專利名稱：利用氫化物氣相外延(HVPE)生長(zhǎng)平面非極性的{1-100}m面和半極性的{11-22}氮化鎵的制作方法
利用氫化物氣相外延(HVPE)生長(zhǎng)平面非極性的{1-100}m 面和半極性的{11-22}氮化鎵相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用本申請(qǐng)要求于2008年7月16日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)No. 61/081，145的優(yōu)先權(quán)。
背景技術(shù)：
1.發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及利用氫化物氣相外延(hydride vapor phase epitaxy, HVPE)進(jìn)行平 面非極性{1-100}和半極性{11-22}氮化鎵(GaN)的生長(zhǎng)。2.現(xiàn)有技術(shù)氮化鎵(GaN)和其相關(guān)的化合物是用于制造尖端可見光和紫外線高功率和高性 能光電器件和電子器件的主要備選材料。這些器件通常通過包括分子束外延(MBE)、金屬有 機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)或氫化物氣相外延(HVPE)的生長(zhǎng)工藝外延生長(zhǎng)而成。襯底的選擇對(duì)于獲得期望的GaN生長(zhǎng)取向是關(guān)鍵的。對(duì)于III族氮化物(III -N)生 長(zhǎng)來說最廣泛使用的一些襯底包括SiC、Al2O3和LiA102。各種結(jié)晶學(xué)取向的這些襯底是可 市購(gòu)的。圖1(a)和1(b)是六方纖維鋅礦GaN晶胞中的主要結(jié)晶方向和結(jié)晶面的圖示。具 體來說，這些圖示示出了六方纖鋅礦GaN結(jié)構(gòu)中主要的不同結(jié)晶生長(zhǎng)方向以及結(jié)晶面，其 中圖 1 (a)顯示了結(jié)晶方向 al、a2、a3、c、<10-10>和 <11-20>，圖 1 (b)顯示了晶面a(ll_20)、 m(10-10)和H10-12)。圖1 (b)的填充圖旨在例示主要的晶面，而并非代表該結(jié)構(gòu)的材料。由于其大的生長(zhǎng)穩(wěn)定性窗口，生長(zhǎng)平面的c面GaN是較容易的。因此，幾乎所有的 GaN基器件都是平行于極性c面生長(zhǎng)的。然而，由于c面的生長(zhǎng)，每個(gè)材料層都因自發(fā)極化 而受到電子和空穴分離到層相對(duì)面的困擾。此外，相鄰層之間界面處的應(yīng)變會(huì)引起壓電偏 振，進(jìn)一步產(chǎn)生電荷分離。圖2(a)和圖2(b)，是夾在勢(shì)壘(barriers)之間的量子阱中因偏振產(chǎn)生的能帶彎 曲和電子空穴分離的圖示，顯示了該效應(yīng)，其中圖2(a)是能量(eV)相對(duì)于深度(ym)的圖 示并代表著c面的量子阱，而圖2(b)是能量(eV)相對(duì)于深度(ym)的圖示并代表著非極 性的量子阱。這種極化效應(yīng)降低了電子和空穴再結(jié)合的可能，使得最后的器件性能變差。用 于減少或消除GaN光電器件中的壓電極化效應(yīng)的一種可能方法是在晶體的半極性晶面如 [11-22]晶面或者晶體的非極性晶面如GaN的a-{ll-20}和m-{l_100}晶面族上生長(zhǎng)器件。 這種晶面包含相同數(shù)量的Ga和N原子并且是電荷中性的。平面{1-100}的m面GaN生長(zhǎng)已經(jīng)通過HVPE和MBE方法得以發(fā)展，但僅在m面 的GaN襯底上成功了。然而，在本文描述的本發(fā)明之前，在藍(lán)寶石上的平面半極性和非極性 GaN的生長(zhǎng)還未利用HVPE加以完成。


下面參閱附圖，其中同樣的附圖標(biāo)記代表全文中相應(yīng)的部件圖1(a)和1(b)是六角GaN中主要的結(jié)晶方向和結(jié)晶面的圖示。圖2(a)和2(b)是因偏振產(chǎn)生的能帶彎曲和電子空穴分離的圖示。圖3(a)、3(b)和3 (c)提供了通過在m面上的半極性平面GaN的X射線衍射進(jìn)行 的結(jié)構(gòu)表征。圖4是S表面粗糙度值rms為3. 75nm的(尺寸)原子力顯微鏡(AFM)表面圖像。圖5是流程圖，顯示了根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方式的使用HVPE來生長(zhǎng)平面半極性III 族氮化物的過程步驟。圖6進(jìn)一步例示了根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方式的圖5中過程步驟的結(jié)果。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的總體目標(biāo)是使用HVPE來生長(zhǎng)平面的半極性{11-22}面的GaN材料。該 方法包括在氨和氬的氣氛下高溫原位預(yù)處理襯底，在退火的襯底上生長(zhǎng)中間層如氮化鋁 (AlN)或氮化鎵鋁(AlGaN)，并使用HVPE在中間層上生長(zhǎng)非極性的m面III族氮化物外延層。本發(fā)明利用m面GaN的半極性性能來大大減小偏振場(chǎng)(polarization field)， 并利用生長(zhǎng)期間半極性GaN穩(wěn)定性的優(yōu)點(diǎn)提高了生長(zhǎng)變量如溫度、壓力和前體流量的靈活 性。在優(yōu)選實(shí)施方式的下面說明中，要參照形成其一部分的附圖，且其中通過例示可 實(shí)施本發(fā)明的特定實(shí)施方式的方式加以展示。可以理解的是，在不脫離本發(fā)明的范圍下可 使用其他的實(shí)施方式并且進(jìn)行結(jié)構(gòu)變化。MM(Ga, In，Al，B)N材料沿極性W001]c方向的生長(zhǎng)，會(huì)由于引起沿主要導(dǎo)電方向上 電荷分離的偏振場(chǎng)而使光電器件有較低的性能。因此，最近進(jìn)行的研究集中在沿這些材料 的a-[ll-20]和m-[l-100]方向進(jìn)行半極性和非極性方向的生長(zhǎng)，以消除這種效應(yīng)且顯著 地改善器件性能。GaN的a面和m面生長(zhǎng)都已通過HVPE和MBE進(jìn)行了探究，但僅在非常小 也非常昂貴的m面GaN襯底上成功了。對(duì)于m面和半極性生長(zhǎng)來說，隨著HVPE生長(zhǎng)期間穩(wěn) 定的、可市購(gòu)的m-藍(lán)寶石襯底的出現(xiàn)，大面積襯底的可獲得性已成為一個(gè)問題，本發(fā)明使 其成為可能。本發(fā)明是第一次通過HVPE在m-藍(lán)寶石上成功生長(zhǎng)出了半極性的{11-22}和 {10-13}晶面的 GaN。技術(shù)描述m面藍(lán)寶石襯底在氨和氯化氫氣氛下退火。生長(zhǎng)之前，AlN或AlGaN層在GaN膜生 長(zhǎng)前形成為中間層。最后，通過HVPE生長(zhǎng)GaN層。圖1 (a)和圖1(b)例示了在纖維鋅礦晶 體結(jié)構(gòu)中主要的半極性GaN(ll-22)晶面。為了完成半極性GaN的生長(zhǎng)，分別針對(duì)AlN、AlGaN和GaN層試驗(yàn)了 6_15的V/III比 和900-1050°C的溫度系列。生長(zhǎng)在大氣壓力下進(jìn)行。半極性晶面，對(duì)于AlN、AlGaN和GaN， 在該寬范圍的溫度、反應(yīng)器壓力和前體流量中是穩(wěn)定的。導(dǎo)致最佳質(zhì)量GaN膜的最佳AlGaN中間層，對(duì)于厚度低于IOOnm的中間層，在超過 9001的溫度、￥/111比為15-25的情況下得以實(shí)現(xiàn)。對(duì)于GaN層的外延，最優(yōu)選的條件在接近大氣壓、900-1050°C溫度范圍和V/ III比低于15的情況得以實(shí)現(xiàn)。獲得的半極性GaN材料的2 μ mX2 μ m原子力顯微鏡(AFM)表面圖像顯示在圖4 中。對(duì)于(尺寸)掃描來說，表面粗糙度數(shù)值(均方根)是3. 75nm。圖3 (c)是ω (度)相對(duì)計(jì)數(shù)/秒的圖示，顯示了對(duì)于18 μ m厚的(11_22)半極性 GaN層的X射線衍射搖擺曲線，半最大值處的同軸(on-axis) (11-22)全寬度(FWHM)測(cè)量低 達(dá)402弧秒。正如下面的表1所看到的，對(duì)于33 μ m厚的GaN的同軸(11-22) FWHM值測(cè)量 為低達(dá)293弧秒，離軸(11-10)反射具有250弧秒的FWHM值。經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過改變成核層和 外延的GaN膜自身的生長(zhǎng)條件，這些粗糙度和半高寬數(shù)值沒有顯著變化。
半極性同軸數(shù)值半極性離軸數(shù)值293250表1搖擺曲線FWHM數(shù)值工藝步驟圖5是例示用于根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式使用HVPE生長(zhǎng)平面半極性III族氮 化物外延膜的過程步驟流程圖，其中平面半極性III族氮化物外延膜可包括平面半極性 {11-22}或(10.3)GaN外延層。圖6進(jìn)一步例示了圖5中每個(gè)過程步驟的結(jié)果?？?00顯示了適當(dāng)?shù)囊r底(700)。襯底(700)可包括m_藍(lán)寶石或者適合用于半極 性面III族氮化物生長(zhǎng)的任何襯底?？?02表示了例如在生長(zhǎng)步驟前，于氬和氨氣氛中對(duì)襯底(700)的原位預(yù)處理。框604表示了在襯底(700)上生長(zhǎng)中間層(704)。中間層(704)通常包括氮化鋁 (AlN)層或氮化鎵鋁(AlGaN)層，但可包括適用于半極性面III族氮化物生長(zhǎng)的任何其他中 間層(704)。此外，中間層(704)可在襯底預(yù)處理后和半極性面III族氮化物生長(zhǎng)前生長(zhǎng)?？?06表示了使用HVPE生長(zhǎng)半極性面III族氮化物外延層(706)。半極性面III族氮 化物外延層(706)通常包括非極性(11-22)面GaN外延層，但也可包括其他半極性面III族 氮化物外延層如(10-13)。此外，半極性面III族氮化物外延層(706)可在中間層(704)上 生長(zhǎng)成。優(yōu)選地，最終結(jié)果是具有半極性面III族氮化物的平面外延層的器件、或自支撐晶片 (free standing wafer)、或襯底、或模板?？赡艿男薷暮妥冃碗m然優(yōu)選的實(shí)施方式描述了使用AlN或AlGaN中間層在m_藍(lán)寶石上半極性GaN 的HVPE生長(zhǎng)，在其上可形成半極性面III族氮化物外延膜的替代適當(dāng)襯底包括但不限制于 6H 或 4H 的 m 面 SiC、自支撐的 m_GaN、LiGaO2 和 LiAlO2。生長(zhǎng)之前，適當(dāng)?shù)囊r底可以以許多不同的方式進(jìn)行原位或外部處理，或者根本不 對(duì)其進(jìn)行處理。半極性的外延膜可在不同成核層如在各種條件和方法下生長(zhǎng)的GaN、AlN或AlGaN 上或者在未處理的襯底(bare substrate)上成核并生長(zhǎng)。外延膜可以是任何半極性面的III族氮化物材料，包括但不限制于具有各種厚度的 GaN、AlN、AlGaN 禾口 InGaN。對(duì)于半極性面的III族氮化物材料生長(zhǎng)所需的生長(zhǎng)參數(shù)可根據(jù)反應(yīng)器而變化。
最后，可以理解的是，可根據(jù)需要省略、增加或重新設(shè)置過程步驟。這種變型不會(huì)根本上改變本發(fā)明的整體實(shí)施。優(yōu)點(diǎn)和改講非極性{1-100}面的GaN生長(zhǎng)已經(jīng)通過HVPE和MBE成功完成，但僅在m面GaN襯 底上成功了。然而，本發(fā)明通過HVPE第一次成功完成了高質(zhì)量的平面半極性{11-22}和 {10-13}面的GaN生長(zhǎng)。平面半極性GaN的生長(zhǎng)，由于其具有大生長(zhǎng)窗口穩(wěn)定性，要優(yōu)于使用HVPE的平面 a-{11-20} GaN的生長(zhǎng)。當(dāng)改變對(duì)于AlN(AlGaN)中間層和GaN外延膜的生長(zhǎng)變量如溫度、 V/ III比、前體流量時(shí)，這會(huì)顯示出來。為了實(shí)現(xiàn)最佳質(zhì)量的半極性(11-22)GaN層，對(duì)于AlN(AlGaN)中間層和GaN層，分 別試驗(yàn)了為6-15和15-25的乂/111比，以及900-10501和900-10501的溫度系列。不同于 平面的非極性a面GaN膜，這種條件的變化不會(huì)顯著影響晶體和表面質(zhì)量，其中晶體與表面 質(zhì)量對(duì)于生長(zhǎng)條件的改變極其敏感且受限于小的生長(zhǎng)窗口。與GaN的半極性性質(zhì)相結(jié)合的生長(zhǎng)穩(wěn)定性優(yōu)點(diǎn)在III族氮化物的非極性器件研究 中產(chǎn)生了新的可能性。Mrk這是對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式的描述的總結(jié)。本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式的上 述描述旨在于例示和描述的目的。它并不旨在詳盡的或者將本發(fā)明限制于公開的精確形 式。根據(jù)上述的教導(dǎo)，許多修改和變型是可能的，例如對(duì)本文描述過程的另外調(diào)整，都基本 上不偏離本發(fā)明的實(shí)質(zhì)。目的在于，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不由該詳細(xì)描述進(jìn)行限定，而是由 本文附加的權(quán)利要求書限定。
權(quán)利要求
1.一種生長(zhǎng)平面半極性的III族氮化物外延膜的方法，包括使用氫化物氣相外延 (HVPE)在適當(dāng)襯底上生長(zhǎng)半極性{11-2 或{10-1 面的III族氮化物。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述襯底包括m-藍(lán)寶石襯底。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述半極性III族氮化物包括半極性面的氮化鎵 (GaN)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括在生長(zhǎng)步驟前進(jìn)行襯底的預(yù)處理。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括在襯底上生長(zhǎng)中間層和在中間層上生長(zhǎng)半 極性面的III族氮化物。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中所述中間層包括氮化鋁(AlN)或氮化鎵鋁 (AlGaN)層。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括預(yù)處理襯底；在預(yù)處理步驟后的襯底上生長(zhǎng)中 間層；和在中間層上生長(zhǎng)半極性面的III族氮化物。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述半極性面III族氮化物是平面的外延層。
9.一種使用權(quán)利要求1所述的方法制造的器件、晶片、襯底或模板。
10.一種生長(zhǎng)平面半極性面III族氮化物外延膜的方法，包括使用氫化物氣相外延 (HVPE)在適當(dāng)襯底上生長(zhǎng)半極性(11-2 或{10-1 的III族氮化物，包括進(jìn)行襯底的預(yù)處理；在退火步驟后的襯底上生長(zhǎng)中間層；且在中間層上生長(zhǎng)半極性面III族氮化物的平面外 延層。
全文摘要
一種生長(zhǎng)平面非極性m面或半極性Ⅲ族氮化物材料如m面氮化鎵(GaN)外延層的方法，其中使用氫化物氣相外延(HVPE)在適當(dāng)襯底如m面的藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)成Ⅲ族氮化物材料。該方法包括在氨和氬的氣氛下高溫原位預(yù)處理襯底，在該退火襯底上生長(zhǎng)中間層，例如氮化鋁(AlN)或氮化鎵鋁(AlGaN)，并使用HVPE在中間層上生長(zhǎng)非極性m面Ⅲ族氮化物外延層。
文檔編號(hào)C30B29/40GK102119243SQ200980127776
公開日2011年7月6日 申請(qǐng)日期2009年7月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月16日
發(fā)明者A·烏西科夫, A·塞爾金, H·S·埃爾古羅里, L·沙波瓦洛娃, O·科瓦倫科夫, P·斯皮伯格, R·G·W·布朗, V·伊文特索夫 申請(qǐng)人:奧斯坦多科技公司