TW200532776A - Method of manufacturing single-crystal GaN substrate, and single-crystal GaN substrate - Google Patents

Description

200532776 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本舍明係關於製造早晶鼠化蘇（GaN)基板的方法，該等 基板係用作由第III-V族化合物半導體所製成之發光裝置與 其他光電裝置（例如發光二極體與半導體雷射）之基礎。 【先前技術】 從藍色LED開始’採用氮化物半導體的發光裝置已投入 實際使用。在採用氮化物半導體的發光裝置中，迄今為止 幾乎宅無例外地使用藍寶石作為基板。氮化鎵晶體膜在藍 寶石基板上的生長非常有利，並且作為基礎材料，藍寳石 係堅硬的，並具有充足的機械強度。在生長於藍寶石基板 上的氮化鎵膜中有許多的缺陷，但儘管如此，製造於藍寶 石上的氮化鎵半導體裝置仍然會發光，並且導致裝置劣化 的缺陷擴散並不構成問題。對於氮化物半導體膜的生長而 言，藍寶石係優質的材料。

不過，藍寶石基板亦造成若干困難。採用藍寶石基板並 以氮化物為主的半導體發光元件受到以下影響：藍寶石缺 乏可裂性、藍寶石係絕緣體以及氮化鎵晶體與藍寶石之間 的嚴重失配（因其晶格不匹配）。 在監寶石上製造發光二極體時，由於藍寶石缺乏可奢 性’切割階段的產量得不到提升，從而增加成本。在藍； 石上生產半導體雷射時，尚不可能產生高級共振器反射： 面’其中會有雷射特徵的問題以及其他與品質有 ' 難。 99627.doc 200532776 由於藍寶石係絕緣體，故不可能像普通led那樣在藍寶 石裝置基板晶片的頂側/底側提供電極。目前已完成的操 、作係，將η電極的η型氮化鎵膜層疊到藍寶石基板上，並且 -將諸如氮化鎵膜或InGaN膜之類的氮化層磊晶地生長於氮 化鎵層上，然後藉由蝕刻邊緣直至n型氮化鎵層來曝露 氮化鎵層，並將η電極形成於所曝露的區域之上。這會增 加處理步驟與製造時間，從而使成本增加。 I 而且’由於必須在相同的表面上並排提供兩個電極（沿 前側），故需要大的晶片面積，其同樣推高成本。 由於藍寶石與氮化鎵的晶格常數相差很大，故存在另一 問題，即基板與磊晶層之間的晶格常數失配會在磊晶層中 引入許多的錯位與其他缺陷。 實際上’在採用目前市售藍寶石基板的發光裝置之氮化 鎵磊晶層内存在lx 109cm-2等級的高密度錯位。即使在將氮 化鎵生長於SiC基板上的裝置中（Sic與氮化鎵的晶格失配 φ 比藍寶石低）’錯位密度也處在該等級；因而，採用SiC基 板算不上解決方法。 就LED而言’此種高錯位密度的存在並未對實際使用造 成很大的障礙。即使錯位缺陷增加或擴散，問題也不大。 然而，對於半導體雷射，目前的密度係高的，因此認為此 類缺陷有礙於延長半導體雷射壽命。這表示在半導體雷射 •實施方案中’正在尋求失配較小的基板。但當所製成的 • LED具有較高的輸出功率時，對較低錯位磊晶層的需求（同 樣在LED的基板上）可能將隨之而來。 99627.doc 200532776 因此，以氮化物為主的半導體膜應生長於其上的理想基 板係氮化鎵晶體的基板。如果可生產高品f的氮化嫁晶體 基板，則可解決基板與膜之間的晶格失配問題。氮化鎵晶 體具有顯著的可裂性，因此可使用自然的分裂平面作為雷 射共振器的反射鏡。而且，氮化鎵並非像藍寶石那樣的絕 緣體，而是半導體，因此可將電極層疊到基板底部表面 上，這表示作為裝置基板的氮化鎵晶片可具有縮小的表面 積。因此，認為氮化鎵晶體晶板是用於以氮化物為主的半 導體膜生長之最佳底部基板。 然而，儘管氮化鎵的特性係最佳的，但作為目前生長氮 化膜的底部基板，仍幾乎排他性地使用藍寶石。其中一個 原因係，具有咼品質以及實用大小的氮化鎵晶體獨立式基 板尚未被證明係容易製造的。 儘管在超高壓力下，可將高溫氮化鎵製造成熔融物，並 從該熔融物中抽出氮化鎵晶體（只能生產出極小的晶體顆 粒）’目前尚不可能生產出直徑跨度較大的顆粒。 鑒於將氮化鎵轉換為熔融狀態有困難，故實務上係藉由 相方法來生產氮化鎵晶體，其中在汽相中使源氣體反 應。用來生長原生膜的方法（其中藉由汽相合成將氮化鎵 膜生長於異質晶體基板上）係用來替代基板生長方法。 氮化鎵膜汽相生長之已知方法包括hype、昇華、MOC 與MOCVD。 1.HVPE(氫化物汽相磊晶）係一種在熱壁反應爐（反應器） 的上端提供一容器或「晶舟」（其中引入金屬Ga)並在下端 99627.doc 200532776 中配備一晶座的方法。在晶座上設定一底部基板，加熱整 個反應器，並將以氫氣稀釋的HC1氣體透過上端流動到Ga . 晶舟，以藉由反應2Ga+2HCl ->2GaCl+H2來合成GaCl氣 -體。然後在晶座附近（GaCl已降到此處）流動以氫稀釋的 NH3，以啟動反應2GaCl+2NH3 ->2GaN+3H2，並將一氮化 鎵晶體層層壓到底部基板2之上。 2. 昇華係一種將底部基板錨定在反應器中的上游並將氮 化鎵多晶放置在反應器的下游之方法。在反應器中設定溫 I 度梯度，使下端處於較高的溫度，使上端處於較低的溫 度，藉此，多晶會氣化、上升並逐漸沈積到底部基板上， 以產生早晶膜。 3. MOCVD(金屬有機化學汽相沈積）係一種方法，其中將 一底部基板設定於一位於冷壁反應器之下端中的晶座上， 加熱該晶座，並以氣態氫作為載氣，將三甲基鎵（TMG)、 三乙基鎵（TEG)與NH3氣體流過反應器的上端，以啟動汽 Φ 相反應（CH3) 3Ga+NH3 ->GaN+3CH4，並將氮化鎵晶體沈積 在底部基板上。目前，此係在藍寶石基板上生長以氮化物 為主之半導體膜之最常用的方法。以一有機金屬為源材 料，因而得名。然而，本申請人不認為其係非常令人滿意 的方法，因為含碳物質與NH3直接反應，碳與氮化鎵混 合，並且由於碳，使晶體脫色為微黃色，並且得到一深層 施體能階。 . 4.MOC(金屬有機氣化物）係一種將有機金屬用作Ga源材 料的技術，但金屬不與NH3直接反應，而是暫時與HC1反 99627.doc 200532776 應以合成Gad作為中間產物，然後再與nh3反應以提供氮 化鎵。MOC係一種本申請人獨有的技術，|申請人尚未見 到任何類似的實例。透過M〇c獲得的突出優點在於，由於 生產GaCl作為中間產物，故不可能使碳與作為最終產品的 氮化鎵混合。

藍寶石（A1203)在大多數情況中係用作底部基板的材料。 儘管藍寶石與氣化鎵之間的晶格常數差異相當大，導致沈 積膜中的大錯位密度’即便如此，也可將藍寶石上的氮化 鎵製造進LED，即製造進壽命較長的led。然而，有報告 採用GaAs與SiC之類似物來作為底部基板。二十世紀六零 年代’曾認真地嘗試過以GaAs作為底部基板來生長氣化 鎵’但因氮化鎵生長不佳’而以失敗告終。如彳，所做的 係將氮化鎵磊晶地生長於一底部基板上，在該基板上，已 建立在低溫下生長的一薄（2〇至8〇nm)緩衝層。 前述技術係氮化鎵薄膜生長方法。此等方法本質上無法 生產出厚膜。由於按照定義，薄膜係薄的，即使膜與基板 不相稱’膜也不會鬆落，或受到其他影響，但當繼續頻繁 地沈積氮化鎵時，内部應力增長到相當大，使氮化鎵鬆落 或’彎曲’而無法變厚。ϋ於此等情況，使用則(蟲晶橫向 過生長）使内部應力減弱而減小錯位密度。 將一 SiN或Si〇2膜形成於一底部基板上，在該基板上形 成一打孔的遮罩，孔徑直徑為丨至2 μηι，位於與直角三角 形頂點相對應的位置（如果假定一邊大約為2至4 μιη的直角 三角形U已單側地分佈於㈣± )。透過料汽相沈積 99627.doc -10- 200532776 氮化鎵。首先，氮化鎵晶體在孔徑中從底部基板生長，然 後其攸上遮罩，橫向生長。氮化鎵晶體接著與已透過相鄰 孔徑生長的晶體碰撞，然後發生均勻的平坦平面過生長（c 平面生長）。在遮罩上，錯位水平地延伸，並從一側至另 一側，其相互碰撞，導致遮罩上晶體中的錯位減少。孔徑 上的高錯位密度不受影響，但在該遮罩上（已覆蓋的區 域），錯位密度變低。關於EL0的文獻係廣泛的；國際申請 案第PCT/W099/23693號係論述GaAs底部基板上之EL〇的 一實例。 可藉由將氮化鎵晶體頻繁地EL0到GaAs基板上，隨後移 除基板’而獲付獨立式氮化鎵晶體。可藉由透過Elq在一 GaAs基板上生產出較厚的氮化鎵晶體，移除基板以產生一 氮化鎵鑄錠，然後將鑄錠切割成薄晶圓，而獲得複數個獨 立式氮化鎵晶體基板。在國際申請案第PCT/w〇99/23693 號中揭示了此技術。 至此所說明的係用於生長氮化鎵晶體的傳統技術。現在 論述完全不同的技術，並說明「偏斜切割（miscut)」或 「離軸」的晶體基板。在關於si的實施方案與關於GaAs的 貫加方案中皆已存在對偏斜切割的需求。就GaAs而言，具 有精確、軸上（1 〇〇)面的基板係通常情況，但如果將一膜 生長於一精確的基板上，則該膜的面不一定變為光滑與平 坦’並且在某些情況下會彎曲。一種解決此問題的方式係 從（100)精確平面稍微傾斜基板定向，並在其上生長膜以形 成裝置。以此方式，將晶體面從低指數稍微傾斜稱為「偏 99627.doc -11 - 200532776 斜定向」，並且此類基板稱為「偏斜定向」、「偏斜切割」 或「微斜」基板。晶體面的傾斜角稱為「偏斜定向」或 k 「離軸」角。 ，這並不是說偏斜定向總是如此，但根據目的，偏斜定向 的基板係適當的。由於太多的傾斜會使分裂平面位移，故 產生以微小的角度傾斜定向的基板。對於現存的半導體基 板晶體，例如Si、GaAs與InP，通常採用偏斜定向的做 # 法。雖然對於偏斜定向角的最佳範圍存在各種觀點，但都 尚未完善。曰本未審核專利申請公開案第H〇2_239i88、 S64-32686、S64-22072、S64-15914 與 H01-270599 號中以 及曰本專利第3，129，112號中所述的範圍係關KGaA_inp 等晶體的偏斜定向基板。除此等公開案之外，存在與&、 GaAs及InP之偏斜定向角有關之廣泛的文獻。 對於GaAs與InP基板，由於可使用水平汨引 或液體封裝之Czochralski (LEC)方法來獲得長的大尺度 • (1〇〇)晶體禱鍵，故所要做的係，使用一切割器，例如内徑 鋸、圓鋸或鋼絲鋸，沿與其軸傾斜的方向對角線地切割鑄 錠，以產生偏斜定向的晶圓。由於鑄錠係長的，故即使沿 著對角、線方向士刀割該等鑄錠，_也不會真的成為問題。° 對於氮化鎵基板，迄今為止，缺乏製造用來在市面上銷 售的大尺度、南品質產品，因而不存在對偏斜定向氮化録 基板的需求。不存在偏斜定向的氮化鎵基板，也不存在有 關將氮化鎵生長於此類基板上的文獻。因此，在將膜生長 於偏斜定向氮化鎵基板上而非精確氮化鎵基板上的情況 99627.doc 200532776 中:表面形態是否最佳亦不明確。不過，存在有關將氣化 鎵薄膜生長於偏斜定向藍寶石基板上的文獻。 • 日本未審核專利中請公開案第HG7_2〇m5號說明，雖然 • 生長"型氮化鎵薄膜係困難的，但藉由M〇CVD將氮化鎵生 長於-從（0001)平面偏斜定向的藍寶石基板（α_Αΐ㈣可生 產出Ρ型氮化鎵晶體的薄膜。最後，氮化鎵薄膜僅位於藍 貝石之上若以Ρ型薄膜為目標，則厚晶體不是目的，並 Φ 且未提及有關氮化鎵膜是否偏斜定向的内容。 曰本未審才亥專利申請公開案第HU-74562號說明，藉由 MOCVD在具有階梯狀幾何結構的偏 上生長氮化鎵薄膜，導致作用層為量子2 = 線，有效地捕獲載子與光，因此積聚輸出功率並延長壽 命。由於氮化鎵係薄的，故此處的目標不是生產基板。並 且未提及氮化鎵是否偏斜定向。

Takayula Yuasa等人，纟「藍寶石基板之輕微偏斜定向 籲對氮化鎵之金屬有機化學汽相沈積生長之影響」（曰本應 用物理期刊··第2部分，第38卷，第7A期，1999年了月ι 日，第L703至L705頁）說明，在勉強地（4 μηι)生長於一具 有〇.〇3。至0.25。之偏斜定向的（〇〇〇1)藍寶石基板（α Αι2〇3) 上的氮化鎵中，表面形態得以改善（粗輪度得以減小）並且 電致發光得以增強。這並非關於生長氮化鎵之厚膜，因為 留下氮化鎵薄膜，其係層疊在藍寶石基板上。並且未提及 氮化鎵薄膜之晶體定向之任何内容。 Μ.Η. Xle等人’在「藉由分子束蠢晶減少生長於微斜 99627.doc -13- 200532776

Sic (_1)上之氮化鎵中之貫穿缺陷」，（應用物理期刊第 77卷第8期，2_年8月21曰，第11〇5至11〇7頁）說明藉 由MOCVD將-氮化鎵薄膜生長於—偏斜定向35。之（〇㈣） 4H-SiC基板上可改善表面形態並增強光致發光（相對於生 長於（00(H)精確SiC基板上的氮化鎵薄膜而言）。‘然而，、由 於係薄的’氮化鎵不會顯現為基板晶體，而被留下來層疊 在SiC基板上。並且未提及氮化鎵的晶體定向。 【發明内容】 儘管目前並不要求使用偏斜定向氮化鎵基板，但預計以 後將會尋求偏収向純，其方式與GaAs與InP基板相 同。生長於偏斜定向氮化鎵基板上的氮化鎵膜可能具有比 j長於精確氮化鎵基板上的氮化鎵膜更高的品質。儘管事 實上其尚未被理冑，但偏斜定向氮化鎵基板確實有一定的 前途，應該會有需求。 在該情形下，如果與GaAs&InP一樣，自液相的單晶生 長（藉由HB方法或LEC方法）係可能的，並且可製造=長 的、大直㈣、單晶氮化鎵鑄錠，則足以將鑄錠設定為傾 斜角度並對其進行切割，因而簡單地生長出偏斜切割的晶 圓。然而’在氮化鎵晶體之情形中，無法從液相生長長的 單晶鑄錠。似乎有一種可能的方法，即將氮化鎵生長：由 不同於氮化鎵之材料所製成的單晶起始基板上，獲得具有 ^好厚度度量的氮化鎵晶體’移除起始基板以提供一氮化 鎵梨晶’然後沿對角方向切割該梨晶’以提供偏斜切割氮 化錄晶圓。 99627.doc -14- 200532776 然而，作為廢料損失的部分太大，以至於此方法不適 用。假定，例如，希望生產一2英„寸（51醜)直徑、5〇〇 _ 1厚度並具有一離轴角度5。的氮化鎵晶圓。由於(sin -5。）=4.4,生產出具有4.9麵高度之氮化嫁梨晶並以5。之傾 斜角對其進行切割，將會產生單一的偏斜切割晶圓（將截 口損失考慮在内）。由於從4.9 mm高度的梨晶可得到請 5〇〇 pm厚的薄片（如果其係作為精確（軸上）基板切割的 籲話）’故最終將會浪費八個基板。當偏斜定向角度較大 時，此種缺陷很明顯。由於目前藉由汽相技術生產的氮化 鎵係薄的，故此一缺陷係很嚴重的。 如果可製造高度為30 mm的較厚氮化鎵單晶梨晶，並且 可獲得偏斜定向在i。至3。之等級的晶圓，則損失將係較小 的，但在目前階段，不可能生產該厚度的氮化嫁晶體。該 目前階段係處於一最終可生產出大約lmm厚材料的層次， 並且最多為一耗用大量時間而最終可產生1〇瓜工厚晶體的 • 層次。 目前階段的氮化鎵單晶儘管具有大表面積但僅可作為薄 晶體來生產。因此，如果沿對角方向切割（〇〇〇1)精確氣化 嫁，則損失將係大的。除此之外，另有一問題。藉由汽相 沈積緩慢地生長氮化！家，並隨著生長進行，錯位密度不斷 變化。氮化鎵晶體使得在生長起始時，錯位密度係高的， •但隨著生長進行，錯位密度下降，因而如果傾斜地切割晶 • 體，則平面内的錯位密度將證明係明顯不均勻的。 在本發明令，使用一離軸（111) GaAs晶體基板，並且將 99627.doc -15- 200532776 氮化鎵頻繁地汽相沈積於GaAs基板上，並移除基板。此舉 可獲得一離軸氮化鎵晶體基板。本發明使用一離軸（丨j i)

GaAs晶體基板，頻繁地將氮化鎵汽相沈積於GaAs基板上 達到相當於複數個薄片的薄膜厚度，移除GaAs基板以產生 一氮化鎵梨晶’並且在與生長軸正交的離軸平面中切割梨 晶’從而亦可批量生產複數個偏斜切割氮化鎵基板晶體薄 片。 在本發明的另一方面中，使用一 ELO技術，其中將具有 週期性（間距為1 μηι至4 μιη)排列之許多孔徑之遮罩層疊到 一離軸（111) GaAs基板上，並將氮化鎵汽相沈積到基板 上。 或者，本發明中亦可採用的一種技術係刻面生長，其中 將一具有較大間距（30 μηι至400 μηι)的條紋狀或點狀圖案 遮罩層疊到基板上，並且當產生且維持氮化鎵之刻面時， 生長晶體。 依據以下結合附圖的詳細說明，熟習技術人士對於本發 明的前述及其他目的、特色、方面及優點將顯而易見。 【實施方式】 現在將更明確地論述本發明。 如上所述，HYPE、MOC、MOCVD與昇華係生長氮化鎵 晶體之可用方式，並且可以任一該等方法來實施本發明。 此處的論述著重說明使用HPVE(圖2中概略顯示）的情形。 本文所用的HVPE係如下的技術。 在一熱壁反應器的上部提供一石英舟，在該石英舟中已 99627.doc -16- 200532776 引入金屬Ga，並且使用反應器下端中的一晶座來保持與加 熱一起始基板；將以氫稀釋的HC1流過反應器上端，並將 溫度提升至800°C或更高，以啟動反應Ga+HCl ~>GaCl，並

將GaCl氣體流向下端，並在下端中，藉由GaCl以及藉由氫 氣所載送的NH3來啟動反應GaCl+NH3 —GaN，以產生氮化 鎵’並將氮化鎵沈積於已加熱的基板上。HYPE技術的優 點係生長速度快，碳污染輕微，並且設備（較簡單）可靠。 其係用於生產塊狀氮化鎵晶體的最佳技術。 然而’本發明中亦可採用汽相生長方法，例如 MOCVD、MOC與昇華。 本1¾明的基本原理係，將具有一離軸定向角度的GaAs 底板用作一起始基板，將單晶氮化鎵汽相地沈積於以^起 始基板上，並且移除GaAss始基板，以產生具有一離軸定 向角度的獨立式氮化鎵晶體基板。 氮化鎵汽相沈積於該起始基板上， 基板。而且，關鍵的一點係，完全 本發明者發ί見，以離軸GaAs單晶為起始基板來汽相沈 積氮化鎵可製造出離軸氮化鎵單晶。使用此全新認知的原 理’本發明可藉由將—離轴GaAs底板作為起始基板，並將 從而產生一離軸氮化鎵 可藉由作為起始基板之 氮化鎵離軸方向與傾斜 定向與所選傾斜角的氮

GaAs底板之定向與傾斜角來指定 角。本發明因而可製造出具有所選 化蘇早晶基板。' 離軸氮化鎵晶體者缺ί M丄 田然可猎由將晶體直接生長於一離軸 GaAs (in)基板上而予 主 軸 予以I造。可使用除此之外的多種技 99627.doc 17 200532776 術來透過離轴GaAs基板製造離轴氮化錁。 可採用的一設計係要將具有許多週期性分佈之小孔徑的 遮罩（Si〇2或SiN)層疊到一具有離軸定向的（111) GaAs基板 上，並且透過遮罩汽相沈積氮化鎵，使得錯位橫向生長， 並使付在遮罩上面的晶體部分中的錯位密度變低。其意味 著’可將前述ELO方法應用於微斜基板。藉由採用一遮罩 之ELO，離軸氮化鎵亦可生長於一偏斜定向（ln) I 板上，並且其偏斜定向或離軸定向可藉由該偏斜定向（U1) GaAs基板來決定。 在執行ELO時，可勉強地生長一氮化鎵緩衝層nms 80 nm) ’然後將該遮罩層疊到該離軸（m) ^^基板上。 亦可在該情形中生長離軸氮化鎵晶體。在氮化鎵晶體已生 長到適當的厚度之後，移除基板與遮罩，藉此製造出具有 離軸疋向的獨立式氮化鎵晶體。並且由於在此種情形中使 用ELO ’故可獲得較少錯位之材料。 • 另一選擇係使用刻面生長，其中將圖案化為較大（條紋 狀或點狀）組態的Si〇2或SiN層疊到一起始基板上，生長晶 體同％維持晶體之刻面，並且在晶體從被遮蔽部分生長的 區或中將錯位聚在一起，從而界定錯位聚集區，其使得 罩開口上的其餘區域中的錯位較低。 么月藉由將氮化鎵單晶生長到如圖4所示的一離軸 (1\1) GaAs起始基板上，並且以垂直於生長軸之角度來切 °’J單曰曰，而產生具有所需離軸定向之氮化鎵晶圓。由於可 。、用万向，而以垂直於軸之角度來切割晶圓，故廢料 99627.doc -18- 200532776 很少。由於通常只能產生薄晶體，故此結果係有意義的。 假定，例如，為從（0001)精確氮化鎵得到4〇() 厚的晶 圓，需生產i徑為2英叶並且厚度為1〇〇〇 _的晶體。如果 晶圓在軸上，則即使包括截口損失在内，亦可得到兩個晶 圓，但只能得到單一的厚度為4〇〇 μηι的離軸丨。晶圓，並且 如果晶圓係離軸2。、· _厚的氮化鎵，則連—個晶圓也 無法獲得。 相反，使用本發明，在需要2。離軸晶圓的情形下，由於 將2°離軸氮化鎵生長於一 2。離軸GaAs起始基板上，故可從 厚度為1000 μπχ的晶體獲得厚度為4〇〇 pm的兩個2。離軸晶 圓。由於氮化鎵晶圓極其昂貴，故此結果係有意義的。 而且，在氮化鎵晶體中，由於在生長開始時、中間階 段、結束時的錯位密度及其他特性不同，故如果沿對角方 向切割晶體，則錯位密度可視晶圓的區域而大幅變化，但 由於在本發明中係沿垂直於生長軸之角度進行切割，故在 曰曰圓平面内’生長年齡係相同的，從而使錯位密度的波動 最小化，並保持品質一致。 儘管本發明具有此類效果，但其價值更多地係在於發現 可預測性，因為可根據起始基板的微斜角與方向而預先指 定氮化鎵晶體的微斜角度與離軸方向。 由於本發明用作起始基板的GaAs低板可大量生產，並 已證明將近二十年的性能，且可容易而廉價地獲得，故本 發明很容易實施。儘管市售的基本上係（100)精確GaAs基 板’但由於可藉由LEC或HB方法或藉由垂直晶舟方法來製 99627.doc •19- 200532776 造長（100) GaAs單晶鑄錠，藉由沿對角方向切割此一鑄 錠，可製造出偏斜切割的晶圓。 • 本發明的要旨在於，（111)離軸GaAs基板的微斜角α與生 . 長於該基板上的氮化鎵之微斜角β係相等的（β = α)，並且根 據GaAs傾斜定向而唯一地決定氮化鎵之傾斜角方向。儘管 在該等具體實施例中其係清楚的，但可藉由（111)以^基 板法線（其與[111]方向形成角度“，其中α係微斜角）如何 φ 關於與[111]正交的兩個方向[1U]與ΠΪ0]傾斜而表示傾斜 角方向。 氮化鎵晶體的（0001)面生長為位於GaAs之（111)面上。可 藉由與氮化鎵垂直的方向（其與[000 i ]形成角度々）如何關於 與[0001]正交的方向傾斜而表示傾斜角方 向。接著，本發明者發現，當GaAs基板法線朝[u幻方向 離軸時，氮化鎵晶體的法線朝[^00]離軸，並且#GaAs* 板法線朝[U0]方向離軸時，氮化鎵晶體的法線朝㈨方 修向離軸。這表示，氮化鎵中的[li〇〇]方向與OaAs中的[1G] 方向一致，並且氮化鎵中的ΠΗ〇]方向與〇aAs中的[丨1〇]方 向致。因而’ GaAs [111]軸與氮化鎵中的[〇〇〇 q。 已推測出此種關係成立的理由。 固5係表示氮化|豕之結晶結構之軸測透視圖。該圖式實 際上包括若干單元；說明用於將結晶結構表示為六邊形系 統所需的該等複數個單元，因為此一系統的對稱性係容易 理解的。大的白球係氫原子，並且小球係Ga原子。在底部 平面的中〜係Ga，集中在該處的係一規則的六面體，在該 99627.doc -20- 200532776 六面體的每一頂點處存在一Ga原子。從底部平面中的中、

Ga開始，沿六面體周界接合六個以原子的線的方向為2 時針：[2_、0]、[Ϊ2ϊ〇]、⑴1〇]、[ii2〇]與旧叫。 此等係ll化錄中Ga-Ga鍵的方向。不存在鎵原子的方向 [liOO]等。 ° μ 圖6係說明GaAs之結晶結構之軸測透視圖。該結構具有 一六邊形系統，並且係閃鋅的（閃鋅礦型）。黑球係，而 白球係As。將Ga原子與將其包圍的四個最近的相鄰^原 子（上下至左右）鍵接起來。四個鍵的方向係：[Hi]、 ΠΠ]、[Ϊ1Ϊ]與[1Π]。在此圖式中包含三個Ga原子的對角平 面係（111)。每個Ga原子在其第二最近相鄰部位連接至六 個Ga原子；該等連接（其非為鍵接）的方向係：[ϊι〇]、 [〇li]、[10Ϊ]、[iio]、[oil]mi-01]。此等係⑴υ GaAs之 表面中Ga_Ga鍵的方向。 位於在GaAs之（111)平面中包含Ga原子的規則六面體之 •頂點處的六個Ga原子與中心Ga原子接合的方向係剛才所 述的[no]、[on]、[ioi]、[li0]、[oiim[i〇1]，而位於在 氮化鎵之（0001)平面中包含Ga原子的規則六面體之頂點處 的六個Ga原子與中心Ga原子接合的方向係上述[2ii〇]、 [1^0]、[Ϊ2Ϊ0]、「2110]、[Π20]與[⑴〇]。因此，在 GaAs 與GaN中，獲得一 Ga共同性。 在（111)離軸GaAs中，由於表面中的（^原子幾乎係規則 •地對齊’故GaAs中的Ga-Ga方向與氮化鎵中的Ga-Ga方向 係相同的。這表示，沿著GaAs/GaN邊界，GaAs中的 99627.doc 200532776 [Ϊ10]、[01 i]、[l〇i]、[1 i〇]、（^⑴與[ί〇1]係與 GaN 中的 [2ΪΪ0]、[115ο]、[Ϊ2Ϊ0]、plio]、等效。有 鑒於此’假定GaAs法線關於[Ϊ10]之偏斜定向，以及GaN關 於[2Π0]之偏斜定向完全對應。 具體實施例1 藉由將氮化鎵晶體生長到一偏斜定向的GaAs基板（其上 層疊有或未層疊有一ELO遮罩）上來製造離軸氮化鎵基板 之方法 藉由如下一程序，在離軸GaAs起始基板上生產出氮化 鎵晶體，將其製成獨立式膜，研磨拋光，並檢查其偏斜定 向與其結晶特性。 使用離軸GaAs之（111) A面作為起始基板。以八8係閃鋅 礦（ZnS)型的立方系統晶體。GaAs (丨u)平面係具有三重旋 轉對稱的表面。GaAs (111)平面包含一面，其中在該表面 中僅出現Ga，以及一面，其中在該表面中，僅出現八§原 子。W者稱為（lll)Ga面或（ιπ)Α面，而後者稱為（lu)As 面或（111) B面。在本具體實施例中，使用GaAs (111)晶 體，其中Ga面朝上。 由於（111) Ga面具有三重對稱，故可將六面體系統晶體 生長到該面上。然而，其並非嚴格地係（111)以面，而是 已偏斜定向。可存在於（111)面上的晶體方向々^^^滿足 h+k+m-0。其中，為低指數晶體方向並且彼此正交的方向 係 <113> 與 <1ϊ〇>〇(太+士 「 士 少 (本文中，「<···>」表示一系列方向，而 「[···]」表示一個別方而οΗ「 — 99627.doc -22- 200532776 平面，而「{.··}」表示-系列平面。「系列」表示係藉由 晶體所具對稱操作而互換的所有平面或方向的群組。）指 定為「（hkm)」㈣仏平面表示，其單位表面係仙、仙 與elm，即在a軸、b軸與(；軸上的截距長度。指數^、k、爪 係截距的㈣並且絲數4向[hkm]表示與（hkm)平面垂 直的方向。 對於六邊形結m，方向有些微不同：就前述三 個指數而言’假定—平面截斷分開12G。之軸（a，b，d)的截 距長度（定義於c平面中）係仙、blk與dlm，則該等三個指 數將係hkm。規則h+k+m=0始終成立。對於第四指數n，平 面截斷c軸的截距將係cln。因而，可藉由四個指數（hkmn) 來指定六邊形系統平面’並將方向[hkmn]定向為與平面 (hkmn)垂直。此與立方結晶系統的情形相同。 採用以下十四個偏斜定向（離轴角度）用於起始基板： 縣/- ^個偏斜定向，其中根據與基板額垂直的向 量’晶體定向[111]係朝<li〇>方向傾斜〇1。、 〇·3、1、5。、1〇〇、2〇〇與 25。。 縣個偏斜定向，其巾根據與基板頂側垂直的向 量，晶體定向[ill]係朝<11^>方向傾斜0.1。、 所有起始基板皆係偏斜切割GaAs底板 〇·3 、 1 、 5〇 、 ι〇〇 、 2〇〇與25广 在一部分此等偏斜切割GaAs基板上，#由蠢晶橫向過 生長來生長氮化鎵’其中將如下的圖案a與圖案B遮 罩層f到β等基板i ’而對於其他基板，不採用ε[〇來生 99627.doc '23- 200532776 長氮化鎵。 屬心-2陣寬狹縫與6 _寬條紋之平行條紋幾何形狀 之遮罩（間距為8 Pm)，如圖1之左邊所示。 鏍案以邊長為2 _之方形開口打孔的遮罩，該等開 口在直角三角形（其在一圖案中具有六重對稱） 的頂點上，一邊為4㈣的直角三角形分佈於該 圖案上，如圖1之右邊所示。 •類型1 : GaAS基板，其上形成具有圖案Α組態之EL〇遮罩 差族/至7 ..類型1 ;群組】朝一 <11〇>方向傾斜〇」。、〇 3。、 1〇 、 5〇 、 1〇0 、 20。與25〇 。 基族沒至類型丨；群組„朝一〈丨^方向傾斜〇ι。、 〇·3。 、 1。 、 5。 、 1〇。 、 20。與25。。 類型2 : GaAs基板，其上形成具有圖案Β組態之el〇遮罩 差灰75孟2广·類型2 ;群組I朝一 <1 i〇>方向傾斜0」。、 0.3。、1。、5。、1〇。、20。與25。。 _ 、差族Μ羞％ ··類型2 ;群組Π朝一 <u b方向傾斜〇1。、 0·3ο 、 1。 、 5。 、 1〇〇 、 2〇〇與25。。 類型3 :不具遮罩的基板，並且其中藉由一非助技術來 進行生長 差灰29至35 :類型3 ;群組！朝一 <11〇>方向傾斜〇1。、 0.3。 、 1° 、 5° 、 1〇〇 、 20。與25° 。 . 羞灰3(5差β ··類型3 ·，群組II朝一 <11^>方向傾斜〇丨。、 • 〇·3。、1。、5。、1〇。、20。與 25。。 99627.doc -24- 200532776 表I ··具體實施例1之42種不同基板/樣本之特徵。 偏斜定向 (°) 0.1 0.3 1 5 10 20 25 類型1 圖案A I <1 i〇> 1 2 3 4 5 6 7 II <112> 8 9 10 11 12 13 14 類型2 圖案B I <11〇> 15 16 17 18 19 20 21 II <112> 22 23 24 25 26 27 28 類型3 非ELO I <1 1〇> 29 30 31 32 33 34 35 II <112> 36 37 38 39 ‘ 40 ‘ 41 ‘ 42 在此等偏斜定向之GaAs基板上，即在基板1至42上，藉 由hype來生長一氮化鎵晶體層。圖2中概略顯示一 ΗγρΕ 系統。在反應管（爐子）2的上端提供一用於固持金屬Ga的 Ga晶舟3，並且藉由下端中的晶座4來保持每一GaAs基板 5。使用一包圍反應管2的加熱器6，對整個反應管2進行加 熱，以將Ga晶舟3與晶座4保持於所需的溫度。透過上端中 的第一氣體供應埠，將一 H2+HC1氣體流動到Ga晶舟上， 以產生GaCl氣體，並且透過上端中的第二氣體供應埠，將 一ί^+ΝΗ3氣體流動到GaAs基板5上，以合成並在GaAs基板 上生長來自GaCl與NH3的氮化鎵。 在將氮化鎵晶體生長到GaAs基板中，首先以低溫生長 一薄緩衝層，然後以高溫將一厚的磊晶氮化鎵膜生長到緩 99627.doc -25- 200532776 2層上。緩衝層具有20 11111至80 nm的厚度。在應用遮罩的 f月开y中，可將其層疊到基板上，或可將其層疊到緩衝層 上。或者，在緩衝層上積聚〇·4 μπι至1〇 μηι等級的磊晶層 之後，將遮罩層置於磊晶層上。在該情形中，在將緩衝層 與磊晶層一起層壓到〇·5 μπι至10 μιη之後將形成遮罩。用 於產生緩衝層與磊晶層的參數如下： 緩衝層形成參數 - 生長方法： -nh3分壓： -HC1分壓： - 生長溫度： - 生長時間： - 生長膜厚度··

HPVE 0.1 atm (10,000 Pa) 1 χ 1 (Γ3 atm (100 Pa) 500°C 60 min 60 nm 蟲晶層厚膜形成參數 - 生長方法： φ - NH3分壓： -HC1分壓： " 生長溫度： - 生長時間： - 生長膜厚度：

HPVE 0.2 atm (20,000 Pa) 3xl0·2 atm (3000 Pa) 1010°C 10 hr 1.0 mm 如圖3的左邊所示，在上列條件不，以GaAs基板i至42 作為起始基板，來生長氮化鎵厚膜。然後，藉由蝕刻來移 除GaAs基板。從而獲得} mm厚度之獨立式氮化鎵晶體基 板。使用基板1至42所產生的氮化鎵晶體稱為樣本i至42。 99627.doc -26 - 200532776 樣本1至42中的氮化鎵晶體在各種情形下係單晶。氮化鎵 基板頂侧係具有粗糙度的表面，其中（〇〇〇1)平面平面）係 由刻面斷開。樣本丨至42之背側在各種情形下係平坦的。 此處需要強調的係，在所有樣本丨至42中，生長氮化鎵 晶體’使得作為基底之偏斜切割GaAs基板的[m]定向以 及所生長氮化鎵厚膜的[0001]定向將係平行的。使氮化鎵 [0001]定向傾斜一角度，該角度等於GaAs基板關於從氮化 、’豕土板頂側犬出之法線的偏斜定向角α。令氮化鎵基板 [0001]疋向與從其頂側突出的法線所成的角度為氮化鎵之 偏斜定向角，則此實驗的結果係，在所有的樣本丨至42, 夕=(2 ° ΓΠ7且 个惶鼠化銥[000 1 ](其^軸）平行於GaAs起始基板的 Π 11] ’而且保持其軸周圍嚴袼的方向關係。此係一重要的 吞忍識。 在GaAs起始基板的[⑴]方向朝GaAs<ii〇>方向傾斜的樣 中，即將氮化鎵生長於具有群組丨偏斜定向之基板（編號！ i 21與29至35)上之樣本中，氮化鎵單晶之 [0001](c軸）朝一〈H20〉方向 * 入 、斜70王相同的角度。雖然前 扣條件（必要參數）係， f別述軸向傾斜係相同的，但 、、、。果足以滿足々=α之限制。 Λ t . 因此’其重要性在於

As<li〇> 方向=GaN<H2〇> 古a +… 換s之，關於該等軸的 方向亦仔到決定。此處，使 向平杆，… 使用4唬卜)來表達方向表示方 性，廿丨、，聲上 疋義長度’故強調平行 改’並以等號指示。 τ〜 99627.doc -27- 200532776 在GaAs起始基板的[m]方向朝GaAs<1]^〉方向傾斜的 樣本中，即將氮化鎵生長於具有群組1];偏斜定向之基板（編 旒8至14、22至28與36至42)上之樣本中，氮化鎵單晶之 • [0001](c軸）朝一〈丨丨〇〇>方向傾斜完全相同的角度。這表 示舍生協调的晶體生長，並使得GaAs<l 1 3〉方向

GaN<li〇〇>方向。假定前提條件（必要參數）係，即前 述軸向傾斜相同，並且如剛才所述，GaAs<i丨5〉方向 φ —GaN<li00>方向，則自然會發生此種生長。 因而，此表示當在偏斜切割GaAs上生長氮化鎵時，藉 由GaAs之定向來決定軸向方向以及關於軸的定向。簡言 之，離軸關係：

GaAs[lll]=GaN[0001]，

GaAs<li〇>=GaN<ii20>，以及

GaAs<l 1 2>=GaN<l i〇〇> k為可根據本發明者的實驗來瞭解之情形。 # 藉由X射線繞射來測量氮化鎵晶體（0001)平面的偏斜定 向角度與離軸方向而求出此等晶體平面與方向關係。所有 基板/樣本1至42具有上述之類的對應關係，此事實表示該 荨基板/樣本將具有非常可靠的可重製性。 樣本1至42氮化叙晶體基板中扭曲的曲率半徑為$㈤或更 大:載子濃度為n=lxl〇I8cm-3，並且電子遷移率為1〇〇_2〇〇 ㈣/Vs。此種電性特徵與藉由汽相生長在傳統(1⑴ 精確基板上生產的獨立式氮化鎵基板之電性特徵幾乎相 同，較之更佳。 99627.doc -28- 200532776 在將晶體背側之平坦區域作為一參考平面之操作中，研 磨樣本1至42獨立式氮化鎵晶體之前側，以消除粗糙度， 使爾側光滑。隨後進行一抛光操作，以產生具有偏斜定向 的已完成抛光的氮化鎵基板。 使用X射線繞射計來檢查此等42種已拋光的晶圓，以獲 得[0001]方向的傾斜纟。基板傾斜的幅度與定向幾乎與^ 由X射線繞射（如剛才所提供）所檢查的獨立式氮化鎵膜相曰 同。 明確言之，群組1平面化氮化鎵樣本1至7、15至21與29 至35係偏斜定向的氮化鎵晶體基板，其朝“^心方向傾斜 〇β1 〇·3 、1 、5°、10°、20° 與 25。，並且群組II平面化 ，化蘇樣本8至14、22至28與36至42係偏斜定向的氮化鎵 日日體基板’其朝<1〗〇〇>方向傾斜〇1。、〇·3。、1。、5〇、 1〇°、2〇°與25°。此外，結晶特性在平面内係-致的。 將藉由特定的範例來進行解釋。 樣本18 ·在一<11〇>定向、5。傾斜(ιιι) Α表面上製造 圖案B(重複三角形）遮罩之氮化鎵基板，並且將 氮化鎵生長於被遮蔽的A面上。 在分析此氮化鎵樣本18時，氮化鎵[〇〇〇1]在<h-2〇>方向 最少傾斜4 25，而在<1丨〇〇>方向最少傾斜〇。〇7。根據剛才 的解釋，樣本18中的傾斜應該在<Π20>方向為5。，而在 <1100〉方向為〇 ’但輕微偏離。此等係由於氮化鎵晶體厚 膜:的扭曲以及測量問題而發生的差異。此等差異即使有 也疋很#工U的彳藉由作為初始底部基板之偏斜定向 99627.doc -29- 200532776 來精確地決定氮化鎵偏斜定向之事實令人驚奇。 對於偏斜定向角度之範图，以GaAs基板（其中[⑴]方向 分別沿<110>方向（群組υ與沿<η5〉方向（群組Π)從法線傾 •斜G.1。、G·3。、丨。、5。、1G。、2G。與25。）作為起始基板，可 藉由上述二類製造方法（圖案A遮罩、圖案B遮罩、無遮罩） 來生產氮化鎵樣本。確認該生長，其中在群組〗與群組此 情形下，咼達25。偏斜定向角的傾斜方向係可能的。因 #此，可製造出具有0至25。之偏斜定向之氮化鎵晶體的事實 得以確認。 如果想知道超過25。是否就表示不能製造出偏斜定向的 亂化鎵晶體，答案將是不_定。對於⑴υ GaAs，尚未獲 得離軸超過25。的基板，因此本發明者尚未對超過25。的 GaAs基板進行任何的氮化鎵生長實驗。因而，本發明是否 亦適用於超過25。的偏斜定向未知，也許可能，但也許不 可能。 φ 具體實施例2 藉由在偏斜定向GaAs基板（其上生長有薄的氮化鎵，並 提供或不提供一圖案化ELO遮罩）上生長氮化鎵晶體來製 造離軸氮化鎵基板之方法 在具體實施例丨中，將一 EL0遮罩直接提供（或不提供）於 一偏斜切割GaAs起始基板上，並且將氮化鎵磊晶地生長於 有遮罩/無遮罩的基板上。在具體實施例2中，操作如下： 將一氮化鎵磊晶層勉強地置於一偏斜切割GaAs基板上，提 供（或不提供）一 EL0遮罩於磊晶的基板上，並且將氮化鎵 99627.doc -30- 200532776 蟲晶生長於如此製備的基板上。亦即，此使得氮化錄的生 長分兩個階段完成，而EL0生長則立即完成。研磨並拋光 以此方式生產的偏斜定向氮化鎵晶體，以產生光滑平坦的 晶圓，並且檢查晶圓的偏斜定向與晶體特性。 如同在具體實施例！中-樣，製傷具有群W偏斜定向之 偏斜切割GaAs基板，其中GaAs[UlJ方向係朝❿〉方向傾 斜 ㈣偏斜定向之偏斜切割一，其中GaAs[= 係朝<112>方向傾斜ο」。、〇3。、卜5。、ι〇。、⑼。與Μ。。 一，據下列條件，在與具體實施例i相同的反應器中將 見化叙緩衝層與蟲晶層沈積於剛才所述的GaAs (ill)起 始基板^ 1製造具有大約10㈣膜厚度之氮化鎵晶體薄 此等4片之所以1〇 係為了確保磊晶層表面的平 坦性。 緩衝層形成參數 φ -生長方法： -νη3分壓： -HC1分壓： " 生長溫度： -生長時間： —生長膜厚度·· ’蠢晶層形成參數 • 生長方法： -分壓： HPVE °.l atm (10,000 Pa) 1 xlO'3 atm (100 Pa) 500°C 60 min 60 nm HPVE 0.2 atm (20,000 pa) 99627.doc 200532776 _ hci分壓： 2χΐ〇-3 atm(200 Pa)

-生長溫度： 1 01 〇。C -生長日守間： 30 min "生長膜厚度： ΙΟμηι 在一部分離轴GaN/GaAs晶體薄片上，形成像具體實施 例1一樣的ELO遮罩（圖案八與…，而在其他薄片上，則不 形成遮罩。

蘑案4 — 2 μηι寬狹縫與ό μιη寬條紋之平行條紋幾何形狀之 遮罩（間距為8 μηι)，如圖1之左邊所述。 屬素以邊長為2 μηΐ2方形開口打孔的遮罩，該等開口 在直角三角形（其在一圖案中具有六重對稱）的頂 點上’ 一邊為4 μιη的直角三角形分佈於該圖案 上，如圖1之右邊所示。 除根據前述群組I與群組Π特徵化之外，將該等基板分組 成·· 類型1 -其中在氮化鎵膜上形成圖案Α之EL〇遮罩的基 板； 類型2 -其中在氮化鎵膜上形成圖案b之el〇遮罩的基 板；以及 類型3 -不具有el〇遮罩的基板。 根據此等種類，可有42種不同的遮罩/GaN/GaAs組合。 與具體實施例1中所完成的操作類似，定義表π中組合的基 板43至84。 99627.doc -32- 200532776 表Π:具體實施例2之42種不同基板/樣本之特徵

在此等42種不同遮罩/GaN/GaAs複合基板上，在高溫下 形成一厚的氮化嫁蟲晶生長膜 蠢晶層形成參數 - 生長方法： HPVE -nh3分壓： 0.2 atm (20,000 Pa) -HC1分壓·· 3xl0'2 atm (3000 Pa) " 生長溫度： 1010°C - 生長時間： 10 hr - 生長膜厚度： 1.0 mm 因此在蟲晶生長厚的氮化鎵之後，從42種 43至84)遮罩/GaN/GaAs複合基板蝕刻掉該等遮罩，從而產 生1 ·〇 xnm厚的獨立式氮化鎵晶體基板。 99627.doc -33- 200532776 氮化鎵基板背側係平坦的。氮化鎵基板頂側係具有粗糙 度的表面’其中（000丨）平面係由刻面斷開。 同樣在具體實施例2中，樣本43至84之氮化鎵之偏斜定 向角户等於GaAs基板之偏斜定向角α (β=α)。而且， GaAs<l 1 〇>方向與氮化鎵< π 2〇>方向匹配，同時 GaAs<ll^>方向與氮化鎵<ιί〇〇>方向一致。 在將晶體背側之平坦區域作為一參考平面操作中，研磨 氮化鎵厚膜晶體之前側，以消除粗糙度，使前側光滑。隨 後對氮化鎵厚膜晶體進行一拋光操作，以產生具有光滑、 平坦前側的已抛光離軸氮化鎵基板（參考圖3)。 使用X射線繞射計來檢查光滑的、平坦的氮化鎵基板， 以獲得[0001]方向的傾斜度。已發現，與具體實施例i中的 情形一樣，按照與GaAs偏斜定向角相同的偏斜定向角 (β=α)朝期望的方向傾斜氮化鎵前側。並且樣本43至料之 結晶特性在平面中係一致的。 具體實施例3 藉由生長厚氮化鎵於一偏斜定向GaAs基板上並切穿氮化 鎵晶體而製造出複數個氮化鎵晶圓的方法 藉由先生長一薄的氮化鎵緩衝層，然後生長一厚的（J 〇 mm)氮化鎵磊晶層，並平行於生長平面切穿氮化鎵，來製 備複數個氮化鎵晶圓，其中作為起始基板的GaAs*板沿兩 個方向之一並以七種不同的偏斜定向之一傾斜，於其上形 成一圖案A ELO遮罩、一圖案B EL〇遮罩或不形成遮罩。 才双查如此製備之氮化蘇晶圓的特徵。 99627.doc -34- 200532776

GaAs (111) A面 傾斜角·· 0.1。、0.3。、1。、5。、i〇。、2〇。與 25。。 舞is/— GaAs[lll]方向，朝<ι ϊ〇>方向傾斜。 舞僉//一 GaAs[l 11]方向，朝<ι 1 方向傾斜。 類型1 -其中在氮化鎵膜上形成圖案A之ELO遮罩的基 板； 類型2 -其中在氮化鎵膜上形成圖案b之el〇遮罩的基 板；以及 類型3 -不具有ELO遮罩的基板。 羼素d〜2 μπι寬狹縫與6 μιη寬條紋之平行條紋幾何形狀之 遮罩（間距為8 μιη)，如圖1之左邊所述。 #案5 —以邊長為2 μηι之方形開口打孔的遮罩，該等開口 在直角二角形（其在一圖案中具有六重對稱）的丁貝 點上，一邊為4 μιη的直角三角形分佈於該圖案 上’如圖1之右邊所示。 表111 :具體實施例3之42種不同基板/樣本之特禮支

99627.doc -35- 200532776 如上表所示，將該等基板分類為42種類型。此等係基板 85至126。使用此等基板所產生的氮化鎵晶體為樣本85至 126。先在低溫下形成一薄的緩衝層，然後在高溫下形成 一厚的磊晶層。

緩衝層形成參數 - 生長方法： HPVE -NH3分壓： 0.1 atm (10,000 Pa) - HC1分壓： 1 χ1〇'3 atm (100 Pa) - 生長溫度： 500°C - 生長時間： 60 min - 生長膜厚度： 60 nm 蠢晶層形成參數 - 生長方法： HPVE -NH3分壓： 0.2 atm (20,000 Pa) -HC1分壓： 3χ10'3 atm (300 Pa) ' 生長溫度： 1010°C • 生長時間： 100 hr - 生長膜厚度： 10 mm 以此方式，獲彳于向度為1〇 mm或更多的複合基 板。在所有樣本中， 氮化鎵偏斜定向角々與GaAs偏斜定向 角α係相等的（β=α)。 傾斜角也相同，GaAs<l 1〇>方向等於 氮化鎵< Ϊ i 20>方向 ，並且GaAscllb方向等於氮化鎵 <1 100>方向。 藉由姓刻來移除GaAs與遮罩，從而產生厚度為ι〇麵之 99627.doc -36- 200532776 獨立式氮化鎵晶體。氮化鎵晶體的背側係平坦的。氮化鎵 晶體頂側係具有㈣度的表面，#中（咖）平面係、由刻面 斷開。 在將梨晶背側之平坦區域作為一參考平面之摔作中，研 磨此等氮化鎵梨晶之前側’以消除粗輪度，使前側光滑。 此得到柱狀的氮化鎵梨晶。以背側的平坦

使用-鋼絲錯垂直於背侧的法線來切割梨晶。可從該等梨 晶切割出厚度為4〇〇 μηι的十個氮化鎵晶圓。 將此等切割出的晶圓抛光，以製造出具有—偏斜定向的 氣化鎵晶圓。使用X射線繞射計來檢查晶圓，以便獲得 [〇〇〇1]方向的傾斜度。確定所有情形中的樣本係偏斜:向 的晶圓，並且沿期望的方向按期望的角度離轴。此外，結 晶特性在平面内係一致的。 由於此技術（其中將氮化鎵如此厚膜生長於_偏斜切割 GaAs基板上並且沿平行的平面切割），可獲得大量的偏斜 籲切割氮化鎵晶圓。在本具體實施例中，例如，從- 10 mm 厚的梨晶（7 mm實際可㈣圍），可切割離轴5。並且厚度為 4〇〇 μηι的十個2英吋直徑氮化鎵晶圓。 又 另方面，如果係從一直徑為2英吋、厚度為1〇仍㈤並 且未偏斜疋向的獨立式氮化録晶體切割出彻_厚、5。離 轴晶圓，則切割平面將不平行於晶體背側，而是傾斜5。。 因此，可獲得五個5。離軸晶目。減，本發明（其中從起 點生產出偏斜定向的梨晶)係極其有用，並且可有效地降 低離軸氮化鎵晶圓的成本。 99627.doc •37- 200532776 具體實施例4 藉將氮化鎵生長到一離軸氮化鎵基板上而製造離轴氮 化鎵基板之方法 —以上所論述者係在偏斜切割GaAs起始基板上生長氮化 -家在八體只細例4中，將偏斜定向的氮化嫁用作一起始 基板。由於在具體實施例中所製造的偏斜定向氮化鎵基板 係可用的故可將其用作晶種。亦即，直至此時，起始基 板-直係偏斜㈣GaAs，但在本文中可⑽軸氮化嫁作為 起始基板。因此，在此錄捧彡 隹此種if形下，生長非為異質磊晶，而 是同質磊晶。 可如下將氮化鎵基板特徵化；相應地，有14種類型。且 有七個群組1偏斜定向的基板係指定為基板127至133;具 有七個群組II偏斜定向的基板係指定為基板134至14〇。 舞愈/-其巾氮化鎵[_] (c轴）方向係朝一 <Π2〇>方向 傾斜的偏斜定向。 • 聲㈣—其中氮化則咖](c軸）方向係朝-<li00>方 向傾斜的偏斜定向。 傾斜角：0.1。、0.3。、1。、5。、1〇。、2〇。與 25。。 表IV :具體實施例4之14種不同基板/樣本之 (

由於氮化鎵係晶種’故未採ffiELC)e對氮化鎵基板執行 99627.doc -38- 200532776 一清潔程序 清潔參數 - 清潔溫度： 1000°C -NH3分壓： 0.4 atm (40,〇〇〇 清潔時間： 10 min 在此等條件下，在基板的_上執行—清潔操作。直接 在高溫下完成氮化鎵的厚膜生長’而不必夾入一低溫缓衝 層。 猫晶生長蒼數 - 生長方法： HPVE -NH3分壓： 0.2 atm (20,000 pa) -HC1分壓： 3χ10'3 atm (300 Pa) - 生長溫度： 1010°C - 生長時間： 100 hr - 生長膜厚度： 10 mm 在此等條件下的磊 化蘇梨晶。 晶生長可生產出10 mm厚的獨立式氮 氮化鎵梨晶同質磊晶地生長，未更改作為一起始基板之 氮化鎵基底之晶體定向。氮化鎵之生長部分之偏斜定向角 々以及基底氮化鎵之偏斜定向角α因此相等。而且，從群 組1偏斜定向之氮化鎵起始基板（基板127至133)(其中c軸係 朝<1!20>方向傾斜）， 生產出離軸的氮化鎵，其中C軸同樣 朝< i Ϊ20>方向傾斜。 對於群組II偏斜定向之基板（基板1 34 至140)，同樣如此 99627.doc -39- 200532776 氮化鎵梨晶的背側得 ίηηηη^ φ ti 、 一々，但頂側顯現為粗糙，其係 (0001)面與刻面的混人 σ又面0在一操作中研磨前側，以消 除粗糙度。以背側的平 输』 —^ & μ十χ 一馮 > 考表面，使用一鋼絲鋸平 仃於月側來切割梨晶。 A y ^ k 口亥4 4晶切割出厚度為4〇〇 pm 的十個氮化鎵晶圓。對此箸曰/ 4日日圓執行一拋光操作，以獲得 具有-偏斜定向之氮化鎵已拋光基板。 藉由一 X射線繞射計檢杳 双隻如此獲侍之晶圓，以獲得沿 [0001]方向之傾斜度。菸 毛見鼠化叙曰曰圓具有與晶種氮化鎵 相同的晶體定向與離軸角。 具體實施例5 氮化錁膜以生長，將LED製造於離㈣化鎵基板上 藉由MOCVD將—氮化鎵蟲晶層生長於如具體實施例置所 製造具有1。之偏斜定向之氮化鎵基板上。在蟲晶地生長於 不具有偏斜定向之e平面精確基板上時，可得到表面的粗 趟度’但在生長於本發明之離減化鎵基板的氮化錄蟲晶 層中，表面形態、會改善，層會變平坦，此表明偏斜定向基 板的優點。 將以InGaN為發光層的藍色LED製造於丨。偏斜定向氮化 鎵上所生長的氮化鎵磊晶層上。產生於離軸基板上的led 之亮度大於產生於軸上基板上的LED之亮度。此係由於蠢 晶層的表面形態較佳，並且該優越性得益於偏斜定向。偏 斜定向氮化鎵基板可製造出其亮度比c平面精確基板上的 裝置之亮度更大的LED。 僅選擇經過挑選的具體實施例來說明本發明。然而根據 99627.doc -40- 200532776 前述揭示内容，熟習此項技術者將顯而易見，可於此進行 各種變化與修改而不會背離隨附申請專利範圍所定義的本 發明之範_。此外，依據本發明之該等具體實施例的前述 說明僅用於說明之目的，並非用於限制藉由隨附申請專利 範圍及其同等物所定義的本發明。 【圖式簡單說明】 圖1係在本發明中作為ELO遮罩形成於GaAs基板上的遮 I 罩圖案之示意圖。圖案A係一條紋陣列，其中2 μηι寬之狹 縫與6 μιη寬之遮蔽條紋以8 μηι之間距平行延伸。圖案β係 在重複直角二角形的頂點上藉由邊長為2 μχη之方形孔徑穿 孔的組態，該等直角三角形係分佈於該圖案上並且一邊長 為4 μπι的直角三角形圖式。 圖2係一說明HYPE技術的示意圖，其中在熱壁反應器的 上部具有一 Ga晶舟，並且在下部有一晶座，其上設有起始 基板（晶圓），使用一環境加熱器來加熱Ga晶舟與起始基 φ 板’從上端流動以氫稀釋的HC1，使其與Ga反應以形成

GaC卜並且（^(:丨與！^3反應，以在起始基板上生長氮化 鎵。 圖3係一說明具體實施例1與2之製造程序之示意圖，其 中該程序為：在一離軸GaAs起始基板上形成一遮罩，並透 過該遮罩汽相沈積氮化鎵，並且移除離軸GaAs起始基板與 遮罩，獲得偏斜定向氮化鎵晶體；該圖式亦係說明具體實 -施例4之製造程序之示意圖，用於在作為底部基板的如此 產生的偏斜定向氮化鎵晶體上蠢晶地生長氮化鎵，以產生 99627.doc -41 - 200532776 厚的偏斜定向氮化鎵晶體，並將該晶體切薄，以產生複數 個偏斜切割氮化鎵基板；並且該圖^亦係說明具體㈣例 3田之製造程序之示意圖，其將—低溫生長氮化鎵緩衝層層 疊於-離軸GaAs起始基板上，進—步層疊_遮罩，蟲晶地 生長厚氮化鎵，並移除離軸GaAs起始基板與遮罩，以產生 一偏斜定向氮化鎵晶體基板。

圖4係一用於說明本發明之優點的示意圖；其中安排如 下··在藉由汽相沈積於一離軸（111) GaAss始基板上生長 偏斜定向的氮化鎵晶體之後，移除GaAs起始基板，並按照 與生長軸垂直的角度切割氮化鎵晶體，以產生偏斜切割氮 化鎵晶體晶圓，而無廢料。 圖5係表示GaN之結晶結構之原子模型圖。 圖6係表示GaAs之結晶結構之原子模型圖。 【主要元件符號說明】 2 反應管（爐子） 3 Ga晶舟 4 晶座

GaAs基板 加熱器 99627.doc -42·

Claims (1)

1. 200532776 十、申請專利範圍： 1· -種使用-偏斜定向⑴1)GaAs底板作為—起始基板來 ’ 製造一氮化鎵單晶基板之方法，該方法包含： " 長v驟其在δ亥偏斜定向（111) Ga As起始基板上 沈積一氮化鎵單晶層，以及 在該生長步驟之後的一移除步驟，其移除該起始基板 以產生一偏斜定向的獨立式氮化鎵基板。 2·—種使用一偏斜定向⑴1)(5_底板作為一起始基板來 製造一氮化鎵單晶基板之方法，該方法包含·· 一遮罩形成步驟，其在該偏斜定向（111) GaAs起始基 板上形成一具有複數個孔徑的遮罩； 一生長步驟，其透過該遮罩沈積一氮化鎵單晶層， 以及 在該生長步驟之後的一移除步驟，其移除該起始基板 以產生一偏斜定向的獨立式氮化鎵基板。 泰3· —種使用一偏斜定向（111) ^八8底板作為一起始基板來 裝^ 氮化鎵單晶基板之方法，該方法包含： 一磊晶層形成步驟，其以〇·5 |11111至1〇 μηι之厚度在該 偏斜定向（m)GaAs起始基板上形成一氮化鎵磊晶層； 一遮罩形成步驟，其在該磊晶層上形成一具有複數個 孔徑的遮罩層； 一生長步驟，其透過該遮罩沈積一氮化鎵單晶層， 以及 在該生長步驟之後的一移除步驟’其移除該起始基板 99627.doc 200532776 以產生一偏斜定向的獨立式氮化鎵基板。 4. -種使用-偏収向〇11) GaAs底板作為—起始基板來 製造氮化鎵單晶基板之方法，該方法包含·· 一遮罩形成步驟，其在該偏斜定向⑴丨）起始基 板上形成一具有複數個孔徑的遮罩層； 生長V驟，其透過该遮罩沈積一氮化鎵單晶層，該 氮化鎵單晶層的厚度足以產生複數個晶圓，以及 籲纟該生長步驟之後的-切时驟，其將該氮化錄單晶 層沿其厚度切割，以產生複數個偏斜定向的獨立式氮化 鎵基板。 5· -種使用-偏斜定向獨立式氣化嫁底板作為一起始基板 來製造氮化鎵單晶基板的方法，該方法包含： 一生長步驟，其在該偏斜定向氮化鎵起始基板上沈積 一氮化鎵單晶層，該氮化鎵單晶層的厚度足以產生複數 個晶圓，以及 • 在該生長步驟之後的一切割步驟，其將該氮化鎵單晶 層沿其厚度切割，以產生複數個偏斜定向的獨立式氮化 4豕基板。 6·如請求項⑴中任—項之氮化鎵單晶基板製造方法，其 中該偏斜定向GaAs起始基板之該離軸角度係〇 3。至2 間。 7·如請求項⑴中任一項之氮化鎵單晶基板製造方法，其 中該偏斜定向GaAs起始基板之該離軸角度係〇丨。至25。 間。 99627.doc 200532776 8·如請求項丨至4中任一項之氮化鎵單晶基板製造方法，其 中該偏斜定向GaAs起始基板係一（111)平面底板，其具有 •一偏斜定向，其中根據與該底板頂側垂直的一向量，该 * [111]疋向平面係朝一<1 i〇>方向傾斜。 9.如請求項丨至4中任一項之氮化鎵單晶基板製造方法，其 中該偏斜定向GaAs起始基板係一（111)平面底板，其具有 一偏斜定向，其中該[U1]定向平面係朝一<11$>方向傾 斜。 、 籲10. -種氮化鎵單晶基板，其製造程序如下：使用一偏斜定 向⑴1) GaAs底板作為一起始基板，將一氮化錄單晶層 沈積到該偏斜定向（111) GaAs起始基板上，接著移除該 起始基板以產生一偏斜定向的獨立式氮化鎵基板。 11. -種氮化鎵單晶基板，其製造程序如下：使用一偏斜定 向⑴1) GaAs底板作為—起始基板，在該偏斜定向⑴（） GaAs起始基板上形成—具有複數個孔徑的遮罩，透過該 φ 遮罩沈積-氮化鎵單晶層，接著移除該起始基板以產生 一偏斜定向的獨立式氮化鎵基板。 12· -種氮化鎵單晶基板，其製造程序如下：使用—偏斜定 向⑴1) GaAs底板作為一起始基板，以〇·5㈣至_的 厚度在該偏斜定向⑴” GaAs起始基板上形成一氮化鎵 蟲晶層，在該蟲晶^g μ # + S上形成一具有複數個孔徑的遮罩 層’透過該料沈積-氮化鎵單晶層，接著移除該起始 基板以產生-偏斜定向的獨立式氮化鎵基板。 13. -種氮化鎵單晶基板，其製造程序如下：使用—偏斜定 99627.doc 200532776 向（m) GaAs底板作為一起始基板，在該偏斜定向（1⑴ GaAs起始基板上形成一具有複數個孔徑的遮罩層，透過 該遮罩沈積-氮化鎵單晶層，該氮化鎵單晶層的厚度足 以產生稷數個晶圓’接著將該氮化鎵單晶層沿其厚度切 割’以產生複數個偏斜定向的獨立式氮化鎵基板。 14· -種氮化鎵單晶基板’其製造程序如下：使用一偏斜定 向獨立式氮化鎵底板作為—起始基板，在該偏斜定向氮 化鎵起始基板上沈積—氮化鎵單晶層，該氮化鎵單晶層 的厚度足以產生複數個晶圓，接著將該氮化鎵單晶層沿 〃厚度切割，以產生複數個偏斜定向的獨立式氮化鎵基 板。 15·種偏斜疋向之氮化鎵單晶獨立式基板，其離軸角度係 〇_3。至20。之間。 16.種偏斜疋向之氮化鎵單晶獨立式基板，其離軸角度係 〇·1。至25。之間。

   99627.doc