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氮化镓层在蓝宝石基体上的悬挂外延生长

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CN100364051C
CN100364051C CN 00817182 CN00817182A CN100364051C CN 100364051 C CN100364051 C CN 100364051C CN 00817182 CN00817182 CN 00817182 CN 00817182 A CN00817182 A CN 00817182A CN 100364051 C CN100364051 C CN 100364051C
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CN
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pendeoepitaxial
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gallium
nitride
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CN 00817182
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凯文·J·林斯卡姆
托马斯·杰赫克
罗伯特·F·戴维斯
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北卡罗来纳州大学
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Abstract

为了在打底的氮化镓层中定义至少一个柱(106)和至少一条沟槽(107),可以通过蚀刻在蓝宝石基体(102a)上打底的氮化镓层(104)来制造氮化镓半导体层。所述的至少一个柱包括氮化镓顶端和氮化镓侧壁(105)。所述的至少一条沟槽包括沟槽底面。氮化镓侧壁往所述的至少一条沟槽横向生长,借此形成氮化镓半导体层。在优选实施方案中,所述的至少一条沟槽延伸到蓝宝石基体之内,以致于所述的至少一个柱进一步包括蓝宝石侧壁和蓝宝石底面。在蓝宝石底面上可以包括掩模(201),在蓝宝石基体和打底的氮化镓层之间还可以包括氮化铝缓冲层(102b)。在氮化镓顶端也可以包括掩模(209)。在底面和顶端上的掩模优选由同一种材料组成。

Description

氮化镓层在蓝宝石基体上的悬挂外延生长联邦政府赞助的研究这项发明是在政府支持下按照海军研究合同第N00014-96-l-0765、 N00014-98-1-0384和N00014-98-1-0654号进4亍的。J支府对这项发明可以有某种4又利。技术领域这项发明涉及孩i电子器件和制造方法,更具体地i兌涉及氮化 镓半导体器件及其制造方法。背景技术目前正在对氮化4家进行广泛地孩i电子器件研究,其中包括<旦 不限于晶体管、场致发射体和光电子器件。人们将理解,如同在 本文中所用的那样,氮化镓也包括氮化镓的合金,例如氮化镓铝, 氮化4家铟和氮化镓铟铝。在制造以氮化镓为基础的微电子器件方面的主要问题是制 造缺陷密度低的氮化镓半导体层。众所周知缺陷密度的贡献者之 一是供氮化镓层在其上生长的基体。因此,虽然氮化镓层已在蓝 宝石基体上生长,但是让氮化4家层在本身是在石灰化硅基体上形成 的氮化铝緩沖层上生长将降低缺陷密度是众所周知的。尽管有这 些进步,继续降低缺陷密度仍然是令人想要的。

人们还知道凭借在氮化镓层上形成其中包括至少 一 个露出打底的氮化4家层的开口的掩才莫和让打底的氮化4家层穿过所述的 至少 一个开口往掩模上横向生长可以生产低缺陷密度的氮化镓 层。这种4支术往往被称为"外延型横向蔓延(ELO)"。这个氮化镓 层可以往掩模上横向生长,使氮化镓在掩模上聚结成单层。为了 形成缺陷密度比较低的连续的氮化镓层,可以在横向蔓延的氮化 镓层上形成包括至少 一个与打底的掩模中的开口错开的开口的 第二掩模。然后,ELO再一次穿过第二掩模中的开口得以完成, 借此允许连续的低缺陷密度的第二氮化镓层蔓延。然后,微电子 器件可以在这个蔓延的第二层中形成。例如,氮化镓的ELO在 如下出片反物中已有描述:Nam等人的"Lateral Epitaxy of Low Defect Density GaN Layers Via Organometallic Vapor Phase Epitaxy (经由有机金属蒸汽相外延附生的低缺陷密度GaN层横 向夕卜延附生)",Appl. Phys. Lett. Vol.71, No. 18, 1997年11月3 日,pp. 2638-2640; Zheleva等人的"Dislocation Density Reduction Via Lateral Epitaxy in Selectively Grown GaN Structures (在有选 择地生长的GaN结构中借助横向外延附生减少位错密度),,,Appl. Phys. Lett. Vol.71, No. 17, 1997年10月27日,pp. 2472-2474, 在此通过引"^正将它们的揭示并入。人们还知道通过在打底的氮化镓层中形成至少 一个沟槽或 柱来定义至少一个侧壁可以生产j氐缺陷密度的氮化4家层。然后, 氮化镓层从所述的至少 一 个侧壁横向生长出来。横向生长优选持 续到横向长出的膜层在沟槽范围内聚结为止。横向生长还优选一 直持续到从侧壁生长出来的氮化镓层横向蔓延到柱的顶端之上 为止。为了促进4黄向生长、氮化4家的成核作用和在垂直方向上生 长,柱的顶端和/或沟槽底面可以一皮掩蔽。来自沟槽和/或柱的侧 壁的横向生长也被称为"悬挂外延(Pendeoepitaxy)"并且是在 下面歹'J举的出版物中予以描述的:Zheleva等人的 "Pendeo-Epitaxy: A New Approach for Lateral Growth of GalliumNitride Films (悬挂外延:用于氮化4家膜纟黄向生长的新方法)", Journal of Electronic Materials, Vol.28, No.4, 1999年2月, pp丄5-L8; 以及Linthicum等人的 "Pendeoepitaxy of Gallium Nitride Thin Films (氮^f匕4家薄膜的悬^去外延)",Applied Physics Letters, Vol.75, No.2, 1999年7月,pp.196-198,在jt匕通过引 证将它们的揭示并入。ELO和悬挂外延能够为微电子应用提供比较大的低缺陷密 度的氮化镓层。然而,可能限制氮化镓器件批量生产的主要问题 是氮化镓层在碳化硅基体上的生长。尽管碳化硅的重要性在商业 上逐渐增加,但是碳化硅基体仍然可能是比较昂贵的。此外,因 为石灰化石圭是不透明的,所以在需要背面照明的场合4巴石友化石圭基体 用在光学器件中可能是困难的。因此,使用-友化硅基体打底制造 氮化镓微电子结构可能对氮化镓器件的成本和应用产生不利的 影响发明内容本发明通过对打底的氮化镓层和/或蓝宝石基体进行处理防 止来自沟槽底面的氮化镓垂直生长干扰柱的氮化镓侧壁的悬挂 外延生长让本身在蓝宝石基体上的打底的氮化镓层中的柱的侧 壁悬挂外延生长。因此,广泛可得的蓝宝石基体可以被用于氮化 镓的悬挂外延,借此为氮化镓器件的降低成本和广泛应用创造条 件。更具体地说,氮化镓半导体层可以通过蚀刻在蓝宝石基体上 打底的氮化镓层来制造,以<更在打底的氮化镓层中定义至少 一个 柱和至少一条沟槽。所述的至少一个柱包括氮化镓顶端和氮化镓 侧壁。所述的至少一条沟槽包括沟槽底面。氮化镓侧壁往所述的 至少一条沟槽中一黄向生长,借此形成氮化4家半导体层。然而,在 完成横向生长步骤之前,蓝宝石基体和/或打底的氮化镓层是经过

处理的,以-使防止来自沟槽底面的氮化4家的生长千扰所述的至少 一个柱的氮化4家侧壁往所述的至少 一条沟槽中纟黄向生长。在所迷的至少 一 条沟槽下面,蓝宝石基体可以被蚀刻到足够 的深度以形成蓝宝石底面和防止来自蓝宝石底面的氮化4家垂直生长干4无所述的至少 一 个柱的氮化4家侧壁往所述的至少 一 条沟 槽中横向生长。除此之外作为替代方案,沟槽底面可以用掩模掩 蔽。在其它的替代方案中,打底的氮化镓层被有选择的蚀刻和掩 蔽以便将蓝宝石基体暴露出来形成蓝宝石底面。柱的氮化镓顶端 也可以被掩模掩蔽,以便与在氮化镓上相比降低氮化镓在其上的 成核作用。生长之后,可以在氮化镓半导体层中形成至少一个微 电子器件。更明确地"i兌,在蓝宝石基体上打底的氮化镓层经过蚀刻有选 择地将蓝宝石基体暴露出来并且在打底的氮化镓层中定义至少 一个柱和至少 一 条沟槽。所述的至少 一 个柱每个都包4舌氮〗匕《家顶 端和氮化镓侧壁。所述的至少一条沟槽包括蓝宝石底面。所述的 至少一个柱的氮化镓侧壁往所述的至少一条沟槽中横向生长,借 此形成氮化镓半导体层。优选的是在蚀刻蓝宝石基体上打底的氮化镓层时,蓝宝石基 体也4皮蚀刻,以^更定义在打底的氮化镓层中和在蓝宝石基体中的 至少 一 个柱以及在打底的氮化4家层中和在蓝宝石基体中的至少 一条沟槽。所述的至少一个柱每个都包括氮化镓顶端、氮化镓侧 壁和蓝宝石侧壁。所述的至少一条沟槽包括蓝宝石底面。更优选 的是蓝宝石基体被蚀刻足够的深度以便防止来自蓝宝石底面的 氮化4家垂直生长干扰所述的至少 一个柱的氮化4家侧壁往所述的 至少一条沟槽中横向生长的步骤。例如,蓝宝石侧壁高度与蓝宝 石底面宽度之比超过大约1/4。在另一个实施方案中,蓝宝石底 面是用与在蓝宝石上相比将降^f氐氮化4家的成核作用的掩才莫掩蔽 的。在另一些实施方案中,蓝宝石基体包括在它上面的氮化铝緩 冲层。在蚀刻步骤期间,氮化镓层和氮化铝緩冲层两者都被蚀刻 以1更将蓝宝石基体有选择地暴露出来。在其它的实施方案中,蓝 宝石基体也被这样有选择地蚀刻,以致沟槽延伸到蓝宝石基体之中。牙黄向生长优选通过让氮化4家侧壁往氮化4家顶端上^黄向蔓延 以悬挂外延方式继续进行,借此形成氮化镓半导体层。在悬挂外 延生长之前,氮化镓顶端可以用与在氮化镓上相比将降低氮化镓 的成核作用的掩模掩蔽。依照本发明的另一个方面,沟槽底面可以用掩模掩蔽,借此回避将蓝宝石基体暴露出来的需要。具体地说,在蓝宝石基体上打底的氮化4家层可以;故蚀刻,以 <更定义在打底的氮化镓中的至少一个柱和在打底的氮化镓层中的至少一条沟槽。所述的至少一个柱包括顶端和侧壁,而所述的至少一条沟槽包括沟槽底面。所述 的至少 一 个底面是用掩才莫掩蔽的,而所述的至少 一 个 一主的侧壁;f主所述的至少一条沟槽中横向生长,借此形成氮化镓半导体层。如 上所述,柱的顶端也可以被掩蔽。优选的是所述的至少一个底面 和所述的至少一个顶端同时被掩蔽,例如,通过实施定向沉淀在 侧面的顶端和底面上形成掩模,但在侧壁上不形成掩模。还是如 上所述,在有氮化铝緩冲层存在时,可以通过蚀刻定义柱和沟槽, 或者在氮化铝緩冲层上形成掩模。在另一个替代方案中,沟槽底 面本身可以位于氮化4家层中,而氮化4家沟槽底面可以如同前面描 述的那样被掩蔽。依照本发明氮化镓半导体结构的实施方案可以包括蓝宝石 基体和在蓝宝石基体上打底的氮化镓层。打底的氮化镓层中包括

至少一个4主和至少一条沟槽。所述的至少一个4主每个都包^"氮化 镓顶端和氮化镓侧壁。所述的至少一条沟槽包括蓝宝石底面。侧面的氮化4家层/人所述的至少 一个柱的氮化4家侧壁一黄向延伸到所 述的至少一条沟槽之中。在优选的实施方案中,所述的至少一条 沟槽这样延伸到蓝宝石基体之中,以致于所述的至少一个柱每个 包括氮化4家顶端、氮化镓侧壁和蓝宝石侧壁,而所述的至少一条 沟槽包4舌蓝宝石底面。优选的是在蓝宝石底面上没有垂直的氮化 镓层,而蓝宝石侧壁高度与蓝宝石底面宽度之比可以超过大约 1/4。掩模可以被包括在蓝宝石底面上,氮化铝緩沖层也可以被包 括在蓝宝石基体和打底的氮化镓层之间。掩模也可以被包括在氮 化镓顶端上。顶端和底面上的掩模优选由同 一种材料组成。依照本发明氮化镓半导体结构的其它实施方案也可以包括 蓝宝石基体和在蓝宝石基体上打底的氮化镓层。在打底的氮化镓 层中包^"至少一个4主和至少一条沟冲曹。所述的至少一个一主包4舌氮 化4家顶端和氮化4家侧壁,而所述的至少 一条沟槽包括沟槽底面。 掩才莫^皮包括在所述的至少一条沟槽铺的底面上,而氮化4家层乂人所 述的至少 一 个柱的氮化镓侧壁横向延伸到所述的至少 一 条沟槽 之中。在优选的实施方案中,沟槽底面是蓝宝石底面。在氮化4家 顶端上可以提供优选包含与沟槽底面上的掩模相同的材料的掩 模。氮化铝緩冲层也可以如同前面描述的那样被提供。至少一个 微电子器件可以在该氮化镓半导体层中形成。因此,蓝宝石可以作为生成低缺陷密度的氮化4家半导体层的 基体被使用。借此可以提供低成本和/或高实用性的氮化镓器件。 附图"i兌明图1-5是依照本发明第一种氮化镓微电子结构在中间的制造 步骤期间的剖;f见图。图6-10是依照本发明其它氮化4家孩i电子结构在中间的制造 步艰《期间的剖;现图。图11-16是依照本发明另一些氮化镓^f效电子结构在中间的制 造步骤期间的剖视图。图17-22是依照本发明另外一些氮化镓微电子结构在中间的 制造步骤期间的剖#见图。具体实施方式现在将参照用来展示本发明的优选实施方案的附图更全面 i也描述这项发明。然而,这项发明可以用i午多不同的形式予以体 现,因此不应该,皮解释为仅仅局限于在此处发表的实施方案;更确 切地i兌,这些实施方案是这样4是供的,以至于这个揭示将是完全 彻底的并且对于熟悉这项技术的人将全面覆盖本发明的范围。为 了清楚起见,膜层的厚度和区域在这些附图中被夸大了。相同的 数字自始至终指的是相同的要素。人们将理解诸如膜层、区域或 基体之类的要素被称为"在"或"到"另一个要素之上时,它可 能直接在其它要素之上,也可能有居间的要素存在。此外,在本 文中描述和图解i兌明的每个实施方案也包括其补充的传导型实 施方案。现在参照图1-5,描述依照本发明的实施方案制造氮化镓半 导体结构的方法。如图l所示,打底的氮化镓层104生长在基体 102上。基体102包括蓝宝石(八1203)基体102a,优选具有 (OOOl)(c-平面)取向,并且优选包括氮化铝和/或氮化镓緩冲层 102b。在本文中使用的结晶学命名约定对于熟悉这项技术的人 是众所周知的,因此不需要进一步予以描述。氮化镓层104可 以有介于0.5和2.0|um的厚度,并且可以在使用三乙基镓(26 微摩尔/分)、氨(1500 sccm)和氢稀释剂(3000 sccm )的垂直 的和感应加热的有才几金属蒸汽相冷壁外延系统中于IOO(TC下在 沉积在蓝宝石基体102a上的低温(60(TC)的氮化铝緩冲层和/或 低温(500。C)的氮化镓緩沖层102b上生长。氮化镓层在包括氮化 铝緩沖层的蓝宝石基体上的生长是在下述出版物中予以描述 的:Yoshida等人,Appl.Phys.Lett.42(5), 1983年3月1日, pp.427-429,题为"Improvements on the Electrical and Luminescent Properties of Reactive Molecular Beam Epitaxially Grown Films by Using -Coated Sapphire Substrates (通过使用带AIN涂层的蓝宝 石基体对反应分子束外延附生而成GaN膜的电发光特性的改 进)";Amano等人,Appl.Phys.Lett.48(5) , 1986年2月, pp.353-355,题为"有机金属Vapor Phase Epitaxial Growth of a High Quality GaN Film Using an AIN Buffer Layer (使用AIN緩 沖层时高质量GaN膜的有机金属蒸汽相外延生长),,;Kuznia等 人,J.Appl.Phys.73(9), 1993年5月1日,pp.4700-4702,题为"Influence of Buffer Layers on the Deposition of High Quality Single Crystal GaN Over Sapphire Substrate (纟爰冲层对高质量的 GaN单晶在蓝宝石基体上的沉积的影响),,;Nakamura, Japanese Journal of Applied Physics, Vol.30, No.lOA, 1991年10月,pp. L1705-L1707,题为"GaN Growth Using GaN Buffer Layer (使 用GaN缓冲层时GaN的生长),,;Doverspike等人,Journal of Electronic Materials, Vol.24, No.4, 1995年,pp.269-273,题为"The Effect of GaN and AIN Buffer Layers on GaN Film Properties Grown on Both C-Plane and A画Plane Sapphire ( GaN和 AIN緩沖层对在C-平面和A-平面两种蓝宝石上生长的GaN膜

的性能的影响)",在此通过引i正将这些出版物所揭示的内容全部并入。仍然参照图l,打底的氮化镓层104包括众多的侧壁105。熟 悉这项技术的人爿夺理解:侧壁105可以净皮看作是由众多也可以 被称为"台地"、"底座"或"圆柱',的被隔开的柱106定义的。 侧壁105也可以;波看作是由众多在打底的氮化4家层104中也^支 称为"井"的沟槽107定义的。侧壁105还可以4皮看作是由一 系列交替的沟槽107和柱106定义的。此外,可以提供被看作 是由至少一条w比邻沟槽107定义的单一的柱106。人们还将理 解:定义侧壁105的柱106和沟槽107可以Y昔助有选择的蚀刻 和/或有选择的外延生长和/或其它的传统技术来制造。人们还将 理解:侧壁不需要与基体102正交,而是倾斜的。最后,人们 将理解:虽然侧壁105在图1中是用横截面展示的,但是柱106 和沟槽107可以定义笔直的、V形的或具有其它形状的细长区 域。如图1所示,沟槽107优选延伸到緩冲层102b和基体102a 之中,以致氮化镓随后的生长优先发生在侧壁105上,而不是 发生在沟槽底面上。现在参照图2,打底的氮化镓层104的侧壁105^黄向生长, 在沟槽107中形成^f黄向的氮化镓层108a。氮化镓的横向生长可 以在1000-1100。C和45托下获得。以13-39微摩尔/分钟提供的 母料TEG和以1500sccm提供的NHs可以与3000sccm的H2稀 释剂结合使用。如杲要形成氮化镓合金,举例说,附加的铝或 铟的传统母料也可以祐J吏用。如同在本文中^f吏用的那样,术语 "横向,,意p未着与侧壁105正交的方向。人们还将理解:在来 自侧壁105的^f黄向生长期间,柱106上的某种垂直生长也可能 发生。如同在本文中使用的那样,术语"垂直"表示平行于侧 壁105的方向。

业已发现,当蓝宝石基体在氮化镓生长期间暴露在气相中时,氮化镓能够在蓝宝石上成核。因此,氮化镓的垂直生长可 以来自蓝宝石的沟槽底面,这可能干4尤氮4匕镓侧壁往所述的至少一条沟槽中横向生长。作为替代,因为氨的存在,蓝宝石表 面的暴露区域可以被转化成氮化铝。令人遗憾的是氮化镓能够 在氮化铝上很好地成核,因此为可能干扰氮化镓侧壁的横向生 长的来自沟槽底面的氮化镓的垂直生长创造条件。蓝宝石表面的暴露区域向氮化铝的转变可以由于氮化镓在 争支高的生长温度下生长而被减少并且优选^皮消除。例如,可以采用大约iiocrc的温度,而不是大约ioocrc的传统温度。然而, 这仍然不足以阻止氮化镓在蓝宝石基体底面上成核。再一次参照图2,依照本发明,蓝宝石基体102a ^皮蚀刻到 足够的深度,以防止来自蓝宝石沟槽底面107的氮化镓的垂直 生长千扰所述的至少一个柱的氮化镓的侧壁往所述的至少一条 沟槽之中横向生长的步骤。例如,蓝宝石侧壁高度y与蓝宝石 底面宽度x之比可能是至少1/4。其它比值也可以使用,取决于 氮化镓生长期间垂直生长速率与横向生长速率之比。在下面描 述的条件下,氮化镓的横向生长速率可以比垂直生长速率快。 在这些条件下,只要沟槽足够深,来自柱的侧壁生长能够在起 因于氮化镓在蓝宝石基体上的成核作用的氮化镓在沟槽中的垂 直生长可能干扰横向生长之前在沟槽上聚结。现在参照图3,横向的氮化镓层108a的继续生长引起在打 底的氮化镓层104上(确切地说在柱106上)的垂直生长,从 而形成垂直的氮化镓层108b。如同结合图2描述的那样,垂直 生长的生长条件可以被维持。也如同用图3展示的那样,继续 进入沟槽107的垂直生长可能发生在沟槽底部。空间109优选 保持在横向的氮化镓层108a和沟槽底面107a之间。 现在参照图4,生长^皮允"i午继续到才黄向生长的前端在接口 108c处在沟槽107中聚结,从而在沟槽中形成连续的氮化镓半 导体层。总的生长时间可能是大约60分钟。如同在图5中展示 的那样,微电子器件110随后可以在横向的氮化镓半导体层108a 中形成。器件也可以在垂直的氮化镓层108b中形成。因此,在图5中,依照本发明实施方案图解说明氮化镓半 导体结构100。氮化镓结构100包括基体102。基体包括蓝宝石 基体102a和在蓝宝石基体102a上的氮化铝緩沖层102b。氮化 铝和/或氮化镓緩沖层102b可以是大约200-300埃厚。打底的氮化镓层104也^皮包括在与基体102a相对的緩沖层 102b上。打底的氮化镓层104可以具有介于大约0.5和2.0微米 之间的厚度,而可以是利用有机金属蒸汽相外延(MOVPE)形成 的。打底的氮化镓层通常具有不符合要求的比较高的缺陷密度。 例如,在打底的氮化镓层中可能存在介于大约10S/cr^和101Q/cm2 之间的位错密度。这样高的缺陷密度可能起因于缓冲层102b和 打底的氮化镓层104之间晶格参数的不匹配和/或其它原因。这 样高的缺陷密度可能影响在打底的氮化镓层104中形成的微电 子器件的性能。仍然继续关于图5的描述,打底的氮化镓层104包括众多 可以用众多柱106和/或众多沟槽107定义的侧壁105。如同前 面描述过的那样,侧壁可以是倾杀牛的并且可以有各种不同的细 长形状。柱106包括氮化镓顶端、氮化镓侧壁和蓝宝石侧壁, 而所述的至少一条沟槽包括蓝宝石底面107a。在蓝宝石底面107a 上优选没有垂直的氮化镓层。蓝宝石侧壁高度对蓝宝石底面宽 度的比优选是至少1/4。 继续关于图5的描述,横向的氮化镓层108a/人打底的氮化 镓层104的众多侧壁105延伸出来。横向的氮化镓层108a可以 是在大约1000-110(TC和45托下利用有机金属蒸汽相外延形成 的。为了形成4黄向的氮化镓层108a,以13至39孩t摩尔/分钟的 速率提供的三乙基镓(TEG)和以1500sccm提供的氨(NH》的母料 可以与3000sccm的H2稀释剂结合起来使用。氮化4家半导体结 构100还包4舌从柱106垂直地延伸出来的垂直的氮化镓层108b。如图5所示,^黄向的氮化镓层108a在沟槽中于4妄口 108c处 聚结,形成连续的横向的氮化镓半导体层108a。业已发现,在 打底的氮化镓层104中位错密度通常不以与从打底的氮化镓层 104垂直地传^番时相同的密度从侧壁105横向地传播。因此,横 向的氮化镓层108a可以具有比较低的缺陷密度,例如,低于 lOVcm2。所以,4黄向的氮化镓层108b可以形成器件质量的氮化 镓半导体材料。因此,如同在图5中展示的那样,微电子器件110 可以在横向的氮化镓半导体层108a中形成。人们还应该理解: 因为横向生长是依据侧壁105定向的,所以不需要使用掩模来 制造图5的氮4匕镓半导体结构100。图6-10图解说明依照本发明其它的实施方案。如图6所示, 掩模201在沟槽底面107a,上形成。当掩模201在沟槽底面107a, 上形成时,沟槽不需要被蚀刻到蓝宝石基体102a之内。而是如 图6所示,沟槽可以仅仅被蚀刻穿过氮化铝緩沖层102b。但是, 熟悉这项技术的人将理解:沟槽也可以被蚀刻到蓝宝石基体102 之内,如同用图1予以图解说明的那样,而蓝宝石基体中的沟 槽底面107a可以用掩模201掩蔽。在另一个替代方案中,沟槽 仅仅被部4分地蚀刻到氮化铝緩冲层102b之内,而不是如同在图 6中展示的那样完全穿透氮化铝緩沖层102b。在另外一个替代 方案中,沟槽全然不需要被蚀刻到氮化铝緩冲层102b之内,而

是可以在氮化铝^爰冲层102b的暴露部分上形成掩才莫201。在另 外一个替代方案中,沟槽可以不延伸到氮化铝緩冲层之内,而 是可以在氮化镓层104里面结束,并且可以在氮化镓底面上形 成掩才莫201。最后,人们将理解:虽然掩模201 :波表现成具有与 氮化铝緩沖层102b相同的厚度,但是它、不需要具有相同的厚度。 它可以更薄或更厚。业已发现,依照本发明,氮化镓在诸如二氧化硅、氮化硅 之类的某些无定形的和结晶的材料上以及在诸如鴒之类的某些 金属上显然不成核。因此,诸如热蒸发或电子束蒸发之类的"视 线,,沉积技术可以用来把诸如二氧化;圭、氮化硅和/或鴒之类的 掩才莫材料沉积到沟槽底面上。由于氮化镓在掩模上明显地不成 核,所以它净皮迫离开柱的侧壁生长。图6-10的剩佘处理步骤与 图l-5的那些一致,因此不需要在此再一次描述。图11-16图解说明依照本发明的其它实施方案。在图11-16 中,蓝宝石基体102a被蚀刻到足够的深度,以防止来自蓝宝石 底面的氮化镓的垂直生长干扰所述的至少一个柱的氮化镓侧壁 往所述的至少一条沟槽中横向生长的步骤,如同结合图1-5描 述的那样,因此不需要在此再一次描述。然而,与图1-5相反, 在图11-16中,掩模(例如,二氧化硅、氮化硅和/或钨掩模209) 净皮包括在打底的氮化镓层104上。掩才莫209可以具有大约1000 埃或更小的厚度,而且可以是利用二氧化石圭和/或氮化硅的低压 化学蒸汽淀积(CVD)在打底的氮化4家层104上形成。作为替代, 电子束或热蒸发可以被用来淀积鴒。掩模209是采用传统的光 刻4支术组成图案的,以便在其中提供开口阵列。如图11所示,通过开口阵列蚀刻打底的氮化镓层,从而在 打底的氮化镓层104中定义众多的柱106以及在其间的众多沟 槽107。这些柱每个都包括侧壁105和上面有掩模209的顶端。

人们将理解:虽然柱106和沟槽107是优选如同前面描述的那 才羊通过掩蔽和蚀刻制成的,^f旦是这些柱也可以是通过让来自打 底的氮化4象层的;f主有选择地生长,然后在柱的顶端加上封顶层形成的。有选择的生长和有选择的蚀刻的组合也可以;波采用。如图12所示,打底的氮4匕镓层104的侧壁105通过讦黄向生 长在沟槽107中形成一黄向的氮化镓层108a。;廣向生长可以如同 前面描述的那样继续进行。人们将理解:借助掩模209,在柱106 的顶端上生长和/或成核作用将#皮减少,优选#1消除。参照图13,横向的氮化镓层108a的继续生长引起横向的氮 化镓层108a穿过开口阵列的垂直生长。用于垂直生长的条件可 以如同结合图12描述的那样#1维持。现在参照图14,冲黄向的氮4匕镓层108a的继续生长引起往掩 才莫209上4黄向蔓延,从而形成一黄向蔓延的氮化镓层108b。蔓延 的生长条件可以如同结合图12描述的那样被维持。现在参照图15,生长过程被允许持续到在沟槽107中横向 生长的前缘在接口 108c处聚结,在沟槽中形成连续的横向氮化 镓半导体层108a。仍然参照图15,生长过程还被允许持续到在掩模209上横 向蔓延的前缘于接口 108d处聚结,形成连续的横向蔓延的氮化 镓半导体层108b。总的生长时间可以是大约60分钟。单一的连 续生长步骤可以被采用。如图16所示,随后微电子器件110可 以在横向的氮化镓半导体层108a中形成。微电子器件也可以在 横向蔓延的氮化镓层108b中形成。 最后,参照图17-22,进一步图解iJt明本发明的其它实施方 案。图17-22把在图6-10中予以图解说明的在沟槽107的底面 上的掩才莫201与在图11中予以图解说明的在柱106的顶端上的 掩模209合并。人们将理解:在沟槽底部的掩模201和在柱106 的顶端上的掩模209优选同时形成并且'优选由同一种材料组成。 因此,举例来说,诸如二氧化硅、氮化硅之类的掩模材料和/或 诸如钨之类的金属的热蒸发或电子束蒸发之类的视线淀积技术 可以被使用。如果掩模材料是在蚀刻步骤之后淀积的,那么它 仅仅覆盖垂直的表面,即柱106的顶面和沟槽107的底部表面(底 面)。氮4匕镓优选在掩才莫201和209上极少成核,以致于氮化镓 优选仅仅从柱的侧壁105向外生长。作为替代,掩模201和209 可以包含不同的材料和/或具有不同的厚度。图17-22的其余步 骤与图11-16类似,因此不需要再一次详细地描述。人们将理解:掩模201可以在基体102a的暴露的蓝宝石底 面上、在膜层102b的暴露氮化铝底面上或在膜层104中暴露的 氮化镓底面上形成。换言之,沟槽可以淨皮这样蚀刻:部分地进 入氮4b镓层104,完全穿透氮化镓层104,部分地进入氮化铝緩 冲层102b,完全穿透氮化铝层102b,和/或部分进入蓝宝石基体 102。此外,掩模201与氮化铝层102b相比其厚度可以更薄或 更厚。因此,蓝宝石基体可以被用于氮化镓半导体层的生长, 借此提供低成本和/或高实用性。在这些附图和这份说明书中,已经揭示了本发明的典型的 优选实施方案,虽然使用了专用术语,但是它们仅仅被用在普 通的描述意义上,而不是作为限制的目的,本发明的范围是用 权利要求书予以陈述的。

Claims (44)

1.一种制造氮化镓半导体层的方法,该方法包括下述步骤: 蚀刻在蓝宝石基体上打底的氮化镓层,以便有选择地暴露蓝宝石基体,在打底的氮化镓层中定义至少一个柱和至少一条沟槽,所述的至少一个柱每个包括氮化镓顶端和氮化镓侧壁,所述的至少一条沟槽包括蓝宝石底面;以及 暴露蓝宝石底面时让所述的至少一个柱的氮化镓侧壁往所述的至少一条沟槽中横向生长,借此形成氮化镓半导体层。
2. —种制造氮化镓半导体层的方法,该方法包括下述步骤:蚀 刻在蓝宝石基体上打底的氮化镓层和蓝宝石基体,以便在打 底的氮化镓层中以及在蓝宝石基体中定义至少一个柱,在打 底的氮化镓层中以及在蓝宝石基体中定义至少一条沟槽,所 述的至少一个柱每个包括氮化镓顶端,氮化镓侧壁和蓝宝石 侧壁,所述的至少一条沟槽包括蓝宝石底面;以及让所述的至少 一 个柱的氮化镓侧壁往所述的至少 一 条沟 槽中横向生长,借此形成氮化镓半导体层。
3. 跟据权利要求2所述的制造氮化镓半导体层的方法,其中蚀 刻步骤包括将蓝宝石基体蚀刻到足够的深度的步骤,以防止 来自蓝宝石底面的氮化镓垂直生长干扰所述的至少一个柱 的氮化镓侧壁往所述的至少 一条沟槽中横向生长的步骤。
4. 跟据权利要求2所述的制造氮化镓半导体层的方法,其中蓝 宝石侧壁高度对蓝宝石底面宽度的比超过大约1/4。
5. 跟据权利要求2所述的制造氮化镓半导体层的方法,其中在 蚀刻步骤和横向生长步骤之间完成的是如下步骤:用与蓝宝石相比将降低氮化镓在其上的成核作用的掩模掩蔽蓝宝石 底面。
6. 跟据权利要求5所述的制造氮化镓半导体层的方法,其中掩 才莫步骤包括在蓝宝石底面上定向沉积掩才莫物质。
7. 跟据权利要求2所述的制造氮化镓半导体层的方法,其中进 一步包括在蓝宝石基体和打底的氮化镓之间有緩冲层。
8. 跟据权利要求7所述的制造氮化镓半导体层的方法,其中蚀 刻步骤包4舌:蚀刻打底的氮化镓层、緩冲层和蓝宝石基体,以便有选择 地暴露蓝宝石基体和在打底的氮4匕镓层、纟爰冲层和蓝宝石基 体中定义至少一个柱以及在打底的氮化镓层、緩冲层和蓝宝 石基体中定义至少一条沟槽,所述的至少一个柱包括氮化镓 顶端、氮化镓侧壁和蓝宝石侧壁,而至少一条沟槽包括蓝宝 石底面。
9. 跟据权利要求2所述的制造氮化镓半导体层的方法,其中横 向生长步骤包括所述的至少一个柱的氮化镓側壁往氮化镓 顶端上横向蔓延,借此形成氮化镓半导体层。
10. 跟据权利要求2所述的制造氮化镓半导体层的方法,其中在 横向生长步骤之前是用与在氮化镓上相比将降低氮化镓在 其上的成核作用的掩模掩蔽氮化镓顶端的步骤;而横向生长步骤包括所述的至少一个柱的氮化镓侧壁往 掩模上橫向蔓延的步骤,借此形成氮化镓半导体层。
11. 跟据权利要求2所述的制造氮化镓半导体层的方法,其中横 向生长步骤之后是在氮化镓半导体层中形成至少一个微电 子器件的步骤。
12. 跟据4又利要求2所述的制造氮化镓半导体层的方法,其中蚀 刻步骤之前是在蓝宝石基体上形成打底的氮化镓层的步骤。
13. 跟据权利要求2所述的制造氮化镓半导体层的方法,其中打 底的氮化镓层包括预先确定的缺陷密度,其中横向生长步骤 包括橫向生长至少 一个柱的氮化镓侧壁到至少 一个沟槽中 从而形成比预先确定的缺陷密度低的缺陷密度氮化镓半导 体层。
14. 跟据权利要求2所述的制造氮化镓半导体层的方法,其中氮 化镓侧壁与蓝宝石底面是直交的。
15,跟据权利要求2所述的制造氮化镓半导体层的方法,其中氮 化镓侧壁与蓝宝石底面是斜交的。
16. 跟据权利要求2所述的制造氮化镓半导体层的方法,其中横 向生长步骤包括横向生长至少一个柱的氮化镓侧壁到至少 一个沟槽中,间隔着蓝宝石底面,从而形成悬挂的氮化镓半 导体层。
17. —种制造氮化镓半导体层的方法,该方法包4舌下述步骤:蚀刻在蓝宝石基体上打底的氮化镓层,以便在打底的氮 化镓层中定义至少一个柱和至少一条沟槽,所述的至少一个 柱每个包括氮化镓顶端和氮化镓侧壁;以及暴露氮化镓顶端时让所述的至少 一 个柱的氮化镓側壁往 所述的至少一条沟槽中横向生长,借此形成氮化镓半导体 层;其中蚀刻步骤选择性地暴露蓝宝石底面以^更定义至少一 个包括蓝宝石底面的沟槽。
18. 跟据权利要求17所述的制造氮化镓半导体层的方法,其中 蚀刻步骤包括:蚀刻在蓝宝石上打底的氮化镓层、蓝宝石基 体,以便在打底的氮化镓层和蓝宝石基体中定义至少一个柱 以及在打底的氮化镓层和蓝宝石基体中定义至少一条沟槽, 所述的至少 一个柱包括氮化镓顶端、氮化镓侧壁和蓝宝石侧 壁,而至少一条沟槽包括蓝宝石底面。
19. 跟据权利要求18所述的制造氮化镓半导体层的方法,其中 蚀刻步骤包括将蓝宝石基体蚀刻到足够的深度的步骤,以便 防止来自蓝宝石底面的氮化镓垂直生长干扰所述的至少一 个柱的氮化镓侧壁往所述的至少 一条沟槽中才黄向生长的步骤。
20. 跟据权利要求18所述的制造氮化镓半导体层的方法,其中 蓝宝石侧壁高度对蓝宝石底面宽度的比超过大约1/4。
21. -艮据权利要求17所述的制造氮化镓半导体层的方法,其中 在蚀刻步骤和横向生长步骤之间完成的是如下步骤:用与蓝 宝石相比将降低氮化镓在其上的成核作用的掩模掩蔽蓝宝 石底面。
22. 跟据权利要求21所述的制造氮化镓半导体层的方法,其中 掩模步骤包括在蓝宝石底面上定向沉积掩模物质。
23. 跟据权利要求17所述的制造氮化镓半导体层的方法,其中 包括在蓝宝石基体和打底的氮化镓之间有緩冲层。
24. ^艮据^又利要求23所述的制造氮化镓半导体层的方法,其中 蚀刻步骤包括:蚀刻打底的氮化镓层、緩沖层和蓝宝石基体,以便有选择 地暴露蓝宝石基体和在打底的氮化镓层、纟爰冲层和蓝宝石基 体中定义至少一个柱以及在打底的氮化镓层、緩沖层和蓝宝 石基体中定义至少一条沟槽,所述的至少一个柱包括氮化镓 顶端、氮化镓侧壁和蓝宝石侧壁,而至少一条沟槽包括蓝宝 石底面。
25. 跟据权利要求17所述的制造氮化镓半导体层的方法,其中 才黄向生长步骤包纟舌所述的至少 一 个柱的氮镓侧壁;f主氮化》 镓顶端上橫向蔓延,借此形成氮化镓半导体层。
26. 跟据权利要求17所述的制造氮化镓半导体层的方法,其中 横向生长步骤之后是在氮化镓半导体层中形成至少一个微 电子器件的步骤。
27. 跟据权利要求17所述的制造氮化镓半导体层的方法,其中 蚀刻步骤之前是在蓝宝石基体上形成打底的氮化镓层的步 骤。
28. 跟据权利要求17所述的制造氮化镓半导体层的方法,其中 打底的氮化镓层包括预先确定的缺陷密度,其中横向生长步 骤包括横向生长至少 一 个柱的氮化镓側壁到至少 一 个沟槽 中从而形成比预先确定的缺陷密度低的缺陷密度的氮化镓 半导体层。
29. 跟据权利要求28所述的制造氮化镓半导体层的方法,其中 横向生长步骤接着在扩增所述低缺陷密度时垂直生长氮化 镓半导体层。
30. S艮据权利要求17所述的制造氮化镓半导体层的方法,其中 氮化镓側壁与蓝宝石底面是直交的。
31. 跟据权利要求17所述的制造氮化镓半导体层的方法,其中 氮化镓侧壁与蓝宝石底面是斜交的。
32. 跟据权利要求17所述的制造氮化镓半导体层的方法,其中 橫向生长步骤包括横向生长至少 一个柱的氮化镓侧壁到至 少一个沟槽中,间隔着蓝宝石底面,从而形成悬桂的氮化镓 半导体层。
33. —种氮化镓半导体结构,其中包括:蓝宝石基体;在蓝宝石基体上打底的氮化镓层,该打底的氮化镓层包 括至少一个柱和至少一条沟槽包括在其中,所述的至少一个 柱每个包括氮化镓顶端和氮化镓侧壁,所述的至少一条沟槽 包括没有掩模的蓝宝石底面;以及从所述的至少 一 个柱的氮化镓側壁4黄向延伸到所述的至 少一条沟槽中的横向氮化镓层。
34. 跟据权利要求33所述的氮化镓半导体结构,进一步包括在 蓝宝石基体和打底的氮化镓层的氮化镓緩冲层。
35. 3艮据4又利要求33所述的氮化镓半导体结构,进一步包纟舌在 蓝宝石基体和打底的氮化镓层的氮化铝緩冲层。
36. 跟据权利要求33所述的氮化镓半导体结构,其中打底的氮 化镓层具有第一缺陷密度,横向氮化镓层具有比第一缺陷密 度低的第二缺陷密度。
37. 根据4又利要求36所述的氮化镓半导体结构,其中第一缺陷 密度在108 OTf2和101Q cm^之间,第二缺陷密度小于104cm-2。
38. —种氫化镓半导体结构,其中包括:蓝宝石基体;在蓝宝石基体上打底的氮化镓层,该打底的氮化镓层包 括至少一个柱和至少一条沟槽包括在其中,其中至少一个沟 槽延伸到蓝宝石基体中,这样所述的至少一个柱每个包括氮 化镓顶端,氮化镓侧壁和蓝宝石侧壁,所述的至少一条沟槽 包括没有掩才莫的蓝宝石底面;以及从所述的至少 一个柱的氮化镓侧壁4黄向延伸到所述的至 少 一条沟槽中的橫向氮化镓层。
39. 跟据权利要求38所述的氮化镓半导体结构,其中蓝宝石侧 壁高度对蓝宝石底面宽度的比超过大约1/4。
40. 跟据权利要求38所述的氮化镓半导体结构,其中进一步包 括在蓝宝石底面上的掩模。
41. 跟据权利要求38所述的氮化镓半导体结构,其中打底的氮 化镓层具有第一缺陷密度,横向氮化镓层具有比第一缺陷密 度低的第二缺陷密度。
42. 跟据权利要求38所述的氮化镓半导体结构,其中第一缺陷 密度在108(^1-2和10"cm^之间,第二缺陷密度小于104cm-2。
43. —种氮化镓半导体结构,其中包括:蓝宝石基体;在蓝宝石基体上打底的氮化镓层,打底的氮化镓层将至 少一个柱和至少一条沟槽包4舌在其中,所述的至少一个柱每 个都包4舌氮4t镓顶端和氮4匕镓側壁,所述的至少 一条沟槽包括蓝宝石底面;从所述的至少一个柱的氮化镓側壁4黄向延伸到所述的至 少 一条沟槽中的横向氮化镓层;在蓝宝石基体和打底的氮化镓层之间的氮化铝和/或氮 化镓緩冲层,其中所述的至少一个柱和至少一条沟槽延伸到 该緩沖层中。
44. 一种氮化镓半导体结构,其中包括: 蓝宝石基体;在蓝宝石基体上打底的氮化镓层,打底的氮化镓层将至 少一个柱和至少一条沟槽包4舌在其中,所述的至少一个柱每 个都包括氮化镓顶端和氮化镓侧壁,所述的至少 一条沟槽包 4舌蓝宝石底面;从所述的至少 一 个柱的氮化镓侧壁横向延伸到所述的至 少 一条沟槽中的横向氮化镓层;在横向氮化镓层中的至少 一个^f效电子器件。
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