專利名稱：厚的贗晶氮化物外延層的制作方法
厚的贗晶I/f⑩外^
相關(guān)申請本申請要求2007年1月26日提交的美國臨時專利申請No. 60/897， 572的;K^和優(yōu)先權(quán)，通過引用將其^p/^內(nèi)容并A^文。本i^斤/^Hf的技術(shù)總體涉及晶格失配的半"H^異質(zhì)結(jié)構(gòu)，更M涉及其厚度大于所預期的臨界厚度的贗晶層。
背景技術(shù)：
對于實際商用的氮化物基的半^器件的制備而言，在整個半*有源器件層中獲得低缺陷密度是重要的。如美國專利申請No. 11/503， 660("'660申請")中所述，能夠形成U徑、低缺陷密度的A1N襯底，通過引用將其^公開內(nèi)容并X^文。但是，許多所需的器件應用艦包括在A1N襯^Ji生長的基于A1N、 GaN和InN *的器件層。隨著GaN和InN濃度的增加，相對于A1N襯底的晶格失配^增大。例如GaN的c-面晶格M比A1N的大約2.4%。當在襯底Ji^卜處長晶格失配層時，初始層典型順晶生長，即，如果襯底的本fi晶格l^t小于外^g:的;^L晶格^lt則外^#在襯^4面的平
面內(nèi)被壓縮(經(jīng)受壓縮應變)。當外^的;Mi晶格桐故小于襯底的本征晶格她時，貝'J外^將被伸展(stretch)或受到拉伸應變。然而，錄夕M1^的厚度增加，夕卜^中的應變能將提高，且該層將典型以某種方式減小應變能。這可因塑性流動而發(fā)生，該塑性流動是通過位*動，通過產(chǎn)生允i午應變木〉弛的表面形態(tài)特征，或者特別是當應變?yōu)槔鞎r通ii^的開裂。贗晶層至少因兩個原因而引人注意。第一個原因是，當在^ii錯襯底上生P卜延層時，贗晶外)E4^可以在具有非常低的位錯密度的情況下生長，常常具有與襯W目同的位錯密度。第二個阮勢則產(chǎn)生于通過所產(chǎn)生的大雙軸應變來調(diào)整能帶結(jié)構(gòu)的能力。例如可以利用應變來破壞重栽流子能帶和輕載流子能帶之間的簡并度，從而獲得更高的載流子遷移率。

發(fā)明內(nèi)容
〖0005]本發(fā)明提供了在高品質(zhì)A1N襯;Ui生長非常厚的A1N、 GaN和InN合金的贗晶膜的技術(shù)。贗晶^l:這樣的膜，其中平行于界面的應變大致等于^M內(nèi)的晶格哞變以與襯底的晶格相匹配所需的應變。因而，贗晶膜中的平行應變將接a^t等于平行于界面的無應變襯底和平行于界面的無應變外延層之間的晶格^lt的差值。本文中所用的"非常厚"意指夕卜^的厚^M^超過(對于^^含In的層為至少5倍，或?qū)τ诤琁n的層為至少10倍)基于厚度的標準計算(或能量平衡計算)得到的外 的預期臨界厚度，其中通過螺型位錯的成核和/或運動開始;^應變松他。預期臨界厚度可以按照例如Matthews andBlakeslee， /' Cr/"" C廢M 27, 118 (1974 )和/或美國專利No. US4088515中所描述的方法進^i十算，通過引用將這兩篇文獻4^Fi^f內(nèi)容分別并^Ml。在一個方面，本發(fā)明的實施方案的特征在于半#異質(zhì)結(jié)構(gòu)，該半#異質(zhì)結(jié)構(gòu)包括氮化鋁單晶襯底和在其上外延生長的至少一層應變層。所述應^I:包含A1N、 GaN、 InN或者其任何兩元或三; t^ir的組合中的至少一種。所i^變層的厚/t^過與^目關(guān)的預期臨界厚度至少5倍，或者甚至至少IO倍。所i^M可以J^不含In和/或具有小于約lmm—2的宏觀缺陷密度。在一個實施方案中，宏觀缺陷密度為約0nmf2。本發(fā)明的實施方案可以包4^口下所述的一個或多個。平行于應變層的應變大于與應變層組成相同的無應變合金和位于應變層下方的松他基臺(platform)之間平行晶格f^Lt值的80%。平行于應變層的應變甚至可以為該差值的約95%-100%。松弛基臺可以為襯底或者形成于襯底和應變層之間的木她半^^層。應變層可以包括ALGaJ,具有大于約200nm的厚度，且具有的Al^J:x小于約0. 65。所ii^^Jr的厚度可以大于約lym， iU斤述應變層的平均螺型位錯密/l可小于約10， OOOcnf2。可以采用Matthews-Blakeslee理論計算預期臨界厚度。在另一方面，本發(fā)明的實施方案的特征是形成半#結(jié)構(gòu)的方法，該方法包括提供氮4b4呂單晶襯底以A^其J^卜5^L^應免罷。應^J:包含A1N、GaN、 InN或者其任何兩元或三;^金的組合中的至少一種。應變層的厚^i過與^目關(guān)的預期臨界厚度的至少5倍，或者甚至至少10倍。所i^變層可以基"含In和/或具有小于約l咖-2的宏觀缺陷密度。在一個實施方案中，宏觀缺陷密^約Omm—2。本發(fā)明的實施方案可以包括以下的一個或多個。在沉積應變層之前可以在村底上方形M沖層，且可以^C沖層和應M:之間形成漸變層。應變層可包括A1 GaN， Jb5L^應變層可以包括向反應器中引入三甲基鋁和三甲基鎵。在沉積應M期間三甲基鎵的初始流動速率可低于最終的三曱基鎵流動速率。可以采用Matthews-Blakeslee理ifri十算預期臨界厚度。氮化鋁單晶襯M于10 jamx 10 jum面積可具有小于約0. 5nm的RMS表面Wt度，約0. 3°-4。的表面錯向和小于約104加-2的螺型位錯密度。應變層的螺型位錯密度可近似等于氮^4S單晶村底的螺型位錯密度。在另一方面，本發(fā)明的實施方案特征在于選自場效應晶體管、M^ l管和'We^l管中的器件，所述器件包括至少4分上述應變異質(zhì)結(jié)構(gòu)。所述器件可以為具有至少一個叉指型接觸的發(fā)Je^^L管。在另一方面，本發(fā)明的實施方案的特征是選自場效應晶體管、MJi^l管和激^ L管中的器件，所述器件包括至少1分應變異質(zhì)結(jié)構(gòu)。所述應變異質(zhì)結(jié)構(gòu)包括氮化鋁單晶襯底和在其上外延生長的多個應變層。所述多個應變層的"^—個包括AlN、 GaN、 InN或者其^f封可兩itiLHJL^的組合中的至少一種。所述多個應變層的總厚;t^過與^目關(guān)的預期臨界厚度的至少5倍，或者甚至至少10倍。所述多個應變層中"^個的平行于氮^4呂單晶襯V^面的晶格#與所述氮化鋁單晶襯底的晶格1*的差值可小于0.2%,所述多個應U (包括所有的層)中的一個或多個可不含In。


在附圖中，在所有的不同視圖中，相同的附圖相Heit常指^^目同的部件。jH^卜，附圖并不一定按照比例，而通常著重于說明本發(fā)明的原理。在接下來的描述中，通過參考以下附圖對本發(fā)明的多個實施方案進行說明，其中
圖1為形成于A1N襯底上的具有不同Al含量x的AlxGa』層的預期臨界厚度和贗晶應變的坐標圖2為形成于村底上的贗晶應M的示意7圖3為基于贗晶應^的器件結(jié)構(gòu)的示意圖；及
圖4A和圖4B為利用圖3中的層結(jié)構(gòu)的已加工器件的示意圖。
M實施方式制械術(shù)圖1中顯示出根據(jù)Matthews-Blakeslee理論計算出的預期臨界厚度與生長于c-面A1N襯底上的Al,Ga卜XN層中Al濃度的函數(shù)關(guān)系。還顯示了在不存^^他的情況下所得Al,GaJ層的贗晶應變。出乎預^tML現(xiàn)，能夠生長出厚;1^大預期臨界厚度的贗晶層。例如，x = 0, 6的化Ga』層的臨界厚度為約40納米(咖)，如圖1所示。能夠?qū)⒕哂性揂l敝的層生長Jjf;i^過l微米(jum)，并且仍然獲得具有非常高品質(zhì)且鏡面平滑的贗晶應變層，本文中所用的術(shù)語"高品質(zhì)"意指夕卜^具有約106cm—2或更小的螺型位錯密度。在某些實施方案中，高品質(zhì)層具有的螺型位錯密度為約104(^2或更小，或者甚至為約102cm-2或更小。在本文中^J I術(shù)語"贗晶"絲示經(jīng)^變到至少為下方襯底晶格錄的約80% (即，低于約200/0+靡|其固有晶格錄)的夕卜^。在一些實施方案中，贗晶層可以接i^^^應變至下方襯底的晶格^IL術(shù)語"鏡面平滑"意指在5iamx5inm面積內(nèi)的層均方才艮("RMS")表面凈l^il小于約5nm (由原子力顯微鏡測量)。在，實施方案中，在5nmx5Mm面積內(nèi)的脂S表面^Jl小于約lnm。圖2示出了才NM^L方法制備的厚的贗晶半^^層。提W^M^t底200。在實施方案中，半"Wt底200包括AlN或基^由AlN組成?？梢栽诎?f^M于底200的頂表面210上沉積一個或多個外^gr之前，通過平坦化(如
通過化學才;i^光)或清潔中至少4來調(diào)制半導^H"底200的頂表面no以
用于外處長。然后，在半導^t底200上沉積應變外延層220 (例4魂過有;I^T屬^f目外延)^^過其預期臨界厚度的厚度。從圖1中可以看出，在由A1N纟誠的半"l^t底200上生長的由AlxGaJ姿試的示例'l^卜^Jr 220的預期臨界厚度依賴于Al舍量x。在實施方案中，外延層220的厚^J^過其預期臨界厚度的至少5倍，或者甚至至少10倍，而JL^卜延層220保持為贗晶。外延層220的厚度甚至可超過其預期臨界厚度的20倍或更高。在某些實施方案中，夕卜^22Q實際上可由多個獨立的層構(gòu)成，每一層贗晶應變至半"HMt底200的晶格^lt所述多個層可包括具有漸變^a^
的層，例如包括A1N、 InN、和/或GaN的層，其中一種或多種ffl族原子的M 錄厚 化。這樣的層^i試上可以按不連續(xù)階躍漸變或幾性漸變，
木彿半*層(^示)上。在此tW下，夕卜M 220中的應變和其預期臨界 ;ivl將^ii^半"H^層的晶檔^^:的函數(shù)，而不是半"!M^t底200的晶格^lt 的函數(shù)。夕卜^22(H緣為贗晶，il^卜^ 220的厚艦過該預期臨界厚度的 至少5倍。在某些實施方案中，夕卜M 20的厚^1過該預期臨界厚度的至少 10倍或者甚至至少20倍。因而，半^#底200或者^^的^lfc半"f^^層可 以充當使外延層220應變的松弛"基臺"。據(jù)發(fā)現(xiàn)，在具有j^f、型位錯密度("TDD")的襯底如某些A1N襯底 上生長高應變的in族-氮^^^r的能力依賴于(i)襯底的晶體品質(zhì)；(ii) 表面調(diào)制；(iii)利7^面的晶向；(iv)^r濃復；(v)生長條fr，包括 襯底溫度和在生長期間的V-m族比率，和/或(vi)^^JL的漸變率。通過 在外處長期間^Mt低的表面Wil可以^^卜^r 220的+她最小4til消除。 層表面的粗糙化或島狀物的形成可導l^的有害松弛。在半"f^Mt底200表面 處的缺陷還可導致外延層220的粗糙化，所述缺陷可歸因于擴^4面的襯底 內(nèi)缺陷或不當?shù)谋砻媲鍧?。一S^凈i^t化，絲臺(terrace )側(cè)壁和外狄 面上的島狀物處產(chǎn)生應變木姚。當這些梯臺和島狀物結(jié)合時，在結(jié)合邊^(qū)h可 不利地形成高密度的螺型位錯。 '在夕M4^^期間，維持臺I^H危動(st印-f low)生絲助于抑制木姚， 并且臺階流動生長的合適^ff^賴于半"f^t底200的襯a向。當襯底非常 接近于軸上(即襯底的表面法線非常接^對齊主晶軸)取向時，跨襯底表面 的臺階密;1^低的。因此，進入的A1、 Ga、或In原子必須相對W巨離旨散， 以在臺階ii^處結(jié)合到生長中的夕卜^J:內(nèi)，即^#臺階流動生長。因而，可以 通過以下1緣臺階流動生長(i)增強生長物類的i^A^子的"^呈擴^/或 (ii)減小到達臺^Hi^的擴船巨離(即提高表面上的臺階密度)。可以通it^
較高溫度下(即高達約iioo'c)實^Ml^M^增強這樣的長禾ir散，或者在
不含In、高A1含量(如高于約50。/。的A1含量)的情況下，通過將生"i^顯度提
高至大于約iioox:至約i30(rc的范圍內(nèi)。在一些實施方案中，例如當Aii;jyL大于50%時，可以通iti^f^卜n^應器中氮物類(即v族物類)相比于m族物 類的比率來增強長禾1T散。在實施方案中，有益于增強生長物類的長禾i^散的 v-m比率為低于約iooo，且甚至可低于約io。半^#底200上的臺|^^ 的密度也可以通過提高主晶軸和襯底的表面法線之間的錯向得以提高(因而降
^^達臺階所需的擴擬巨離)。在一個實施方案中，半"Wt底200的錯向為約r。應變松弛的動力學勢壘還可以有利地用于產(chǎn)生厚的贗晶外延層。由
于A1N、 GaN和InN的任何合全(其中GaN或InN的^i:不為零)將比下方的 A1N襯底具有更大的松他晶格械，這些外^M將典型地都不育誠過開裂而松 弛?？梢酝ㄟ^形成働^立錯產(chǎn)生;f^&，該錯酉6f立旨行于A1N襯底和外延M 層之間的界面'從半^W于底200中擴^夕卜^ 220中的e^螺型位錯，或 者從由表面或由襯底200表面上的一些宏觀缺陷形成的新位錯環(huán)，可導致這些 錯酉M立錯。因而，消除半"HNt底200中的缺陷源產(chǎn)生了對+^的動力勢壘， 有利于制備厚的贗晶夕卜^ 220。在實施方案中，半^f^t底200具有小于約 106cm—2的螺型位錯密度。在其它實施方案中，半"!^t底200具有小于約104cm—2 或甚至小于約10^-2的螺型位錯密度。半"Wt底200還可以具有低于約100 cm—2的粒狄面缺陷密度。^j )這樣的優(yōu)化半^Wt底^^面缺陷處歸因于松
^y^制的e^位錯的滑動和位錯的皿最小化或消除。其余的松^f幾制(即位 錯環(huán)的表面成核)^jt于應變^x夠高的情況下以利于制備厚的贗晶外^。
因此，有利于制備厚度大于其預期臨界厚肚少約5倍的厚應變夕M^ 2M。 ith^卜，由于In可具有pJjh位^動和隨之產(chǎn)生的松他的附加效果，包含In的 應變夕卜^ 220可獲得比其預期臨界厚度^少約10倍的贗晶厚度。另外，在高應變#的厚外^的制備中，半"Wt底200的某些 晶向可能是特別有利的。特別地，Liu等人指出，GaN及其M的纖維鋅礦 (wurzite)晶體結(jié)構(gòu)的主滑移系為<11.2>{00.2}(參見R. Liu， J. Mei， S. Srinivasan， L Omiya， F, A. Ponce， D. Chems， Y. Narukawa and T. Mukai，" Misfit Dislocation Generation in InGaN Epilayers on Free-Standing GaN，" /羊/.45， L549(2006)，通過引用將其4^Z/Hf內(nèi)容并4 文)。在良好取向的c-面襯底(即襯底的表面法線與晶體的c-軸對齊)中該滑 移系將不起作用(active) , i^A因為晶格失配應變不會導致《勤可已分解的應力使位錯沿著該平面移動。該現(xiàn)象可能P艮制C-面襯底的合員切，以使能夠在 其上形成非常大的應變和/或厚的贗晶夕卜延層。但如上所述，有限的表面錯向有
利于臺階流動生長。因而在實施方案中，半"!^t底200的錯向大于0°但小于在一個工序中，如660申請中所述，調(diào)制了具有^^i錯密度(約5 x 103cnf2)的大的c-面A1N襯底。該^t底的幹切為約1°。將c-面A1N襯底的Al 極性表面(即(0001 )面)如美國專利No. 7037838 ( "'838專利")中所ii^r 式進fr^l制，通過引用將^^I^Hf內(nèi)容并A^文。在將襯底引入Aixtron型 200/4 RF-S有機金屬^目外延("OMVPE")反應器中后，在流動的氫^氨 氣的^^下將襯^>熱至~1100'(:。然后引人三曱基鋁("BIA")，并在襯 底上以約0. 6 ym/hr的生長i^率生長0. 3 ium厚的A1N緩沖層。然后，通過如下 方紐"WMAlxGahN:在15分沖的時間間隔內(nèi)，接入三甲基鎵("TMG") 并JJ^增加BIG而自減小TMA氣體流量以iif，J目標Al % ，以^tt長出約0.1 ym的線性漸變合t。在該i^^后，觀和TMG的流量j橫恒定，并且以約 1. 0 ]Ltm/hr的生^4率生長出鋁^ML為~ 63%且厚度約0. 6 nm的最終層。在生 長期間，將腔室壓力^#在~25至100毫巴。在生長工序期間將v-m比率保 持為500 - 2000。平行應變(即在襯底平面內(nèi)的應變)經(jīng)測量為稍大于0. 8 % ， 且表明為贗晶生長，盡管該層以多于一個數(shù)量級的幅M過預期臨界厚度。 AlxGa卜,N層的(00. 2 )和(IO. 2 )狄的雙晶co^^罷曲線狄(通過Philip X'Pert 系統(tǒng)測量)分別為50弧秒和60孤秒。平行于界面的應變經(jīng)測量為接近1 % ， 并JL^M^^相對下方的A1N襯底為贗晶。使用熔融KOH刻蝕來測量蝕坑密度以 確定AlxGanN夕卜^r中螺型位錯的密度。所測得的密度在0. 8-3 x 105(^一2范圍內(nèi)?？梢証JD相似的工序生長0. 6 jam厚的Al 50%的AlxGa,-xN合
^卜^。在此情況下，平行于界面的應變##在~1%,這占4^P贗晶應變的 約80%。在另一個工序中，如'660申請中所述，對位錯密^約5xl03cm—2 的大的c-面A1N襯底進行調(diào)制。*/838專利中所述，將c-面A1N襯底的Al極 小錄面(約l. 5。的偏離)進4預制。在將村底引入VeecoD180 0MVPE^^ 后，在流動的氫*氨氣的混合物下將襯底加熱至約U00'C。然后引入TMA， 并在襯底上以約0. 4 pm/hr的生^率生長0. 4 )am厚的A1N緩沖層。然后，通過如下方式生，^l: AlKGa』在6 ^4中的時間間隔內(nèi)，接入TMG并JU^f 增加TMG同時## TMA氣體流量以ii^ij目標Al % ，以<^長出約0. 05 n m的線 ')"鎖變^r。在該iiii^后，絲TMA和TMG的流量恒定，并且以約0, 8 jjm/hr 的生絲率生長出鋁M為~ 58 % JI厚度約0. 5 jam的最終層。在生長期間，將 腔室壓力保持在約20托。在生長工序期間，將V-in族比率^^為900- 3200。 平行應變經(jīng)測量為稍大于1.0%，并表明為贗晶生長，盡管該層超過了預期臨 界厚度高于一個數(shù)量級的幅度。盡管不理想的表面調(diào)制可提高位錯密度，但這可以通過改善表面調(diào) 制來彌補。對于低缺陷的A1N襯底，'838專利和美國專利申請No. 2006/0288929A1中描述了合適的表面調(diào)制技術(shù)，通過引用將^HFa內(nèi)容并由于(一個或多個)贗晶外延層220經(jīng)受很少或不經(jīng)受晶格松弛， 因jtb^中的螺型位錯密度可近似等于半"f^H"底200的螺型位錯密度。例如由
低于IO，OOO cnf2，典型為約1000 cur2, iMfc某些實施方案中，低于500 cm一2， 且甚至低于100 cm—2，所述位錯密度^t長于其上的贗晶外^所"繼承"。 在其它實施方案中，外^J: 200的螺型位錯密度可為半"W于底200的螺型位 錯密度的不超過約10倍。如jtbj氐的螺型位錯密度使得能夠制備高效率的紫夕卜發(fā) it^l管("UV LED")和^bt^L管("LD")，以及電子器件例如高頻(例 如〉2GHz)高功率工作的晶體管。在實施方案中，應變外延層220 J^含有由例如宏觀缺陷(例如 島狀物和針孔)的形成所致的局部彈性應變松弛(下面將進一步描述)。itW卜， 夕卜^yg: 220中的應變可近似完全為對襯底200晶格失配所產(chǎn)生的結(jié)果。例如由 于與襯底200的熱膨脹失配，因J^卜^J: 220將近似無應變。對于器件應用，夕卜J^ 220中的極^^可影響器件的性能。對于 在非極性的頂表面210 (例如由A1N組成的襯底200的a-面或m-面)上制備的 夕M6g 220，在該層中的極^Jt^錄小化。這使得后續(xù)形成的器件對與表面 相關(guān)的極<誠應固有地不敏感，并且^^Ul'l!i表面例如c-面上所生長的傳統(tǒng)器 件中所，賄到的直流-4 漂移(dispersion)得到消除或者最小化，另一方 面，沿
方向生長于c-面上的贗晶結(jié)構(gòu)可具有強的極^^應，該極^^1
1影響器件中的電荷分布。^it^，仔細,加在溝ii/勢壘界面處的極化電荷以
抵消從AlN緩沖結(jié)構(gòu)過渡的AlN/GaN異質(zhì)界面相關(guān)的背面^^t應。 器件應用 P艮制深紫外LED性能的關(guān)鍵問ll^有源器件區(qū)域中的高位錯密度， 該高位錯密度減小了器件的電氣效率、內(nèi)部量子效率("IQE")和壽命。簡言 之，如Sol id State Lighting R印ort (能源部，2007 )中所述，電^l^t率Ti v (定義為光子能量除以所脅的電壓和電子電荷的^f、，即h入/eV)，表示 轉(zhuǎn)化為光子能量的電能的量，通過引用將其4r^JiHf內(nèi)容并A^文。對于給定 的輸入功率，所脅的正向電壓由^ L管的特性決定，并城盡可能低以得到 最大電流(因而使能夠轉(zhuǎn)化為光子的電子數(shù)目最大)。IQE為半爭沐芯片的有 源區(qū)中所產(chǎn)生的光子與^A到LED中電子數(shù)目的比值。參見圖3，形成了贗晶紫夕卜^t^ L管("PUVLED")結(jié)構(gòu)300。提 ^NM^H"底305,其包括一種或多種半"H^料iSlS^由一種或多種半"^
材^lia成。在實施方案中，半導^N"底305包括m族-氮化物半導^t料例如
A1N 4^由111族-氮^^半"!^#辨']如A1N纟賦。可以將半^##底305斜 切以使其c-^^其表面法線之間的夾角為0.3°-4°。在他&實施方案中，半導 ^t底305表面的錯向為約1°。半^f^t底305的表面可以具有Al極'喊者N 極性，并且可以例^it過化學W^M^i行平坦化。在實施方案中，將半科 襯底305的表面按照'838專利所//^的方式進#^1制。對于10 um x 10 jum的面 積，半導^H"底的RMS表面粗^ilM小于約0. 5nm。在一些實施方案中，在 用原子力顯微^^沐測時育化表面上探測到原子級的臺階?？梢岳迷诶?在450。C下經(jīng)歷5分鐘的KOH-NaOH共晶刻蝕后的蝕坑密度測量來測量半"!^t 底305的螺型位錯密度。M地，螺型位錯密度小于約2xl03cm—2。在一些實 施方案中，襯底305具有甚至更低的螺型位錯密度，如上文關(guān)于半"Wt底200 所述。半"Wt底305上可以上覆(t叩)有同質(zhì)外延層(未顯示)，該同質(zhì)外 ^包括存在于半"Wt底300中的相同半導^#彬口 A1N,或者M由存在 于半導^H"底300中的相同半"fM^t彬口 A1N細成。在實施方案中，在半^Wt底305上形成漸變緩沖層310。漸變緩 沖層310可包^"種或多種半"!^#彬口 AlxGa^N ili^由一種或多種半"^材附口 AlxGai—xN纟賦。在她實施方案中，漸變緩沖層310與半^f^H"底305 的紐^其界面處大致相同，以^ii^維生長^^有害的島狀物形成(這樣 的島狀物形成可導lt^漸變緩沖層310和后續(xù)生長的層中產(chǎn)生不期望的舉f生應 變釋改)。通常將漸變緩沖層310在與后續(xù)生M (下丈^斤述)的界面處的組 ^i^L為接近于器件的期望有源區(qū)的組成(例如將導致從PUVLED發(fā)射出所需波 長的AlXa卜,N就)。在實財案中，漸變緩沖層310包括Mi々100。/。的Al濃 度x漸變至約60 %的Al M x的AlxGa;-xN。隨后，在漸變層310上方形成4#觸層320，且該底接觸層320可 包括，有至少一種雜質(zhì)例如Si的ALGa—XN， _^本由#^有至少一種雜質(zhì)例 如Si的AUJa,—xN組成。在實施方案中，底接觸層320中的A1濃度約等于漸變 層310中的最終Al艦x。底接觸層320可具有足夠的厚度，以防iL^器件制 備后(如下所述)產(chǎn)生電流擁桐口/或在刻蝕時停止以制備接觸。例如^^觸層 320的厚度可小于約200nm。當利用具有這樣的厚度的M觸層320時，最終的 PUVLED可以制備成帶背面接觸，如下文參照圖4B所述。在許多實施方案中， 即佳底接觸層320具有小的厚度，由于當該層為贗晶時##低缺陷密度，因此 該底接觸層320也>#有高的導電性。在底接觸層320上方制備多量子阱("MQF )層330。 MQW層330 對應于PUVLED結(jié)構(gòu)300的"有源區(qū)"，并且其包括多個量子阱，其中^-"個可 包括AlGaN ili^本由AlGaN組成。在實施方案中，MQW層330的每個周期包括 Al,GahN量子ff沐AlyGa卜yN量子阱，其中x與y不同。在艇實施方案中，x與 y的差M夠大以在t源區(qū)中獲得對電子和空穴的良好限制，因而使得,復 合對非絲復合具有高比率。在實施方案中，x和y的差值為約0. 05;例如x 為約0. 35且y為約0. 4。但是，如果x與y之間的差值過大，例如大于約0. 3, 則在MQW層330的形成期間將產(chǎn)生有害的島狀物形成。MQW層330可包括多個 這樣的周期，并且可具有小于約50nm的總厚度。在MQW層330上方可形成^i^ 的薄的電子阻擋(或者當n型接觸位于器件頂部時為空穴阻掉)層340,其包 括例如可M有一種或多種雜質(zhì)如Mg的AlxGa』，g本由例如可^H^有一種 或多種雜質(zhì)如Mg的ALGa卜XN組成。電子阻掉層340可具有例如為約20nm的厚 度。頂接觸層350形成于電子F雄層340上方，并且包括一種或多種半^# ^^'j如摻雜有至少一種雜質(zhì)如Mg的AlxGa』，iilS^由一種或多種半^I^Mt料例如摻雜有至少一種雜質(zhì)如Mg的AlxGai_xN組成。將頂接觸層350摻雜為n型或 者p型，但具有與底接觸層310相反的導電性。頂接觸層350的厚度為例如約 50nm-約100nm。頂接觸層350 J^A有M層360，其包^^絲具有與頂接 觸層350相同導電性的一種或多種半導^#料，i^本由經(jīng)M具有與頂接觸 層350相同導電性的一種或多種半"f^M^M賦。在一個實施方案中， 360包括^^有Mg的GaN，且具有約lOnm -約200nm的厚度，tt約50nm。在 一些實施方案中，可在頂接觸層350上直接形成高品質(zhì)的歐^^觸，且省略覆 蓋層360。盡管艦層310-350都為贗晶的，^A層360可為松弛的從而不 向下方的有源層中引入有害缺陷，所述有害缺陷會不利地影響PUVLED結(jié)構(gòu)300 的性能。如下文參照圖4A和圖4B所述，刻蝕和最^^觸的形成完成了 PUVLED 結(jié)構(gòu)300的形成。層310-350中的4^奉都是贗晶的，且#—層可獨立地具有 大于其預期臨界厚度的厚度，如Jii^斤述。jH^卜，包括層310-350的lt^層結(jié) 構(gòu)具有的總厚度可大于共同考慮各層的預期臨界厚度(即，對于多層結(jié)構(gòu)，即 使當孤立考慮"^個單獨層將小于其預期臨界厚度時，整個結(jié)構(gòu)仍具有預期臨 界厚度)。在優(yōu)選實施方案中，形成PUVLED結(jié)構(gòu)300 (和/或上述的應變外延 層220)，其J^含有(即，具有小于約lmra-2，或甚至為約0 mm—2)宏觀缺陷 例如針孔、艱昧(mound)、或者"V型坑"。在具有高位錯密度的GaN襯底上 生長例如應變InGaN層中經(jīng)常，Ji^到這樣的缺陷(參見T. L. Song, J. Appl. Phys. 98， 084906(2005)，通過引用將其^P內(nèi)容并A^文)。宏觀缺陷可導致(一 個或多個)贗晶層中的局部應變松弛，這因量子阱結(jié)構(gòu)的破壞(disr叩tion) 和/或p型接觸和n型接觸的M^而不利地影響由夕卜g所制備的辦，或者增 加了層的表面Wt度。在尺寸大于約0. l咖x約0. l咖的PUVLED的制備中，可 以有利船'j用無宏觀缺陷的PUVLED結(jié)構(gòu)300。 PUVLED結(jié)構(gòu)300具有約210咖-約320nm的發(fā)射波長,例如約280nm。 由于PUVLED結(jié)構(gòu)300中的至少大部分的層是贊晶的，因Jtit些層中的螺型位錯 密度小于約105cm—2，且可約等于襯底305中的螺型位錯密度。在實施方案中， PUVLED結(jié)構(gòu)300具有大于約10% (或者在一些實施方案中甚至大于約20% ) 的電光轉(zhuǎn)^t率(即，總的光渝出功率除以總的電輸入功率)和/或大于約ioooo 小時的壽命。
^it^L管(LD)結(jié)構(gòu)也可城晶結(jié)構(gòu) 。 to的'^Jt^l管結(jié) 構(gòu)將與PUVLBD結(jié)構(gòu)300相似，增加了適當?shù)丶s束光子以產(chǎn)生諧振腔的層。在邊 ^!射LD中，#1皆#^再定向為垂直于生長方向，并Jifii^理或刻蝕半^^ 層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生鏡面(mirror) 。 ^jtb情況下，MQW層330下方的層320和MQW上
直于層生長方向有效^t播，而無^^的吸收。例如可以增加圖3中才朽己為320、 340和3S0的層的數(shù)目。作為f^C，在垂JU^面發(fā)lt^^器("VCSEL")中， 可將層320、 340和350替換為將充當鏡面(如布^^gJt器)的多層結(jié)構(gòu)，以 產(chǎn)生^K狄子定向為半"!^層生長方向的光子腔。這樣，用氮^^半科制備 的半# LD可具有短于約300nm的發(fā)射波長，且在一些實施方案中短于約 280nm。參見圖4A和圖4B,可以利用不同的接觸方案與PUVLED結(jié)構(gòu)300相 結(jié)合。通過刻蝕例如等離子體刻蝕，穿過PUVLED結(jié)構(gòu)300中的層序列并且停止 于M觸層310^Ji或之內(nèi)，來形成PUVLED 400。 <^觸410、 420 ^^別形成于 ;y^觸層310上和;tA^ 360上。接觸410和420由導電材^HN如金屬形成， 該金屬例如Ni/Au合金(典型用于p型接觸)或Ti/Al/Ti/Au疊層(典型用于 n型接觸)，并且可以通過例如賊射或蒸發(fā)形成。4^觸410、 420可以包樹目同
相反的底接觸層310和M層360形成最佳接觸)。接觸420也可以包括紫外 ("UV" )M器。設計紫夕卜A^器以《組過將朝向接觸420 (v^t它們不能 從半，層結(jié)構(gòu)中逃逸)發(fā)射的光子進行再定向，并且將它們再定向為朝向所 需的發(fā)射表面，例如PUVLED的M面400、 450，從而改善在器件的有源區(qū)中 產(chǎn)生的光子的^^Wt率。在PUVLED 450中，接觸420也形成于;tA層360上方。但是，接觸 410 (其可為多個分離的接觸)形成于PUVLED有源層結(jié)構(gòu)的背面。在此情況下， ^ii^過例如才;i^f磨或拋;5b^襯底305減薄至150 iu m左右。由例如Ni形 成的掩模層(未顯示)形成于襯底305的背面上 過標準 ']進行圖案化。 通過例如等離子體刻蝕或濕法刻蝕^U'J^t底305的暴露區(qū)域，并且該刻蝕停 止于底接觸層310^Ji或之內(nèi)。通過檢測等離子體刻蝕器中的Ga而有利于使刻 蝕停止于底接觸層310上，&由于襯底305在多個實施方案中將為純A1N。然后在底接觸層310的^^露區(qū)^形^^觸410。可以叉指狀形^^觸410以 使PUVLED 450的iW出最大化。重要的是，在襯底305的背面上產(chǎn)生的漸縮結(jié)們離開圖4B i所示的襯底305刻蝕背面上顯示的漸縮務降尖端附近的發(fā)射表 面。這將J^地改善PUVLED的光子提Wt率，這是因為如^^殳有該漸縮結(jié)構(gòu)，由于這些半^#料的大折射系數(shù)，則僅有一小部分的定向為朝向平坦發(fā)射表 面(如同圖4A所示)的光子會落A^發(fā)射的臨M收錐形體中。對于A1N，接 收錐形體僅為約25°,逸就t木著定向為朝向平i^^射表面光子的約90% (假部魏且不育^糾逸出，從而不負M皮實現(xiàn)為有^L^射。
本文中所使用的術(shù)語和表i^式僅^U ]于說明而非限制，并JL^ 這樣的術(shù)i沐表達方式的使用中并不意圖排除所顯示和描述的特征的等同物或 其部分，但應認伊^，多種修改仍可能落A^發(fā)明的范圍內(nèi)。
^U'j要求如下
權(quán)利要求
1.半導體異質(zhì)結(jié)構(gòu)，包含氮化鋁單晶襯底；及外延生長于之上的至少一個應變層，所述層包含AlN、GaN、InN或者其任何兩元或三元合金的組合中的至少一種，其中所述應變層的厚度超過與之相關(guān)的預期臨界厚度的至少5倍。
2. ^F'虔求1的半*異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其中所ii^少一個應M的厚M過 所述預期臨界^厚度的至少10倍。
3. 權(quán)利要求1的半科異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其中所U少一個應變層^T、含In。
4. ^M要求1的半科異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其中所U少一個應變層具有小于約 lmnf2的宏觀缺陷密度。
5. 權(quán)利要求1的半*異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其中平行于所述至少一個應變層的應 變大于與所^少 一個應變層《J^目同的無應變^r^位于所述至少 一個應變 層下方的^^基臺之間平行晶格^ltt值的80%。
6. 權(quán)利要求5的半導體異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其中所述至少一個應變層包含 ALGa卜XN，所述至少一個應變層的厚度大于約200nm，且x小于約0.65。
7. 權(quán)利要求1的半*異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其中所述至少一個應變層的厚度大于 約1 iam。
8. 斥5U'J要求1的半*異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其中所述至少一個應M具有小于約 10000cm—2的平均螺型4立錯密度。
9. 權(quán)利要求1的半*異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其中用Matthews-Blakeslee理論計算所述預期臨界厚度。
10. 形成半*異質(zhì)結(jié)構(gòu)的方法，該方法包括 提供氮^4S單晶襯底；及在所述襯^Ji外;^;C^應變層，所ii^M包含AlN、 GaN、 InN或者其任 何兩it^三;^ir的組合中的至少一種，其中所^變層的厚JL^過與W目關(guān)的預期臨界厚度的至少5倍。
11. 權(quán)利要求10的方法，還包括在^^所#^^之前在所述襯底上方 形皿沖層。
12. 權(quán)利要求11的方法，還包括在所,沖層和所i^^g:之間形成漸變層。
13，權(quán)利要求10的方法，其中所述應變層的厚;t^it^斤述預期臨界厚度 的至少10倍。
14. ;)5^，J^求10的方法，其中所菲變層J^含In。
15. W，J要求10的方法，其中所擊^:具有小于約1咖_2的宏觀缺陷密度。
16. 權(quán)利要求10的方法，其中所述應Mr包含AlGaN，并JL^M^;L^所述 應變層包^J反應器內(nèi)引入三曱基鋁和三甲基鎵。
17. 似'j要求16的方法，其中在所述應變層的沉積期間，三甲基鎵的初 始流動速剩氐于三甲基鎵的最終流動速率。
18. 權(quán)利要求10的方法，其中用Matthews-Blakeslee理"^i十算所述預期 臨界厚度。
19. ;K^^"求10的方法，其中所述氮^^單晶^f頗于10nmxiOym的 面積具有小于約0. 5nm的RMS表面Wi變，表面錯向為約0. 3°-4°,且螺型位 錯密度小于約l(Tcm—2。
20. 權(quán)利要求10的方法，其中所it^變層的螺型位錯密度約等于所述氮 化鋁單晶襯底的螺型位錯密度。
21. 選自場效應晶體管、發(fā)^fel管和^t^L管中的器件，所述器件包 含至少,分應變異質(zhì)結(jié)構(gòu)，該應變異質(zhì)結(jié)構(gòu)包括氮^4S單晶襯底；及夕卜^i長于^Ji的至少一個應^，所^包含A1N、 GaN、 InN或者其任 何兩;^三it^ir的組合中的至少一種，其中所#變層的厚^1過與^目關(guān)的預期臨界厚度的至少IO倍。
22. 權(quán)利要求21的器件，其中用Matthews-Blakeslee理^ri十算所述預期 臨界厚度。
23. 積力j要求21的||#，其中所述器件為包含至少一個叉指型接觸的發(fā) it=*f 。
24. 選自場録晶體管、J^^L管和'^t^l管中的器件，所述器件包 含至少4分應變異質(zhì)結(jié)構(gòu)，該應變異質(zhì)結(jié)構(gòu)包括氮^4呂單晶襯底；及多個外延生長于之上的應變層,所述多個應變層中的每一個包含AlN、GaN、 InN或者其任何兩元或三it/^金的組合中的至少一種，其中所述多個應變層的總厚M過與W目關(guān)的預期臨界厚度的至少10倍。
25. 權(quán)利要求24的器件，其中所述多個應變層中每一個的平行于氮化鋁單 晶村M面的晶格Wt與所述氮化鋁單晶襯底的晶格參歐的差異小于0. 2%。
全文摘要
將半導體結(jié)構(gòu)制備成包括超過其預期臨界厚度的應變外延層。
文檔編號H01L21/20GK101652832SQ200880003002
公開日2010年2月17日 申請日期2008年1月25日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月26日
發(fā)明者J·A·斯馬特, J·R·格蘭達斯基, L·J·肖沃爾特, 劉仕文 申請人:晶體公司