專利名稱：生成iii-n層的方法，和iii-n層或iii-n襯底，以及其上的器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種生成厚III-N層和III-N襯底的方法，其中，N是氮，III是來自元素周期表第III族的至少一種元素，特別是選自鋁、鎵和銦中的一種或多種元素(下面簡稱III-N)，本發(fā)明還涉及具有改進(jìn)的表面形態(tài)的厚III-N層和III-N襯底。特別地，所述 III-N材料是晶體、特別是單晶體。
背景技術(shù)：
III-N材料系在當(dāng)今的半導(dǎo)體材料中發(fā)揮著重要的作用。它用于許多重要的光電和電子器件。這些器件是基于外延生長在適合襯底晶體上的半導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)。如果用同相外延通常得到最好的外延生長結(jié)果，也就是層在相同成分的襯底上生長。因此同相外延的 III-N是所需要的。然而，這類III-N在商業(yè)上幾乎是得不到的，因為其生產(chǎn)具有巨大的挑占戈性[I. Grzegory 禾P S. Porowski, in Gallium Nitride and Related Semiconductors, 1999, INSPEC, B 1.1，359-366]。一種提供III-N襯底的方法是沉積厚III-N層。近年來，一些研究組[S. S. Park, I. Park 和 S. H. Choh, Jpn. J. App 1. Phys. 39，Ll 141 (2000)；和 X. Xu, R. P. Vaudo, C. Loria, A. Salant, G. R. Brandes，和 J. Chaudhuri, J. Cryst. Growth 246,223(2002)]研發(fā)了采用氫化物氣相外延(HVPE)法同相外延生長厚GaN層。這些研發(fā)的目的是代替GaN基技術(shù)的像藍(lán)寶石(Al2O3)和SiC的異質(zhì)襯底，因為這類異質(zhì)襯底的應(yīng)用限制了器件的性能。這些限制的主要原因是高缺陷密度，所述高缺陷密度源于在晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)失配下在異質(zhì)襯底上的同相外延生長。當(dāng)生長不是直接發(fā)生在異質(zhì)襯底上，而是發(fā)生在生長在異質(zhì)襯底上的薄III-N層上，這樣生長得到的厚層更好[T. Paskova等，phys. stat. sol. (a)，1999，176， 415-419]。在此文獻(xiàn)和下面的描述中，包括有至少一個異質(zhì)襯底和至少一層薄III-N層的組合被稱為模板。使用這種由HVPE生長的模板來生產(chǎn)電子和光電器件，特別是GaN激光二極管 [S. Nagahama, T. Yanamoto, M. Sano,禾口 T. Mukai，Jpn. J. Appl. Phys. 40，3075 (2001)；禾口 M. Kuramoto, C. Sasaoka, Y. Hisanaga, A. Kimura, A.Yamaguchi, H. Sunakawa, N. Kuroda, M. Nido, A.Usui，和 M. Mizuta, Jpn. J. Appl. Phys. 38，L184(1999)]和帶有紫外光譜區(qū)域發(fā)射的光發(fā)射二極管(LEDs) [X. A. Cao, S. F. LeBoeuf，M. P. DEvelyn, S. D. Arthur, J. Kretchmer, C. H. Yan,和 Ζ. H. Yang, Appl. Phys. Lett. 84，4313 (2004)]。但是這些模板仍有一些問題。它們通常表現(xiàn)出強(qiáng)的彎曲和明顯的斷裂形成傾向。這兩種負(fù)面效應(yīng)都是由于 GaN和異質(zhì)襯底(通常是藍(lán)寶石)的不同的熱膨脹而導(dǎo)致的。此外，通過HVPE生長的GaN層經(jīng)常有粗糙的表面，在其可以被用作進(jìn)一步外延生長的模板之前，需要對其進(jìn)一步拋光 [S. S. Park 等，supra ；禾口 L. Liu 和 J. H. Edgar, Mat. Sci. Engin. R37，61 (2002)]。除了所選擇的異質(zhì)襯底外，斷裂形成的敏感度還強(qiáng)烈依賴于分別用于HVPE生長的形成于異質(zhì)襯底和層或模板之間的成核層或緩沖層。通常我們采用1.5微米厚的GaN 模板，它們是在2英寸的藍(lán)寶石晶片上通過金屬有機(jī)汽相外延(MOVPE)生成的。我們注意到，如果在MOVPE處理中采用低溫下由AlN生長得到的成核層[B. Kuhn和F. Scholz, phys. stat. sol. (a) 188，629 (2001)]替代常規(guī)的 GaN成核層，來制造模板[F. Habel,P. Bruckner, 和F. Scholz, J. Cryst. Growth 272，515 (2004)]，則可以通過HVPE生長沒有斷裂的較厚的層。很明顯，此改善是由于在室溫下成核層的更高的壓縮應(yīng)變，因為其減輕或消除了在大約1000°C的典型HVPE生長溫度下的凈拉伸應(yīng)變。甚至可以在圖案化模板(例如，選擇性生長的GaN條紋)上生長無斷裂的較厚的層[P. Bruckner, F. Habel，和F. Scholz (2005)， Contribution to ICNS 6, Bremen, Germany, August 2005]。在早期的研究中[F.Habel, P. Bruckner, J. Tsay, W. Liu，F(xiàn). Scholz, D. khmitz，和 Μ. Heuken, phys. stat. sol. (c) 2，2049 (2005)]，我們觀察到通過 HVPE 生長的 GaN 層的形態(tài)有明顯的差異。這些差異明顯和模板的選擇有關(guān)。通過標(biāo)準(zhǔn)特性方法(光顯微鏡，X射線衍射，光致發(fā)光光譜學(xué)，原子/掃描力顯微鏡)估測的其它層屬性則沒有明顯的差異。因此， 下面我們著重于在早期的調(diào)查中沒有深入研究的模板特性。只是近來才有一些研究組報道薄GaN層的表面形態(tài)[T. Yuasa, Y. Ueta, Y. Tsuda, A. Ogawa, M. TaneyajP K. Takao, Jpn. J. Appl. Phys. 38，L703(1999) ；D. Lu, D. L. Florescu, D. S. Lee, V. Merai, J. C. Ramer, A. Parekh, 禾口 E. A. Armour, J. Cryst. Growth 272, 353 (2004)；禾口 Y. N. Drozdov, N. V. Vostokov, D. Μ. Gaponova, V. Μ. Daniltsev, Μ. N. Drozdov, 0. I. Khrykin, A. S. Filimonov，和 V. I. Shashkin, Semiconductor 39,1(2005)]或由 MOVPE 生長的 AlN 層[Q. Paduano 和 D. Weyburne, Jpn. J. Appl. Phys. 44，L150 (2005)]通過使用帶有微斜切的(斜切的角度大概是0. 3° )藍(lán)寶石晶片得以改善。這類表現(xiàn)從III的砷化物和磷化物的MOVPE[R. Sasaki, J. Cryst. Growth 160,27(1996)；禾ΠΜ· Razegi 和 J. P. Duchemin, J. Cryst. Growth 64，76(1983)]*HVPE[M.J.McCollun^PG.E.Millman，High purity InP grown by hydride vapor phase epitaxy (Academic Press, Boston,1990), vol.31 of Semiconductors and Semimetals, chap. 2, p.37 ；H. Haspeklo, Ph. D. Thesis, Universitat Stuttgart (1984)；和 J. V. DiLorenzo，J. Cryst. Growth 17,189(1972)]可以得知，其中， 第五族元素是砷和/或磷，替代了氮。然而，對于這些化合物，最佳的微斜切的角度是以2°為標(biāo)準(zhǔn)值的幾度。如此大的斜切角度對于III-N的生長是不利的[O.Parillaud， V. Wagner, H. Buhlmann, F. Lelarge,禾口 Μ· llegems, MRS Internet J. Nitride Semicond. Res. 5S1, W3. 13(2000)；禾口 B.Pecz，M. A. diForte-Poisson, F. Huet, G. Radnoczi, L. Toth, V. Papaioannou,和 J. Moemenos，J. Appl. Phys. 86,6059 (1999)]或者甚至是有害的并導(dǎo)致更差的形態(tài)[K. Hiramatsu, H. Amano, I. Akasaki, H. Kato, N. Koide,禾口 K. Manabe, J. Cryst. Growth 107,509(1991)]?？赡軐τ贗II-N外延生長的，特別是在藍(lán)寶石上的，相對小的最佳斜切角導(dǎo)致了這樣一個事實，即，襯底斜切的有利效果被長期忽略。先前的通過利用圖案化襯底來提高III-N晶片性能的方法可以被總結(jié)如下Pari 1laud [MRS internet Journal of Nitride SemiconductorResearch, Vol. 5S1，Art. W3. 13(2000)]已經(jīng)研究過在模板上的HVPE，但利用了相對大的襯底斜切角度，范圍是2°到6°。Ban (US 6，734，530)描述了一種由III-N襯底和III-N層組成的GaN基晶片，其中，III-N襯底的表面斜切角度在1°和10°之間。Flynn(US 6，447，604)也描述了通過氣相外延(VPE)得到的同相外延生長；考慮到襯底斜切的可能性，但沒有引起足夠的重視。這兩種情況均只考慮了同相外延生長，這需要使用III-N晶片或III-N襯底。這些方法也不適合于在異質(zhì)襯底上進(jìn)行異相外延生長，也不適合于在典型異質(zhì)襯底上進(jìn)行III-N晶片的生產(chǎn)。Kitaoka(US 2004/0144300 Al)描述了一種包括襯底和 III-N 層的 III-N 襯底。 在一個分開的處理步驟中，對襯底上的薄III-N層進(jìn)行斜切以得到一個斜表面。相形之下， 起始襯底上沒有斜切。因此，需要一個費用高的附加處理步驟來獲得斜表面。該斜III-N 表面通過液相外延(LPE)生長得到。Kainosho (JP 2002-274997A)描述了在鈣鈦礦襯底上GaN基半導(dǎo)體的生長。選擇了相對于鈣鈦礦襯底的(011)晶體表面的1°到4°的斜切。這種方法不涉及使用用來生長 III-N的典型的異質(zhì)襯底，例如藍(lán)寶石或碳化硅，這些典型的異質(zhì)襯底因為其物理特性和可用性而特別適合III-N層的生長。Morishima(JP 2003_;3472^A)描述了在藍(lán)寶石上硅襯底上生長III-N層的生長， 襯底的斜切為0. 5°以下，連同使用含鹵氣體對模板進(jìn)行的必要的附加反應(yīng)離子刻蝕步驟。 該必需的步驟是為隨后的III-N生長提供模板的鏡面光滑表面。Matsuoka (US 6，586，819，相應(yīng)于 EPO1119516)描述了在(0110)平面繞 C 軸旋轉(zhuǎn) 8°到20°的條件下在藍(lán)寶石襯底上的生長。Morita(US 6，501，154)描述了一個III-N襯底，它可以有一個斜切角但必須具有一個垂直于C平面的表面。這兩種方法因此只適合有 M平面或A平面表面的III-N晶片的生成，但不適合有C平面表面的III-N晶片的生成。Summerfelt (US 3，083，812，相應(yīng)于 EP94101374)描述了在具有 1° 到 10° 之間的斜切的陶瓷異質(zhì)襯底上，例如SiC、AlN或GaN的半導(dǎo)體的異相外延生長。在此，在半導(dǎo)體層的外延生長之前，需要有一個至少一個小時的、溫度至少是1200°C的退火步驟，以及需要在異質(zhì)襯底上生長陶瓷緩沖層。根據(jù)所描述的實施例，這些方法保證在半導(dǎo)體層生長開始之前緩沖層有高的表面質(zhì)量。緩沖層和半導(dǎo)體層都通過化學(xué)氣相沉積(CVD)生長。在此實施例中，選擇相對于C軸的5°的斜切(或偏離角度)，所生長的SiC層的厚度是0.3微米。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供能夠被生長的帶有(0001)-或C-平面表面的厚III-N層，所述厚III-N層具有提高的表面特性，所述厚III-N層特別適合作為襯底，以進(jìn)行進(jìn)一步的外延生長步驟。根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種生成厚III-N層的外延生長方法，其中，在具有 0.1°到2°之間斜切(取向差)的異質(zhì)襯底上，沉積有厚度>40微米的III-N層。為了實現(xiàn)本發(fā)明的該項主題，根據(jù)優(yōu)選實施例的外延生長，是通過氫化物氣相外延(HVPE)在作為異質(zhì)襯底的藍(lán)寶石上進(jìn)行的，因而該襯底的斜切被很好地限定。所述藍(lán)寶石優(yōu)選為晶體，更優(yōu)選為單晶體。與斜切角度大于2°的異質(zhì)襯底的較大斜切相比，我們驚奇的發(fā)現(xiàn)，斜切角度從0.1°到低于1°，特別是從0.1°到大約0.6°，可以顯著提高表面形態(tài)。現(xiàn)有技術(shù)中同相外延生長是必需的，因此在生長之前需提供厚III-N層，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相反，從而可以有利的用于異質(zhì)襯底，特別是藍(lán)寶石襯底。在異質(zhì)襯底和優(yōu)選通過 HVPE生長得到的厚III-N層之間，提供優(yōu)選通過MOVPE外延生長而成的薄III-N層作為模板是有利的但不是必須的。在藍(lán)寶石上通過HVPE直接生長也是可行的。本發(fā)明另一方面提供了一種生成III-N襯底的方法，其中，在模板的薄III-N層上，生長了厚度至少是40微米的III-N層，所述III-N襯底包括異質(zhì)襯底和所述薄III-N 層，其中，相對于下一晶格平面，所述異質(zhì)襯底的襯底表面具有斜切(取向差)，在該表面上完成生長過程。為了實現(xiàn)本發(fā)明的該項主題，生長在具有斜切的異質(zhì)襯底上的模板作為厚III-N 層沉積的襯底。在本發(fā)明的框架中還發(fā)現(xiàn)，在有準(zhǔn)確取向和沒有斜切的異質(zhì)襯底上通過沉積薄III-N層來生產(chǎn)模板，有可能使該薄層獲得光滑的表面形態(tài)，同時在此模板的光滑表面上的進(jìn)一步生長，以期望獲得質(zhì)量好的模板，會獲得具有顯微鏡下粗糙表面的厚層，所述粗糙表面上常常覆蓋有高密度的六角形金字塔。根據(jù)本發(fā)明可以驚奇的發(fā)現(xiàn)，當(dāng)在模板上進(jìn)行外延生長時，所述模板的異質(zhì)襯底具有一個相對于其上發(fā)生外延生長的表面的下一晶格平面的微小的斜切，并且當(dāng)?shù)谝槐II-N層已經(jīng)沉積在其上時，生成至少40微米厚的 III-N層，并具有很光滑的表面形態(tài)，不需要像高溫退火(例如在至少1200°C下至少一個小時)和/或必需的對初始第一 III-N層的刻蝕或拋光的附加步驟。為了實現(xiàn)本實施例，比所期望的厚層更薄的第一薄III-N層被沉積在有微斜切的異質(zhì)襯底上。因此，根據(jù)本方明的方法，III-N襯底不是必需的。在此模板上可以直接生長厚ALxGaa_x)N層，可以選擇的使用進(jìn)一步的中間層。因此，可以避免對表面進(jìn)行進(jìn)一步的處理。特別是，可以免除含鹵氣體刻蝕。厚度至少是40微米的厚III-N層，優(yōu)選是至少50微米，特別優(yōu)選至少是100微米，具有明顯改善的表面特性，特別是當(dāng)有意選取低于2°的斜切值，以及選取在0.1°以上和1°以下的斜切值，并且進(jìn)一步地，當(dāng)厚III-N層通過HVPE 生長在通過MOVPE生長的藍(lán)寶石-III-N襯底上。所述藍(lán)寶石襯底優(yōu)選是晶體，特別是單晶體。本發(fā)明另一方面提供了一種生成III-N襯底的方法，其中，在至少一個步驟中，以預(yù)定的N/III比率和預(yù)定的反應(yīng)器壓力，在襯底上外延生長至少厚度為40微米的III-N 層，并且其中當(dāng)生長過程接近結(jié)束但還沒結(jié)束時，所述N/III比率和/或反應(yīng)器壓力被降低。在這種生長處理過程的結(jié)束階段，III-N材料應(yīng)該仍在生長，但在所述不同的條件下生長。在本實施例中，N/III比率優(yōu)選被減小至少25%，更優(yōu)選被減少到大約50%到大約5% 之間，特別是被減少到大約7. 5%到25%的范圍，例如，被減少到生長過程前面部分所預(yù)定的N/III比率的大約10%，和/或反應(yīng)器生長壓力優(yōu)選被減小至少20%，更優(yōu)選被減少到 25%和65%之間，特別是被減少到大約45%到55%的范圍，例如，被減少到生長過程前面部分所預(yù)定的壓力的大約50%。已經(jīng)說明了，令人驚訝地，如果N/III比率和/或反應(yīng)器壓力在外延生長處理的最后階段降低，表面形態(tài)可以被顯著提高。甚至在使用上面所提到的沒有斜切的準(zhǔn)確襯底時也有此現(xiàn)象。因為根據(jù)本發(fā)明的概念的優(yōu)勢對于異質(zhì)襯底來說很重要，因此，襯底優(yōu)選是類似藍(lán)寶石(Al2O3), SiC，GaAs，Li (Al ；Ga) Ox (0彡χ彡3 ；特別是χ = 2)的異質(zhì)襯底或其它異質(zhì)襯底，或者包含這類異質(zhì)襯底和薄III-N層的模板。同樣，根據(jù)本發(fā)明的實施例，在生長過程接近最后階段，借助于生長參數(shù)的修改通過HVPE生長的III-N層的表面形態(tài)可獲得改善，也可以應(yīng)用于在同質(zhì)III-N襯底或模板上同相外延生長過程。根據(jù)本實施例，如果厚III-N層通過HVPE生長，并且在厚III-N層的生長過程的最后60分鐘、優(yōu)選是最后30分鐘、特別是最后10分鐘將N/III比率和/或HVPE反應(yīng)器的生長壓力減小，則表面形態(tài)將會改善。在本具體實施例中，如果異質(zhì)襯底有如上的取向差 (斜切)，表面質(zhì)量甚至可以進(jìn)一步被改善。因此，在上面給出的單個具體實施例中，本發(fā)明提供了在通過HVPE的外延III-N 生長處理過程的開始和結(jié)束，在襯底上(也就是在襯底或摸板上)的厚III-N層的最佳生長條件。與本發(fā)明有關(guān)的詞“取向差”和“斜切”的意思是，相對于晶格的晶格平面，以界定的方向的，襯底表面的斜角或傾斜，厚III-N層生長在所述襯底表面上。例如當(dāng)藍(lán)寶石作為異質(zhì)襯底，III-N層通常生長在(0001)表面，該生長表面相對于藍(lán)寶石的(0001)晶面微傾斜。取向差方向可以任意選擇，例如朝向襯底的A或{11-20}邊，該邊通常由定位邊標(biāo)示， 或朝向襯底的M或{1-100}邊。如果對于其它異質(zhì)襯底，其它表面適合于III-N層的生長， 那么根據(jù)本發(fā)明，采用相對于所述晶格平面襯底表面具有微取向差的襯底，尤其相對于硅的{111}、砷化鎵的{111}或鋁酸鋰或鎵酸鋰的{001}平面。這樣的取向差或傾斜應(yīng)該進(jìn)一步在0. 1°和2°之間，優(yōu)選從大約0.1°到低于 1.0°，更優(yōu)選從大約0.1°到大約0.6°，并且尤其從大約0.3°到大約0.6°。在上面的定義中，III表示元素周期表中第III族中至少一種元素。這種第III 族元素應(yīng)該從Al、( 和h中選擇單一元素或元素的組合。因此，通式為AlxGiiyInzN,其中 0彡χ彡1，0彡y彡1，0彡ζ彡1并且x+y+z = 1。可能的III-N復(fù)合物例如像(Al，Ga， In)N的四元復(fù)合物，像(Al，Ga)N，(Ga，In)N和(Al，h)N的三元復(fù)合物，或像GaN或AlN的二元復(fù)合物。在如上述括號里所例舉的所選擇的第III族元素中，所有的組合比例都可能， 也就是各個元素的原子數(shù)從0到100% (例如(Al，Ga)N = AlxGi^xN,其中0彡χ彡1)。優(yōu)選為(Alja)N和GaN。下面具體實施例的描述不限于那兒所給出的III-N復(fù)合物，而是可以應(yīng)用于所有可能的III-N復(fù)合物。進(jìn)一步地，第一薄III-N層和厚III-N的組分可以互相獨立選擇。所述組分可以相同或不同。通過該處理步驟生成的III-N層，特別是通過MOVPE 生長的薄III-N層和通過HVPE生長的厚III-N層，優(yōu)選是晶體，特別是單晶體。特別適合于與藍(lán)寶石襯底組合的是包含GaN或AlN的薄層和厚GaN層?？蛇x擇沉積的薄III-N層的厚度可以超過10微米，但不是必須的。通常，厚度最多大約是5微米，如果使用這類薄層，厚度一般是大于0到大約3微米，例如從大約1微米到大約2微米。采用包括厚III-N層的襯底，可以得到至少2英寸(大約5厘米)，至少3英寸(大約7. 6厘米)或至少4英寸(大約10厘米)或更大的直徑。根據(jù)本發(fā)明，可以提供帶有III-N層的襯底，其層表面的平均粗糙度<50納米，甚至<40納米。該表面粗糙度可以例如用表面輪廓測量儀或原子力顯微鏡(AFM)測量。根據(jù)本發(fā)明，對于厚度至少是大約40微米、優(yōu)選是至少大約50微米、更優(yōu)選是至少大約100 微米，特別是至少大約300微米的厚III-N層，可保持極好的和很小的表面粗糙度。用上面的方法可以得到III-N襯底。在去除初始異質(zhì)襯底后，就得到了自支撐的III-N襯底。這樣，可以獲得以上給定的晶片性能的獨特組合，其中，整個晶片上而不僅在限定的區(qū)域中的極低的平均表面粗糙度與所需的層厚度的結(jié)合，足以獲得所需直徑的自支撐 III-N層，如果這樣的自支撐結(jié)構(gòu)是所需要的或所期望的。根據(jù)本發(fā)明，生成的具有改善的表面形態(tài)的III-N層適合作為襯底，用于半導(dǎo)體器件制造的進(jìn)一步外延生長步驟。如果需要，可以有利地避免或省略損害晶體的熱處理、機(jī)械和/或化學(xué)處理，例如為了對厚III-N層的表面進(jìn)行光滑處理。如果需要，當(dāng)然總是可以采用簡單的清潔或洗滌步驟，例如使用不損害晶體的清洗劑。根據(jù)本發(fā)明，進(jìn)一步提供一種半導(dǎo)體器件，所述半導(dǎo)體器件在具有層厚度> 40微米的厚III-N層的異質(zhì)襯底上，其中，所述異質(zhì)襯底的取向差或斜切在0.1°和2°之間， 優(yōu)選在大約0.1°到小于1.0°，更優(yōu)選是在大約0.1°到大約0.6°，尤其優(yōu)選是在大約 0.3°到0.6°。異質(zhì)襯底優(yōu)選是藍(lán)寶石，特別是單晶藍(lán)寶石。此外，本發(fā)明提供的器件包括如上所限定的，厚度>40微米和平均表面粗糙度 (50納米的III-N襯底。根據(jù)本發(fā)明的上述半導(dǎo)體器件中的厚III-N層或III-N襯底的厚度>約100微米，特別是>約300微米。所述III-N材料具有上述組分，優(yōu)選是GaN，特別是單晶GaN。上面提及的III-N襯底或上面提及的器件的III-N層的平均表面粗糙度可以在 ^ 40納米甚至< 30納米的范圍內(nèi)。本發(fā)明的襯底或器件的進(jìn)一步特征是，在沒有拋光或刻蝕的情況下可以有很低的表面粗糙度。薄III-N層也不需要拋光或刻蝕。這降低了缺陷密度，特別是對于直接在被處理表面之下的缺陷，這些缺陷容易在刻蝕和/或拋光(次表面損傷)過程中發(fā)生。通過將根據(jù)本發(fā)明的各個實施例的上述處理過程和/或產(chǎn)品特征的一個或幾個進(jìn)行組合，可以得到本發(fā)明的表面性質(zhì)的最優(yōu)化。例如，采用MOVPE制作可選的薄III-N層和采用HVPE制作厚III-N層，可以使例如反應(yīng)器腔中的溫度、壓力和N/III比率的工藝參數(shù)形成有利的組合。
下文將參照附圖，根據(jù)優(yōu)選實施例和例子對本發(fā)明進(jìn)行更為詳細(xì)的介紹。優(yōu)選實施例和舉例只是為了說明，并不限制本發(fā)明的范圍。圖1示出了兩個模板在低溫(大約20K)下的光致發(fā)光光譜，這兩個模板在同一個 MOVPE處理過程中并排生長。實線指在具有準(zhǔn)確取向的藍(lán)寶石異質(zhì)襯底上生長的模板，虛線指在具有0.3°取向偏差(斜切)的藍(lán)寶石異質(zhì)襯底上的模板。曲線的光譜形狀是相關(guān)的，因此后面樣品的密度發(fā)生了因數(shù)為2的偏移。圖2A和2B為兩個有代表性的厚GaN層的表面的光諾馬爾斯基(Nomarski)干涉對比顯微鏡圖，所述厚GaN層在圖1的相應(yīng)MOVPE模板上通過HVPE生長，其中圖2A示出在具有準(zhǔn)確取向的藍(lán)寶石異質(zhì)襯底的模板上的層，圖2B示出在具有0.3°取向差(斜切)的藍(lán)寶石異質(zhì)襯底的模板上的層。圖3為在模板上通過HVPE生長的GaN層的表面輪廓(通過表面輪廓計測量)，所述模板具有準(zhǔn)確取向(實線)或具有0. 3°取向差(虛線)。圖4為圖2A和2B的兩個層在低溫(T大約是20K)下的光致發(fā)光光譜。圖5為兩個有代表性的GaN層的表面的光諾馬爾斯基干涉對比顯微鏡圖，GaN層通過HVPE生長在具有不同取向差角度的藍(lán)寶石異質(zhì)襯底上。列中示出在有準(zhǔn)確取向(左)， 0. 3°取向差(中間)和0. 6°取向差(右)的藍(lán)寶石異質(zhì)襯底上進(jìn)行HVPE生長處理的結(jié)果。處理條件或者在整個生長階段(上行)保持不變，或者根據(jù)N/III比率(中行)或根據(jù)生長壓力(下行)向生長方法的結(jié)束段改變。
具體實施例方式實施例1 作為一個例子，在Aixtron 200/4RF-S MOVPE系統(tǒng)中，薄GaN層可以在具有0. 3° 取向差的藍(lán)寶石異質(zhì)襯底上生長。例如，薄GaN層的厚度小于2微米，特別在1微米和2微米之間。模板從該MOVPE反應(yīng)器上被卸載并被裝載到一個Aixtron LP-HVPE反應(yīng)器上。在那里，幾百微米厚的厚GaN層被生長在該模板上。例如，HVPE處理的操作條件是溫度在 1040°C和1075°C之間，壓力在900毫巴和1000毫巴之間，N/III比率大約是40，載氣是大約50%氫和大約50%氮的混和氣體。此例中的生長率大約是40微米/小時。通過使用具有微取向差的異質(zhì)襯底，在HVPE生長后表面形態(tài)有明顯的改善。即使厚GaN層的層厚是40 微米或更厚，表面形態(tài)也可以和通過MOVPE生長的薄得多的薄層相仿。因此，本發(fā)明的此實施例所提供的層，很適合于作為半導(dǎo)體器件層的后續(xù)外延生長的襯底，不需要任何進(jìn)一步的處理步驟。實施例2 本發(fā)明的大體框架是，通過在相同的HVPE處理過程中并排使用，對在具有取向差的藍(lán)寶石異質(zhì)襯底上的幾個模板和傳統(tǒng)的具有準(zhǔn)確取向的藍(lán)寶石異質(zhì)襯底上的模板進(jìn)行對比。所有的HVPE生長處理都是在帶有水平石英反應(yīng)器的AIXTR0N單晶片HVPE系統(tǒng)中完成的。金屬( 以通常的方式通過HCI氣體被送到襯底。氨被作為氮源。( 源在850°C 下被操作，而襯底區(qū)被加熱到1040-1075°C。1 1的氮氣和氫氣混和物作為載氣。實驗在大氣壓和大約40的N/III的比率下進(jìn)行。所有的HVPE生長層被沉積在GaN模板上，此模板通過MOVPE生長在作為異質(zhì)襯底的兩英寸厚的藍(lán)寶石晶片上。通過裝載從不同模板切割而成的四個四分之一區(qū)域，可實現(xiàn)四個不同模板的平行使用。在我們典型的生長條件下，可以獲得大約40微米/小時的生長率。模板和通過HVPE生長的厚度在40微米和140微米之間的厚層，可以通過使用像光顯微鏡，高分辨率X光衍射(HRXRD)，低溫光致發(fā)光(PL)和表面輪廓測定法的標(biāo)準(zhǔn)方法來表征。 這些測量顯示這些模板的層屬性除了取向差之外都很類似。圖1示出了在多層晶片MOVPE 反應(yīng)器上平行生長的兩個模板的低溫PL光譜。這兩個模板只是在表面質(zhì)量上略有不同，因此說明了上面的討論結(jié)果。特別是，在層應(yīng)變或PL光譜的線寬或HRXRD擺動曲線方面沒有發(fā)現(xiàn)不同。在這些晶片上的GaN層具有與藍(lán)寶石襯底相同的取向差，所述GaN層生長在所述藍(lán)寶石襯底上。我們發(fā)現(xiàn)通過MOVPE生長的GaN層相對于藍(lán)寶石襯底的最大斜度大約為 200arcsec (弧秒)。
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因此可以聲明，令人驚奇的是，薄III-N層表面和進(jìn)一步的特性在準(zhǔn)確取向和微取向差兩種情況下沒有不同。緊在HVPE處理之前，模板用標(biāo)準(zhǔn)溶解劑清洗以去除灰塵、顆粒和處理晶片帶來的污染。在僅幾個小時到幾個月的范圍內(nèi)，從MOVPE生長到用于HVPE生長，沒有發(fā)現(xiàn)模板的表面形態(tài)和存儲時間之間的內(nèi)在聯(lián)系。因此表面氧化過程或其它因素造成的明顯影響肯定可以被排除。另一方面，我們確鑿地發(fā)現(xiàn)，微取向差是獲得優(yōu)秀的表面形態(tài)的原因。在具有取向差的模板上通過HVPE生長的厚層，即使厚度為100微米和100微米以上，具有鏡樣表面形態(tài)(圖幻，此表面形態(tài)可以和通過MOVPE生長的最先進(jìn)的薄得多的層相比，而在大致準(zhǔn)確取向的模板上，如同通過HVPE常規(guī)生長的厚層中所見，形成有高金字塔形。還發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)確取向的具有較高的粗糙度，并可以通過表面輪廓儀被量化(圖幻。假定外延生長是由具微取向差的襯底上的表面臺階所引起的臺階電流所控制[W. K. Burton, N. Cabrera，和F. C. Frank, Phil. Trans. A 243,299(1951)]。對于0.3°的取向差，這些臺階的平均距離是50nm。這明顯比吸附到表面的鎵原子的擴(kuò)散長度要短(由于高的III/N比率和N原子的容易解吸，一般只需考慮第III族元素)。同時，臺階距離明顯短于平均錯位距離(薄模板的典型值是， 在錯位密度是IO9CnT2時大約為300納米)。這可能是抑制錯位的三維核有利于在臺階邊緣的二維生長的原因。如同已經(jīng)觀察過的模板那樣，當(dāng)采用微取向差(斜切)時，通過HVPE生長的厚層除了表面形態(tài)有所改善以外，光學(xué)性能和結(jié)晶性能也沒有明顯的不同。應(yīng)該再次強(qiáng)調(diào)的是， 在PL施主受縛激子的能量表明層的應(yīng)力是相同的，無論襯底的方向如何(圖4)?？傊捎镁哂形⑿鼻?例如，大約0. 3° )的襯底，通過HVPE生長的厚GaN層的表面質(zhì)量有明顯的改善，而在準(zhǔn)確取向襯底上會導(dǎo)致通過HVPE常規(guī)生長的厚層能被觀察到金字塔形的生成。因此，在有取向差的襯底上生長的層很適合于用作進(jìn)一步外延生長步驟的襯底，而不需要附加的制備步驟。實施例3 在實施例2中描述的處理過程被修改如下實施例3. 1 在具有準(zhǔn)確取向(無斜切)或具有偏離角度(斜切)是0. 3°或偏離角度(斜切)是0.6°的模板上進(jìn)行HVPE處理，在壓力和N/III比率的其它方面保持不變， 直到外延生長結(jié)束。實施例3. 2 同實施例3. 1，但是，在外延生長的最后10分鐘，N/III比率從40減小到5，而壓力保持不變。實施例3. 3 同實施例3. 1，但是，在外延生長的最后10分鐘，N/III比率從40減小到5，生長壓力從900毫巴減小到500毫巴。為了對每個外延生長處理過程有一個有效且清晰的比較，四個晶片部分(每一個是2英寸晶片的四分之一)被平行放置，以使具有和沒有取向差的不同類型模板上的層可以在相同的生長條件下生長。結(jié)果總結(jié)如圖5。對于采用的所有處理條件，準(zhǔn)確取向的表面質(zhì)量最差，盡管如此，在這種最差的情況下，也可以通過改變N/III比率特別是改變N/III比率和生長壓力(見左列)來顯著改善表面質(zhì)量。在不改變N/III比率和生長壓力的情況下，0.6°的取向差比0.3°好。而當(dāng)在生長處理過程的最后僅僅減小N/III比率時，0.3°的結(jié)果更好，但0.6°的取向差的表面質(zhì)量仍很好。采用一個微小的取向差(優(yōu)選0. 3° )和隨外延生長過程減小的N/III比率和壓力的最優(yōu)組合，可以得到最好的結(jié)果。該組合可以得到獨有的好的表面質(zhì)量。雖然此發(fā)明已經(jīng)通過具體實施例和舉例進(jìn)行了詳述，但是對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，很容易對本發(fā)明作一些變化和修改。因此所附的權(quán)利要求書被理解為以最寬的方式與現(xiàn)有技術(shù)相區(qū)別而將這些變化和修改包含在本發(fā)明所保護(hù)的范圍中。
權(quán)利要求
1.一種用于生成III-N襯底的方法，其中，III表示元素周期表中第III族元素中的至少一種元素，所述方法包括步驟在預(yù)定的N/III比率和預(yù)定的反應(yīng)器壓力下，通過外延生長在襯底上沉積厚度至少是40微米的III-N層；其中，在接近III-N層外延生長過程的最后階段，N/III比率和/或反應(yīng)器壓力分別相對于預(yù)定N/III比率和/或預(yù)定反應(yīng)器壓力降低。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述N/III比率的減小和/或所述反應(yīng)器壓力的減小范圍分別被減小到預(yù)定N/III比率的50%到5%，和/或被減小到預(yù)定壓力的65%到 25%。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述N/III比率的減小和/或所述反應(yīng)器壓力的減小在所述外延生長過程的最后階段進(jìn)行。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述III-N層的所述外延生長方法在同質(zhì)III-N襯底或模板上進(jìn)行。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述III-N層的所述外延生長方法在包含異質(zhì)襯底和可選擇的薄III-N層的襯底上進(jìn)行。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其中，所述異質(zhì)襯底的晶格取向差在0.1°和2°之間。
7.如權(quán)利要求5所述的方法，其中，所述異質(zhì)襯底的晶格取向差在0.3°和0.6°之間。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，沉積所述厚III-N層后，所述襯底被去掉，得到自支撐的III-N層。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種生長厚III-N層的外延生長方法，其中，III指元素周期表中第III族中的至少一種元素，厚III-N層被沉積在異質(zhì)襯底上。外延生長方法優(yōu)選用HVPE來實現(xiàn)。襯底也可以是包含異質(zhì)襯底和至少一個薄III-N中間層的模板。通過使襯底具有有意選取的取向差和/或在外延生長處理過程的最后減小N/III比率和/或反應(yīng)器壓力，可以改善表面質(zhì)量。本發(fā)明也公開了具有這種改善III-N層的襯底和半導(dǎo)體器件。
文檔編號C30B29/40GK102268737SQ20111022076
公開日2011年12月7日 申請日期2006年5月5日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月6日
發(fā)明者克勞斯·柯勒, 弗蘭克·哈伯爾, 彼得·布克納, 費迪南·斯考茲, 馬提亞·彼得 申請人:弗賴貝格化合物原料有限公司, 歐司朗光電半導(dǎo)體有限公司