КРИСТАЛЛИЧЕСКАЯ ПОДЛОЖКА ИЗ AlGaInN, ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРИБОР И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 2010 года по МПК H01L29/30 H01L21/20 

Область техники

[0001] Настоящее изобретение относится к кристаллической подложке из Al_xGa_yIn_1-x-yN (где x и y являются числами, удовлетворяющими условиям 0≤x, 0≤y и x+y≤1, это же справедливо и в дальнейшем), имеющей некоторую плотность дислокаций, для предпочтительного применения в качестве подложки для различных полупроводниковых приборов, таких как светоизлучающие элементы, электронные элементы и полупроводниковые датчики, к полупроводниковому прибору, включающему в себя такую кристаллическую подложку из Al_xGa_yIn_1-x-yN, и к способу его изготовления.

Уровень техники

[0002] Кристаллические подложки из нитридов элементов III группы, такие как кристаллические подложки из Al_xGa_yIn_1-x-yN, очень подходят для использования в качестве подложек для различных полупроводниковых приборов, таких как светоизлучающие элементы, электронные элементы и полупроводниковые датчики. Так, чтобы улучшить характеристики этих различных полупроводниковых приборов, имеется потребность в кристаллических подложках из Al_xGa_yIn_1-x-yN, имеющих низкую плотность дислокаций и подходящую кристалличность. Далее, с точки зрения эффективности использования кристаллических подложек из Al_xGa_yIn_1-x-yN требуется, чтобы главная плоскость каждой подложки имела площадь по меньшей мере 10 см², предпочтительно - по меньшей мере 20 см².

[0003] Поэтому для того, чтобы изготовить кристаллические подложки из Al_xGa_yIn_1-x-yN с большими размерами и низкой плотностью дислокаций предлагались различные способы в работе X. Xu и др. "Growth and characterization of low defect GaN by hydride vapor phase epitaxy", J. Crystal Growth, 246, (2002), p.223-229 (называемой далее непатентным документом 1), в японской патентной публикации № 2001-102307 (называемой далее патентным документом 1) и других.

[0004] В непатентном документе 1 описывается, что при росте кристалла GaN, например, плотность дислокаций в этом кристалле GaN уменьшается с увеличением толщины выращенного кристалла. Однако при таком способе уменьшения плотности дислокаций путем увеличения толщины выращиваемого кристалла, даже если кристалл GaN выращен до толщины 3 мм, трудно снизить плотность дислокаций до 1×10⁶ см^-2 или менее, поэтому достигается лишь малый эффект уменьшения дислокаций. Кроме того, при таком способе уменьшения плотности дислокаций изменения в плотности дислокаций в плоскости подложки вызывают также изменения в плотности дислокаций кристалла GaN, а значит, в кристалле GaN могут остаться области с высокой плотностью дислокаций.

[0005] Патентный документ 1 описывает способ формирования множества ямок, каждая из которых имеет очень малую наклонную плоскость, при выращивании кристалла GaN на плоскости роста кристалла и вызывания интенсивного образования дислокаций в этих ямках для того, чтобы тем самым уменьшить число дислокаций в области, отличной от этих ямок. Однако при таком способе уменьшения плотности дислокаций в кристалле нитрида элемента III группы остается много областей с ямками, имеющих высокую плотность дислокаций.

[0006] Таким образом, кристаллическая подложка из Al_xGa_yIn_1-x-yN, имеющая большой размер и низкую плотность дислокаций и подходящая для применения в полупроводниковых приборах, до сих пор не была получена.

Патентный документ 1: Японская патентная публикация № 2001-102307

Непатентный документ 1: X. Xu и др. "Growth and characterization of low defect GaN by hydride vapor phase epitaxy", J. Crystal Growth, 246, (2002), p.223-229.

Раскрытие изобретения

Проблемы, решаемые изобретением

[0007] Для решения вышеописанных проблем и получения кристаллической подложки из Al_xGa_yIn_1-x-yN большого размера и с низкой плотностью дислокаций авторы предлагают в качестве способа выращивания кристалла Al_xGa_yIn_1-x-yN способ, отличающийся тем, что при росте кристалла Al_xGa_yIn_1-x-yN по меньшей мере некоторые из дислокаций, остающихся в кристалле Al_xGa_yIn_1-x-yN, распространяются в направлении, по существу, параллельном плоскости роста кристалла Al_xGa_yIn_1-x-yN, чтобы выйти к внешней периферии кристалла Al_xGa_yIn_1-x-yN (смотри, например, патентную заявку № 2005-316956). Соответственно, была получена возможность вырастить кристалл Al_xGa_yIn_1-x-yN с плотностью дислокаций не более 1×10⁶ см^-2 или не более 1×10² см^-2, в зависимости от условий, даже в случае крупноразмерного кристалла с главной плоскостью в по меньшей мере 10 см², без того, чтобы позволить остаться областям, имеющим высокую плотность дислокаций.

[0008] Традиционно считалось, что характеристики полупроводникового прибора, включающего в себя кристаллическую подложку из Al_xGa_yIn_1-x-yN, улучшаются по мере того, как снижается плотность дислокаций в этой подложке. Однако при измерении одной из характеристик, например выдерживаемого напряжения (напряжения, которое вызывает явления пробоя полупроводникового прибора, а именно, явление резкого повышения тока в обратном направлении; это же справедливо и в дальнейшем) полупроводникового прибора, полученного путем формирования по меньшей мере однослойного полупроводникового слоя на кристаллической подложке из Al_xGa_yIn_1-x-yN, полученной таким образом и имеющей низкую плотность дислокаций, было установлено, что чрезмерно низкая плотность дислокаций в подложке также снижает выдерживаемое напряжение полупроводникового прибора.

[0009] Таким образом, авторы настоящего изобретения изготовили полупроводниковые приборы, включающие в себя кристаллические подложки из Al_xGa_yIn_1-x-yN соответственно, которые были получены вышеописанным способом выращивания кристалла и каждая из которых имела плотность дислокаций, находящуюся в пределах интервала от 45 см^-2 до 3,2×10⁶ см^-2, и измерили выдерживаемые этими полупроводниковыми приборами напряжения. Таким образом, авторами был найден диапазон плотности дислокаций кристаллической подложки из Al_xGa_yIn_1-x-yN, подходящий для применения в полупроводниковом приборе, и тем самым было создано настоящее изобретение.

[0010] Другими словами, задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить кристаллическую подложку из Al_xGa_yIn_1-x-yN, имеющую большой размер и подходящую плотность дислокаций для того, чтобы служить в качестве подложки для полупроводникового прибора, полупроводниковый прибор, включающий в себя такую кристаллическую подложку из Al_xGa_yIn_1-x-yN, и способ его изготовления.

Средства для решения проблем

[0011] Настоящее изобретение заключается в кристаллической подложке из Al_xGa_yIn_1-x-yN (0≤x, 0≤y, x+y≤1), которая имеет главную плоскость с площадью по меньшей мере 10 см². Главная плоскость имеет внешнюю область, расположенную в пределах 5 мм от внешней периферии главной плоскости, и внутреннюю область, соответствующую области, отличной от внешней области. Внутренняя область имеет суммарную плотность дислокаций по меньшей мере 1×10² см^-2 и не более 1×10⁶ см^-2.

[0012] В кристаллической подложке из Al_xGa_yIn_1-x-yN по настоящему изобретению суммарная плотность дислокаций может быть установлена на уровне по меньшей мере 2×10² см^-2 и не более 1×10⁵ см^-2. Кроме того, плотность винтовых дислокаций в суммарной плотности дислокаций может быть установлена на уровне не более 1×10⁴ см^-2. Кроме того, кристаллическая подложка из Al_xGa_yIn_1-x-yN по настоящему изобретению может обладать проводимостью n-типа и иметь удельное сопротивление не более 1 Ом·см. Кроме того, выращивание кристалла кристаллической подложки из Al_xGa_yIn_1-x-yN по настоящему изобретению может быть осуществлено способом HVPE (гидридной газофазной эпитаксии).

[0013] Кроме того, настоящее изобретение заключается в полупроводниковом приборе, содержащем: кристаллическую подложку из Al_xGa_yIn_1-x-yN (0≤x, 0≤y, x+y≤1) и по меньшей мере однослойный полупроводниковый слой, сформированный на этой кристаллической подложке из Al_xGa_yIn_1-x-yN. Подложка имеет главную плоскость с площадью по меньшей мере 10 см². Главная плоскость имеет внешнюю область, расположенную в пределах 5 мм от внешней периферии главной плоскости, и внутреннюю область, соответствующую области, отличной от внешней области. Внутренняя область имеет суммарную плотность дислокаций по меньшей мере 1×10² см^-2 и не более 1×10⁶ см^-2. Кроме того, в полупроводниковом приборе по настоящему изобретению суммарная плотность дислокаций может быть установлена на уровне по меньшей мере 2×10² см^-2 и не более 1×10⁵ см^-2. Кроме того, плотность винтовых дислокаций в суммарной плотности дислокаций может быть установлена на уровне не более 1×10⁴ см^-2.

[0014] Кроме того, настоящее изобретение заключается в способе изготовления полупроводникового прибора, включающем в себя этапы: приготовление кристаллической подложки из Al_xGa_yIn_1-x-yN (0≤x, 0≤y, x+y≤1); и выращивание на этой подложке по меньшей мере однослойного полупроводникового слоя. Подложка имеет главную плоскость с площадью по меньшей мере 10 см². Главная плоскость имеет внешнюю область, расположенную в пределах 5 мм от внешней периферии главной плоскости, и внутреннюю область, соответствующую области, отличной от внешней области. Внутренняя область имеет суммарную плотность дислокаций по меньшей мере 1×10² см^-2 и не более 1×10⁶ см^-2. Кроме того, в способе изготовления полупроводникового прибора по настоящему изобретению суммарная плотность дислокаций может быть установлена на уровне по меньшей мере 2×10² см^-2 и не более 1×10⁵ см^-2. Кроме того, плотность винтовых дислокаций в суммарной плотности дислокаций может быть установлена на уровне не более 1×10⁴ см^-2.

Результаты изобретения

[0015] Согласно настоящему изобретению возможно получить кристаллическую подложку из Al_xGa_yIn_1-x-yN, имеющую большой размер и подходящую плотность дислокаций для того, чтобы служить подложкой для полупроводникового прибора, полупроводниковый прибор, включающий в себя такую кристаллическую подложку из Al_xGa_yIn_1-x-yN, и способ его изготовления.

Краткое описание чертежей

[0016] Фиг.1 представляет собой схематический поперечный разрез, показывающий один вариант реализации кристаллической подложки из Al_xGa_yIn_1-x-yN и способа ее изготовления в соответствии с настоящим изобретением. Здесь, (a) показывает процесс выращивания кристалла Al_xGa_yIn_1-x-yN, а (b) показывает процесс изготовления кристаллической подложки из Al_xGa_yIn_1-x-yN.

Фиг.2 представляет собой схематичное изображение, показывающее устройство HVPE, используемое в настоящем изобретении для выращивания кристалла Al_xGa_yIn_1-x-yN.

Фиг.3A представляет собой схематический вид сверху, показывающий базовую подложку, используемую в настоящем изобретении для выращивания кристалла Al_xGa_yIn_1-x-yN.

Фиг.3B представляет собой схематический вид сбоку базовой подложки, показанной на фиг. 3A.

Фиг.3C представляет собой схематический вид показанной на фиг. 3A базовой подложки в разрезе по линии IIIC-IIIC.

Фиг.4 представляет собой схематический вид в разрезе, показывающий один вариант реализации полупроводникового прибора по настоящему изобретению.

Фиг.5 представляет собой график, показывающий соотношение между суммарными плотностями дислокаций в подложках в полупроводниковых приборах и выдерживаемыми напряжениями полупроводниковых приборов.

Описание ссылочных позиций

[0017] 10: базовая подложка, 10m, 12m: главная плоскость, 10p: вершина, 10s: плоскость (0001), 11: кристалл Al_xGa_yIn_1-x-yN, 11a, 11b, 11c, 11s: плоскость роста кристалла, 11d: линия распространения дислокаций, 11r: исходная плоскость роста кристалла, 11t: макроступенчатая плоскость, 11v, 12v: внешняя периферия, 12, 12a, 12b, 12c, 12d, 12e: кристаллическая подложка из Al_xGa_yIn_1-x-yN, 12n: внутренняя область, 12w: внешняя область, 21: газообразный HCl, 22: галлий, 23: газообразный хлорид галлия, 26: газообразный источник азота, 29: легирующий газ, 40: полупроводниковый прибор, 41: полупроводниковый слой, 42: электрод Шотки, 43: омический электрод, 101m, 102m, 103m: боковая грань, 200: устройство HVPE, 201: реакционная камера, 202: подложкодержатель, 203: камера синтеза хлорида галлия, 204: емкость с галлием, 205: трубопровод газообразного HCl, 206: трубопровод газообразного источника азота, 207: выпускная труба, 208, 209, 210: нагреватель, R: радиус, T: толщина, θ: угол наклона, ϕ: угол распространения дислокаций.

Лучшие варианты реализации изобретения

Первый вариант реализации

[0018] Обращаясь к фиг.1, один вариант реализации кристаллической подложки 12 из Al_xGa_yIn_1-x-yN по настоящему изобретению является подложкой большого размера, имеющей главную плоскость 12m площадью по меньшей мере 10 см². Главная плоскость 12m имеет внешнюю область 12w, расположенную в пределах 5 мм от внешней периферии 12v, и внутреннюю область 12n, соответствующую области, отличной от внешней области. Внутренняя область 12n имеет суммарную плотность дислокаций по меньшей мере 1×10² см^-2 и не более 1×10⁶ см^-2.

[0019] Кристаллическая подложка 12 из Al_xGa_yIn_1-x-yN по данному варианту реализации имеет главную плоскость 12m площадью по меньшей мере 10 см² и, следовательно, может применяться для широкого спектра полупроводниковых приборов и имеет высокую эффективность использования.

[0020] Кроме того, кристаллическая подложка 12 из Al_xGa_yIn_1-x-yN по данному варианту реализации имеет внутреннюю область 12n, имеющую суммарную плотность дислокаций по меньшей мере 1×10² см^-2 и не более 1×10⁶ см^-2, и, следовательно, характеристики полупроводникового прибора, полученного выращиванием по меньшей мере однослойного полупроводникового слоя на подложке 12, улучшены. В данном случае та область, где оценивается суммарная плотность дислокаций, является внутренней областью 12, соответствующей области, отличной от внешней области 12w, так как дислокации стремятся оставаться во внешней области, и если полупроводниковый прибор изготавливают во внутренней области, соответствующей области, отличной от внешней области с высокой плотностью дислокаций, их влиянием можно пренебречь. Конечно, более предпочтительно, чтобы внешняя область также имела меньше дислокаций.

[0021] Примеры дислокаций, которые могут присутствовать в подложке, включают винтовую дислокацию, краевую дислокацию и смешанную дислокацию, включающую винтовую дислокацию и краевую дислокацию в смешанном виде. Дислокацию, которая появляется в подложке, можно наблюдать как ямку, образованную при травлении подложки. Хотя травитель особо не ограничивается, предпочтительно используется смешанный расплав KOH и NaOH, имеющий температуру жидкости приблизительно 300-500°C (называемый далее смешанным расплавом KOH-NaOH), или жидкая смесь фосфорной кислоты и серной кислоты, имеющая температуру жидкости приблизительно 200-300°C (далее называемая жидкой смесью фосфорной кислоты - серной кислоты). Плотность дислокаций может быть вычислена путем подсчета числа ямок на единицу площади.

[0022] Когда подложку протравливают, место дислокации проявляется как ямка, и по размеру ямки можно идентифицировать типы дислокаций. Большая ямка (называемая далее L-ямкой) получается от винтовой дислокации, а маленькая ямка (называемая далее S-ямкой) получается от краевой дислокации. Ямка промежуточного размера (называемая далее I-ямкой) получается от смешанной дислокации. Абсолютное значение размера каждой ямки меняется в зависимости от условий травления подложки. Однако отношение относительных размеров L-ямки, I-ямки и S-ямки является приблизительно постоянным вне зависимости от условий травления. Отношение (диаметр L-ямки):(диаметр I-ямки):(диаметр S-ямки) составляет приблизительно 10:2:1.

[0023] В настоящей заявке дислокацией называется любая из вышеописанных винтовой дислокации, краевой дислокации и смешанной дислокации, и суммарное число дислокаций относится ко всем дислокациям, включая вышеописанные винтовую дислокацию, краевую дислокацию и смешанную дислокацию. Таким образом, суммарная плотность дислокаций представляет собой суммарное число дислокаций на единицу площади, а именно сумму чисел винтовых дислокаций, краевых дислокаций и смешанных дислокаций на единицу площади, и рассчитывается путем подсчета суммарных чисел L-ямок, I-ямок и S-ямок на единицу площади. Другими словами, суммарная плотность дислокаций представляет собой сумму плотности винтовых дислокаций, плотности краевых дислокаций и плотности смешанных дислокаций. Плотность винтовых ямок представляет собой число винтовых дислокаций на единицу площади и рассчитывается путем подсчета числа L-ямок на единицу площади.

[0024] Традиционно считалось, что характеристики полупроводникового прибора, включающего в себя подложку, улучшаются при снижении плотности дислокаций в подложке. Однако, если суммарная плотность дислокаций в подложке становится ультранизкой (менее 1×10² см^-2), характеристики полупроводникового прибора, наоборот, ухудшаются. Хотя причина этого до настоящего времени еще полностью не выяснена, делается следующий вывод. А именно, дислокация выполняет функцию стока (называемого также геттером; это же справедливо и в дальнейшем) для втягивания выделений, образовавшихся из-за примесей или колебаний в составе подложки, и если число таких дислокаций слишком уменьшится, образование вышеописанных выделений нельзя будет подавить, что вызывает ухудшение кристалличности подложки.

[0025] Если суммарная плотность дислокаций в подложке превышает 1×10⁶ см^-2, то число дислокаций в кристалле увеличивается, и кристалличность снижается, что приводит к ухудшению характеристик полупроводникового прибора. Таким образом, суммарная плотность дислокаций в подложке, которая улучшает характеристики полупроводникового прибора, составляет по меньшей мере 1×10² см^-2 и не более 1×10⁶ см^-2. Учитывая вышеописанное, суммарная плотность дислокаций в подложке предпочтительно составляет по меньшей мере 2×10² см^-2 и не более 1×10⁵ см^-2.

[0026] Что касается плотности винтовых дислокаций в суммарной плотности дислокаций кристаллической подложки из Al_xGa_yIn_1-x-yN в данном варианте реализации, то с точки зрения улучшения характеристик полупроводникового прибора, содержащего такую подложку, плотность винтовых дислокаций во внутренней области предпочтительно не более 1×10⁴ см^-2. Другими словами, при условии, что суммарная плотность дислокаций составляет по меньшей мере 1×10² см^-2 и не более 1×10⁶ см^-2, более предпочтительной является более низкая плотность винтовых дислокаций, а также может оказаться возможной плотность винтовых дислокаций 0 см^-2.

[0027] Ухудшение характеристик полупроводникового прибора, вызванное снижением суммарной плотности дислокаций в кристаллической подложке из Al_xGa_yIn_1-x-yN в данном варианте реализации до менее 1×10² см^-2, становится существенным, так как подложка имеет более высокую проводимость. Наоборот, если кристаллическая подложка из Al_xGa_yIn_1-x-yN обладает проводимостью n-типа и имеет удельное сопротивления не более 1 Ом·см, заметно проявляется эффект улучшения характеристик полупроводникового прибора при установке суммарной плотности дислокаций подложки на уровне по меньшей мере 1×10² см^-2 и не более 1×10⁶ см^-2.

[0028] Выращивание кристалла кристаллической подложки из Al_xGa_yIn_1-x-yN в данном варианте реализации предпочтительно проводят способом HVPE, учитывая легкость получения толстого кристалла и увеличения выхода подложки.

[0029] Как показано в данном варианте реализации, крупноразмерная кристаллическая подложка из Al_xGa_yIn_1-x-yN, которая имеет главную плоскость с площадью по меньшей мере 10 см² и имеет внутреннюю область с суммарной плотностью дислокаций по меньшей мере 1×10² см^-2 и не более 1×10⁶ см^-2, может быть получена следующим образом.

[0030] Обращаясь к фиг.1(a), сначала выращивают кристалл Al_xGa_yIn_1-x-yN, например, как описано ниже. Сюда входят этапы приготовления, в качестве базовой подложки 10, наклонной подложки, которая имеет главную плоскость 10m с углом наклона θ по меньшей мере 0,5° и не более 10° по отношению к плоскостям 11a, 11b, 11c и 11s роста кристалла 11 Al_xGa_yIn_1-x-yN и выращивания кристалла 11 Al_xGa_yIn_1-x-yN на главной плоскости 10m наклонной подложки. Соответственно, когда выращивают кристалл 11 Al_xGa_yIn_1-x-yN, по меньшей мере некоторые из дислокаций, «унаследованных» от главной плоскости 10m базовой подложки 10 и остающихся в кристалле 11 Al_xGa_yIn_1-x-yN, распространяются в направлении, по существу, параллельном плоскостям 11a, 11b, 11c и 11s роста кристалла 11 Al_xGa_yIn_1-x-yN (фиг. 1 показывает путь, вдоль которого распространяются дислокации, в виде линии 11d распространения дислокаций), и выходят к внешней периферии 11v кристалла 11 Al_xGa_yIn_1-x-yN, так что суммарная плотность дислокаций регулируется до уровня по меньшей мере 1×10² см^-2 и не более 1×10⁶ см^-2. Отметим, что на фиг.1(a) плоскости 11a, 11b и 11c роста кристалла представляют собой плоскости роста кристалла во время его выращивания, а плоскость 11s роста кристалла представляет собой плоскость роста кристалла после его выращивания.

[0031] Другими словами, обращаясь к фиг.1(a), настоящее изобретение состоит в следующем. Кристалл 11 Al_xGa_yIn_1-x-yN выращен на наклонной подложке, которая имеет главную плоскость 10m, имеющую угол наклона θ по меньшей мере 0,5° и не более 10° по отношению к плоскостям 11a, 11b, 11c и 11s роста кристалла 11 Al_xGa_yIn_1-x-yN. Во время выращивания на плоскостях 11a и 11b роста кристалла образуется макроступенчатая плоскость 11t, по существу, перпендикулярная плоскостям 11a и 11b роста кристалла, по которым кристалл растет. По мере роста кристалла макроступенчатая плоскость 11t сдвигается к внешней периферии 11v кристалла и исчезает. Было обнаружено, что дислокации в кристалле распространяются в направлении, по существу, параллельном плоскостям 11a и 11b роста кристалла и, по существу, перпендикулярном макроступенчатой плоскости 11t, и выходят наружу из кристалла по мере продвижения макроступенчатой плоскости 11t к внешней периферии 11v кристалла. Это явление используется в способе выращивания кристалла 11 Al_xGa_yIn_1-x-yN, так что возможно вырастить кристалл 11 Al_xGa_yIn_1-x-yN, имеющий суммарную плотность дислокаций по меньшей мере 1×10² см^-2 и не более 1×10⁶ см^-2, не позволяя оставаться в кристалле области с высокой суммарной плотностью дислокаций.

[0032] При этом, если угол наклона θ составляет меньше 0,5°, то образование макроступенчатой плоскости менее вероятно, и становится затруднительным распространение дислокаций в направлении, по существу, перпендикулярном макроступенчатой плоскости. Если угол наклона θ превышает 10°, то образование стабильной плоскости роста кристалла менее вероятно, и становится затруднительным распространение дислокаций в направлении, по существу, параллельном плоскости роста кристалла. Учитывая вышеизложенное, угол наклона θ предпочтительно составляет больше 2° и меньше 8°.

[0033] При выращивании кристалла плоскость роста кристалла переносится с ростом кристалла параллельно в направлении нормали к ней, что показано плоскостью 11a роста кристалла, плоскостью 11b роста кристалла, плоскостью 11c роста кристалла и плоскостью 11s роста кристалла, приводя к постепенному исчезновению макроступеньчатой плоскости 11t, как описано выше. Следовательно, направление линии 11d распространения дислокаций (соответствующей линии, показывающей путь, вдоль которого распространяются дислокации; это же справедливо и в дальнейшем) имеет определенный угол распространения дислокаций ϕ по отношению к произвольно выбранной плоскости роста кристалла. Такой угол распространения дислокаций ϕ определяется скоростью распространения дислокаций и скоростью роста кристалла. Угол распространения дислокаций уменьшается по мере того, как скорость распространения дислокаций становится высокой относительно скорости роста кристалла. При таком способе выращивания кристалла 11 Al_xGa_yIn_1-x-yN скорость распространения дислокаций приблизительно равна скорости движения макроступенчатой плоскости, а эта скорость движения такой ступенчатой плоскости становится по меньшей мере в 5 раз, более того, по меньшей мере в 10 раз выше скорости роста кристалла (т.е. скорости движения плоскости роста кристалла), в зависимости от условий выращивания кристалла. Таким образом, вышеописанный угол распространения дислокаций составляет не более 11° и, более того, не более 5,5°.

[0034] Соответственно, в настоящей заявке «направление, по существу, параллельное плоскости роста кристалла» означает «направление вдоль угла наклона, попадающее в пределы диапазона 0-11° по отношению к плоскости роста кристалла», а «направление, по существу, перпендикулярное макроступенчатой плоскости» означает «направление вдоль угла наклона, попадающее в пределы диапазона 79-90° по отношению к макроступенчатой плоскости».

[0035] Что касается вышеописанной наклонной подложки (базовой подложки 10), то с точки зрения неразрывности решетки между наклонной подложкой и выращиваемым кристаллом 11 Al_xGa_yIn_1-x-yN предпочтительно использовать подложку из Al_pGa_qIn_1-p-qN (0≤p, 0≤q, p+q≤1; это же справедливо и в дальнейшем). Здесь x и p могут быть одинаковым числовым значением или разными числовыми значениями, и y и q также могут быть одинаковым числовым значением или разными числовыми значениями. Однако предпочтительна, конечно, комбинация, при которой достигается неразрывность решетки. При этом, если x и p являются одинаковым числовым значением, и y и q являются одинаковым числовым значением, то неразрывность решетки, конечно, достигается. Однако даже в случае комбинации, при которой по меньшей мере одна из пары x и p и пары y и q имеет разные числовые значения, тоже достигается неразрывность решетки, и следовательно, такая комбинация может быть использована. Кроме того, с точки зрения получения кристалла с благоприятной кристалличностью при высокой скорости роста предпочтительно выращивать плоскость (0001) в качестве плоскости роста выращиваемого кристалла 11 Al_xGa_yIn_1-x-yN.

[0036] Обращаясь к фиг. 1(b), кристалл 11 Al_xGa_yIn_1-x-yN, полученный согласно описанному выше, разрезают на плоские пластины и их главные плоскости полируют (шлифуют), так что образуется по меньшей мере одна кристаллическая подложка 12 из Al_xGa_yIn_1-x-yN.

Второй вариант реализации

[0037] Обращаясь к фиг.4, один вариант реализации полупроводникового прибора 40 по настоящему изобретению представляет собой полупроводниковый прибор 40, включающий в себя кристаллическую подложку 12 из Al_xGa_yIn_1-x-yN и сформированный на ней по меньшей мере однослойный полупроводниковый слой 41. Подложка 12 имеет главную плоскость 12m с площадью по меньшей мере 10 см². Главная плоскость 12m имеет внешнюю область 12w, расположенную в пределах 5 мм от ее внешней периферии, и внутреннюю область 12n, соответствующую области, отличной от внешней области. Внутренняя область 12n имеет суммарную плотность дислокаций по меньшей мере 1×10² см^-2 и не более 1×10⁶ см^-2. Полупроводниковый прибор в данном варианте реализации включает в себя кристаллическую подложку из Al_xGa_yIn_1-x-yN по первому варианту реализации и, следовательно, имеет высокие характеристики.

[0038] Хотя такой полупроводниковый прибор особо не ограничивается, его примеры включают светоизлучающие элементы, такие как светоизлучающий диод и лазерный диод, электронные элементы, такие как выпрямитель, биполярный транзистор, полевой транзистор и ВПЭ-транзистор (транзистор с высокой подвижностью электронов), полупроводниковые датчики, такие как датчик температуры, датчик давления, датчик радиации и датчик излучения видимой и ультрафиолетовой области спектра, прибор на ПАВ (поверхностных акустических волнах), прерыватель, резонатор, осциллятор, деталь МЭМС (микроэлектромеханической системы), привод от электрического напряжения (актюатор) и другие.

[0039] Обращаясь к фиг.4, способ изготовления полупроводникового прибора в данном варианте реализации включает в себя этапы приготовления кристаллической подложки 12 из Al_xGa_yIn_1-x-yN и выращивания на подложке 12 по меньшей мере однослойного полупроводникового слоя 41. Подложка 12 имеет главную плоскость 12m с площадью по меньшей мере 10 см². Главная плоскость 12m имеет внешнюю область 12w, находящуюся в пределах 5 мм от ее внешней периферии, и внутреннюю область 12n, соответствующую области, отличной от внешней области. Внутренняя область 12n имеет суммарную плотность дислокаций по меньшей мере 1×10² см^-2 и не более 1×10⁶ см^-2. Согласно такому способу изготовления можно получить полупроводниковый прибор с высокими характеристиками путем выращивания по меньшей мере однослойного полупроводникового слоя 41 на кристаллической подложке 12 из Al_xGa_yIn_1-x-yN по первому варианту реализации. При этом этап приготовления кристаллической подложки из Al_xGa_yIn_1-x-yN может включать в себя этапы, показанные в первом варианте реализации, а именно, как показано на фиг.1(a), может включать в себя этапы приготовления заданной наклонной подложки в качестве базовой подложки 10 и выращивания кристалла 11 Al_xGa_yIn_1-x-yN на главной плоскости 10m этой наклонной подложки и, как показано на фиг. 1(b), может включать в себя этапы нарезания кристалла 11 Al_xGa_yIn_1-x-yN на плоские пластины и полировки их главных плоскостей с формированием кристаллических подложек 12 из Al_xGa_yIn_1-x-yN.

Первый пример

[0040] Кристаллическая подложка из GaN, идентифицированная как кристаллическая подложка из Al_xGa_yIn_1-x-yN, была получена способом HVPE. Обращаясь к фиг.2, в использованном в данном примере устройстве 200 HVPE в реакционной камере 201 расположен подложкодержатель 202 для удержания базовой подложки 10, а также имеются камера 203 синтеза хлорида галлия для синтеза газообразного хлорида галлия 23, подлежащего введению в реакционную камеру 201, трубопровод 205 газообразного HCl для введения газообразного HCl 21 в камеру 203 синтеза хлорида галлия, трубопровод 206 газообразного источника азота для введения газообразного источника 26 азота и, если необходимо, легирующего газа 29 в реакционную камеру 201 и выпускная труба 207 для выпуска прореагировавших газов. Кроме того, в камере 203 синтеза хлорида галлия размещена емкость 204 с галлием, внутри которой находится галлий (Ga) 22. Кроме того, вокруг камеры 203 синтеза хлорида галлия и реакционной камеры 201 установлены нагреватели 208, 209 и 210 для нагрева газообразного HCl 21, газообразного источника 26 азота, легирующего газа 29, емкости 204 с галлием, базовой подложки 10 и других.

[0041] В описанном выше устройстве 200 HVPE газообразный хлорид галлия 23, подлежащий введению в реакционную камеру 201, синтезируют следующим образом. А именно, емкость 204 с галлием, расположенную в камере 203 синтеза хлорида галлия, нагревают до 800°C нагревателем 209, газообразный HCl 21 вводят в камеру 203 синтеза хлорида галлия по трубопроводу 205 газообразного HCl, и газообразный HCl 21 заставляют реагировать с галлием (Ga) 22 в емкости 204 с галлием, таким образом, синтезируя газообразный GaCl (газообразный хлорид галлия 23). При этом газообразный HCl 21 вводят в камеру 203 синтеза хлорида галлия вместе с газом-носителем, таким как газообразный H₂.

[0042] Вышеописанный газообразный GaCl (газообразный хлорид галлия 23), газообразный NH₃ (газообразный источник 26 азота) и газообразный SiH₄ (легирующий газ 29) вводили в реакционную камеру 201 вместе с газообразным H₂, служащим газом-носителем. На GaN-ой подложке (базовой подложке 10), установленной на подложкодержателе 202 в реакционной камере 201 и нагретой до температуры подложки 1200°C, газообразный GaCl (газообразный хлорид галлия 23) заставляли реагировать с газообразным NH₃ (газообразным источником 26 азота), выращивая кристалл GaN в течение 100 часов. Как показано на фиг.1(a), получен кристалл GaN (кристалл 11 Al_xGa_yIn_1-x-yN), легированный Si и имеющий толщину T в 5 мм от вершины 10p базовой подложки 10.

[0043] Когда проводили выращивание кристалла GaN, для того чтобы улучшить однородность количества и газообразного GaCl (газообразного хлорида галлия 23) и газообразного NH₃ (газообразного источника 26 азота), подаваемых к главной плоскости GaN-ой подложки, GaN-ую подложку (базовую подложку 10) устанавливали на подложкодержателе 202 так, чтобы она была наклонена на 10° по отношению к горизонтальной плоскости и вращалась со скоростью вращения 60 оборотов/мин. Кроме того, парциальное давление газообразного GaCl (газообразного хлорида галлия 23) было задано равным 5,065 кПа (0,05 атм), парциальное давление газообразного NH₃ (газообразного источника 26 азота) было задано равным 10,13 кПа (0,1 атм), а парциальное давление газообразного SiH₄ (легирующего газа 29) было задано равным 5,065 Па (0,00005 атм).

[0044] При этом в качестве базовой подложки 10, как показанная на фиг.3A-3C, использовали пять GaN-ых подложек, имеющих разную высоту наклона H. Каждая из этих пяти GaN-ых подложек имела главную плоскость 10m, где должен был выращиваться кристалл, обработанную в форме треугольной пирамиды с вершиной 10p и тремя боковыми гранями 101m, 102m и 103m, и имела диаметр 5,08 см (т.е. радиус 2,54 см). GaN-ая подложка с высотой наклона H в 1 мм обозначена как базовая подложка I, GaN-ая подложка с высотой наклона 3 мм обозначена как базовая подложка II, GaN-ая подложка с высотой наклона 5 мм обозначена как базовая подложка III, а GaN-ая подложка с высотой наклона 10 мм обозначена как базовая подложка IV. Суммарная плотность дислокаций в этих GaN-ых подложках, которая была рассчитана, исходя из числа ямок, образованных при травлении смешанным расплавом KOH-NaOH при температуре жидкости 350°C, составляла 5×10⁶ см^-2. Отметим, что стрелки на фиг.3A, 3B и 3C показывают направление <10-10>, направление <0001> и направление <0001> соответственно. В базовой подложке 10, как видно из фиг. 3B и 3C, между углом наклона θ, который образован каждой из боковых граней 101m, 102m и 103m, и плоскостью (0001), высотой наклона H и радиусом R имеется следующая взаимосвязь: tgθ = H/R.

[0045] Далее, как показано на фиг.1(b), кристалл GaN (кристалл 11 Al_xGa_yIn_1-x-yN), выращенный на GaN-ой подложке (базовой подложке 10), нарезали на кусочки по плоскостям, параллельным плоскости (0001), и главные плоскости этих кусочков полировали, тем самым получив пять кристаллических GaN-ых подложек (кристаллическая подложка 12 из Al_xGa_yIn_1-x-yN), причем каждая имела толщину 0,5 мм. Пять кристаллических GaN-ых подложек, полученных из кристалла GaN, выращенного на базовой подложке I, обозначены как подложка I-a (кристаллическая подложка 12a из Al_xGa_yIn_1-x-yN), подложка I-b (кристаллическая подложка 12b из Al_xGa_yIn_1-x-yN), подложка I-c (кристаллическая подложка 12c из Al_xGa_yIn_1-x-yN), подложка I-d (кристаллическая подложка 12d из Al_xGa_yIn_1-x-yN) и подложка I-e (кристаллическая подложка 12e из Al_xGa_yIn_1-x-yN) в порядке приближения к базовой подложке I. Аналогично пять кристаллических GaN-ых подложек, полученных из кристалла GaN, выращенного на базовой подложке II, обозначены как подложка II-a, подложка II-b, подложка II-c, подложка II-d и подложка II-e в порядке приближения к базовой подложке II. Пять кристаллических GaN-ых подложек, полученных из кристалла GaN, выращенного на базовой подложке III, обозначены как подложка III-a, подложка III-b, подложка III-c, подложка III-d и подложка III-e в порядке приближения к базовой подложке III. Пять кристаллических GaN-ых подложек, полученных из кристалла GaN, выращенного на базовой подложке IV, обозначены как подложка IV-a, подложка IV-b, подложка IV-c, подложка IV-d и подложка IV-e в порядке приближения к базовой подложке IV. Удельное сопротивление этих кристаллических GaN-ых подложек при измерении проводимости по вихревым токам составляло 0,03-0,08 Ом·см.

[0046] Каждую из кристаллических GaN-ых подложек, полученных так, как описано выше, протравливали смешанным расплавом KOH-NaOH при температуре жидкости 350°C, чтобы образовать ямки, получаемые из-за разных дислокаций. Подсчитали суммарное число ямок на единицу площади, чтобы по нему рассчитать суммарную плотность дислокаций. При расчете суммарной плотности дислокаций площадь области вычисления подбирали так, чтобы в области вычисления наблюдалось 100-500 ямок, в зависимости от суммарной плотности дислокаций. Отметим, что максимальная площадь области вычисления была принята равной 1 см². Кроме того, при расчете суммарной плотности дислокаций во внутренней области каждой из подложек было взято множество областей вычисления и среднее значение этих суммарных плотностей дислокаций, рассчитанных, исходя из множества областей вычисления, показано в таблице 1. Плотность винтовых дислокаций рассчитывали аналогично расчету суммарной плотности дислокаций, за исключением того, что плотность винтовых дислокаций вычисляли путем подсчета числа L-ямок на единицу площади. Во внутренней области главной плоскости имелось некоторое распределение суммарных плотностей дислокаций и некоторое распределение плотностей винтовых дислокаций. Однако даже в части, имеющей самую высокую плотность, их плотность была не более чем в два раза выше среднего значения каждых из суммарных плотностей дислокаций и плотностей винтовых дислокаций.

[0047] Таблица 1 Подложка Плотность дислокаций в подложке Характеристики полупроводникового прибора Суммарная плотность дислокаций (см^-2) Плотность винтовых дислокаций (см^-2) Выдерживаемое напряжение (В) I-a 3200000 110000 360 I-b 1100000 56000 400 I-c 370000 28000 470 I-d 98000 28000 560 I-e 81000 12000 680 II-a 1300000 6200 450 II-b 350000 9800 680 II-c 3500 7300 840 II-d 2500 1200 880 II-e 2200 500 900 III-a 170000 200 750 III-b 2500 2700 860 III-c 1200 750 840 III-d 600 350 880 III-e 200 100 810 IV-a 41000 0 820 IV-b 500 120 800 IV-c 110 0 670 IV-d 52 0 250 IV-e 45 0 200

[0048] Как видно из таблицы 1, суммарная плотность дислокаций и плотность винтовых дислокаций в подложке имеют тенденцию уменьшаться с увеличением высоты наклона H базовой подложки 10, используемой для выращивания кристаллов, и с увеличением расстояния подложки от базовой подложки 10. Другими словами, возможно регулировать суммарную плотность дислокаций и плотность винтовых дислокаций в кристалле за счет высоты наклона H базовой подложки 10 и/или толщины выращиваемого кристалла Al_xGa_yIn_1-x-yN.

Второй пример

[0049] Каждую из подложек, протравленных в первом примере, снова отполировали, тем самым сформировав кристаллические GaN-ые подложки с диаметром 5,08 см × толщиной 400 мкм каждая (с удельным сопротивлением 0,03-0,08 Ом·см). Обращаясь к фиг.4, затем на каждой из подложек (кристаллической подложке 12 из Al_xGa_yIn_1-x-yN) способом MOCVD (химического осаждения из паровой фазы металлоорганических соединений) в качестве полупроводникового слоя выращивали слой GaN n-типа (полупроводниковый слой 41), имеющий толщину 15 мкм и плотность носителей 1×10¹⁶ см^-3. Затем на этом слое GaN n-типа (полупроводниковом слое 41) способом вакуумного осаждения сформировали с шагом 2 мм электроды Шотки 42, имеющие диаметр 450 мм каждый и образованные слоем Au, и на всей той плоскости каждой из подложек (кристаллической подложки 12 из Al_xGa_yIn_1-x-yN), где не был сформирован слой GaN n-типа, сформировали омический электрод 43, образованный слоистым телом из слоя Ti и слоя Al, и таким образом получили полупроводниковые приборы 40.

[0050] Между электродами Шотки 42 и омическим электродом 43 каждого полученного полупроводникового прибора 40 прикладывали напряжение в обратном направлении и измеряли выдерживаемое напряжение (напряжение, которые вызывает явление резкого повышения тока в обратном направлении) каждого полупроводникового прибора 40. При этом у каждого из полупроводниковых приборов выдерживаемое напряжение измеряли в 19 точках, и его среднее значение принимали за выдерживаемое напряжение полупроводникового прибора. Результаты сведены в таблице 1. Кроме того, соотношение между суммарными плотностями дислокаций в подложках полупроводниковых приборов и выдерживаемыми напряжениями полупроводниковых приборов, показанными в таблице 1, приведено на фиг.5.

[0051] Как видно из таблицы 1 и фиг.5, в диапазоне суммарных плотностей дислокаций подложек в полупроводниковых приборах по меньшей мере 1×10² см^-2 и не более 1×10⁶ см^-2 каждый из полупроводниковых приборов продемонстрировал высокое выдерживаемое напряжение в по меньшей мере 400 В. Другими словами, выдерживаемое напряжение полупроводниковых приборов резко уменьшалось, когда суммарные плотности дислокаций подложек становились меньше 1×10² см^-2 или становились выше 1×10⁶ см^-2. Кроме того, в диапазоне суммарной плотности дислокаций подложек полупроводниковых приборов по меньшей мере 2×10² см^-2 и не более 1×10⁵ см^-2 выдерживаемые напряжения полупроводниковых приборов оставались стабильными на чрезвычайно высоком уровне 800-900 В. Другими словами, в диапазоне суммарной плотности дислокаций подложек по меньшей мере 2×10² см^-2 и не более 1×10⁵ см^-2 оказалось возможным получить полупроводниковый прибор, имеющий одинаковое и высокое выдерживаемое напряжение независимо от значения суммарной плотности дислокаций.

[0052] На фиг.5, даже в диапазоне суммарной плотности дислокаций в подложках полупроводниковых приборов по меньшей мере 1×10² см^-2 и не более 1×10⁶ см^-2, полупроводниковые приборы, изготовленные с использованием в качестве подложек подложки I-c, подложки I-d и подложки I-e соответственно, обладали низкими выдерживаемыми напряжениями. Плотность винтовых дислокаций в подложках таких полупроводниковых приборов превышала 1×10⁴ см^-2. Другими словами, с точки зрения повышения выдерживаемого напряжения полупроводникового прибора плотность винтовых дислокаций подложки предпочтительно не превышает 1×10⁴ см^-2.

[0053] Следует понимать, что раскрытые здесь варианты реализации и примеры являются иллюстративными и никоим образом не ограничительными. Объем настоящего изобретения определяется не приведенным выше описанием, а объемом формулы изобретения и подразумевается включающим в себя все модификации в пределах эквивалентного значения и объема формулы изобретения.

Промышленная применимость

[0054] Кристаллическая подложка из Al_xGa_yIn_1-x-yN по настоящему изобретению может предпочтительно использоваться в качестве подложки для разных приборов, таких как светоизлучающие элементы, электронные элементы и полупроводниковые датчики.

Изобретение относится к полупроводниковым приборам на кристаллической нитридной подложке. Сущность изобретения: кристаллическая подложка из Al_xGa_yIn_1-x-yN (0≤х, 0≤у, х+у≤1) (12) имеет главную плоскость (12m) с площадью по меньшей мере 10 см², в которой упомянутая главная плоскость (12m) имеет внешнюю область (12w), расположенную в пределах 5 мм от внешней периферии упомянутой главной плоскости, и внутреннюю область (12n), соответствующую области, отличной от упомянутой внешней области. Упомянутая внутренняя область (12n) имеет суммарную плотность дислокации, по меньшей мере, 1×10² см^-2 и не более 1×10⁶ см^-2. Изобретение позволяет получить кристаллическую подложку из Al_xGa_yIn_1-x-yN в качестве подложки полупроводникового прибора, которая является большой по размеру и имеет подходящую плотность дислокации, полупроводниковый прибор, содержащий такую кристаллическую подложку, и способ его изготовления. 3 н. и 11 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Кристаллическая подложка из Al_xGa_yIn_1-x-yN (0≤x, 0≤у, х+у≤1) (12), имеющая главную плоскость (12m) с площадью по меньшей мере 10 см², причем
упомянутая главная плоскость (12m) имеет внешнюю область (12w), расположенную в пределах 5 мм от внешней периферии упомянутой главной плоскости, и внутреннюю область (12n), соответствующую области, отличной от упомянутой внешней области, и
упомянутая внутренняя область (12n) имеет суммарную плотность дислокаций по меньшей мере 1·10² см^-2 и не более 1·10⁶ см^-2.

2. Кристаллическая подложка из Al_xGa_yIn_1-x-yN по п.1, причем упомянутая суммарная плотность дислокаций составляет по меньшей мере 2·10² см^-2 и не более 1·10 см^-2.

3. Кристаллическая подложка из Al_xGa_yIn_1-x-yN по п.2, причем плотность винтовых дислокаций в упомянутой суммарной плотности дислокаций составляет не более 1·10⁴ см^-2.

4. Кристаллическая подложка из Al_xGa_yIn_1-x-yN по п.1, причем плотность винтовых дислокаций в упомянутой суммарной плотности дислокаций составляет не более 1·10⁴ см^-2.

5. Кристаллическая подложка из Al_xGa_yIn_1-x-yN по п.1, причем упомянутая подложка (12) обладает проводимостью n-типа и имеет удельное сопротивление не более 1 Ом·см.

6. Кристаллическая подложка из Al_xGa_yIn_1-x-yN по п.1, причем рост кристалла упомянутой подложки (12) проведен способом HVPE.

7. Полупроводниковый прибор (40), содержащий: кристаллическую подложку из Al_xGa_yIn_1-x-yN (0≤х, 0≤у, х+у≤1) (12) и по меньшей мере однослойный полупроводниковый слой (41), сформированный на упомянутой кристаллической подложке из Al_xGa_yIn_1-x-yN, причем
упомянутая подложка (12) имеет главную плоскость (12m) с площадью по меньшей мере 10 см²,
упомянутая главная плоскость (12m) имеет внешнюю область (12w), расположенную в пределах 5 мм от внешней периферии упомянутой главной плоскости, и внутреннюю область (12n), соответствующую области, отличной от упомянутой внешней области, и
упомянутая внутренняя область (12n) имеет суммарную плотность дислокаций по меньшей мере 1·10² см^-2 и не более 1·10⁶ см^-2.

8. Полупроводниковый прибор по п.7, причем упомянутая суммарная плотность дислокаций составляет по меньшей мере 2·10² см^-2 и не более 1·10⁵ см^-2.

9. Полупроводниковый прибор по п.8, причем плотность винтовых дислокаций в упомянутой суммарной плотности дислокаций составляет не более 1·10⁴ см^-2.

10. Полупроводниковый прибор по п.7, причем плотность винтовых дислокаций в упомянутой суммарной плотности дислокаций составляет не более 1·10⁴ см^-2.

11. Способ изготовления полупроводникового прибора, включающий в себя этапы: приготовление кристаллической подложки из Al_xGa_yIn_1-x-yN (0≤х, 0≤у, х+у≤1) (12); и выращивание по меньшей мере однослойного полупроводникового слоя (41) на упомянутой подложке (12), причем
упомянутая подложка (12) имеет главную плоскость (12m) с площадью по меньшей мере 10 см²,
упомянутая главная плоскость (12m) имеет внешнюю область (12w), расположенную в пределах 5 мм от внешней периферии упомянутой главной плоскости, и внутреннюю область (12n), соответствующую области, отличной от упомянутой внешней области, и
упомянутая внутренняя область (12n) имеет суммарную плотность дислокаций по меньшей мере 1·10² см^-2 и не более 1·10⁶ см^-2.

12. Способ изготовления полупроводникового прибора по п.11, причем упомянутая суммарная плотность дислокаций составляет по меньшей мере 2·10² см^-2 и не более 1·10⁵ см^-2.

13. Способ изготовления полупроводникового прибора по п.12, причем плотность винтовых дислокаций в упомянутой суммарной плотности дислокаций составляет не более 1·10⁴ см^-2.

14. Способ изготовления полупроводникового прибора по п.11, причем плотность винтовых дислокаций в упомянутой суммарной плотности дислокаций составляет не более 1·10⁴ см^-2.