具有使用低于400°C的反應(yīng)溫度在Si襯底的Si( 111)面上沉積的A1N成核層（910)。器件 (900)還包含使用低于400 °C的反應(yīng)溫度向A1N成核層(910)上沉積的GaN器件層(915)。在本 實(shí)例中，A1N層厚度在10-1000nm范圍內(nèi)而器件層厚度在100-3000nm范圍內(nèi)。
[0082]參見圖3,根據(jù)本發(fā)明的另一非限制性實(shí)例器件結(jié)構(gòu)(600)包含硅襯底(630)，具有 使用低于400 °C的反應(yīng)溫度在Si襯底的Si(lll)面上沉積的A1N成核層(620)。使用低于400 °C的反應(yīng)溫度在成核層(620)與GaN器件層(610)之間向成核層(620)上沉積過渡層(615)， 并向過渡層(615)上沉積包含GaN的器件層(610)。
[0083] 過渡層(615)包含至少一個(gè)層，所述層包含通過ALD沉積方法使用低于400 °C的反 應(yīng)溫度沉積于A1N成核層中的AlxGahN化合物。特別地，所述至少一個(gè)過渡層包含具有至少 一種比成核層(620)更適于誘導(dǎo)GaN層的異質(zhì)外延生長(zhǎng)的性質(zhì)的材料。更具體而言，成核層 的材料組成選擇為減小成核材料(A1N)與器件材料(GaN)之間的CTE失配或晶格間距失配或 這二者。在另一個(gè)非限制性實(shí)例實(shí)施方案中，過渡層(615)包含多個(gè)不同的材料層，每一個(gè) 包含不同的AlxGanN組成，其中所述組成從幾乎全為A1N向幾乎全為GaN連續(xù)地變化，使得 最上面的過渡層材料為GaN層(610)的異質(zhì)外延生長(zhǎng)提供最適合的模板。
[0084] 5.4激光退火
[0085]現(xiàn)在參見圖5,其示出了結(jié)合了 ALD反應(yīng)室的非限制性實(shí)例激光退火系統(tǒng)（300)的 示意圖。此激光退火系統(tǒng)包括與熱卡盤或襯底支承（364)接合的線性或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)臺(tái)（362)。 襯底支承駐留在上述ALD室（210)內(nèi)。旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)臺(tái)（362)可駐留在ALD反應(yīng)室之內(nèi)或之外，只 要該臺(tái)能夠相對(duì)于固定的激光退火束移動(dòng)襯底即可。更一般地，可使用在激光退火束與襯 底之間提供相對(duì)運(yùn)動(dòng)的任何裝置而不偏離本發(fā)明。襯底支承(364)和涂布的襯底(366)被安 置在ALD室內(nèi)并可響應(yīng)于運(yùn)動(dòng)臺(tái)（362)的運(yùn)動(dòng)而同時(shí)移動(dòng)。或者，將運(yùn)動(dòng)臺(tái)（362)設(shè)置在襯底 支承（364)與襯底（366)之間，使得僅襯底通過運(yùn)動(dòng)臺(tái)（364)而移動(dòng)。運(yùn)動(dòng)臺(tái)由電子控制器 (302)控制，在激光退火操作過程中，電子控制器（302)控制所述臺(tái)（362)及其它系統(tǒng)的運(yùn) 動(dòng)。
[0086] 在一個(gè)非限制性實(shí)例實(shí)施方案中，隨著襯底相對(duì)于激光束移動(dòng)，靜止激光束(324) 被引導(dǎo)至襯底(366)上。在其它實(shí)施方案中，襯底是靜止的而激光束在襯底表面上掃描。激 光退火束可為聚焦的線或線性束或聚焦的圓形束。線性激光束(324)由包括激光器(310)、 遠(yuǎn)程光學(xué)器件(320)、FAB級(jí)光學(xué)器件(322)、激光輻照傳感器(330)和與電子控制器(302)通 訊的各種控制元件的系統(tǒng)產(chǎn)生。
[0087] 在一個(gè)實(shí)例實(shí)施方案中，光學(xué)系統(tǒng)沿襯底涂布表面的線性軸精確地聚焦線性激光 束(324)。另外，光學(xué)系統(tǒng)在線性激光束的長(zhǎng)度上提供基本上均勻的照射強(qiáng)度以均勻地加熱 襯底表面。特別地，線性激光束(324)的線性長(zhǎng)度顯著超過襯底(366)的一個(gè)線性維度，使得 襯底與線性激光束之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)照射襯底(366)的整個(gè)區(qū)域。
[0088] 在另一個(gè)實(shí)例實(shí)施方案中，光學(xué)系統(tǒng)精確地聚焦線性激光束(324)于被引導(dǎo)到襯 底涂布表面上的點(diǎn)源(例如，具有圓形高斯能量分布）。在此實(shí)例中，光學(xué)系統(tǒng)包括能夠一軸 或兩軸光柵掃描的光柵掃描系統(tǒng)以在襯底的整個(gè)區(qū)域上掃描激光束。在一個(gè)實(shí)施方案中， 在運(yùn)動(dòng)臺(tái)沿垂直線性軸移動(dòng)襯底的同時(shí)，單軸光柵掃描器在襯底的一個(gè)線性軸上掃描點(diǎn)激 光束。在任何情況下，襯底與點(diǎn)源激光束之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)照射襯底(366)的整個(gè)區(qū)域。
[0089] 在一個(gè)非限制性實(shí)例實(shí)施方案中，激光器（310)為具有易于被娃吸收的波長(zhǎng)如 300-1000nm的激光輻照輸出的連續(xù)波CW激光器，并且在一個(gè)實(shí)例實(shí)施方案中，激光器(310) 包括200瓦綠光光纖激光器(green fiber laser)?？墒褂闷渌す馄?，包括非CW激光器和 非光纖激光器，而不偏離本發(fā)明。
[0090] 激光束由各種子系統(tǒng)控制以通過加熱表面至退火溫度來對(duì)襯底涂布表面退火。特 別地，使用激光輻照來熱激發(fā)一個(gè)或多個(gè)涂布層以激活涂布層中的局部原子弛豫。不受特 定理論的束縛，申請(qǐng)人認(rèn)為由引導(dǎo)到涂布層上的激光輻照產(chǎn)生的熱能加熱涂布層至足夠高 的溫度以允許涂布層的原子重排為更適合的晶格結(jié)構(gòu)，此晶格結(jié)構(gòu)與通常通過高溫異質(zhì)外 延生長(zhǎng)獲得的如可以在通過常規(guī)M0CVD工藝施加異質(zhì)外延涂布層時(shí)產(chǎn)生的晶格結(jié)構(gòu)基本上 匹配。然而，與其中整個(gè)襯底和涂布層被同時(shí)加熱并一起冷卻的常規(guī)M0CVD工藝不同，本發(fā) 明從激光束提供了僅局部化的加熱，其迅速地三維耗散，而不會(huì)隨不同材料在熱循環(huán)過程 中以不同速率膨脹和收縮而在不同材料之間誘導(dǎo)局部化的熱應(yīng)力。此外，本領(lǐng)域技術(shù)人員 將理解，本發(fā)明的相同原理也可適用于低的反應(yīng)溫度下的同質(zhì)外延生長(zhǎng)。
[0091 ]本發(fā)明包括上述激光退火系統(tǒng)來對(duì)施加于襯底上和/或施加于其它沉積層上的材 料層退火以實(shí)現(xiàn)材料層的基本上外延的晶格生長(zhǎng)。退火溫度介于約1200和1500°C之間。退 火溫度的持續(xù)時(shí)間或停留時(shí)間（例如，激光脈沖半高寬持續(xù)時(shí)間)介于約400和2000ys之間。 激光能為在沉積表面處具有約140μπι的聚焦線寬的聚焦線性束。該線性束具有超過被掃描 的最大襯底的最大維度的縱向長(zhǎng)度。激光能的波長(zhǎng)優(yōu)選易于被娃吸收，其包括300至lOOOnm 的波長(zhǎng)范圍。優(yōu)選的激光波長(zhǎng)為具有中心于約515和580nm之間的窄光譜輸出的綠光。在一 個(gè)實(shí)例實(shí)施方案中，激光器(310)包括鉺鐿光纖激光器，其具有中心于532nm的窄譜帶輸出 及介于50和500瓦特之間、優(yōu)選200瓦特的連續(xù)波(CW)輸出功率?；蛘?，激光器(310)可包括 具有中心于532nm的窄譜帶輸出的釹釔鋁石榴石(Nd YAG)激光器。
[0092] 激光束由各種子系統(tǒng)控制以通過迅速加熱襯底涂布表面至退火溫度來對(duì)襯底涂 布表面退火。特別地，激光輻照熱激發(fā)襯底涂布表面，和特別地施加于涂布表面上的沉積層 以激活涂布層的晶體結(jié)構(gòu)中的局部原子弛豫。不受特定理論的束縛，申請(qǐng)人認(rèn)為由引導(dǎo)到 沉積層上的激光輻照產(chǎn)生的熱能加熱沉積層至足夠高的溫度以允許沉積材料的原子重排 為更適合的晶格結(jié)構(gòu)，此晶格結(jié)構(gòu)與通常通過高溫異質(zhì)外延生長(zhǎng)獲得的如可以在通過常規(guī) MOCVD工藝于高于900°C的溫度下施加異質(zhì)外延涂布層時(shí)產(chǎn)生的晶格結(jié)構(gòu)基本上匹配。 [0093] 參見圖6a，其繪制了如通過光學(xué)溫度傳感裝置所測(cè)定的通過上述激光退火束照射 的涂布表面的溫度（°C)對(duì)時(shí)間（毫秒）的圖。在所繪制的實(shí)例中，激光束輻照與涂布表面接 觸的停留時(shí)間為800微秒，束寬度為140μπι，并且初始晶圓或襯底溫度大約等于ALD反應(yīng)溫 度，其在本實(shí)例中為400°C。本圖揭示，當(dāng)停留時(shí)間為大約0.8ms且束寬度為大約140um寬線 聚焦時(shí)，激光照射區(qū)的溫度達(dá)到約1350Γ的尖峰(414)并然后在十毫秒內(nèi)冷卻回到低于600 〇C(416)〇
[0094] 如上文所討論，可將激光退火步驟集成到生長(zhǎng)過程中的任何地方;例如，在形成成 核層的過程中或之后，在生長(zhǎng)GaN層的過程中或之后，或作為整個(gè)膜結(jié)構(gòu)的單一后退火。另 外，激光退火步驟可如圖5中所示原位進(jìn)行，或者激光退火步驟可在單獨(dú)的激光退火系統(tǒng)中 異位進(jìn)行，或者可為原位和異位激光退火步驟的組合。
[0095] 再次參見圖5,原位激光退火系統(tǒng)（300)還包括光學(xué)檢測(cè)器(352)和任選地設(shè)置的 相關(guān)成像光學(xué)器件(350)以監(jiān)視來自涂布表面的熱發(fā)射并處理光譜發(fā)射譜以確定隨著涂布 表面被激光退火時(shí)的涂布表面處的溫度。或者，光學(xué)檢測(cè)器(352)可用于校準(zhǔn)激光退火系統(tǒng) 并然后移除。任選地設(shè)置與電子控制器(302)電通訊的照相機(jī)系統(tǒng)（340)來監(jiān)視襯底退火， 并且照相機(jī)系統(tǒng)（340)可用來在退火步驟過程中測(cè)定峰面。另外，電子控制器(302)可編程 為具有不同的退火方案，其可根據(jù)初始襯底溫度和涂布材料來改變停留時(shí)間以升高或降低 峰值退火溫度(414)和/或另外地改變溫度曲線的形狀。
[0096]現(xiàn)在參加圖6b，熱圖（660)顯示了受激光束(680)照射的襯底(675)的溫度，其中襯 底與激光束之間的相對(duì)速度為V。較深的陰影與較高的溫度相關(guān)，此熱圖證明熱能將從光束 撞擊點(diǎn)迅速耗散到襯底中而不顯著加熱整個(gè)襯底厚度。圖（660)清楚地證明，僅最接近涂布 表面的小區(qū)域達(dá)到退火溫度而襯底厚度的大部分的溫度基本上不受激光退火束的影響。 [0097] 5.5熱應(yīng)力分析
[0098]本發(fā)明的關(guān)鍵優(yōu)點(diǎn)之一在于其控制生長(zhǎng)表面處的熱力學(xué)而不加熱整個(gè)襯底的獨(dú) 特能力。激光尖峰退火工藝可局部地升高表面溫度至非常高的值以激活外延生長(zhǎng)模式而不 加熱整個(gè)襯底。然而，由于周圍的膜和襯底保持在低溫下，故存在較小的殘余熱應(yīng)力，因?yàn)?熱能迅速耗散到襯底和涂布層的較冷區(qū)域。
[0099]特別地，基于方程1-3比較通過上述激光退火和現(xiàn)有技術(shù)MOCVD生長(zhǎng)的膜的相對(duì)應(yīng) 力。如下面列出的結(jié)果所示，本發(fā)明允許GaN器件層在硅襯底上生長(zhǎng)而與本領(lǐng)域中已知的相 比具有較低的殘余應(yīng)力和同時(shí)較厚的GaN膜。
[0100]方程1估算在Si襯底上生長(zhǎng)的GaN膜的殘余熱應(yīng)力〇。忽略成核層，寫作：
[0101]
[0102] 這里，δ α = 2 · 22 X 1 (rt1為GaN與Si之間熱膨脹系數(shù)的差，TDEP為沉積溫度，Trt = 25°C為室溫，EGaN = 200GPa為楊氏模量，和VGaN = 0.24為泊松比。
[0103] 使用方程1，預(yù)測(cè)對(duì)于250°C的ALD反應(yīng)溫度的熱應(yīng)力值〇 = 130MPa相對(duì)于1050°C的 M0CVD反應(yīng)溫度的熱應(yīng)力值σ = 600MPa，其大致隨反應(yīng)溫度縮放，其中使用250°C的反應(yīng)溫度 提供小約4 · 5倍的殘余應(yīng)力。
[0104] 此應(yīng)力導(dǎo)致Si晶圓彎曲，曲率半徑由方程2給出，
[0105]
[0106] 在此式中，MSi = 229為Si晶圓的雙軸模量，hSi = 725um為標(biāo)準(zhǔn)的200-mm直徑晶圓的 厚度，和hCaNSGaN膜的厚度。對(duì)于大的曲率半徑，直徑為D的晶圓的彎曲度B由方程3給出，
[0107]
[0108] ? / Τ，?Τ別網(wǎng)Ti/U只Μ皮繪制了隨GaN厚度變化的200mm晶圓的彎曲。晶圓變形因 GaN中的熱應(yīng)力而產(chǎn)生。200mm Si晶圓的最大允許彎曲（710)的工業(yè)規(guī)范為100um。此規(guī)范為 在集成到大批量生產(chǎn)中的自動(dòng)化晶圓處理系統(tǒng)中使用晶圓需要的。參見圖7,我們發(fā)現(xiàn)，對(duì) 于250°C的沉積(720)，產(chǎn)生此晶圓彎曲量的GaN膜厚度為3. Oum，而對(duì)于1050°C的沉積(730) 為0.6um。呈現(xiàn)此信息的另一方式為如下:在Si晶圓上通過上述ALD沉積工藝于250°C下沉積 的3um膜將彎曲1 OOum，而使用M0CVD向Si晶圓上沉積的相同膜將彎曲500um。如所預(yù)期的那 樣，為生長(zhǎng)較厚的GaN襯底，優(yōu)選的是較低溫度的沉積工藝。
[0109] 這不包括對(duì)于M0CVD沉積常規(guī)沉積到膜中的應(yīng)力補(bǔ)償層的影響。因此，根據(jù)本發(fā)明 的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，不需要應(yīng)力補(bǔ)償層。
[0110] 5.6自用于垂直器件的Si襯底釋放GaN
[0111] 現(xiàn)在轉(zhuǎn)向圖8和10,本發(fā)明的進(jìn)一步實(shí)施方案的圖示包括釋放層組件(800)，其包 含GaN器件層（810)和設(shè)置于相對(duì)的A1N成核層（820)與（822)之間的氮化硼（BN)釋放層 (850)。特別地，提供釋放層(850)以從Si(lll)襯底釋放上層(822)、（815)和(810)以便可制 造 GaN器件層用于具有垂直架構(gòu)的高電壓器件中。在一個(gè)非限制性實(shí)例實(shí)施方案中，根據(jù)本 發(fā)明的垂直器件架構(gòu)（1000)包含具有超過約3μπι的層厚度T的GaN器件層（1005)以提供超過 約1000伏特的擊穿電壓。在器件層的頂表面處將器件連接到玻璃襯底（1010)等。襯底 (1010)不為GaN器件層在其上生長(zhǎng)的襯底。源極（1015)和柵極（1020)與活性層(未示出）電 接合，例如通過穿過玻璃襯底（1010)的激光通道。在GaN襯底的底