低位错密度GaN的生长工艺制造技术

对侧向外延生长技术做一些新的改变就可以获得高质量的独自的ＧａＮ，其中３Ｄ岛或特征采用改变生长参数来获得。通过设置生长条件加强侧向生长从而获得平坦的岛（２Ｄ生长）。３Ｄ－２Ｄ生长的循环将导致穿透位错的多次弯曲，从而得到厚层或穿透位错密度低于１０↑［６］ｃｍ↑［－２］的独立的ＧａＮ。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种在衬底生长低位错密度的GaN的工艺，特别涉及 仅通过生长条件控制材料的侧向和纵向生长速率的外延生长工艺。同 时也涉及具有由这种方法形成的GaN晶体的氮化物半导体晶片以及由 此生产的氮化物半导体器件。
技术介绍
GaN基的复合半导体，例如氮化镓(GaN)、三元合金、氮化铟镓 (InGaN)、氮化镓铝(GaAlN)、甚至四元化合物(AlGalnN)都是直 接带隙半导体。其带隙覆盖了从可见光到紫外光(UV)的波长。因此， 氮化物合金半导体被认为在短波长发射方面是很有潜力。GaN被用在 发光二极管(LED)、蓝-紫激光二极管(LD)以及紫外(UV)探测器 的制造中。下一代高密度光盘系统(蓝光DVD以及HD-DVD)将要求 GaN蓝紫激光二极管。此外，在光电子领域中，由于其固有的属性(宽 的带隙、高的热和化学稳定性、以及高的电子饱和速度)，GaN将被应 用在高温电子器件的制造中。不幸的是，氮化物材料的发展受这些材料的加工技术中的问题的 影响。发展III-N器件的一个最重要的问题就是缺少可接受的可用区域 的GaN体衬底或缺少用来生长低缺陷密度的III-N层的晶格匹配的衬 底。自然界中没有发现GaN，它不能熔化，也不能像Si、 GaAs或蓝宝 石那样由人造宝石拉制而成，因为在常压下，它的理论熔化温度超过 了其位错温度。当尝试获得能够为器件制造提供合适衬底的任一 III族 氮化物的大面积晶体时显得很困难。GaN体晶体可以在液态Ga中通过 高压高温熔化生长来生成。该技术在以前就己经被发展，但是衬底的 大小( lcm2)以及潜在的大规模产量远远没有达到工业化要求。尽管 通过应用这种方法已经达到低的缺陷密度 102—105cm—2 (I. Grzegory和S.Po蘭ski， Thin Solid Films (固体薄膜)，367， 281 (2000))。现在用来制造相对高质量的GaN以及相关层的技术都涉及在适当 的但是并不理想的衬底上异质外延沉积GaN层。目前这样的衬底包括 (但不局限于此)蓝宝石、Si、 GaAs或者SiC。所有异质外延衬底都 面临着在晶格和热失配方面GaN的高质量沉积的挑战。晶格失配是由 于不同晶体中的原子内部空间差异引起的。热失配是由不同材料的热 扩散系数差别引起的。由于蓝宝石衬底的晶格常数与GaN的不一样，因此不能在蓝宝石 衬底上直接生长连续的GaN单晶膜。因此，已经提出一种新的工艺， 该工艺在以低温在蓝宝石衬底上生长的AlN或者GaN缓冲层中释放晶 格应变，然后在其上面生长GaN，该工艺现在已经成为一种常规工艺。 采用以低温生长的氮化层作为缓冲层可以实现GaN的单晶外延生长。 然而，这种方法仍然不能补偿衬底和晶体间的晶格失配，GaN膜仍然 存在大量的缺陷。蓝宝石和SiC已经成为III-N生长的标准衬底，尽管其存在显著的 晶格失配。这样大的失配将导致形成非常高密度的穿透位错TD ( 109cm-2)和最终的裂缝。也同样应该考虑热失配。特别是生长GaN 后，随着样品冷却至室内温度，热扩散(收縮)速率的差别在两种材 料的界面处引起高的应力。蓝宝石的热扩散系数比GaN的高。随着蓝 宝石衬底和GaN层冷却变凉，界面处的失配将使GaN处于压縮而蓝宝 石处于拉伸状态。因此，应力的大小直接与沉积的GaN厚度有关，膜 越厚，应力越大。膜厚度在大约10微米以上时，应力将超过GaN的 破裂极限，可能会导致膜的破裂。与高位错密度相比，更不愿意看到 层中的裂缝，因为它们在加工器件结构过程中还将传播。GaN、蓝宝 石或者SiC的外延的所有技术发展都旨在降低TD密度并且避免裂缝的 产生。延长缺陷的存在(穿透位错、层错以及反相畸界)将导致性能显 著恶化并使得器件使用寿命縮短。更具体地，位错表现为非发光中心， 因此将降低了采用这些材料制成的发光二极管和激光二极管的发光效 率。这些位错同样会增加暗电流。尽管穿透位错没有阻止高亮度发光 二极管的发展，但是位错将在例如高电子迁移率晶体管、场效应晶体管以及其它电子器件的p-n结器件中导致过多的反向偏置漏电流。此 外，这些位错可以作为载流子的强散射中心，因此降低了电子和空穴 的迁移，限制了很多半导体器件的性能。目前已经提出了很多用于降低TD和其它延长缺陷密度的方法。历史上，在上世纪70年代氢化物气相外延(HVPE)是用于产生 外延层的最早的方法。因为HVPE不能生产p型GaN，所以在上世纪 八十年代就被广泛放弃。今天，重新对该方法感兴趣是因为该方法能 够以高生长速率生长GaN以及因此可以制造伪衬底或独立的GaN。 Mathis等人提出的GaN中降低机制的分析(J. Cryst. Growth, 2001)， 预测了 TD的降低与厚度h成函数h—^的关系。这意味着需要非常厚的 层( 300pm)以使得TD降低至107，—2以下。换句话说，通过生长 较厚的层，能够发生更多的位错间的相互作用。事实上，相互作用更 有效的接近更多混合位错存在的界面。随着层的变厚，将主要是具有 较大分离的刃型位错，因此相互作用变得越来越不可能，并且更进一 步降低TD的密度将变得很困难。通过该工艺获得了 TD密度为 3乂106(^-2的独立GaN。已经发展了其它一些HVPE技术来提高相对低效的TD湮没工艺， 例如调整生长早期阶段的生长条件，通过形成位错环有利于TD的淹 没，Hsu等人，美国专利6699760 (粗糙表面)。美国专利6673149描述了另外一个可选方案，在蓝宝石衬底上获 得低缺陷应力消除的HVPE GaN。该技术包括沉积富缺陷层(用来消 除应力)以及平滑了生长层表面并且提供高质量层的另外一层。该工 艺依赖于两种生长条件，例如高-低生长速率。采用侧向外延生长(ELO)来降低晶体缺陷密度的技术已经被广 泛报道，例如参考Phys. Stat Sol.， 2001， (b)227， pl-43。 ELO涉及至 少两个生长步骤。ELO利用了 GaN在某一给定晶体方向上较快的生长 从而产生较低位错密度(小于大约10cm^)。Nam等人(App1. Phys. Lett.， 1977, 71(18), 2638-2640)描述了采用ELO生产III-V半导体材料。该 ELO方法要求GaN层在衬底上初始生长，从生长反应器中移除，异位 处理，介质掩膜的沉积以及再插入到生长反应器中。也包括各种刻蚀 以及其它工艺步骤。在标准的ELO技术中，定制生长工艺以促进侧向生长，在那里TDs 不传播。然而，TDs在掩膜的开口上仍能传播，应该在掩膜区域上的 条纹上制造像LD的器件。在两步ELO中，这些缺点可以在一定程度上避免。实际上，在第 一步中，调整GaN的生长条件以产生具有Ul-22M则面的三角条纹。顶(0001)面的生长速率Gc比倾斜的(1122)侧面的生长速率Gs高。 Gc/Gs比值典型地等于3。第一步持续到顶面完全消失。接着，在第二 步中，侧向生长优选Gs〉Gc，直到完全合并并且表面光滑。增大侧向 速率可以通过增加温度或者在气相中引入Mg，或者降低压力来进行。 窗口上的位错首先垂直传播(如在标准的ELO中)，但是随后弯曲90 度，采用沿着(0001)基面的方向。大部分位错的弯曲导致在膜的上 部中本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制造低缺陷密度ＧａＮ的方法，包括以下步骤：　ｄ）在开始衬底上生长ＧａＮ的外延层，　ｅ）随后在低温下生长ＧａＮ层，以产生岛特征，　ｆ）在侧向生长被加强的情况下生长顶部的ＧａＮ层，直到岛特征完全合并并得到光滑平坦的表面，　其特征在于：　步骤ｂ）的完成没有使用任何类型的掩膜，不粗糙化，不刻蚀，也不在ＧａＮ表面产生沟槽，仅仅通过改变生长室内的工作压力，分压，温度，Ⅴ／Ⅲ比例和／或通过在气相中添加表面活性剂或者非表面活性化学物质。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2005-12-15 60/751,3871、一种制造低缺陷密度GaN的方法，包括以下步骤d)在开始衬底上生长GaN的外延层，e)随后在低温下生长GaN层，以产生岛特征，f)在侧向生长被加强的情况下生长顶部的GaN层，直到岛特征完全合并并得到光滑平坦的表面，其特征在于步骤b)的完成没有使用任何类型的掩膜，不粗糙化，不刻蚀，也不在GaN表面产生沟槽，仅仅通过改变生长室内的工作压力，分压，温度，V/III比例和/或通过在气相中添加表面活性剂或者非表面活性化学物质。2、 如权利要求1所述的方法，其中随后生长GaN以产生岛特征 和平滑表面的步骤b)和步骤c)被重复几次。3、 如权利要求1或2所述的方法，其中歩骤b)和步骤c)通过 氢化物气相外延(HVPE)来完成。4、 如权利要求1或2所述的方法，其中步骤b)和步骤c)通过 封闭空间气相传送(CSVT)来完成。5、 如权利要求1或2所述的方法，其中步骤b)和步骤c)通过 液相外延(LPE)来完成。6、 如权利要求1或2所述的方法，其中所有的步骤通过金属有机 气相外延(MOVPE) 来完成。7、 如权利要求1或2所述的方法，其中-步骤b)在低于95(TC的温度进行，以产生岛特征，-步骤c)在更高的温度进行，以获得岛特征的完全合并并得到光滑平坦表面。8、 如权利要求1或2所述的方法，其中-步骤b)在大约102(TC的温度、将02加入气相的情况下进行，以产生岛特征，-步骤c)在102(TC没有02的情况下进行，以获得岛特征的完全 合并并得到光滑平坦表面。9、 如权利要求1至8所述的方法，其中衬底从由蓝宝石，尖晶石， GaN， A1N， GaAs， ...

【专利技术属性】
技术研发人员：B博蒙，JP福里，P吉巴特，
申请(专利权)人：卢米洛格股份有限公司，
类型：发明
国别省市：FR[法国]