專利名稱：Iii-v族半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及其形成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的實(shí)施例總體上涉及III-V族半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和形成III-V族半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法。
背景技術(shù)：
可在諸如(例如)開關(guān)結(jié)構(gòu)(例如，晶體管等)、發(fā)光結(jié)構(gòu)(例如，激光二極管、發(fā)光二極管等)、光接收結(jié)構(gòu)(例如，波導(dǎo)、分束器、混合器、光電ニ極管、太陽能電池、太陽能子電池等)和/或微機(jī)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(例如，加速度計(jì)、壓カ傳感器等)的眾多電子器件結(jié)構(gòu)中采用諸如(例如)III-神化物(例如，神化銦鎵(InGaAs) )、III-磷化物(例如，磷化銦鎵(InGaP))和III-氮化物(例如，氮化銦鎵(InGaN))的III-V族半導(dǎo)體材料?？蓪⑦@種含有III-V族半導(dǎo)體材料的電子器件結(jié)構(gòu)用于廣泛的應(yīng)用中。例如，通常使用這種器件結(jié)構(gòu)產(chǎn)生各種波長中的一種或多種波長下的輻射(例如，可見光)。通過這種結(jié)構(gòu)發(fā)射的光不僅可用于照明應(yīng)用，而且還可用于(例如)介質(zhì)存儲(chǔ)和取回應(yīng)用、印刷應(yīng)用、光譜應(yīng)用、生物試劑檢測應(yīng)用和圖像投影應(yīng)用。作為非限制性示例，針對InGaN (III-氮化物材料)的情況，InGaN層可通過異質(zhì)外延生長法沉積在下層(underlying)襯底上,該襯底可具有與上層(overlying) InGaN層的晶格并不匹配的晶格。例如，InGaN層可沉積在含有氮化鎵(GaN)的半導(dǎo)體襯底上。GaN可具有大致3.198 A的弛豫(即，基本無應(yīng)力)面內(nèi)晶格參數(shù)，并且取決于對應(yīng)的百分比銦含量，InGaN層可具有大致3.21 A(7%的銦，即，Ina(l7Gaa93N)、大致3'24 A(15%的銦，即，In0.15Ga0.85N)和大致3,26 A(25%的銦，即，Ina25Gaa75N)的弛豫面內(nèi)晶格參數(shù)。更詳細(xì)地講，InGaN層可初始地“假晶”生長到下層襯底上，以造成(例如，原子力迫使)該InGaN層的晶格參數(shù)基本匹配該InGaN層在上面生長的下層襯底的晶格參數(shù)。該InGaN層和下層襯底(例如，GaN)之間的晶格失配可引發(fā)InGaN層的晶格中出現(xiàn)應(yīng)力，這種引發(fā)的應(yīng)力會(huì)隨著InGaN層的厚度增大而增加。當(dāng)InGaN層的厚度隨著其繼續(xù)生長而增大吋，InGaN層中的應(yīng)カ會(huì)増加，直到在通常稱為“臨界厚度”的厚度，該InGaN層可以不再以假晶方式生長并且可經(jīng)受應(yīng)力弛豫為止。InGaN層中的應(yīng)カ弛豫會(huì)導(dǎo)致InGaN層的晶格質(zhì)量劣化。例如，InGaN層中的晶體質(zhì)量的這種劣化可包括形成晶體缺陷(例如,錯(cuò)位)、InGaN層表面變粗糙和/或形成不均一材料成分的區(qū)域。另外，在應(yīng)カ弛豫開始吋，InGaN層可摻入更大量的銦。換句話說，在恒定的生長條件下,在InGaN層的生長表面處摻入InGaN層中的銦的百分比可増大，從而導(dǎo)致在InGaN層的整個(gè)厚度內(nèi)，銦在InGaN層中的濃度不均勻。另外，銦濃度在InGaN層中的増大可促使額外應(yīng)カ弛豫的開始，這可導(dǎo)致InGaN層的晶體質(zhì)量進(jìn)一歩劣化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的各種實(shí)施例總體上涉及III-V族半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和形成這種III-V族半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法。例如，在一些實(shí)施例中，本發(fā)明包括氮化銦鎵(InGaN)結(jié)構(gòu)和形成InGaN結(jié)構(gòu)的方法。提供這個(gè)發(fā)明內(nèi)容部分是為了以簡化形式介紹對構(gòu)思的選擇，在以下對本發(fā)明的一些示例實(shí)施例的詳細(xì)描述中進(jìn)一步描述了這些構(gòu)思。這個(gè)發(fā)明內(nèi)容部分沒有意圖識(shí)別要求保護(hù)的主題的關(guān)鍵特征或必要特征，也沒有意圖用于限制要求保護(hù) 的主題的范圍。在一些實(shí)施例中，本發(fā)明包括形成包括III-V族半導(dǎo)體層的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法?？赏ㄟ^以下步驟生長III-V族半導(dǎo)體層使用第一組生長條件生長第一 III-V族半導(dǎo)體子層；以及使用與所述第一組生長條件不同的第二組生長條件在所述第一 III-V族半導(dǎo)體子層上生長至少第二 III-V族半導(dǎo)體子層，所述第一 III-V族半導(dǎo)體子層和所述至少第二III-V族半導(dǎo)體子層形成所述III-V族半導(dǎo)體層。所述III-V族半導(dǎo)體層可被形成為具有大于所述第一 III-V族半導(dǎo)體層的臨界厚度并且小于所述第二 III-V族半導(dǎo)體子層的臨界厚度的平均總厚度?？蛇x擇所述第一組生長條件和所述第二組生長條件，使得III族元素?fù)饺胨龅谝?III-V族半導(dǎo)體子層的生長表面中的凈速率至少基本等于該III族元素?fù)饺胨鲋辽俚诙?III-V族半導(dǎo)體子層的生長表面中的凈速率，使得所述III-V族半導(dǎo)體層的成分在所述III-V族半導(dǎo)體的整個(gè)所述平均總厚度內(nèi)至少基本恒定。在另外的實(shí)施例中，本發(fā)明包括生長氮化銦鎵(InGaN)層的方法?？衫玫谝唤M生長條件生長第一 InGaN子層達(dá)到第一厚度，所述第一厚度小于或等于所述第一 InGaN子層的臨界厚度?？衫貌煌牡诙M生長條件生長第二 InGaN子層，使得所述InGaN層的平均厚度大于所述第一 InGaN子層的臨界厚度并且小于或等于所述第二 InGaN子層的臨界厚度?？蛇x擇所述不同的第二組生長條件，使所述不同的第二組生長條件包括以下中的至少ー個(gè)相對于所述第一組生長條件中的銦前體的流速減小的銦前體的流速以及相對于所述第一組生長條件中的反應(yīng)室生長溫度升高的反應(yīng)室生長溫度，使得在所述InGaN層的整個(gè)平均厚度內(nèi)，銦在所述InGaN層中的濃度至少基本恒定。本發(fā)明的各種實(shí)施例還可包括通過本文描述的方法形成的結(jié)構(gòu)。例如，在其它實(shí)施例中，本發(fā)明包括氮化銦鎵(InGaN)層，所述InGaN層包括 第一 InGaN子層和位于所述第一 InGaN子層上的至少第二 InGaN子層。所述InGaN層的總厚度等于所述第一 InGaN子層的厚度和所述至少第二 InGaN子層的厚度之和，并且所述InGaN層的總厚度大于所述第一 InGaN子層的臨界厚度并且小于所述至少第二 InGaN子層的臨界厚度。作為另一個(gè)不例，本發(fā)明的另外的實(shí)施例包括氮化銦鎵(InGaN)層,所述InGaN層包括第一 InGaN子層，所述第一 InGaN子層的厚度小于或等于所述第一 InGaN子層的臨界厚度；第二 InGaN子層,所述第二 InGaN子層位于所述第一 InGaN子層上。所述InGaN層的厚度大于所述第一 InGaN子層的臨界厚度，并且所述第二 InGaN子層的厚度小于或等于所述第二 InGaN子層的臨界厚度。銦在所述第一 InGaN子層中的濃度至少基本等于銦在所述第二 InGaN子層中的濃度。從下面的詳細(xì)描述中，本發(fā)明的實(shí)施例的要素的其它方面、細(xì)節(jié)和替代組合將是顯而易見的。


可參照下面對本發(fā)明的示例實(shí)施例的詳細(xì)描述更充分地理解本發(fā)明，這些示例實(shí)施例在附圖中不出，在附圖中圖IA至圖IC示意性示出可用于生長包括多個(gè)InGaN子層的InGaN層的本發(fā)明的實(shí)施例；圖2A和圖2B示意性示出可用于生長包括多個(gè)InGaN子層的InGaN層的本發(fā)明的其它實(shí)施例；圖3A至圖3B示意性示出用于在改變銦輸入到InGaN層的生長表面中的輸入通量的同時(shí)生長InGaN層的本發(fā)明的實(shí)施例；
圖4A至圖4B示意性示出用于在改變銦從InGaN層的生長表面解吸的解吸通量的同時(shí)生長InGaN層的本發(fā)明的實(shí)施例；圖5A至圖5B示出從用于生長InGaN層的之前已知方法得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果；以及圖5C至圖示出從使用本發(fā)明的實(shí)施例生長的氮化銦鎵層得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
具體實(shí)施例方式本文呈現(xiàn)的例示不表示任何特定材料、器件或方法的實(shí)際視圖，而只是用于描述本發(fā)明的實(shí)施例的理想化表示。本文使用的標(biāo)題(heading)只是為了清晰起見而沒有任何有意的限制。本文引用了多個(gè)參考文獻(xiàn)。所引用的參考文獻(xiàn)中的任ー個(gè)(不管在本文中如何描述)都不認(rèn)為相對于本文的要求保護(hù)主題的發(fā)明是現(xiàn)有技木。如本文所使用的，術(shù)語“III-V族半導(dǎo)體”表示并且包括至少主要由周期表中的IIIA族(B、Al、Ga、In和Ti)中的ー個(gè)或更多個(gè)元素和周期表的VI族(N、P、As、Sb和Bi)中的ー個(gè)或更多個(gè)元素組成的任何半導(dǎo)體材料。如本文所使用的，術(shù)語“氮化銦鎵“和“InGaN”表示成分為InxGa1J的氮化銦(InN)和氮化鎵(GaN)的合金，其中，O < χ彡I。如本文所使用的，術(shù)語“子層”表示相對較大的單層材料的層部分。如本文所使用的，術(shù)語“最后ー個(gè)子層”表示最遠(yuǎn)離上面沉積有多個(gè)子層的半導(dǎo)體襯底的子層。如本文所使用的，術(shù)語“倒數(shù)第二個(gè)子層”表示與多個(gè)子層中的最后ー個(gè)子層相鄰并且位于所述最后ー個(gè)子層下面的子層。如本文所使用的，術(shù)語“臨界厚度”表示半導(dǎo)體材料層的以下平均總厚度，在該平均總厚度或者超過該平均總厚度時(shí)，假晶生長不再繼續(xù)并且半導(dǎo)體材料層經(jīng)受應(yīng)カ弛豫。如本文所使用的，術(shù)語“生長表面”表示可執(zhí)行半導(dǎo)體襯底、層或子層的額外生長的半導(dǎo)體襯底、層或子層的任何表面。如本文所使用的，術(shù)語“基本”在本文中用于表示除了本領(lǐng)域中通常預(yù)期到的任何不足之外的完整的結(jié)果。本發(fā)明的實(shí)施例可應(yīng)用于廣泛的III-V族半導(dǎo)體材料。例如，本發(fā)明的實(shí)施例的方法和結(jié)構(gòu)可以按照ニ元、三元、四元和五元的形式應(yīng)用于III-氮化物、III-神化物、III-磷化物和III-銻化物。具體應(yīng)用與生長含有銦的III族氮化物半導(dǎo)體(如氮化銦鎵(InGaN))相關(guān)。因此，僅為了簡明和方便起見而非為了限制，下面的描述和附圖反映了III-氮化物(尤其是InGaN)的共同特征。III-氮化物材料系統(tǒng)中的實(shí)驗(yàn)證實(shí)，異質(zhì)外延生長達(dá)到超過臨界厚度的厚度的InGaN層可經(jīng)受應(yīng)カ弛豫，以釋放由于晶格失配導(dǎo)致的晶格中的應(yīng)力。在InGaN層中開始應(yīng)力弛豫時(shí)，可摻入更大量的銦，這會(huì)導(dǎo)致銦在InGaN層的整個(gè)厚度內(nèi)的不均勻濃度分布。例如，InGaN層在毗鄰該層的生長表面處可具有増大的銦百分比。對于至少ー些應(yīng)用，InGaN層中的這種不均勻銦成分可不是所期望的。實(shí)驗(yàn)還證實(shí)，InGaN層的應(yīng)力弛豫還會(huì)造成InGaN層的生長表面變粗糙。對于使用InGaN層制備半導(dǎo)體器件而言，這種表面變粗糙可能是有害的。另外，實(shí)驗(yàn)已證實(shí)，InGaN層的應(yīng)力弛豫可導(dǎo)致結(jié)晶材料中的缺陷密度増大。例如，這類缺陷可包括錯(cuò)位和不均一成 分的區(qū)域(即，相分離區(qū)域)。參照圖1A，可制造或者設(shè)置半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)100，使其包括半導(dǎo)體襯底102。半導(dǎo)體襯底102可含有半導(dǎo)體材料104，半導(dǎo)體材料104可用作種子層，該種子層可以在作為III-V族半導(dǎo)體層(如，InGaN層)的制造的一部分的在該種子層上形成半導(dǎo)體材料的一個(gè)或更多個(gè)額外子層的步驟中使用，如以下進(jìn)ー步詳細(xì)描述的。如圖IA中所示，半導(dǎo)體材料104的層可附著于襯底106或者由襯底106承載。然而，在一些實(shí)施例中，半導(dǎo)體材料104可包括沒有位于襯底106上或者沒有被襯底106承載的半導(dǎo)體材料或任何其他材料的獨(dú)立體(bulk)層。在一些實(shí)施例中，半導(dǎo)體材料104的層可包括半導(dǎo)體材料的外延層。以舉例而非限制的方式，半導(dǎo)體材料104的層可包括III-V族半導(dǎo)體材料的外延層。例如，半導(dǎo)體材料104的層可包括GaN的外延層和InGaN的外延層。襯底106可含有諸如(例如)氧化鋁(A1203)(例如，藍(lán)寶石)、氧化鋅(ZnO)、硅(Si)、碳化硅(SiC)、神化鎵(GaAs)、鎵酸鋰(LiGa02)、鋁酸鋰(LiA102)、氧化鋁釔(Y3Al5O12)或氧化鎂(MgO)的材料。可選地，半導(dǎo)體材料104的層和襯底106之間可以設(shè)置諸如另ー個(gè)半導(dǎo)體材料層的ー個(gè)或更多個(gè)材料中間層(未示出)。例如，可使用這種中間材料層作為在上面形成半導(dǎo)體材料104的層的種子層，或者作為(如，可以在難以或不能直接在襯底106上形成半導(dǎo)體材料104的層時(shí)執(zhí)行的)將半導(dǎo)體材料104的層接合到襯底106的接合層。另外，如果半導(dǎo)體材料104是具有極性的(polar)，則可期望將半導(dǎo)體材料104的層接合到襯底106。在這類實(shí)施例中，可利用接合エ藝改變極性半導(dǎo)體材料的極性。本文的附圖不是按比例繪制的，實(shí)際上，與襯底106相比，半導(dǎo)體材料104的層可
相對較薄。為了形成圖IA所示的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)100，可在襯底106的主表面上，外延生長或者形成或設(shè)置半導(dǎo)體材料104的層?？墒褂帽绢I(lǐng)域已知的各種方法中的任ー種方法來減小半導(dǎo)體材料104的層中的錯(cuò)位的密度。這類方法包括(例如)外延橫向過生長(EL0)、懸空外延、原位掩蓋(in-situ masking)技術(shù)等。例如,可使用諸如有機(jī)金屬化學(xué)汽相沉積(M0CVD)、分子束外延(MBE)或氫化物汽相外延(HVPE)的エ藝來沉積半導(dǎo)體材料104的層。
圖IB示出半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)110，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)110包括半導(dǎo)體襯底102和半導(dǎo)體材料104上的III-V族半導(dǎo)體層116。作為非限制性示例，III-V族半導(dǎo)體層116可包括InGaN層。III-V族半導(dǎo)體層116可被再劃分成多個(gè)子層。例如，如圖IB中所示，III-V族半導(dǎo)體層116可包括位于半導(dǎo)體襯底102上的初始的第一子層112?？梢岳玫谝唤M生長條件將第一子層112生長達(dá)到第一厚度(D1X在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，III-V族半導(dǎo)體層116可包括彼此疊置并且利用兩組或更多組不同的生長條件生長的兩個(gè)或更多個(gè)子層。III-V族半導(dǎo)體層(Dtl)的平均總厚度可等于兩個(gè)或更多個(gè)子層的厚度之和。換句話說，所有子層的厚度之和可等于πι-v族半導(dǎo)體層的平均總厚度(DtlX圖IB示出在生長III-V族半導(dǎo)體層116的過程中的初始階段，因而只示出將形成的III-V族半導(dǎo)體層116的一部分。圖IB所示的III-V族半導(dǎo)體層116的該部分包括第一子層112。因此，在III-V族半導(dǎo)體層116的初始生長階段，III-V族半導(dǎo)體層的平均總厚度(Dtl)等于第一子層112的平均厚度(D1X更詳細(xì)地，可利用諸如(例如)有機(jī)金屬化學(xué)汽相沉積(M0CVD)、分子束外延(MBE)或氫化物汽相外延(HVPE)的方法，在半導(dǎo)體襯底102的生長表面108上或者在在半導(dǎo)體襯 底102的生長表面108處生長第一子層112。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，半導(dǎo)體襯底102可包含半導(dǎo)體材料104，半導(dǎo)體材料104可具有與第一子層112失配的晶格參數(shù)。換句話說，處于應(yīng)カ弛豫狀態(tài)的半導(dǎo)體材料104的至少ー個(gè)晶格參數(shù)可與處于應(yīng)力弛豫狀態(tài)的第一子層112的至少ー個(gè)晶格參數(shù)不同。例如，在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，半導(dǎo)體材料104可包括III-V族半導(dǎo)體，諸如(例如)銦的濃度與第一子層112中銦的濃度不同的GaN或者另選的InGaN。半導(dǎo)體材料104和第一子層112之間的這種晶格參數(shù)失配會(huì)導(dǎo)致在第一子層112中產(chǎn)生晶格應(yīng)力。當(dāng)繼續(xù)生長時(shí)，第一子層112中的晶格應(yīng)力會(huì)隨著III-V族半導(dǎo)體層116的平均總厚度(Dtl)的増大而增加。在本發(fā)明的方法的一些實(shí)施例中，第一子層112的平均總厚度(D1)可被選擇為小于或等于第一子層112的第一臨界厚度(Da)。第一子層112的臨界厚度可取決于多個(gè)參數(shù)，所述多個(gè)參數(shù)包括(例如)第一子層112的成分(例如，銦在第一子層112中的百分比)、第一子層112生長所利用的生長參數(shù)以及第一子層112與上面生長有第一子層112的下層半導(dǎo)體層102之間的晶格失配的程度。關(guān)于III-V族半導(dǎo)體層(具體地，InGaN層)的臨界厚度的進(jìn)ー步細(xì)節(jié)可見于以下的期刊發(fā)布Pereira et al. , Applied Physics Letters, 81 7 1207 2002,標(biāo)題為“Structural And Optical Properties Of InGaN/GaN Layers Close To The CriticalLayer Thickness,，，Pereira et al. , Applied Physics Letters, 80 21 3913 2002,標(biāo)題為“Strain And Composition Distributions In Wurtzite InGaN/GaN Layers ExtractedFrom X-Ray Reciprocal Space Mapping,，，以及 Holec et al. , Journal of CrystalGrowth, 303 314 2007,標(biāo)題為 “Critical Thickness Calculations For InGaN/GaN，，。如圖IB中所示，第一子層112可具有小于第一子層112的第一臨界厚度(Da)的平均總厚度(D1X然而，如果在保持初始的第一組生長條件(在形成第一子層112時(shí)可保持恒定)的同時(shí)第一子層112的厚度増大至超過初始臨界厚度(即，D1 > Da)，則第一子層112中的應(yīng)カ可變得足以導(dǎo)致應(yīng)カ弛豫并且在第一子層112中形成缺陷。圖IC示出半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)120，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)120包括半導(dǎo)體襯底102和III-V族半導(dǎo)體層116。可為(例如)如上討論的InGaN層的III-V族半導(dǎo)體層116可包括第一子層112和接著的第二子層118。可利用在至少ー個(gè)方面與用于形成第一子層112的第一組生長條件不同的第二組生長條件生長第二子層118，并且可選擇第二子層118以使得第二子層118的平均厚度(D2)產(chǎn)生大于初始臨界厚度(Da)并且小于或等于第二子層118 (和InGaN層116)的接著的第二臨界厚度(De2)的III-V族半導(dǎo)體層116的平均總厚度(DtlX更詳細(xì)地，可在第一子層112的生長表面108上生長第二子層118。可利用上述的生長技術(shù)(例如，MBE、M0CVD或HVPE)生長第二子層118。第二子層118 (D2)可生長達(dá)到某一厚度，使得III-V族半導(dǎo)體層116的平均總厚度(Dtl)増大，并且變得大于初始臨界厚度(DC1)?？蛇x擇用于形成第二子層118的第二組生長條件，使得可基本防止當(dāng)III-V族半導(dǎo)體層116的平均總厚度(Dtl)増大至超過第一臨界厚度(Da)時(shí)III-V族半導(dǎo)體層116應(yīng)カ弛豫。當(dāng)利用第二組生長條件繼續(xù)生長時(shí)，第二子層118中的晶格應(yīng)力可隨著III-V族半導(dǎo)體層116的平均總厚度(Dtl)的増大而進(jìn)ー步增加。在本發(fā)明的方法的一些實(shí)施例中，可選擇第二子層118的厚度(D2)，使得III-V族半導(dǎo)體層116的平均總厚度(Dtl)小于或等 于第ニ子層118 (和III-V族半導(dǎo)體層116)的接著的第二臨界厚度(DC2)。如圖IC中所示，III-V族半導(dǎo)體層116可具有大于初始的第一臨界厚度(Da)并且小于接著的第二臨界厚度(隊(duì)2)的平均總厚度(DtlX然而，如果在保持第二組生長條件的同時(shí)第二子層118的厚度増大，使得III-V族半導(dǎo)體層116的平均總厚度(Dtl)達(dá)到或超過第二臨界厚度，則III-V族半導(dǎo)體層116中的晶格應(yīng)力將會(huì)變得足以導(dǎo)致III-V族半導(dǎo)體層116的應(yīng)カ弛豫并且在其內(nèi)形成相關(guān)缺陷。可利用選擇的第二組生長條件生長第二子層118，使得在形成第二子層118時(shí)III族元素?fù)饺氲诙訉?18中的凈速率基本等于在使用第一組生長條件形成第一子層112時(shí)
III族元素?fù)饺氲谝蛔訉?12中的凈速率。因此，本發(fā)明的實(shí)施例可包括用于實(shí)現(xiàn)含有基本均勻成分的III-V族半導(dǎo)體層的方法。III族元素可包括銦、鋁和鎵中的ー種或多種，并且本發(fā)明的實(shí)施例可提供III族元素在III-V族半導(dǎo)體層的整個(gè)厚度內(nèi)具有至少基本恒定濃度的III-V族半導(dǎo)體層，并且可提供基本沒有應(yīng)カ弛豫和與這種應(yīng)力弛豫相關(guān)的缺陷的III-V族半導(dǎo)體層。更詳細(xì)地，III族元素在生長表面摻入III-V族半導(dǎo)體層的子層中的凈速率可取決于多個(gè)因素，所述多個(gè)因素包括(例如)III族元素輸入到生長表面的輸入通量和III族元素從生長表面解吸的解吸通量。因此，為了當(dāng)III-V族半導(dǎo)體層116的平均總厚度(Dtl)增大時(shí)保持III族元素在生長表面摻入III-V族半導(dǎo)體層中的凈速率，本發(fā)明的實(shí)施例可包括對III族元素輸入到生長表面的輸入通量進(jìn)行調(diào)整(例如，選擇性控制)和/或?qū)II族元素從生長表面解吸的解吸通量進(jìn)行調(diào)整(例如，選擇性控制)。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，選擇第二組生長條件的步驟可包括相對于在形成第一子層112的期間III族元素輸入到生長表面108的輸入通量，減小在形成第二子層118的期間III族元素輸入到生長表面108’的輸入通量。不受理論限制，但是減小III族元素輸入到生長表面的輸入通量可影響可用于相互作用的III族元素種類的數(shù)量。通過減小III族元素輸入到III-V族半導(dǎo)體層116的生長表面的輸入通量，當(dāng)III-V族半導(dǎo)體層116的平均總厚度(Dtl)增大時(shí)，可保持III族元素?fù)饺胝L的III-V族半導(dǎo)體層116中的速率至少基本恒定。減小III族元素輸入到生長表面108’的輸入通量的步驟還可包括(例如)以下步驟中的ー個(gè)或更多個(gè)減小形成III-V族半導(dǎo)體層116的反應(yīng)室內(nèi)的III組元素前體的局部壓カ；減小反應(yīng)室內(nèi)的反應(yīng)室壓力；減小通過反應(yīng)室的III族元素前體流速；減小反應(yīng)室內(nèi)的III族元素前體和烷基的比率；増大通過反應(yīng)室的V族前體流速；以及増大通過反應(yīng)室的惰性氣體流速。減小III族元素的輸入通量的這類方法在物理化學(xué)領(lǐng)域是已知的，并且關(guān)于這類方法的其它細(xì)節(jié)可見包括以下多個(gè)參考公開文獻(xiàn)例如R. I. Masel, 1996，標(biāo)題為 “Principles of adsorption and reaction on solid surfaces，，John Wiley & Sons的公開文獻(xiàn)、P. Atkins, 1998，標(biāo)題為 “Physical Chemistry，，，Oxford University Press的公開文獻(xiàn)、I. N. Levine,標(biāo)題為“Physical Chemistry”，1995，McGraw-Hill, Inc.的公開文獻(xiàn)以及 R.B.Bird et al.,標(biāo)題為“Transport Phenomena，，，1960, John Wiley & Sons 的公開文獻(xiàn)。本發(fā)明的以下非限制性示例實(shí)施例描述了保持III族元素在III-V族半導(dǎo)體層的 生長表面摻入πι-v族半導(dǎo)體層的速率基本恒定的方法。僅為了簡明和方便起見而非為了限制，下面的描述和附圖與含有InGaN的III-V族半導(dǎo)體層和含有銦的III族元素相關(guān)聯(lián)。然而，應(yīng)當(dāng)理解，以下的描述也可應(yīng)用于上述的III-V族半導(dǎo)體材料和III族元素的范圍。圖3A示出本發(fā)明的ー些方法的非限制性示例實(shí)施例，這些方法可用于通過減小III族元素銦輸入到生長表面中的輸入通量來保持III族元素銦摻入III-V族半導(dǎo)體層116的生長表面中的速率。圖3A包括曲線圖300，曲線圖300示出生長時(shí)間、InGaN成分和銦輸入到III-V族半導(dǎo)體層116的生長表面的輸入通量之間的關(guān)系。線302代表輸入到生長表面的輸入銦通量根據(jù)生長時(shí)間的變化，而線304代表InGaN層116在生長表面處的成分根據(jù)生長時(shí)間的變化。更詳細(xì)地講，曲線圖300的區(qū)域306示出利用第一組生長條件形成第一子層112(例如，初始InGaN子層)的生長時(shí)間段。如這個(gè)非限制性示例中示出的，在用于形成第一子層112的生長時(shí)間段內(nèi)，銦輸入到生長表面的輸入通量可為恒定的，并且在第一子層112的生長期間，第一子層112的生長表面處的成分也可為基本恒定的，使得在第一子層112的整個(gè)厚度內(nèi)，所述成分至少基本恒定。曲線圖300的區(qū)域308示出利用與用于形成第一子層112的第一組生長條件不同的第二組生長條件形成第二子層118 (例如，接著的InGaN子層)的生長時(shí)間段。如這個(gè)非限制性示例中示出的，在線310所代表的時(shí)間InGaN層116的平均總厚度達(dá)到初始臨界厚度(Da)之后，銦輸入到生長表面108’的輸入通量可按期望的減小速率而減小。然而，當(dāng)銦輸入到InGaN層116的生長表面108’的輸入通量減小時(shí)，如線304所代表的，InGaN層的InGaN成分可保持基本恒定。在銦輸入到InGaN層的生長表面108’的輸入通量減小時(shí)，第ニ子層118的生長繼續(xù)，最多直到在線312所代表的時(shí)間InGaN層厚度等于接著的臨界厚度(De2)為止，在此時(shí)，生長可終止。如以上概述的，在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，選擇第二組生長條件的步驟可包括減小銦前體流速，以減小銦輸入到InGaN層的生長表面的輸入通量。更詳細(xì)地，銦前體到InGaN層116的生長表面的流動(dòng)會(huì)影響InGaN層的生長表面上的相互作用可用的銦物質(zhì)的輸入通量。因此，通過減小銦前體流速，可實(shí)現(xiàn)銦物質(zhì)輸入到InGaN層116的生長表面的輸入通量的相應(yīng)減小，并且可保持銦摻入InGaN層116中的速率至少基本恒定。在一些實(shí)施例中，選擇減小的銦前體流速的步驟可包括以大致每分鐘5cc或更低的減小速率、以大致每分鐘3cc或更低的減小速率，或者甚至以大致每分鐘Icc或更低的減小速率，減小銦流速。作為本發(fā)明的一些實(shí)施例的非限制性示例，圖3B示出曲線圖314，曲線圖314示出生長時(shí)間、InGaN成分和銦前體流速之間的關(guān)系。線316代表根據(jù)生長時(shí)間的前體流速，并且線318代表根據(jù)InGaN層116的生長時(shí)間的InGaN層116的成分。更詳細(xì)地，曲線圖314的區(qū)域320示出用于利用第一組生長條件形成第一子層112(例如，初始InGaN子層)的生長時(shí)間段。在形成第一子層112的生長時(shí)間段320內(nèi)，銦前體流速316是恒定的，并且在第一子層112的整個(gè)厚度內(nèi)，InGaN成分也基本恒定。曲線圖314的區(qū)域322示出形成第二子層118 (例如，接著的InGaN子層)的生長時(shí)間段。如這個(gè)非限制性示例中示出的，在第一子層112的厚度在線324所代表的時(shí)間達(dá) 到初始臨界厚度(Da)之后，銦前體流速316可按選擇的減小速率減小。然而，當(dāng)銦前體流速減小吋，如線316所代表的，InGaN層的InGaN成分可保持至少基本恒定。在銦前體流速減小時(shí)，第二子層118的生長可繼續(xù)，最多直到在線326所代表的時(shí)間InGaN層厚度達(dá)到第ニ臨界厚度(De2)為止，在此時(shí)，生長可終止。用于形成InGaN層116的銦前體可包括(例如)三甲基銦(TMI)和/或三こ基銦(TEI)0初始生長條件下銦前體的流速可包括(例如)從每分鐘約60cc延伸至約IOOcc的范圍內(nèi)的流速。更具體地，第二組生長條件期間的銦前體的流速可包括(例如)從每分鐘約40cc延伸至約SOcc的流速范圍。第二組生長條件期間的前體流速的減小速率可包括(例如)從每分鐘約O. 5cc延伸至約IOcc的范圍內(nèi)的減小速率。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，選擇第二組生長條件的步驟還包括増大銦從InGaN層116的生長表面解吸的解吸通量。不受理論限制，而通過增大銦從生長表面解吸的解吸通量可防止當(dāng)InGaN層的平均總厚度增大時(shí)InGaN層摻入更多的銦。因此，通過增大銦從生長表面108’解吸的解吸通量，當(dāng)InGaN層116的平均總厚度增大時(shí)，可保持銦摻入InGaN層116的生長表面中的凈速率至少基本恒定。增大銦從生長表面108’解吸的解吸通量的步驟還可包括(例如)以下步驟中的一個(gè)或更多個(gè)升高襯底生長溫度；減小反應(yīng)室生長壓カ；減小擴(kuò)散邊界層厚度；以及提高襯底旋轉(zhuǎn)速度(例如，當(dāng)利用旋轉(zhuǎn)盤型反應(yīng)室(RDR)吋)。這些減小銦的輸入通量的方法在物理化學(xué)領(lǐng)域是已知的，并且進(jìn)一步細(xì)節(jié)可見于以上指出的參考公開文獻(xiàn)。圖4A示出本發(fā)明的ー些方法的非限制性示例實(shí)施例，這些方法用于通過增大銦從生長表面108’解吸的解吸通量來保持銦摻入InGaN層116中的凈速率至少基本恒定。圖4A包括曲線圖400，曲線圖400示出生長時(shí)間、InGaN成分和銦從生長表面108’解吸的解吸通量之間的關(guān)系。線402代表根據(jù)生長時(shí)間的從生長表面解吸的銦的解吸通量，而線404代表根據(jù)生長時(shí)間的InGaN層的成分。更詳細(xì)地，曲線圖400的區(qū)域406示出用于利用第一組生長條件形成第一子層112(例如，初始InGaN子層)的生長時(shí)間段。如這個(gè)非限制性示例中示出的，在用于形成第一子層112的生長時(shí)間段期間，銦從生長表面解吸的解吸通量可以是恒定的，并且在第一子層112的整個(gè)厚度內(nèi)，InGaN成分也可以是恒定的。
曲線圖400的區(qū)域408示出用于利用不同的第二組生長條件形成第二子層118(例如，接著的InGaN子層)的生長時(shí)間。如這個(gè)非限制性示例中示出的，在線410所代表的時(shí)間InGaN層116的平均總厚度(Dtl)達(dá)到第一臨界厚度(Da)之后，銦從InGaN層116的生長表面解吸的解吸通量以選擇的増大速率増大。然而，當(dāng)銦從InGaN層116的生長表面解吸的解吸通量增大時(shí)，InGaN層的InGaN成分可保持至少基本恒定,如線404所示的。在銦從InGaN層的生長表面解吸的解吸通量增大時(shí)，第二子層118的生長可繼續(xù)，最多直到在線412所代表的時(shí)間InGaN層的平均總厚度(Dtl)等于第二臨界厚度(Dk)為止，其中，在線412所代表的時(shí)間，生長可終止。如以上概述的，在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，選擇第二組生長條件的步驟可包括升高襯底生長溫度，以增大銦從InGaN層116的生長表面解吸的解吸通量。更詳細(xì)地，升高襯底生長溫度可増大銦從InGaN層116的生長表面解吸的解吸通量。因此，通過升高襯底生長溫度，可實(shí)現(xiàn)銦從生長表面108’解吸的解吸通量的相應(yīng)増大，并且當(dāng)InGaN層116的厚度增大時(shí)，可保持銦摻入正生長的InGaN層116中的速率至少基 本恒定。在一些實(shí)施例中，選擇第二組生長條件使得襯底生長溫度以期望的速率升高的步驟還包括以每分鐘大致O. 5°C或更低的升溫速率，以每分鐘大致2°C或更低的升溫速率，或者甚至以毎分鐘大致10°C或更低的升溫速率，升高襯底生長溫度。作為本發(fā)明的一些實(shí)施例的非限制性示例，圖4B示出曲線圖414，曲線圖414示出生長時(shí)間、InGaN成分和襯底生長溫度之間的關(guān)系。線416代表根據(jù)生長時(shí)間的襯底生長溫度，而線418代表根據(jù)生長時(shí)間的InGaN層的成分。更詳細(xì)地，曲線圖400的區(qū)域420示出利用第一組生長條件生長第一子層112的生長時(shí)間段。在用于形成第一子層112的生長時(shí)間段420內(nèi)，襯底生長溫度416是恒定的，并且在利用第一組生長條件生長第一子層112的過程中，InGaN成分也是恒定的。曲線圖400的區(qū)域422示出利用不同的第二組生長條件生長第二子層118的生長時(shí)間段。如這個(gè)非限制性示例中示出的，在線424所代表的時(shí)間第一子層112的厚度達(dá)到初始臨界厚度(も)之后，襯底生長溫度416以選擇升溫速率升高。然而，當(dāng)襯底生長溫度升高時(shí)，銦在InGaN層116內(nèi)的濃度可保持至少基本恒定，如線418所示的。在襯底生長溫度升高時(shí)，第二子層118的生長繼續(xù)，最多直到在線426所代表的時(shí)間InGaN層的厚度(Dtl)達(dá)到第二臨界厚度(Dc2)為止，其中，在線426所代表的時(shí)間，生長可終止。在第一組生長條件期間的襯底生長溫度可包括(例如)從約750°C至約850°C的生長溫度。在第二組生長條件期間的襯底生長溫度可包括(例如)從約800°C至約900°C的反應(yīng)室生長溫度。在第二組生長條件期間的反應(yīng)室生長溫度的升溫速率可包括(例如)每分鐘約O. 5°C至約10°C的升溫速率。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，可生長III-V族半導(dǎo)體層116 (例如，InGaN層)，所述III-V族半導(dǎo)體層116包括初始的第一子層、接著的第二子層和在第二子層上生長的ー個(gè)或更多個(gè)額外子層。可利用一個(gè)或更多個(gè)選擇的額外生長條件生長所述一個(gè)或更多個(gè)額外子層，使得對于整個(gè)III-V族半導(dǎo)體層116，III-V族半導(dǎo)體層116 (例如，InGaN層)的成分至少基本恒定，并且使得III-V族半導(dǎo)體層116基本沒有應(yīng)カ弛豫。更通常地，用于生長III-V族半導(dǎo)體層的本發(fā)明的實(shí)施例可包括利用兩組或更多組不同的生長條件生長彼此疊置的兩個(gè)或更多個(gè)子層，其中，III-V族半導(dǎo)體層的平均總厚度可等于所述兩個(gè)或更多個(gè)子層的厚度之和。更詳細(xì)地，圖2A示出半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)200，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)200包括圖IC的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)120和額外子層。所述額外子層可包括倒數(shù)第二個(gè)子層202。倒數(shù)第二個(gè)子層202可具有某一厚度(Dps)，使得III-V族半導(dǎo)體層的平均總厚度(D0)大于相鄰的下層子層(例如，子層118和/或子層112)的臨界厚度。在這個(gè)非限制性示例中，相鄰的下層子層包括第二子層118，并且倒數(shù)第二個(gè)子層的厚度(Dps)產(chǎn)生大于第ニ子層臨界厚度(De2)的III-V族半導(dǎo)體層116的平均總厚度(DtlX另外，倒數(shù)第二個(gè)子層202可具有某一厚度(DPS)，使得III-V族半導(dǎo)體層的平均總厚度(Dtl)小于或等于倒數(shù)第二個(gè)子層的臨界厚度(DCPS)。圖2B示出半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)210，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)210包括圖2A的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)200和在倒數(shù)第二個(gè)子層202上生長的最后一個(gè)子層212。
最后ー個(gè)子層212可具有某一厚度(Dus)，使得III-V族半導(dǎo)體層的平均總厚度(Dtl)大于相鄰的下層倒數(shù)第二個(gè)子層202的臨界厚度(即，使得Dtl > Dcps )0另外，最后ー個(gè)子層212可具有某一厚度(Dus)，使得III-V族半導(dǎo)體層116的平均總厚度(Dtl)小于或等于最后一個(gè)子層的臨界厚度(Dajs)。圖2A和圖2B的非限制性示例示出包括四個(gè)子層的III-V族半導(dǎo)體層116。然而，應(yīng)當(dāng)理解，III-V族半導(dǎo)體層116可具有包括(例如)倒數(shù)第二個(gè)子層202和最后ー個(gè)子層212的兩個(gè)或更多個(gè)子層。另外，生長所述兩個(gè)或更多個(gè)子層的步驟可利用兩組或更多組不同的生長條件，使得III族元素(例如，銦)摻入正生長的子層的生長表面中的速率基本等于III族元素已摻入相鄰的下層子層的生長表面中的速率，以使在III-V族半導(dǎo)體層(例如，InGaN)的整個(gè)厚度內(nèi)，III族元素在πι-v族半導(dǎo)體層中的濃度基本恒定。本文已描述了用于選擇兩組或更多組不同的生長條件，使得III族元素(例如，銦)摻入正生長的子層的生長表面中的速率基本等于III族元素之前已摻入相鄰的下層子層的生長表面中的速率，以使III-V族半導(dǎo)體層的成分基本恒定的方法，并且所述方法可包括如本文所討論的減小III族元素輸入到生長表面的輸入通量和増大III族元素從生長表面解吸的解吸通量中的至少ー者。可生長III-V族半導(dǎo)體層的額外子層，以進(jìn)ー步增大該層的厚度，同時(shí)基本保持III-V族半導(dǎo)體層的整個(gè)厚度內(nèi)的成分均勻。另外，相對于至少ー些之前已知的方法，通過利用本發(fā)明的實(shí)施例生長額外子層，可使得能夠形成較厚的III-V族半導(dǎo)體層(例如，InGaN層)而沒有應(yīng)カ弛豫和相關(guān)缺陷?，F(xiàn)在描述非限制性示例，以進(jìn)一歩示出本發(fā)明的實(shí)施例。應(yīng)該理解，在下面的示例中，參數(shù)(例如，材料、結(jié)構(gòu)等)只是出于示例性目的，并沒有限制本發(fā)明的實(shí)施例。本發(fā)明的方法和結(jié)構(gòu)的實(shí)施例可用于外延生長包括(例如)氮化銦鎵層的III-V族半導(dǎo)體層。這些方法和結(jié)構(gòu)允許生長具有基本均勻的銦濃度以及沒有應(yīng)カ弛豫和相關(guān)缺陷的III-V族半導(dǎo)體層。圖5A和圖5B示出通過與當(dāng)前發(fā)明的方法不同的之前已知的方法生長的氮化銦鎵層。圖5A示出對InGaN層的生長表面500的原子力顯微掃描(AFM)。在本示例中，不是利用本發(fā)明的實(shí)施例，而是使用在生長InGaN層的整個(gè)時(shí)間段期間保持恒定的單組生長條件，來生長InGaN層。如從圖5A的AFM圖像中明顯的是，使用單組生長條件制造的InGaN生長表面500包括相對粗糙表面，該相對粗糙表面包括多個(gè)表面凹陷502。如本文所描述的，該粗糙表面對于使用這種InGaN層形成器件可能是有害的。另外，圖5B示出通過盧瑟福背散射光譜(RBS)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，所述數(shù)據(jù)示出InGaN層的成分。如在圖5B中明顯的，峰504代表InGaN層的成分，并且清楚的是，從點(diǎn)506至點(diǎn)508，InGaN層的成分發(fā)生變化，這表示該層中銦濃度増大，這可能是由于應(yīng)カ弛豫和與這種應(yīng)カ弛豫相關(guān)的隨后銦摻入量增大導(dǎo)致的。相反，圖5C和圖示出使用本發(fā)明的實(shí)施例生長的氮化銦鎵層。簡而言之，可如下所述參照圖IA至圖IC形成該結(jié)構(gòu)。襯底106可含有藍(lán)寶石，并且半導(dǎo)體層104可含有利用MOCVD方法生長的GaN?？墒褂肕0CVD，利用銦前體三甲基銦(TMI)作為銦的源，在約700托至約800托之間的反應(yīng)室壓力下，在約750°C至約850°C之間的溫度下，生長初始的第一 InGaN子層112。在初始的InGaN子層的生長過程中，在TMI起泡器溫度約為20°C吋，TMI流速可在每分鐘約70cc到約90cc之間。
還可使用M0CVD，利用銦前體TMI作為銦的源，在約700托至約800托之間的反應(yīng)室壓カ下，在約750°C至約850°C之間的溫度下，生長接著的第二 InGaN子層118。在接著的第二 InGaN子層的生長期間，在TMI起泡器溫度約為20°C吋，TMI流速可減小到每分鐘約50cc至約70cc之間。TMI流速的減小速率可在每分鐘約O. 5cc和約Icc之間。利用這種生長方法，所制備的InGaN層116可具有大于大致5%的銦濃度以及大于大致200nm的厚度。在一些實(shí)施例中，所制備的InGaN層可具有大于大致8%的銦成分以及大于大致150nm的厚度。參照圖5C的AFM圖像，明顯的是，與圖5A和圖5B的InGaN層相比，利用本發(fā)明的實(shí)施例生長的InGaN層的InGaN生長表面510更平滑并且相對沒有表面凹陷。另外，圖示出通過RBS從利用本發(fā)明的實(shí)施例生長的InGaN層產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。如在圖中明顯的，峰512代表InGaN層的成分，并且清楚的是，從點(diǎn)514至點(diǎn)516，該層的成分保持基本不變，這表示銦濃度均勻。因此，相對于通過至少ー些之前已知的方法形成的InGaN層，利用本發(fā)明的實(shí)施例制備的InGaN層可相對更適合于器件形成。下面描述額外的非限制性示例實(shí)施例。實(shí)施例I :ー種形成包括III-V族半導(dǎo)體層的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法，所述方法包括以下步驟生長III-V族半導(dǎo)體層，所述生長III-V族半導(dǎo)體層的步驟包括以下步驟使用第一組生長條件生長第一 III-V族半導(dǎo)體子層，以及使用與所述第一組生長條件不同的第二組生長條件在所述第一 III-V族半導(dǎo)體子層上生長至少第二 III-V族半導(dǎo)體子層，所述第一 III-V族半導(dǎo)體子層和所述至少第二III-V族半導(dǎo)體子層形成所述III-V族半導(dǎo)體層，將所述III-V族半導(dǎo)體層形成為具有大于所述第一 III-V族半導(dǎo)體層的臨界厚度并且小于所述第二 III-V族半導(dǎo)體子層的臨界厚度的平均總厚度，以及選擇所述第一組生長條件和所述第二組生長條件，使得III族元素?fù)饺胨龅谝?III-V族半導(dǎo)體子層的生長表面中的凈速率至少基本等于III族元素?fù)饺胨鲋辽俚讠?III-V族半導(dǎo)體子層的生長表面中的凈速率，使得所述III-V族半導(dǎo)體層的成分在所述III-V族半導(dǎo)體的整個(gè)所述平均總厚度內(nèi)至少基本恒定。實(shí)施例2 :根據(jù)實(shí)施例I所述的方法，其中，選擇所述第一組生長條件和所述第二組生長條件的步驟還包括以下步驟相對于III族元素輸入到所述第一 III-V半導(dǎo)體層的生長表面的輸入通量，減小III族元素輸入到所述至少第二 III-V半導(dǎo)體層的生長表面的輸入通量。實(shí)施例3 :根據(jù)實(shí)施例2所述的方法，其中，相對于III族元素輸入到所述第一III-V半導(dǎo)體層的生長表面的輸入通量，減小III族元素輸入到所述至少第二 III-V半導(dǎo)體層的生長表面的輸入通量的步驟還包括以下步驟中的至少ー個(gè)減小III族前體的局部壓力、減小反應(yīng)室壓力、減小前體流速、減小III族前體與烷基的比率、増大V族前體流速以及增大惰性氣體流速。實(shí)施例4 :根據(jù)實(shí)施例I至3中的任一個(gè)所述的方法，其中，選擇所述第一組生長條件和所述第二組生長條件的步驟還包括以下步驟相對于III族元素從所述第一 III-V 半導(dǎo)體層的生長表面解吸的解吸通量，増大III族元素從所述至少第二 III-V半導(dǎo)體層的生長表面解吸的解吸通量。實(shí)施例5 :根據(jù)實(shí)施例4所述的方法，其中，相對于III族元素從所述第一 III-V半導(dǎo)體層的生長表面解吸的解吸通量，増大III族元素從所述至少第二 III-V半導(dǎo)體層的生長表面解吸的解吸通量的步驟還包括以下步驟中的至少ー個(gè)升高襯底生長溫度、減小反應(yīng)室生長壓力、減小擴(kuò)散邊界層厚度以及提高襯底旋轉(zhuǎn)速度。實(shí)施例6 :根據(jù)實(shí)施例I至5中的任一個(gè)所述的方法，所述方法還包括以下步驟選擇所述第一組生長條件和所述第二組生長條件，使得所述III-V族半導(dǎo)體層基本沒有應(yīng)力弛豫。實(shí)施例7 :根據(jù)實(shí)施例I至6中的任一個(gè)所述的方法，所述方法還包括以下步驟選擇所述III-V族半導(dǎo)體層以包括氮化銦鎵(InGaN)層。實(shí)施例8 :根據(jù)實(shí)施例I至7中的任一個(gè)所述的方法，所述方法還包括以下步驟選擇所述III族元素以包括銦。實(shí)施例9 :ー種生長氮化銦鎵(InGaN)層的方法，所述方法包括以下步驟利用第一組生長條件生長第一 InGaN子層達(dá)到第一厚度，所述第一厚度小于或等于所述第一 InGaN子層的臨界厚度，利用不同的第二組生長條件生長第二 InGaN子層，使得InGaN層的平均厚度大于所述第一 InGaN子層的臨界厚度并且小于或等于所述第二 InGaN子層的臨界厚度，以及選擇所述不同的第二組生長條件，使所述不同的第二組生長條件包括以下的至少一個(gè)相對于所述第一組生長條件中的銦前體的流速使銦前體的流速減小以及相對于所述第一組生長條件中的反應(yīng)室生長溫度使反應(yīng)室生長溫度升高，使得在所述InGaN層的整個(gè)平均厚度內(nèi)，銦在所述InGaN層中的濃度至少基本恒定。實(shí)施例10 :根據(jù)實(shí)施例9所述的方法，所述方法還包括以下步驟選擇所述不同的第二組生長條件，使得所述InGaN層至少基本沒有應(yīng)カ弛豫。實(shí)施例11 :根據(jù)實(shí)施例9或?qū)嵤├?0所述的方法，所述方法還包括以下步驟利用至少ー組額外的生長條件，在所述第二 InGaN子層上生長至少一個(gè)額外InGaN子層，以及
選擇所述至少ー組額外的生長條件，使得在所述InGaN層的整個(gè)平均厚度內(nèi)，銦在所述InGaN層中的濃度基本恒定，并且所述InGaN層基本沒有應(yīng)カ弛豫。實(shí)施例12 :根據(jù)實(shí)施例9至11中的任一個(gè)所述的方法，其中，選擇所述不同的第ニ組生長條件的步驟還包括以下步驟在生長所述第二 InGaN子層的同時(shí)，將銦前體的流速姆分鐘大致減小約5sccm或更低。實(shí)施例13 :根據(jù)實(shí)施例9至12中的任一個(gè)所述的方法，其中，選擇所述不同的第ニ組生長條件的步驟還包括以下步驟在生長所述第二 InGaN子層的同吋，將反應(yīng)室生長溫度以每分鐘大致10°C或更低的速率升高反應(yīng)室生長溫度。實(shí)施例14 :ー種氮化銦鎵(InGaN)層，所述InGaN層包括第一 InGaN子層和位于所述第一 InGaN子層上的至少第二 InGaN子層，所述InGaN層的總厚度等于所述第一 InGaN子層的厚度和所述至少第二 InGaN子層的厚度之和，所述InGaN層的總厚度大于所述第一 InGaN子層的臨界厚度并且小于所述至少第二 InGaN子層 的臨界厚度。實(shí)施例15 :根據(jù)實(shí)施例14所述的InGaN層，其中，銦在所述第一 InGaN子層中的濃度至少基本等于銦在所述至少第二 InGaN子層中的濃度。實(shí)施例16 :根據(jù)實(shí)施例14或?qū)嵤├?5所述的InGaN層，其中，在所述InGaN層的整個(gè)總厚度內(nèi)，銦在所述InGaN層中的濃度至少基本恒定。實(shí)施例17 :根據(jù)實(shí)施例14至實(shí)施例16中的任一個(gè)所述的InGaN層，其中，所述InGaN層至少基本沒有應(yīng)カ弛豫。實(shí)施例18 :根據(jù)實(shí)施例14至實(shí)施例17中的任一個(gè)所述的InGaN層，其中，所述InGaN層具有至少約5%的銦濃度和至少約200nm的總厚度。實(shí)施例19 :根據(jù)實(shí)施例14至實(shí)施例17中的任一個(gè)所述的InGaN層，其中，所述InGaN層具有至少約8%的銦濃度和至少約150nm的總厚度。實(shí)施例20 :—種氮化銦鎵(InGaN)層，所述InGaN層包括第一 InGaN子層，所述第一 InGaN子層的厚度小于或等于所述第一 InGaN子層的臨界厚度；第二 InGaN子層，所述第二 InGaN子層位于所述第一 InGaN子層上，其中，所述InGaN層的厚度大于所述第一 InGaN子層的臨界厚度并且所述第二InGaN子層的厚度小于或等于所述第二 InGaN子層的臨界厚度，以及其中，銦在所述第一 InGaN子層中的濃度至少基本等于銦在所述第二 InGaN子層中的濃度。因?yàn)樯鲜霰景l(fā)明的實(shí)施例只是本發(fā)明的實(shí)施例的示例，所以這些實(shí)施例不限制本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求書和其法律上等同物的范圍限定。任何等同實(shí)施例意在處于本發(fā)明的范圍內(nèi)。事實(shí)上，根據(jù)描述，除了本文示出和描述的本發(fā)明的那些修改之外，本發(fā)明的各種修改(例如描述的元件的替代有用組合)對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員將變得顯而易見。這類修改也意圖落入所附權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.ー種形成包括III-V族半導(dǎo)體層的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法，所述方法包括以下步驟 生長III-V族半導(dǎo)體層，所述生長III-V族半導(dǎo)體層的步驟包括以下步驟 使用第一組生長條件生長第一 III-V族半導(dǎo)體子層，以及 使用與所述第一組生長條件不同的第二組生長條件在所述第一 III-V族半導(dǎo)體子層上生長至少第二 III-V族半導(dǎo)體子層，所述第一 III-V族半導(dǎo)體子層和所述至少第二 III-V族半導(dǎo)體子層形成所述III-V族半導(dǎo)體層， 將所述III-V族半導(dǎo)體層形成為具有大于所述第一 III-V族半導(dǎo)體層的臨界厚度并且小于所述第二 III-V族半導(dǎo)體子層的臨界厚度的平均總厚度，以及 選擇所述第一組生長條件和所述第二組生長條件，使得III族元素?fù)饺胨龅谝籌II-V族半導(dǎo)體子層的生長表面中的凈速率至少基本等于III族元素?fù)饺胨鲋辽俚诙蘒II-V族半導(dǎo)體子層的生長表面中的凈速率，使得所述III-V族半導(dǎo)體層的成分在所述III-V族半導(dǎo)體層的整個(gè)所述平均總厚度內(nèi)至少基本恒定。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，選擇所述第一組生長條件和所述第二組生長條件的步驟還包括以下步驟相對于III族元素輸入到所述第一 III-V半導(dǎo)體層的生長表面的輸入通量，減小III族元素輸入到所述至少第二 III-V半導(dǎo)體層的生長表面的輸入通量。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，相對于III族元素輸入到所述第一III-V半導(dǎo)體層的生長表面的輸入通量，減小III族元素輸入到所述至少第二 III-V半導(dǎo)體層的生長表面的輸入通量的步驟還包括以下步驟中的至少ー個(gè)減小III族前體的局部壓力、減小反應(yīng)室壓力、減小前體流速、減小所述III族前體與烷基的比率、増大V族前體流速以及増大惰性氣體流速。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，選擇所述第一組生長條件和所述第二組生長條件的步驟還包括以下步驟相對于III族元素從所述第一 III-V半導(dǎo)體層的生長表面解吸的解吸通量，増大III族元素從所述至少第二 III-V半導(dǎo)體層的生長表面解吸的解吸通量。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，相對于III族元素從所述第一III-V半導(dǎo)體層的生長表面解吸的解吸通量，増大III族元素從所述至少第二 III-V半導(dǎo)體層的生長表面解吸的解吸通量的步驟還包括以下步驟中的至少ー個(gè)升高襯底生長溫度、減小反應(yīng)室生長壓力、減小擴(kuò)散邊界層厚度以及提高襯底旋轉(zhuǎn)速度。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，所述方法還包括以下步驟選擇所述第一組生長條件和所述第二組生長條件，使得所述III-V族半導(dǎo)體層基本沒有應(yīng)カ弛豫。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，所述方法還包括以下步驟選擇所述III-V族半導(dǎo)體層，以包括氮化銦鎵(InGaN)層。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，所述方法還包括以下步驟選擇所述III族元素，以包括銦。
9.ー種生長氮化銦鎵(InGaN)層的方法，所述方法包括以下步驟 利用第一組生長條件生長第一 InGaN子層達(dá)到第一厚度，所述第一厚度小于或等于所述第一 InGaN子層的臨界厚度， 利用不同的第二組生長條件生長第二 InGaN子層，使得所述InGaN層的平均厚度大于所述第一 InGaN子層的臨界厚度并且小于或等于所述第二 InGaN子層的臨界厚度，以及 選擇所述不同的第二組生長條件，使所述不同的第二組生長條件包括以下中的至少ー個(gè)相對于所述第一組生長條件中的銦前體的流速使銦前體的流速減小以及相對于所述第一組生長條件中的反應(yīng)室生長溫度使反應(yīng)室生長溫度升高，使得在所述InGaN層的整個(gè)平均厚度內(nèi)，銦在所述InGaN層中的濃度至少基本恒定。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，所述方法還包括以下步驟選擇所述不同的第二組生長條件，使得所述InGaN層至少基本沒有應(yīng)カ弛豫。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，所述方法還包括以下步驟 利用至少ー組額外的生長條件在所述第二 InGaN子層上生長至少一個(gè)額外InGaN子層，以及 選擇所述至少ー組額外的生長條件，使得在所述InGaN層的整個(gè)平均厚度內(nèi)，銦在所述InGaN層中的濃度基本恒定，并且所述InGaN層基本沒有應(yīng)カ弛豫。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中，選擇所述不同的第二組生長條件的步驟還包括 以下步驟在生長所述第二 InGaN子層的同時(shí)，將銦前體的流速毎分鐘大致減小約5sCCm或更低。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中，選擇所述不同的第二組生長條件的步驟還包括以下步驟在生長所述第二 InGaN子層的同吋，將反應(yīng)室生長溫度以每分鐘大致10°C或更低的速率升高反應(yīng)室生長溫度。
14.ー種氮化銦鎵(InGaN)層，所述InGaN層包括 第一 InGaN子層和位于所述第一 InGaN子層上的至少第二 InGaN子層，所述InGaN層的總厚度等于所述第一 InGaN子層的厚度和所述至少第二 InGaN子層的厚度之和，所述InGaN層的總厚度大于所述第一 InGaN子層的臨界厚度并且小于所述至少第二 InGaN子層的臨界厚度。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的InGaN層，其中，銦在所述第一InGaN子層中的濃度至少基本等于銦在所述至少第二 InGaN子層中的濃度。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的InGaN層，其中，在所述InGaN層的整個(gè)總厚度內(nèi)，銦在所述InGaN層中的濃度至少基本恒定。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的InGaN層，其中，所述InGaN層至少基本沒有應(yīng)カ弛豫。
18.根據(jù)權(quán)利要求14所述的InGaN層，其中，所述InGaN層具有至少約5%的銦濃度和至少約200nm的總厚度。
19.根據(jù)權(quán)利要求14所述的InGaN層，其中，所述InGaN層具有至少約8%的銦濃度和至少約150nm的總厚度。
20.ー種氮化銦鎵(InGaN)層，所述InGaN層包括 第一 InGaN子層，所述第一 InGaN子層的厚度小于或等于所述第一 InGaN子層的臨界厚度； 第二 InGaN子層，所述第二 InGaN子層位于所述第一 InGaN子層上， 其中，所述InGaN層的厚度大于所述第一 InGaN子層的臨界厚度并且所述第二 InGaN子層的厚度小于或等于所述第二 InGaN子層的臨界厚度，以及 其中，銦在所述第一 InGaN子層中的濃度至少基本等于銦在所述第二 InGaN子層中的濃度。
全文摘要
本發(fā)明的實(shí)施例涉及制造半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法，并且涉及通過這類方法構(gòu)成的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。在一些實(shí)施例中，這些方法可用于制造諸如InGaN的III-V族材料的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。通過使用多組不同的生長條件生長多個(gè)子層來制造半導(dǎo)體層，以提高所得層的均一性，提高所得層的表面粗糙度，和/或使所述層能夠生長達(dá)到經(jīng)增大的厚度，而應(yīng)力弛豫并沒有開始。
文檔編號H01L21/02GK102822944SQ201180015070
公開日2012年12月12日 申請日期2011年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月29日
發(fā)明者埃德·林多, 尚塔爾·艾爾納, R·貝爾特拉姆, 蘭詹·達(dá)塔, 蘇巴實(shí)·馬哈詹 申請人:索泰克公司, 亞利桑那董事會(huì)代表亞利桑那大學(xué)