專利名稱：用于裝置的含鎵和氮的超薄外延結(jié)構(gòu)的快速生長方法及結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及照明技術(shù)。更具體地，本發(fā)明的實施方式包括采用金屬-有機化學(xué)氣相沉積(“M0CVD”)工藝，在塊狀含鎵和氮的材料(bulk gallium and nitrogencontaining material)上，外延結(jié)構(gòu)快速生長的技術(shù)。本發(fā)明可用于如白光、多色光、平板顯示器照明和其他光電子裝置，以及其他應(yīng)用。
背景技術(shù)：
在十九世紀(jì)后期，托馬斯-愛迪生發(fā)明了電燈泡。傳統(tǒng)的電燈泡，通常稱之為“愛迪生燈泡”，已被應(yīng)用了超過100年。傳統(tǒng)電燈泡采用封閉于玻璃泡中的鎢絲，玻璃泡密封在一個底座上，底座被旋進一個插座中。插座與交流或直流電源耦聯(lián)。傳統(tǒng)電燈泡通?？梢栽谧≌⒔ㄖ锖蛻敉庹彰?，以及需要光的其他地方找到。遺憾的是，傳統(tǒng)愛迪生燈泡存在不足。那就是，傳統(tǒng)電燈泡散出大量熱能。用于傳統(tǒng)電燈泡的能量中超過90%是以熱能消散的。此外，傳統(tǒng)電燈泡常規(guī)故障通常歸因于燈絲元件的熱膨脹和收縮。熒光照明克服了傳統(tǒng)電燈泡的一些缺點。熒光照明采用一種充滿鹵素氣體的管狀結(jié)構(gòu)。管中的一對電極通過鎮(zhèn)流器耦聯(lián)到交流電源。當(dāng)氣體被激發(fā)時，就會放電，發(fā)光。通常管子用磷材料涂覆。許多建筑物采用熒光照明，而且最近，熒光照明已適用于可旋進標(biāo)準(zhǔn)白熾燈泡插座的底座。固態(tài)照明技術(shù)也是已知的。固態(tài)照明典型地依靠半導(dǎo)體材料來生產(chǎn)發(fā)光二極管(LED)。紅色LED最先被展示并用于商業(yè)。紅色LED采用磷化鋁銦鎵(AlInGaP)半導(dǎo)體材料。最近，Shuji Nakamura開創(chuàng)了應(yīng)用InGaN材料生產(chǎn)發(fā)藍色光譜中的光的LED。藍色LED導(dǎo)致了如藍光DVD機、固態(tài)白光和其他發(fā)展的改革。也已提出了其他顏色的LED，但是固態(tài)照明還存在局限性。在本說明書全文描述了這種局限性的更多細節(jié)，尤其是在下文。由上述可見，極度需要改進光學(xué)裝置的技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明主要涉及照明技術(shù)。更具體地，本發(fā)明的實施方式包括采用金屬-有機化學(xué)氣相沉積(“M0CVD”)工藝，在塊狀含鎵和氮的材料上，外延結(jié)構(gòu)快速生長的技術(shù)。本發(fā)明可被用于如白光、多色光、平板顯示器照明和其他光電子裝置，以及其他應(yīng)用。在一個具體實施方式
中，本發(fā)明提供了一種快速生長含鎵和氮的材料的方法。該方法包括提供具有表面區(qū)域的塊狀含鎵和氮的基底。該方法在塊狀含鎵和氮的基底表面形成具有第一厚度的第一外延材料。在一種優(yōu)選實施方式中，形成了假晶(pseudomorphically)的第一外延材料。該方法還在第一外延材料上形成第二外延材料，以形成疊層結(jié)構(gòu)(stacked structure)。在一種優(yōu)選的實施方式中，第二外延材料形成有源區(qū)域，例如結(jié)(junction)。優(yōu)選疊層結(jié)構(gòu)的總厚度不超過約2微米，并且以至少是光學(xué)或電學(xué)裝置的外延區(qū)域的主體部分(substantial portion)為特征。在這里應(yīng)用的詞“第一”和“第二”通常不意味任何順序或序列。在一個特定實施方式中，“假晶”通常是指這樣的一種晶格匹配過程，其中第一外延材料被晶格匹配到塊狀的含鎵和氮的基底上。在一個優(yōu)選的實施方式中，外延形成的氮化鎵材料和塊狀的含鎵和氮的基底具有基本上或完全晶格相互匹配的界面。在一個特定實施方式中，第一外延材料小于1微米或小于100納米。外延材料小于1微米或小于10納米厚。第一外延材料以lE4cm 1或小于IEkm 1的堆垛層錯密度，并且可能具有IEScnT2或小于IEScnT2的螺旋位錯為特征。外延材料以從第一層區(qū)域至第二層區(qū)域基本上均勻的缺陷密度為特征。優(yōu)選第一外延層和表面區(qū)域之間具有基本上不含例如GaN或AlN或AlGaN，或其他含鎵和氮材料的成核層的界面。該方法以快速生長時間為特征。在一個特定實施方式中，形成含鎵和氮外延材料的總生長時間少于1小時，通常少于30分鐘，還可以少于15分鐘。在一個特定實施方式中，該方法具有由總生長時間和升溫時間(temperature ramping time)表征的室內(nèi)時間(chamber time)。室內(nèi)時間可能少于1小時，還可少于30分鐘。在一個特定實施方式中，該方法具有循環(huán)時間，包括室內(nèi)時間和裝載及卸載時間，少于2小時，還可少于1小時，甚至少于30分鐘。在一個特定實施方式中，含鎵和氮的材料由每小時4微米或更高的生長速率表征，并且η-型含鎵和氮的材料的生長速率是每小時6微米或更高。在一個特定實施方式中，P-型含鎵和氮的材料以每小時2微米或更高地生長。較高的生長速率優(yōu)選通過大氣MOCVD反應(yīng)器的方式產(chǎn)生，但是壓力可以稍高于或低于大氣壓力。對于η-型含鎵和氮的材料(例如包括硅摻雜劑)，生長溫度范圍從約950°C至1200°C或更高；對于P-型含鎵和氮的材料(例如包括鎂摻雜劑)，生長溫度范圍從950°C至約1025°C。應(yīng)當(dāng)注意的是傳統(tǒng)MOCVD反應(yīng)器包括與基座耦聯(lián)的熱電偶溫度裝置，其夾持工件和/或基底，盡管可能有變化。在另一個實施方式中，可以在如盒式(autocassette，自動卡帶式)的能按自動生長順序操作多個晶片的反應(yīng)器中形成一個或多個外延材料。在這樣的配置中，從生長室到裝載鎖(Ioadlock)的晶片裝載和卸載可以自動執(zhí)行，沒有間斷或等待晶片在裝載鎖和實驗室或生產(chǎn)車間之間的轉(zhuǎn)移。一種配置是采用機械手(robotic arm)在裝載鎖室和反應(yīng)室之間轉(zhuǎn)移晶片。在這樣的配置中，在基座或托盤上，晶片轉(zhuǎn)移到生長室和從生長室轉(zhuǎn)移，晶片將進行外延生長。在優(yōu)選的實施方式中，基座或托盤含多個晶片，以使在反應(yīng)室中可形成一個或多個外延材料，并且可以同時在多個晶片上生長。在這里應(yīng)用的術(shù)語盒式通常指具有一系列托盤的卡帶，每一個托盤上有一個基底晶片或工件，以便每一個工件按順序自動裝載。在優(yōu)選的實施方式中，包含多種基底或工件的卡帶保留在與MOCVD室耦聯(lián)的室內(nèi)，從而減少操作時間等。本發(fā)明實現(xiàn)了用多晶片盒式實現(xiàn)快速生長，例如超快速生長的方法和系統(tǒng)。在一個特定實施方式中，該方法和系統(tǒng)可以設(shè)置為大氣壓力生長，由于實現(xiàn)了更快的生長速率，因而需要更短的生長時間，這是所期望的。在一個特定實施方式中，采用多晶片卡帶，本系統(tǒng)和方法可以設(shè)置為大的基底，比如4英寸、6英寸及更大。在一個優(yōu)選實施方式中，該方法還引起雜質(zhì)從生長界面遷移出去。本發(fā)明還可用于在藍色、紫色、綠色、黃色和其他顏色范圍發(fā)光的一系列光學(xué)裝置。當(dāng)然，可以有其他變化、改進和替代。本發(fā)明提供了一種快速生長含鎵和氮的材料的方法。該方法包括提供具有表面區(qū)域的塊狀含鎵和氮的基底，并且以至少每小時4納米的生長速率形成疊加在塊狀含鎵和氮的基底的表面區(qū)域的具有第一層厚度的第一外延材料。以假晶結(jié)構(gòu)形成了疊加在塊狀含鎵和氮的基底的表面區(qū)域的第一外延材料。該方法包括形成疊加在第一外延材料上的一層或多層第二外延材料，且設(shè)定形成疊層結(jié)構(gòu)。然而在其他實施方式中，可以在單個或多個反應(yīng)室中形成一個或多個外延材料。在特定實施方式中，可以在單個反應(yīng)室和/或多個反應(yīng)室或任意組合中形成一個或多個或所有外延材料。在優(yōu)選的實施方式中，在不變的溫度分布中形成一個或多個外延材料。當(dāng)然，可以有其他變化、改進和替代。該方法提供了平滑的外延材料。作為例子，η-型含鎵和氮的材料，表面粗糙度表征為約Inm RMS及在5微米空間區(qū)域內(nèi)少于5微米。作為例子，ρ-型含鎵和氮的材料，表面粗糙度表征為約Inm RMS及在5微米空間區(qū)域內(nèi)少于5微米。通過參考本說明書的后面部分和附圖可進一步了解本發(fā)明的本質(zhì)和優(yōu)勢。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式，采用厚外延層的一個傳統(tǒng)光學(xué)裝置的簡化圖解；圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式，一個光學(xué)裝置的簡化圖解；圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式，一種加工方法的簡化圖示；圖4是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式，一種光學(xué)裝置加工方法的溫度與生長時間的簡化圖；圖5是對比藍寶石上的傳統(tǒng)光學(xué)裝置和根據(jù)本發(fā)明的實施方式的光學(xué)裝置的簡化圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式，一種光學(xué)裝置的生長方法的簡化圖示；圖7是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式，一種整流ρ-η結(jié)二極管的生長方法的簡化圖示；圖8是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式，一種高電子遷移率晶體管或金屬-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管的生長方法的簡化圖示。
具體實施例方式我們發(fā)現(xiàn)，在紫外和可見光區(qū)域發(fā)光的傳統(tǒng)的基于GaN的發(fā)光二級管(LED)是基于在一種例如藍寶石、碳化硅或硅的非GaN基底上引發(fā)生長的異質(zhì)外延生長。這是由于獨立GaN基底的來源有限和高成本，這已阻止了其用于LED生產(chǎn)中的可行性。然而在過去兩年，塊狀GaN技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展迅猛，為在LED生產(chǎn)中大規(guī)模應(yīng)用帶來了希望。這一技術(shù)手段將為LED的性能和生產(chǎn)帶來利益。參考圖1，在外來基底上生長通常需要在基底界面上有低溫或高溫成核層；用以緩解在GaN/基底界面上形成的失配缺陷的技術(shù)如橫向外延過度生長技術(shù)；在基底和發(fā)光活性層之間生長的，用以減少失配缺陷的負面影響的厚的緩沖層，通常包括η-型GaN，但是也可以是其他的如hxAlyGai_x_yN ；置于基底和發(fā)光活性層之間的hGaN/GaN或AlGaN/GaN超晶格，用以提高在應(yīng)變緩解、缺陷緩解或其他一些機制中的放射效率；置于基底和發(fā)光活性層之間的InGaN或AlGaN緩沖層，用以提高在應(yīng)變緩解、缺陷緩解或其他一些機制中的放射效率；以及更厚的P-型GaN層，用以緩解靜電放電(ESD)和減少漏電流。同時包括所有這些層在內(nèi)，傳統(tǒng)LED的生長可能會耗時4-10小時。通過在塊狀GaN基底上生長LED，可以取消低溫成核層，例如圖2中所示。此圖只是一個示意，而不應(yīng)過度限制本說明書中的權(quán)利要求范圍。本領(lǐng)域的一個普通技術(shù)人員可意識到另外的變化、改進和替換。由于沒有失配位錯，缺陷緩解技術(shù)如橫向外延過度生長不是必需的。通常不必在基底和活性區(qū)域之間采用合金超晶格或合金層來提高放射效率。將基底與發(fā)光層分離的緩沖層可以做到超薄，從1-2微米一直到10-20納米或完全取消。所有這些對于層厚度和所含層要求的放寬限制，總的外延疊層厚度可減小到傳統(tǒng)LED結(jié)構(gòu)的一部分?？侺ED厚度可減小到250納米以下，并且理論上可一直減小到30納米。作為結(jié)果，總LED生長時間可減小到1小時以下，理論上可一直減小到15分鐘。此外，由于在外來基底上生長的傳統(tǒng)LED中所需的許多不同生長層通常需要不同的生長溫度，因而在LED結(jié)構(gòu)中生長層數(shù)的減少還將使生長調(diào)節(jié)中所需的升溫過程更少。由于總生長時間減少，升溫時間在總循環(huán)時間中所占分?jǐn)?shù)變得更加顯著。因此，在這一方案中所需的簡化的升溫過程對于高的生長產(chǎn)量是關(guān)鍵的。由于晶片所需的室內(nèi)時間急劇減少，當(dāng)試圖減少總生長循環(huán)時間時，從生長工具上裝載和卸載晶片所需的晶片操作時間變得愈加重要。就是說，如果在每一生長進程的開始和結(jié)束時有15-30分鐘的裝載和卸載時間，與這些步驟相關(guān)的總時間會是30-60分鐘。所需室內(nèi)時間少于1小時，裝載和卸載步驟將構(gòu)成總循環(huán)時間的1/3至1/2。裝載和卸載時間的重要部分是由對生長室和外界環(huán)境之間的裝載物抽氣和充氣組成的。其目的是為了防止雜質(zhì)以它們的方式進入到生長室中，并防止生長的產(chǎn)品離開生長室。設(shè)置用于在生長室和配備用于存放后續(xù)生長晶片的晶片卡帶的裝載鎖室之間來回自動轉(zhuǎn)換晶片的生長工具將提供總生長循環(huán)時間兩倍的縮減量。首先，由于裝載鎖裝載和卸載整個卡帶只需要被抽氣和吹掃一次，因而須更少的抽氣和吹掃循環(huán)。就是說，如果卡帶可夾持10個順序生長的晶片，對于裝載和卸載循環(huán)，只要共有一次對全部10個晶片的抽氣和吹掃，而不是對每個晶片分別進行。因此總的抽氣吹掃時間將會縮短為原來的10分之一。第二個時間縮短的根源是由自動裝載和卸載機制啟用的熱晶片操作。這是由于由金屬或其他材料構(gòu)造的轉(zhuǎn)換機械可承受高溫的這一事實，并且由于晶片在熱的時候不會接觸到周圍環(huán)境，因而不會有污染的可能性。本方法和結(jié)構(gòu)的這些以及其他特征可以在本說明書全文找到，尤其是在下文。最后，可將這種超快速生長方法與以上描述的盒式特征和將2個或多個基底裝載于同一室的多晶片MOCVD反應(yīng)器的運用相結(jié)合。在另一改進中，通過為反應(yīng)器配備多個室，其中每一個室都保持不同溫度，溫度循環(huán)時間和穩(wěn)定時間可以最小化。這一配置會采用轉(zhuǎn)移臂來從一個室移動晶片到其他室。圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式，一種加工方法的簡化圖示。此圖只是一個示意，而不應(yīng)過度限制本說明書中的權(quán)利要求范圍。本領(lǐng)域一個普通技術(shù)人員可識別另外的變化、改進和替換。
圖4是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式，一種光學(xué)裝置加工方法的溫度與生長時間的簡化圖。此圖只是一個示意，而不應(yīng)過度限制本說明書中的權(quán)利要求范圍。本領(lǐng)域一個普通技術(shù)人員可識別另外的變化、改進和替換。如圖所示，垂直軸代表以攝氏度計的熱電偶溫度，而水平軸代表以分鐘計的生長時間。如圖所示，由1’、2’、3’所代表的曲線顯示了在塊狀含氮化鎵材料上非極性LED的生長。塊狀氮化鎵材料是非極性GaN，但是可以是其他的。圖上還顯示，由1、2、3、4、5、6、7所代表的曲線顯示了在藍寶石材料上傳統(tǒng)C-平面LED裝置的生長。表中對比了傳統(tǒng)LED結(jié)構(gòu)在外來基底上和在塊狀基底上生長的生長時間。關(guān)于1，是在塊狀GaN上生長的LED結(jié)構(gòu)，但活性區(qū)域的生長采用溫度循環(huán)。關(guān)于2，在塊狀GaN上生長的LED結(jié)構(gòu)沒有溫度循環(huán)，即所有的層上都在相同的溫度下生長。清楚地，塊狀氮化鎵材料的生長時間明顯少于傳統(tǒng)C-平面LED裝置的生長時間。生長時間的明顯減少是通過除去生長層如成核層、InGaN/GaN超晶格和通過減少η-和ρ-GaN覆層的厚度完成的。當(dāng)然，可以有其他的變化、改進和替換。圖5是對比藍寶石上的傳統(tǒng)光學(xué)裝置和根據(jù)本發(fā)明的實施方式的光學(xué)裝置的簡化圖。此圖只是一個示意，而不應(yīng)過度限制本說明書中的權(quán)利要求范圍。本領(lǐng)域一個普通技術(shù)人員可識別另外的變化、改進和替換。圖6是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式，一種光學(xué)裝置的生長方法的簡化圖示。此圖只是一個示意，而不應(yīng)過度限制本說明書中的權(quán)利要求范圍。本領(lǐng)域一個普通技術(shù)人員可識別另外的變化、改進和替換。如圖所示，此生長序列包括至少(I)n-型外延材料；(2)活性區(qū)域；(3)電子阻擋區(qū)域；和(4)p-型外延材料。當(dāng)然，可以有另外的變化、改進和替換。本方法的更多細節(jié)可以在本說明書全文找到，尤其是在下文。1、塊狀晶片任意取向，例如，極性、非極性、半極性、C-平面基于(Al，Ga，In)N 的材料螺旋位錯(TD)密度< lE8cm_2堆垛層錯(SF)密度< IEkm-I摻雜> lE17cm_32、η-型外延材料厚度 < 2um，< lum, < 0. 5um, < 0. 2um基于(Al，Ga，In)N 的材料生長溫度< 1200°C，< 1000°C無意摻雜(UID)或摻雜3、活性區(qū)域至少一層AlInGaN 層多量子阱(MQW)結(jié)構(gòu)量子阱厚度>20A，> 50A, > 80A量子阱和η-層及P-層生長溫度相同，或相似發(fā)光波長< 575nm, < 500nm, < 450nm, < 4IOnm4、ρ-型外延材料至少一層Mg摻雜層
9
厚度 < 0. 3um, < 0. Ium基于(Al，Ga，In)N生長溫度<1100°C，< IOOO0C, < 900°C至少有一層作為電子阻擋層至少有一層作為接觸層當(dāng)然，可以有另外的變化、改進和替換。在本說明書全文描述了更多細節(jié)，尤其是在下文。在一個特定實施方式中，本方法提供了一種塊狀含鎵和氮的基底。在一個特定實施方式中，氮化鎵基底部分是一種以具有半極性或非極性結(jié)晶表面區(qū)域為特征的塊狀GaN基底，但可以是其他的。在一個特定實施方式中，塊狀氮化物GaN基底包括氮，并且表面位錯密度低于105cm_2。氮化物結(jié)晶或晶片可包括AlxInyGai_x_yN，其中0彡x，y，x+y彡1。在一個特定實施方式中，氮化物結(jié)晶包括GaN，但可以是其他的。在一個或多個實施方式中，GaN基底帶有螺旋位錯，密度在約IO5CnT2和約IO8CnT2之間，其方向相對于表面基本上為正交或斜交。作為位錯的正交或斜交取向的結(jié)果，表面位錯密度低于約105cnT2。在一個優(yōu)選實施方式中，本方法可包括一種設(shè)定為任意取向例如C-平面、a-平面、m-平面的含鎵和氮的基底。在一個特定實施方式中，基底優(yōu)選基于(Al，fet，In)N?；椎穆菪诲e(TD)密度< lE8cm_2，堆垛層錯(SF)密度< 5E3cm-l，并且可被硅和/或氧摻雜，摻雜濃度> lE17cm-3。當(dāng)然，可以有另外的變化、改進和替換。如圖所示，本方法形成了疊加在含鎵和氮基底表面的η-型材料。在一個特定的實施方式中，形成了外延生長的η-型材料，厚度小于2微米，或小于1微米，或小于0. 5微米，或小于0.2微米，或可以是其他的。在一個特定的實施方式中，η-型材料是基于(Al，Ga, Ιη)Ν的。生長發(fā)生采用低于約1200°C或低于約1000°C的溫度，但通常高于950°C。在一個優(yōu)選實施方式中，η-型材料無意摻雜(UID)或采用硅類(例如Si)或氧類(例如02)摻雜。在一個特定實施方式中，摻雜劑可來源于硅烷、二硅烷、氧等等。在一個特定實施方式中，η-型材料作為η-型(硅摻雜的)GaN的接觸區(qū)域，并以厚度約5微米且摻雜水平約2X1018cm-3為特征。在一個優(yōu)選實施方式中，含鎵和氮的外延材料在大氣壓力下以金屬有機化學(xué)氣相沉積法(MOCVD)沉積在基底上。在生長過程中，V族前驅(qū)體(氨)和III族前驅(qū)體(三甲基鎵、三甲基銦、三甲基鋁)的流量比在約3000至約12000之間。當(dāng)然，可以有另外的變化、改進和替換。在一個優(yōu)選實施方式中，本方法形成了疊加在η-型接觸區(qū)的活性區(qū)域?；钚詤^(qū)域包括至少一層AlInGaN層，優(yōu)選包括多量子阱結(jié)構(gòu)。每一個量子阱的特征可以是厚度小于等于20埃，小于等于50埃，或小于等于80埃，或其組合等等?；钚詤^(qū)域還可選地包括一個或多個阻隔區(qū)。在一個特定實施方式中，η-型接觸區(qū)和量子阱區(qū)的生長溫度是相同的或稍有不同。在一個優(yōu)選實施方式中，MQW結(jié)構(gòu)被設(shè)定為發(fā)射小于等于500nm、小于等于450nm、小于等于410nm、或其他的光波。在一個特定實施方式中，沉積未摻雜AlGaN的電子阻擋區(qū)。在一個特定實施方式中，阻擋區(qū)厚度小于等于0. 3微米或小于等于0. 1微米。在一個優(yōu)選實施方式中，沉積ρ-型GaN接觸區(qū)。ρ-型接觸區(qū)的生長溫度優(yōu)選小于等于1100攝氏度或小于等于1000攝氏度或小于等于900攝氏度。銦錫氧化物被電子束蒸鍍到ρ-型接觸層上作為P-型接觸，并快速退火。采用一種基于氯的電感耦合等離子(ICP)技術(shù)通過光刻和干刻蝕工藝形成了尺寸約300 X 300 μ m2的LED平臺。Ti/Al/Ni/Au被電子束蒸鍍到暴露的n_GaN層上，以形成η-型接觸，Ti/Au被電子束蒸鍍到ITO層的一部分上，以形成ρ-接觸板，且晶片被切割成分離的LED基座。電子接觸通過傳統(tǒng)的引線接合形成。當(dāng)然，可以有另外的變化、改進和替換。在另外的實施方式中，本方法是以快速生長時間為特征。在一個特定實施方式中，總生長時間由形成含鎵和氮的外延材料來表征?？偵L時間為小于1小時，小于30分鐘，小于15分鐘，或其他的。在一個特定實施方式中，本方法具有由總生長時間和升溫時間表征的室內(nèi)時間。室內(nèi)時間可為小于1小時，小于30分鐘，或其他的。在一個特定實施方式中，本方法具有由室內(nèi)時間和裝載及卸載時間提供的循環(huán)時間。循環(huán)時間可為小于2小時，小于1小時，小于30分鐘，或其他的。在一個特定實施方式中，含鎵和氮的材料由每小時4微米或更高的生長速率來表征，或η-型含鎵和氮的材料由每小時6微米或更高的生長速率來表征。在一個特定實施方式中，P-型含鎵和氮的材料以每小時2微米或更高的速率生長。更高的生長速率優(yōu)選由大氣壓的MOCVD反應(yīng)器發(fā)生，也可稍高于或低于大氣壓。對于η-型含鎵和氮的材料(例如包括硅摻雜劑)，生長溫度可在約950攝氏度到1200攝氏度或更高的溫度范圍?；蛘邔τ赑-型含鎵和氮的材料(例如包括鎂摻雜劑)，可在950攝氏度到約1025攝氏度的溫度范圍。當(dāng)然，可以有另外的變化、改進和替換。在一個優(yōu)選實施方式中，本方法提供了一種平滑的生成外延材料。作為例子，η-型含鎵和氮的材料，表征其表面粗糙度為約InmRMS和每5微米空間面積小于5微米。在一個特定實施方式中，作為例子，P-型含鎵和氮的材料，表征其表面粗糙度為約InmRMS和每5微米空間面積小于5微米。當(dāng)然，可以有另外的變化、改進和替換。圖7是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式，一種整流ρ-η結(jié)二極管的生長方法的簡化圖示。此圖只是一個示意，而不應(yīng)過度限制本說明書中的權(quán)利要求范圍。本領(lǐng)域一個普通技術(shù)人員可識別另外的變化、改進和替換。如圖所示，此生長序列包括至少(I)n-型外延材料；和(4)ρ_型外延材料。當(dāng)然，可以有另外的變化、改進和替換。本方法的更多細節(jié)可以在本說明書全文找到，尤其是在下文。1、塊狀晶片
任意取向
基于(Al，Ga, In)N
螺旋位錯(TD)密度< lE8cm-2
堆垛層錯(SF)密度< 5E3cm-l
摻雜> lE17cm-3
2、η-型層
< 2um, < lum, < 0. 5um, < 0. 2um
基于(Al，Ga, In)N
生長溫度< 1200°C，< IOOO0C
UID或摻雜
3、ρ-型層
至少一層Mg摻雜層
< 0. 3um, < 0. Ium
基于(Al，Ga，In)N生長溫度<1100°C，< IOOO0C, < 900°C至少有一層作為電子阻擋層至少有一層作為接觸層當(dāng)然，可以有另外的變化、改進和替換。更多細節(jié)在本說明書全文描述。圖8是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式，一種高電子遷移率晶體管或金屬-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管的生長方法的簡化圖示。此圖只是一個示意，而不應(yīng)過度限制本說明書中的權(quán)利要求范圍。本領(lǐng)域一個普通技術(shù)人員可識別另外的變化、改進和替換。如圖所示，此生長序列包括至少(1)無意摻雜外延材料(緩沖層)；和(4) 一 (AlInGaN)阻隔層，無意摻雜或n-型外延材料。當(dāng)然，可以有另外的變化、改進和替換。本方法的更多細節(jié)可以在本說明書全文找到，尤其是在下文。1、塊狀晶片任意取向基于(Al，Ga，In)N螺旋位錯(TD)密度< lE8cm_2堆垛層錯(SF)密度< 5E3cm_l摻雜> lE17cm-32、緩沖層< 2um, < lum, < 0. 5um, < 0. 2um基于(Al，Ga，In)N生長溫度< 1200°C，< 1000°CUID或摻雜至少有一層！^或C摻雜的半絕緣層3、阻隔層< 0. lum, < 500nm, < 30nm基于(Al，Ga，In)N生長溫度<1200°C，< IlOO0C, < 1000°C至少有一層摻雜Si當(dāng)然，可以有另外的變化、改進和替換。更多細節(jié)在本說明書全文描述。在一個特定實施方式中，氮化物晶體包含氮，并且表面位錯密度低于105cm_2。氮化物結(jié)晶或晶片可包括AlxIny(iai_x_yN，其中0彡X，y，x+y彡1。在一個特定實施方式中，氮化物晶體包含GaN。在一個優(yōu)選實施方式中，在至少3毫米的長度范圍內(nèi)，氮化物晶體基本上沒有小角度晶界，或傾斜邊界。氮化物晶體還可包括一層至少在一個波長上光吸收系數(shù)高于lOOOcm—1的釋放層，在這一波長上，釋放層下面的基體晶體是大體透明的，光吸收系數(shù)低于50CHT1，此外還可包括一層高品質(zhì)的外延層，其表面位錯密度也低于105cm_2。釋放層可在氮化物基體晶體和高品質(zhì)外延層不被刻蝕的情況下被刻蝕。當(dāng)然，可以有另外的變化、改進和替換。在一個特定實施方式中，基底可具有(0 0 0 1)、(0 0 0 -1)、{1 -1 0 0}、{1 1-2 0}、{1 -10 士 1}、{1 -1 0 士2}、{1 -1 0 士3}，或{1 1 -2 士2}的 10 度以內(nèi)、5 度以內(nèi)、2度以內(nèi)、1度以內(nèi)、0.5度以內(nèi)、0.2度以內(nèi)的大表面取向?；卓删哂械陀贗O4CnT2、低于103cm-2,或低于IO2CnT2的表面位錯密度。氮化物基體晶體或晶片可在約465nm至約700nm之間的波長具有低于lOOcnT1、低于50CHT1或低于5CHT1的光吸收系數(shù)。氮化物基體晶體可在約700nm至約3077nm之間以及約3333nm至約6667nm之間的波長具有低于lOOcnT1、低于50cm—1或低于5cm—1的光吸收系數(shù)。當(dāng)然，可以有另外的變化、改進和替換。以上是特定實施方法的完整描述，可采用各種改進、替代構(gòu)造及等效物。作為一個例子，本發(fā)明可應(yīng)用于采用盒式的MOCVD反應(yīng)器，其中的卡帶夾持兩個(或十個或更多)或多個單獨的晶片，或多晶片反應(yīng)器的晶片盤。在一個或多個實施方式中，外延結(jié)構(gòu)可形成能發(fā)射在390-420nm、420-460nm、460-4500nm、500-600nm及其他范圍內(nèi)的電磁輻射的LED裝置。在一個特定實施方式中，各種裝置如p-n 二極管、肖特基、晶體管、高電子遷移率晶體管(HEMT)、雙極結(jié)晶體管(BJT)、異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBT)、金屬-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MESFET)、金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)、金屬-絕緣體-半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管(MISHFET)、組合及其他的。在替代實施方式中，本方法可應(yīng)用于激光二極管裝置，如那些在美國序列號12/759，273(代理人案卷號為027600-000210UQ中所描述的，在此通過引用并入本申請中。在一個或多個實施方式中，含鎵和氮的材料可表征為一個或多個表面取向，例如，非極性、半極性、極性。本發(fā)明的更多細節(jié)可以在本說明書全文找到，尤其是在以下實例中。實施例為證實本實驗的原理和操作，我們實施了某些實驗。我們展示了以每小時4微米或更高的高生長速率生長的高品質(zhì)GaN外延薄膜。這個實驗是采用配備有提到的反應(yīng)氣的大氣壓MOCVD反應(yīng)器實施的。反應(yīng)室設(shè)置為可為提到的生長提供熱能。反應(yīng)溫度由與夾持塊狀晶片的基座耦聯(lián)的熱電偶來測量。認為生長溫度略低于本文提及的溫度。此外，還采用以下參數(shù)實施了實驗。1、塊狀晶片:非極性，半極性，或極性基于GaN的材料螺旋位錯(TD)密度< lE8cm_2堆垛層錯(SF)密度< IEkm-IN-型硅摻雜> lE17cm_32、N-型外延材料厚度 < 2um基于(Al，Ga，In)N 的材料950°〇<生長溫度 < 1050°CSi 摻雜25微米范圍粗糙度2nm RMS我們展示了采用快速生長技術(shù)在25微米范圍內(nèi)表面粗糙度為2nmRMS及更小的高品質(zhì)薄膜。當(dāng)然，可以有另外的變化、改進和替換。以上是特定實施方法的完整描述，可采用各種改進、替代構(gòu)造及等效物。作為一個例子，本發(fā)明可應(yīng)用于采用盒式的MOCVD反應(yīng)器，其中的卡帶夾持兩個(或十個或更多)或多個單獨的晶片，或多晶片反應(yīng)器的晶片盤。在一個或多個實施方式中，外延結(jié)構(gòu)可形成能發(fā)射在390-420nm、420-460nm、460-4500nm、500-600nm及其他范圍內(nèi)的電磁輻射的LED 裝置。在一個特定實施方式中，各種裝置如p-n 二極管、肖特基、晶體管、高電子遷移率晶體管(HEMT)、雙極結(jié)晶體管(BJT)、異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBT)、金屬-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 (MESFET)、金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)、金屬-絕緣體-半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管(MISHFET)、組合及其他的。在替代實施方式中，本方法可應(yīng)用于激光二極管裝置，如那些在美國序列號12/759，273(代理人案卷號為027600-000210UQ中所描述的，在此通過引用并入本申請中。在一個或多個實施方式中，含鎵和氮的材料可表征為一個或多個表面取向，例如，非極性、半極性、極性。因此，以上的描述和圖示不應(yīng)作為對本發(fā)明的范圍的限制，本發(fā)明的范圍由附加權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1.一種含鎵和氮的材料的快速生長方法，包括提供具有表面區(qū)域的塊狀含鎵和氮的基底；形成疊加在所述塊狀含鎵和氮的基底的所述表面區(qū)域的具有第一厚度的第一外延材料，所述第一外延材料假晶地形成疊加在所述塊狀含鎵和氮的基底的所述表面區(qū)域；以及形成疊加在所述第一外延材料上的一個或多個第二外延材料，并構(gòu)造成疊層結(jié)構(gòu)；由此所述疊層結(jié)構(gòu)的總厚度小于約2微米，并且以光學(xué)或電學(xué)裝置的外延區(qū)域的至少主要部分為特征。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述第一外延材料小于1微米。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述第一外延材料小于500nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述第一外延材料小于lOOnm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述一個或多個第二外延材料小于1微米。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述一個或多個第二外延材料小于約500nm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述一個或多個第二外延材料小于約lOOnm。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述一個或多個第二外延材料小于約lOOOnm。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述第一外延材料以堆垛層錯密度小于等于lE4cm-l為特征。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述第一外延材料以螺旋位錯小于等于lE8cm-2或小于等于lE6cm-2為特征。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述第一外延材料以從第一區(qū)域到第二區(qū)域基本上均勻的缺陷密度為特征。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述基本上均勻的缺陷密度是基本均勻的。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述基本上均勻的缺陷密度是完全均勻的。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述第一外延材料和所述表面區(qū)域包括基本上沒有一個或多個成核層的界面。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述總厚度小于約1微米。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述總厚度小于約500nm。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述總厚度小于約200nm。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述疊層結(jié)構(gòu)是在特征是形成含鎵和氮的外延材料的總生長時間之內(nèi)提供的。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，所述總生長時間小于1.5小時或小于2小時。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，所述總生長時間小于1小時。
21.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，所述總生長時間小于30分鐘。
22.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，所述總生長時間小于15分鐘。
23.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述疊層結(jié)構(gòu)是在由總生長時間和升溫時間表征的室內(nèi)時間內(nèi)提供的。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中，所述室內(nèi)時間小于1小時或小于1.5小時。
25.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中，所述室內(nèi)時間小于30分鐘。
26.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述疊層結(jié)構(gòu)是在由室內(nèi)時間和裝載及卸載時間表征的循環(huán)時間內(nèi)提供的。
27.根據(jù)權(quán)利要求沈所述的方法，其中，所述循環(huán)時間小于2小時或小于2.5小時。
28.根據(jù)權(quán)利要求沈所述的方法，其中，所述循環(huán)時間小于1小時。
29.根據(jù)權(quán)利要求沈所述的方法，其中，所述循環(huán)時間小于30分鐘。
30.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述第一外延材料和所述一個或多個第二外延材料是在單個室中沉積的。
31.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述第一外延材料和所述一個或多個第二外延材料是在多個室中分別沉積的。
32.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進一步包括在所述第一外延材料和所述一個或多個第二外延材料的形成過程中保持一個確定溫度。
33.權(quán)利要求1所述的方法，進一步包括采用盒式MOCVD反應(yīng)器，所述盒式MOCVD反應(yīng)器被設(shè)置成夾持兩個或更多個單獨的晶片或多晶片反應(yīng)器的晶片盤。
34.權(quán)利要求1所述的方法，進一步包括采用盒式MOCVD反應(yīng)器，所述盒式MOCVD反應(yīng)器被設(shè)置成夾持三個或更多個單獨的晶片或多晶片反應(yīng)器的晶片盤。
35.權(quán)利要求1所述的方法，進一步包括采用盒式MOCVD反應(yīng)器，所述盒式MOCVD反應(yīng)器被構(gòu)造成夾持十個或更多個單獨的晶片或多晶片反應(yīng)器的晶片盤。
36.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述外延疊層結(jié)構(gòu)形成發(fā)射波長范圍在390-420nm 光的 LED。
37.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述外延疊層結(jié)構(gòu)形成發(fā)射波長范圍在420-460nm 光的 LED。
38.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述外延疊層結(jié)構(gòu)形成發(fā)射波長范圍在460-500nm 光的 LED。
39.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述外延疊層結(jié)構(gòu)形成在波長范圍為500-600nm 發(fā)光的 LED。
40.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述外延疊層結(jié)構(gòu)形成p-n二極管。
41.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述外延疊層結(jié)構(gòu)形成激光二極管。
42.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述外延疊層結(jié)構(gòu)形成肖特基二極管。
43.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述外延疊層結(jié)構(gòu)形成晶體管。
44.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述外延疊層結(jié)構(gòu)形成高電子遷移率晶體管(HEMT)。
45.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述外延疊層結(jié)構(gòu)形成雙極結(jié)晶體管(BJT)。
46.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述外延疊層結(jié)構(gòu)形成異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBT)。
47.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述外延疊層結(jié)構(gòu)形成金屬-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MESFET)。
48.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述外延疊層結(jié)構(gòu)形成金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)。
49.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述外延疊層結(jié)構(gòu)形成金屬-絕緣體-半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管(MISHFET)。
50.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述含鎵和氮的基底的特征為非極性表面取向。
51.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述含鎵和氮的基底的特征為半極性表面取向或極性表面取向。
52.一種含鎵和氮的材料的快速生長方法，包括提供具有表面區(qū)域的塊狀含鎵和氮的基底；以期望的生長速率形成疊加在所述塊狀含鎵和氮的基底的所述表面區(qū)域的具有第一厚度的第一外延材料，疊加在所述塊狀含鎵和氮的基底的所述表面區(qū)域的第一外延材料是假晶形成的；以及形成疊加在所述第一外延材料的一個或多個第二外延材料，并構(gòu)造成疊層結(jié)構(gòu)。
53.根據(jù)權(quán)利要求52所述的方法，其中，所述形成過程保持在約950攝氏度到約1200攝氏度的溫度范圍內(nèi)；并且其中期望的生長速率為每小時4微米或更高。
54.根據(jù)權(quán)利要求52所述的方法，其中，所述提供包括從保持在室中的盒式選擇所述塊狀含鎵和氮的基底。
55.根據(jù)權(quán)利要求52所述的方法，其中，所述形成過程是在一個大氣壓MOCVD室中提供的。
56.根據(jù)權(quán)利要求52所述的方法，其中，所述含鎵和氮的基底在所述形成過程中保持在大氣壓力左右。
57.根據(jù)權(quán)利要求52所述的方法，其中，所述第一外延材料的所述第一厚度特征為對于5微米X5微米的方形中低于約2nm RMS的表面粗糙度。
58.根據(jù)權(quán)利要求52所述的方法，其中，所述第一外延材料的所述第一厚度是η-型材料。
59.根據(jù)權(quán)利要求52所述的方法，其中，所述第二外延材料是ρ-型材料。
60.根據(jù)權(quán)利要求52所述的方法，其中，所述第一外延材料的特征為堆垛層錯密度小于等于IEkm-I。
全文摘要
描述了一種含鎵和氮材料的快速生長的方法。該方法包括提供塊狀含鎵和氮的基底。在該基底上形成第一厚度的第一外延材料，優(yōu)選用一種假晶工藝。該方法還在第一外延層上形成第二外延層，以形成疊層結(jié)構(gòu)。該疊層結(jié)構(gòu)的總厚度小于約2微米。
文檔編號H01L21/00GK102576652SQ201080045881
公開日2012年7月11日 申請日期2010年8月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月21日
發(fā)明者克里斯蒂安·波布倫斯, 詹姆斯·拉林, 阿爾潘·查克拉博爾蒂 申請人:天空公司