專利名稱：用于選擇性遮蔽iii－n層和用于獨(dú)立的iii－n層或者器件的制備的方法以及由此獲得的產(chǎn)品的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于在生長(zhǎng)期間選擇性覆蓋預(yù)定晶體刻面(crystal facet)(晶面)的方法，尤其涉及III族-氮化物(簡(jiǎn)化為III-N)特別是(Al、Ga、In)N的外延生長(zhǎng)，以及用于獨(dú)立(freestanding)的III-N層和器件或元件的制備的工藝，以及通過(guò)這種工藝制造例如光電和電子器件等。
背景技術(shù)：
目前，材料系統(tǒng)III-N(其中III表示從Al、Ga和In中選擇的元素周期表的III族的至少一種元素)在半導(dǎo)體材料中起著重要的作用。其用于光電和電子器件領(lǐng)域。當(dāng)制備或制造新器件以及當(dāng)將III-N層與外來(lái)襯底分離時(shí)，在各種應(yīng)用中采用對(duì)半導(dǎo)體晶片的預(yù)定部分的遮蔽(masking)。
介質(zhì)材料原位沉積是已知的(美國(guó)專利No.6802902、US-A-20040137732)；但是，只描述了非結(jié)構(gòu)化襯底，其在表面上分別只有一個(gè)確定的晶體刻面(晶面)。此外，整個(gè)晶片由掩模完全覆蓋。因此，該工藝只能用來(lái)減少位錯(cuò)密度或同時(shí)用來(lái)使應(yīng)變弛豫，但是，不能用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制造。
K.Tomita等在phys.stat.sol.(a)，194，p.563(2002)中描述了自分離的獨(dú)立的塊材(bulk)GaN層的制備。在用于GaN層的生長(zhǎng)的外延反應(yīng)器外，在一個(gè)步驟中在蘭寶石外來(lái)襯底上產(chǎn)生單一掩模。從掩模的暴露部分開(kāi)始，進(jìn)行跨過(guò)掩模的外延橫向過(guò)生長(zhǎng)，用來(lái)形成厚的GaN層。這樣，所形成的GaN層與蘭寶石襯底自分離。
在JP-A-2004-051415和JP-A-2004-055799所描述的工藝中，III-N層結(jié)構(gòu)化，以便在進(jìn)一步生長(zhǎng)之后，只有條紋或柱保留作為襯底和III-N層之間的連接。
Y.Oshima等在phys.stat.sol.(a)，194，p.554(2002)和A.Usui等在phys.stat.sol.(a)，194，p.572(2002)中描述了通過(guò)所謂的“空隙輔助分離(void assisted separation)”來(lái)制備獨(dú)立的GaN層。而且在外延反應(yīng)器的外面，TiN層形成在蘭寶石/GaN襯底上。在進(jìn)一步的退火步驟中，將該襯底轉(zhuǎn)換為“納米網(wǎng)絡(luò)(nano net)”。厚的GaN層的隨后的外延生長(zhǎng)導(dǎo)致襯底和厚的GaN層之間的微小空隙。
S.Bohyama等(Japanese Journal of AppliedPhysics，Vol.44，L24(2005))已經(jīng)描述了在結(jié)構(gòu)化襯底上的生長(zhǎng)，其中，某些晶體刻面已經(jīng)由掩模覆蓋。為此目的，第一掩模的外部形成是必須的，然后執(zhí)行外延步驟用于該結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生。然后，又在外延反應(yīng)器外部形成第二掩模并且必須結(jié)構(gòu)化。因此，首先在GaN層上形成SiO2掩模，隨后又去除位于下面的GaN層的頂面，以便提供用于進(jìn)一步生長(zhǎng)的種子。這里，結(jié)構(gòu)的位置必須在第一掩模的結(jié)構(gòu)之上準(zhǔn)確對(duì)準(zhǔn)。
此外，在III-N材料系統(tǒng)中的量子結(jié)構(gòu)的形成(異質(zhì)結(jié)構(gòu))已經(jīng)引起了關(guān)注。按照慣例，III-N量子阱已經(jīng)生長(zhǎng)在外來(lái)襯底的不同于(0010)-平面或c-平面的平面(如蘭寶石的r-平面等)上，其中GaN沿a-方向(H.N.Ng，Appl.Phys.Lett.80，4369(2002)和M.D.Craven等，Appl.Phys.Lett.81，1201(2002))，或者在LiAlO2襯底的m-平面(P.Waltereit等，J.Cryst.Growth218，143(2000))上生長(zhǎng)。Neubert等(Appl.Phys.Lett.87，182111(2005))已經(jīng)在III-N(即GaN)刻面上外延生長(zhǎng)III-N(即GaInN)量子阱，但是不能只在特定面上生長(zhǎng)III-N量子阱。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種用于在III-N層上沉積掩模材料的工藝，從而提供包含在III-N材料系統(tǒng)中選擇性形成的后續(xù)層的獨(dú)立的III-N層和/或器件的制備或供應(yīng)的高效可能性。
在一個(gè)方面，本發(fā)明提供一種用于在III-N層上形成掩模材料的工藝，其中III表示從Al、Ga和In中選擇的元素周期表的III族的至少一種元素，其中，提供具有表面的III-N層，所述III-N層包括多于一個(gè)刻面；并且掩模材料選擇性沉積在一個(gè)或多個(gè)但不是所有的刻面上。
在另一方面，本發(fā)明提供一種用于采用外延方式生長(zhǎng)至少部分遮蔽的III-N層的工藝，其中，III表示同上，所述工藝包括提供具有表面的III-N層，其包括多于一個(gè)刻面；和在生長(zhǎng)條件下進(jìn)行外延生長(zhǎng)，通過(guò)外延生長(zhǎng)(i)在第一類型或第一組刻面上選擇性地生長(zhǎng)至少一個(gè)進(jìn)一步的III-N層和(ii)同時(shí)進(jìn)行在第二類型或第二組刻面上的選擇性沉積掩模材料。
在另一方面，本發(fā)明還提供一種用于在外延反應(yīng)器中采用外延方式生長(zhǎng)至少部分遮蔽的III-N層的工藝，其中，III表示從Al、Ga和In中選擇的元素周期表的III族的至少一種元素，所述工藝包括在橫向生長(zhǎng)速率與垂直生長(zhǎng)速率分別不同(優(yōu)選為基本上不同)的生長(zhǎng)條件下，在至少部分生長(zhǎng)工藝中，執(zhí)行外延生長(zhǎng)，和在分別不同的橫向和垂直生長(zhǎng)速率周期期間，將至少一個(gè)用于掩模材料的源提供到外延反應(yīng)器中。在該方式中，允許掩模材料沉積在以較低生長(zhǎng)速率形成的至少一個(gè)平面(刻面)上。
根據(jù)本發(fā)明的該實(shí)施例，垂直生長(zhǎng)速率是指一個(gè)影響水平(0001)表面刻面的面，而橫向生長(zhǎng)速率是指一個(gè)影響任何一個(gè)或所有其它表面刻面的面，包括傾斜的和/或垂直的表面刻面。
為了達(dá)到選擇性，通過(guò)各自的橫向和垂直生長(zhǎng)速率之間的足夠大的比率或者反之通過(guò)各自的垂直和橫向生長(zhǎng)速率之間的足夠大的比率來(lái)限定橫向和垂直生長(zhǎng)速率之間的適當(dāng)?shù)牟町?。例如，“足夠大”是指各自的比率因?shù)是至少1.5或更大，優(yōu)選為至少3.0或更大，至少為5.0或更大尤其是至少為10.0或更大則更優(yōu)選。
本發(fā)明的工藝的不同方面共同提供了一個(gè)優(yōu)點(diǎn)掩模材料選擇性并有效地形成在III-N層易于提供的多個(gè)刻面的一種類型或子組上。在具有多于一個(gè)生長(zhǎng)刻面的III-N材料的外延生長(zhǎng)期間，在原位形成該選擇性刻面遮蔽的沉積。避免遮蔽所有可到達(dá)的刻面，從而允許未遮蔽的刻面在III-N材料系統(tǒng)中連續(xù)生長(zhǎng)，包括形成摻雜或未摻雜III-N同質(zhì)結(jié)構(gòu)和/或異質(zhì)結(jié)構(gòu)的可能性，和選擇性形成其它半導(dǎo)體材料的進(jìn)一步層的可能性。根據(jù)所需的進(jìn)一步工藝和根據(jù)已經(jīng)相應(yīng)地選擇哪一類型和哪一組刻面用于選擇性沉積，從而允許所得到的結(jié)構(gòu)用于有益的應(yīng)用。
在這種有益應(yīng)用的第一方面，本發(fā)明提供一種用于制備獨(dú)立的III-N層的工藝(III表示同上)，其中，執(zhí)行根據(jù)上述工藝方面的任一個(gè)的工藝，用于在襯底、模板或基底層上形成選擇性地遮蔽的III-N層，和形成進(jìn)一步的III-N層，其中，在進(jìn)一步的III-N層和襯底、模板或基底層之間的區(qū)域中形成選擇性遮蔽，和使所述進(jìn)一步的III-N層與襯底、模板或基底層分離，從而提供獨(dú)立的III-N層。只要提供所需的厚度就允許進(jìn)行在選擇性遮蔽的III-N層上形成進(jìn)一步的III-N。由于選擇性遮蔽工藝產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)上的不穩(wěn)定性，可以在自分離工藝中進(jìn)行所需厚度的進(jìn)一步形成的III-N層的分離，或者可以通過(guò)諸如機(jī)械、化學(xué)、熱或激光處理或者其任意結(jié)合等進(jìn)一步處理來(lái)幫助所需厚度的進(jìn)一步形成的III-N層的分離。如果需要或必要，可以通過(guò)諸如刻蝕、拋光、CMP等適當(dāng)?shù)奶幚韥?lái)有效地去除包括掩模材料的多個(gè)刻面的III-N層的任何殘留的材料。
然后，形成所需厚度的獨(dú)立的III-N層可以用作用來(lái)生產(chǎn)光學(xué)、電學(xué)或光電器件、半導(dǎo)體元件等等的襯底。
在這種有用的應(yīng)用的第二方面中，本發(fā)明提供一種用于制造包含III-N材料的器件的工藝，其中，III表示同上，所述工藝包括步驟執(zhí)行根據(jù)上述方面的任意一個(gè)的工藝，用于在襯底、模板或基底層上形成選擇性遮蔽的III-N層，以便在所形成的多個(gè)刻面的III-N層的至少一個(gè)刻面上形成選擇性遮蔽，和在至少一個(gè)未遮蔽的刻面上形成用于器件的至少一層。
根據(jù)通過(guò)本發(fā)明的該實(shí)施例的工藝所得到的器件可以是光學(xué)、電子或光電器件、半導(dǎo)體元件等。
通過(guò)本發(fā)明的工藝，可以制造獨(dú)立的III-N晶片、或電子或光電器件。可以制造具有改進(jìn)的性能的這種產(chǎn)品。
本發(fā)明可以應(yīng)用于晶體特別是單晶III-N化合物，其中，III表示從Al、Ga和In中選擇的元素周期表的III族的至少一種元素。相應(yīng)的通用公式是AlxGayInzN，其中0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1和x+y+z＝1?？赡艿腎II-N化合物的示例是諸如(Ga，Al，In)N等的四元化合物、諸如(Ga，Al)N、(Ga，In)N和(Al，In)N等的三元化合物或者例如GaN或AlN等二元化合物。在III族的選擇元素中，例如在上述的括號(hào)中所示例的，所有可想到的原子比都是可能的，即對(duì)于各種元素從0到100的原子％(例如(Al，Ga)N＝AlxGa1-xN，其中0≤x≤1)。(Ga，Al)N和GaN是尤其優(yōu)選的。對(duì)具體實(shí)施例的以下描述不僅適用于在此說(shuō)明的III-N化合物示例，而且適用于所有可能的化合物，并且適用于包括III-N半導(dǎo)體和其它半導(dǎo)體材料二者的器件。
術(shù)語(yǔ)“掩模材料”或“掩模材料的化合物”理解為是指禁止優(yōu)選為基本上阻止并且更優(yōu)選為基本上完全阻止在掩模材料上沉積III-氮化物-或者(Al，Ga，In)-N材料。術(shù)語(yǔ)晶體的“刻面”或“平面”具有本領(lǐng)域技術(shù)人員典型的含意。根據(jù)本發(fā)明，多個(gè)晶體刻面或晶面的可能方向不受限制并且根據(jù)需要以針對(duì)目標(biāo)(well-aimed)的方式可變化地選擇和調(diào)整。用于本發(fā)明的術(shù)語(yǔ)“刻面”通常是指進(jìn)一步的材料在其上形成層的III-N晶體的上部刻面；相反的下部刻面可以是主要的下方的平面或表面，或者到進(jìn)一步的III-N材料或另一種材料的界面。
合適的襯底包括但不限于諸如蘭寶石(Al2O3)、碳化硅(SiC)或者氧化鋰鋁或氧化鋰鎵(Li(Al，Ga)O2)等的外來(lái)襯底；或者同質(zhì)的III-N襯底?？蛇x地，可以在這種襯底上形成進(jìn)一步的層，如緩沖層或者阻擋層等，從而提供用于本發(fā)明中的模板。用于這種緩沖層、阻擋層或者模板的材料優(yōu)選為包括(Ga，Al，In)N材料，并且這些材料優(yōu)選為外延生長(zhǎng)的。作為選擇，可以在任何由具有或不具有襯底的由任何所需的材料制成的其它基底層或基底結(jié)構(gòu)上提供具有多于一個(gè)刻面的III-N層，任何所需的材料例如是不同于(Ga，Al，In)N材料系統(tǒng)的半導(dǎo)體材料。
有利于提供在表面上具有多于一個(gè)暴露的晶體刻面的III-N層的合適的預(yù)先步驟包括在襯底上或者在襯底上形成的膜上形成的第一掩模材料的結(jié)構(gòu)化或圖案化?？梢圆捎脗鹘y(tǒng)的技術(shù)對(duì)襯底上的第一掩模材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)化或圖案化，傳統(tǒng)的技術(shù)包括例如光刻法、掩模材料的連續(xù)平面層的選擇性刻蝕等。作為第一掩模材料，氧化合物或者氮化合物例如SiO2、氮化硅(SiN或Si3N4)等都是適合的。可以根據(jù)需要并適當(dāng)?shù)剡x擇第一掩模的結(jié)構(gòu)或圖案的設(shè)計(jì)，例如，例如條形、圓形、多邊形島狀或者其它結(jié)構(gòu)的矩陣，優(yōu)選為了隨后允許III-N層從開(kāi)口或“窗口”的外延生長(zhǎng)，可以形成可選地覆蓋襯底材料的暴露開(kāi)口或“窗口”等。
作為用于提供具有多于一個(gè)暴露的晶體刻面的技術(shù)，這種已知的工藝優(yōu)選為外延生長(zhǎng)工藝并且特別是具有外延橫向過(guò)生長(zhǎng)(ELO)或選擇區(qū)域生長(zhǎng)(SAG)的金屬有機(jī)物氣相外延(MOVPE)和氫化物氣相外延(HVPE)是適合的。此外，外延工藝包括分子束外延(MBE)，特別是離子束輔助分子束外延(IBA-MBE)或者等離子輔助分子束外延(PAMBE)。作為外延工藝的可替換方式，為了實(shí)現(xiàn)具有不同晶體刻面的結(jié)構(gòu)，連續(xù)層的刻蝕技術(shù)也是可能的。用于連續(xù)層的形成，以及用于選擇性刻蝕的技術(shù)如濕化學(xué)刻蝕、干刻蝕、反應(yīng)離子刻蝕等是公知的。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選方面，在具有多個(gè)晶體刻面的III-N層的表面上，在進(jìn)一步生長(zhǎng)工藝期間在預(yù)定的晶體刻面上即只在一個(gè)或多個(gè)晶體刻面上但不是在所有可到達(dá)的晶體刻面上沉積掩模材料。因此，掩模選擇性沉積在原位，其與在一個(gè)、多個(gè)或者所有剩余的而且可到達(dá)的刻面上進(jìn)一步外延生長(zhǎng)III-N層同時(shí)進(jìn)行。這種選擇性沉積適于在與用于生長(zhǎng)III-N層的相同的反應(yīng)器中進(jìn)行。在用來(lái)提供具有多于一個(gè)刻面的表面的III-N層的在前步驟的情況下，已經(jīng)使用(第一)掩模材料，現(xiàn)在，該選擇性沉積是關(guān)于第二掩模材料。與第一掩模的材料無(wú)關(guān)，在合適的掩模材料中，優(yōu)選為在氮化合物和氧化合物中，選擇第二掩模材料。用于第二掩模的最合適的材料是硅化合物，如氮化硅，其以Si3N4或另一種化學(xué)計(jì)量或非化學(xué)計(jì)量SiN化合物的形式形成。
特別是通過(guò)在用于掩模材料的組分例如硅等同時(shí)存在期間，通過(guò)有目的的調(diào)整一個(gè)或多個(gè)工藝參數(shù)，控制在分別選擇的(Ga，Al，In)N材料系統(tǒng)中的不同刻面的生長(zhǎng)速率，來(lái)實(shí)現(xiàn)選擇性沉積?？梢詮陌ù笮?、方向或取向、第一掩模的材料和填充因數(shù)、生長(zhǎng)溫度、反應(yīng)器壓力、源化合物的流動(dòng)速率、惰性氣體和/或雜質(zhì)的類型和濃度以及襯底的類型等條件組中選擇對(duì)該面的MOVPE或HVPE的工藝參數(shù)的影響，其中，可以組合上述一個(gè)或多個(gè)條件的調(diào)整。對(duì)于可能的影響條件的描述，參見(jiàn)K.Hiramatsu等在phys.stat.sol.(a)176，p.535(1999)的文獻(xiàn)以及在該文獻(xiàn)中引證的進(jìn)一步文獻(xiàn)，其中K.Hiramatsu等和其中進(jìn)一步引證的文獻(xiàn)通過(guò)引用的方式完全包括在本說(shuō)明書(shū)披露的內(nèi)容中。
在本發(fā)明的特別有效的實(shí)施方式中，根據(jù)本發(fā)明在生長(zhǎng)工藝期間是安全的，在一個(gè)或多個(gè)刻面上選擇性沉積用于掩模材料的合適的化合物，其中的一個(gè)或多個(gè)刻面受與其它刻面相比較低并且優(yōu)選地基本上較低的(Ga，Al，In)N材料系統(tǒng)生長(zhǎng)速率控制。當(dāng)同時(shí)引入用于掩模材料的合適的源例如合適的硅源化合物等時(shí)，選擇外延生長(zhǎng)條件，其中，在第一類型或第一組刻面上產(chǎn)生相對(duì)高的(Ga，Al，In)N材料系統(tǒng)的生長(zhǎng)速率，而與其相比，在第二類型或第二組刻面上產(chǎn)生相對(duì)低的最好基本上較低的(Ga，Al，In)N材料系統(tǒng)的生長(zhǎng)速率，以便掩模材料的化合物選擇性沉積在第二類型或組的面上。例如，按如上所述調(diào)整橫向和垂直生長(zhǎng)速率之間的足夠大的比率。
如果在該操作期間，在第二類型或組的刻面上選擇性沉積足夠的掩模材料，則可能完全停止在該第二類型或組的刻面上的(Ga，Al，In)N材料系統(tǒng)的生長(zhǎng)，但是可能在第一類型或第一組刻面上連續(xù)發(fā)生(Ga，Al，In)N材料系統(tǒng)的生長(zhǎng)，從而達(dá)到極好的選擇性。在將掩模材料的組分例如硅等并入在摻雜III-N層的形成下的其它(即，第一類型或組)刻面的晶格的情況下，也可以實(shí)現(xiàn)掩模材料的選擇性沉積。一旦達(dá)到選擇性并且選擇性沉積足夠的掩模材料，就可以根據(jù)需要改變生長(zhǎng)條件。例如，停止向反應(yīng)器供應(yīng)用于掩模材料的源化合物，和/或改變、重新調(diào)整和/或選擇匹配各個(gè)刻面的相對(duì)生長(zhǎng)速率，因?yàn)橐呀?jīng)沉積的掩模層禁止或阻止(Ga，Al，In)N材料系統(tǒng)在第二類型或組刻面上的進(jìn)一步生長(zhǎng)。
作為各個(gè)方面的本發(fā)明的工藝的結(jié)果，掩模材料選擇性形成在至少一個(gè)刻面上，但是留下至少一個(gè)其它刻面未被掩模材料覆蓋或基本上未被覆蓋。在本發(fā)明的構(gòu)架中，驚奇地發(fā)現(xiàn)當(dāng)在提供多個(gè)可到達(dá)的刻面的III-N層上的進(jìn)一步外延生長(zhǎng)期間引入用于掩模材料的源時(shí)，可通過(guò)控制III-N層的特定刻面的生長(zhǎng)速率來(lái)最有效地控制特定刻面的掩模材料的選擇性沉積。相對(duì)低的III-N層晶體生長(zhǎng)速率導(dǎo)致掩模材料的過(guò)量沉積，從而進(jìn)一步減少甚至禁止III-N晶體生長(zhǎng)。另一方面，相對(duì)高的III-N層晶體生長(zhǎng)速率壓制掩模材料的遮蔽效應(yīng)，即使存在用于掩模材料的源，使得掩模材料的成分例如硅被作為摻雜劑混入III-N層中。通過(guò)控制III-N材料的垂直生長(zhǎng)速率與橫向生長(zhǎng)速率的比率來(lái)最有效地控制在不同刻面上沉積掩模材料和III-N材料的選擇性的平衡。一旦達(dá)到足夠的選擇性，就維持或減少或甚至停止掩模材料源的進(jìn)一步提供，這取決于在生長(zhǎng)的III-N層中對(duì)摻雜所需或所接受的程度或取決于所需的不摻雜。
掩模材料的選擇性沉積使得能夠進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)優(yōu)選地只在或基本上只在一個(gè)或多個(gè)刻面上在相同反應(yīng)器中同時(shí)外延生長(zhǎng)III-N層，所述刻面保持為未被掩模材料覆蓋。在外延生長(zhǎng)期間上述提到的影響因素的調(diào)整允許有目的地選擇在哪一個(gè)或哪些晶體刻面上進(jìn)行進(jìn)一步的III-N層的外延生長(zhǎng)。取決于選擇哪一個(gè)刻面(哪些刻面)進(jìn)行進(jìn)一步的III-N層的選擇性生長(zhǎng)，可以實(shí)現(xiàn)有利的進(jìn)一步發(fā)展，如根據(jù)上述本發(fā)明的有益的應(yīng)用的第一方面來(lái)制備所需厚度的獨(dú)立的III-N層等，和根據(jù)上述本發(fā)明的有益應(yīng)用的第二方面定義的用于III-N材料系統(tǒng)中的器件或用于其它半導(dǎo)體的進(jìn)一步的層的沉積。因此，不僅能有效地制備用于III-N材料系統(tǒng)中或其它半導(dǎo)體的器件的獨(dú)立的厚III-N層或者預(yù)定的進(jìn)一步的層，而且也可以按照有目的的方式提供改進(jìn)的并可調(diào)整的性能。
對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，顯然可以根據(jù)希望的用途進(jìn)一步設(shè)計(jì)、進(jìn)一步處理或進(jìn)一步修改根據(jù)本發(fā)明所提供的各個(gè)產(chǎn)品。例如，可以保留選擇性沉積的掩模材料，而作為替換可以再次去除該選擇性沉積的掩模材料。此外，可以在預(yù)先遮蔽的刻面上沉積不同于III-N化合物材料的半導(dǎo)體材料、或者與多刻面III-N層或者預(yù)先刻面選擇性生長(zhǎng)的III-N層的(Ga，Al，In)N組分無(wú)關(guān)地選擇或調(diào)整為該(Ga，Al，In)N組分的進(jìn)一步的III-N材料。例如，以這種方式得到具有不同的組成的III-N層的III-N同質(zhì)結(jié)構(gòu)或III-N異質(zhì)結(jié)構(gòu)，作為有用的器件結(jié)構(gòu)。
優(yōu)選地，在未被遮蔽的第一類型或第一組的上部刻面上選擇性外延生長(zhǎng)的至少一個(gè)進(jìn)一步的III-N層內(nèi)的帶隙小于器件或元件的其它半導(dǎo)體層或其它III-N層的帶隙。這尤其允許提供量子結(jié)構(gòu)(異質(zhì)結(jié)構(gòu))，包括量子阱、量子膜、量子線和/或量子點(diǎn)。對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，顯然可以采用任何合適的摻雜劑摻雜用于器件的一個(gè)或多個(gè)層。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，具有量子結(jié)構(gòu)的可能的半導(dǎo)體器件的示例包括但不限于以下器件專用于諸如激光器或LED等的光電器件、在量子結(jié)構(gòu)上形成的p型摻雜區(qū)域、以及隨后在其上形成的p型接觸。在優(yōu)選實(shí)施例中，可以在量子結(jié)構(gòu)和p型摻雜區(qū)域之間形成具有高帶隙并通常由III-N材料系統(tǒng)構(gòu)成的薄阻擋層。此外，n型接觸的n型摻雜區(qū)域一般形成在量子結(jié)構(gòu)下方。
當(dāng)將根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體器件設(shè)計(jì)為激光二極管時(shí)，量子結(jié)構(gòu)如量子膜等典型地嵌入具有低折射率的例如由AlGaN或改進(jìn)的IIII-N材料的導(dǎo)波材料(wave conducing materials)中。作為用于可能材料組合的舉例，提及如下(以從底部到頂部的順序表示)綠/蘭/近UV發(fā)射GaN基底層、InGaN量子結(jié)構(gòu)、和GaN或InGaN阻擋層；遠(yuǎn)UVAlN或AlGaN基底層、GaN或AlGaN量子結(jié)構(gòu)、和AlGaN或AlN阻擋層；典型地，在襯底和量子結(jié)構(gòu)之間形成n區(qū)，在量子結(jié)構(gòu)上方形成p區(qū)。
當(dāng)將根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體器件設(shè)計(jì)為諸如晶體管等電子器件或元件時(shí)，可以采用具有分別不同的帶隙或不同的壓電常數(shù)的各種連續(xù)層。
作為用于可能材料組合的舉例，提及如下(以從底部到頂部的順序表示)包括GaN基底層、AlGaN層和GaN層的AlGaN/GaN-FET。這些層可以不摻雜(但典型地除了具有摻雜劑的薄2d層)或摻雜(例如采用Fe)。


將參考附圖通過(guò)實(shí)施例和示例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)的解釋，但是，所有實(shí)施例和示例只是用來(lái)說(shuō)明本發(fā)明而不應(yīng)理解為以限制的方式解釋本發(fā)明。
圖1示意性示出本發(fā)明的實(shí)施例的層結(jié)構(gòu)的橫截面示圖，其中，外延生長(zhǎng)的III-N層3具有頂刻面和側(cè)刻面，并且掩模材料5選擇性沉積在側(cè)刻面上，同時(shí)允許進(jìn)一步的III-N層6在頂刻面上進(jìn)一步生長(zhǎng)。
圖2示意性示出根據(jù)圖1的實(shí)施例的進(jìn)一步發(fā)展，其中，根據(jù)圖1的多個(gè)部分結(jié)構(gòu)相鄰形成，并且，作為III-N層的進(jìn)一步生長(zhǎng)的結(jié)果，最終形成與襯底表面平行的連續(xù)的塊材III-N層6，其自分離作為獨(dú)立的III-N層。
圖3示意性示出本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的層結(jié)構(gòu)的橫截面圖，根據(jù)該實(shí)施例，與圖1相似，形成的III-N層3包括頂刻面和側(cè)刻面，但是，其中，與第一實(shí)施例不同，掩模材料8選擇性沉積在頂刻面上，而允許進(jìn)一步的III-N層7分別在側(cè)刻面上生長(zhǎng)，從而與襯底的表面不平行。
圖4表示一個(gè)示例的掃描電子顯微鏡(REM)的照片，其中，允許III-N層在(0001)平面生長(zhǎng)，而通過(guò)掩模材料的選擇性沉積停止在{1-101}平面的生長(zhǎng)。
圖5表示另一個(gè)示例的掃描電子顯微鏡(REM)的照片，其中，與根據(jù)圖4的示例相反，通過(guò)掩模材料的選擇性沉積停止在(0001)平面的生長(zhǎng)，而允許III-N層在{11-20}平面的生長(zhǎng)。
具體實(shí)施例方式
第一實(shí)施例首先，III-N層(這里包含GaN)形成在作為外來(lái)襯底的蘭寶石襯底上，隨后產(chǎn)生結(jié)構(gòu)化表面。例如，在蘭寶石上的第一GaN層上，氮化硅掩模、SiO2掩?；蚱渌m合用于ELO工藝(第一掩模)的材料的掩模被形成在用于外延的反應(yīng)器外部的蘭寶石上的第一GaN層上。用于沉積掩模材料的可能的工藝包括濺射工藝、或等離子體增強(qiáng)氣相沉積(PECVD)。隨后，在掩模上形成感光性樹(shù)脂，并且通過(guò)光刻的方法來(lái)構(gòu)成圖案。然后通過(guò)干刻蝕或濕刻蝕工藝來(lái)將感光性樹(shù)脂的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)印到掩模上。因此，在整個(gè)其厚度的相應(yīng)的位置或區(qū)域除去掩模，以使GaN表面在這些位置或區(qū)域暴露來(lái)形成(第一)掩模所期望的圖案。
隨后，采用ELO技術(shù)，起始于暴露的位置或區(qū)域，允許III-N層(這里GaN)在用于外延的反應(yīng)器中生長(zhǎng)(參見(jiàn)前面的S.Bohyama等和K.Hiramatsu等)。
在生長(zhǎng)過(guò)程中，在沿<11-20>方向形成圖案的條紋圖案化的掩模(第一掩模)上，首先形成具有側(cè)面上的刻面{1-101}和頂(0001)刻面的梯形結(jié)構(gòu)的GaN層。基本上與生長(zhǎng)參數(shù)無(wú)關(guān)，側(cè){1-101}刻面首先顯示出相對(duì)較慢的生長(zhǎng)速率，只要相應(yīng)地提供較高的生長(zhǎng)速率的頂(0001)刻面還存在。因此，這種結(jié)構(gòu)特別適合作為用于根據(jù)本發(fā)明的工藝的起始點(diǎn)。如果不在該階段選擇性沉積掩模材料，但是，進(jìn)一步的生長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致梯形的側(cè)面的幾乎停止，而梯形會(huì)被(0001)刻面的生長(zhǎng)充滿，直到形成三角形。這種完整的三角形只包括{1-101}刻面，因此是不適合的。
在沿<1-100>方向形成圖案的條紋掩模(第一掩模)的生長(zhǎng)過(guò)程中，又根據(jù)生長(zhǎng)參數(shù)的選擇，形成形態(tài)學(xué)上具有在側(cè)面的{11-22}刻面和在頂面的(0001)刻面的梯形截面，或者形態(tài)學(xué)上具有在側(cè)面的{11-20}刻面和在頂面的(0001)刻面的矩形橫截面。在較高的生長(zhǎng)溫度，例如在大約1070℃-1150℃范圍內(nèi)，增強(qiáng)了矩形結(jié)構(gòu)的形成，而在相對(duì)低的溫度，例如在大約1000℃-1050℃范圍內(nèi)，增強(qiáng)了梯形結(jié)構(gòu)的形成。
為了本發(fā)明的目的，采用工藝參數(shù)來(lái)調(diào)整在上述情況下的橫向與垂直生長(zhǎng)速率的比率，而在同時(shí)，將用于掩模材料的沉積的源引入外延反應(yīng)器。作為用于沉積掩模材料(第二掩模)的源化合物，使用例如甲硅烷或者聚硅烷或者一氯硅烷或聚氯硅烷，例如SiH4，其在原位與例如NH3、烷基胺、聯(lián)氨或者單烷基聯(lián)氨或者雙烷基聯(lián)氨等氮源化合物一起導(dǎo)入，以便沉積氮化硅。基本上，可以不依賴于第一掩模的材料來(lái)選擇用于第二掩模的材料。與III-V系統(tǒng)的調(diào)整的橫向與垂直生長(zhǎng)速率的比率結(jié)合，掩模材料的源化合物的提供或存在導(dǎo)致在具有較低的生長(zhǎng)速率的晶體刻面上選擇性沉積(第二)掩模。反應(yīng)器壓力的減小、高的V/III比率、氮添加到氫作為惰性氣體和/或某些雜質(zhì)例如鎂等的添加，提高了橫向生長(zhǎng)速率或者減小了垂直生長(zhǎng)速率。反過(guò)來(lái)，與橫向生長(zhǎng)相比，通過(guò)使用較高的反應(yīng)器壓力、較低的V/III比率和/或使用純氫或者低的氮/氫比率作為惰性氣體，可以提高垂直生長(zhǎng)。
根據(jù)一階近似值，硅的提供在所有刻面上類似或基本上相同。同樣，每次加入基本上相同量的硅。在具有高的生長(zhǎng)速率的刻面上加入比硅多很多的鎵；這樣，得到摻雜半導(dǎo)體。另一方面，將比鎵多很多的硅加入具有較低生長(zhǎng)速率的刻面；這樣，形成氮化硅層，用作用于進(jìn)一步生長(zhǎng)的掩模。
在一具體示例中，僅用于說(shuō)明的目的，圖案化的模板開(kāi)始于基于襯底的GaN層，例如，該GaN層是10nm到5μm(這里大約為1.5μm)厚并且暴露于第一掩模的窗口中，圖案化的模板在Aixtron200/4RF-SMOVPE器件中進(jìn)行進(jìn)一步的過(guò)生長(zhǎng)(overgrowth)。這里，溫度處于1000℃到1100℃范圍內(nèi)，反應(yīng)器壓力在大約100到200mbar，氨(NH3)流動(dòng)速率是在大約2到4l/min范圍內(nèi)，并且三甲基鎵(TMGa)流動(dòng)速率是在大約20到100μmol/min范圍內(nèi)。形成梯形、矩形或者三角形結(jié)構(gòu)。然后，在2到5分鐘的時(shí)間期間，將具有大約3×10-2μmol/min的濃度和流動(dòng)速率的SiH4提供到反應(yīng)器。因此，在具有低生長(zhǎng)速率的刻面上形成包含SiN的層，該包含SiN的層用作掩模并阻止在這些部分進(jìn)一步生長(zhǎng)。另一方面，將只由硅摻雜的層沉積在具有較高生長(zhǎng)速率的刻面上，該層不阻止在那部分的進(jìn)一步生長(zhǎng)。作為舉例，將沿(0001)方向的生長(zhǎng)速率設(shè)置為比沿{11-20}方向高3倍，或者設(shè)置為比沿{1-101}方向高15倍。
因此，在具體和說(shuō)明性示例中，根據(jù)本發(fā)明進(jìn)行外延生長(zhǎng)，以便通過(guò)掩模材料(氮化硅)的選擇性沉積允許GaN層沿(0001)平面生長(zhǎng)，而停止在{1-101}平面的生長(zhǎng)。在根據(jù)圖4采用REM相應(yīng)樣品的快照中，可以看出最后提到的平面在結(jié)構(gòu)的較低部分停止生長(zhǎng)。
圖5表示另一個(gè)說(shuō)明性示例中的REM顯微照片，其中，與圖4的示例相反，第一掩模沿<1-100>方向形成條紋，因此，在(0001)平面的生長(zhǎng)通過(guò)掩模材料(第二掩模)的選擇性沉積而被有效地停止，同時(shí)允許GaN層沿{11-20}平面進(jìn)一步生長(zhǎng)。
第二實(shí)施例在該實(shí)施例中，目標(biāo)是當(dāng)冷卻時(shí)，由于熱應(yīng)變而使塊材III-N層能夠優(yōu)選為易于與外來(lái)襯底自分離，從而產(chǎn)生獨(dú)立的、厚的III-N層。為了這個(gè)目的，根據(jù)本發(fā)明，通過(guò)掩模材料(第二掩模)的選擇性沉積的存在而產(chǎn)生在厚的III-N層和襯底之間的部分的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性。
因此，在允許柱形和/或條形中間(內(nèi)部)層與平行于襯底的主平面生長(zhǎng)頂面一起生長(zhǎng)的同時(shí)，通過(guò)側(cè)刻面的原位選擇性遮蔽而形成空隙。由于與下面的結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定連接，被允許進(jìn)一步在頂面外延生長(zhǎng)的厚的、塊材III-N層容易分離。甚至自分離是有利的。例如，通過(guò)去除襯底和/或柱形和/或條形中間層的任何剩余部分等措施，可以根據(jù)需要進(jìn)一步處理獨(dú)立的III-N層。可以對(duì)獨(dú)立的III-N層的一個(gè)側(cè)面或兩個(gè)側(cè)面進(jìn)行例如從由以下處理構(gòu)成的組中選擇的任何所需的處理但不限于此諸如強(qiáng)酸(如類似HNO3/HCL的王水)的溶劑處理；濕化學(xué)或干化學(xué)刻蝕；機(jī)械拋光；化學(xué)-機(jī)械拋光(CMP)；和可選地在至少包含氨的氣體中的退火；等等。
通過(guò)根據(jù)該實(shí)施例的工藝，可以實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的III-N層，該III-N層具有例如至少5cm的直徑(或者具有其它結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)面積，例如具有至少5cm邊沿長(zhǎng)度的矩形基礎(chǔ)面積的正方形)和在所需的區(qū)域具有例如至少20μm，優(yōu)選地至少200μm，甚至至少300μm，適當(dāng)?shù)卦趶纳鲜龈髯缘淖钚≈档?000μm的范圍內(nèi)的厚度。
參考圖1和2，將描述關(guān)于該實(shí)施例的具體和說(shuō)明性示例。直接在外來(lái)襯底1如蘭寶石上，或(如圖所示)間接在形成在外來(lái)襯底1上的第一III-N層(這里外延生長(zhǎng)的GaN層)2上，形成并圖案化第一掩模4，同時(shí)提供開(kāi)口或窗口4a時(shí)，例如通過(guò)采用PEVCD形成諸如SiN等的掩模材料，采用光刻工藝圖案化相同的掩模材料，和隨后采用濕刻蝕法或干化學(xué)刻蝕法刻蝕要去除的掩模的部分。掩模部分4和開(kāi)口4a的各自的寬度和長(zhǎng)度分別以相互獨(dú)立的方式自由地調(diào)整，例如，在納米到幾微米的量級(jí)，也可能達(dá)到幾十或甚至幾百微米。如果圖案以細(xì)長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)或以條紋形成，那么它們的長(zhǎng)度不受限制。
然后，在該結(jié)構(gòu)化的襯底或模板上，外延生長(zhǎng)某一數(shù)量例如達(dá)到厚度在10nm到5μm(這里大約是1μm)的III-N(這里例如GaN)，以便在掩模的開(kāi)口或窗口4a中形成具有不同的刻面的III-N結(jié)構(gòu)(層)3。這里，允許GaN層3從開(kāi)口開(kāi)始生長(zhǎng)(這里采MOVPE)，以使該結(jié)構(gòu)和其暴露的表面分別被側(cè)刻面(側(cè)平面)和頂刻面(頂平面)限定。在生長(zhǎng)工藝中，注意兩個(gè)側(cè)刻面不要成為三角形，或者不要出現(xiàn)相鄰結(jié)構(gòu)的接合，以便所形成的表面包括多于一個(gè)刻面。對(duì)于該實(shí)施例，為了使在后來(lái)的階段在該位置易于破裂和/或破損，優(yōu)選具有小的寬度的GaN層3的結(jié)構(gòu)。因此，結(jié)構(gòu)3的寬度大約在掩模開(kāi)口的寬度的范圍內(nèi)，一般在亞微米到幾微米。結(jié)構(gòu)3的高度大約在相同的尺寸范圍內(nèi)。結(jié)構(gòu)3的長(zhǎng)度是不受限制的。
在下一步驟中，選擇性地沉積掩模。為此，如上面第一實(shí)施例中所述，選擇相對(duì)垂直生長(zhǎng)速率具有較低橫向生長(zhǎng)速率的生長(zhǎng)方式，并將硅以硅烷(這里SiH4)的形式提供到反應(yīng)器中。由于含N的氣體(這里NH3)包含在混合氣體中，從而氮化硅膜5形成在側(cè)刻面上，其中氮化硅膜覆蓋這些刻面并在該部分進(jìn)一步阻止生長(zhǎng)。在沉積進(jìn)一步的III-N(這里GaN)期間，結(jié)構(gòu)(層)6實(shí)際上只從頂(0001)刻面開(kāi)始生長(zhǎng)，但是結(jié)果也在遮蔽刻面上橫向生長(zhǎng)。因此，通過(guò)相鄰結(jié)構(gòu)6的接合，連續(xù)形成塊材III-N(這里GaN)層(見(jiàn)圖2)。可以連續(xù)進(jìn)行外延生長(zhǎng)直到獲得所需厚度的III-N層。
這樣，所形成的塊材連續(xù)的III-N層6保持在前面生長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)3上方并只通過(guò)它們與襯底或模板連接。在所示的到襯底1或第一III-N層2的過(guò)渡區(qū)中，形成選擇性掩模5。因此，在III-N層6和襯底1或第一層2之間按照有目的(well-aimed)的方式產(chǎn)生空隙7，其中空隙使相互連接更加不穩(wěn)定。
在隨后的冷卻中，由于在連接結(jié)構(gòu)3的位置處的不同的熱膨脹系數(shù)，產(chǎn)生高應(yīng)變，結(jié)果導(dǎo)致在該區(qū)域的分離。因此，得到與襯底1或第一層2分離的塊材III-N層(這里GaN層)。
關(guān)于III-N成分(III是從Al、Ga、In中選擇)，可以自由選擇在層區(qū)域2、3和6中的Al、Ga和In的各自的原子比。為了減少產(chǎn)生晶體缺陷的傾向，在該應(yīng)用實(shí)施例中優(yōu)先選擇相同或相似的成分。
在由K.Tomita等描述的技術(shù)中(見(jiàn)前面)，只采用反應(yīng)器外部的單一遮蔽步驟。橫向生長(zhǎng)層直接與掩模連接，因此，阻止了自分離。在JP-A-2004-051415和JP-A-2004-055799中，也必須通過(guò)包含高成本的隨后的刻蝕工藝的外部形成掩模來(lái)實(shí)現(xiàn)圖案化。由于在該項(xiàng)技術(shù)中，條紋或柱的側(cè)面或該結(jié)構(gòu)之間的部分不受掩模的保護(hù)，在這些部分也能生長(zhǎng)，可以再次覆蓋所刻蝕的暴露的部分，并且甚至可以形成微晶，這會(huì)極大地破壞層的質(zhì)量。采用任意工藝產(chǎn)生由Y.Oshima等和A.Usui等(見(jiàn)前面)描述的TiN納米網(wǎng)絡(luò)。因此，可以幾乎不控制和調(diào)整在襯底和厚的GaN層之間的結(jié)構(gòu)的尺寸和間隔。因此，根據(jù)該工藝不可能實(shí)現(xiàn)選擇性遮蔽。
與由S.Bohyama等描述的技術(shù)相反，根據(jù)本發(fā)明，可以省去需要選擇性去除第二掩模以及第二掩模對(duì)位于下面的在該結(jié)構(gòu)的艱苦的和困難的對(duì)準(zhǔn)的在外延反應(yīng)器外部的第二掩模的外部沉積和結(jié)構(gòu)化。因此，根據(jù)本發(fā)明的工藝需要極大地降低成本。另外，在本發(fā)明中，大大改進(jìn)了圖案化和結(jié)構(gòu)化的范圍和設(shè)計(jì)的可能性以及結(jié)構(gòu)形成的精度。
此外，采用選擇性地沉積在III-N中間(內(nèi)部)層3的側(cè)面上的具有條紋/空隙或者柱/空隙組合的不穩(wěn)定連接結(jié)構(gòu)和掩模5，使分離十分容易實(shí)現(xiàn)?？梢栽趯挼姆秶线x擇性地調(diào)整在襯底或第一層和厚的III-N之間的連接的高度。
第三實(shí)施例該實(shí)施例的目的是在所需的面上按照有目的的方式在典型的(0001)-III-N(這里GaN)晶片上沉積用于半導(dǎo)體器件的一層或多層(后續(xù)層)。在具體示例中，量子阱(QW)排它地沿{1-100}平面取向。
因此，在本發(fā)明的該實(shí)施例中，從具有多個(gè)刻面的結(jié)構(gòu)開(kāi)始，除了{(lán)1-100}平面/刻面的所有其它刻面在原位被選擇性遮蔽，以便在量子阱生長(zhǎng)的同時(shí)和/和之后，只在{1-100}平面/刻面發(fā)生生長(zhǎng)。
在圖3所示的示意性實(shí)施例中或改進(jìn)的實(shí)施例中，在外來(lái)襯底1(例如，蘭寶石)或在第一III-N層2上形成并圖案化第一掩模4。這里，形成沿<11-20>方向的具有條紋形狀開(kāi)口/窗口4a的條紋圖案作為掩模結(jié)構(gòu)。根據(jù)需求，開(kāi)口4a的寬度和長(zhǎng)度容易選擇。在該結(jié)構(gòu)化的襯底上，然后，從掩模的開(kāi)口4a開(kāi)始，沉積一定量(合適地是50nm到50μm的厚度)的III-N(這里GaN)，形成橫截面為矩形的結(jié)構(gòu)3，該矩形結(jié)構(gòu)是由垂直{1-100}刻面/平面和頂部水平(0001)刻面/平面限定的。與開(kāi)口寬度和開(kāi)口長(zhǎng)度的選擇以及層3的厚度相對(duì)應(yīng)，結(jié)構(gòu)3的寬度和高度可以在亞微米或微米的范圍內(nèi)，但是不局限于這些尺寸?？梢愿鶕?jù)需要選擇結(jié)構(gòu)3的長(zhǎng)度(即，與圖平面相垂直延伸，因此在圖3中看不見(jiàn))。
在接下來(lái)的步驟中，如第一實(shí)施例中所述，選擇具有較低垂直(相對(duì)于橫向)生長(zhǎng)速率的生長(zhǎng)方式，并將包含硅的化合物(硅烷)提供到反應(yīng)器中。因此，在與襯底的主平面平行或基本上平行的水平(0001)刻面上，形成氮化硅膜8，該氮化硅膜覆蓋所述刻面并進(jìn)一步阻止在該部分的生長(zhǎng)。當(dāng)進(jìn)一步沉積III-N(這里GaInN)時(shí)，該結(jié)構(gòu)幾乎只在{1-100}側(cè)刻面的基礎(chǔ)上橫向生長(zhǎng)。采用這種方式，包含GaInN的量子阱或膜9可以被排它地沉積在垂直側(cè)刻面上。這樣，這種量子阱/膜表示按照有目的的方式選擇性地形成在GaN基底層3上的后續(xù)層。對(duì)于電氣接觸，為了獲得功能性半導(dǎo)體元件或器件，后續(xù)層的相應(yīng)部分可以被n型摻雜或p型摻雜。
進(jìn)一步根據(jù)需要開(kāi)發(fā)、處理和/或改進(jìn)該元件或器件。例如，可以形成可能包含III-N層半導(dǎo)體材料，但是也可能包含其它半導(dǎo)體材料的進(jìn)一步的半導(dǎo)體層。如果需要，可以通過(guò)合適的方法例如刻蝕去除第一或第二掩模材料。
當(dāng)在結(jié)構(gòu)化襯底上生長(zhǎng)量子阱時(shí)，但是不通過(guò)第二掩模的選擇性沉積控制生長(zhǎng)，通常獲得在表面的所有刻面上形成的量子阱(見(jiàn)B.Neubert，P.Bruckner，F(xiàn).Habel，F(xiàn).Scholz，T.Riemann，J.Christen，M.Beer和J.Zweck，Applied Physics Letters 87，182111-182113(2005))。由于量子阱的特性隨不同的刻面而不同，這種結(jié)構(gòu)不適合用于半導(dǎo)體器件的制備。與其相反，根據(jù)本發(fā)明，可以允許預(yù)定類型的量子阱在一個(gè)或多個(gè)所需的晶體刻面上按照有目的的方式生長(zhǎng)。因此，可以按照有目的的方式影響并有利地調(diào)整半導(dǎo)體器件的特性。
在以上所述的實(shí)施例中，量子阱形成在III-N層上，其本身形成在包含襯底或形成在襯底上的第一III-N層的基底或模板上。但是，采用本發(fā)明相同的原理，量子結(jié)構(gòu)或其它所需的III-N層可以選擇性地形成在其它基底結(jié)構(gòu)上，所述其它基底結(jié)構(gòu)例如不具有襯底或具有其它半導(dǎo)體基底層。
此外，各個(gè)層可包括摻雜劑。
第四實(shí)施例以第三實(shí)施例所述的方式在蘭寶石-GaN-模板上產(chǎn)生包含用于半導(dǎo)體器件的后續(xù)層的各種結(jié)構(gòu)，其中，所述結(jié)構(gòu)不同之處在于允許量子膜或量子阱(QW)選擇性生長(zhǎng)在哪些平面中，同時(shí)通過(guò)第二掩模的選擇性沉積阻止其它晶體刻面。
III族氮化物具有強(qiáng)極性晶體結(jié)構(gòu)。因而，在公共(0001)平面中的量子阱中形成壓電場(chǎng)，其中，壓電場(chǎng)分離電子和空穴，從而降低諸如LED和激光器等半導(dǎo)體器件的效率(量子限制的Stark效應(yīng))(見(jiàn)前面B.Neubert等)。但是，當(dāng)沿這些場(chǎng)方向(a{1-101}平面、或者在技術(shù)上較不相關(guān)的{11-20}平面)形成量子阱時(shí)，該效應(yīng)減少，并且半導(dǎo)體器件變得更有效。通過(guò)將量子阱定位在{1-101}或{11-20}平面，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)該效應(yīng)的減小，從而效率也略有提高。與例如具有減小的帶隙的幾nm的一個(gè)或多個(gè)薄III-N層的隨后的生長(zhǎng)一起，通過(guò)單獨(dú)沉積結(jié)構(gòu)3(即與傳統(tǒng)的ELO工藝相應(yīng)的結(jié)構(gòu))已經(jīng)實(shí)現(xiàn)在這些平面內(nèi)的量子阱。但是，然后總是在所有未遮蔽的晶體刻面上沉積量子阱，即，以這種方式不可能只在{1-101}平面內(nèi)得到量子阱，因?yàn)橐部偸且驳玫皆?0001)平面內(nèi)的量子阱。此外，由于各個(gè)元件的不同的結(jié)合效率，期望在各種平面內(nèi)的量子阱的帶隙在定量上是不同的。
根據(jù)本發(fā)明，只有通過(guò)對(duì)于不同于那個(gè)(或那些)晶體刻面的晶面有目的和選擇性地遮蔽，其中，量子阱應(yīng)當(dāng)是取向的，實(shí)現(xiàn)了只沉積所需的和規(guī)定的量子阱。在選擇性沉積之后，基本上沉積用于所需的半導(dǎo)體器件的所有可能的后續(xù)層。根據(jù)本發(fā)明，實(shí)現(xiàn)以下應(yīng)用情況特別有效，其中，在平面中與襯底的主表面平行延伸的刻面上形成選擇性遮蔽，并且在平面中與襯底的表面不平行的至少一個(gè)刻面上形成用于半導(dǎo)體元件的后續(xù)層。通過(guò)將層從共同(001)平面轉(zhuǎn)移到所需的平面，所述層的厚度或組成可能改變。這可以根據(jù)需要修正。
根據(jù)本發(fā)明的工藝，例如，可以在以下平面內(nèi)的特定所需的平面上進(jìn)行量子阱的外延層生長(zhǎng)，例如在與第三實(shí)施例相同的{1-100}平面，這些平面包括
{1-101}平面{11-22}平面{11-20}平面。
對(duì)于電氣接觸，為了獲得功能性半導(dǎo)體元件，后續(xù)層的各個(gè)區(qū)域再次被n型摻雜或p型摻雜。
代替第三或第四實(shí)施例所描述的量子阱，為了提高半導(dǎo)體器件的特性，可以產(chǎn)生量子點(diǎn)或量子線。通過(guò)根據(jù)本發(fā)明的工藝，這些層的形成可以從(0001)平面轉(zhuǎn)移到其它平面。
通過(guò)第三或第四實(shí)施例的工藝，可以產(chǎn)生諸如GaInN-GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)等異質(zhì)結(jié)構(gòu)，基本上沒(méi)有內(nèi)場(chǎng)(internal fields)。堆疊后續(xù)層的晶體刻面可以有利地具有另一壓電常數(shù)，最好低于襯底的原始晶面。
通過(guò)第三或第四實(shí)施例的工藝，有利地使得在后續(xù)層內(nèi)的帶隙小于后續(xù)層周圍的半導(dǎo)體的帶隙成為可能。
與第三實(shí)施例相同，第四實(shí)施例同樣允許在本發(fā)明的范圍內(nèi)進(jìn)行修改，例如，通過(guò)不僅在襯底或形成在襯底上的第一III-N層上形成用于半導(dǎo)體器件的后續(xù)層，而且在其它基底結(jié)構(gòu)上選擇性地形成相同的后續(xù)層，其中，所述其它基底結(jié)構(gòu)例如不具有襯底或具有另一半導(dǎo)體基底層。
此外，各個(gè)層可包括摻雜劑。
與第三實(shí)施例相同，可以根據(jù)需要工發(fā)、處理和/或改進(jìn)第四實(shí)施例得到的元件或器件。例如，可以形成可能包含III-N半導(dǎo)體材料，但是也可能包含其它半導(dǎo)體材料的進(jìn)一步的半導(dǎo)體層。
盡管已經(jīng)參考優(yōu)選實(shí)施例、具體示例和說(shuō)明性附圖描述了本發(fā)明，但是這些描述和附圖不應(yīng)該解釋為對(duì)本發(fā)明的限制。但是，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在如所附權(quán)利要求定義的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)來(lái)進(jìn)行修改。
權(quán)利要求
1.一種用于在III-N層上形成掩模材料的方法，其中，III表示從Al、Ga和In中選擇的元素周期表的III族的至少一種元素，其中，提供具有表面的III-N層，所述III-N層包括多于一個(gè)刻面；并且在一個(gè)或多個(gè)但不是所有的刻面上選擇性沉積掩模材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，在也用于III-N層的生長(zhǎng)的相同的反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行掩模材料的沉積。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，在掩模材料選擇性沉積的同時(shí)，在不同于選擇性沉積掩模材料的那個(gè)或那些刻面的至少一個(gè)、多個(gè)或所有刻面上進(jìn)行進(jìn)一步的III-N層的外延生長(zhǎng)。
4.一種用于采用外延方式生長(zhǎng)至少部分遮蔽的III-N層的方法，其中，III表示從Al、Ga和In中選擇的元素周期表的III族的至少一種元素，所述方法包括提供具有表面的III-N層，其包括多于一個(gè)刻面；和在生長(zhǎng)條件下進(jìn)行外延生長(zhǎng)，通過(guò)外延生長(zhǎng)(i)在第一類型或第一組刻面上選擇性地生長(zhǎng)至少一個(gè)進(jìn)一步的III-N層，和(ii)同時(shí)在第二類型或第二組刻面上選擇性沉積掩模材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，在生長(zhǎng)條件下，在至少部分生長(zhǎng)工藝中，進(jìn)行外延生長(zhǎng)，以便將至少一個(gè)用于掩模材料的源提供到外延反應(yīng)器中，并且在第一類型或組刻面上的III-N材料系統(tǒng)的生長(zhǎng)速率比在第二類型或組刻面上的生長(zhǎng)速率高。
6.一種用于在外延反應(yīng)器中采用外延方式生長(zhǎng)至少部分遮蔽的III-N層的方法，其中，III表示從Al、Ga和In中選擇的元素周期表的III族的至少一種元素，所述方法包括在橫向生長(zhǎng)速率與垂直生長(zhǎng)速率分別不同的生長(zhǎng)條件下，在至少部分生長(zhǎng)工藝中，執(zhí)行III-N層的外延生長(zhǎng)；和在分別不同的橫向和垂直生長(zhǎng)速率周期期間，將至少一個(gè)用于掩模材料的源提供到外延反應(yīng)器中。
7.根據(jù)權(quán)利要求1、4或6所述的方法，其中，掩模材料包括氮化合物或氧化合物。
8.根據(jù)權(quán)利要求1、4或6所述的方法，其中，掩模材料包括硅化合物。
9.根據(jù)權(quán)利要求1、4或6所述的方法，其中，掩模材料包括氮化硅，通過(guò)采用氨或胺以及硅烷或氯硅烷來(lái)沉積該氮化硅。
10.根據(jù)權(quán)利要求1、4或6所述的方法，其中，掩模材料包括氮化硅，通過(guò)采用NH3或(CH3)2NNH2以及SilH2l+2或者SilClmHn來(lái)沉積該氮化硅，其中，l是從1到8的整數(shù)，而m和n分別是0或具有2l+2的和的整數(shù)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1、4或6所述的方法，其中，所沉積的掩模材料是第二掩模材料，其中，在先前步驟中，第一掩模材料的圖案已經(jīng)被形成在襯底、模板或基底層上，并且從該圖案的未遮蔽部分開(kāi)始，隨后生長(zhǎng)具有多于一個(gè)刻面的表面的III-N層。
12.根據(jù)權(quán)利要求1、4或6所述的方法，其中，采用MOVPE或HVPE方式生長(zhǎng)III-N層。
13.一種用于制備獨(dú)立的III-N層的方法，其中，III表示從Al、Ga和In中選擇的元素周期表的III族的至少一種元素，所述方法包括步驟執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求1、4或6的方法，用于在襯底、模板或基底層上形成選擇性地遮蔽的III-N層，和形成進(jìn)一步的III-N層，其中，在進(jìn)一步的III-N層和襯底、模板或基底層之間的區(qū)域中形成選擇性遮蔽，和使所述進(jìn)一步的III-N層與襯底、模板或基底層分離，從而提供獨(dú)立的III-N層。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，由于選擇性遮蔽而在襯底和所述進(jìn)一步的III-N層之間產(chǎn)生空隙，和/或其中，所述進(jìn)一步的III-N層能與襯底、模板或基底層自分離。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，所述進(jìn)一步的III-N層通過(guò)間隔開(kāi)的條紋或通過(guò)間隔開(kāi)的柱與襯底、模板或基底層連接。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，在不同于與襯底、模板或基底層的主表面平行的平面中的刻面的一個(gè)或多個(gè)刻面上形成選擇性遮蔽。
17.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，所述進(jìn)一步的III-N層通過(guò)外延生長(zhǎng)形成為具有所需的厚度，該外延生長(zhǎng)工藝是MOVPE或HVPE。
18.一種獨(dú)立的III-N晶片，可通過(guò)根據(jù)權(quán)利要求13的方法獲得。
19.一種用于制造包含III-N材料的器件的方法，其中，III表示從Al、Ga和In中選擇的元素周期表的III族的至少一種元素，所述方法包括步驟執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求1、4或6的方法，用于在襯底、模板或基底層上形成選擇性遮蔽的III-N層，以便在所形成的多個(gè)刻面的III-N層的至少一個(gè)刻面上形成選擇性遮蔽；和在至少一個(gè)未遮蔽的刻面上形成用于器件的至少一層。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中，選擇性遮蔽被形成在與襯底、模板或基底層的主表面平行的平面中取向的刻面上，并且用于器件的至少一層被形成在不與襯底、模板或基底層的主表面平行的平面中的至少一個(gè)其它刻面上。
21.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中，用于器件的至少一層包括量子結(jié)構(gòu)。
22.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中，通過(guò)外延生長(zhǎng)形成用于器件的至少一層，該外延生長(zhǎng)工藝是MOVPE或HVPE。
23.一種電子或光電器件，可通過(guò)權(quán)利要求19的方法獲得。
24.一種包含III-N層的半導(dǎo)體器件，其中，III表示從Al、Ga和In中選擇的元素周期表的III族的至少一種元素，包括具有不同的第一和第二類型或組刻面的多個(gè)刻面的、外延III-N層；在第一類型或第一組刻面上選擇性外延生長(zhǎng)的至少一個(gè)進(jìn)一步的III-N層，同時(shí)在第二類型或第二組刻面上選擇性沉積掩模材料層。
25.根據(jù)權(quán)利要求24的半導(dǎo)體器件，其中，所述掩模材料層被沉積在第二類型刻面上，該第二類型刻面在與所述多個(gè)刻面的、外延III-N層的主下平面平行的平面中取向，并且其中，在與所述多個(gè)刻面的、外延III-N層的主下平面不平行的平面中的至少一個(gè)第一類型或第一組刻面上，外延生長(zhǎng)進(jìn)一步的III-N層。
26.根據(jù)權(quán)利要求24的半導(dǎo)體器件，其中，在外延生長(zhǎng)進(jìn)一步的III-N層后去除所述掩模材料層，并且在去除掩模材料層后，在第二類型或第二組刻面上可選地形成至少一個(gè)半導(dǎo)體層。
27.根據(jù)權(quán)利要求24的半導(dǎo)體器件，其中，在第一類型或第一組刻面上選擇性外延生長(zhǎng)的至少一個(gè)進(jìn)一步的III-N層內(nèi)的帶隙小于半導(dǎo)體器件的其它半導(dǎo)體層或其它III-N層的帶隙。
28.根據(jù)權(quán)利要求24的半導(dǎo)體器件，其中，其中在至少一個(gè)第一類型的刻面上外延生長(zhǎng)的進(jìn)一步的III-N層的晶面具有的壓電常數(shù)低于襯底、模板或基底層的原始晶面的壓電常數(shù)，在所述襯底、模板或基底層上形成所述多個(gè)刻面的、外延生長(zhǎng)的III-N層。
29.一種包含III-N層的半導(dǎo)體器件，其中，III表示從Al、Ga和In中選擇的元素周期表的III族的至少一種元素，包括具有不同的第一和第二類型或組的刻面的多個(gè)刻面的、外延III-N層；第二類型的刻面是(0001)刻面；至少一個(gè)III-N量子結(jié)構(gòu)，該III-N量子結(jié)構(gòu)被選擇性外延生長(zhǎng)在第一類型或第一組刻面上，但沒(méi)有或不必選擇性外延生長(zhǎng)在第二類型的(0001)刻面上。
30.根據(jù)權(quán)利要求29所述的半導(dǎo)體器件，其中，在位于所述至少一個(gè)III-N量子結(jié)構(gòu)的下方和/或上方的第一類型或組刻面上形成一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體層或III-N層。
31.根據(jù)權(quán)利要求24或29所述的半導(dǎo)體器件，其中，第一類型或第一組刻面位于從由以下構(gòu)成的組中選擇的一個(gè)平面中{1-100}平面，{1-101}平面，{11-20}平面，和{11-22}平面。
32.根據(jù)權(quán)利要求24或29所述的半導(dǎo)體器件，包括摻雜半導(dǎo)體或III-N層。
全文摘要
一種用于在III－N層上形成掩模材料的方法，其中，III表示從Al、Ga和In中選擇的元素周期表的III族的至少一種元素，其中，提供具有表面的III－N層，所述III－N層包括多于一個(gè)刻面。掩模材料被選擇性只沉積在一個(gè)或多個(gè)但不是所有的刻面上。在生長(zhǎng)條件下在III－N層的外延生長(zhǎng)期間特別進(jìn)行掩模材料的沉積，通過(guò)外延生長(zhǎng)(i)在第一類型或第一組刻面上選擇性地生長(zhǎng)至少一個(gè)進(jìn)一步的III－N層和(ii)同時(shí)在第二類型或第二組刻面上選擇性沉積掩模材料。通過(guò)根據(jù)本發(fā)明的方法，可以產(chǎn)生獨(dú)立的厚的III－N層。此外，可以產(chǎn)生具有特定結(jié)構(gòu)或?qū)拥陌雽?dǎo)體器件或元件。
文檔編號(hào)H01L21/02GK1988113SQ20061016859
公開(kāi)日2007年6月27日 申請(qǐng)日期2006年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月22日
發(fā)明者弗蘭克·哈貝爾, 費(fèi)迪納德·斯科爾茲, 巴巴拉·紐伯特, 彼得·布魯克納, 托馬斯·溫德勒 申請(qǐng)人:弗賴貝格化合物原料有限公司