CN102083743A - Ⅲ族氮化物模板和与之相关的异质结构、器件及它们的制造方法 - Google Patents

Abstract

一种模板化衬底，包括基层和设置在该基层上的模板层，该模板层的成分包括单晶III族氮化物。模板层包括在基层上的连续子层和在第一子层上的纳米柱子层，其中纳米柱子层包括多个纳米尺度的柱。

Description

Ⅲ族氮化物模板和与之相关的异质结构、器件及它们的制造方法

相关申请的交叉引用

本申请要求在2008年5月6日提交的、名称为“Group III Nitride Sputtered Template for Fabricating Group III Nitride Heterostructures and Devices，and Group III Nitride Structures Including the Template”的美国临时专利申请No.61/126,680的权益，在此通过引用将该专利申请的全部内容包括在本发明当中。

技术领域

本发明总地涉及用于制造各种异质结构和微电子器件的包括III族氮化物的模板，以及基于这种模板的异质结构和微电子器件。特别地，本发明涉及一种与异质结构和微电子器件相关的、包括纳米柱模板层的模板化衬底。

背景技术

最优衬底的选择是在外延生长高质量半导体材料时考虑的关键因素。长久以来，对用于III族氮化物器件的同质外延生长的天然氮化物衬底的要求并没有得到满足。作为替代，异质衬底已被用在大部分氮化物应用中，尽管异质外延的不利后果是公知的(例如在晶格常数和热膨胀系数上的失配)。蓝宝石是在异质外延生长III族氮化物层时最常用的基底。除了蓝宝石衬底外，已集中研究了一些诸如SiC，GaAs，Si的其他衬底以及诸如LiAlO₂，MgAl₂O₄和MgO的一些氧化物衬底。

由于现有衬底的晶格失配度和热膨胀系数失配度都非常大，许多研究小组已对最优化生长做了研究以确定是否可以改善氮化物层和器件结构的性能，尤其是关于结构缺陷和残余应变方面。已提出并证实数个生长方法可以引起晶体质量和器件性能上的显著改善。这些生长方法大体可以分为三大类：(i)多步缓冲，(ii)界面结构复杂的模板(图案复杂的结构)和(iii)不同化合物材料的模板层。

多步缓冲或低温(LT)缓冲基本上包括一个低温(LT)形核层和在较高温度下沉积的单晶层，其中低温(LT)形核层在加热到较高温度(HT)过程中再结晶。也就是，低温下在底下的异质衬底上生长形核层，然后在较高生长温度下沉积单晶层。随后在这两步缓冲层结构上沉积器件结构。有许多不同类型的LT缓冲。它们在材料的类型(GaN，AlN，AlGaN)上、三元合金的组分上、厚度上以及在所采用的具体生长条件上不同。此外，成对的缓冲层(LT形核-HT单晶)的数量可以从一个到多个。在第二对、第三对等之内的LT层通常称为LT中间层。这些方法已被证实可以改善氮化物层的总体质量。已实现无裂缝和凹陷、无柱状结构的具有反射面的层，位错密度和本底载流子浓度明显减少，载流子迁移率显著增加，发光性能明显提高。低温缓冲对主要层的性能影响可以简单解释为该缓冲在后续高温氮化物层内引起缺陷富集区。在这个约50nm的缺陷区域内，结构缺陷被横向生长迅速复合，并且在顶部形成高质量的外延层。已对不同类型的LT缓冲进行了优化用以在商业化大批量生产中针对不同器件的应用。

已经提出了界面结构复杂的模板，其主要目的是进一步降低位错密度并改善器件性能。制造这些模板需要多个技术工艺步骤，包括形成具有不同形状(带状、六边形、椭圆形开口)、不同周期和不同厚度的图案。这些图案由自身通过采用LT缓冲技术生长的单晶薄层形成。随后，该单晶层通过沉积在单晶层顶部的不同材料(SiO₂、W、SiN)的掩模被选择性刻蚀。有许多方法对于本领域技术人员来说为公知，包括外延横向过生长(ELOG)、选区过生长(SAOG)、悬挂外延等。这些生长技术已被证实在降低位错密度上非常有效，尤其在一些以横向生长模式为主导的区域内。然而同时，在聚结发生的其他区域内形成了更多缺陷(例如不同类型的位错和空位)。而且已经发现，由于增加的杂质掺入，低缺陷密度区域的导电性很高。然而，低缺陷密度区域可以制造出性能显著改善的器件，并且目前被广泛使用在某些类型的氮化物器件的半导体制造中。但这些技术十分复杂、耗时长并且成本高。

当LT缓冲方法由于无法在低温下实现合理生长而不令人满意时，提出了可替代材料的单模板层，其主要目的仍然是改善晶体质量和器件性能。例如，在GaN的氢化物气相外延(HVPE)中，LT缓冲方法没有成功，因此这需要后续通过不同技术来分离地沉积多个模板层。已经研究了一些模板层，例如ZnO、CrN、TiN、SiN、GaN、AlN。这些类型的模板层在研究时假设它们可以不同方式起作用以实现特定目的。基于它们的主要功能，这些类型的模板层可以被分成三组。第一组包括诸如ZnO和CrN的层，其在异质衬底上提供较好过渡，从而形成具有较好结晶质量的GaN层，并且还可以被化学溶解，使衬底分层，并形成自支撑的氮化物层。第二组包括诸如TiN和SiN的层，其在加热和通过形成岛状物和空位缺陷生长的下一层的初始阶段过程中再结晶。因此，它们形成了弱化界面区，在该区处更容易发生应变积累和裂缝，从而导致衬底的自分离。第三组包括单晶层模板，例如厚度为2-5μm的MOCVD GaN层或反应溅射的厚度为1-2μm的AlN层，其确保重要的主层结晶质量较好，并且该模板留在最终结构中。

尽管以上总结的异质外延方法已被证实可以改善结晶质量和器件性能，但它们需要复杂的工艺步骤组合，并且成本高。因此，需要提供一种在不同异质衬底和氮化物层之间形成优良匹配的廉价的模板，用以形成优良的晶体结构并改善器件的性能。

发明内容

为了全部或部分解决以上问题和/或本领域普通技术人员已注意到的其他问题，本发明提供一种方法、工艺、系统、装置和设备和/或器件，如下面通过具体实现的示例所描述。

根据一个实现方式，模板化衬底包括基层和设置在该基层上的模板层，该模板层的成分包括单晶的III族氮化物，模板层包括在基层上的连续子层和在第一子层上的纳米柱子层，其中纳米柱子层包括多个纳米尺度的柱。

根据另一个实现方式，异质结构包括基层、设置在该基层上的模板层，以及包括有III族氮化物的生长层，其中所述模板层的成分包括单晶的III族氮化物。模板层包括在基层上的连续子层和在第一子层上的纳米柱子层，其中纳米柱子层包括多个纳米尺度的柱。包括有III族氮化物的异质结构被设置在纳米柱子层上。

根据另一个实现方式，微电子器件包括基层、设置在该基层上的模板层，以及包括III族氮化物的器件结构，其中所述模板层的成分包括单晶的III族氮化物。模板层包括在基层上的连续子层和在第一子层上的纳米柱子层，其中纳米柱子层包括多个纳米尺度的柱。包括有III族氮化物的器件结构被设置在纳米柱子层上。

根据另一个实现方式，提供一种用于制造模板化衬底的方法。通过真空沉积，在基层上形成连续子层，以及在连续子层上形成纳米柱子层，以在基层上生长包括单晶III族氮化物的模板层，其中纳米柱子层包括多个纳米尺度的柱。

根据另一个实现方式，提供一种用于制造异质结构的方法。通过真空沉积，在基层上形成连续子层，以及在连续子层上形成纳米柱子层，以在基层上生长包括单晶III族氮化物的模板层，其中纳米柱子层包括多个纳米尺度的柱。包括有III族氮化物的异质结构生长在纳米柱子层上。

根据另一个实现方式，提供一种用于制造微电子器件的方法。通过真空沉积，在基层上形成连续子层，以及在连续子层上形成纳米柱子层，以在基层上生长包括单晶III族氮化物的模板层，其中纳米柱子层包括多个纳米尺度的柱。包括有III族氮化物的器件结构生长在纳米柱子层上。

对于本领域普通技术人员来说，参照下面的附图和详细描述，本发明的其他器件、装置、系统、方法、特征和优点将更明显。将所有这样的附加系统、方法、特征和优点包括在本文及本发明范围内，并通过附后的权利要求加以保护。

附图说明

通过参考以下附图，可以更好地理解本发明。附图中的部件不一定是按比例的，其重点在于示意本发明的原理。附图中相同的参考标记指示不同视图中的相应零件。

图1为根据一个实施方式的模板化(或包括模板)的衬底的横截面图；

图2A为示意出其柱状表面结构的代表性纳米柱模板层的原子力显微镜(AFM)图像(二维平面图)；

图2B为示意出其柱状表面结构的代表性纳米柱模板层的原子力显微镜(AFM)图像(三维)；

图2C为通过代表性纳米柱模板层表面的粗糙度线扫描的表面轮廓，其示意了柱状表面结构；

图3A为示意出其晶体结构的代表性纳米柱模板层的x射线衍射(XRD)的

扫描；

图3B为示意出其晶体结构的代表性纳米柱模板层的XRD 2θ/ω扫描；

图4A为示意出模板层的不同子层的代表性纳米柱模板层的XRDω扫描；

图4B为示意出模板层不同子层的代表性纳米柱模板层的倒易空间图(RSM)；

图5A、5B和5C为在不同温度下沉积的代表性纳米柱模板层的AFM图；

图6A、6B和6C是代表性纳米柱模板层沉积为不同厚度时的AFM图；

图7为不同厚度的代表性纳米柱模板层的对称002反射的XRD 2θ/ω扫描的集合；

图8为一组在具有不同表面斜切的蓝宝石衬底上生长的代表性模板层的XRD RSM；

图9A和9B分别为在SiC和Si基层上生长的代表性模板层的AFM图；

图10A和10B分别为在SiC和Si基层上生长的代表性模板层的RSM；

图11A为常规LED器件的示例的示意性横截面图；

图11B为根据本发明教导制造的LED器件的示例的示意性横截面图；

图12A为此处教导的模板化衬底的透视图，其中掩膜沉积并图案化在该模板化衬底上；

图12B为图12B所示意的模板化衬底在刻蚀和移去掩模后的透视图；

图13为把制造标准MOCVD LED器件所需的较短时间(实线)与制造同一LED器件所需较长时间(虚线)进行比较的示意性时间表，其中前者采用的是此处教导的模板化衬底，后者采用的是常规LT缓冲形核方法。

具体实施方式

出于本发明的目的，可以理解，当把层(或膜、区域、衬底、部件、器件等等)称为在另一层“上”或“以上”时，该层可以直接或实际位于其他层上(或以上)，或可替代地，还可以有中间层(例如缓冲层、过渡层、插入层、牺牲层、刻蚀终止层、掩模、电极、互连、触点等等)。除非另外指出，“直接位于”另外一层上的层意味着没有中间层存在。还可以理解的是，当把层称为在另一层上(或之上)时，该层可以是覆盖另一层的整个表面，也可以是仅覆盖另一层的一部分。还可以进一步理解的是术语“在......上形成”或“设置在......上”不旨在对关于材料的传输、沉积、制造、表面处理的具体方法的任何限定，或对物理、化学或离子结合或反应的任何限定。

除非另外指出，术语“III族氮化物”旨在描述基于III族氮化物的二元、三元和四元化合物，例如氮化镓、氮化铟、氮化铝、氮化铝镓、氮化铟镓、氮化铟铝以及氮化铝铟镓，以及可以添加或不添加掺杂物、杂质和微量组分、并具有所有可能的晶体结构和表面形貌的这些提到物质的合金、混合物及组合，及其任何衍生物或改性的合成物。除非另外指出，对这些化合物的化学计量比没有限制。因此，术语“III族氮化物”包括III族氮化物和氮化物合金，即Al_xGa_yIn_zN(x+y+z＝1，0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1)，或(Al，Ga，In)N。

此处所用的术语“纳米柱”或“纳米尺度的柱”一般指的是至少一个特征维度小于1μm的柱结构。在本文中，特征维度意味着柱的高度(例如长度方向的尺寸)或横向尺寸(例如直径)。在一个非限制的示例中，“纳米柱”或“纳米尺度的柱”为高度大约20nm或更小，或横向尺寸大约150nm或更小的柱结构。

图1为根据一个实现方式的模板化(或包括模板的)衬底100的横截面图。模板化衬底100还可以被称为模板。模板化衬底100包括基层104(或基底)，其上生长有纳米柱模板层108。在典型的实现方式中，基层104和模板层108包括不同材料，由此将基层104称为异质层或异质衬底。在典型的实现方式中，基层104可以是蓝宝石(Al₂O₃)、诸如6H-SiC或4H-SiC的碳化硅(SiC)，或硅(Si)。然而基层104可以包括其他成分，包括但不限于例如尖晶石(MgAl₂O₄)或镓酸锂(LiGaO₂)。其他可用于基层104的成分包括金刚石、碳(C)、类金刚石碳(DLC)、铝酸锂(LiAlO₂)、ScAlMgO₄、氧化锌(ZnO)、氧化镁(MgO)、砷化镓(GaAs)、玻璃、钨(W)、钼(Mo)、铪(Hf)、锆(Zr)、氮化锆(ZrN)、绝缘体上硅(SOI)、碳化SOI及其他各种氮化物和氧化物。此外，基层104可以为导电的、绝缘的、半绝缘、扭转接合(twist-bonded)的、柔性或图案化的衬底。模板层108可以由以上所限定的III族氮化物，即(Al，Ga，In)N构成，或者模板层108的成分包括以上所限定的III族氮化物，即(Al，Ga，In)N。在一些优选的实现方式中，模板层108为AlN或GaN。

基层104可以具有任何可能感兴趣的晶体或裁切(斜切)取向。如果期望的话，可以选择模板层108所生长的基层104的表面晶向，以便保证极性、非极性或半极性氮化物异质外延(例如c平面、m平面、a平面、r平面等)。参见转让给本申请的申请人为受让人的美国专利申请No.2009/0081857，在此通过引用将该申请包括在本发明当中。基层104可以具有适合于生长模板层108的任何尺寸和形状，进而提供提高器件质量的模板化衬底100。作为非限制性示例，基层104可以为圆柱状或盘状的，或可以为多边或棱镜状。基层104在尺寸上的特征为在生长方向上的厚度112，和基本上垂直于厚度112的横向尺寸116。从图1的角度来看，厚度112的方向为垂直，但可以理解，图1中所示的模板化衬底100的取向为任意的并且仅仅作为示例。横向尺寸116可以是基层104的形状的任何尺寸特征。举例来说，对于圆柱状或盘状基层104来说，横向尺寸116可以为直径，或者对于多边形或棱镜形基层104来说，横向尺寸116可以为宽度或长度(即两个相对的侧或拐角/顶端/顶点)。在一些优选的实现方式中，横向尺寸116为2英寸或以上以便于制造具有合适尺寸的模板化衬底100，该模板化衬底适用于不同异质结构和器件的制造。

通过任何技术在基层104上生长模板层108可以得到此处描述的结构。在典型的实现方式中，模板108通过真空沉积技术生长。尽管诸如化学气相沉积(CVD)的其他技术也适合，但是在一些优选的实现方式中，采用物理气相沉积(PVD)生长模板层108。在一些优选的实现方式中，尤其是在模板层108为AlN的情况下，采用溅射，并且尤其是等离子体增强(或等离子体辅助)溅射来生长模板层108。模板层108具有在生长方向上的厚度122以及横向尺寸。模板层108的横向尺寸与基层104的横向尺寸共同延伸(coextensive)，因此在一些优选的实现方式中，模板层108的横向尺寸为2英寸或更多。在典型示例中，模板层108的厚度122为

(10-1000nm)。在其他示例中，模板层108的厚度122可以大于或低于

根据本教导，模板层108被结构化以便在异质基层104和后续生长的氮化物层(未示出)之间提供良好过渡。模板层108被结构化以便积累缺陷和应变，由此在模板层108上得到后续生长的具有较好晶体质量的任何器件结构。如图1所示，模板层108包括两个自形成的子层，以连续形貌为特征的第一(或连续)子层130和以纳米柱形貌为特征的第二(或纳米柱)子层134。连续子层130和纳米柱子层134均具有单晶形貌。从连续子层130到纳米柱子层134的过渡的特征在于，在横向尺寸上彼此间隔的不同柱138的起点。换言之，从纳米柱子层134到连续子层130的过渡发生在柱138的基部相结合的地方。因此，纳米柱形貌的特征一般在于存在不同的柱138，而连续形貌的特征一般在于没有柱138。

纳米柱子层134示出从连续子层130向模板层108的最上层表面142(即纳米柱子层134的上表面142)延伸的多个纳米尺度的柱138。在典型的实施方式中，柱138一般为圆锥形。也就是，每个柱138从连续子层130的柱基部逐渐缩小为上表面142的相对尖的柱顶端。在本文中，“尖的顶端”一般意味着柱138不是以平坦表面终止，而是柱顶端的形状为点或具有顶点的圆顶。当借助放大作用(例如AFM)观察时，可观察到柱顶端的横向尺寸小于柱的基部。模板层108的最上层表面142的特征在于包括一组间距小(纳米尺度)的柱顶端。当在最上层表面142上生长后续的层时，纳米柱子层134可以有助于释放应变、释放应力、改善外延生长以及降低缺陷密度。

对于任何给定样品的模板化衬底100，柱138的尺寸(例如高度、横向尺寸)在各个柱138之间可以相同或者基本相同，或者可替代地，在各个柱138之间不同。在一些非限制的示例中，柱138在其各自基部处的平均横向尺寸从10到150nm，柱138的平均高度从1到20nm。在一些示例中，可以把柱138的横向尺寸称为直径。在本文中，术语“直径”假设为柱138具有大体圆形横截面。然而可以理解，柱138可以不是完好的圆形横截面，使得“直径”大体包括柱138在垂直于以上所述的生长方向或厚度方向的方向上的特征尺寸，即从图1的透视图沿水平方向形成的直径或横向尺寸。在本文中，柱138的高度基本上对应于生长方向或厚度尺寸，即从图1的透视图的垂直方向。

仍沿图1透视图的垂直方向，连续子层130具有第一厚度146，纳米柱子层134具有第二厚度148。在典型的实现方式中，连续子层130比纳米柱子层134更厚。纳米柱子层134的厚度148对应于柱138的高度。因此，在一些非限制的示例中，纳米柱子层134的厚度148在1到20nm范围内，且模板层108(连续子层130和纳米柱子层134)的总厚度122在10-1000nm范围内。

在一些模板化衬底100的示例中，模板层108的表面粗糙度可以在0.2-10nm(RMS)范围内，并且纳米柱子层134的应变值e_zz可以在0.2×10^-2到0.8×10^-2之间。应变值e_zz对应于垂直于层表面的生长方向(z方向)上的应变，并且该应变值通过对与柱138相关的峰的XRD测量来计算。可以通过以下所述方式控制表面粗糙度和应变状态。如采用标准Philips三轴衍射仪所确定的，模板层108的晶体质量可由摇摆曲线的FWHM表征，对于纳米柱子层134，摇摆曲线的FWHM在100-500弧度秒范围内，对于连续子层130，摇摆曲线的FWHM在500-2500弧度秒范围内。

在此描述的以及图1中所示意的模板化衬底100可以用作用于定向生长各种低缺陷密度Ⅲ族氮化物外延层、异质结构和器件的衬底或模板。该单步生长模板层108在异质成分的基层104与后续生长的氮化物结构之间提供优良匹配。因此，使用模板化衬底100可以保证这些异质结构或器件具有优良的晶体质量和优异的性能。模板层108的具体特征，尤其是纳米柱子层134，(例如柱的尺寸/表面形貌、应变等)可以被调整以优化针对任何期望的设计或结构的后续氮化物器件的外延。此外，模板层108相对薄且可以在中间生长条件(即不是低温也不是高温条件)下，使用低成本生长腔室低成本地快速生长。通过减少工艺时间以及避免使用与LT缓冲相关的昂贵试剂，模板化衬底100可期望用作对更耗时且昂贵的多步LT缓冲技术的替代。还可以把模板化衬底100加入到针对不同器件应用的包括复杂图案形核的器件结构中。

尽管如上所述，模板层108包括两个不同的子层130和134，但模板层108可以通过单步工艺形成。也就是，两个子层130和134在同一生长条件(例如生长速率、生长温度、气压、气体流速、等离子体操作参数等)下形成，即从连续子层130过渡到纳米柱子层134不需要改变生长条件。这意味着，两个子层130和134的特征在于“自形成”。

以下是制造模板化衬底100的一个非限制的示例。将基层104和Ⅲ族金属靶安装在溅射沉积腔内。一般在安装之前，通过任何合适的方法对基层104进行清洗，然后将其固定到合适的衬底支撑架上。在腔内，衬底支撑架设置为与合适的加热装置相接触用以控制衬底温度。随后，腔被抽真空到合适的真空度。使用诸如氩气(Ar)的背底气体在腔内产生高能等离子体。等离子体的操作条件可以被设置为任何合适的值(例如功率、频率等)。单独的含氮气体流入到腔内。含氮气体例如可以是二价的氮或含氮的化合物，例如氨气(NH₃)。当具有含氮气体和另外的气体(例如等离子体激发气体(如Ar)或其他类型气体)时，操作条件的特征可表示为混合气氛。可替代地，用于提供氮的气体还可以用于产生等离子体，如果是这样的话，则不需要使用单独的背底气体。可以通过合适的流量控制器控制气体流量。然后溅射Ⅲ族金属靶用以产生Ⅲ族金属源蒸汽。Ⅲ族金属源蒸汽与含氮气体结合，包括Ⅲ组金属和氮的成分的反应蒸汽被沉积到基层104表面上。当需要促进纳米柱模板层108的生长时，可以控制工艺条件(例如生长速率、生长温度、气压、气体流速、等离子体操作参数等)，并且这些工艺条件取决于模板层108的成分和所期望的特定性能(例如应变、表面粗糙度等)。在沉积AlN模板层108的一些特定但非限制的示例中，生长速率相对低，例如低于1μm/小时。在其他特定示例中，生长温度高于500℃。在其他特定示例中，AlN模板层108在混合气氛中生长，生长速率低于1μm/小时，生长温度高于500℃。如本发明其他地方所述，在不改变工艺条件的情况下，可以形成连续子层130和纳米柱子层134。还需要说明的是，模板化衬底100可以通过仅需要几步的完全原位工艺来制造，而不需要像在常规制造模板过程中那样打破真空或执行附加步骤。

图2A至10B提供了根据本发明教导制造的模板化衬底100的具体示例的分析。在制造这些示例时，采用等离子体辅助溅射的方法在基层104上沉积AlN模板层108。基层104为蓝宝石、SiC或Si。

图2A为示意出其柱表面结构的代表性纳米柱模板层的原子力显微镜(AFM)图(二维平面图)。图2B为同一纳米柱模板层的原子力显微镜(AFM)图(三维图)。图2C为通过同一纳米柱模板层的表面的粗糙度线扫描的表面轮廓。如图所示，柱具有在尖顶处终止的近似锥形。柱基部的平均横向尺寸可以在10-150nm之间变化。柱的高度可以在1-20nm之间变化。由此可见，在该示例中，模板层的特征在于改变柱形尺寸，该柱形尺寸取决于生长条件。柱形尺寸再指示出所提供样品的表面粗糙度。如通过所生长的不同样品的模板化衬底的AFM图中所计算的，由柱表现出的上表面的均方根(RMS)粗糙度可以在0.2-10nm之间变化。

图3A为图2A至图2C所示的同一纳米柱模板层的x射线衍射(XRD)的

扫描，示意了其晶体结构。具体地，图3A示意出围绕非对称1013反射的XRD

扫描，其示出了在360度的方位角范围内的六个峰，由此说明了纤锌矿晶体典型的6重对称。图3B为示意出其晶体结构的同一纳米柱模板层的XRD 2θ/ω扫描。具体地，图3B示意出围绕对称002反射的XRD2θ/ω扫描，在2θ范围内仅有一个峰，由此说明所溅射的层为单晶结构。图3B还显示了较窄的半峰全宽(FWHM)，说明在生长方向上具有较大的相干长度，并且结晶质量高。图3B还示意了在低角度一侧的数个峰，分析它们为干涉条纹，这对于结晶质量高的具有平行界面的相对薄层来说是典型的。由此可以看出，在该示例中的模板层的特征是高质量的单晶形貌。

图4A为图2A至图2C所示的同一纳米柱模板层的XRDω扫描，证实了模板层的不同子层。具体地，图4A示意了围绕对称002反射的XRDω扫描，示出了由两个峰构成的峰，由此表明存在高质量的子层和包含位错和晶粒倾斜的子层。图4A证明单步生长的模板层具有复杂子结构，该复杂子结构为两个自形成的子层。图4B为代表性纳米柱模板层的倒易空间图(RSM)，示意出模板层的不同子层。具体地，图4B为围绕对称002反射的RSM。图4B示出了在横向散射矢量较低处的伸长的低强度走向(strike)，其表明了应变的子层。图4B还示出了具有稍微伸长的翼的集中窄的主峰，这表明了高质量的具有初始部分弛豫的子层。由此可见，在该示例中，模板层的特征在于显示出复杂的应变状态，其中纳米柱子层中的应变不同于连续子层中的应变。

图5A、5B和5C为分别在不同温度750℃、850℃和950℃下沉积的代表性纳米柱模板层的AFM图。可以看出，在不同生长温度下，柱的平均尺寸及其导致的表面粗糙度均发生了变化。由此可见，模板层的表面粗糙度强烈依赖于生长温度，并且因此可通过生长温度来控制。按此方式，可以优化表面形貌(在此情况中为表面粗糙度)用以获得晶体质量较高的后续生长的异质结构和器件。

图6A、6B和6C是沉积为不同厚度的代表性纳米柱模板层的AFM图，所述厚度分别为25nm，350nm和1000nm。在不同厚度下，柱的平均尺寸及其导致的表面粗糙度均发生了变化。由此可见，模板层的表面粗糙度强烈依赖于所沉积的模板材料的厚度，并且因此可通过沉积的模板材料的厚度来控制。按此方式，可以优化表面形貌(在此情况中为表面粗糙度)用以获得晶体质量较高的后续生长的异质结构和器件。

图7为不同厚度的代表性纳米柱模板层在对称002反射附近的XRD2θ/ω扫描的集合，所述厚度分别为25nm，50nm，350nm，1000nm和2000nm。图7示出了随着层厚度的增加，峰的移动以及峰不对称性上的降低，这表明基于层厚度的变化的应变变化。如通过所生长的不同样品的模板化衬底所计算的，纳米柱子层的应变e_zz可以在0.2×10^-2到0.4×10^-2之间变化。图7证实了在比

更薄的模板层中存在高应变子层，而具有初始弛豫的子层则出现在厚度大于

的模板层中，并且完全弛豫的子层存在于厚度大于

的模板层中。由此可见，模板层中的应变强烈依赖于所沉积模板材料的厚度，并且因此可通过所沉积的模板材料的厚度来控制。按此方式，可以优化应变用以获得晶体质量较高的后续生长的异质结构和器件。

图8为一组在具有不同表面裁切(斜切)的蓝宝石衬底上生长的代表性模板层的XRD RSM，具体分别为0.0°，0.5°，1.0°和2.0°。可以看出，随着衬底裁切度的增加，应变减小。因此，模板层中的应变取决于基层的裁切(模板层沉积在基层上)，并且因此受其控制。按此方式，可以优化应变用以获得晶体质量较高的后续生长的异质结构和器件。

图9A和9B为分别生长在SiC基层和Si基层上的代表性模板层的AFM图。除此之外，两个模板层在相似的生长条件下生长，并具有相似结构(连续的和纳米柱的子层)以及相似的形貌。然而，在各模板层中的柱尺寸不同。由此可见，模板层的表面形貌，特别是柱尺寸以及由此的导致的表面粗糙度取决于基层的成分，其中模板层沉积在基层上。

图10A和10B为分别图9A和9B所示意的相同SiC和Si模板层的RSM。图10A和10B证实SiC和Si模板层具有完全不同的应变状态。对应于SiC基层上AlN模板层的左侧RSM(图10A)示出SiC和AlN的两个主峰。图10A表明存在高应变模板子层，这是因为AlN的横向晶格参数相似于SiC的横向晶格参数，正如把关联于两种材料的两个图完整地垂向对准所清楚显示的。对应于Si基层上AlN模板层的右侧RSM(图10B)示出来自AlN的单个峰，其在平行于表面平面的方向上明显加宽，如箭头所示。图10B表明模板层中的应变弛豫明显，因为Si峰没有与AlN峰对准并且确实超出了图10B所示的绘图范围。单层沉积的模板被赋予这样的特性，以使得摇摆曲线的线宽很窄，以便获得后续生长的晶体质量高的异质结构。

图11A为常规LED器件160的示例的示意性横截面图。LED器件160包括蓝宝石衬底140、沉积在蓝宝石衬底140上的LT缓冲结构152，以及沉积在LT缓冲结构152上的LED器件结构162。LT缓冲结构152和LED器件结构162一般通过金属有机CVD(MOCVD)生长。LT缓冲结构152通过多步形核工艺生长，其中在蓝宝石衬底140上沉积2.5μm GaN形核层154，然后沉积0.5μm未掺杂的GaN层156。LED器件结构162包括N+ GaN层164(一般为2μm)，量子阱层166(单量子阱或多量子阱)，以及P+ GaN层168。

通过比较，图11B为根据本发明教导制造的LED器件的示例的示意性横截面图。LED器件170包括模板化衬底100，和沉积在该模板化衬底100上的LED器件结构162。如在此所述，模板化衬底100包括基层104和模板层108。作为例子但非限制性的，如以上所述，模板层108可以是或包括通过PVD沉积的AlN。为了比较而非限制性的，在该示例中的基层104为蓝宝石衬底，并且如图11A所示意的公知的LED器件162的情况下，LED器件结构162包括N+ GaN层164，量子阱层166，以及P+ GaN层168。LED器件结构162可以通过MOCVD或任何其他适合的技术生长。可以看到，相比于图11A所示意的公知的LED器件162，图11B所示意的LED器件170的不太复杂并且设计较便宜。单步模板层108可以作为对常规LT缓冲152的替代或对任何其他常规缓冲或过渡层的替代。

可以理解，图11B仅仅为可以由此处所公开的模板化衬底所制造的许多类型的LED器件中的一个示例。更一般地，可以理解，LED器件仅仅为可以由此处所公开的模板化衬底所制造的许多类型的微电子器件及异质结构中的一个示例。此处使用的术语“微电子器件”一般包括器件和部件，例如光电器件，例如发光二极管(LED)、激光二极管(LD)、太阳能电池、光探测器和UV探测器、以及生物或化学传感器、其他类型的传感器或探测器、电子或光滤波器、场效应晶体管(FET)、其他类型的晶体管、其他类型的二极管和整流电路、微电极阵列、引线焊盘、金属化元件和互连线。因此，本发明的实现方式包括具有模板化衬底的物品，其中该模板化衬底具有在该模板化衬底上制造的另外的III族氮化物层和/或基于III族氮化物的微电子器件。

单步模板层108还可以用作常规LT缓冲的替代，并与采用诸如掩模构造的复杂图案结构的制造技术相结合。图12A为此处教导的包括基层104和模板层108的模板化衬底100的透视图，掩模182(一般为电介质材料)已被沉积并图案化在该模板化衬底100上。掩模材料可以直接沉积在模板层108的纳米柱表面或沉积在中间外延的III族氮化物层184上。图12B为图12B所示意的模板化衬底100在通过任何合适的技术执行刻蚀和掩膜移去步骤后的透视图。如箭头所指，外延的III族氮化物层184可以根据各种公知的生长/过生长技术垂直或横向生长，这些生长/过生长技术例如是以上在背景技术中所说明的那些。

图13为把制造标准MOCVD LED器件(例如在图11B中所示意)所需的较短时间(实线)与制造同一LED器件(例如在图11A中所示意)所需较长时间(虚线)进行比较的示意性的时间表，其中前者采用的是此处教导的模板化衬底，后者采用的是常规LT缓冲形核方法。在生长了此处教导的模板层108后，在1302处开始生长LED器件。在生长了常规LT缓冲层后，在1304处开始生长LED器件，这在时间上更远。过程线被绘制成生长温度对时间的函数。可以看出，此处教导的工艺不需要任何低温步骤。在关于常规LT缓冲形核工艺的过程线中的凹陷对应于所需的LT形核层的生长，这使在能够在其上开始生长LED器件结构之前需要用较长的时间来完成LT缓冲结构的生长。

在所列举的示例中，如果针对特定应用需要或期望，可以引入杂质或掺杂剂或者将杂质或掺杂剂与III族氮化物层一起沉积。可以根据需要或期望生长N型、P型、半绝缘、绝缘、非极性或半极性的III族氮化物层。

本发明的示例采用了数个特定生长顺序。应该理解，这些特定生长工艺仅出于示意性目的，而非限制。还应该注意，示例中所引用的生长条件特定为示例中所采用的生长反应器。当采用不同的反应器设计或不同的反应器几何构造时，期望使用不同条件来实现相似结果。然而，总趋势仍相似。

可以理解，可以对本发明的各个方面或细节进行变化，而不背离本发明的范围。另外，以上描述仅出于示意目的，而非限制目的——本发明通过权利要求所限定。

Claims (30)

1.一种模板化衬底，包括：基层；和设置在该基层上的模板层，该模板层的成分包括单晶III族氮化物，模板层包括在基层上的连续子层和在第一子层上的纳米柱子层，其中纳米柱子层包括多个纳米尺度的柱。

2.如权利要求1所述的模板化衬底，其中所述基层包括的材料选自包括蓝宝石、SiC、6H-SiC、4H-SiC、Si、MgAl₂O₄和LiGaO₂的组。

3.如权利要求1所述的模板化衬底，其中所述基层的裁切取向在0-2度范围内。

4.如权利要求1所述的模板化衬底，其中所述模板层的成分选自包括GaN和AlN的组。

5.如权利要求4所述的模板化衬底，其中所述基层为蓝宝石。

6.如权利要求1所述的模板化衬底，其中所述模板层的最大横向尺寸为2英寸或更大。

7.如权利要求1所述的模板化衬底，其中所述模板层包括纤锌矿晶体结构。

8.如权利要求1所述的模板化衬底，其中所述模板层的厚度在10-1000nm范围内。

9.如权利要求1所述的模板化衬底，其中所述纳米柱子层的厚度在1-20nm范围内。

10.如权利要求1所述的模板化衬底，其中所述连续子层具有第一厚度，所述纳米柱子层具有比第一厚度小的第二厚度。

11.如权利要求1所述的模板化衬底，其中所述模板层的表面粗糙度在0.2-10nm范围内。

12.如权利要求1所述的模板化衬底，其中所述模板层的应变值在0.2×10^-2到0.8×10^-2的范围内。

13.如权利要求1所述的模板化衬底，其中所述模板层的晶体质量的特征为，对于纳米柱子层，摇摆曲线的FWHM在100-500弧度秒范围内，对于连续子层，摇摆曲线的FWHM在500-2500弧度秒范围内。

14.如权利要求1所述的模板化衬底，其中所述柱为大体锥形并且终止在各自的顶端。

15.如权利要求1所述的模板化衬底，其中所述柱包括各自的柱基部，所述各自的柱基部具有各自的横向尺寸，并且柱基部的平均横向尺寸在10-150nm范围内。

16.如权利要求1所述的模板化衬底，其中所述柱具有各自的高度，并且柱的平均高度在1-20nm范围内。

17.一种异质结构，包括：基层；和设置在该基层上的模板层，该模板层的成分包括单晶III族氮化物，模板层包括在基层上的连续子层和在第一子层上的纳米柱子层，其中纳米柱子层包括多个纳米尺度的柱；和设置在纳米柱子层上的包括III族氮化物的异质结构。

18.一种用于制造模板化衬底的方法，该方法包括：通过真空沉积在基层上生长包括单晶III族氮化物的模板层，其中所述生长包括：在基层上形成连续子层；以及在连续子层上形成纳米柱子层，其中纳米柱子层包括多个纳米尺度的柱。

19.如权利要求18所述的方法，其中所述模板层通过溅射生长。

20.如权利要求18所述的方法，其中所述模板层在混合气氛中、在大于500℃的温度下以低于1μm/小时的生长速率生长。

21.如权利要求18所述的方法，其中所述形成连续子层和所述形成纳米柱子层在相同生长温度下发生。

22.如权利要求18所述的方法，其中所述模板层生长到厚度在10-1000nm范围内。

23.如权利要求18所述的方法，其中所述纳米柱子层形成的厚度在1-20nm范围内。

24.如权利要求18所述的方法，其中所述柱为大体锥形并且终止在各自的顶端。

25.如权利要求18所述的方法，其中所述柱包括各自的柱基部，所述各自的柱基部具有各自的横向尺寸，并且柱基部的平均横向尺寸在10-150nm范围内。

26.如权利要求18所述的方法，其中所述柱具有各自的高度，并且柱的平均高度在1-20nm范围内。

27.如权利要求18所述的方法，还包括通过控制参数来控制柱的尺寸，所述参数选自包括以下参数的组：生长模板层时的生长温度、通过控制模板层生长达到的厚度而控制的柱的尺寸，以及基层的成分。

28.如权利要求18所述的方法，还包括通过控制参数来控制模板层的应变值，所述参数选自包括以下的组：模板层生长达到的厚度、基层的裁切取向，以及基层的成分。

29.如权利要求18所述的方法，还包括在纳米柱子层上生长包括III族氮化物的外延层。

30.一种根据权利要求18的方法制造的模板化衬底。

Images