專利名稱：半導(dǎo)體層的形成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體層的形成方法，特別涉及適用于在各種材料構(gòu)成的襯底上等形成例如GaN(氮化鎵)等薄膜、厚膜等膜的外延半導(dǎo)體層的半導(dǎo)體層形成方法。
近年來，人們的注意力投向GaN，這是一種作為在例如藍光波長區(qū)至紫外波長區(qū)等短波長區(qū)發(fā)光器件材料的Ⅲ-Ⅴ族氮化物半導(dǎo)體，就這一點而言，除了已進行了由例如GaN系薄膜材料制備藍光激光器的開發(fā)之外，已實現(xiàn)了由GaN系薄膜材料制備藍光發(fā)光二極管(LED)。
關(guān)于這種GaN系薄膜，不僅已知GaN，還已知例如由InGaN等制備的發(fā)光器件材料。
為了提高發(fā)光效率或?qū)崿F(xiàn)由GaN系薄膜材料制備藍光激光器，認為重要的是很好地控制存在于GaN系薄膜中的例如錯配位錯、如由錯配位錯造成的螺形位錯(threading dislocation)等位錯、晶界等等結(jié)構(gòu)缺陷。
同時，形成于已普遍用作襯底的藍寶石(Al2O3)上的GaN薄膜的缺陷密度(每單位面積的結(jié)構(gòu)缺陷數(shù))有極高的值。
這種GaN系薄膜中的高缺陷密度主要是由于GaN系薄膜與襯底材料(Al2O3)的晶格錯配及兩者間的熱膨脹系數(shù)差造成的。關(guān)于這一點，認為GaN系薄膜中高缺陷密度是實際情況下不可避免的問題，不存在適宜用作GaN襯底且與GaN系薄膜具有良好晶格匹配的襯底。
為了改善GaN薄膜中的高缺陷密度，如

圖1所示，圖1示意說明了一種薄膜結(jié)構(gòu)，迄今已采用了這樣一種方式，例如采用SiC襯底型的6H-SiC(0001)襯底。AlN薄膜形成于其上(厚度例如為10nm或更厚)，GaN系薄膜也形成于其上(厚度例如為1.5微米)。
即，由于AlN薄膜與SiC襯底晶格錯配率為1％，并且一方面它表現(xiàn)出與GaN薄膜的晶格錯配率為2.5％，所以這種AlN薄膜已用作SiC襯底和GaN系薄膜間的緩沖層。
在圖1所示薄膜結(jié)構(gòu)中，厚1.5微米的GaN形成于厚10nm或更厚的AlN薄膜上，盡管對于結(jié)構(gòu)缺陷中的螺形位錯來說，實現(xiàn)了109cm-2數(shù)量級的位錯密度，但仍希望進一步顯著降低位錯密度。
鑒于這種需求，最近提出了例如圖2(a)和2(b)所示的ELO工藝(外延橫向過生長)。
在ELO工藝中，首先，在襯底200上通過緩沖層202進行GaN晶體生長，GaN晶體生長的結(jié)果是形成第一GaN層204，然后，利用預(yù)定掩模圖形，在第一GaN層204上形成掩模206(見圖2(a))。
然后，在其上已形成有掩模206的第一GaN層204上，進一步進行GaN晶體生長，形成第二GaN層208，從而預(yù)計能減小第二GaN層208中螺形位錯的位錯密度(見圖2(b))。
根據(jù)上述ELO工藝，第一GaN層204中螺形位錯密度為109-1010cm-2數(shù)量級，而由未被掩模206覆蓋的第一GaN層204生長的GaN晶體，在掩模206上發(fā)生橫向生長(由圖2(b)中箭頭所示方向)，所以第二GaN層208中螺形位錯的位錯密度下降到107cm-2數(shù)量級。
然而，在上述ELO工藝中，需要利用預(yù)定掩模圖形在第一GaN層204上形成掩模206(見圖2(a))。因此，存在著需要例如腐蝕等各種不同的工藝操作的問題，所以工時延長，其制造成本等提高，所以最終產(chǎn)品變貴。
另外，還存在著這樣一個問題，按照ELO工藝，螺形位錯出現(xiàn)在第二GaN層208中邊界部分內(nèi)，在此利用掩模206各自橫向生長的GaN晶體彼此熔融(圖2(b)中虛線所示部分)，所以在含有邊界部分的第二GaN層208不用于例如藍光LED等器件時，限制了可用于器件等的GaN系薄膜區(qū)。
考慮到上述現(xiàn)有技術(shù)問題，做出了本發(fā)明，本發(fā)明的目的是提供一種形成半導(dǎo)體層的方法，利用該方法，可以明顯降低所得半導(dǎo)體層中的結(jié)構(gòu)缺陷的缺陷密度特別是螺形位錯的位錯密度，所以在由各種材料構(gòu)成的襯底上形成例如GaN(氮化鎵)等薄膜、厚膜等半導(dǎo)體層時，可以縮短工時，降低制造成本，并且不需要任何復(fù)雜工藝。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明中，用于形成半導(dǎo)體層的半導(dǎo)體層形成方法包括供應(yīng)用于抑制半導(dǎo)體層中的結(jié)構(gòu)缺陷的結(jié)構(gòu)缺陷抑制材料。
因此，根據(jù)本發(fā)明，由于供應(yīng)用于抑制半導(dǎo)體中結(jié)構(gòu)缺陷的結(jié)構(gòu)缺陷抑制材料，這種結(jié)構(gòu)缺陷抑制材料在結(jié)構(gòu)缺陷特別是螺形位錯出現(xiàn)在其上將形成半導(dǎo)體層的材料層表面上的地方被吸收或采用，所以可以抑制半導(dǎo)體層中的結(jié)構(gòu)缺陷特別是螺形位錯，所以可以明顯降低位錯密度。
另外，在本發(fā)明中，一種用于形成半導(dǎo)體層的半導(dǎo)體層形成方法包括在將由之形成半導(dǎo)體層的材料層表面上，供應(yīng)用于抑制半導(dǎo)體層中的結(jié)構(gòu)缺陷的結(jié)構(gòu)缺陷抑制材料。
因此，根據(jù)本發(fā)明，由于在將由之形成半導(dǎo)體層的材料層的表面上，供應(yīng)用于抑制半導(dǎo)體中結(jié)構(gòu)缺陷的結(jié)構(gòu)缺陷抑制材料，這種結(jié)構(gòu)缺陷抑制材料在結(jié)構(gòu)缺陷特別是螺形位錯出現(xiàn)在其上將形成半導(dǎo)體層的材料層表面上的地方被吸收或采用，所以可以抑制半導(dǎo)體層中的結(jié)構(gòu)缺陷特別是螺形位錯，所以可以明顯降低位錯密度。
另外，在本發(fā)明中，一種用于形成半導(dǎo)體層的半導(dǎo)體層形成方法包括在形成半導(dǎo)體層時，同時供應(yīng)用于抑制半導(dǎo)體層中的結(jié)構(gòu)缺陷的結(jié)構(gòu)缺陷抑制材料及將由之形成半導(dǎo)體層的材料。
因此，根據(jù)本發(fā)明，由于與由之形成半導(dǎo)體層的材料同時供應(yīng)用于抑制半導(dǎo)體中的結(jié)構(gòu)缺陷的結(jié)構(gòu)缺陷抑制材料，這種結(jié)構(gòu)缺陷抑制材料在結(jié)構(gòu)缺陷特別是螺形位錯出現(xiàn)在其上將形成半導(dǎo)體層的材料層表面上的地方被吸收或采用，所以可以抑制半導(dǎo)體層中的結(jié)構(gòu)缺陷特別是螺形位錯，所以可以明顯降低位錯密度。
另外，在本發(fā)明中，一種用于形成半導(dǎo)體層的半導(dǎo)體層形成方法包括第一步，在襯底上形成緩沖層；第二步，在第一步形成的緩沖層表面上，供應(yīng)預(yù)定量用于抑制將形成的半導(dǎo)體層中的結(jié)構(gòu)缺陷的結(jié)構(gòu)缺陷抑制材料；第三步，在緩沖層的表面上形成半導(dǎo)體層，其中所說結(jié)構(gòu)缺陷抑制材料已于第二步供應(yīng)到將形成的半導(dǎo)體層上；和第三步中的半導(dǎo)體層的膜厚為1nm或更厚。
因此，根據(jù)本發(fā)明，第一步，在襯底上形成緩沖層，第二步，在第一步形成的緩沖層表面上，供應(yīng)預(yù)定量的結(jié)構(gòu)缺陷抑制材料，用于抑制將形成的半導(dǎo)體層中的結(jié)構(gòu)缺陷；第三步，在所說結(jié)構(gòu)缺陷抑制材料已在第二步供應(yīng)于其上的緩沖層的表面上，形成半導(dǎo)體層，膜厚為1nm或更厚，從而，通過已以預(yù)定量供應(yīng)到緩沖層上的結(jié)構(gòu)缺陷抑制材料，可以顯著降低所形成的半導(dǎo)體層中的結(jié)構(gòu)缺陷，特別是螺形位錯密度，使膜厚為1nm或更厚，而在形成在襯底上的緩沖層中出現(xiàn)許多結(jié)構(gòu)缺陷，特別是螺形位錯。
上一段所述的半導(dǎo)體層形成方法可以設(shè)計為還可以包括以下步驟第四步，在第三步形成的半導(dǎo)體層表面上，供應(yīng)預(yù)定量的結(jié)構(gòu)缺陷抑制材料，用于抑制將形成的半導(dǎo)體層中的結(jié)構(gòu)缺陷；第五步，在該半導(dǎo)體層表面上形成半導(dǎo)體層，其中在第四步結(jié)構(gòu)缺陷抑制材料已供應(yīng)到將要形成的該半導(dǎo)體層上；完成了第三步后，進行一次或多次第四步和第五步。
上述改進的結(jié)果是，在第四步，用于抑制將形成的半導(dǎo)體層中的結(jié)構(gòu)缺陷的預(yù)定量結(jié)構(gòu)缺陷抑制材料供應(yīng)到在第三步形成的半導(dǎo)體層的表面上，在第五步，一個半導(dǎo)體層形成于在其上已供應(yīng)了結(jié)構(gòu)缺陷抑制材料的半導(dǎo)體層的表面上，完成了第三步后，進行一次或多次第四步和第五步，從而可以層疊多個半導(dǎo)體層。
另外，上一段所述的形成半導(dǎo)體層的方法可以設(shè)計為至少第二步和第四步之一中，采用激光束、電子束、原子團束(radical beam)、離子束或原子氫中的至少一種。
上述改進的結(jié)果是，促進了其上已被供應(yīng)了結(jié)構(gòu)缺陷抑制材料的表面中的表面擴散，因而結(jié)構(gòu)缺陷抑制材料容易在結(jié)構(gòu)缺陷特別是螺形位錯出現(xiàn)的表面上的位置處被吸收或被采用，所以可以進一步促進原子級表面重組。
另外，上一段中所述的半導(dǎo)體層的形成方法可以設(shè)計為在至少第二步和第四步中的任一步，供應(yīng)預(yù)定量多種類型的用于抑制將要形成的半導(dǎo)體層中的結(jié)構(gòu)缺陷的結(jié)構(gòu)缺陷抑制材料。
上述改進的結(jié)果是，由于在上述第二步和第四步中任一步中供應(yīng)預(yù)定量多種結(jié)構(gòu)缺陷抑制材料，所以可以促進其上已被供應(yīng)了結(jié)構(gòu)缺陷抑制材料的表面中的表面擴散，因而結(jié)構(gòu)缺陷抑制材料容易在結(jié)構(gòu)缺陷特別是螺形位錯出現(xiàn)的表面上的位置處被吸收或被采用，所以可以進一步促進原子級表面重組。
另外，一種用于形成半導(dǎo)體層的半導(dǎo)體層形成方法包括以下步驟第一步，在襯底上形成緩沖層；第二步，除了在供應(yīng)用于形成將要形成的半導(dǎo)體層的材料之前，完成用于抑制將要形成的半導(dǎo)體層中的結(jié)構(gòu)缺陷的結(jié)構(gòu)缺陷抑制材料的供應(yīng)外，開始供應(yīng)用于形成將形成的半導(dǎo)體層的材料，同時供應(yīng)用于抑制將要形成于第一步中所形成的緩沖層表面上的半導(dǎo)體層中的結(jié)構(gòu)缺陷的結(jié)構(gòu)缺陷抑制材料；和第二步中的半導(dǎo)體層的膜厚為1nm或更厚。
因此，根據(jù)本發(fā)明，第一步，在襯底上形成緩沖層；第二步，除了在供應(yīng)用于形成將要形成的半導(dǎo)體層的材料之前，完成用于抑制將要形成的半導(dǎo)體層中的結(jié)構(gòu)缺陷的結(jié)構(gòu)缺陷抑制材料的供應(yīng)外，開始供應(yīng)用于形成將形成的半導(dǎo)體層的材料，同時供應(yīng)用于抑制將要形成于第一步中所形成的緩沖層表面上的半導(dǎo)體層中的結(jié)構(gòu)缺陷的結(jié)構(gòu)缺陷抑制材料；和形成膜厚為1nm或更厚的半導(dǎo)體層，從而利用已以預(yù)定量供應(yīng)到緩沖層上的結(jié)構(gòu)缺陷抑制材料，可以明顯降低所形成的半導(dǎo)體層中的結(jié)構(gòu)缺陷特別是螺形位錯密度，使膜厚為1nm或更厚，同時許多結(jié)構(gòu)缺陷特別是螺形位錯出現(xiàn)在形成于襯底上的緩沖層中。
上一段所述的半導(dǎo)體層形成方法可以設(shè)計為進一步包括以下步驟第三步，除了在供應(yīng)用于形成將要形成的半導(dǎo)體層的材料之前，完成用于抑制將要形成的半導(dǎo)體層中的結(jié)構(gòu)缺陷的結(jié)構(gòu)缺陷抑制材料的供應(yīng)外，開始供應(yīng)用于形成將形成的半導(dǎo)體層的材料，同時供應(yīng)用于抑制將要形成于第二步中所形成的上述半導(dǎo)體層表面上的半導(dǎo)體層中的結(jié)構(gòu)缺陷的結(jié)構(gòu)缺陷抑制材料；和完成了第二步后，至少進行一次第三步。
上述改進的結(jié)果是，在第三步，除了在供應(yīng)用于形成將要形成的半導(dǎo)體層的材料之前，完成用于抑制將要形成的半導(dǎo)體層中的結(jié)構(gòu)缺陷的結(jié)構(gòu)缺陷抑制材料的供應(yīng)外，開始供應(yīng)用于形成將形成的半導(dǎo)體層的材料，同時供應(yīng)用于抑制將要形成于第二步中所形成的上述半導(dǎo)體層表面上的半導(dǎo)體層中的結(jié)構(gòu)缺陷的結(jié)構(gòu)缺陷抑制材料；并且完成第二步后，至少進行一次第三步，從而可以層疊多個半導(dǎo)體層。
另外，上一段中所述的半導(dǎo)體層形成方法可以設(shè)計為在第二步和第三步中的至少任一步，采用激光束、電子束、原子團束、離子束或原子氫中的至少一種。
上述改進的結(jié)果是，促進了其上已被供應(yīng)了結(jié)構(gòu)缺陷抑制材料的表面中的表面擴散，因而結(jié)構(gòu)缺陷抑制材料容易在結(jié)構(gòu)缺陷特別是螺形位錯出現(xiàn)的表面上的位置處被吸收或被采用，所以可以進一步促進原子級表面重組。
另外，上一段中所述的半導(dǎo)體層的形成方法可以設(shè)計為在至少第二步和第三步中的任一步，供應(yīng)預(yù)定量多種類型的用于抑制將要形成的半導(dǎo)體層中的結(jié)構(gòu)缺陷的結(jié)構(gòu)缺陷抑制材料。
上述改進的結(jié)果是，由于在上述第二步和第三步中任一步中供應(yīng)預(yù)定量多種用于抑制半導(dǎo)體層中的結(jié)構(gòu)缺陷的結(jié)構(gòu)缺陷抑制材料，所以可以促進其上已被供應(yīng)了結(jié)構(gòu)缺陷抑制材料的表面中的表面擴散，因而結(jié)構(gòu)缺陷抑制材料容易在結(jié)構(gòu)缺陷特別是螺形位錯出現(xiàn)的表面上的位置處被吸收或被采用，所以可以進一步促進原子級表面重組。
另外，上一段中所述半導(dǎo)體層形成方法中，上述襯底可以是碳化硅襯底(6H-SiC襯底，4H-SiC襯底)、碳化硅和硅的層疊襯底(SiC/Si襯底)、硅襯底(Si襯底)、藍寶石襯底(Al2O3襯底)、氧化鋅和藍寶石的層疊襯底(ZnO/Al2O3襯底)、鍺襯底(Ge襯底)、砷化鎵襯底(GaAs襯底)、砷化銦襯底(InAs襯底)、磷化鎵襯底(GaP襯底)、磷化銦襯底(InP襯底)、或尖晶石襯底(MgAl2O3,LiGaO2襯底)；上述結(jié)構(gòu)缺陷抑制材料可以是Ⅰ-A族的H(氫)；Ⅱ-A族的Be(鈹)或Mg(鎂)；Ⅲ-B族的Al(鋁)、Ga(鎵)、或In(銦)；Ⅳ-B族的C(碳)、Si(硅)、Ge(鍺)、或Sn(錫)；N(氮)、P(磷)、As(砷)或Sb(銻)；或元素周期表中Ⅴ-B族的O(氧)、S(硫)、Se(硒)、或Te(碲)；半導(dǎo)體層可以是Ⅳ族的半導(dǎo)體C(金剛石)、Si(硅)、Ge(鍺)、SiC、SiGe或SiCGe層；Ⅲ-Ⅴ族的二元系半導(dǎo)體層BN、AlN、GaN、InN、BP、AlP、GaP、InP、BAs、AlAs、GaAs或InAs；Ⅲ-Ⅴ族的三元系混晶半導(dǎo)體BAlN、BGaN、BInN、AlGaN、AlInN、GaInN、BAlP、BGaP、BInP、AlGaP、AlInP、GaInP、BAlAs、BGaAs、BInas、AlGaAs、AlInas、GaInAs、BNP、BNAs、BPAs、AlNP、AlNAs、AlPAs、GaNP、GaNAs、GaPAs、InNP、InNAs或InPAs；Ⅲ-Ⅴ族的四元系混晶半導(dǎo)體BAlGaN、BAlInN、BGaInN、AlGaInN、BAlGaP、BAlInP、BGaInP、AlGaInP、BAlGaAs、BAlInas、BGaInas、AlGaInAs、BAlNP、BGaNP、BInNP、AlGaNP、AlInNP、GaInNP、BAlNAs、BGaNAs、BInNAs、AlGaNAs、AlInNAs、GaInNAs、BAlPAs、BGaPAs、BInPAs、AlGaPAs、AlInPAs、GaInPAs、BNPAs、AlNPAs、GaNPAs或InNPAs；或元素周期表中Ⅱ-Ⅵ族的半導(dǎo)體層ZnO、ZnS、ZnSe、ZnTe、CdO、CdS、CdSe、CdTe、ZnCdO、ZnCdS、ZnCdSe、ZnCdTe、ZnOS、ZnOSe、ZnOTe、ZnSSe、ZnSTe、ZnSeTe、CdOS、CdOSe、CdOTe、CdSSe、CdSTe、CdSeTe、ZnCdOS、ZnCdOSe、ZnCdOTe、ZnCdSSe、ZnCdSTe、ZnCdSeTe、ZnOSSe、ZnOSTe、ZnOSeTe、ZnSSeTe、CdOSSe、CdOSTe、CdOSeTe或CdSSeTe。
另外，根據(jù)本發(fā)明，通過緩沖層在襯底上形成半導(dǎo)體層的方法包括采用MOCVD(金屬有機化學(xué)汽相淀積)、MBE(分子束外延)、CBE(化學(xué)束外延)、HAVPE(鹵化物汽相外延)、GSMBE(氣體源分子束外延)、MOMBE(金屬有機MBE)、LPE(液相外延)、CVD(化學(xué)汽相淀積)、濺射或真空淀積工藝；第一步，在SiC襯底或Al2O3襯底的表面上，供應(yīng)固態(tài)鎵(Ga)、三甲基鎵(TMG)或三乙基鎵(TEG)、固態(tài)鋁(Al)、三甲基鋁(TMA)、三乙基鋁(TEA)、三甲基胺礬(trimethylaminealum)(TMAAl)、二甲基乙基胺礬(DMEAAl)、或三異丁基鋁(TIBAl)、和氮原子團、氨(NH3)、一甲基肼(MMHy)或二甲基肼(DMHy)，形成GaN層、AlN層或AlGaN層作緩沖尾；第二步，利用固態(tài)硅(Si)、硅烷(SH4)、乙硅烷(Si2H6)、甲基硅烷(CH3SiH3)、二甲基硅烷((CH3)2SiH2)、二乙基硅烷((C2H5)2SiH2)、三甲基硅烷((CH3)3SiH)、三乙基硅烷((C2H5)3SiH)、四甲基硅烷(TMSi)或四乙基硅烷(TESi)，供應(yīng)作為用于作為半導(dǎo)體層的GaN層、AlN層或AlGaN層的結(jié)構(gòu)缺陷抑制材料的Si，所說半導(dǎo)體層降以膜的形式，形成于已在第一步形成的作為緩沖層的GaN層、 AlN層或AlGaN層表面上；和第三步，在已在第二步被供應(yīng)了Si的作為緩沖層的GaN層、AlN層或AlGaN層表面上，供應(yīng)固態(tài)鎵(Ga)、三甲基鎵(TMG)、或三乙基鎵(TEG)、固態(tài)鋁(Al)、三甲基鋁(TMA)、三乙基鋁(TEA)、三甲基胺礬(TMAAl)、二甲基乙基胺礬(DMEAAl)或三異丁基鋁(TIBAl)和氮原子團、氨(NH3)、一甲基肼(MMHy)或二甲基肼(DMHy)，以形成厚1nm或更厚的GaN層、AlN層或AlGaN層作為半導(dǎo)體層。
因此，根據(jù)本發(fā)明，在通過緩沖層在襯底上形成半導(dǎo)體層的方法中，采用MOCVD(金屬有機化學(xué)汽相淀積)、MBE(分子束外延)、CBE(化學(xué)束外延)、HAVPE(鹵化物汽相外延)、GSMBE(氣體源分子束外延)、MOMBE(金屬有機MBE)、LPE(液相外延)、CVD(化學(xué)汽相淀積)、濺射或真空淀積工藝；第一步，在SiC襯底或Al2O3襯底的表面上，供應(yīng)固態(tài)鎵(Ga)、三甲基鎵(TMG)或三乙基鎵(TEG)、固態(tài)鋁(Al)、三甲基鋁(TMA)、三乙基鋁(TEA)、三甲基胺礬(TMAAl)、二甲基乙基胺礬(DMEAAl)、或三異丁基鋁(TIBAl)、和氮原子團、氨(NH3)、一甲基肼(MMHy)或二甲基肼(DMHy)，形成GaN層、AlN層或AlGaN層作緩沖層；第二步，利用固態(tài)硅(Si)、硅烷(SiH4)、乙硅烷(Si2H6)、甲基硅烷(CH3SiH3)、二甲基硅烷((CH3)2SiH2)、二乙基硅烷((C2H5)2SiH2)、三甲基硅烷((CH3)3SiH)、三乙基硅烷((C2H6)3SiH)、四甲基硅烷(TMSi)或四乙基硅烷(TESi)，將用于作為半導(dǎo)體層的GaN層、AlN層或AlGaN層的結(jié)構(gòu)缺陷抑制材料Si，所說半導(dǎo)體層將以膜的形式形成，供應(yīng)在作為緩沖層的GaN層、AlN層或AlGaN層表面上；第三步，在已在第二步被供應(yīng)了Si的作為上述緩沖層的GaN層、AlN層或AlGaN層表面上，供應(yīng)固態(tài)鎵(Ga)、三甲基鎵(TMG)、或三乙基鎵(TEG)、固態(tài)鋁(Al)、三甲基鋁(TMA)、三乙基鋁(TEA)、三甲基胺礬(TMAAl)、二甲基乙基胺礬(DMEAAl)或三異丁基鋁(TIBAl)和氮原子團、氨(NH3)、一甲基肼(MMHy)或二甲基肼(DMHy)，以形成厚1nm或更厚的GaN層、AlN層或AlGaN層作為半導(dǎo)體層。結(jié)果，Si在GaN層、AlN層或AlGaN層的表面上被吸收，因而GaN層、AlN層或AlGaN層表面被原子級重組，此后，形成另外的GaN層、AlN層或AlGaN層作為半導(dǎo)體層，于是可以明顯降低作為半導(dǎo)體層的GaN層、AlN層或AlGaN層中的結(jié)構(gòu)缺陷的缺陷密度，特別是螺形位錯的位錯密度。
此外，由于所供應(yīng)的作為結(jié)構(gòu)缺陷抑制材料的Si是用作用于GaN層、AlN層或AlGaN層的n型雜質(zhì)材料的金屬，所以，在形成作為n型半導(dǎo)體層的GaN層、AlN層或AlGaN層的情況下，它不會不利影響所得半導(dǎo)體層的質(zhì)量，所以可以容易地供應(yīng)這種Si。
另外，根據(jù)本發(fā)明，一種利用MOCVD(金屬有機化學(xué)汽相淀積)設(shè)備在SiC襯底成Al2O3襯底上形成GaN層或AlGaN層的半導(dǎo)體層的形成方法包括以下步驟第一步，在SiC襯底或Al2O3襯底的表面上或者供應(yīng)三甲基鎵(TMG)或者供應(yīng)三乙基鎵(TEG)和氨(NH3)，形成GaN層作緩沖屬，或在其上供應(yīng)三甲基鎵(TMG)或三乙基鎵(TEG)和三甲基鋁(TMA)或三乙基鋁(TEA)和氨(NH3)，形成AlGaN層作緩沖層；第二步，利用硅烷(SiH4)、乙硅烷(Si2H6)或四乙基硅烷(TESi)，以一個單層或更少的形式，在第一步形成的作為緩沖層的GaN層或AlGaN層的表面上，供應(yīng)作為GaN層或AlGaN層的n型雜質(zhì)材料的Si；和第三步，在已在第二步被供應(yīng)了硅烷(SiH4)、乙硅烷(Si2H6)或四乙基硅烷(TESi)的作為緩沖層的GaN層或AlGaN層的表面上，或者供應(yīng)三甲基鎵(TMG)或者供應(yīng)三乙基鎵(TEG)和氨(NH3)，形成厚1nm或更厚的GaN層，或供應(yīng)三甲基鎵(TMG)或三乙基鎵(TEG)和三甲基鋁(TMA)或三乙基鋁(TEA)和氨(NH3)，形成厚1nm或更厚的AlGaN層。
因此，根據(jù)本發(fā)明，在半導(dǎo)體層的形成方法中，利用MOCVD(金屬有機化學(xué)汽相淀積)設(shè)備在SiC襯底或Al2O3襯底上形成GaN層或AlGaN層，第一步，在SiC襯底或Al2O3襯底的表面上或者供應(yīng)三甲基鎵(TMG)或者供應(yīng)三乙基鎵(TEG)和氨(NH3)，形成GaN層作緩沖層，或在其上供應(yīng)三甲基鎵(TMG)或三乙基鎵(TEG)和三甲基鋁(TMA)或三乙基鋁(TEA)和氨(NH3)，形成AlGaN層作緩沖層；第二步，利用硅烷(SiH4)、乙硅烷(Si2H6)或四乙基硅烷(TESi)，以一個單層或更少的形式，在作為緩沖層的GaN層或AlGaN層的表面上，供應(yīng)作為GaN層或AlGaN層的n型雜質(zhì)材料的Si；和第三步，在已被供應(yīng)了硅烷(SiH4)、乙硅烷(Si2H6)或四乙基硅烷(TESi)的作為緩沖層的GaN層或AlGaN層的表面上，或者供應(yīng)三甲基鎵(TMG)或者供應(yīng)三乙基鎵(TEG)和氨(NH3)，形成厚1nm或更厚的GaN層，或供應(yīng)三甲基鎵(TMG)或三乙基鎵(TEG)和三甲基鋁(TMA)或三乙基鋁(TEA)和氨(NH3)，形成厚1nm或更厚的AlGaN層。
因此，硅烷(SiH4)、乙硅烷(Si2H6)或四乙基硅烷(TESi)中的Si在GaN層或AlGaN層的表面上被吸收，因而GaN層或AlGaN層的表面被原子級重組，此后，形成另一層GaN層或AlGaN層作為半導(dǎo)體層，所以可以明顯降低作為半導(dǎo)體層的GaN層中的結(jié)構(gòu)缺陷的缺陷密度，特別是螺形位錯的位錯密度。
此外，由于所供應(yīng)的作為結(jié)構(gòu)缺陷抑制材料的Si是GaN層或AlGaN層的n型雜質(zhì)材料的金屬，所以，在形成作為半導(dǎo)體層的GaN層或AlGaN層的情況下，它不會不利影響所得半導(dǎo)體層的質(zhì)量，所以可以容易地供應(yīng)這種Si。
從以下更具體的介紹和僅作為例示而非對本發(fā)明的限制的各附圖中，可以更充分地理解本發(fā)明，其中圖1是示意性說明通過AlN薄膜在常規(guī)6H-SiC(0001)襯底上形成的GaN薄膜的薄膜結(jié)構(gòu)的說明性視圖。
圖2(a)和2(b)是示意性說明根據(jù)ELO工藝通過緩沖層在襯底上形成GaN薄膜的狀態(tài)的說明性視圖，其中圖2(a)是示意性說明利用預(yù)定掩模圖形在第一GaN層上形成掩模的狀態(tài)的說明性視圖，圖2(b)是示意性說明另外形成第二GaN層的說明性視圖。
圖3(a)、3(b)、3(c)和3(d)是示意性說明根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體層形成方法，在6H-SiC(0001)上形成GaN薄膜的時間順序狀態(tài)的說明性視圖，其中圖3(a)是示意性說明在6H-SiC(0001)襯底上形成AlN薄膜和在AlN薄膜上還形成CaN層的狀態(tài)的說明性視圖，圖3(b)是示意性說明在GaN層的表面上供應(yīng)四乙基硅烷(TESi)的狀態(tài)的說明性視圖，圖3(c)是示意性說明所供應(yīng)的TESi中的Si在GaN層的表面上被吸收的狀態(tài)的說明性視圖，和圖3(d)是示意性說明根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體層形成方法，在6H-SiC(0001)襯底上形成的GaN薄膜的薄膜結(jié)構(gòu)的說明性視圖。
圖4(a)、4(b)、4(c)和4(d)是說明在利用MOCVD系統(tǒng)形成圖3(d)所示薄膜結(jié)構(gòu)時處理條件的圖表，其中圖4(a)是說明在6H-SiC(0001)襯底上形成AlN薄膜時處理條件的圖表，圖4(b)是說明在AlN薄膜上形成GaN緩沖層時處理條件的圖表，圖4(c)是說明在GaN緩沖層上供應(yīng)TESi時處理條件的圖表，和圖4(d)是說明供應(yīng)三甲基鎵(TMG)和氨(NH3)時處理條件的圖表。
圖5是說明根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體層形成方法的第一實施例，供應(yīng)TESi和用于形成GaN薄膜作為半導(dǎo)體層的氣體的時序的說明性圖表。
圖6是根據(jù)TEM具有圖3(d)所示薄膜結(jié)構(gòu)的電子顯微照片的剖面圖。
圖7(a)是示意性說明根據(jù)本發(fā)明半導(dǎo)體層形成方法的第二實施例，形成GaN薄膜作為半導(dǎo)體層的狀態(tài)的說明性視圖，圖7(b)是說明利用MOCVD工藝形成圖7(a)所示薄膜結(jié)構(gòu)時處理條件的圖表。
圖8(a-1)和8(a-2)是示意性說明根據(jù)本發(fā)明半導(dǎo)體層形成方法的第三實施例，形成GaN薄膜作為半導(dǎo)體層的時序狀態(tài)的說明性圖表，圖8(b)是說明利用MOCVD工藝形成圖8(a-1)和8(a-2)中所示薄膜結(jié)構(gòu)時處理條件的圖表。
圖9(a-1)和9(a-2)是示意性說明根據(jù)本發(fā)明半導(dǎo)體層形成方法的第四實施例，形成GaN薄膜作為半導(dǎo)體層的時序狀態(tài)的說明性圖表，圖9(b)是說明利用MOCVD工藝形成圖9(a-1)和9(a-2)中所示薄膜結(jié)構(gòu)時處理條件的圖表。
圖10(a)是說明根據(jù)本發(fā)明半導(dǎo)體層形成方法的第五實施例，供應(yīng)TESi和用于形成GaN薄膜作為半導(dǎo)體層的氣體的時序的說明性圖表，圖10(b)是示意性說明根據(jù)本發(fā)明半導(dǎo)體層形成方法的第五實施例，形成GaN薄膜作為半導(dǎo)體層的狀態(tài)的說明性視圖。
圖11(a)是示意性說明根據(jù)本發(fā)明半導(dǎo)體層形成方法的第六實施例，形成GaN薄膜作為半導(dǎo)體層的狀態(tài)的說明性視圖，而圖11(b-1)和11(b-2)是示意性說明根據(jù)本發(fā)明半導(dǎo)體層形成方法的第七實施例，形成GaN薄膜作為半導(dǎo)體層的時序狀態(tài)的說明性圖表，圖11(c-1)和11(c-2)是示意性說明根據(jù)本發(fā)明半導(dǎo)體層形成方法的第八實施例，形成GaN薄膜作為半導(dǎo)體層的時序狀態(tài)的說明性圖表。
圖12(a)、12(b)和12(c)分別是說明制備薄膜(a)、襯底(b)和可應(yīng)用于體發(fā)明的半導(dǎo)體層形成方法的抑制結(jié)構(gòu)缺陷的材料(c)的方法的圖表，圖12(d)是說明減少了其中會形成的結(jié)構(gòu)缺陷的半導(dǎo)體層(d)的圖表。
圖13(a)、13(b)、13(c)和13(d)分別是說明利用GSMBE工藝形成GaN薄膜時處理條件的圖表，其中圖13(a)是表示在6H-SiC(0001)襯底上形成AlN薄膜時處理條件的圖表，圖13(b)是表示在AlN薄膜上形成GaN緩沖層時處理條件的圖表，圖13(c)是表示在GaN緩沖層上供應(yīng)TESi時處理條件的圖表，和圖13(d)是表示供應(yīng)三甲基鎵(TMG)和氨(NH3)時處理條件的圖表。
圖14是說明可用于根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體層形成方法中、為形成半導(dǎo)體層供應(yīng)的原材料及將要形成的半導(dǎo)體層(a)的圖表，圖14(b)是說明用于抑制結(jié)構(gòu)缺陷的材料(b)的圖表。
下面參照附圖詳細介紹根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體層形成方法的第一實施例。
圖3示意性示出了根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體層形成方法的第一實施例，按時序在作為一種SiC(碳化硅)襯底的6H-SiC(0001)襯底上形成GaN薄膜作半導(dǎo)體層的狀態(tài)，其中圖3(a)所示狀態(tài)可以連續(xù)變到圖3(b)所示狀態(tài)，圖3(c)所示狀態(tài)和圖3(d)所示狀態(tài)。
本實施例中，盡管采用臥式減壓(76乇)金屬有機化學(xué)汽相淀積(MOCVD)反應(yīng)器形成圖3(d)所示的薄膜結(jié)構(gòu)，但不限于上述這種方式，當(dāng)然可以如下所述采用除MOGVD工藝以外的例如濺射工藝等薄膜制備技術(shù)。
圖4(a)-4(d)示出了利用MOCVD工藝形成圖3(d)所示薄膜結(jié)構(gòu)時的處理條件，圖5是說明根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體層形成方法的第一實施例，供應(yīng)TESi(以下所述)和用于形成作為半導(dǎo)體層的GaN薄膜的氣體的時序的說明性圖表。
另外，圖6是利用透射電子顯微鏡(TEM)拍的電子顯微照片，示出了根據(jù)圖4(a),4(b),4(c)和4(d)所示處理條件形成的圖3(d)所示薄膜結(jié)構(gòu)的剖面圖。
為了容易理解本發(fā)明，下面將介紹根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體層形成方法的第一實施例，形成圖3(d)所示薄膜結(jié)構(gòu)時處理的概況。首先，在作為襯底的6H-SiC(0001)襯底10上形成AlN(氮化鋁)薄膜12作緩沖層(見圖3(a))。
然后，在作為緩沖層的AlN薄膜12上形成GaN緩沖層14，并在GaN緩沖層14的表面14a上供應(yīng)四乙基硅烷(TESi)作為n型雜質(zhì)材料(見圖3(b))。
然后，在已被供應(yīng)了TESi的GaN緩沖層14上供應(yīng)三甲基鎵(TMG)和氨(NH3)，形成GaN層18作為半導(dǎo)體層。
結(jié)果，TESi用于抑制結(jié)構(gòu)缺陷，特別是螺形位錯的生長因而可以明顯減少在供應(yīng)了TESi后，通過供應(yīng)三甲基鎵(TMG)和氨(NH3)，作為GaN晶體生長的結(jié)果，作為半導(dǎo)體層形成的GaN層18的結(jié)構(gòu)缺陷特別是位錯的密度。
下面具體介紹根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體層形成方法的第一實施例形成圖3(d)所示薄膜結(jié)構(gòu)時的處理情況。
首先，根據(jù)圖4(a)所示處理條件，在6H-SiC(0001)襯底10上形成作為緩沖層的AlN薄膜12，另外，根據(jù)圖4(b)所示處理條件，在AlN薄膜12上，形成作為緩沖層的GaN緩沖層14(見圖3(a))。
GaN緩沖層14是夾在形成于GaN緩沖層14下的AlN薄膜12和形成于GaN緩沖層14上的AlN薄膜12之間的緩沖屬，由于相對于襯底材料(6H-SiC(0001))(見圖5)的晶格錯配，在GaN緩沖層14中觀察到位錯密度為約109-1010cm-2的螺形位錯。
然后，在AlN薄膜12上形成了GaN緩沖層14(見圖3(a))后，根據(jù)圖4(c)所示處理條件，在時間T1(見圖5)，在GaN緩沖層14的表面14a上，供應(yīng)TESi(用作GaN的n型雜質(zhì)材料的金屬)(見圖3(b))。
這種情況下，如上所述，螺形位錯出現(xiàn)在GaN緩沖層14中，因此，在螺形位錯出現(xiàn)在GaN緩沖層14的表面14a上的位置，原子間隙擴大。
由于如上所述在螺形位錯出現(xiàn)在GaN緩沖層14的表面14a上的位置(下文稱為“位錯核心位置”)，原子間隙擴大幅度是據(jù)記載的位錯核心結(jié)構(gòu)的8倍，所以可以認為這種尺寸是所供應(yīng)的TESi中的Si在此容易被吸收的尺寸(可以與之結(jié)合)。
當(dāng)在這種情況下在GaN緩沖層14的表面14a上供應(yīng)TESi時，所供應(yīng)的TESi中的Si在GaN緩沖層14的表面14a的位錯核心位置處被吸收(見圖3(c))，因而GaN緩沖層14的表面14a發(fā)生原子級重組。
這種GaN緩沖層14的表面14a的原子級重組是由TESi中的Si引起的，當(dāng)GaN緩沖層14的表面14a發(fā)生原子級重組時，抑制了形成于GaN緩沖層14的表面14a上的GaN層18中結(jié)構(gòu)缺陷特別是螺形位錯的出現(xiàn)，所以可以降低缺陷密度，特別是位錯密度。
本說明書中，例如上述的TESi等材料稱作“結(jié)構(gòu)缺陷抑制材料”，該材料能使其上將被供應(yīng)TESi的材料層的表面發(fā)生原子級重組，以抑制已被供應(yīng)了TESi的材料層上將形成的另一材料層中的例如螺形位錯等結(jié)構(gòu)缺陷，從而降低這種位錯密度等缺陷密度。
在從時間T1開始后一定時間周期t1(見圖5)過去后，在時間T2(見圖5)，完成向GaN緩沖層14的表面14a的TESi供應(yīng)，同時，根據(jù)圖4(d)所示處理條件，開始供應(yīng)三乙基鎵(TMG)和氨(NH3)，從而通過借助于在GaN緩沖層14上供應(yīng)TESi處理過的界面(見圖6)，形成GaN層18(見圖3(c)和3(d))。
然后，在從T2開始后一定時間周期t2(見圖5)后，在時間T3(見圖5)，完成三甲基鎵(TMG)和氨(NH3)的供應(yīng)結(jié)果，在所形成的GaN層18(1nm膜厚)中觀察到位錯密度僅為106cm-2數(shù)量級的螺形位(見圖6)。
即，大量螺形位錯(109-1010cm-2數(shù)量級的位錯密度)出現(xiàn)在作為緩沖層的GaN緩沖層14中，同時明顯降低了通過借助于在GaN緩沖層14上供應(yīng)TESi處理過的界面形成的GaN層18中的螺形位錯密度(位錯密度為106cm-2數(shù)量級)(見圖6)。
如上所述，由于在根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體層形成方法的第一實施例中，供應(yīng)作為結(jié)構(gòu)缺陷抑制材料的TESi，所以通過TESi中的Si，作為緩沖層的GaN緩沖層14的表面14a發(fā)生原子級重組，所以可以明顯降低作為半導(dǎo)體層的GaN層18中的結(jié)構(gòu)缺陷的缺陷密度，特別是螺形位錯的位錯密度。
另外，根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體層形成方法的第一實施例，只要進行供應(yīng)一定量的作為結(jié)構(gòu)缺陷抑制材料的TESi的這種極簡單處理，便足以抑制結(jié)構(gòu)缺陷的發(fā)生，所以不需要采用例如在ELO工藝中形成掩模的腐蝕等各種復(fù)雜過程。因此，根據(jù)本發(fā)明的第一實施例，可以減少操作時間，并可以降低制造成本。
應(yīng)注意，由于所供應(yīng)的作為結(jié)構(gòu)缺陷抑制材料的TESi是用作GaN的n型雜質(zhì)材料的金屬，所以在形成GaN層18作半導(dǎo)體層時，TESi不會成為使所得半導(dǎo)體層質(zhì)量退化的材料。所以可以容易地供應(yīng)TESi。
另外，根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體層形成方法的第一實施例，TESi中作為結(jié)構(gòu)缺陷抑制材料的Si在GaN緩沖層14的表面14a上被吸收，從而使GaN緩沖層14的表面14a發(fā)生原子級重組，然后，形成GaN層18。因此，由于可以應(yīng)用于器件等的GaN薄膜的領(lǐng)域不受限制，在GaN層18中，不存在容易出現(xiàn)ELO工藝中產(chǎn)生的螺形位的邊界部分(圖2(b)中虛線所示部分)等部分，所以可以得到容易工業(yè)利用的GaN薄膜。
下面分別參照圖7(a)和7(b)介紹根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體層形成方法的第二實施例。
圖7(a)示意示出了根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體層形成方法的第二實施例，形成GaN薄膜作為半導(dǎo)體層的狀態(tài)，圖7(b)示出了根據(jù)MOCVD工藝形成圖7(a)所示薄膜結(jié)構(gòu)時的處理條件。
比較根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體層形成方法的第二實施例與根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體層形成方法的第一實施例，在本發(fā)明半導(dǎo)體層形成方法的上述第一實施例中，僅形成一層半導(dǎo)體層(GaN層18)(見圖3(d))，而在本發(fā)明半導(dǎo)體層形成方法的第二實施例中，可以通過層疊多層形成多個半導(dǎo)體層。
更具體說，在像本發(fā)明半導(dǎo)體層形成方法的第一實施例中一樣形成的作為半導(dǎo)體層的GaN層18的表面上，再層疊一層作為半導(dǎo)體層的GaN層20。
因此，由于在作為襯底的6H-SiC(0001)襯底10上形成AlN(氮化鋁)薄膜12作為緩沖層、然后在AlN薄膜12上形成GaN緩沖層14作為另一緩沖層(見圖3(a))、然后在GaN緩沖層14的表面14a上供應(yīng)TESi(見圖3(b))、并形成另一GaN層18(見圖3(c)和3(d))的過程中，處理條件等(見圖4(a)-4(d))與在上述本發(fā)明半導(dǎo)體形成方法的第一實施例中操作方法的介紹中介紹的相同，所以可以援引相應(yīng)的介紹，省略了對其的具體介紹。
即，明顯降低了圖4(a)-4(d)所示處理條下形成的GaN層18中的結(jié)構(gòu)缺陷的缺陷密度，特別是螺形位錯的位錯密度。形成了GaN層18(圖3(d)所示狀態(tài))后，根據(jù)圖7(b-1)所示處理條件，在時間T1，向GaN層18的表面供應(yīng)為GaN的n型雜質(zhì)材料的金屬的TESi(見圖5)。
在從時間T1開始后一定時間周期t1后(見圖5)，在時間T2(見圖5)，完成在GaN緩沖層14的表面14a上的TESi供應(yīng)，同時，根據(jù)圖7(b-2)所示處理條件，開始供應(yīng)三甲基鎵(TMG)和氨(NH3)，從而通過借助于在GaN層18上供應(yīng)TESi處理過的界面形成GaN層20(見圖7(a))。
還是在如上所述形成的GaN層20(膜厚1nm)中，與GaN層18的情況一樣，通過上述作為結(jié)構(gòu)缺陷抑制材料的TESi的作用，也可以明顯降低結(jié)構(gòu)缺陷的缺陷密度，特別是螺形位錯的位錯密度。
即，根據(jù)本發(fā)明半導(dǎo)體層形成方法的第二實施例，在所形成的半導(dǎo)體層(GaN層18)表面上，重復(fù)結(jié)構(gòu)缺陷抑制材料(TESi)的供應(yīng)和三甲基鎵(TMG)和氨(NH3)的供應(yīng)，可以層疊作為半導(dǎo)體層的多個GaN層18和GaN層20。
下面參照圖8(a)和8(b)介紹本發(fā)明半導(dǎo)體層形成方法的第三實施例。
圖8(a-1)和8(a-2)示意性示出了根據(jù)本發(fā)明半導(dǎo)體層形成方法的第三實施例，按時間順序形成作為半導(dǎo)體層的GaN薄膜的每種狀態(tài)。第三實施例中圖8(a-1)所示狀態(tài)將變到圖8(b-2)所示的狀態(tài)。
應(yīng)注意，圖8(a-1)所示狀態(tài)對應(yīng)于圖3(b)所示狀態(tài)，圖8(a-2)所示狀態(tài)對應(yīng)于圖3(d)所示狀態(tài)。
另外，根據(jù)MOCVD工藝形成圖8(a-2)所示薄膜結(jié)構(gòu)時的處理條件示于圖8(b)。
比較根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體層形成方法的第三實施例與根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體層形成方法的第一實施例，在本發(fā)明半導(dǎo)體層形成方法的上述第一實施例中，僅在GaN緩沖層14的表面14a上供應(yīng)TESi(見圖3(b)和圖4(c))，而在本發(fā)明半導(dǎo)體層形成方法的第三實施例中，在GaN緩沖層14的表面14a上供應(yīng)TESi，還在其上施加光束。
更具體說，在與本發(fā)明半導(dǎo)體層形成方法的第一實施例情況相同形成的作為緩沖層的GaN緩沖層14的表面14a上供應(yīng)TESi，還由汞燈在其上施加光束。
因此，由于在作為襯底的6H-SiC(0001)襯底10上形成AlN(氮化鋁)薄膜12作緩沖層、及然后在AlN薄膜12上形成GaN緩沖層14作另一緩沖層(見圖3(a))的過程中，處理條件等(見圖4(a)和4(b))與本發(fā)明半導(dǎo)體層形成方法的上述第一實施例操作過程的介紹中所介紹的相同，所以可以援引相應(yīng)的介紹，而省略具體介紹。
即，根據(jù)圖8(b)所示的處理條件，在時間T1(見圖5)，在根據(jù)圖4(a)和4(b)所示處理條件形成的GaN緩沖層14(見圖3(a))的表面上供應(yīng)TESi(見圖8(a-1))。
這種情況下，在供應(yīng)TESi的同時，以0.1pJ/cm3的強度，從汞燈對GaN緩沖層14的表面14a連續(xù)輸出光束，于是由于從汞燈施加光束，促進了GaN緩沖層14的表面14a上TESi中的Si的表面擴散。
為此，TESi中的Si在GaN緩沖層14的表面上14a上位錯核心位置容易被吸收，所以進一步促進了GaN緩沖層14的表面14a的原子級重組。
在從時間T1(見圖5)后一定時間周期t1(見圖5)后的時間T2，完成在GaN緩沖層14的表面14a上TESi的供應(yīng)，同時，根據(jù)圖4(d)所示處理條件，開始供應(yīng)三甲基鎵(TMG)和氨(NH3)，從而通過借助于在從汞燈施加光束的條件下(見圖8(a-2))在GaN緩沖層14上供應(yīng)TESi處理過的界面(見圖8(a-2))形成GaN層18。
在如上所述形成的GaN層18(膜厚1nm)中，由于為上述結(jié)構(gòu)缺陷抑制材料的TESi的作用，明顯降低了結(jié)構(gòu)缺陷的缺陷密度，特別是螺形位錯的位錯密度。
即，根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體層形成方法的第三實施例，除了在供應(yīng)作為結(jié)構(gòu)缺陷抑制材料的TESi的基礎(chǔ)上利用汞燈施加光束的結(jié)果之外，通過供應(yīng)作為結(jié)構(gòu)缺陷抑制材料的TESi，可以明顯降低作為半導(dǎo)體層的GaN層18中的結(jié)構(gòu)缺陷的缺陷密度，特別是螺形位錯的位錯密度，促進了GaN緩沖層14的表面14a上TESi中的Si的表面擴散，所以TESi中的Si在GaN緩沖層14的表面14a上的位錯核心位置容易被吸收，因而進一步促進了GaN緩沖層14的表面14a的原子級重組。
下面參考圖9(a)和9(b)介紹根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體層形成方法的第四實施例。
圖9(a-1)和9(a-2)示意性示出了根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體層形成方法的第四實施例，按時間順序形成作為半導(dǎo)體層的GaN薄膜的每種狀態(tài)。第四實施例中，圖9(a-1)所示狀態(tài)將變到圖9(a-2)所示狀態(tài)。
應(yīng)注意，圖9(a-1)所示狀態(tài)對應(yīng)于圖3(b)所示狀態(tài)，圖9(a-2)所示狀態(tài)對應(yīng)于圖3(d)所示狀態(tài)。
另外，根據(jù)MOCVD工藝形成圖9(a-2)所示薄膜結(jié)構(gòu)時的處理條件示于圖9(b)。
比較根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體層形成方法的第四實施例與根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體層形成方法的第一實施例，在本發(fā)明半導(dǎo)體層形成方法的上述第一實施例中，僅在GaN緩沖層14的表面14a上供應(yīng)TESi(見圖3(b)和圖4(c))，而在本發(fā)明半導(dǎo)體層形成方法的第四實施例中，可以在GaN緩沖層14的表面14a上同時供應(yīng)TESi及其它類型的結(jié)構(gòu)缺陷抑制材料。
更具體說，在與本發(fā)明半導(dǎo)體層形成方法的第一實施例情況類似形成的作為緩沖層的GaN緩沖層14的表面上供應(yīng)TESi，還在其上供應(yīng)TMIn。
因此，由于在作為襯底的6H-SiC(0001)襯底10上形成AlN(氮化鋁)薄膜12作緩沖層、及然后在AlN薄膜12上形成GaN緩沖層14作另一緩沖層(見圖3(a))的過程中，處理條件等(見圖4(a)和4(b))與本發(fā)明半導(dǎo)體層形成方法的上述第一實施例操作過程的介紹中所介紹的相同，所以可以援引相應(yīng)的介紹，而省略具體介紹。
即，根據(jù)圖9(b)所示的處理條件，在時間T1(見圖5)，在根據(jù)圖4(a)和4(b)所示處理條件形成的GaN緩沖層14(見圖3A(a))的表面上供應(yīng)TESi(見圖7(a-1))。
這種情況下，在GaN緩沖層14的表面14a上供應(yīng)TESi的同時，供應(yīng)TMIn，于是由于供應(yīng)TMIn中的In，促進了GaN緩沖層14的表面14a上TESi中的Si的表面擴散。
為此，TESi中的Si在GaN緩沖層14的表面上14a上位錯核心位置容易被吸收，所以進一步促進了GaN緩沖層14的表面14a的原子級重組。
在從時間T1(見圖5)后一定時間周期t1(見圖5)后的時間T2(見圖5)，完成在GaN緩沖層14的表面14a上TESi的供應(yīng)，同時，根據(jù)圖4(d)所示處理條件，開始供應(yīng)三甲基鎵(TMG)和氨(NH3)，從而通過借助于在GaN緩沖層14上供應(yīng)TESi及TMIn(見圖7(a-2))處理過的界面(見圖9(a-2))形成GaN層18。
在如上所述形成的GaN層18(膜厚1nm)中，由于為上述結(jié)構(gòu)缺陷抑制材料的TESi的作用，明顯降低了結(jié)構(gòu)缺陷的缺陷密度，特別是螺形位錯的位錯密度。
即，根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體層形成方法的第四實施例，除了在供應(yīng)作為結(jié)構(gòu)缺陷抑制材料的TESi的基礎(chǔ)上還供應(yīng)TMIn的結(jié)果之外，通過供應(yīng)作為結(jié)構(gòu)缺陷抑制材料的TESi，可以明顯降低作為半導(dǎo)體層的GaN層18中的結(jié)構(gòu)缺陷的缺陷密度，特別是螺形位錯的位錯密度，促進了GaN緩沖層14的表面14a上TESi中的Si的表面擴散，所以TESi中的Si在GaN緩沖層14的表面14a上的位錯核心位置容易被吸收，因而進一步促進了GaN緩沖層14的表面14a的原子級重組。
下面參考圖10(a)和10(b)介紹根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體層形成方法的第五實施例。
圖10(a)是說明根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體層形成方法的第五實施例，供應(yīng)TESi及供應(yīng)用于形成作為半導(dǎo)體層的GaN薄膜的氣體的時序的說明性圖表，圖10(b)示意性示出了根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體層形成方法的第五實施例，形成GaN薄膜作為半導(dǎo)體層的狀態(tài)。
比較本發(fā)明半導(dǎo)體層形成方法的第五實施例與本發(fā)明半導(dǎo)體層形成方法的第一實施例，在根據(jù)本發(fā)明半導(dǎo)體層形成方法的第一實施例中，以不同于供應(yīng)用于形成GaN層18的三甲基鎵(TMG)和氨(NH3)的時序供應(yīng)TESi(見圖5)，而在本發(fā)明半導(dǎo)體層形成方法的第五實施例中，以與供應(yīng)用于形成GaN層18的三甲基鎵(TMG)和氨(NH3)相同的時序供應(yīng)TESi。
由于在作為襯底的6H-SiC(0001)襯底10上形成AlN(氮化鋁)薄膜12作緩沖層、及然后在AlN薄膜12上形成GaN緩沖層14作另一緩沖層(見圖3(a))的過程中，處理條件等(見圖4(a)和4(b))與本發(fā)明半導(dǎo)體層形成方法的上述第一實施例操作過程的介紹中所介紹的相同，所以可以援引相應(yīng)的介紹，而省略具體介紹。
更具體說，在本發(fā)明的半導(dǎo)體層形成方法的第一實施例中，如上所述，供應(yīng)TESi起點(見圖5中的時間T1)與供應(yīng)用于形成GaN層18的三甲基鎵(TMG)和氨(NH3)的時序不同，所以不存在以相同時序供應(yīng)作為結(jié)構(gòu)缺陷抑制材料的TESi和形成GaN層18的三甲基鎵(TMG)和氨(NH3)的情況。
另一方面，在本發(fā)明的半導(dǎo)體層形成方法的第五實施例中，根據(jù)圖4(c)所示處理條件，在時間T1，開始在GaN緩沖層14的表面14a上供應(yīng)TESi(見圖10(a))，同時根據(jù)圖4(d)所示處理條件，開始供應(yīng)用于形成GaN層18的三甲基鎵(TMG)和氨(NH3)。
在時間T1(見圖10(a))后一定時間周期t1(見圖10(a))后的時間T2(見圖10(a))，結(jié)束在GaN緩沖層14的表面14a上供應(yīng)TESi。
一方面，在從時間T1(圖10(a))后一定時間周期t2(圖10(a))后的時間T4(圖10(a))，結(jié)束用于形成GaN層18的三甲基鎵(TMG)和氨(NH3)的供應(yīng)。
這樣，以相同的時序，在GaN緩沖層14的表面14a上供應(yīng)TESi及用于形成CaN層18的三甲基鎵(TMG)和氨(NH3)。
結(jié)果，在從時間T1延至?xí)r間T2的一定時間周期t1期間，供應(yīng)TESi及用于形成GaN層18的三甲基鎵(TMG)和氨(NH3)，于是形成含TESi的TESi供應(yīng)層16。
另外，在從結(jié)束TESi的供應(yīng)時的時間T2到時間T4間的時間周期內(nèi)，供應(yīng)用于形成GaN層的三甲基鎵(TMG)和氨(NH3)，于是在TESi供應(yīng)層16的表面上形成GaN層18(見圖10(c))。
在如上所述形成的GaN層18(膜厚1nm)中，由于為上述結(jié)構(gòu)缺陷抑制材料的TESi的作用，明顯降低了結(jié)構(gòu)缺陷的缺陷密度，特別是螺形位錯的位錯密度。
即，根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體層形成方法的第五實施例，通過同時供應(yīng)作為結(jié)構(gòu)缺陷抑制材料的TESi與用于形成作為半導(dǎo)體層的GaN層18的三甲基鎵(TMG)和氨(NH3)，可以明顯降低作為半導(dǎo)體層的GaN層18中的結(jié)構(gòu)缺陷的缺陷密度，特別是螺形位錯的位錯密度。
下面參考圖11(a)介紹根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體層形成方法的第六實施例。
圖11(a)示意性示出了根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體層形成方法的第六實施例，形成GaN薄膜作為半導(dǎo)體層的狀態(tài)。
比較本發(fā)明半導(dǎo)體層形成方法的第六實施例與本發(fā)明半導(dǎo)體層形成方法的第五實施例，在根據(jù)本發(fā)明半導(dǎo)體層形成方法的上述第五實施例中，TESi供應(yīng)層16和GaN層18只形成單層，而在本發(fā)明半導(dǎo)體層形成方法的第六實施例中，通過分別層疊這樣的多層，可以形成多層TESi供應(yīng)層16和GaN層18。
由于在作為襯底的6H-SiC(0001)襯底10上形成AlN(氮化鋁)薄膜12作緩沖層、然后在AlN薄膜12上形成GaN緩沖層14作另一緩沖層、然后在GaN緩沖層14的表面14a上形成TESi供應(yīng)層16和GaN層18的過程中，處理條件等(見圖4(a)-4(d))與本發(fā)明半導(dǎo)體層形成方法的上述第五實施例操作過程的介紹中所介紹的相同，所以可以援引相應(yīng)的介紹，而省略具體介紹。
根據(jù)圖7(b-1)所示的處理條件，在時間T1(見圖10(a))，開始在GaN緩沖層18的表面上供應(yīng)TESi，同時，根據(jù)圖7(b-2)所示處理條件，開始供應(yīng)用于形成GaN層18’的三甲基鎵(TMG)和氨(NH3)。
在從時間T1(見圖10(a))后的一定時間周期t1(見圖10(a))的時間T2(見圖10(a))，結(jié)束在GaN緩沖層14的表面14a上的TESi的供應(yīng)。
一方面，在從時間T1(圖10(a))后一定時間周期t2(圖10(a))后的時間T4(圖10(a))，結(jié)束用于形成GaN層18’的三甲基鎵(TMG)和氨(NH3)的供應(yīng)。
結(jié)果，在GaN層18的表面上形成TESi供應(yīng)層16’，并在TESi供應(yīng)層16’的表面上形成GaN層18’(見圖11(a))。
在如上所述形成的GaN層18’(膜厚1nm)中，由于為上述結(jié)構(gòu)缺陷抑制材料的TESi的作用，明顯降低了結(jié)構(gòu)缺陷的缺陷密度，特別是螺形位錯的位錯密度。
即，根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體層形成方法的第六實施例，在所形成的半導(dǎo)體層(GaN層18)的表面上，重復(fù)供應(yīng)結(jié)構(gòu)缺陷抑制材料(TESi)和三甲基鎵(TMG)和氨(NH3)，可以層疊多層作為半導(dǎo)體層的GaN層18和GaN層18’。
下面參考圖11(b)介紹根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體層形成方法的第七實施例。
圖11(b-1)和11(b-2)示意性示出了根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體層形成方法的第七實施例，按時間順序形成GaN薄膜作為半導(dǎo)體層的每種狀態(tài)。在第七實施例中，圖11(b-1)所示狀態(tài)將變到圖11(b-2)所示狀態(tài)。
比較本發(fā)明半導(dǎo)體層形成方法的第七實施例與本發(fā)明半導(dǎo)體層形成方法的第五實施例，在根據(jù)本發(fā)明半導(dǎo)體層形成方法的上述第五實施例中，同時在GaN緩沖層14的表面14a上供應(yīng)TESi及用于形成GaN層18的三甲基鎵(TMG)和氨(NH3)，而在本發(fā)明半導(dǎo)體層形成方法的第七實施例中，除還在其上施加光束外，同時在GaN緩沖層14的表面14a上供應(yīng)TESi及用于形成GaN層18的三甲基鎵(TMG)和氨(NH3)。
更具體說，除由汞燈在其上施加光束外，在與本發(fā)明的半導(dǎo)體層形成方法的第一實施例相同形成的作為緩沖層的GaN緩沖層14的表面14a上供應(yīng)TESi及用于形成GaN層18的三甲基鎵(TMG)和氨(NH3)。
因此，由于在作為襯底的6H-SiC(0001)襯底10上形成AlN(氮化鋁)薄膜12作緩沖層、然后在AlN薄膜12上形成GaN緩沖層14作另一緩沖層(見圖3(a))的過程中，處理條件等(見圖4(a)和4(b))與本發(fā)明半導(dǎo)體層形成方法的上述第一實施例操作過程的介紹中所介紹的相同，所以可以援引相應(yīng)的介紹，而省略具體介紹。
即，在根據(jù)圖8(b)所示處理條件，在時間T1(見圖10(a))，開始在GaN緩沖層14的表面上供應(yīng)TESi(見圖3(a))，同時根據(jù)圖4(d)所示處理條件，開始供應(yīng)用于形成GaN層18的三甲基鎵(TMG)和氨(NH3)。
這種情況下，在供應(yīng)TESi及用于形成GaN層18的三甲基鎵(TMG)和氨(NH3)的同時，以0.1pJ/cm2的強度，從汞燈對GaN緩沖層14的表面14a連續(xù)輸出光束，于是由于從汞燈施加光束，促進了GaN緩沖層14的表面14a上TESi中的Si的表面擴散。
為此，TESi中的Si在GaN緩沖層14的表面上14a上位錯核心位置容易被吸收，所以進一步促進了GaN緩沖層14的表面14a的原子級重組。
在從時間T1(見圖10(a))后一定時間周期t1(見圖10(a))后的時間T2(見圖10(a)，結(jié)束在GaN緩沖層14的表面14a上TESi的供應(yīng)。
另一方面，從時間T1(見圖10(a))后一定時間周期t2(見圖10(a))后的時間T4(見圖10(a))，結(jié)束用于形成GaN層18的三甲基鎵(TMG)和氨(NH3)的供應(yīng)。
在如上所述形成的GaN層18(膜厚1nm)中，由于為上述結(jié)構(gòu)缺陷抑制材料的TESi的作用，明顯降低了結(jié)構(gòu)缺陷的缺陷密度，特別是螺形位錯的位錯密度。
即，根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體層形成方法的第七實施例，除了在同時供應(yīng)作為結(jié)構(gòu)缺陷抑制材料的TESi和用于形成GaN層18的三甲基鎵(TMG)和氨(NH3)的基礎(chǔ)上利用汞燈施加光束的結(jié)果之外，通過同時供應(yīng)作為結(jié)構(gòu)缺陷抑制材料的TESi和用于形成GaN層18的三甲基鎵(TMG)和氨(NH3)，可以明顯降低作為半導(dǎo)體層的GaN層18中的結(jié)構(gòu)缺陷的缺陷密度，特別是螺形位錯的位錯密度，促進了GaN緩沖層14的表面14a上TESi中的Si的表面擴散，所以TESi中的Si在GaN緩沖層14的表面14a上的位錯核心位置容易被吸收，因而進一步促進了GaN緩沖層14的表面14a的原子級重組下面參考圖11(c)介紹根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體層形成方法的第八實施例。
圖11(c-1)和11(c-2)示意性示出了根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體層形成方法的第八實施例，按時間順序形成GaN薄膜作為半導(dǎo)體層的每種狀態(tài)。在第八實施例中，圖11(c-1)所示狀態(tài)將變到圖11(c-2)所示狀態(tài)。
比較本發(fā)明半導(dǎo)體層形成方法的第八實施例與本發(fā)明半導(dǎo)體層形成方法的第七實施例，在根據(jù)本發(fā)明半導(dǎo)體層形成方法的上述第七實施例中，同時在GaN緩沖層14的表面14a上供應(yīng)TESi及用于形成GaN層18的三甲基鎵(TMG)和氨(NH3)，而在本發(fā)明半導(dǎo)體層形成方法的第八實施例中，除還在其上供應(yīng)另一種結(jié)構(gòu)缺陷抑制材料外，同時在GaN緩沖層14的表面14a上供應(yīng)TESi及用于形成GaN層18的三甲基鎵(TMG)和氨(NH3)。
更具體說，除還在其上供應(yīng)TMIn外，在與本發(fā)明的半導(dǎo)體層形成方法的第一實施例相同形成的作為緩沖層的GaN緩沖層14的表面14a上供應(yīng)TESi及用于形成GaN層18的三甲基鎵(TMG)和氨(NH3)。
因此，由于在作為襯底的6H-SiC(0001)襯底10上形成AlN(氮化鋁)薄膜12作緩沖層、然后在AlN薄膜12上形成GaN緩沖層14作另一緩沖層的過程中，處理條件等(見圖4(a)和4(b))與本發(fā)明半導(dǎo)體層形成方法的上述第一實施例操作過程的介紹中所介紹的相同，所以可以援引相應(yīng)的介紹，而省略具體介紹。
即，在根據(jù)圖9(b)所示處理條件，在時間T1(見圖10(a))，在根據(jù)圖4(a)和4(b)所示處理條件形成的GaN緩沖層14(見圖3(a))的表面上開始供應(yīng)TESi和TMIn，同時，根據(jù)圖4(d)所示處理條件，開始在其上供應(yīng)用于形成GaN層18的三甲基鎵(TMG)和氨(NH3)。
這種情況下，在GaN緩沖層14的表面14a上供應(yīng)TMIn和TESi及用于形成GaN層18的三甲基鎵(TMG)和氨(NH3)，于是，促進了GaN緩沖層14的表面14a上TMIn中的In的表面擴散。
為此，TESi中的Si在GaN緩沖層14的表面上14a上位錯核心位置容易被吸收，所以進一步促進了GaN緩沖層14的表面14a的原子級重組。
在從時間T1(見圖10(a))后一定時間周期t1(見圖10(a))后的時間T2(見圖10(a))，結(jié)束在GaN緩沖層14的表面14a上TESi和TMIn的供應(yīng)。
另一方面，從時間T1(見圖10(a))后一定時間周期t2(見圖10(a))后的時間T4(見圖10(a))，結(jié)束用于形成GaN層18的三甲基鎵(TMG)和氨(NH3)的供應(yīng)。
在如上所述形成的GaN層18(膜厚1nm)中，由于為上述結(jié)構(gòu)缺陷抑制材料的TESi的作用，明顯降低了結(jié)構(gòu)缺陷的缺陷密度，特別是螺形位錯的位錯密度。
即，根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體層形成方法的第八實施例，除作為在同時供應(yīng)作為結(jié)構(gòu)缺陷抑制材料的TESi與用于形成GaN層18的三甲基鎵(TMG)和氨(NH3)之外還供應(yīng)TMIn的結(jié)果外，通過同時供應(yīng)作為結(jié)構(gòu)缺陷抑制材料的TESi和用于形成GaN層18的三甲基鎵(TMG)和氨(NH3)，可以明顯降低作為半導(dǎo)體層的GaN層18中的結(jié)構(gòu)缺陷的缺陷密度，特別是螺形位錯的位錯密度，促進了GaN緩沖層14的表面14a上TESi中的Si的表面擴散，所以TESi中的Si在GaN緩沖層14的表面14a上的位錯核心位置容易被吸收，因而進一步促進了GaN緩沖層14的表面14a的原子級重組。
應(yīng)注意上述各實施例可如做以下段落(1)-(10)所介紹的那樣改進。
(1)盡管在上述實施例中已生長了1nm膜厚的GaN層18形成GaN薄膜，但本發(fā)明不限于此，當(dāng)然可以改進各處理條件，例如可以改變生長時間周期，從而使GaN層18形成厚膜或體膜。
(2)在上述實施例中，作為緩沖層的GaN緩沖層14和作為半導(dǎo)體層的GaN層18都是GaN層，換言之，緩沖層和半導(dǎo)體層由同質(zhì)材料構(gòu)成。然而，本發(fā)明不限于此，緩沖層和半導(dǎo)體層當(dāng)然可由異質(zhì)材料構(gòu)成。例如形成AlGaN層作為緩沖層，形成GaN層18作為半導(dǎo)體層是合適的。
(3)盡管上述實施例中采有MOCVD法作為制備薄膜的方法，但本發(fā)明不限于此，可以采用各種薄膜制備技術(shù)，例如可以是除MOCVD之外的薄膜制備技術(shù)，如圖12(a)所示，例如可以是MBE(分子束外延)、CBE(化學(xué)束外延)、HAVPE(鹵化物汽相外延)、GSMBE(氣體源分子束外延)、MOMBE(金屬有機MBE)、LPE(液相外延)、CVD(化學(xué)汽相淀積)、濺射和真空淀積工藝。
例如，在采用GSMBE工藝時，根據(jù)圖13所示處理條件形成GaN薄膜，而在制薄膜的另一工藝中，可以根據(jù)相應(yīng)薄膜制備工藝改變處理條件等。
(4)盡管在上述實施例中，采用了6H-SiC(0001)作襯底。采用了TESi中的Si作結(jié)構(gòu)缺陷抑制材料，將形成的其中的結(jié)構(gòu)缺陷被減少的半導(dǎo)體層為GaN層，但本發(fā)明不限于此，作為襯底，當(dāng)然可以采用碳化硅襯底(6H-SiC襯底，4H-SiC襯底)、碳化硅和硅的層疊襯底(SiC/Si襯底)、硅襯底(Si襯底)、藍寶石襯底(Al2O3襯底)、氧化鋅和藍寶石的層疊襯底(ZnO/Al2O3襯底)、鍺襯底(Ge襯底)、砷化鎵襯底(GaAs襯底)、砷化銦襯底(InAs襯底)、磷化鎵襯底(GaP襯底)、磷化銦襯底(InP襯底)、或尖晶石襯底(MgAl2O3，LiGaO2襯底)(見圖12(b))。關(guān)于結(jié)構(gòu)缺陷抑制材料，可以采用Ⅰ-A族的H(氫)；Ⅱ-A族的Be(鈹)或Mg(鎂)；Ⅲ-B族的Al(鋁)、Ga(鎵)、或In(銦)；Ⅳ-B族的C(碳)、Si(硅)、Ge(鍺)、或Sn(錫)；N(氮)、P(磷)、As(砷)或Sb(銻)；或元素周期表中Ⅴ-B族的O(氧)、S(硫)、Se(硒)、或Te(碲)(見圖12(c))。將要形成的其中減少了結(jié)構(gòu)缺陷的半導(dǎo)體層可以是Ⅳ族的半導(dǎo)體C(金剛石)、Si(硅)、Ge(鍺)、SiC、SiGe或SiCGe層；Ⅲ-Ⅴ族的二元系半導(dǎo)體層BN、AlN、GaN、InN、BP、AlP、GaP、InP、BAs、AlAs、GaAs或InAs；Ⅲ-Ⅴ族的三元系混晶半導(dǎo)體BAlN、BGaN、BInN、AlGaN、AlInN、GaInN、BAlP、BGaP、BInP、AlGaP、AlInP、GaInP、BAlAs、BGaAs、BInAs、AlGaAs、AlInAs、GaInAs、BNP、BNAs、BPAs、AlNP、AlNAs、AlPAs、GaNP、GaNAs、GaPAs、InNP、InNAs或InPAs；Ⅲ-Ⅴ族的四元系混晶半導(dǎo)體BAlGaN、BAlInN、BGaInN、AlGaInN、BAlGaP、BAlInP、BGaInP、AlGaInP、BAlGaAs、BAlInAs、BGaInAs、AlGaInAs、BAlNP、BGaNP、BInNP、AlGaNP、AlInNP、GaInNP、BAlNAs、BGaNAs、BInNAs、AlGaNAs、AlInNAs、GaInNAs、BAlPAs、BGaPAs、BInPAs、AlGaPAs、AlInPAs、GaInPAs、BNPAs、AlNPAs、GaNPAs或InNPAs；元素周期表中Ⅱ-Ⅵ族的半導(dǎo)體層ZnO、ZnS、ZnSe、ZnTe、CdO、CdS、CdSe、CdTe、ZnCdO、ZnCdS、ZnCdSe、ZnCdTe、ZnOS、ZnOSe、ZnOTe、ZnSSe、ZnSTe、ZnSeTe、CdOS、CdOSe、CdOTe、CdSSe、CdSTe、CdSeTe、ZnCdOS、ZnCdOSe、ZnCdOTe、ZnCdSSe、ZnCdSTe、ZnCdSeTe、ZnOSSe、ZnOSTe、ZnOSeTe、ZnSSeTe、CdOSSe、CdOSTe、CdOSeTe或CdSSeTe(見圖12(d))。
這種情況下，可以根據(jù)要形成的半導(dǎo)體層供應(yīng)形成半導(dǎo)體層的材料。
(5)盡管在根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體層形成方法的上述各實施例中，將要形成的其中減少了結(jié)構(gòu)缺陷的半導(dǎo)體層是由三甲基鎵(TMG)或氨(NH3)制備的GaN層，但本發(fā)明不限于此，當(dāng)然可以是由固態(tài)鎵(Ga)、三甲基鎵(TMG)或三乙基鎵(TEG)、和氮原子團、氨(NH3)、一甲基肼(MMHy)或二甲基肼(DMHy)制備的GaN層；和由固態(tài)鎵(Ga)、三甲基鎵(TMG)或三乙基鎵(TEG)和固態(tài)鋁(Al)、三甲基鋁(TMA)、三乙基鋁(TEA)、三甲基胺礬(TMAAl)、二甲基乙基胺礬(DMEAAl)、或三異丁基鋁(TTBAl)、及氮原子團、氨(NH3)、一甲基肼(MMHy)或二甲基肼(DMHy)形成的AlGaN層；或由固態(tài)鋁(Al)、三甲基鋁(TMA)、三乙基鋁(TEA)、三甲基胺礬(TMAAl)、二甲基乙基胺礬(DMEAAl)、或三異丁基鋁(TIBAl)、及氮原子團、氨(NH3)、一甲基肼(MMHy)或二甲基肼(DMHy)形成的AlN層(見圖14(a))。
(6)盡管根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體層形成方法的上述各實施例中，可以采用四乙基硅烷(TESi)供應(yīng)作為結(jié)構(gòu)缺陷抑制材料的Si，但本發(fā)明不限于此，當(dāng)然可以采用固態(tài)硅(Si)、硅烷(SiH4)、乙硅烷(Si2H6)、甲基硅烷(CH3SiH3)、二甲基硅烷((CH3)2SiH2)、二乙基硅烷((C2H5)2SiH2)、三甲基硅烷((CH3)3SiH)、三乙基硅烷((C2H5)3SiH)、或四甲基硅烷(TMSi)供應(yīng)Si(見圖14(b))。
(7)盡管根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體層形成方法的上述第二和第六實施例中，可以在作為半導(dǎo)體層的GaN層18的表面上僅層疊一層GaN層18’或20(見圖7(a)和圖11(a))，但本發(fā)明不限于此，當(dāng)然可以在作為半導(dǎo)體層的GaN層18的表面上層疊兩層或多層半導(dǎo)體層。
(8)盡管根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體層形成方法的上述第三和第七實施例中，可以在GaN緩沖層14的表面14a上供應(yīng)TESi，同時利用汞燈在其上輸出光束(見圖8和圖11(b))，但本發(fā)明不限于此，當(dāng)然，當(dāng)在GaN緩沖層14的表面14a上供應(yīng)結(jié)構(gòu)缺陷抑制材料時，可以利用激光(波長為100nm-10微米，例如準(zhǔn)分子激光器，He-Cd激光器，Ar激光器，Kr激光器，He-Ne激光器，N2激光器和二氧化碳氣體激光器)，在GaN緩沖層14的表面14a上施加電子束、原子團束、離子束及原子氫等。
(9)盡管根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體層形成方法的上述第四和第八實施例中，可以與TESi一起供應(yīng)TMIn(見圖9和圖11(c))，但本發(fā)明不限于此，當(dāng)然可在GaN緩沖層14的表面14a上，以原子或化合物形式，例如供應(yīng)Ⅰ-A族的H(氫)；Ⅱ-A族的Be(鈹)或Mg(鎂)；Ⅲ-B族的Al(鋁)、Ga(鎵)、或In(銦)；Ⅳ-B族的C(碳)、Si(硅)、Ge(鍺)、或Sn(錫)；或Ⅴ-B族的N(氮)、P(磷)、As(砷)或Sb(銻)的結(jié)構(gòu)缺陷抑制材料；或元素周期表中Ⅵ-B族的O(氧)、S(硫)、Se(硒)、和TE(碲)中至少兩類結(jié)構(gòu)缺陷抑制材料。
(10)本發(fā)明中，上述實施例及上述段落(1)-(9)中列舉的改進可以適當(dāng)?shù)亟Y(jié)合。
由于如上所述構(gòu)成本發(fā)明，可達到如下極好的優(yōu)點可以明顯降低所得半導(dǎo)體層中的結(jié)構(gòu)缺陷的缺陷密度，特別是螺形位錯的位錯密度，從而，在由各材料構(gòu)成的襯底上形成由GaN等構(gòu)成的薄膜或厚膜半導(dǎo)體層時，可以減少工時，降低制造成本，同時不需要任何復(fù)雜工藝。
所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)理解，本發(fā)明可以按其它具體方式實施，而不會脫離本發(fā)明精神或基本特征。
因此，應(yīng)認為這里所公開的實施例在各方面都是示例性而非限制性的。本發(fā)明的范圍由所附的權(quán)利要求書而不是由上述說明書示出，所有落入其構(gòu)思和范圍的改變都包含在本發(fā)明中。
這里引用包括說明書、權(quán)利要求書、附圖和概要的1999年12月14日申請的日本專利申請11-354563的全部公開內(nèi)容作為參考。
權(quán)利要求
1．一種形成半導(dǎo)體層的半導(dǎo)體層形成方法，包括供應(yīng)用于抑制半導(dǎo)體層中結(jié)構(gòu)缺陷的結(jié)構(gòu)缺陷抑制材料。
2．一種形成半導(dǎo)體層的半導(dǎo)體層形成方法，包括在將由之形成半導(dǎo)體層的材料層的表面上，供應(yīng)用于抑制半導(dǎo)體層中結(jié)構(gòu)缺陷的結(jié)構(gòu)缺陷抑制材料。
3．一種形成半導(dǎo)體層的半導(dǎo)體層形成方法，包括在形成半導(dǎo)體層時，同時供應(yīng)用于抑制半導(dǎo)體層中結(jié)構(gòu)缺陷的結(jié)構(gòu)缺陷抑制材料和將由之形成半導(dǎo)體層的材料。
4．一種形成半導(dǎo)體層的半導(dǎo)體層形成方法，包括第一步，在襯底上形成緩沖層；第二步，在所說第一步形成的所說緩沖層的表面上，供應(yīng)預(yù)定量用于抑制將形成的半導(dǎo)體層中結(jié)構(gòu)缺陷的結(jié)構(gòu)缺陷抑制材料；第三步，在所說緩沖層的表面上，形成半導(dǎo)體層，所說緩沖層中所說結(jié)構(gòu)缺陷抑制材料已在所說第二步供應(yīng)到將要形成的所說半導(dǎo)體層上；及使所說第三步中所說半導(dǎo)體層的膜厚度為1nm或更厚。
5．根據(jù)權(quán)利要求4的半導(dǎo)體層形成方法，還包括第四步，在所說第三步中形成的所說半導(dǎo)體層的表面上，供應(yīng)預(yù)定量用于抑制將形成的半導(dǎo)體層中結(jié)構(gòu)缺陷的結(jié)構(gòu)缺陷抑制材料；第五步，在其中所說結(jié)構(gòu)缺陷抑制材料已在所說第四步供應(yīng)到將要形成的所說半導(dǎo)體層的所說半導(dǎo)體層表面上形成所說半導(dǎo)體層；及完成了所說第三步后，實施所說第四步和所說第五步一次或多次。
6．根據(jù)權(quán)利要求4的半導(dǎo)體層形成方法，其中在所說第二步和所說第四步中的至少任一步，采用激光束、電子束、原子團束(radical beam)、離子束或原子氫中的至少任一種。
7．根據(jù)權(quán)利要求5的半導(dǎo)體層形成方法，其中在所說第二步和所說第四步中的至少任一步，采用激光束、電子束、原子團束、離子束或原子氫中的至少任一種。
8．根據(jù)權(quán)利要求4的半導(dǎo)體層形成方法，其中在所說第二步和所說第四步中的至少任一步，供應(yīng)預(yù)定量多種類型的用于抑制將形成的半導(dǎo)體層中結(jié)構(gòu)缺陷的結(jié)構(gòu)缺陷抑制材料。
9．根據(jù)權(quán)利要求5的半導(dǎo)體層形成方法，其中在所說第二步和所說第四步中的至少任一步，供應(yīng)預(yù)定量多種類型的用于抑制將形成的半導(dǎo)體層中結(jié)構(gòu)缺陷的結(jié)構(gòu)缺陷抑制材料。
10．根據(jù)權(quán)利要求6的半導(dǎo)體層形成方法，其中在所說第二步和所說第四步中的至少任一步，供應(yīng)預(yù)定量多種類型的用于抑制將形成的半導(dǎo)體層中結(jié)構(gòu)缺陷的結(jié)構(gòu)缺陷抑制材料。
11．根據(jù)權(quán)利要求7的半導(dǎo)體層形成方法，其中在所說第二步和所說第四步中的至少任一步，供應(yīng)預(yù)定量多種類型的用于抑制將形成的半導(dǎo)體層中結(jié)構(gòu)缺陷的結(jié)構(gòu)缺陷抑制材料。
12．一種形成半導(dǎo)體層的半導(dǎo)體層形成方法，包括第一步，在襯底上形成緩沖層；第二步，除了在供應(yīng)用于形成將要形成的半導(dǎo)體層的材料之前，結(jié)束供應(yīng)用于抑制將要形成的半導(dǎo)體層中的結(jié)構(gòu)缺陷的結(jié)構(gòu)缺陷抑制材料之外，在所說第一步形成的所說緩沖層的表面上，同時開始供應(yīng)用于形成要形成的半導(dǎo)體層的材料，及供應(yīng)用于抑制將要形成的半導(dǎo)體層中的結(jié)構(gòu)缺陷的結(jié)構(gòu)缺陷抑制材料；及使所說第二步中所說半導(dǎo)體層的膜厚度為1nm或更厚。
13．根據(jù)權(quán)利要求12的半導(dǎo)體層形成方法，還包括第三步，除了在供應(yīng)用于形成將要形成的半導(dǎo)體層的材料之前，結(jié)束供應(yīng)用于抑制將要形成的半導(dǎo)體層中的結(jié)構(gòu)缺陷的結(jié)構(gòu)缺陷抑制材料之外，在所說第二步形成的所說緩沖層的表面上，同時開始供應(yīng)用于形成要形成的半導(dǎo)體層的材料，及供應(yīng)用于抑制將要形成的半導(dǎo)體層中的結(jié)構(gòu)缺陷的結(jié)構(gòu)缺陷抑制材料；和完成所說第二步后，至少實施所說第三步一次。
14．根據(jù)權(quán)利要求12的半導(dǎo)體層形成方法，其中在所說第二步和所說第三步中的至少任一步，采用激光束、電子束、原子團束、離子束或原子氫中的至少一種。
15．根據(jù)權(quán)利要求13的半導(dǎo)體層形成方法，其中在所說第二步和所說第三步中的至少任一步，采用激光束、電子束、原子團束、離子束或原子氫中的至少一種。
16．根據(jù)權(quán)利要求12的半導(dǎo)體層形成方法，其中在所說第二步和所說第三步中的至少任一步，供應(yīng)預(yù)定量多種類型的用于抑制將形成的半導(dǎo)體層中結(jié)構(gòu)缺陷的結(jié)構(gòu)缺陷抑制材料。
17．根據(jù)權(quán)利要求13的半導(dǎo)體層形成方法，其中在所說第二步和所說第三步中的至少任一步，供應(yīng)預(yù)定量多種類型的用于抑制將形成的半導(dǎo)體層中結(jié)構(gòu)缺陷的結(jié)構(gòu)缺陷抑制材料。
18．根據(jù)權(quán)利要求14的半導(dǎo)體層形成方法，其中在所說第二步和所說第三步中的至少任一步，供應(yīng)預(yù)定量多種類型的用于抑制將形成的半導(dǎo)體層中結(jié)構(gòu)缺陷的結(jié)構(gòu)缺陷抑制材料。
19．根據(jù)權(quán)利要求15的半導(dǎo)體層形成方法，其中在所說第二步和所說第三步中的至少任一步，供應(yīng)預(yù)定量多種類型的用于抑制將形成的半導(dǎo)體層中結(jié)構(gòu)缺陷的結(jié)構(gòu)缺陷抑制材料。
20．根據(jù)權(quán)利要求4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18和19中任一項的半導(dǎo)體層形成方法，其中所說襯底是碳化硅襯底(6H-SiC襯底，4H-SiC襯底)、碳化硅和硅的層疊襯底(SiC/Si襯底)、硅襯底(Si襯底)、藍寶石襯底(Al2O3襯底)、氧化鋅和藍寶石的層疊襯底(ZnO/Al2O3襯底)、鍺襯底(Ge襯底)、砷化鎵襯底(GaAs襯底)、砷化銦襯底(InAs襯底)、磷化鎵襯底(GaP襯底)、磷化銦襯底(InP襯底)、或尖晶石襯底(MgAl2O3,LiGaO2襯底)；所說結(jié)構(gòu)缺陷抑制材料是Ⅰ-A族的H(氫)；Ⅱ-A族的Be(鈹)或Mg(鎂)；Ⅲ-B族的Al(鋁)、Ga(鎵)、或In(銦)；Ⅳ-B族的C(碳)、Si(硅)、Ge(鍺)、或Sn(錫)；N(氮)、P(磷)、As(砷)或Sb(銻)；或元素周期表中Ⅴ-B族的O(氧)、S(硫)、Se(硒)、或Te(碲)；及所說半導(dǎo)體層是Ⅳ族的半導(dǎo)體C(金剛石)、Si(硅)、Ge(鍺)、SiC、SiGe或SiCGe層；Ⅲ-Ⅴ族的二元系半導(dǎo)體層BN、AlN、GaN、InN、BP、AlP、GaP、InP、BAs、AlAs、GaAs或InAs；Ⅲ-Ⅴ族的三元系混晶半導(dǎo)體BAlN、BGaN、BInN、AlGaN、AlInN、GaInN、BAlP、BGaP、BInP、AlGaP、AlInP、GaInP、BAlAs、BGaAs、BInAs、AlGaAs、AlInAs、GaInAs、BNP、BNAs、BPAs、AlNP、AlNAs、AlPAs、GaNP、GaNAs、GaPAs、InNP、InNAs或InPAs；Ⅲ-Ⅴ族的四元系混晶半導(dǎo)體BAlGaN、BAlInN、BGaInN、AlGaInN、BAlGaP、BAlInP、BGaInP、AlGaInP、BAlGaAs、BAlInAs、BGaInAs、AlGaInAs、BAlNP、BGaNP、BInNP、AlGaNP、AlInNP、GaInNP、BAlNAs、BGaNAs、BInNAs、AlGaNAs、AlInNAs、GaInNAs、BAlPAs、BGaPAs、BInPAs、AlGaPAs、AlInPAs、GaInPAs、BNPAs、AlNPAs、GaNPAs或InNPAs；或元素周期表中Ⅱ-Ⅵ族的半導(dǎo)體層ZnO、ZnS、ZnSe、ZnTe、CdO、CdS、CdSe、CdTe、ZnCdO、ZnCdS、ZnCdSe、ZnCdTe、ZnOS、ZnOSe、ZnOTe、ZnSSe、ZnSTe、ZnSeTe、CdOS、CdOSe、CdOTe、CdSSe、CdSTe、CdSeTe、ZnCdOS、ZnCdOSe、ZnCdOTe、ZnCdSSe、ZnCdSTe、ZnCdSeTe、ZnOSSe、ZnOSTe、ZnOSeTe、ZnSSeTe、CdOSSe、CdOSTe、CdOSeTe或CdSSeTe。
21．一種通過緩沖層在襯底上形成半導(dǎo)體層的方法，包括采用MOCVD(金屬有機化學(xué)汽相淀積)、MBE(分子束外延)、CBE(化學(xué)束外延)、HAVPE(鹵化物汽相外延)、GSMBE(氣體源分子束外延)、MOMBE(金屬有機MBE)、LPE(液相外延)、CVD(化學(xué)汽相淀積)、濺射或真空淀積工藝；第一步，在SiC襯底或Al2O3襯底的表面上供應(yīng)固態(tài)鎵(Ga)、三甲基鎵(TMG)或三乙基鎵(TEG)、固態(tài)鋁(Al)、三甲基鋁(TMA)、三乙基鋁(TEA)、三甲基胺礬(aminealum)(TMAAl)、二甲基乙基胺礬(DMEMl)、或三異丁基鋁(TIBAl)、和氮原子團、氨、一甲基肼(MMHy)或二甲基肼(DMHy)，形成GaN層、AlN層或AlGaN層作緩沖層；第二步，利用固態(tài)硅(Si)、硅烷(SiH4)、乙硅烷(Si2H6)、甲基硅烷(CH3SiH3)、二甲基硅烷((CH3)2SH2)、二乙基硅烷((C2H5)2SH3)、三甲基硅烷((CH3)3SiH)、三乙基硅烷((C2H5)3SiH)、四甲基硅烷(TMSi)或四乙基硅烷(TESi)，供應(yīng)作為用于作為半導(dǎo)體層的GaN層、AlN層或AlGaN層的結(jié)構(gòu)缺陷抑制材料的Si，所說半導(dǎo)體層將以膜的形式，形成于已在第一步形成的作為所述緩沖層的GaN層、AlN層或AlGaN層表面上；和第三步，在已在第二步被供應(yīng)了所述Si的作為緩沖層的GaN層、AlN層或AlGaN層表面上，供應(yīng)固態(tài)鎵(Ga)、三甲基鎵(TMG)、或三乙基鎵(TEG)、固態(tài)鋁(Al)、三甲基鋁(TMA)、三乙基鋁(TEA)、三甲基胺礬(TMAAl)、二甲基乙基胺礬(DMEAAl)或三異丁基鋁(TIBAl)和氮原子團、氨(NH3)、一甲基肼(MMHy)或二甲基肼(DMHy)，以形成厚1nm或更厚的GaN層、 AlN層或AlGaN層作為半導(dǎo)體層。
22．一種半導(dǎo)體層形成方法，其中利用MOCVD(金屬有機化學(xué)汽相淀積)設(shè)備，在SiC襯底或Al2O3襯底的表面上，形成GaN層或AlGaN層，包括第一步，在SiC襯底或Al2O3襯底的表面上，供應(yīng)三甲基鎵(TMG)或三乙基鎵(TEG)和氨(NH3)，形成GaN層作緩沖屬，或在其上供應(yīng)三甲基鎵(TMG)或三乙基鎵(TEG)和三甲基鋁(TMA)或三乙基鋁(TEA)和氨(NH3)，形成AlGaN層作緩沖層；第二步，利用硅烷(SiH4)、乙硅烷(Si2H6)或四乙基硅烷(TESi)，在所說第一步形成的作為所說緩沖層的GaN層或AlGaN層的表面上，以一個單層或更少的形式供應(yīng)作為用于GaN層或AlGaN層的n型雜質(zhì)材料的Si；及第三步，在已在所述第二步中被供應(yīng)了所說硅烷(SiH4)、乙硅烷(Si2H6)或四乙基硅烷(TESi)的作為緩沖層的GaN層或AlGaN層表面上，供應(yīng)三甲基鎵(TMG)或三乙基鎵(TEG)和氨(NH3)，形成厚1nm或更厚的GaN屬或供應(yīng)三甲基鎵(TMG)或三乙基鎵(TEG)和三甲基鋁(TMA)或三乙基鋁(TEA)和氨(NH3)，以形成厚1nm或更厚的AlGaN層。
全文摘要
一種半導(dǎo)體層形成方法,利用該方法,可以明顯降低所得半導(dǎo)體層中的結(jié)構(gòu)缺陷的缺陷密度,特別是螺形位錯的位錯密度,所以,可以減少工時,降低制造成本,同時不需要任何復(fù)雜工藝,該方法包括在將由之形成半導(dǎo)體層的材料層的表面上,供應(yīng)用于抑制半導(dǎo)體層中結(jié)構(gòu)缺陷的結(jié)構(gòu)缺陷抑制材料。
文檔編號H01S5/343GK1302082SQ00137299
公開日2001年7月4日 申請日期2000年12月14日 優(yōu)先權(quán)日1999年12月14日
發(fā)明者田中悟, 武內(nèi)道一, 青柳克信 申請人:理化學(xué)研究所