\91\91269.DOC -47- 200415712 接著依圖16B所示之第2步驟加熱GaAs基板2，其溫度提 高至約490°C，而保持此溫度狀態在條帶狀開口窗1〇内的 GaAs基板2上利用HVPE法形成緩衝層24，該緩衝層24之厚 度為約800A。 接著依圖16C所示之第3步驟加熱GaAs基板2，其溫度提 高至約970°C，而保持此溫度狀態在緩衝層24上利用有機金 屬氯化物汽相成長法形成厚度為約25 // m的磊晶層26。 接著，依圖16D所示之第4步驟利用王水施以蝕刻，去除 GaAs基板2 〇 圖16E所示之第5步驟則使反應室79内溫度為1000°C，而 保持該溫度狀態使磊晶層62更為厚，以形成GaN單結晶的 晶錠64。該晶錠64的形狀係上面中央部位稍微凹陷，從底 部至上面中央部位之高度約3 cm，外徑為約30mm。 接著依圖16F所示之第6步驟利用内周齒薄切器切割晶錠 64，而得到外徑約20〜30mm、厚度約400 // m的GaN單結晶 基板66共25片。該GaN單結晶基板66上未發現明顯彎曲的 發生。此外，在切割處理後GaN單結晶基板66上加以擦光 研磨以及完成階段的最後研磨。 上述實施例1〜實施例5由於一次的製造處理只能得到1片 單結晶基板，但是本實施例則由於一次的製造處理即得到 25片基板。並且，製造成本降低至實施之約65% 。如此本 實施例可以得到大幅度的降低成本，同時得縮短每一片的 製造時間。 再者，測試得自晶錠64中間部位的GaN單結晶基板66之 O:\91\91269.DOC -48- 200415712 電特性的結果，載子濃度為η型2x1018cm·3，電子遷移率為 250cm2/Vs，比電阻為 〇.〇l5Qcm。 實施例8 參佐圖17A〜圖17C說明第9實施形態之實施例的實施例 8 ° 本實施例中GaAs基板2係採用GaAs(lll) A基板，而緩衝 層24以及蠢晶層68係均利用圖2所示之成長農置，並藉由 HVPE法形成之。 首先依圖17A所示之第1步驟，在GaAs基板2上形成遮蔽 罩層8。此時，使條帶狀開口窗1〇的長邊方向對著^^基板 2的< 11-2>，而遮蔽罩層8的厚度為約25〇nm，遮蔽部的寬 度P為約5 // m，以及窗寬度Q為約3 # m。並且，形成遮蔽罩 層8之後，使GaAs基板2的溫度為約5〇(rc，而保持該溫度狀 態藉由HVPE法在窗10内的GaAs基板2上形成磊晶層68。並 且使緩衝層24的厚度為約9〇〇 A。 接著依圖17C所示之第2步驟加熱GaAs基板2，其溫度提
鬲至約1000°c，而保持此溫度狀態在緩衝層24上利用HvpE 法成長磊晶層68，以形成GaN單結晶的晶錠70。該晶錠7〇 的形狀係上面中央部位稍微凹陷，從底部至上面中央部位 之南度約1.6cm。 接著依圖1 7C所不之第3步驟利用内周齒薄切器切割晶錠 7〇，而得到厚度約300 /zm的GaN單結晶基板72共12片。該 GaN單結晶基板72上未發現明顯彎曲的發生。此外，在切 d處理後GaN單結晶基板72上加以擦光研磨以及完成階段
O:\91\91269.DOC -49- 200415712 的最後研磨。 上述貫施例1〜貫施例5由於一次的製造處理只能得到^片 單結晶基板，但是本實施例則由於一次的製造處理即得到 12片基板。並且，製造成本降低至實施之約6〇% 。如此本 貫施例可以得到大幅度的降低成本，同時得縮短每一片的 製造時間。 再者，測試得自晶錠70中間部位的GaN單結晶基板72之 電特性的結果，載子濃度為11型1：<1〇19(^1-3，電子遷移率為 100cm2/Vs，比電阻為 0.005 Qcm。 實施例9 參佐圖1 8 A〜圖說明第i 〇實施形態之實施例的實施例 9 〇 首先，依圖18 A所示之第1步驟在於實施例6中所製造之 GaAs單結晶基板上成長磊晶層74，以形成單結晶的晶 錠76。此時，該磊晶層74係藉由HvpE&，同時g⑽基板2 的溫度為約10HTC的狀態之下成長之。並且該晶㈣的形 狀係上面中央部位稍微凹陷，從底部至上面中央部位之高 度約2.5cm，外徑為約55mm。 接著依圖18B所示之第2步驟利用内周齒薄切器切割晶鍵 76,而得到外徑約50mm、厚度約6〇〇#111的GaN單結晶基板 78共15片。 日日土 上述實施例1〜實施例5由於一次的製造處理只能得到又片 單結晶基板，但是本實施例則由於一次的製造處理即得到 15片基板。並且，就製造成本，依與實施例工相同步驟製造
O:\91\91269.DOC -50- 200415712 的情形比較’降低至約55%。如此本實施例可以得到大幅 度的降低成本，同時得縮短每一片的製造時間。 再者，測試得自晶錠76中間部位的GaN單結晶基板以之 電特性的結果，載子濃度為_ lxl〇17cm-3，電子遷移率為 65〇Cm2/Vs ’比以且為 〇.〇〇8Qcm。 實施例1 〇 接著，參佐圖18A〜圖18B說明第10實施形態之另一實施 例的實施例10。 、 百先，依圖18A所示之第丨步驟在於實施例7中所製造之
GaN早結晶基板上成長蠢晶層74，以形成⑽單結晶的晶鍵 76。此時，該磊晶層74係利用圖22所示之成長裝置，同時 稭由升華法，在GaAs基板2的溫度為約12〇〇。〇的狀態之下成 長之。該晶錠76係與實施例6〜實施例9之晶錠比較呈現平 一彳之底邛至上面中央的高度約0.9cm，外徑為約35mm。 接著依圖18B所示之第2步驟利用内周齒薄切器切割晶錠 %，而得到外徑約35mm、厚度約5〇〇//111的GaN單結晶基板 7 8共5片。 上述貫施例1〜實施例5由於一次的製造處理只能得到丄片 單、、’rr ΒΘ基板，但是本實施例則由於一次的製造處理即得到$ 片基板。並且’就製造成本，與實施例1比較，降低至約80 〇/〇 。如此本實施例可以得到大幅度的降低成本，同時得縮 短每一片的製造時間。 再者’測試得自晶錠76中間部位的GaN單結晶基板78之 電特性的結果，載子濃度為η型lxl018cnT3，電子遷移率為
O:\91\91269.DOC -51- 200415712 200cm2/Vs，比電阻為 0·03 Ω cm。 貫施例11 接著，參佐圖19A〜圖19C說明第11實施形態之實施例的 實施例11。 首先，依圖19A所示之第1步驟藉由HVPE法在於加熱製 5〇〇°C之GaAs單結晶基板2上形成厚度約90nm之由GaN而成 的緩衝層79。並且使用GaAs(lll)B基板為GaAs基板。 接著，依圖19B所示之第2步驟藉由HVPE法在緩衝層79 上形成由GaN而成的磊晶層81，以形成GaN單結晶的晶錠 83 °此時，該磊晶層81係藉由HVPE法，在GaAs基板2的溫 度為約1030°C的狀態之下成長之。該晶錠83的形狀係上面 中央部位稍微凹陷，從底部至上面中央部位之高度為約 1.2cm 〇 最後依圖19C所示之第3步驟利用内周齒薄切器切割晶錠 83,而得到厚度約300//m的GaN單結晶基板以共⑺片。 上述實施例1〜實施例5由於一次的製造處理只能得到1片 單結晶基板，但是本實施例則由於一次的製造處理即得到 1 〇片基板。並且，就製造成本，與實施例丨比較，降低至約 70% ’同時得縮短每一片的製造時間。 再者，測試得自晶錠83中間部位的GaN單結晶基板78之 電特性的結果，載子濃度為_lxl〇19cm_3,電子遷移率為 100cm2/Vs，比電阻為 0 05 Ω〇ηι。 利用在產業上的可能性 如上述說明’本發明之GaN單結晶製造方法的過程中，
O:\91\91269.DOC -52- 200415712 2遮蔽罩層的各開口窗内形成有GaN核，而該GaN核是在遮 敝罩^上漸漸往著橫向，即往著未形成遮蔽罩層之開口窗 的遮敝邛上方，沒有任何障礙物自由地形成橫向成長。是 — 本I月之GaN單結晶基板製造方法，可以有效且確 果也知到大幅度降低結晶缺陷的本發明之單結晶基 板。 【圖式簡單說明】 回 圖1 D各所示為第1實施形態相關GaN單結晶基板製 造方法的第1步驟〜第4步驟。 圖2所示為HvpE法中所使用的汽相成長裝置。 圖3所不為有機金屬氯化物汽相成長法中所使用的汽相 成長裝置。 圖4所示為第1實施形態之遮蔽罩層平面圖。 圖5A〜圖5D各所示為第1實施形態相關之成長蠢晶層的 弟1步驟〜第4步驟。 圖6A〜圖6D各所示為第2實施形態相關之GaN單結晶基板 製造方法的第1步驟〜第4步驟。 圖7所不為第2實施形態之遮蔽罩層平面圖。 圖8A〜圖8D各所示為第3實施形態相關之GaN單結晶基板 製造方法的第1步驟〜第4步驟。 圖9所不為第3實施形態的遮蔽罩層平面圖。 圖10A及圖10B各所示為第3實施形態相關之第2磊晶層 成長過程。 ° θ 11D各所示為第4實施形怨相關之Q 單結晶基
O:\91\91269.DOC -53- 200415712 板製造方法的第1步驟〜第4步驟。 圖12為第4實施形態的遮蔽罩層平面圖。 圖13A〜圖13E各所示為第5實施形態相關之GaN單結晶基 板製造方法的第1步驟〜第5步驟。 、口 土 圖14為第6實施形態的遮蔽罩層平面圖。 圖15為第7實施形態的遮蔽罩層平面圖。 圖16A〜圖16F各所示為第8實施形態相關之GaN單結晶基 板製造方法的第丨步驟〜第6步驟。 圖m〜圖nc各所示為第9實施形態相關之單結晶基 板製造方法的第1步驟〜第3步驟。 圖18A及圖l8B各所示為第1〇實施形態相關之⑽單結晶 基板製造方法的第1步驟及第2步驟。 圖19A〜圖19C各所示為第實施形態相關之GaN單結晶 基板製造方法的第1步驟〜第3步驟。 圖20所不為利用第3實施形態之_單結晶基板二極管。 圖所示為利用帛3實施形態之㈣單結晶基板半導體 雷射。 圖22所示為使用於升華化的汽相成長裝置。 【圖式代表符號說明】 2 GaAs基板 4 緩衝層 6 弟1蠢晶層 8 遮敝罩層 10 條帶狀開1
O:\91\91269.DOC -54· 200415712 12 第2蠢晶層 13 GaN單結晶基板 14 差排 16 低差排密度區域 24 緩衝層 26 蠢晶層 27 GaN單結晶基板 28 遮蔽罩層 30 開口窗 32 窗群 34 第2 0磊晶層 35 GaN單結晶基板 36 G aN結晶粒 38 遮蔽罩層 39 GaAs單結晶基板 40 開口窗 42 窗群 44 弟1蠢晶層 46 第2蠢晶層 47 GaN單結晶基板 48 遮蔽罩層 50 長方形窗 51 第1氣體引進孔 52 長方形窗群 O:\91\91269.DOC -55 200415712 53 第2氣體引進孔 55 第3氣體引進孔 57 排氣孔 58 遮蔽罩層 59 反應室 60 六角窗 61 電阻加熱電熱器 62 蠢晶層 63 供應孔 64 晶鍵 65 旋轉支承構件 66 GaN單結晶基板 68 蠢晶層 70 晶鍵 71 第1氣體引進孔 72 GaN單結晶基板 73 第2氣體引進孔 74 蠢晶層 75 第3氣體引進孔 76 晶鍵 77 排氣孔 78 GaN單結晶基板 79 反應室 80 發光二極體 O:\91\91269.DOC -56 200415712 81 電阻加熱電熱器 82 半導體雷射 83 晶鍵 85 GaN單結晶基板 90 成長裝置 92 GaN粉末 94 反應爐 101 GaN緩衝層 102 Si摻雜η型GaN障壁層 103 未換雜In〇.45Ga0.55N井層 104 Mg摻雜p型AluGauN障壁層 105 Mg摻雜p型GaN接觸層 111 GaN緩衝層 112 η-GaN接觸層 113 n-Ino.05Gao.95N覆蓋層 114 n-Al〇.Q8Ga().9 2N 覆盍層 115 η-GaN導引層 116 MQW層 117 p-Al〇.2Ga〇.8N内部覆蓋層 118 p-GaN導引層 119 p-Al〇.〇8Ga〇.92N覆蓋層 120 p-GaN接觸層 O:\91\91269.DOC -57-

Claims (1)

  1. 415712 拾、申請專利範園： 1 ·如申請專利範圍第]s 弟5項至弟37項中任一項的GaN單結晶 基板，其中： 述曰曰層之上述遮蔽罩層之接觸面相離至1〇//ηι 範圍内’ i未形成有上述遮蔽罩層之上述開口窗的遮蔽 部上’形成有較上述開口窗上方區域差排密度低的低差 排始度區域，上述磊晶層之上述低差排密度區域的差排 岔度為1X1 〇8cnT2以下。 2·如申睛專利範圍第35項至第37項之任一項的GaN單結晶 基板，其中： 在與上述蟲晶層之形成有上述遮蔽罩層的一側面之相 反面更具備有GaAs基板。 O:\91\91269.DOC
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