CN101140969B - 化合物半导体器件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

化合物半导体器件及其制造方法。该方法包括在衬底上涂覆多个球形球并在其上涂覆有球形球的衬底上选择性生长化合物半导体薄膜。整个过程可以被简化，并且与外延横向过生长(ELO)法相比可以在短时间内生长高质量的化合物半导体薄膜。

Description

化合物半导体器件及其制造方法 

技术领域

公开了一种化合物半导体(compound semiconductor)器件，该化合物半导体器件具有生长在其上涂覆有球形球的衬底上的化合物半导体薄膜。还公开了制造该化合物半导体器件的方法。 

背景技术

已知氮化镓(GaN)是可用于蓝光发光器件或高温电子器件的材料。但是，制造GaN单晶衬底并不容易。由于GaN固体具有非常高的熔点(72000℃)和/或可在熔融前分解为Ga和N₂，因而GaN晶体不能够利用典型的Czochralski技术从溶液中生长晶体来制造。虽然可以通过将超高电压施加到GaN固体上来形成GaN溶液，但是这种方法在大规模生产方面存在问题。 

由于对发射蓝色波长光的发光器件的需求日益增加，氮化物(或GaN基)薄膜变得必不可少。此外，采用各种方法来改进发光器件的发光效率。近年来，横向外延过生长(ELO)法已被用于制造决定内部量子效率的高质量氮化物半导体薄膜。ELO法被用于制造高速器件，例如利用均相外延的蓝色激光二极管、紫外(UV)激光二极管、高温/高输出器件、高电子迁移率晶体管(HEMT)或异质结二极晶体管(HBT)。 

在ELO方法中，利用“条纹形”或条纹状SiO₂掩模来减少由衬底和GaN晶体之间的晶格常数和热膨胀系数不同而产生的应力。具体而言，ELO法包括在衬底上生长GaN薄膜。衬底和GaN薄膜随后从反应器中取出并装入沉积装置中。在GaN薄膜上形成SiO₂薄膜。在从沉积装置卸载之后，利用光刻法和蚀刻过程形成SiO₂掩模图案。随后，所得结构再次装入反应器中，并在该结构上形成GaN薄膜。但是，这种ELO法涉及如上所述的复杂过程，包括装载和卸载等许多步骤并且花费大量时间。 

ELO法实例公开在名称为“GaN Single Crystalline Substrate and Method of Manufacturing the Same”的日本专利公开出版No.2000-22212中。而且，名称为“Substrate for Growing GaN，Method of Manufacturing the Same，and Method ofManufacturing the GaN Substrate”的韩国专利公开出版No.10-2004-0101179介绍了一种利用ELO法和缺陷掩模法生长低电位GaN晶体的方法。另外，名称为“EnhancedProcess of Manufacturing Nanoporous Silica Thin film”的韩国专利公开出版No.10-2001-0020287提出一种在衬底上制造纳米多孔绝缘层的方法。 

发明内容

公开了一种化合物半导体器件，该化合物半导体器件具有在涂覆有球形球的衬底上生长的化合物半导体薄膜。 

还公开了一种制造化合物半导体器件的方法，其中球形球被涂覆在衬底上并且化合物半导体薄膜选择性生长在涂覆有球形球的衬底上，使得可以简化整个制造过程并且可以在短时间内生长化合物半导体薄膜。 

所公开的化合物半导体器件包含：衬底；排列在衬底上的多个球形球；和配置在球形球之间和球形球之上的化合物半导体薄膜，该薄膜发射紫外(UV)光、可见(V)光和红外(IR)光中的一种。 

在一个实施方案中，化合物半导体器件还可以包含配置在衬底和化合物半导体薄膜之间的缓冲层，以便通过减少衬底和化合物半导体薄膜之间的结晶体差异来使化合物半导体薄膜中的晶体缺陷密度最小化。在有关实施方案中，化合物半导体薄膜可包含第一化合物半导体薄膜和第二化合物半导体薄膜，其中第一化合物半导体薄膜可以配置在缓冲层之上，第二化合物半导体薄膜可以配置在球形球之间和球形球之上，其中球形球配置在第一化合物半导体薄膜之上。 

在一个实施方案中，化合物半导体薄膜包含：如上所述配置在衬底和化合物半导体薄膜之间的缓冲层；排列在化合物半导体薄膜上的多个球形球；和配置在球形球之间和球形球之上的化合物半导体薄膜，所述球形球排列在化合物半导体薄膜之上。 

在又一实施方案中，化合物半导体薄膜还包含堆叠在化合物半导体薄膜之上并且由不同于化合物半导体薄膜的材料形成的至少一层化合物半导体薄膜。 

所公开的制造化合物半导体器件的方法包括；形成多个球形球；将球形球涂覆在衬底上；在涂覆有球形球的衬底上生长缓冲层；在球形球之间选择性生长化合物半导体器件；横向生长用于化合物半导体薄膜的簇或岛，使得所述簇或岛在球形球上结合成化合物半导体薄膜；和连续生长化合物半导体薄膜至所需厚度。 

该方法还可包括：在化合物半导体薄膜生长到所需厚度之后，形成多个球形球；将球形球涂覆在化合物半导体薄膜上；在涂覆有球形球的化合物半导体薄膜上以及在涂覆在化合物半导体薄膜上球形球之间选择性生长化合物半导体薄膜；和横向生长化合物半导体薄膜，使其在涂覆于化合物半导体薄膜上的球形球上结合成为化合物半导体薄膜。 

另一公开的制造化合物半导体器件的方法包括：在衬底上生长缓冲层；在缓冲层上选择性生长第一化合物半导体薄膜；横向生长第一化合物半导体薄膜，使其结合成第一化合物半导体薄膜；形成多个球形球；将球形球涂覆在第一化合物半导体薄膜上；在第一化合物半导体薄膜上以及球形球之间选择性生长第二化合物半导体薄膜；横向生长第二化合物半导体薄膜使其在球形球上结合成第二化合物半导体薄膜；和连续生长第二化合物半导体薄膜至所需厚度。 

附图说明

参考附图，所公开的化合物半导体器件以及制造方法的上述和其它特征及优点将变得清晰明了，其中： 

图1图解说明氮化物半导体薄膜的晶格常数与能带间隙的关系； 

图2是根据所公开的实施方案的其上涂覆有SiO₂球形球的衬底的扫描电子显微(SEM)图； 

图3-9是说明根据所公开的实施方案的化合物半导体器件及其制造方法的截面图； 

图10A-10D是说明根据所公开的实施方案在涂覆有SiO₂球形球的衬底上生长氮化物半导体薄膜的操作； 

图11A和11B是示出GaN薄膜的X射线衍射(XRD)摇摆曲线图；和 

图12A和12B是示出GaN薄膜的低温(10K)光致发光(PL)的测量结果图。 

具体实施方式

在以下附图中，为了清楚起见，可以放大层和区的厚度并省略其它中间层。相同的附图标记在整个说明书中被用于表示相同的元件。 

在公开的实施方案中，利用选择性生长方法在其上涂覆有球形球的衬底上生长化合物半导体薄膜。图1是表示氮化物半导体薄膜的晶格常数相对于能带间隙的关系图，图2是示出根据一示例性实施方案的其上涂覆有SiO₂球形球的衬底的扫描电子显微(SEM)图。 

实施方案1

图3-7是说明根据第一示例性实施方案的化合物半导体器件及其制造方法的截面图。 

参考图3，制造多个球形球105并将其涂覆在衬底100上。球形球105可以由SiO₂、Al₂O₃、TiO₂、ZrO₂、Y₂O₃-ZrO₂、CuO、Cu₂O、Ta₂O₅、PZT(Pb(Zr，Ti)O₃)、Nb₂O₅、FeSO₄、Fe₃O₄、Fe₂O₃、Na₂SO₄、GeO₂、CdS或金属形成。例如，为了制造SiO₂球形球，通过将原硅酸四乙酯(TEOS)溶于无水乙醇中来制备第一溶液。将乙醇氨溶液与去离子水和乙醇混合，从而制备第二溶液。氨用作制造球形球105的催化剂。将第一溶液与第二溶液混合，并将第一和第二溶液的混合物在预定温度下搅拌预定时间。利用离心分离法将球形球105与搅拌的混合物分离，用乙醇洗涤，然后再分散在乙醇溶液中。根据加工条件例如生长时间、温度和反应物的量，可以制造从几nm到几十μm(例如约10nm-2μm)宽范围的球形球105。利用浸渍涂布法或旋涂法将球形球105涂覆在衬底上。图2表示其上涂覆有SiO₂球形球的硅衬底。 

衬底100可以是由Al₂O₃、GaAs、尖晶石、InP、SiC或Si形成的衬底。例如，Al₂O₃衬底在高温环境中非常稳定，但是它的小尺寸不适合用于制造大器件。SiC衬底在高温环境中也非常稳定并具有与GaN衬底相同的晶体结构、晶格常数以及热膨胀系数，但是它的价格昂贵。Si衬底和GaN衬底之间存在17％的晶格常数差异和35％ 的热膨胀系数差异。如上所述，各种衬底可用作衬底100，由于Si衬底能够制造大面积(约12英寸或更大)器件，因此生产的成本可以大大降低并且器件的应用可以急剧扩大。 

参考图4，将其上涂覆有球形球105的衬底100载入金属有机化学气相沉积(MOCVD)装置中，并在衬底100上生长缓冲层110。为了利用MOCVD法形成缓冲层110，以预定流量通过独立管线将反应性前体注入反应器中(即MOCVD装置)，由此在反应性前体之间引起化学反应。在该过程中，形成所需厚度的缓冲层110。 

形成缓冲层110用来减少衬底100和后续将形成的化合物半导体薄膜之间的结晶差异，并使化合物半导体薄膜的晶体缺陷密度最小化。亦即，缓冲层110用于减少衬底100和化合物半导体薄膜之间的失配和界面缺陷。因此，缓冲层110可以由具有与化合物半导体薄膜大致相同的晶体特性并且化学稳定的材料制成。即缓冲层110可以由具有与图5中所示的化合物半导体薄膜115相同(或大致相同)的晶体结构、晶格常数或热膨胀系数的材料制成。优选的是，缓冲层110由具有与化合物半导体薄膜115(见图5)相同的晶体结构并且与化合物半导体薄膜的晶格常数差异小于20％的的材料制成。 

缓冲层110可以由GaN、AlN、AlGaN或其组合物形成。在这种情况下，反应性前体可以是TMAl、TMGa、TEGa或GaCl₃，氮化物源气体可以是NH₃、N₂或叔丁胺(N(C₄H₉)H₂)。例如，GaN缓冲层在约400-800℃温度下生长至厚度约10-40nm，AlN或AlGaN缓冲层在约400-1200℃温度下生长至厚度约10-200nm。可根据衬底类型、生长装置(例如MOCVD装置)或生长条件任选使用缓冲层110。 

参考图5，在形成缓冲层110之后，在其上涂覆有球形球105的衬底100上生长化合物半导体薄膜115。化合物半导体薄膜115生长在缓冲层110上的球形球105之间。 

化合物半导体薄膜115可以是III-V族化合物半导体薄膜或II-VI族化合物半导体薄膜，该薄膜发射紫外(UV)光、可见(V)光或红外(IR)光。化合物半导体薄膜115可以由氮化物半导体材料形成，例如GaN、AlN、InN或它们的任意组合物(例如，Ga_1-xAl_1-yIn_1-zN，0≤x，y，z≤1)。GaN是具有3.4eV带隙能的直接跃迁宽带隙 半导体，其适合于蓝光发光器件或高温电子器件的应用。当化合物半导体薄膜115沉积时，In或Al单独、同时或相继注入，同时生长由InN、AlN、InGaN、AlGaN或InGaAlN形成的薄膜，使得化合物半导体器件的带隙可以控制为0.7-6.2eV。如图1所示，已知GaN薄膜具有3.4eV的带隙，AlN薄膜具有6.2eV的带隙，InN薄膜具有0.7eV的带隙。 

图1表示几种氮化物半导体薄膜的晶格常数相对于能带隙的关系。从图1可见，具有6.2eV带隙的AlN发射UV光，Al_xGa_1-x(0＜x＜1)具有比AlN更小的带隙，但发射UV光。GaN具有小于Al_xGa_1-xN(0＜x＜1)的3.4eV带隙，In_xGa_1-xN(0＜x＜1)具有比GaN更小的带隙并发射V光，而InN具有比In_xGa_1-xN(0＜x＜1)更小的0.7eV的带隙，并发射IR光。 

可以利用例如MOCVD法、分子束外延(MBE)法或氢化物气相外延(HVPE)法来实施化合物半导体薄膜115在其上涂覆有球形球105的衬底100上的沉积。 

利用MOCVD法形成化合物半导体薄膜115的一种方法如下。首先，将其上涂覆有球形球105的衬底100载入反应器中，利用载气将反应性前体注入反应器中。之后，在预定温度和压力下引起反应性前体之间的化学反应，由此生长化合物半导体薄膜115。当化合物半导体薄膜115是基于氮化物的薄膜时，反应性前体可以是TMAl、TMGa、TEGa或GaCl₃，氮化物源气体可以是NH₃、N₂或叔丁胺(N(C₄H₉)H₂)。 

反应器可以保持在900-1150℃温度和10-5到2000mmHg压力下。化合物半导体薄膜115可以在其上生长有球形球105的衬底100上以簇或岛的形式生长。当化合物半导体薄膜115本身具有的内聚力比衬底100和化合物半导体薄膜115之间结合更强时，小簇形成并且被吸附在衬底100上形成岛。最后，簇或岛结合成连续的化合物半导体薄膜115。在这种情况下，化合物半导体薄膜115的厚度可以根据所需的质量水平或规格来适当控制。 

利用MOCVD法形成GaN薄膜的过程可以由下列反应(1)来表示： 

Ga(CH₃)₃+NH₃→Ga(CH₃)₃·NH₃  (1) 

将TMGa和NH₃注入反应器，由此产生Ga(CH₃)₃·NH₃。 

Ga(CH₃)₃·NH₃在衬底100上被热解，这样可以通过如下列反应(2)所示的反 应来获得GaN薄膜： 

Ga(CH₃)₃·NH₃→GaN+nCH₄+1/2(3-n)H₂  (2) 

参考图6，生长在球形球105之间的簇或岛横向连续生长，并由此结合成连续化合物半导体薄膜115。即，吸附在衬底100上的簇或岛连续生长并相互结合，使得化合物半导体薄膜115可具有连续的形状。 

参考图7，可以在选择性生长在球形球105上的连续化合物半导体薄膜115上进一步实施生长过程，直到形成所需厚度的化合物半导体薄膜125。化合物半导体薄膜125可以由与化合物半导体薄膜115相同或不同的材料形成。例如当化合物半导体薄膜115是GaN薄膜时，化合物半导体薄膜125可以是AlGaN薄膜。当然，化合物半导体薄膜125可以包括由与化合物半导体薄膜115相同或不同材料形成的至少一层。 

实施方案2

图8是说明根据第二示例性实施方案的化合物半导体薄膜及其制造方法的截面图。 

参考图8，实施参考图3-6所描述的方法以形成化合物半导体薄膜。即，制造球形球205并将其涂覆到衬底200上，生长缓冲层210，在缓冲层210上的球形球205之间生长化合物半导体薄膜215。 

将具有化合物半导体薄膜215的衬底200从反应器中取出。之后，将尺寸为几nm到几十μm的球形球220涂覆在第一化合物半导体薄膜215上。接着，将具有球形球220的衬底200再次载入反应器中，并在具有球形球220的第一化合物半导体薄膜215上生长第二化合物半导体薄膜225。 

实施方案3

图9是说明根据第三示例性实施方案的化合物半导体器件及其制造方法的截面图。 

参考图9，实施参考图4-6所描述的方法，由此在衬底上形成缓冲层和化合物半导体薄膜。即，在衬底300上生长缓冲层310，然后在缓冲层310上生长化合物半导 体薄膜315。 

将形成有化合物半导体薄膜315的衬底300从反应器中卸载。之后，以与图3所描述的相同方式将尺寸为几nm到几十μm的球形球320涂覆在化合物半导体薄膜315上，并在其上涂覆有球形球320的化合物半导体薄膜315上生长化合物半导体薄膜325。 

与上述实施方案中相同，与传统ELO法相比，利用选择性生长方法在其上生长有球形球的衬底上生长化合物半导体薄膜的方法可以简化整个过程，使得能够生长高质量的化合物半导体薄膜，并且还大大缩短生长化合物半导体薄膜所花费的时间。 

而且，在以上实施方案中，可以在沉积薄膜的同时，根据目的将不同种类的材料(即，选自Si、Ge、Mg、Zn、O、Se、Mn、Ti、Ni和Fe中的至少一种)注入反应器中，以便可以获得加入不同种类材料的化合物半导体薄膜。这些不同种类的材料可以任选地加入以改变化合物半导体薄膜的电、光或磁特性。可以利用原位掺杂法、异位掺杂法或离子植入法加入不同种类的材料。原位掺杂法是在薄膜生长期间加入不同种类的材料，而异位掺杂法是在化合物半导体薄膜生长之后利用热或等离子体方法将不同种类的材料注入化合物半导体薄膜中。而且，在离子植入法中，不同种类的材料被加速并与化合物半导体薄膜碰撞，使得该不同种类的材料植入薄膜中。 

在另一方法中，在其上涂覆有球形球的衬底上形成化合物半导体薄膜之后，可以利用HVPE技术在用作衬底的化合物半导体薄膜上沉积厚的化合物半导体薄膜。HVPE技术是一种气相沉积法，在该技术中，将气体供应至衬底，以便通过气体之间的反应来生长晶体。当利用HVPE技术形成厚化合物半导体薄膜时，切除用作衬底的化合物半导体薄膜或者通过抛光或研磨方法除去除厚化合物半导体薄膜之外的区域。然后，可以仅选择和使用生长在衬底上的均匀且质量良好的化合物半导体薄膜。 

利用HVPE技术在化合物半导体薄膜上形成前述厚化合物半导体薄膜(例如GaN厚层)的方法如下。首先，将含Ga的容器装入反应器中，并利用安装在所述容器周围的加热器加热，从而形成Ga溶液。Ga溶液和HCl之间发生反应，由此产 生GaCl气体。该反应可以表示为下列反应(3)： 

Ga(l)+HCl(g)→GaCl(g)+1/2H₂(g)  (3) 

GaCl气体与NH₃反应，由此产生GaN层。该反应可以表示为下列反应(4)： 

GaCl(g)+NH₃→GaN+HCl(g)+H₂      (4) 

未反应的气体通过下列反应(5)所表示的反应来耗尽： 

HCl(g)+NH₃→NH₄Cl(g)            (5) 

HVPE技术能够以约100μm/hr的速度生长厚层并且具有高产率。 

实验实施例1

为了制造球形球，将0.17mol(7.747ml)原硅酸四乙酯(TEOS)溶于无水乙醇(12.253ml)中，由此制备第一溶液。将2.0mol(100ml)乙醇氨溶液与7.5mol(27ml)去离子水和乙醇(53ml)混合，从而制备第二溶液。将第一溶液与第二溶液混合以形成总体积为200ml的混合物。在约30℃温度下搅拌混合物5小时。然后通过离心分离法在12000rpm下将球形球与搅拌的混合物分离，用乙醇洗涤，然后再分散在乙醇溶液中，由此制备球形球。在这种情况下，如图2的SEM照片所示，球形球具有约0.5μm(即500nm)的平均直径。根据加工条件例如生长时间、温度和反应物的量，可以制造从10nm-2μm宽范围的球形球。 

利用诸如浸渍涂布器或旋涂器的装置将尺寸为0.5μm的SiO₂球形球涂覆在Si衬底(例如沿(111)平面切割的Si衬底)上。作为具体实施例，利用注射器将包含在乙醇溶液中的SiO₂球滴在Si衬底上，并利用旋涂器以1000-3500rpm的速度将其涂覆在Si衬底上，持续5-120秒。SiO₂球的密度可以通过多次重复涂覆过程来控制。 

在SiO₂球形球涂覆在Si衬底上之后，将所产生的结构载入MOCVD装置中，在1150℃温度下生长AlN缓冲层10分钟，以获得100nm的厚度。更具体而言，通过独立管线分别以30和1500sccm的流量将TMAl气体和NH₃气体注入反应器中。在这种情况下，H₂气体被用作载气。在反应器维持在100torr的压力和1150℃温度下的同时，反应性前体(TMAl和NH₃气体)之间的化学反应进行10分钟，由此在Si衬底上的500-nm SiO₂球之间生长厚度约70-100nm的AlN缓冲层，如图4所示。 

在AlN缓冲层形成之后，使衬底冷却到1060℃温度，并在SiO₂球形球之间和SiO₂球形球之上生长GaN薄膜(参考图10A-10D)。更具体而言，为了形成GaN薄膜，通过独立管线分别以4.2和1500sccm的流量将TMGa气体和NH₃气体注入反应器中。在反应器维持在100torr的压力和1060℃温度下的同时，引起反应性前体(TMGa和NH₃气体)之间的化学反应，由此生长GaN薄膜，如图5所示。如上文参考图6和7所描述，可进一步实施选择性生长工艺，使得SiO₂球形球之间的GaN晶体横向生长40分钟或更长。结果，可获得均匀GaN薄膜。在这种情况下，GaN薄膜生长速度为约1μm/小时。 

图10A-10D是说明根据本发明示例性实施方案在其上涂覆有SiO₂球形球的衬底上生长氮化物半导体薄膜的操作的SEM照片。具体地，图10A是表示GaN薄膜生长约30分钟时的SEM照片，图10B是表示GaN薄膜生长约50分钟时的SEM照片，图10C是表示GaN薄膜生长约60分钟时的SEM照片，图10D是表示GaN薄膜生长超过60分钟直到GaN薄膜完全覆盖SiO₂球时的SEM照片。 

实验实施例2

在本发明示例性实施例中，SiO₂球形球如在第一实验实施例中一样被涂覆在Si衬底上，然后形成由AlN/AlGaN构成的缓冲层。在AlN缓冲层的情况下，利用H₂载气，通过独立管线分别以30和1500sccm的流量将TMAl气体和NH₃气体注入反应器中。在这种情况下，在反应器维持在100torr的压力和1150℃温度下的同时，反应性前体(TMAl和NH₃气体)之间的化学反应进行10分钟，由此生长AlN层。在AlGaN缓冲层的情况下，利用H₂载气，通过独立管线分别以10、4.2和1500sccm的流速将TMAl气体、TMGa气体和NH₃气体注入反应器中。在这种情况下，当反应器维持在100torr的压力和1100℃温度下时，反应性前体(TMAl、TMGa和NH₃气体)之间的化学反应进行10分钟，由此生长AlGaN缓冲层。 

在AlN/AlGaN缓冲层形成之后，GaN薄膜如在第一实验实施例中一样生长60分钟。之后，利用H₂载气，通过独立管线分别以10、4.2和1500sccm的流量将TMAl气体、TMGa气体和NH₃气体注入反应器中。然后在反应器维持在100torr的压力 和1100℃温度下的同时，使反应性前体(TMAl、TMGa和NH₃气体)之间的化学反应进行10分钟，由此在GaN薄膜上生长AlGaN薄膜。 

图11A和11B是表示GaN薄膜的X射线衍射(XRD)摇摆曲线图。基于通过测量摇摆曲线的值而获得的衍射峰，XRD被用于分析薄膜晶体结构。具体而言，图11A是GaN薄膜在没有涂覆SiO₂球的Si衬底上生长时的XRD摇摆曲线，图11B是GaN薄膜根据上述第一实验实施例在其上涂覆有500-nm SiO₂球的Si衬底上生长90分钟时XRD摇摆曲线。 

参考图11A和11B，生长在没有涂覆SiO₂球的Si衬底上的GaN薄膜的XRD摇摆曲线半宽度(FWHM)为0.33°，而选择性生长在其上涂覆有SiO₂球的Si衬底上的GaN薄膜的XRD摇摆曲线FWHM为0.18°。从以上结果可看出，选择性生长在其上涂覆有SiO₂球的Si衬底上的GaN薄膜质量优于生长在没有涂覆SiO₂球的Si衬底上的GaN薄膜。 

图12A和12B是表示GaN薄膜的低温(10K)光致发光(PL)的测量结果图。利用325-nm波长的He-Cd激光作为光源来测量GaN层的PL，材料的光学特性可通过电子和空穴在带隙内复合而得到认识。在图12A中，曲线(a)表现出当GaN薄膜根据上述第一实验实施例在其上涂覆有500-nm SiO₂球的Si衬底上生长60分钟时的PL峰，曲线(b)表现出当GaN薄膜在没有涂覆SiO₂球的Si衬底上生长60分钟时的PL峰。在图12B中，曲线(a)表现出当GaN薄膜根据第二实验实施例在其上涂覆有500-nm SiO₂球的Si衬底上生长时的PL峰，曲线(b)表现出GaN薄膜在没有涂覆SiO₂球的硅衬底上生长60分钟时的PL峰。 

参考图12A，该图表示在约10K的低温下获得的PL测量值，选择性生长在其上涂覆有SiO₂球的Si衬底上的GaN薄膜PL强度是通过传统方法生长在没有涂覆SiO₂球的Si衬底上的GaN薄膜的两倍多。 

因此，可以证实，根据所公开的示例性实施方案选择性生长在其上涂覆有SiO₂球的Si衬底上的化合物半导体薄膜质量优异，如图12A和12B所示。 

因此，GaN薄膜选择性生长在其上涂覆有SiO₂球的Si衬底上。更具体而言，将球形球涂覆在衬底上，将该衬底载入MOCVD装置中，在该衬底上生长缓冲层， 然后在球形球之间选择性生长化合物半导体薄膜。在该方法中，与传统ELO法相比，可以在更短时间内生长高质量GaN薄膜。 

尽管只是展示并描述了特定实施方案，但是本领域一般技术人员将理解可以在不偏离本公开内容或所附权利要求的精神和范围的情况下在形式和细节上进行各种变化。 

Claims (26)

1.一种化合物半导体器件，包含：

衬底；

排列在衬底上的第一多个球形球；

第一化合物半导体薄膜，其配置在球形球之间及其上，该化合物半导体薄膜发射紫外(UV)光、可见(V)光和红外(IR)光中的一种；和

配置在衬底和第一化合物半导体薄膜之间的缓冲层，以通过减少衬底和第一化合物半导体薄膜之间的晶体差异来使第一化合物半导体薄膜中的晶体缺陷密度最小化。

2.根据权利要求1的器件，还包含堆叠在第一化合物半导体薄膜上的第二化合物半导体薄膜，并且第二化合物半导体薄膜由不同于第一化合物半导体薄膜的材料形成。

3.根据权利要求1的器件，其中缓冲层由选自GaN、AlN、AlGaN及其组合的材料形成。

4.根据权利要求3的器件，其中缓冲层和第一化合物半导体薄膜具有相同的晶体结构，并且晶格常数的差异小于20％。

5.根据权利要求1的器件，其中球形球由选自SiO₂、Al₂O₃、TiO₂、ZrO₂、Y₂O₃-ZrO₂、CuO、Cu₂O、Ta₂O₅、PZT(Pb(Zr，Ti)O₃)、Nb₂O₅、FeSO₄、Fe₃O₄、Fe₂O₃、Na₂SO₄、GeO₂、CdS和金属的材料形成。

6.根据权利要求1的器件，其中每一个球形球具有10nm-2μm的直径。

7.根据权利要求1的器件，其中化合物半导体薄膜由选自GaN、AlN、InN及其组合的材料形成。

8.根据权利要求1的器件，其中化合物半导体薄膜还包含选自Si、Ge、Mg、Zn、O、Se、Mn、Ti、Ni和Fe中的至少一种材料。

9.根据权利要求1的器件，其中衬底包含选自Al₂O₃、GaAs、尖晶石、InP、SiC和Si的材料。

10.一种化合物半导体器件，包含： 

衬底；

排列在衬底上的第一多个球形球；

第一化合物半导体薄膜，其配置在球形球之间及其上，该化合物半导体薄膜发射紫外(UV)光、可见(V)光和红外(IR)光中的一种；

配置在衬底和第一化合物半导体薄膜之间的缓冲层，以通过减少衬底和第一化合物半导体薄膜之间的晶体差异来使第一化合物半导体薄膜中的晶体缺陷密度最小化；

第二多个球形球，排列在第一化合物半导体薄膜上；和

第二化合物半导体薄膜，其配置在位于第一化合物半导体薄膜上的第二多个球形球之间及其上，第二化合物半导体薄膜发射紫外(UV)光、可见(V)光和红外(IR)光中的一种。

11.一种化合物半导体器件，包含：

衬底；

排列在衬底上的第一多个球形球；

第一化合物半导体薄膜，其配置在球形球之间及其上，该化合物半导体薄膜发射紫外(UV)光、可见(V)光和红外(IR)光中的一种；

配置在衬底和第一化合物半导体薄膜之间的缓冲层，以通过减少衬底和第一化合物半导体薄膜之间的晶体差异来使第一化合物半导体薄膜中的晶体缺陷密度最小化；

第一多个球形球，配置在第一化合物半导体薄膜上；和

第二化合物半导体薄膜，该第二化合物半导体薄膜配置在位于第一化合物半导体薄膜上的第一多个球形球之间及其上。

12.一种制造化合物半导体器件的方法，包括：

形成多个球形球；

将球形球涂覆到衬底上；

在其上涂覆有球形球的衬底上生长缓冲层； 

在球形球之间选择性生长化合物半导体薄膜；

横向生长化合物半导体薄膜，以使其生长在球形球上；和

连续生长化合物半导体薄膜至所需厚度。

13.根据权利要求12的方法，还包括：

在连续生长化合物半导体薄膜到所需厚度之后，形成多个球形球；

将球形球涂覆在化合物半导体薄膜上；

在其上涂覆有球形球的化合物半导体薄膜上和在球形球之间选择性生长另一化合物半导体薄膜；和

横向并且在球形球上生长另一化合物半导体薄膜。

14.根据权利要求12的方法，其中每一个球形球具有10nm-2μm的直径。

15.根据权利要求12的方法，其中球形球由选自SiO₂、Al₂O₃、TiO₂、ZrO₂、Y₂O₃-ZrO₂、CuO、Cu₂O、Ta₂O₅、PZT(Pb(Zr，Ti)O₃)、Nb₂O₅、FeSO₄、Fe₃O₄、Fe₂O₃、Na₂SO₄、GeO₂、CdS和金属的材料形成。

16.根据权利要求12的方法，其中形成球形球包括：

通过将原硅酸四乙酯(TEOS)溶于无水乙醇中制备第一溶液；

通过将乙醇氨溶液与去离子水和乙醇混合制备第二溶液；

将第一溶液与第二溶液混合，并且第一和第二溶液的混合物在预定温度下搅拌预定时间；

利用离心分离法将球形球与搅拌的混合物分离；和

通过将已分离的球形球分散在乙醇溶液中而形成球形球。

17.根据权利要求12的方法，其中缓冲层由选自GaN、AlN、AlGaN及其组合的材料形成并具有10-200nm的厚度，从而通过减少衬底和化合物半导体薄膜之间的晶体差异来使化合物半导体薄膜中的晶体缺陷密度最小化。

18.根据权利要求12的方法，其中缓冲层的生长包括：

将反应器维持在恒压和恒温下； 

通过独立管线以预定流量将反应性前体注入反应器中；

通过在反应器中使反应性前体之间发生化学反应来生长缓冲层至所需厚度。

19.根据权利要求18的方法，其中在生长缓冲层的同时，反应器的温度维持在400-1200℃温度下。

20.根据权利要求18的方法，其中反应性前体包括选自TMAl、TMGa、TEGa和GaCl₃的第一反应性前体以及选自NH₃、N₂或叔丁胺(N(C₄H₉)H₂)的第二反应性前体，并且缓冲层由选自GaN、AlN、AlGaN及其组合的材料形成。

21.根据权利要求12的方法，其中在球形球之间选择性生长化合物半导体薄膜包括：

将反应器维持在恒压和恒温下；

通过独立管线以预定流量将反应性前体注入反应器中；

通过在反应器中使反应性前体之间进行化学反应来生长化合物半导体薄膜。

22.根据权利要求21的方法，其中在生长化合物半导体薄膜的同时，反应器的温度维持在900-1150℃温度下。

23.根据权利要求21的方法，其中反应性前体包括选自TMAl、TMGa、TEGa和GaCl₃的第一反应性前体以及选自NH₃、N₂或叔丁胺(N(C₄H₉)H₂)的第二反应性前体，并且化合物半导体薄膜由选自GaN、AlN、AlGaN及其组合的材料形成。

24.根据权利要求12的方法，其中化合物半导体薄膜还含有选自Si、Ge、Mg、Zn、O、Se、Mn、Ti、Ni和Fe中的至少一种材料。

25.根据权利要求12的方法，其中衬底由选自Al₂O₃、GaAs、尖晶石、InP、SiC和Si的材料形成。

26.一种制造化合物半导体器件的方法，包括：

在衬底上生长缓冲层；

在缓冲层上选择性生长第一化合物半导体薄膜；

横向生长用于第一化合物半导体薄膜的簇或岛，使其结合成第一化合物半导体薄膜； 

形成多个球形球；

将球形球涂覆在第一化合物半导体薄膜上；

在第一化合物半导体薄膜上和球形球之间选择性生长第二化合物半导体薄膜；

横向并在球形球上生长第二化合物半导体薄膜；和

连续生长第二化合物半导体薄膜至所需厚度。 

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