專利名稱：氮化鎵層的制備方法
氮化鎵層的制備方法本發(fā)明申請是申請?zhí)枮镃N01810897.0，申請日為2001年6月8日， 發(fā)明名稱為"氮化鎵層的制備方法"的PCT申請進入中國國家階段申 請的分案申請。本發(fā)明涉及層，具體地涉及氮化鎵或鎵和其他金屬混合氮化物單晶 厚層，以及它們的制備方法。本發(fā)明還涉及包括這樣一些層的電子或光電子設(shè)備。本發(fā)明的技術(shù)領(lǐng)域一般可確定為在基體上制備基于氮化物的半導(dǎo) 體材料層的技術(shù)領(lǐng)域。以元素周期表第III至V族元素氮化物為主要成分的半導(dǎo)體材料， 在電子和光電子領(lǐng)域中占有和將占有越來越重要的地位。這些以氮化 物為基礎(chǔ)的半導(dǎo)體材料的應(yīng)用范圍事實上是廣語的，可從激光二極管 延伸直到通過紫外光探測器，能在高頻和高溫下運行的晶體管，表面 聲波設(shè)備和電光二極管(DEL)。在這些組件中，氮化物生長最通常使用的基體是藍寶石，小部分碳 化硅SiC。這兩種材料，特別是藍寶石有許多缺陷。藍寶石的缺陷是其電絕緣，導(dǎo)熱性差，而SiC的缺陷是其昂貴，質(zhì) 量不穩(wěn)定。因此，人們希望用硅代替它們，與上述兩種材料相比，無 論從經(jīng)濟觀點來看，還是從技術(shù)觀點來看，硅都具有明顯的優(yōu)勢。事實上，在其他感興趣的性能中，硅是一種熱的良導(dǎo)體，并且采用 化學(xué)方法可以很容易除去。另外，由于從今以后有一系列在工業(yè)上完全掌握的硅技術(shù)，還由于 硅的成本比藍寶石和SiC低得多，所以硅是一種能低成本大量生產(chǎn)的 所選擇的基體。例如氮化鎵之類的氮化物在硅基體上生長，會遇到因基體和氮化物 的晶胞參數(shù)與熱膨脹系數(shù)之間存在很大差異而出現(xiàn)的問題。為了使有 良好質(zhì)量的氮化物例如GaN生長，因此通常接受在硅基體上優(yōu)選地沉 積一薄層，例如AlAs、 SiC或AlN薄層，所謂的"緩沖層"，其厚度幾 十納米。這層連續(xù)覆蓋基體，并允許GaN層兩維生長。但是，由于前 面提到的硅與GaN之間晶胞參數(shù)與熱膨脹系數(shù)的矛盾，在硅基體上的 GaN層處于伸展。隨著生長，冷卻時產(chǎn)生的這種拉應(yīng)力值隨如GaN氮化 物層厚度而增加，超過臨界厚度， 一般大于1微米時，在這個層中形 成裂紋。因此，在硅基體上的氣化物層，例如外延的GaN層是薄的，沒有 裂紋，或者很厚，但裂化.
在這兩種情況下，這些層是難以使用的.
在碳化硅SiC基體上，在氣化物層生長的情況下，例如GaN遇到 同樣的問趙.
很顯然，通過増加GaN層厚度，既可改善結(jié)構(gòu)，光學(xué)性能，也可 改善電性能.因此，在碰基體上制備厚的無裂紋的氮化物層，特別是 GaN層是有根本性的意義的.
為了消除裂紋和制約硅上GaN層的拉應(yīng)力，S. A. NIKISHIN，N. N. FALEEV， V. G. ANTIP0V， S' FRANCOEUR， L. GRAVE DE PEJULTA， G. A. SERY0GIN， H. TEMUN， T. I. PR0K0FYEVA， M. H0LTZ和S, N. G, CHU，《應(yīng)用物理通訊》(APPL. PHYS, LETT.) 75, 2073 (1999) 的文件指出，在硅基體上沉積的A1N薄緩沖層生長棋式應(yīng)該盡可能最 快地轉(zhuǎn)變到雙維生長模式，于是得到厚度可以直到2，2橄米的無裂紋 GaN層，
曾證明，這種出現(xiàn)裂紋的臨界厚度增加是由于硅基體表面的預(yù)處 理，這種預(yù)處理是在沉積單層鋁前，讓脫氣化物的硅表面與氨接觸幾 秒鐘，再開始生長A1W緩沖層，
另外，采用這種預(yù)處理時，A1N援沖層的生長更快地轉(zhuǎn)變到雙維生 長模式。
但是，如此制備的層還有一些殘余的拉應(yīng)力，而這些層超過大約2 微米時就裂化.
因此，還需要一些會在層中產(chǎn)生拉應(yīng)力的基體上特別厚的連續(xù)，即 無裂紋，的氮化鎵及其合金單晶層.
另外，還需要一種在這樣基體上制備這樣一些層的方法，該方法尤 其是可靠、簡單、再現(xiàn)的方法，成本也不高.
本發(fā)明的目的尤其是滿足所有上面提到的要求，提供沒有現(xiàn)有技術(shù) 層和方法所存在的缺陷、不足、限制和不利的層和制備方法.
更確切地，本發(fā)明的目的是提供氣化鎵及其合金的單晶層，這些層
根據(jù)本發(fā)明，通過會在層中造成拉應(yīng)力(contraite extensive) 的基體上的氮化鎵或鎵和其他金屬的混合氮化物的無裂紋單晶層，可以達到這個目的和其他目的，上述基體復(fù)蓋一層緩沖層；其中至少一 層羊晶材料層嵌入氮化鎵或鎵和其他金屬的混合氣化物層中，所述材 料的厚度是100-300納米，優(yōu)選地200-250納米，其晶胞參數(shù)小于氣 化鎵或鎵和其他金屬的混合氛化物的晶胞麥數(shù).
根據(jù)本發(fā)明，嵌入的單晶層材料的晶胞參數(shù)小于氮化鎵或鎵和其他 金屬的混合氣化物的晶胞參數(shù).
事實上，為了所尋求的目的，無論嵌入層如何，無論氣化物單晶層 如何，嵌入單晶層的晶胞參數(shù)小于氛化鎵的晶胞參數(shù).
本發(fā)明的層可以有任意的厚度，例如該層厚度有1微米，甚至更 小.特別地，本發(fā)明的層是厚層；關(guān)于厚層，根據(jù)本發(fā)明， 一般應(yīng)當(dāng) 理解層的厚度大于或等于2微米，例如2-5微米，優(yōu)逸地2-5微米以 上，更優(yōu)選地3-5微米.
本發(fā)明這些層與現(xiàn)有技術(shù)的層的基本差別在于，它們有至少一層嵌 入的單晶層，該層的晶胞參數(shù)小于氮化鎵或鎵和其他金屬的混合氮化 物的晶胞參數(shù)，其特征還在于確切地，這層實質(zhì)上是羊晶層，沒有多 結(jié)晶層或無定形層，最后，其特征還在于嵌入層的特別厚度是100-300 納米.亊實上，根據(jù)本發(fā)明，針對應(yīng)力起作用，因此使用了 "厚"嵌 入層，而在現(xiàn)有技術(shù)中，針對缺陷起作用，使用幾十納米薄層.
根據(jù)本發(fā)明，必需和基本的是本發(fā)明的層不僅包括嵌入中間層，該 層的晶胞參數(shù)小于GaN的晶胞麥數(shù)，而且另外這種中間嵌入層是特別 的單晶層，錄后這層有特定的厚度.
這個層一般在準(zhǔn)確、確定的條件下，特別是在高溫，即一般在濕度 800-10001C,優(yōu)選地900-950X:制成的.
只是，根據(jù)本發(fā)明，有利地在高溫下制成的特別單晶嵌入層，尤其 能夠成功地解決生成裂紋的特殊技術(shù)問題.
在現(xiàn)有技術(shù)中從未提及，也沒有暗示過，有利地在高溫下制成的單 晶嵌入層(例如A1N)能夠得到不裂化的厚GaN層.
晶胞參數(shù)不一致(即嵌入層材料的晶胞參數(shù)小于氮化鎵或鎵和其 他金屬的混合氣化物的晶胞參數(shù))是使一層或多層表面氣化層在生長 期間處于受壓狀.
這種受壓補償，甚至消除冷卻時產(chǎn)生的拉應(yīng)力，并且氣化鎵或鎵和 其他金屬的混合氣化物層可同時完全出人意料地例如是厚的和無裂仗的，換句話說是在能夠在層中造成拉應(yīng)力的基體上連續(xù)的層.
與NIKISHIN等人文獻的層不同，本發(fā)明的層，除了緩沖層外，甚 至在鎵材料或鎵和其他金屬的混合氮化物材料中還包括其他的嵌入 層，這樣能夠有效地消除只是援沖層還不能避免的裂紋.
換句話說，與使用僅有緩沖層相比，本發(fā)明的嵌入層尤其能夠顯著 増加出現(xiàn)裂紋的臨界厚度，
這意味著該嵌入層能夠強迫更強的受壓應(yīng)力，由此能嚴(yán)格或部分地 補償冷卻時產(chǎn)生的拉應(yīng)力.因此，本發(fā)明的層具有無裂紋的厚度，這 種厚度是現(xiàn)有技術(shù)始終不可能達到的厚度，因為在上面引用的文件 中，無裂紋層最大厚度僅僅2徵米，而本發(fā)明的厚度可以達到3徵米， 甚至更大，即直到5徵米.
不過應(yīng)該指出，本發(fā)明不限于"厚的"層，而且還涉及任何具有本 發(fā)明結(jié)構(gòu)的層，例如這些層的厚度可以是l徵米或l微米以下.
另外，基本上嵌入層是單晶層，非無定形的或多晶的層.
有利地，鎵的混合氮化物選自鎵與鋁或銦的混合氮化物.
基體可以是在這個技術(shù)領(lǐng)域中使用的任何基體，這種基體能夠在層 中產(chǎn)生拉應(yīng)力，但是，優(yōu)選地涉及選自硅基體和碳化硅基體的基體.
確切地，根據(jù)本發(fā)明，現(xiàn)在在這樣的基體上沉積無裂紋的層，特別 是無裂紋的厚層.這些基體還具有許多優(yōu)點，但是，盡管有這些優(yōu)點， 與產(chǎn)生應(yīng)力相關(guān)的這些缺陷還是使得在現(xiàn)有技術(shù)中擯棄使用這樣的基 體.
碳化硅基體證明是特別適合希望用氮化物制造的這類組件的. 硅基體優(yōu)逸地是按照晶面(lll)取向的硅基體，還優(yōu)選地硅是脫氣 化物的硅.
援沖層優(yōu)選地是A1N層，還優(yōu)選地，這層是厚度一般10-50納米 的薄層.
嵌入層可以是用與緩沖層相同或不同材料制成的.但是，嵌入層一 般是A1N或AlGaN層.根據(jù)本發(fā)明，這層是單晶層.
所述嵌入層的厚度一般是100-300納米，優(yōu)選地200-250納米. 本發(fā)明的層可以有1-5層嵌入層.
本發(fā)明還涉及會在層中造成拉應(yīng)力的基體上，制備氮化鎵或鎵和其 他金屬的混合氮化物的無裂紋單晶層的方法，所述方法包括下述相繼步驟
a) 加熱"基體表面任選地與氨接觸；在基體是硅的情況下進行這 種處理；7
b) 沉積鋁原子單層；
c) 沉積援沖層；
d) 氮化鎵或鎵和其他金屬的混合氮化物沉積物的生長；
e) 中斷氣化鎵或鎵和其他金屬的混合氣化物沉積物的生長；
f) 嵌入羊晶層的生長，該層材料的晶胞參數(shù)小于氮化鎵或鎵和其 他金屬的混合氮化物的晶胞參數(shù)，其厚度是100-300納米，優(yōu)選地 200-250納米；
g) 任選重復(fù)步騍d)至f);
h) 繼續(xù)氣化鎵或鎵和其他金屬的混合氮化物沉積物生長，直至達
到所希望的氮化鎵或鎵和其他金屬的混合氮化物襲后厚度；
i) 冷卻基體和氮化鎵或嫁和其他金屬的混合氣化物層.
本發(fā)明方法的基本步驟與現(xiàn)有技術(shù)的方法在實質(zhì)上不同的是步棵0.
如前面已經(jīng)指出的，嵌入至少一層羊晶層的事實可以補償，甚至消 除冷卻，例如冷卻直到室溫時出現(xiàn)的拉應(yīng)力，該單晶層材料的晶胞參 數(shù)與氮化鎵不一致(甚至更高)，即晶胞參數(shù)比在氣化鎵或鎵和其他金 屬的混合氮化物層中的氮化鎵或鎵的混合氛化物小，因此根據(jù)本發(fā)明 的方法，可以在能夠造成，誘導(dǎo)在層中拉應(yīng)力的基體上，制備無裂紋 的層，特別是厚的無裂紋層.
事實上，本發(fā)明的方法嵌入層是特別基本的羊晶層，該層的生長步 驟f特別能夠制約比NIUSHIN等人文件描述的在現(xiàn)有技術(shù)方法中產(chǎn)生 的更強的受壓應(yīng)力.
這種受壓應(yīng)力可嚴(yán)格或部分補償冷卻時產(chǎn)生的拉應(yīng)力，因此還得到 可以松弛的層，該層出現(xiàn)裂紋的臨界厚度顯著增加，如前面所指出的.
亊實上，得到的這些層閎其厚度有不同的應(yīng)力狀態(tài).小于l微米的 薄層松弛，而大于1微米的層再次伸展，但它們除非超過3徵米才裂 化.
絕對不可預(yù)見的是，在現(xiàn)有技術(shù)方法的已知步脒a)、 b)、 c)、 d) 中添加這個嵌入層生長的補充步猓0，這層基本上還是單晶層，并且有特定的厚度，因此能夠克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，
事實上，除了現(xiàn)有技術(shù)的表面預(yù)處理a)外，尤其進行嵌入層的生 長，可以根據(jù)本發(fā)明制備這些層，特別是松弛或應(yīng)力的，但無裂化的 大厚度層.
根據(jù)本發(fā)明，另外很重要的是，能生長的嵌入層是單晶層，它只是 能夠得到最后層，特別地?zé)o裂紋的厚層.
還很重要的是，嵌入層的特定厚度為100-300納米，這樣能夠?qū)?應(yīng)力起作用.
換句話說，盡管本發(fā)明方法的a)、 b)、 c)和d)步驟與前面提到的 現(xiàn)有技術(shù)的方法類似，但殘余應(yīng)力值和無裂故制得最大厚度值的比 較，證明了本發(fā)明方法的補充步稞，對于増加受壓應(yīng)力和更多補僂冷 卻時產(chǎn)生的伸展起作重要的決定性作用，上述最大厚度一般是3徵米 或3微米以上，而現(xiàn)有技術(shù)中為2微米.
本發(fā)明嵌入層的生長條件是重要的，應(yīng)該嚴(yán)格選摔，以便這層是羊 晶層.
特別地，嵌入層生長時使用的溫度有利地是高的溫度， 一般800-1000TC，優(yōu)選地900-950TC.
一般準(zhǔn)確選擇的生長其他參數(shù)或條件具體是生長速度和待生長嵌 入層的厚度.
另外，本發(fā)明的方法是簡單、可靠和再現(xiàn)的，因此，作為實例，曾 證明對于制作約20層，其方法的再現(xiàn)性是100%.
如前面提到的基體可以是能夠在層中產(chǎn)生拉應(yīng)力的任何基體，這便 是本發(fā)明方法的其中一個優(yōu)點，其優(yōu)點是不依賴于基體的先天情況和 非常一般的應(yīng)用.亊實上，涉及在氮化鎵或鎵和其他金屬的混合氮化 物層中嵌入單晶層，例如A1N羊晶層的基本步脒，是與基體完全無關(guān) 的.前面指出了優(yōu)選的基體.
另外，本發(fā)明的方法都可以毫無差別地使用緩沖層沉積物生長，氮 化鎵或鎵和其他金屬的混合氛化物的沉積物生長和嵌入層生長的任何 技術(shù).不過，這些生長條件應(yīng)該是使其層為單晶的條件.
閎此，對于這些層和沉積物的生長，可以采用在前面已經(jīng)提到的分 子射束外延生長(EJM)(英語中為"MBE"，即Molecular Beam Epitaxy),有機金屬蒸汽相化學(xué)沉積(英語為"MOCVD",即Metalorganic Chemical Vapour Deposition),氣化物方法的蒸汽 相外延生長(英語為"HVPE"即，Hydride Vapour Phase Epitaxy). 優(yōu)選的方法是EJM,該方法一般在下迷條件下能夠保證單晶嵌入層生 長'.溫度800-1000TC，優(yōu)選地900-950TC，生長速度0. 1-0. 5微米/ 小時,此外，根據(jù)本發(fā)明，有可能的是在氮化鎵或鎵和其他金屬的混合氣 化物的層中沉積多層嵌入層，例如A1N嵌入層，即如在g)中提到，步 騍d)至f)可以重復(fù)進行，例如l-5次，這時得到2-6層嵌入單晶層.因此，本發(fā)明的方法無論從逸擇基體的觀點，還是從沉積物和層的 生長方法的觀點來看都是非常靈活的.如NIKISHIN等人文獻中描述的現(xiàn)有技術(shù)就不是這種情況，因為非 常明顯的是在這種方法中，AlN層的三維/二維生長轉(zhuǎn)變速度取決于基 體和使用的生長技術(shù).另外，這種方法只能唯一一次應(yīng)用于基體與A1N緩沖層之間的界 面.本發(fā)明的方法的優(yōu)點因此是在使用時能夠應(yīng)用，改變例如像破化 硅基體，代替硅基體，可見這些SiC基體特別適合于希望使用氮化物 制造的組件類.本發(fā)明還涉及一種電子和/或光電子設(shè)備，該設(shè)備包括至少一層如 前面描述的，本發(fā)明的氣化鎵或鎵和其他金屬的混合氣化物的無裂故 厚單晶層.這樣一些設(shè)備例如是激光二極光、能在高頻和高溫下運行的半導(dǎo) 體、紫外光探測器、表面聲波設(shè)備、電光二極管等.在這些電子設(shè)備中包括本發(fā)明的層可以顯著改善它們的性能，事實 上，很明顯的是，通過氣化鎵或鎵和其他金屬的混合氣化物層的厚度， 同時改善結(jié)構(gòu)、光和電子的性能.作為實例，直到今天的唯一一件文 獻，A. T. SCHREMER、 J. A. SMART、 Y. WANG、 0. AMBAC鵬、N. C, MacDONALD和J. R. SHEALY,《應(yīng)用物理通訊》(Appl. Phys. Lett.)， 76, 736 (2000)提及在硅基體上以氮化物異質(zhì)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的半導(dǎo)體制 造方法，說明了遷移率值是600-700c邁7Vs,而使用本發(fā)明的層時，得 到在300下離于1 500 cmVVs的值，這基本上是由于這個事實.在 這個文件中，不可能制造高于0.7橄米的層，還不能避免生成裂溫. 因此，這個文件的異質(zhì)結(jié)構(gòu)質(zhì)量沒有在至少2微米層上根據(jù)本發(fā)明制造的異質(zhì)結(jié)構(gòu)質(zhì)量好.這個改善性能的實例涉及半導(dǎo)體，但是實際上，不管哪種應(yīng)用，根 據(jù)本發(fā)明用厚層制造的設(shè)備比用薄層制造的設(shè)備具有更好的特性，完 全只是因為使用該基體可離開界面越遠，外延生長的材料質(zhì)量就越 好.現(xiàn)在，在下面作為說明性和非限制性并參照附困給出的詳細說明，可更準(zhǔn)確地描述本發(fā)明，其中-困1是用圍解表示采用MEB沉積和生長時本發(fā)明方法的不同步 驟，同時給出在這些步緣過程中隨時間t(分鐘)變化的溫度T(1C)的 圖；-困2表示本發(fā)明GaN層的示意剖面困-困3A和3B是不包含嵌入層的厚度2徵米GaN層(非本發(fā)明)的 光學(xué)顯徵鏡照片，和包含嵌入層的厚度2鍬米GaN層(本發(fā)明)的光學(xué) 顯微鏡照片；-圖4B和4A分別是用沒有嵌入層的厚度1擻米GaN(非本發(fā)明) 得到的光激發(fā)光譜和反射率，和用包含嵌入層的同樣厚度GaN (本發(fā)明) 層得到的光激發(fā)光詳和反射率.縱座標(biāo)是以任意單位(unit6 arbitraire)表示的，而橫座標(biāo)是以光子能量E(ev)表示的.本發(fā)明的方法和層描述如下使用的基體優(yōu)選地是按照晶面U11)取向的硅"晶片"(或板).在嚴(yán)格意義上所迷的層開始生長之前，采用快速熱退火，例如直到 950X:，在生長室中就得蒸去復(fù)蓋硅基體的自然氣化物層這里涉及所 述的"脫氣化物作用"的步緣(步樣0)，在困l上未示出這個步稞.然后，開始本發(fā)明的方法(困l上在時刻0).基體的溫度一般固定 在例如600C，硅表面與氨接觸幾秒鐘(即一般2-10秒)(步碟l).然后，基體溫度一般升到直到約830TC.在基體濕度降低到一般 600X:后沉積箱原子單層(步騍2).這時，溫度升到900TC，開始一般A1N援沖層的生長(步脒3),應(yīng)指出，這里說明的方法是BJM或"MBE"方法(分子射束外延生長).在沉積物10-50納米，例如緩沖層30分鐘時間后，停止生長，該 溫度一般降低到780TC.在該緩沖層上，例如A1N層上，在這個溫度進行氮化鎵或鎵和其他金屬的混合氮化物的生長(步稞4).一般在厚度100-300納米(例如困1上的250納米)沉積物后，中 斷氮化鎵或鎵和其他金屬的混合氣化物的生長，在緩沖層和嵌入層兩 者都是由A1N構(gòu)成的情況下，再將該溫度一舦升到9001C,以便進行 A1N單晶嵌入層的生長，該單晶體嵌入層一般厚度為100-300納米.在這個單晶嵌入層生長后，如前面所描述的，再次把溫度降低到一 般780iC，以便再進行氮化鎵或鎵和其他金屬的混合氣化物的生長，直 到達到所希望的最后厚度(步驟6)，該厚度一般是2-5微米.應(yīng)該指出，不同的參數(shù)，例如沉積步脒、緩沖層生長步稞、氮化鎵 或鎵和其他金屬的混合氮化物生長步驟中例如基體表面處理的溫度、時間、使用的反應(yīng)刑等，是已知的和/或本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員可以 很容易確定的.前面給出的這些值因此是說明性的.相反地，本發(fā)明中實質(zhì)性的單晶的嵌入層的沉積條件，對于確切地 保證單晶層的生長是特定的.已經(jīng)提到的

圖1示意困解了在基體脫氣化物作用后，本發(fā)明方法的 不同步驟，而困2是本發(fā)明層結(jié)構(gòu)的示意性剖面困，以及制造其結(jié)構(gòu) 使用基體(21)，例如Si(lll)基體，緩沖層，例如A1N層(22)，和GaN 層(23)'其中嵌入A1N層(24).現(xiàn)在參照作為非限制性說明給出的下述實施例描述本發(fā)明.實施例1在這個實施例中，采用分子射束外延生長法(EJM)，在硅基體上制 備本發(fā)明2微米厚的GaN層，即有厚度250微米的A1N嵌入羊?qū)?在超真空下于約600"C加熱硅基體十小時，以使其脫氣.然后，把 它放入生長室，快速將溫度升到約950"C，以便除去處在表面上的硅氣 化物層，然后，降低溫度到約600X:,以便硅表面與氨氣流接觸2秒.然后，溫度升到8201C,再又降到約600t;.在這個溫度，沉積鋁 單層(相當(dāng)于沉積IO秒)，再升溫到650iC.在這個溫度，同時送入氨 和鋁，以便生成氮化鋁(AIN)援沖層.在頭兩分鐘，逐漸升溫，以達到 溫度約9001C，并保持這個濕度，以便生長50納米A1N緩沖層(即在 我們的生長條件下約20分鐘). 一旦緩沖層結(jié)束，降溫到約780t:,進 行氮化鎵(GaN)的生長.生長250納米的GaN層(即在我們的生長條件 下約15分鐘).一旦完成這250納米，就進行嵌入A1N單晶層的生長.在780TC開 始生長，但濕度快速升到9001C (升溫2分鐘)，嵌入A1N層的厚度是 250納米(即在我們的生長條件下約2小時). 一旦結(jié)束這層，濕度降低 到780TC，就進行厚度2微米的GaN層的生長，即約2小時.實施例2(對比)在這個實施例中，采用分子射束外延生長法(EJM)，在與實施例l 同樣的條件下，制備與實施例1同樣厚度(2微米)的GaN層，但沒有 A1N嵌入層，該實施例的目的在于比較.在超真空下于約6001C加熱硅基體十小時，以使其脫氣.然后，把 它放入生長室，快速將溫度升到約950"C,以便除去處在表面上的硅氣 化物層.然后，降低溫度到約600TC，以便硅表面與氨氣流接觸2秒.然后，溫度升到8201C,再又降到約600X:.在這個溫度，沉積招 單層(相當(dāng)于沉積IO秒)，再升溫到650*0.在這個溫度，同時送入氨 和鋁，以便生成氣化招(AIN)緩沖層.在頭兩分鐘，逐漸升溫，以達到 溫度約900TC，并保持這個溫度，以便生長50納米A1N緩沖層(即在 我們的生長條件下約20分鐘). 一旦緩沖層結(jié)束，降溫到約780X:,進 行厚度2徵米GaN層的生長，即約2小時.用放大倍率x 100的光學(xué)顯微鏡(困3A和3B底片)觀察了實施例1 和2制備的層，表明制備無嵌入AIN層的GaN層(實施例2，困3A，對 比，非本發(fā)明的)是完全裂化的，而用嵌入的羊晶層制造的GaN層(實 施例l,閨3B，本發(fā)明的)是連續(xù)的，完全沒有裂化.實施例3在這個實施例中，采用分子射束外延生長法，在與實施例1同樣的 條件下，制備本發(fā)明的厚度l徵米的GaN層，即有厚度250納米的A1N 嵌入單晶層.在超真空下于約600t:加熱硅基體十小時，以使其脫氣，然后，把 它放入生長室，快速將溫度升到約950C以便除去處在表面上的硅氣 化物層.然后，降低溫度到約6001C，以便硅表面與氨氣流接觸2秒，然后，溫度升到820X:，再又降到約6001C.在這個溫度，沉積鋁 單層(相當(dāng)于沉積IO秒)，再升濕到6501C.在這個濕度，同時送入氨 和鋁，以便生成氣化鋁(AIN)緩沖層.在頭兩分鐘，逐漸升溫，以達到 溫度約900TC,并保持這個溫度，以便生長50納米A1N援沖層(即在我們的生長條件下約20分鐘). 一旦緩沖層結(jié)束，降濕到約780t:,進 行氮化鎵(GaN)層的生長，生長250納米GaN層(即在我們的生長條件 下約15分鐘).一旦完成這250納米，就進行嵌入A1N單晶層的生長，在780C開 始生長，但溫度快速升到900TC (升濕2分鐘).嵌入A1N層的厚度是 250納米(即在我們的生長條件下約2小時). 一旦結(jié)束這層，溫度降低 到780"C，就進行厚度l微米的GaN層的生長，即約1小時.實施例4(對比)該實施例的目的在于比較，在與實施例3同樣的條件下，制備與實 施例3同樣厚度(l微米)的GaN層，但沒有A1N嵌入羊晶體層，在超真空下于約6001C加熱硅基體十小時，以使其脫氣.然后，把 它放入生長室，快速將溫度升到約950TC,以便除去處在表面上的硅氣 化物層.然后，降低溫度到約600"C，以便硅表面與氨氣流接觸2秒.然后，溫度升到8201C，再又降到約600".在這個溫度，沉積銘 單層(相當(dāng)于沉積IO秒)，再升濕到650X:,在這個溫度，同時送入氨 和鋁，以便生成氮化鋁(AIN)緩沖層.在頭兩分鐘，逐漸升溫，以達到 溫度約900TC，并保持這個溫度，以便生長50納米A1N緩沖層(即在 我們的生長條件下約20分鐘). 一旦緩沖層結(jié)束，降溫到約780X:,進 行厚度l微米GaN層的生長，即相當(dāng)于約l小時.為了定量分析在GaN層中存在的應(yīng)力，實施例3和4層所進行的 光激發(fā)光和反射率試驗結(jié)合起來.這些試驗是在半導(dǎo)體物理中典型用 于精確測定材料應(yīng)力狀態(tài).用兩個相同厚度(l微米)的GaN層，其中一 個沒有用嵌入層制造(實施例4)，另一個用A1N嵌入層制造(實施例 3)，得到的詳列于困4B和4A.這些詳?shù)姆治?涉及通過自由激發(fā)子A 能量位置準(zhǔn)確確定GaN材料的禁止帶)表明，無A1N嵌入層得到的GaN 層是伸展的，而有A1N嵌入單晶層得到的GaN層是松馳的.
權(quán)利要求
1、通過能在層中造成拉應(yīng)力的基體上的氮化鎵或鎵和其他金屬的混合氮化物的無裂紋單晶層，所述基體覆蓋一層緩沖層；所述無裂紋單晶層包括至少一層某一材料的單晶中間層，所述單晶中間層的厚度是100-300納米，其晶胞參數(shù)小于所述無裂紋單晶層的材料的晶胞參數(shù)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的層，其中所述中間層的厚度為200-250納米。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的層，該層是厚度大于或等于2微米的厚層。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的層，該層是厚度2-5微米的厚層。
5、 根椐權(quán)利要求l所述的層，其中鎵和其他金屬的混合氮化物選 自鎵和鋁的氮化物以及鎵和銦的氮化物。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所迷的層，其中所迷基體選自硅和碳化硅基體。
7、 根椐權(quán)利要求l所述的層，其中所述緩沖層是A1N層。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的層，其中所迷中間層是A1N或AlGaN層。
9、 根椐權(quán)利要求1-7中任一權(quán)利要求所述的層，該層包括l-5層 中間層。
10、 在能夠在層中造成拉應(yīng)力的基體上，制備氮化鎵或鎵和其他 金屬的混合氮化物的無裂紋單晶層的方法，所述方法包括下述相繼步 驟a) 在所述基體上沉積鋁原子單層；b) 沉積緩沖層；c) 氮化鎵或鎵和其他金屬的混合氮化物的生長；d) 中斷氮化鎵或鎵和其他金屬的混合氮化物的生長；e) 某一材料的單晶中間層的生長，該層的晶胞參數(shù)小于氮化鎵或 鎵和其他金屬的混合氮化物的晶胞參數(shù)，且該層厚度是100-300納米；f) 繼續(xù)氮化鎵或鎵和其他金屬的混合氮化物的生長，直至達到所 希望的氮化鎵或鎵和其他金屬的混合氮化物最后厚度；g) 冷卻所述基體和氮化鎵或鎵和其他金屬的混合氮化物層。
11、 根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中所述基體在硅中并且在步驟a) 之前，加熱的基體表面與氨接觸。
12、 根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中所述中間層的厚度為200-250納米。
13、 根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中在步驟e)和f)之間重復(fù)步驟 c)和e )至少一次，以便在所述無裂紋單晶層中生長至少2層中間層。
14、 根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中所述單晶中間層的生長溫度是 800-1 000'C。
15、 根據(jù)權(quán)利要求U的方法，其中所述單晶中間層的生長溫度是 900-950。C。
16、 根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中氮化鎵或鎵和其他金屬的混合 氮化物的最后厚度是大于或等于2微米。
17、 根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中氮化鎵或鎵和其他金屬的混合 氮化物的最后厚度是2-5微米。
18、 根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中鎵的混合氮化物選自鎵與鋁的 氮化物或鎵與銦的氮化物。
19、 根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中所述基體選自硅和碳化硅基體。
20、 根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中所迷緩沖層是A1N層。
21、 根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中所述中間層是A1N或AlGaN層。
22、 根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中步驟c)至e)重復(fù)l-5次。
23、 根據(jù)權(quán)利要求10-22中任一權(quán)利要求所迷的方法，其中所迷 緩沖層的沉積、所述氮化鎵或鎵和其他金屬的混合氮化物的生長，以 及單晶中間層的生長都是采用分子射束外延生長法(MBB)，有機金屬化 學(xué)蒸汽相沉積(M0CVD)或采用氫化物法的蒸汽相外延生長法(HVPE)進 行的。
24、 根據(jù)權(quán)利要求23的方法，其中采用分子射束外延生長法，在 溫度800-1000'C，生長速度0. 1-0， 5微米/小時下進行單晶中間層的生 長。
25、 含有至少一層權(quán)利要求1-9中任一權(quán)利要求所迷的無裂紋單 晶層的電子或光電子設(shè)備。
全文摘要
本發(fā)明涉及通過能在層中造成拉應(yīng)力的基體上的氮化鎵或鎵和其他金屬的混合氮化物的無裂紋單晶層，所述基體覆蓋一層緩沖層；其中至少一層單晶材料層嵌入氮化鎵或鎵和其他金屬的混合氮化物層中，所述材料的厚度是100-300納米，優(yōu)選地200-250納米，其晶胞參數(shù)小于氮化鎵或鎵和其他金屬的混合氮化物的晶胞參數(shù)。還涉及這種層的制備方法。以及涉及含有這個層的電子和光電子設(shè)備。
文檔編號H01L21/205GK101241883SQ200810009979
公開日2008年8月13日 申請日期2001年6月8日 優(yōu)先權(quán)日2000年6月9日
發(fā)明者F·賽蒙德, J·C·馬西斯, N·P·格蘭簡 申請人:法國國家科學(xué)研究中心