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
生成m-N層的方法，和m-N層或in-N襯底，以及其上的器件本發(fā)明涉及一種生成厚m-N層和m-N襯底的方法，其中，N是氮，m是來自元素 周期表第ni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 ni-N)，本發(fā)明還涉及具有改進(jìn)的表面形態(tài)的厚m-N層和ni-N襯底。特別地，所迷iii-n 材料是晶體、特別是單晶體。m-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 in-N是所需要的。然而，這類ni-N在商業(yè)上幾乎是得不到的，因?yàn)槠渖a(chǎn)具有巨大的才兆戰(zhàn)'性[I. Grzegory禾口 S. Porowski, in Gallium Nitride and Related Semiconductors, 1999, INSPEC,B 1.1 , 359-366]。一種提供m-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. Appl. Phys. 39， LI 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(A1203)和SiC的異質(zhì)襯底，因?yàn)檫@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(gè)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,和T. Mukai, Jpn. J. Appl. Phys. 40, 3075 (2001);和M. Kuramoto， C. Sasaoka， Y. Hisanaga, A. Kimura， A. Yamaguchi， H. Sunakawa, N. Kuroda, M. Mdo, A. Usui,和M. Mizute, Jpn.丄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Z. 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)村底(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;和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A1N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[R 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?yàn)槠錅p 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. Scholz, D. Schmitz,和M. 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(bào)道薄GaN層的表面形態(tài)[T. Yuasa, Y. Ueta， Y. Tsuda, A. Ogawa, M. Taneya,和K.Takao, Jpn. J. Appl. Phys. 38， L703 (1999); D. Lu, D. L. Florescu, D. S. Lee， V. Merai, J. C. Ramer, A. Parekh，和E. A. Armour, J. Cryst. Growth 272， 353 (2004); 和Y. N. Drozdov, N. V. Vostokov, D. M. Gaponova, V. M. Daniltsev， M. N. Drozdov, O. I. Khrykin， A. S. Filimonov, 和V. I. Shashkin， Semiconductor 39, 1(2005)]或由MOVPE生 長的A1N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o.3。)藍(lán)寶石晶片得以改善。這類表現(xiàn)從in的砷化物和石粦化物的MOVPE[R. Sasaki, J. Cryst. Growth 160， 27 (1996);和M. Razegi和J. P. Duchemin， J. Cryst. Growth 64, 76 (1983)]和HVPE[M. J. McCollum和G. E. Stillman，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 M. llegems, MRS Internet J. Nitride Semicond.Res.5Sl, W3.13 (2000);和B. Pecz, M. A. diForte陽Poisson， F. Huet， G Radnoczi, L. Toth, V. Papaioannou,和J. Stoemenos, 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,和K. Manabe, J. Cryst. Growth 107， 509 (1991)]。可能對于III-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(gè)事實(shí)，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Parillaud [MRS internet Journal of Nitride Semiconductor Research, Vol.5Sl， 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(gè)分開的處理步驟中，對村底上的薄m-N層進(jìn)行斜切以得到一個(gè)斜表面。相形之下， 起始襯底上沒有斜切。因此，需要一個(gè)費(fèi)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。Kai加sho (JP 2002-274997 A)描述了在鈣鈦礦襯底上GaN基半導(dǎo)體的生長。選擇 了相對于鉤鈦礦襯底的(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m-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?yàn)槠湮锢硖?性和可用性而特別適合III-N層的生長。Morishima (JP 2003-347226A)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，連同使用含卣氣體對模板進(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EP01119516 )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(gè)III-N襯底， 它可以有一個(gè)斜切角但必須具有一個(gè)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)村底上，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(gè)至少一個(gè)小時(shí)的、溫度至少是1200°C的退火步驟， 以及需要在異質(zhì)村底上生長陶瓷緩沖層。根據(jù)所描述的實(shí)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(shí)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。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m-N層，所述厚ni-N層具有提高的表面特性，所述厚ni-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in-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)村底上，沉積有厚度^40微米的m-N層。為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的該項(xiàng)主題，根據(jù)優(yōu)選實(shí)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。所迷藍(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m-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 m-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ni-N襯底的方法，其中，在模板的薄in-N層上，生長了厚度至少是40微米的ni-N層，所述ni-N襯底包括異質(zhì)襯底和所述薄ni-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(shí)現(xiàn)本發(fā)明的該項(xiàng)主題，生長在具有斜切的異質(zhì)襯底上的模板作為厚m-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in-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(shí)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(huì)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(shí)，所述模板的異質(zhì)襯底具有一個(gè)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(shí)，生成至少40 微米厚的in-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(gè)小時(shí))和/或必需的對初始第一m-N層的刻蝕或拋光的附加步驟。為了實(shí)現(xiàn)本實(shí)施例，比所期望的厚層更薄的第一薄ni-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ALxGao.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，可以免除含卣氣體刻蝕。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IOO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m-N襯底的方法，其中，在至少一個(gè)步驟中，以 預(yù)定的N/in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4o微米的m-N層， 并且其中當(dāng)生長過程接近結(jié)束但還沒結(jié)束時(shí)，所述N/m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，m-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(shí)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(shí) 也有此現(xiàn)象。因?yàn)楦鶕?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，村底優(yōu)選 是類似藍(lán)寶石(A2(33), SiC, GaAs, Li(Al; Ga)Ox(0^x￡3;特別是x-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(shí)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)ni-n襯底或模板上同相外延生長過程。根據(jù)本實(shí)施例，如果厚m-n層通過hvpe生長，并且在厚in-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(huì)改善。在本具體實(shí)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(gè)具體實(shí)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:溪板上)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m-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，ni-n層通常生長在(oooi )表面，該生長表面相對于藍(lán)寶石的(oooi)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m-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o.r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，in表示元素周期表中第in族中至少一種元素。這種第m族元素應(yīng)該從Al、 Ga和In中選擇單一元素或元素的組合。因此，通式為AlxGayInzN，其中0^x51, 0^^1,02^1并且x+y+z-l?？赡艿腎II-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, In)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m族元素中，所有的組合比例都可能，也就是各個(gè)元素的原子數(shù)從O到100% (例如(A1, Ga) N=AlxGai-xN,其中0^x51)。優(yōu)選為(Al， Ga)N和GaN。下面具體實(shí)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ni-N復(fù)合物。進(jìn)一步地，第一薄ni-N層和厚m-N的組分可 以互相獨(dú)立選擇。所述組分可以相同或不同。通過該處理步驟生成的ni-N層，特別是通過MOVPE生長的薄m-N層和通過HVPE生長的厚ni-N層，優(yōu)選是晶體，特別是單 晶體。特別適合于與藍(lán)寶石村底組合的是包含GaN或A1N的薄層和厚GaN層?？蛇x擇沉積的薄III-N層的厚度可以超過IO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m-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m-N層的襯底，其層表面的平均粗糙度^50納米，甚至 540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m-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m-N襯底。在去除初始異質(zhì)村底后，就得到了自支撐的in-N襯底。這樣，可以獲得以上給定的晶片性能的獨(dú)特組合，其中，整個(gè)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 m-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in-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m-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m-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550納米的III-N村底。根據(jù)本發(fā)明的上述半導(dǎo)體器件中的厚iii-n層或in-n襯底的厚度^約ioo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m-N襯底或上面提及的器件的m-N層的平均表面粗糙度可以在^40納米甚至530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m-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(gè)實(shí)施例的上述處理過程和/或產(chǎn)品特征的一個(gè)或幾個(gè)進(jìn)4亍組合，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;蓴III-N層和采用hvpe制作厚m-n層，可以使例如反應(yīng)器腔中的溫度、壓力和n/m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(shí)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(shí)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(gè)模板在低溫(大約20K)下的光致發(fā)光光諳，這兩個(gè)模板在同一個(gè) MOVPE處理過程中并排生長。實(shí)線指在具有準(zhǔn)確取向的藍(lán)寶石異質(zhì)襯底上生長的才莫板， 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(gè)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(jì)測量)，所 述模板具有準(zhǔn)確取向(實(shí)線)或具有0.3°取向差(虛線)。圖4為圖2A和2B的兩個(gè)層在低溫(T大約是20K )下的光致發(fā)光光譜。圖5為兩個(gè)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?xiàng)l件或者在整個(gè)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(shí)施例 實(shí)施例1:作為一個(gè)例子，在Aixtron200/4RF-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)村底上生長。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(gè)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(shí)。通過使用具有微^^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(shí)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(shí)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(gè)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AIXTRON單晶片HVPE系統(tǒng) 中完成的。金屬Ga以通常的方式通過HCI氣體被送到襯底。氨被作為氮源。Ga源在 850。C下被操作，而襯底區(qū)被加熱到1040-1075°C。 1:1的氮?dú)夂蜌錃饣旌臀镒鳛檩d氣。 實(shí)驗(yàn)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(gè)四分之一 區(qū)域， 可實(shí)現(xiàn)四個(gè)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(shí)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(gè)模板的低溫PL光譜。這兩個(gè) 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(dòng)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)寶石襯底相同的耳又向差，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200 arcsec (弧秒)。因此可以聲明，令人驚奇的是，薄m-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(gè)小時(shí)到幾個(gè)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(shí)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IOO微米和IOO微米以上，具有鏡樣表 面形態(tài)(圖2),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3 )。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m/N比率和n原子的容易解吸， 一般只需考慮第m族元素)。同時(shí)，臺階距離明顯短于平均4晉位距離(薄模板的典型值是，在錯(cuò)位密度是10、m—2時(shí)大約為300納米)。這可能是抑制 錯(cuò)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)觀察過的才莫板那樣，當(dāng)采用微取向差(斜切)時(shí)，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)。總之，采用具有微斜切(例如，大約0.3。)的村底，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(huì)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。在實(shí)施例2中描述的處理過程被修改如下實(shí)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(shí)施例3.2:同實(shí)施例3.1，但是，在外延生長的最后IO分鐘，N/III比率從40減小 到5,而壓力保持不變。實(shí)施例3.3:同實(shí)施例3.1,但是，在外延生長的最后IO分鐘，N/III比率從40減小 到5,生長壓力從卯O毫巴減小到500毫巴。為了對每個(gè)外延生長處理過程有一個(gè)有效且清晰的比較，四個(gè)晶片部分(每一個(gè)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?xiàng)l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/m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(shí)，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(gè)微小的取向差(優(yōu)選0.3。)和隨外延生長過程減小的N/m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(dú)有的好的表面質(zhì)量。實(shí)施例3:雖然此發(fā)明已經(jīng)通過具體實(shí)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
1.一種用于生成厚III-N層的外延生長方法，其中，III指元素周期表第III族元素中的至少一種元素，其中，厚度大于等于40微米的厚III-N層被沉積在取向差在0.1°和0.2°之間的異質(zhì)襯底上。
2. 如權(quán)利要求i所述的方法，其中，所述異質(zhì)村底的取向差范圍是o.i。到r。
3. 如權(quán)利要求1和2所述的方法，其中，所述異質(zhì)襯底的取向差的范圍是大約0.1°到0.6。，優(yōu)選是大約0.3。到大約0.6°。
4. 如前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在沉積所述厚in-N層 之前，至少一層薄ni-N層被沉積在所述異質(zhì)襯底上，以使所述薄層位于所述異質(zhì)襯底 和所述厚ni-N層之間。
5. —種用于生成m-N襯底的方法，其中，m表示元素周期表中第m族元素中的至 少一種元素，其中，在包含異質(zhì)襯底和所述薄ni-N層的模板的薄m-N層上，沉積了厚 度至少是4o微米的ni-N層，以及其中，相對于其上沉積了所述ni-N層的表面的下一晶 格平面，所述異質(zhì)襯底有一個(gè)有意選取的微取向差。
6. —種用于生成m-N襯底的方法，其中，m表示元素周期表中第m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/m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/in比率和/或反應(yīng)器壓力分別相對于預(yù)定N/in比率和/或預(yù)定反應(yīng)器壓力降 低。
7. 如權(quán)利要求6所迷的方法，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%。
8.如權(quán)利要求6或7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，優(yōu)選在最后60分鐘，并且特別是所述 生長過程的最后30分鐘。
9.如權(quán)利要求6-8中任一項(xiàng)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ni-N層的襯底上進(jìn)行。
10.如權(quán)利要求5-9中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述襯底的晶格取向差在0.1。和 2°之間，優(yōu)選是從大約0.1°到低于1°,更優(yōu)選擇是從大約0.3°到大約0.6°。
11. 如前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的方法，其中，所迷m-N層的外延生長厚度大于等于IO(H敖米。
12. 如前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述厚III-N層通過氫化物氣相 外延HVPE生長。
13. 如權(quán)利要求4-12中的任一項(xiàng)所述的方法，其中，在所述厚III-N層被沉積之前， 至少一層薄III-N層通過金屬有機(jī)物氣相外延MOVPE被沉積。
14. 如權(quán)利要求4-13中的任一項(xiàng)所述的方法，其中，在所述厚III-N層被沉積之前，所述至少一層薄m-N層既沒有被刻蝕、也沒有被拋光、也沒有用高于所述厚m-N層生 長溫度的溫度對其進(jìn)行熱處理。
15. 如前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的方法，其中，厚III-N層和/或可選薄m-N層 由單晶m-N材料組成，所述單晶III-N材料優(yōu)選為單晶GaN或單晶A1N。
16. 如前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述方法，其中，藍(lán)寶石被用作異質(zhì)村底。
17. 如前述任一項(xiàng)權(quán)利要求中所述的方法，用于生成自支撐的ni-N層，其中，III表示元素周期表中第m族中的至少一種元素，其中，沉積所述厚m-N層后，所述異質(zhì) 襯底^皮去掉。
18. —種包含ni-N層的襯底，其中，ni表示元素周期表中第m族中的至少一種元素，其中，in-N層至少有一邊的表面粗糙度等于或小于50nm。
19. 如權(quán)利要求18所述的襯底，其中，所述III-N層的厚度至少約40微米，優(yōu)選 至少約100微米，并且尤其優(yōu)選至少約150微米。
20. 如權(quán)利要求18或19所述的襯底，該襯底不需要進(jìn)行以下步驟中的一個(gè)或幾個(gè) 的組合退火、拋光和刻蝕。
21. 如權(quán)利要求18-20中任一項(xiàng)所述的襯底，可根據(jù)權(quán)利要求1-17中的任一項(xiàng)所述 的方法獲得。
22. 如權(quán)利要求18-20中任一項(xiàng)所述的襯底，其中，所述III-N層是自支撐的，沒有 才艮據(jù)權(quán)利要求17中所述方法的異質(zhì)襯底。
23. —種半導(dǎo)體器件，其包含異質(zhì)襯底和在至少一個(gè)異質(zhì)襯底的表面上的至少一個(gè) III-N層，其中III指周期表中第III族中的至少一種元素，其中所述異質(zhì)襯底的取向差在0.1 。和2。之間。
24. 如權(quán)利要求23所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述襯底的取向差在O.r和1°之間， 優(yōu)選在大約0.1°和大約0.6°之間，尤其優(yōu)選在大約0.3°和大約0.6°之間。
25. —種半導(dǎo)體器件，其包含厚度等于或大于40微米的III-N襯底，其中，III表示元素周期表中第in族中的至少一種元素，其中，所述ni-N襯底至少一邊的平均表面粗糙度等于或小于40納米。
26. 如權(quán)利要求23-25中的任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述III-N層或所述III-N 襯底的厚度等于或大于100微米。
27. 如權(quán)利要求23-26中的任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述異質(zhì)襯底是藍(lán)寶石。
28. 如權(quán)利要求18-22中的任一項(xiàng)所述的襯底或如權(quán)利要求23-27中的任一項(xiàng)所述 的半導(dǎo)體器件，其中，所述III-N材料是單晶。
29. 如權(quán)利要求18-22中的任一項(xiàng)所述的襯底或如權(quán)利要求23-27中的任一項(xiàng)所述 半導(dǎo)體器件，其中，所述III-N材料是單晶GaN。
30. 如前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的襯底或所迷半導(dǎo)體器件，其中，所述薄和/或厚m-N層不用退火、拋光和/或刻蝕。
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(shí)現(xiàn)。襯底也可以是包含異質(zhì)襯底和至少一個(gè)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C30B29/40GK101258271SQ200680015547
公開日2008年9月3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(fèi)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