CN102308369A - 用于形成半导体材料的外延方法和结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种制造具有提高的特性的半导体材料、衬底和器件的方法和结构。用于形成应变减小的结构的结构和方法包括形成基本应变松弛的多个岛结构，以及将这些岛结构用于后续的应变松弛基本连续半导体材料层的进一步生长。

Description

用于形成半导体材料的外延方法和结构
技术领域
本发明的各个实施例主要涉及半导体结构和衬底的制造。各个实施例提供了用于生产具有改进的特性的半导体材料和衬底的方法和结构。
背景技术
由于多种原因，半导体材料的应变层是不受欢迎的。半导体层中的应变可能导致缺陷密度的增加，龟裂的形成以及相分离，广义上讲，造成可能的材料质量的下降。
在制造例如III-氮化物的III-V半导体材料时，应变效应可能是不利的。例如考虑基于III-氮化物的发光器件，其中该发光器件包含具有相当大的铟含量(例如x＞0.15)的氮化铟镓(InxGa1-xN)。在这种器件中，优选地增大铟含量，从而扩展发射波长范围，这通常会由于相邻层的晶格失配而引入有害的应变水平。应变层通常具有有限的厚度和低的铟含量，目的是避免材料相分离以及后续的不均匀的铟分布。
更具体地，化合物InGaN的二元成分，即InN和GaN并不能够完全混合，因此在给定的一组生长条件和膜厚度下，存在固定范围的极其有利的InGaN成分。在InGaN系统中引入晶格应变和缺陷可导致在倾向于相分离的极其不利的成分下生长的更厚的InGaN层，即该材料不再是单一的成分，且In和Ga原子将不再同质地分布在层中。InGaN材料中的非同质性可导致基于III-氮化物的器件的性能的退化。
因此，在获得以基本单一相、具有希望的成分的应变松弛材料为目的的材料方面，现有技术方法是不切实际的。因此，需要用于生产无应变的、单一相的半导体层的方法和结构。
2007年9月18日Saxler提出的美国专利No.7,271,416公开了制造降低相邻材料层中的应变的半导体结构的半导体结构和方法。如该文所述，半导体结构可包括具有第一平面内非应变晶格常数的衬底；位于该衬底上的，具有不同于第一平面内非应变晶格常数的第二平面内非应变晶格常数的第一半导体材料层；以及包含位于该衬底和该第一半导体材料层之间的第二半导体材料的可变失配层。可变失配层用于将第一层中的应力减小到低于由第一层在衬底上直接生长所产生的应力的水平。可变失配层可以是具有与第一层的非应变晶格常数基本匹配的应变平面内晶格常数的层。
Krames等2005年9月27日提交的美国专利申请序列号No.11/237,164(美国专利申请公开号No.2007/0072324A1，公开日2007年3月29日)公开了一种设计的用于生长发光器件的衬底，该衬底包括主衬底(host substrate)和键合在该主衬底上的晶种层。包含位于n型区和p型区之间的发光层的半导体结构在该晶种层上生长。键合层可用于将主衬底键合到晶种层。为了松弛半导体结构中的应变，晶种层可比临界厚度薄，这样一来，通过在晶种层中形成的位错(dislocation)，或通过晶种层和键合层之间的滑动，减轻了半导体结构中的应变。可通过将键合层腐蚀掉，来将主衬底从半导体结构和晶种层分离。
向着下层衬底异质外延生长的半导体层可能由于不同层之间的晶格失配而发生不希望的应变。因此可能限制半导体层的成分并影响质量。因此需要提供具有降低的应变和优选的成分的半导体层的方法和结构。
发明内容
本发明的各个实施例总地提出了用于制造具有高晶体质量的半导体层的方法和结构。现在以本发明的某些实施例简要地描述所述方法。该发明内容部分用于以简化的方式介绍概念选择，其将在本发明的实施例的详细说明中进一步被描述。该发明内容并不认为是要求保护的主题的关键特征或实质特征，也不用于限制要求保护的主题的范围。
本发明的实施例涉及基本连续的半导体材料(例如III-氮化物)膜的形成，该半导体材料具有提高的材料特性，即减小的缺陷/位错密度、基本应变松弛(即减小的晶格应变水平)以及基本没有相分离(例如单一成分的InGaN材料)。
为了形成这样的半导体材料，本发明的实施例包括形成随机分布的分开的半导体材料(例如InGaN)的岛状结构，该岛状结构的上区域具有优选的晶格特性，即无应变、单一成分、且具有优选的缺陷/位错密度。然而，高质量材料的分开的随机分布的岛对于形成衬底或器件结构等来说实际上是没有用的，因为其随机的特性及小尺寸。
因此，本发明的各个实施例采用高质量材料的分开的随机分布的岛作为籽晶体，用来进行进一步生长。利用进一步生长过程来形成基本连续的半导体材料层。该岛状结构用作籽晶体，用于进一步的外延生长过程，所述多个生长过程产生了连续的高质量半导体材料层。
在第一实施例中，该高质量松弛岛结构直接用作用于进一步生长的籽晶体，而不采用任何进一步的遮盖结构、横向生长技术等。因此实施例继续进行从该岛结构开始的进一步生长，其中进一步生长基本均匀地，即各向同性地增大了岛的尺寸，其中沿所有面(例如在横向和纵向方向)基本上均匀地增大尺寸，直到岛结构接合以形成基本连续的半导体材料层。
在某些实施例中，当接合时，半导体结构的生长模式可变换为更优先在纵向方向生长。在其他实施例中，可能需要平滑所产生的高质量基本连续半导体层的表面从而从该层去除任何残留的表面粗糙度，从而能够实现后续的处理，例如器件形成、层转移等等。层的平滑可通过腐蚀、质量传输再生长(mass transportregrowth)、抛光/打磨方法等来实现。
可选地，从分开的籽晶体，例如岛结构体产生连续的材料层的方法是本领域已知的。例如外延横向过度生长(ELO)及其多种变形(例如FIELO，PENDEO等)的方法是本领域已知的用于桥接各个分开的籽晶体之间的间隙以产生连续的材料层的技术。然而，目前不知道这样的方法，即能够实现特定半导体材料，例如特定InGaN材料成分的横向生长，因为InGaN被证明是针对横向方式生长的复杂材料。
因此，本发明的实施例利用能够基本上横向生长的材料，例如，诸如GaN(或低铟含量的InGaN)的材料，从该高质量半导体岛(例如InGaN)开始进行横向生长(形成横向生长区)，如同本领域已知的用于GaN横向生长以形成连续层的方法那样。
为了避免横向生长区中的应变松弛，区的厚度保持在临界厚度或之下，因此横向生长区是应变的，且保持高质量岛的平面内晶格参数，同时通过避免应变松弛避免了形成额外的缺陷/位错。
因此本发明的方法可产生样板结构，其包括连续的上表面，该上表面具有基本等于岛结构(例如InGaN)松弛的上表面的晶格参数的平面内晶格参数，同时保持优选的缺陷/位错密度。这种具有优选的材料特性的半导体材料的样板结构非常适用于进一步的高质量连续半导体层的生长，例如InGaN材料的生长，该InGaN材料具有与下面的InGaN岛结构相比基本相似或增加的铟含量。
因此本发明的实施例提供了用于形成半导体结构的方法。本发明的实施例包括形成具有第一材料成分的多个随机分布的岛结构，从所述岛结构开始进一步生长，所述进一步生长的成分包括第二材料成分。另外，进行纵向生长以形成纵向生长层，所述纵向生长层的成分包括第三材料成分。
本发明的进一步的实施例包括通过外延生长在晶格失配的基底衬底(basesubstrate)上形成所述岛结构，且在某些实施例中在基底衬底上形成遮盖结构，从而岛结构的上部分透过该遮盖结构而暴露。
随机分布的岛结构可包括应变松弛的区，且进一步生长可以基本上源自岛结构的这些应变松弛部分。在其他实施例中，从岛结构开始的进一步生长形成各向同性生长区，在所述实施例中，可能需要对该各向同性生长区或产生的纵向生长区进行化学机械抛光。
在可选实施例中，从岛开始的进一步生长形成横向生长区，其中横向生长可基本源自岛结构的上表面或基本源自岛结构的侧面。横向生长区的厚度可保持在或低于横向生长区的临界厚度，即等于或低于形成进一步的缺陷/位错的厚度。
第一、第二和第三材料成分可包括III-氮化物材料，进一步可包括InxGa1-xN。在某些实施例中，第二材料成分可包括GaN，第一和第三材料成分可基本相等。
可通过沉积一种或多种介电材料，接着去除遮盖结构的一部分来形成基底衬底上的遮盖结构，这样的去除过程可利用化学机械抛光或反应离子腐蚀方法来实现。
本发明的各个实施例还包括在上述过程中形成的半导体结构。该半导体结构可包括在晶格失配基底衬底之上的多个随机分布的岛结构、进一步生长区和纵向生长层。
随机分布岛结构可以是基本应变松弛的，可形成进一步的一种或多种介电遮盖材料，从而基本上覆盖基底衬底的暴露部分。
在某些实施例中的进一步生长区包括横向生长区，其厚度等于或小于通过进一步的缺陷/位错的形成启动应变松弛的临界厚度。此外，该进一步生长区可包括横向生长区，其可被形成以产生基本连续的材料层，该材料层的厚度低于通过缺陷形成启动应变松弛的临界厚度。
在某些实施例中，岛结构的成分包括InxGa1-xN，其中铟成分大于x＝0.02，进一步生长区包括InxGa1-xN，其中铟成分小于x＝0.11，而纵向生长层可包括InxGa1-xN，其中铟成分大于x＝0.02。
以下详细的说明将呈现本发明的元素的其他方面和细节以及可选组合，它们也包含在本发明的范围之内。
附图说明
参考本发明的实施例的下列详细说明、本发明的特定实施例的描述性示例以及附图，可以更充分地理解本发明，其中：
图1A-1F示意性地描述了用于降低半导体结构中的应变水平的本发明的特定实施例。
图2A-2G示意性地描述了用于降低半导体结构中的应变水平的本发明的进一步的实施例。
图3A-3E示意性地描述了用于降低半导体结构中的应变水平的本发明的其他的实施例。
图4A-4E示意性地描述了用于降低半导体结构中的应变水平的本发明的其他进一步的实施例。
图5显示了利用本发明的实施例实现的半导体结构所产生的典型扫描电子显微镜(SEM)图像。
图6A-6C显示了利用本发明的实施例实现的半导体结构所产生的典型横截面透射电子显微镜(TEM)图像。
具体实施方式
本文的图示并不意味着任何特定材料、装置、系统或方法的实际视图，而仅仅是用于描述本发明的理想化表现。
本发明的实施例涉及具有改进的材料特性的半导体材料的基本连续膜的形成。以下说明以本发明的实施例的提要作为开始，接下来是更详细的描述。
本文使用的术语“基本上”是指除了本领域正常可预见的不足之外的，完整的结果。例如，常规上不能认为在肉眼可见的尺寸内，外延层是完全连续的(或者完全单晶质，或完全由一种晶体极性构成，或完全由单一成分相构成)。但是在肉眼可见的尺寸内，常规上可认为外延层是“基本连续的”(或“基本单晶质”，或“基本由一种晶体极性构成”，或“基本由单一成分相构成”)，其中间断(或晶体区域，或晶体间界)的出现针对工艺条件、所寻求的材料质量等等来说在本领域中是可以预见的。
术语“进一步生长”是指在完成岛结构的形成时，在岛结构上实现的额外的外延材料。
术语“横向生长”是指生长方向主要在平行于基底衬底的方向上的生长，其中生长在基底衬底上进行。相似地，“横向生长区”是指在该方向中生长的材料。
术语“纵向生长”是指生长方向主要在垂直于基底衬底的方向上的生长，其中生长在基底衬底上进行，相似地，“纵向生长层”是指在该方向中生长的材料。
术语“各向同性生长”是指在所有方向上基本均匀的生长，尽管应理解不同的晶面可促进不同速率的生长。
术语“临界厚度”是指外延层中的应变足够导致缺陷形成以降低应变水平的厚度。
术语“随机分布”是整体上没有可确定的图形，即没有均匀性或规则性的分布。
在本文中，术语“晶格应变”在用于材料层时，意思是在至少基本平行于材料层的平面的方向上的晶格的应变。相似地，术语“平均晶格参数”在用于材料层时，意思是在至少基本上平行于材料层的平面的维度上的平均晶格参数。
在本文中，术语“应变松弛”或“无应变”是指晶格参数处于其平衡位置的晶体材料。
实施例包括外延生长宽范围的半导体材料及其组合的应用，所述半导体材料包括元素半导体和复合半导体。例如，可应用于Si(硅)和/或Ge(锗)的组合。也可用于II-VI族和III-V族复合半导体材料。特别的应用是用来生长具有减小的应变水平的纯的或混合的III族金属的氮化物(III-氮化物，例如GaN，InGaN，AlGaN等)。
然而，为了以下说明的简明和方便，不带有限制性地，本文主要通过旨在生长III-氮化物的实施例，特别是旨在形成InGaN材料的实施例来描述本发明。该描述的目的仅仅是为了举例，而不应认为是对本发明的限制。事实上，如以下说明和附图所示，实施例的方法可以通常很容易地应用于生长III-V族复合半导体、生长属于其他族(例如II-VI族)的复合半导体、以及生长元素半导体和合金半导体。因此，本文的描述主要集中在针对III-氮化物特别是InGaN的本发明的实施例上，这是非限制性的。
本文所采用的标题仅为了清晰，为不倾向于任何限制性。本文引用了多篇参考文献，其全部公开内容通过针对所有目的的引用完整地结合于本文。进一步地，无论上文如何描述，这些引用的参考文献都不认为是本发明要求保护的主题的现有技术。
简要地，本发明的方法以在基底衬底的表面上形成成核层作为开始。在基底衬底上形成成核层时，形成了具有优选的特性的多个岛结构。在本发明的实施例中，岛结构是利用外延生长方法形成的，这样由于岛的材料和基底衬底的材料之间的晶格失配产生的应变迅速减轻，大多数岛结构是无应变的，即结构基本上是应变松弛的。岛结构的材料和基底衬底之间的晶格失配通常在最初几个生长单层中减轻，从而大多数岛结构是无应变的，即具有应变松弛特性。
在形成所述岛结构时，本发明的各个实施例利用分开的随机排列的高质量材料的岛作为籽晶体，用于形成基本连续的半导体材料层。
在第一实施例中，通过连续地从岛结构进一步生长，高质量松弛岛结构直接用作籽晶体，从而基本均匀地，即各向同性地增加岛的尺寸，伴随着沿所有面(例如横向和纵向)的近似均匀的尺寸增加，直到岛结构接合以形成基本连续的半导体材料层的时候。
当接合时，可改变半导体层的生长模式，从而在纵向方向更优先的生长。在另一实施例中，各向同性生长材料的表面和/或产生的高质量基本连续半导体层可能需要平滑，从而从层上去除任何残留的表面粗糙度，从而启动后续处理，例如器件形成、层转移等等。层的平滑可通过腐蚀、质量传输再生长、抛光/打磨方法等等来实现。
在另一实施例中，当形成基本上应变松弛的岛结构时，施加遮盖材料来覆盖该岛结构以及基底衬底的先前暴露的区域。在形成遮盖材料之后，进行平坦化处理以暴露岛状结构的上面的大部分，同时保持岛结构的下面的区域被遮盖材料覆盖。由于岛结构中的松弛发生的非常快，在生长过程中，在基底衬底附近的可能仍存在应变的岛结构部分保持被覆盖，并且不能用于后续的处理步骤。在本发明的可选实施例中，遮盖材料被省略。
本发明的后续实施例利用基本上应变松弛的岛结构作为用于进一步生长的成核位置。在这些实施例中，生长模式以横向模式(形成横向生长区)进行，例如采用已知的外延横向过度生长(ELO)过程及其变形。在这些实施例中，可以选择可以基本上横向模式快速生长的材料，作为非限制性示例，氮化镓和氮化铟镓(具有低铟含量)都是已知能够横向生长的材料。
横向生长材料形成横向生长区。在某些实施例中，包含岛结构和横向生长区的材料成分可能是不同的，因此由于岛结构和横向生长区之间的可能的晶格失配可能产生应变。因此，在某些实施例中，横向生长区的厚度保持在临界厚度或以下，即保持在引入进一步的缺陷和位错以减轻应变的厚度或以下。因此，在这些实施例中，在横向生长区中基本上保持松弛的岛结构的晶格参数，因此岛结构的上部分的松弛的晶格参数被横向生长层继承。
本发明的某些实施例中，延续横向生长区的横向生长直到来自分开的岛结构的基本应变松弛部分的个别的晶体生长前端终止并接合以形成基本连续横向生长层，在某些实施例中，该层处于临界厚度或以下，该厚度部分地取决于横向生长层的成分和下面的岛结构的成分。
在可选实施例中，横向生长区从岛结构侧面通过横向生长成核产生于岛结构自身之间，从而产生包含位于横向生长区之间的岛结构的层。在这些实施例中，横向生长直接从岛结构的侧面成核，从而在横向生长区中保留岛的高质量晶体结构。
因此，本发明的各个实施例产生了中间结构，该中间结构包含上连续表面，该上连续表面具有基本上等于松弛的岛结构的上表面的平面内晶格参数，同时保持优选的缺陷/位错密度。这种具有优选的材料特性的半导体材料样板结构非常适用于进一步的InGaN材料(或其他III-氮化物)的高质量连续层的生长，其中铟含量基本上近似于或大于InGaN岛结构的铟含量。
因此，在形成中间结构时(例如接合的横向生长层)，生长模式可以变为在更纵向的生长模式中发展，从而形成纵向生长层，其促进半导体材料增厚到希望的厚度。
在特定实施例中，纵向生长层的成分可与岛结构的成分基本相同。由于岛结构的应变松弛上部分的晶格参数在横向生长区(或层)中是保持不变的，因而应变松弛晶格参数被纵向生长层继承，所以避免了在纵向生长层中的晶格失配，从而降低了应变以及相分离的出现。因此本发明的某些实施例产生了InGaN材料的基本连续应变松弛层。
在进一步的实施例中，纵向生长层的成分可与岛结构的成分不同，例如可相比于岛结构提高纵向生长层的铟含量。在这些实施例中，纵向生长层可稍微应变，然而由于下面的材料的应变晶格参数，对比与现有技术来说应变水平降低。
现在更详细地参考图1A-1F来描述本发明的实施例，并参考图2A-2G，图3A-3E和图4A-4E来描述本发明的其他可选实施例。
图1A描述了中间结构100，其示范了本发明的实施例的初始阶段。中间结构100包括基底衬底102、成核层(NL)104和其上形成的多个晶核106。基底结构可由同质结构(即单一材料例如蓝宝石)或异质结构(即由多种材料组成，例如金刚砂上的蓝宝石)构成。在本发明的特定实施例中，基底衬底的平均晶格参数对于其上生长的材料是失配的。例如，可采用蓝宝石作为基底衬底，并且可将氮化铟镓沉积在蓝宝石的表面，蓝宝石和InGaN材料具有不同的晶格参数，例如不同的平面内晶格参数。
在基底衬底102上形成多个核106。外延生长(以及一般的晶体生长)通常以微晶的自然形成作为开始，微晶用作肉眼可见的晶体的生长的晶种。这里微晶被称作“核”，其形成的过程和初始生长被称为“成核”。在表面上成核的外延生长的情况下，表面的性质可强烈地影响核的立体构造和晶体性质，例如通过形成比其他构造和性质更稳定的特定构造和性质。术语成核层是指通过缓冲层的沉积/生长、或通过表面化学处理、或通过其他方法获得的这样的表面性质。
优选的成核层促进InGaN(或其他III-氮化物)成核，形成具有选择的空间密度和构造并具有选择的晶体性质的核。对于空间密度，其根据各向同性生长和/或ELO技术的后续应用来选择。在ELO技术的情况下，ELO是本领域已知的，用于产生基本连续的单晶质的III-氮化物层，如果存在可在其上开始ELO的足够数量的可用生长位置，并且如果该可用的生长位置是分开的从而从不同生长位置开始的横向过度生长可以晶体生长前端中最小的倾斜/扭曲接合到单晶质层，则该III-氮化物层具有较好的质量。通常，优选地NL104促进以分开且隔离的核来成核，所述核以0.1-100μm，更优选地0.2-3μm之间的平均距离d分开，但是或者随机排列，例如图1A中的中间结构100的成核位置/核106。
已经描述了许多NL处理，例如得到在基底衬底102上的NL104，及其效果，它们是本领域已知的，并可用于本发明。参见Sumiya等，2004年的Review ofpolarity determination and control of GaN，MRS Internet J.Nitride Semicond.Res.9，1；Gibart，2004年的Metal organic vapor phase epitaxy of GaN and lateral overgrowth，Rep.Prog.Phys.67，1；Dwikusuma等，2003年的X-ray photoelectron spectroscopicstudy of sapphire nitridation for GaN growth by hydride vapor phase epitaxy：Nitridation mechanism，J of Appl.Phys.94，5656；Narayanan等，2002的Galliumnitride epitaxy on(0001)sapphire，Phil.Mag.A 82，885；Stutzmann等，2001年的Playing with Polarity，phys.stat.sol.(b)228，505；Oh等，2006年的Optical propertiesof GaN and GaMnN nanowires grown on sapphire substrates；以及Kikuchi等，2004年的InGaN/GaN Multiple Quantum Disk Nanocolumn Light-Emitting Diodes Grownon(111)Si Substrate。
获得了具有如上文所述选择的优选NL的基底衬底，本发明的方法接下来在基底衬底上生长InGaN岛结构。首先选择成核条件，如果必要的话考虑NL，从而InGaN(或其他III-氮化物)首先在核上生长，该核具有上文所述的空间密度和构造。通常，核的密度和构造使得后续的进一步生长产生想要的InGaN(或其他III-氮化物)层(例如具有优选的特性，例如减小的应变)。
平均起来，生长条件的选择有利于源自NL的核的III-氮化物岛的生长，其中岛整体上保持彼此分离且基本上随机排列。图1B描述了由在衬底102上的NL 104上初始生长的InGaN所形成的非限制性的中间衬底110。图3是扫描电子显微(SEM)图像，其描述了对应于图1B的实际示例。
初始岛结构具有平坦的上表面114的类似梯形结构112。在描述的实施例中(参见图1B)，岛生长为水平尺寸约为其垂直尺寸的1-2倍的结构。在其他实施例中，可能相对更多地纵向生长，从而岛更大程度上呈现为具有更多纵向分量的柱子。然后纵向/横向方面的比率可以更大，例如大约为2或大约为4。本发明还包括具有更显著的横向生长的实施例，从而纵向/横向方面的比率小于1，但是平均上仍导致分开的岛生长。
进一步选择生长条件，特别是生长时间，从而岛结构的上部分具有逐步降低的应变。生长继续，直到大多数岛结构具有减小的应变水平，优选地大多数岛结构是无应变的，即应变松弛的。图1B描述了封闭的虚线区域116。虚线区域116示意性地表示了岛结构的出现应变松弛的区域，即形成缺陷(例如不合适的位错)以减小岛结构112和基底衬底102之间的晶格失配的区域。
在封闭区域116之上区域中，岛结构基本上无应变，或基本上应变松弛。因此这样控制生长期，使得由岛结构和基底衬底之间的晶格失配导致的应变快速减轻，例如通过形成例如不合适的位错的缺陷。另一方面，生长不应时间过长，以至于岛倾向于合并而不再保持分开和隔离。
通常，生长到大约30nm-1.5μm的纵向岛高度是合适的。在特定实施例中，岛结构具有远大于30nm的高度，然而在其他实施例中，岛结构具有大于150nm的高度，或者在某些实施例中，岛结构具有大于300nm的高度。此外，岛的成分可包括InxGa1-xN，其中铟含量大于x＝0.02，或大于x＝0.05，或大于x＝0.08。
除了在岛结构112和基底衬底102之间的界面区域中形成缺陷和位错之外，额外的缺陷和位错可从区域116传播进入岛结构的体内。在图1B示意性描述的实施例中，岛结构在这样的条件下生长，即位错118横向弯曲并在侧面终止。左手的岛的上部分120因此相对地没有缺陷和位错，并具有所选择的缺陷和位错密度。美国申请序列号No.60/952,131描述了这种用于进一步减少岛结构的上部分的缺陷和位错密度的方法，其全文以引用方式结合于此。
有利于纵向或横向生长的条件是已知的，并且在本领域中称为一般VPE处理，例如，MBE、MOCVD或HVPE处理。参见例如美国专利6,325,850；也参见phys.Stats.Sol(c)3，No.61750-1753(2006)。通常，已知横向生长对比纵向生长的相对速度受到生长温度、处理气体中的V/III前体(precursor)比率、载体气体的成分(H2 or N2或其组合)、以及反应器压力的影响。例如，通过更高的生长温度、或通过更高的V/III比率、或通过更高的N2/H2比率、或通过更低的压力(低于或约等于1atm)、或通过上述的组合来增强横向生长。通过相反的条件来增强纵向生长。在特定实施例中，有利地选择考虑到InGaN岛中的应变的NL处理和生长条件的细节。为达此目的，初始InGaN岛的应变特性可通过本领域已知的手段来测量，例如透射电子显微镜方法、以及电子和/或x-射线衍射方法。
一旦生长了上部分具有减小的应变或应变松弛水平的InGaN(或其他III-氮化物)岛结构时，后续的处理步骤可直接采用该岛结构作为籽晶体，用于进一步生长以产生半导体材料的连续层。因此进一步生长可从岛结构开始以各向同性的方式(即从所有晶面基本均匀地生长)继续，直到岛结构接合以形成基本连续的层的时候。
一旦接合的时候，半导体层的生长模式可改变为在纵向方向更优先生长。在另外的实施例中，各向同性生长层的表面和/或产生的高质量基本连续半导体层可能需要平滑，从而从该层去除任何残留的表面粗糙度，以启动后续处理，例如器件形成、层转移等。可通过腐蚀、质量传输再生长、抛光/打磨方法等来实现层的平滑。
图1C示意性地描述了中间结构120，其示范了从岛结构112开始的进一步生长的初始阶段。在该示意性描述中，在额外生长之前，岛结构112的初始位置，由虚线112表示，以各向同性的方式继续进行进一步生长，产生基本各向同性的材料122。
本发明的实施例采用了从岛结构112开始的各向同性生长，因为用于各向同性生长的材料通常不能在基本上横向的生长方向上生长，例如铟含量大于x＝0.11的InxGa1-xN被证实是一种在其中产生基本横向生长的及其复杂的材料，即能够相对于纵向生长的程度来控制横向生长的程度。因此，在某些特定实施例中，各向同性生长材料与包含岛结构的材料具有基本相同的材料成分。因此，在本发明的某些实施例中，岛结构包括铟含量大于x＝0.02的InxGa1-xN，并且额外的各向同性材料同样的包括铟含量大于x＝0.02的InxGa1-xN。从而，从岛开始继续的进一步生长不会在各向同性材料中引入额外的应变。
然而，由于III-氮化物材料的进一步的各向同性生长是从岛结构的所有或几乎所有暴露的面开始成核的，可能保留了缺陷和应变的下面的区域又用于成核。因此，可能出现应变和缺陷的区域116(例如不合适的片段)可能会进一步传播到额外的各向同性材料122中。
除了各向同性材料生长对区域116中的应变和缺陷的影响之外，还应注意到各向同性生长可能充分影响缺陷位错118，可能导致该缺陷/位错中的弯曲。由于材料可以各向同性的方式生长，该缺陷/位错可能以有害于最终基本连续材料层的最终质量的方式弯曲。
图1D示意性地描述了中间结构130，其示范了当生长了进一步的各向同性材料122’时的半导体结构，并描述了当岛结构接合时的生长，从而形成基本连续半导体材料层。
在进一步的细节中，各向同性材料122’的进一步的生长从中间结构120的各向同性材料122外延生长。进一步的各向同性材料的生长导致了岛结构112的接合。因为该生长可以基本各向同性的方式继续，在额外半导体材料生长122和122’的过程中，原岛结构112的表面拓扑通常保持。由于该拓扑在各向同性生长模式中几乎不变，在中间结构130的上面的暴露表面中形成沟槽134。该沟槽对于后续的处理阶段来说是不希望的，无论后续处理阶段是用于形成器件结构、或转移部分半导体材料等。因此本发明的实施例的后续处理关注于去除部分的各向同性材料，从而产生更适于后续处理的平滑的、基本平坦表面。
图1E示意性地描述了中间结构140，其示范了对中间结构130的处理以产生包含平滑上表面142的中间结构140。
在进一步的细节中，以这样的方式处理中间结构130：即从表面136去除沟槽(即凹陷、波纹、洞穴等等)以提供具有平滑的上表面142的中间结构140。平滑表面136以产生平滑的上表面142可以通过多种本领域已知的方法来进行，包括湿法化学腐蚀、等离子体腐蚀(RIE，ICP，ECR等等)、打磨、抛光等等。由于表面136的拓扑，优选各向异性腐蚀方法来产生平滑表面142，因为沟槽136的顶点上方的材料将需要大量去除，而沟槽136的顶点下方的材料优选地不去除，从而实现各向同性材料122的表面的平坦化。
在某些实施例中，采用打磨/抛光方法来实现产生平滑表面142的表面136的平坦化。在本发明的实施例中，平坦化处理是通过化学机械抛光处理(CMP)来实现的。通过CMP，利用适当选择的泥浆(slurry)，例如具有选择的研磨剂和泥浆化学物质，并采用适当的抛光参数，例如施加的压力和速度，来去除足够的各向同性材料122。当完成产生表面142的CMP处理时，表面142的表面粗糙度可小于5nm，或优选地小于2nm，或优选地小于1nm。在可选实施例中，CMP处理可在再生长时施行，所述再生长在更纵向的生长方向上在各向同性生长材料上进行。
应注意在本发明的实施例中，缺陷/位错118可能改变其传播方向，导致该缺陷/位错118出现在表面142上损害表面142的质量。
中间结构140(图1E)提供了非常合适的样板结构，用于生长进一步的III-氮化物材料，例如，用于高质量的基本连续应变松弛InGaN。在某些实施例中，中间结构140用于铟含量基本等于下面的各向同性材料的铟含量的InGaN的生长，而在可选实施例中，中间结构140用于具有比各向同性材料更大的铟含量的InGaN的生长。
图1F描述了结构150，该结构示范了在图1E的中间结构140上的进一步的层的生长。在本发明的某些实施例中，进一步的层152以更纵向的模式生长，从而形成纵向生长层，其促进了半导体材料增厚到希望的厚度。如本领域已知的，通过外延生长参数的变化，该纵向生长层以优先纵向生长模式生长。如前面提到的，在某些实施例中，在纵向生长层完成时，通过前面提到的方法利用CMP平滑纵向生长层。因此，这些实施例的纵向生长层的平坦化可在纵向生长层的外延生长之前和/或之后进行。还应注意，在岛结构的形成过程中形成的缺陷/位错118被描述为传播到并进入纵向生长层152的表面。
在某些实施例中，纵向生长包括铟含量基本等于下面的岛结构以及各向同性材料的铟含量的InxGa1-xN层，更特别地，纵向生长层可包括铟含量大于x＝0.02、或大于x＝0.05、或大于x＝0.08的InxGa1-xN材料。
因此，本发明的实施例能够产生应变松弛的、具有优选的缺陷/位错密度的基本单一成分相InGaN的连续层。产生的层152的厚度可以小于约1μm、或达到约100μm、或达到约500μm，或达到约1000μm。
产生的连续纵向生长层152可用于制造电子元件、光伏元件、光学元件、或光电子元件等等。在本发明的可选实施例中，可从中间结构150转移部分或整个连续半导体层，用于产生独立的或复合的衬底。转移过程可通过连续层的部分的分离来进行，也可能包括键合技术。
在某些实施例中，半导体层152的部分可通过离子注入和分离技术从中间结构150分开，例如采用称为SMART-CUT
Figure BPA00001411641400121
的技术。例如Bruel的美国专利No.RE39,484、Aspar等的美国专利No.6,303,468、Aspar等的美国专利No.6,335,258、Moriceau等的6,756,286、Aspar等的6,809,044、Aspar等的6,946,365详细地描述了该过程，上述每个文献公开的内容以引用方式全文结合于此。
现在参考图2A-2G描述本发明的可选实施例。本发明的可选实施例的很多元件等同于上文描述的那些元件；因此后续的描述将主要关心该可选实施例的新颖的特性。
简要地，本发明的可选实施例采用上文描述的方法的大部分内容，但是采用了形成遮盖结构以遮盖岛结构的不需要的部分。因此从岛结构开始的进一步生长的成核可被限制到岛结构的高质量晶体部分。此外，例如采用诸如ELO的方法，在更横向的方向上促进从岛结构开始的进一步生长。
更详细地，图2A等同于图1A，描述了中间结构200，示范了NL204在基底衬底202上的形成和具有优选的间距d的核206的形成。图2B等同于图1B，描述了中间结构210，示范了InGaN岛结构212的形成，该InGaN岛结构具有优选的晶体特性，即具有减小的晶格应变或应变松弛的上表面214。
当上部分具有减小的应变或应变松弛水平的InGaN(或其他III-氮化物)岛结构生成时，后续处理步骤用形成遮盖结构的遮盖材料覆盖该基底衬底的没有被岛覆盖的暴露部分。该遮盖结构的厚度(或深度)足以覆盖可能仍存在应变的岛的下部分的大多数或全部以及具有相对大量的终端缺陷和位错的侧面。然而，本发明的实施例不覆盖岛的上部分，在该上部分中面具有减小的应变水平或松弛的应变水平，并且仅具有相对较少的终端缺陷和位错。
此外，透过遮盖结构露出的岛结构的上部分可具有斜面，其足以促进后续的ELO生长在岛/柱的露出的上部分开始，然后扩展穿过该遮盖。
用于形成遮盖结构的优选的遮盖材料是那些GaN(或其他III-氮化物，例如低铟含量InGaN)在其上不容易成核的遮盖材料。这种材料包括氧化硅，氮化硅及其组合，例如氮氧化硅，以及其他难熔的含硅材料。特别优选的是氮化硅，因为相比于InGaN，氮化硅更容易通过例如化学机械抛光(CMP)等处理去除。还应注意，也可采用遮盖材料的组合，例如一个或多个氧化/氮化硅层堆叠，使用这样的遮盖材料的组合有助于遮盖结构的部分受控制地被去除。
图2C示意性地描述了中间结构230，其示范了遮盖结构形成的实施例，包括沉积遮盖材料从而完全覆盖岛结构，以及图2D描述了中间结构240，其示范了后续的去除足够的遮盖材料，从而岛结构最上面的部分透过遮盖而露出。
因此，首先通过例如旋涂玻璃过程或化学气相沉积(CVD)过程形成遮盖材料232，从而岛结构被完全覆盖，如图2C所示。这里，岛结构212(在基底衬底202上)已经完全被遮盖材料232覆盖。在本发明的某些实施例中，在实时监控下通过CVD过程沉积遮盖材料，从而当遮盖已经到达优选厚度范围时可停止沉积。例如，在沉积过程中，可通过能够检测表面特征(例如表面变形尺寸)的射线来扫描衬底，提供关于保持露出加厚的遮盖之上的InGaN柱的高度的反馈。这种射线可以是可见光、红外线或紫外线光、或粒子(如在SEM中)。
接下来，遮盖材料的顶部被去除或分离，例如通过诸如湿法化学腐蚀、等离子体腐蚀(反应离子腐蚀、感应耦合等离子体腐蚀等等)等腐蚀技术，或通过诸如化学机械抛光(CMP)等抛光技术，从而最终的遮盖厚度在优选的范围内，以促进后续的外延横向过度生长。
图2D描述了中间结构240，其包括去除部分的遮盖材料232之后的中间结构230。已经去除了优选的量的遮盖材料，从而遮盖层的厚度在优选的范围内。在该优选的范围内岛结构214的上面暴露，但是岛结构的大部分侧面242、应变区216以及位错218保持被覆盖，从而避免从这些区域产生后续的从成核开始的进一步生长，因此改善了后续的晶体质量。通常，对于遮盖的高度的厚度范围大约是岛的高度的60-90％。
由于应该有很少的或没有InGaN(或其他III-氮化物材料)随着遮盖材料一起被去除，优选的遮盖材料还应具有这样的特征：相比于InGaN的去除，遮盖材料去除的更快。例如当通过CMP去除遮盖材料时，遮盖材料应该比InGaN(已知其相对坚硬且不容易通过CMP去除)更容易被磨损/腐蚀。
更详细地，可通过CVD处理沉积氮化硅以完全覆盖岛，例如在本领域已知的条件下，通过气体SiH4和NH3的CVD处理。然后采用适当选择的泥浆(例如具有选择的研磨剂和泥浆化学物质)，并采用合适的抛光参数(例如施加的压力和速度)，通过CMP去除足够的遮盖材料。
简要地，选择泥浆研磨剂、抛光压力等等使得氮化硅主要通过下至InGaN柱的顶面上的机械作用被去除，其相对不留下影响。选择泥浆化学物质、pH等促进InGaN岛之间的氮化硅的腐蚀、分解和去除(dishing out)，从而其最上面的部分头透过剩余的遮盖材料而露出。可选地，可实时监控遮盖材料的分离，从而可在达到优选的厚度范围之后停止CMP。同时，可在CMP之后进行清洁处理，从而去除残余的泥浆。
在理想情况下，CMP处理应产生很少或不产生InGaN岛的表面的粗糙化。然而，如果CMP处理的磨损作用导致了InGaN表面的磨损，那么该层将需要后续的CMP平滑处理。在III-氮化物的情况下，可通过本领域已知的质量传输再生长方法平滑粗糙的表面。
在本发明的实施例中，在NH3+H2气氛中将样本加热到促进质量传输再生长的温度。在质量传输再生长的过程中，材料中的高能量峰被再分布到材料的谷中，以实现平滑作用，并产生更适于后续ELO的表面。例如参见日本的期刊：Journalof Applied Physics Part 1 40 565(2001)以及Applied Surface Sciences 159-160 421(2000)。
此外，间隔大的InGaN岛结构可能需要补充平滑，以产生均匀的柱高度。当考虑后续处理需要去除遮盖材料时，以及考虑到一旦露出III-氮化物材料时能够停止遮盖去除时，柱高度的均匀性是重要的。不均匀的柱高度可能导致低效率的遮盖去除，以及对于产生横向生长层来说不理想的表面。对于III-氮化物，可通过上一段描述的质量传输再生长方法来平滑不均匀的表面。
在本发明的实施例的后续阶段，InGaN岛结构的上面的暴露部分具有优选的晶体特征，即基本应变松弛，以及优选的缺陷/位错密度和单一成分相，该暴露部分用作进一步的材料生长的籽晶体。
InGaN岛结构的上部分用作用于横向生长区的横向生长的籽晶体。然而，高铟含量横向生长层(例如具有高于11％的铟含量)的产生被证明是复杂的，并且目前在现有技术中这种层的报告是未知的。因此，横向生长区包括能够主要在横向方向生长的材料，例如作为非限制性示例的GaN(或低铟含量的InGaN)，可用于形成横向生长区和/或可能的横向生长层。然而，由于横向生长的GaN区(层)针对下面的松弛的InGaN岛结构发生应变，横向生长区(层)将保持较高铟含量InGaN的晶格常数。
因此，本发明的实施例采用InGaN岛结构的松弛的上表面来形成用于GaN(或低百分比铟含量的InGaN)横向层的进一步生长的成核晶种。因为GaN是本领域已知的能够横向生长(参见例如Sugiura 1月12日提出的美国专利No.6,015,979，Davis 2000年4月18日提出的美国专利No.6,051,849，以及Kiyoku 2000年11月28日提出的美国专利No.6,153,010)，因此可以在InGaN岛结构的分离的、松弛的上部分之上形成GaN材料的基本连续层。
GaN横向生长区和后续的横向生长层的厚度可保持低于通过缺陷和位错的形成启动应变松弛的临界厚度。在这种情况下，岛结构的上部分的松弛的InGaN应变松弛的晶格参数基本上保持在GaN横向生长层中，即GaN横向生长区(层)的平面内晶格参数基本上等于下面的松弛的InGaN岛的晶格参数。此外，由于应变没有通过在GaN横向区(层)中形成额外的缺陷/位错而减轻，那么高质量InGaN柱上表面的缺陷/位错密度基本上保持在GaN横向区(层)中。
因此，本发明的方法产生了样板结构，其包括连续的上表面，该上表面具有基本等于下面的InGaN岛的平面内晶格参数，同时保持优选的缺陷/位错密度。这种具有优选的材料特性的半导体材料的样板结构非常适用于进一步的高质量InGaN材料的生长，该InGaN材料具有与InGaN岛结构相比基本相似或增加的铟含量。
更详细地，图2E描述了中间结构250，其示范了产生例如包含GaN的横向生长区的横向生长的进一步生长的初始阶段。如上文所述，用于控制GaN(或低铟含量InGaN)的横向相对于纵向生长的程度的方法是本领域已知的。
在某些实施例中，生长可从岛结构214的暴露的上部分开始，以更纵向生长的模式，并且在获得需要的纵向高度时切换到更横向的模式，或者从偏移开始(from the off set)采用横向生长模式。在某些实施例中，初始的纵向生长模式可用于提供侧面252，横向生长可从这些侧面开始。此外，可选择生长条件以产生结合了横向和纵向成分的生长模式。适用于获得纵向和横向生长模式的条件是本领域已知的。
更详细地，在图2E中描述了从岛结构214的上部分开始的横向生长的早期阶段；GaN横向生长区254从上岛表面214发源或成核，产生横向晶体生长前端252。在横向生长过程中沉积的GaN横向生长区可认为是继承了上文所述的在其上成核的材料的特性(缺陷密度，晶格参数)。如上文所述，GaN横向生长区154的厚度d保持在临界厚度或之下。用于通过缺陷形成启动应变松弛的厚度d基于生长方法以及下面的InGaN材料的成分，在某些实施例中，GaN横向区的临界厚度小于500nm，在另一实施例中小于250nm，在另一实施例中小于100nm。在某些实施例中，横向生长区包括InxGa1-xN，其铟含量小于x＝0.11，或小于x＝0.08，或小于x＝0.05。
图2F描述了中间结构260，其中横向生长过程处于GaN横向生长区接合以形成横向生长层254的阶段，从而形成III-氮化物材料的基本连续的膜。(图1E的中间结构250的)半导体生长前端252汇聚并合并以形成单个接合的横向生长材料(例如GaN，或低铟含量的InGaN)膜。InGaN岛212的上表面的空间分布、尺寸和结构被优选的优化，从而促进高质量横向生长过程(如上文所述)，例如被分布和间隔从而避免在接合之前的晶体倾斜/扭曲，从而基本避免进一步的缺陷形成。例如中心岛212’和右侧岛212”结构产生接合而不会产生进一步的缺陷/位错的横向生长前端。然而，中心岛212’和左侧岛212产生接合而产生缺陷/位错262的横向生长前端，因为这两个晶种岛结构的不理想的分布和间隔。
因此，中间结构260(图2F的)提供了非常合适的样板结构，用于进一步的III-氮化物材料的生长，例如用于高质量的基本连续的应变松弛InGaN。在某些实施例中，中间结构260用于具有基本上等于下面的岛结构的铟含量的InGaN的生长，而在可选实施例中，中间结构260用于具有比岛结构更高的铟含量的InGaN的生长。
图2G描述了结构270，其示范了在图2F的中间结构260上的额外层的生长。在本发明的某些实施例中，额外层272以更纵向的模式生长，从而形成纵向生长层，其促进半导体材料加厚到需要的厚度。如本领域已知的，纵向生长层通过外延生长参数的变化以优先纵向生长模式生长。应注意，在横向生长层254的接合期间形成的缺陷/位错262被描述为进入并向着纵向生长层272的表面传播。
在某些实施例中，纵向生长层包括具有基本等于下面的岛结构的铟含量的InGaN层。因此，本发明的实施例能够产生应变松弛的、基本单一成分相InGaN的、具有优选的缺陷/位错密度的连续层。产生的层272的厚度可小于约1μm，或达到约100μm，或达到约500μm，或达到约1000μm。
产生的连续纵向生长层272可用于制造电子元件、光伏元件、光学元件、或光电子元件等等。在本发明的可选实施例中，可从中间结构270转移连续半导体层的部分或全部，用于产生独立的或复合类型的衬底。转移过程可通过分离部分连续层来进行，并可还包括键合技术。
在某些实施例中，可通过离子注入和分离技术从中间结构270分离半导体层272的部分，例如采用称为SMART-CUT
Figure BPA00001411641400161
的技术，参见上文针对该过程的描述。
现在参见图3A-3E描述本发明的可选实施例。本发明的可选实施例的很多元件与上文描述的那些等同，因此后续的说明将主要关注可选实施例的新颖的特性。
简要地，本发明的可选实施例采用了上文描述的方法的大部分，但是省略了遮盖结构的形成及产生该遮盖结构所需的相关过程。遮盖层的省略可简化本发明的实施例的过程，而不会牺牲最终产品的质量，即高质量应变松弛连续半导体材料，例如InGaN。
更详细地，图3A等同于图1A，描述了中间结构300，其示范了在基底衬底302上的NL 304的形成，以及具有优选的间隔d的核306的形成。图3B等同于图1B，描述了中间结构310，其示范了InGaN岛结构312的形成，该岛结构具有优选的晶体特征，即具有减小的晶格应变或应变松弛的上表面314。
图3C描述了中间结构350，其示范了利用例如GaN作为横向生长区354的横向生长的初始阶段，产生横向生长前端352。如上文所述，在本发明的可选实施例中，省略了遮盖结构。因此，横向生长从InGaN岛的上表面314开始，并且从岛侧面342开始的横向生长被抑制。用于控制从晶体结构的不同面生长的方法是本领域已知的，例如从纳米级特征(例如岛结构)开始的氮化物的面选择性成核已在文献中报道过(参见例如Lee等的Journal of Crystal Growth，279 289 2005)。在某些实施例中，横向生长区包括InxGa1-xN，其铟含量小于x＝0.11，或小于x＝0.08，或小于x＝0.05。
应注意，尽管横向生长区广泛地发源于半导体岛的上表面，实际上，在图3C的半导体岛中间结构350的其他表面上的一定程度的沉积也可能出现，因为没有遮盖材料来遮盖半导体岛的其他表面。
然后，本发明的可选实施例如上文所述那样继续进行。图3D描述了中间结构360，其示范了横向生长区的各个生长横向前端的接合，以形成基本连续的横向生长层354，包含缺陷362。进一步地，图3E描述了结构370，其示范了通过采用更纵向的生长模式将纵向生长层372增加到中间生长结构360，从而外延生长纵向生长模式材料层到需要的厚度。由于InGaN岛的表面的自然性质以及横向生长层继承的这些特性，纵向层372具有提高的质量。
产生的连续纵向生长层372可用于制造电子元件、光伏元件、光学元件、或光电子元件等等。在本发明的可选实施例中，可从中间结构370转移部分或全部的连续半导体层，用于产生独立的或复合类型的衬底。转移过程可通过部分连续层的分离来实现，也可包括键合技术。
在某些实施例中，半导体层372的部分可通过离子注入和分离技术从中间结构370分离，例如采用称为SMART-CUT
Figure BPA00001411641400171
的技术，参见上文描述过的这种过程。
进一步地，现在参考图4A-4E描述本发明的可选实施例。本发明的可选实施例的很多元件等同于上文描述的那些，因此后续的说明将主要关注可选实施例的新颖的特性。
简要地，本发明的可选实施例采用上述方法的大部分，但是省略遮盖结构的形成以及产生该遮盖结构所需要的相关过程。然而，在这些可选实施例中，广泛地从岛结构的侧面开始横向过度生长成核，从而形成岛结构之间的横向生长区。因此本发明的这些可选实施例产生了中间结构，其包含具有位于应变的横向生长区之间的松弛的岛结构的上表面。因此，中间结构的上表面的实质部分具有等于松弛的岛的上部分的晶格参数的平面内晶格参数。
更详细地，图4A等同于图1A，描述了中间结构400，其示范了在基底衬底402上的NL 404的形成，以及具有优选的间隔d的核406的形成。图4B等同于图1B，描述了中间结构410，其示范了InGaN岛结构412的形成，该岛结构具有优选的晶格特征，即具有减小的晶格应变或应变松弛的上表面414。
图4C示意性描述了中间结构420，其示范了横向生长的早期阶段，其中横向生长从岛结构412的侧面442(及其等价物)开始广泛地成核。更详细地，用于产生基本上更横向的生长的方法是本领域已知的，其与从岛结构的侧面开始的纵向生长相反，如前文所述。因此横向生长区454源自侧面442并随着生长过程的继续横向地扩展。
如上文在某些实施例中所述，用于产生横向生长区454的横向生长材料能够以与纵向生长模式相反的更横向的模式生长，这种材料例如包括GaN和低铟含量InxGa1-xN(例如x＜0.05)。在某些实施例中，横向生长区包括InxGa1-xN，其铟含量小于x＝0.11，或小于x＝0.08，或小于x＝0.05。如上述实施例所述，横向生长区可生长到小于或等于临界厚度的厚度，这样横向生长区保持岛结构的晶格参数和应变特征，其中横向生长区从该岛结构开始成核。还应注意，因为横向生长区广泛地从岛结构412的侧面424的表面开始成核，成核也将从区416开始，即应变和缺陷的水平可能不理想的区。
图4D示意性描述了中间结构430，其示范了在完成形成连续膜的接合的阶段的横向生长区的形成，其中连续膜包括岛结构412和横向生长区454。因此中间结构430的上表面414包括InGaN岛412的松弛的上表面和横向生长区454。由于横向生长区从岛结构412开始成核，并且厚度保持在临界厚度或之下，横向生长区将继承岛侧面的晶格参数和应变水平。
因此中间结构430包括样板结构，其非常适用于生长进一步的高质量松弛III-氮化物材料，例如InGaN。因此，图4E示例性地描述了中间结构440，其示范了从中间结构430的表面414开始的额外的纵向生长层472的生长。在上述实施例中，纵向生长层可生长到特定成分和厚度，如上文所述，并可通过上文所述的技术用于形成进一步的结构或器件，或可被转移用于制造衬底结构的部分。
现在描述多个示例以进一步地描述本发明的实施例。应理解，在以下示例中，物理参数(例如时间、温度等)只是为了描述的目的，而不作为限制。
示例
图5描述了采用本发明的上述实施例，形成在基底衬底上的InGaN岛结构的实际示例的扫描电子显微镜(SEM)俯视图，以及图6A-6B描述了其透射电子显微镜(TEM)侧视图。在特定的岛结构612、612’和612”中(图6A)，对应于图1B中的中间结构110。
图5和图6A-6B的岛结构通过以下方法产生。在沉积InGaN岛结构之前，用MOVPE反应器加热蓝宝石衬底到600-900℃之间的温度，在某些实施例中，温度保持在750℃，同时将氨引入反应腔中3-5分钟，从而使蓝宝石表面氮化。随后，MOVPE反应器温度被升高到800℃到1000℃之间；在优选的实施例中，在隔离的InGaN特征生长期间温度保持在860℃。生长期间的压力范围保持在200mbar到400mbar之间，在优选的实施例中，压力保持在300mbar。V族物种(V species)(例如氨)与III族物种(III species)(例如三甲基镓、三甲基铟)的比率被保持偏低以促进3-D柱生长；所采用的V/III比率在500-2500之间，优选地为1000。
图5表明，岛结构或多或少是随机放置的，具有最大约250nm间隔。该岛结构或其小组群是分开的且隔离的。图5的岛512描述了隔离的随机分布的岛结构的示例，此外基底衬底502(在该示例中为蓝宝石衬底)清晰可见，描述了岛结构之间的分界线。尽管大多数岛结构是各自分开和隔离的，少量的岛结构生长在一起形成了2-3个柱/岛的组群，例如组群505。
图6A描述了优选的基底衬底602的另一示例的高分辨率透射电子显微镜(HR-TEM)提供的截面图，该基底衬底包括多个InGaN岛结构612、612’、612”和612”’，其如上文所述那样产生。在该示例中，岛状特征612、612”和612”’相比于垂直尺寸具有更大的水平尺寸，并且可与图1B的中间结构110的岛状特征112和112”可比。此外，岛状特征612’(图4A)具有大约相等的水平和垂直尺寸，并且可与图1B中的岛状特征112’可比。通常岛结构是空间分离的，其间隔非常适于后续的横向生长过程。
此外，在该示例中，岛结构具有大约相等的高度，约为30nm。某些特征具有近似矩形的横截面，并可认为更像柱状。某些其他特征具有近似三角形的横截面，并可认为更像棱锥状。其他特征具有一个或多个倾斜水平面，并可认为是截棱锥或具有锥顶的柱体。
图6B描述了又一高分辨率HR-TEM图像，其描述了InGaN岛结构的生长的初始阶段。区域605对应于基底衬底，在该示例中由蓝宝石衬底构成。该HR-TEM图像清晰地显示了蓝宝石衬底良好排序的晶体结构，如通过原子结构的排序周期观察到的那样。然而，基底蓝宝石衬底之上的区域607，即在InGaN岛生长的初始阶段，晶体结构的周期稍微混乱了，这是因为例如缺陷的形成，例如不合适的位错、因为基底衬底和岛结构之间，即蓝宝石和InGaN岛结构之间的晶格失配。
上述稍微混乱的InGaN区域607被置于区域609，在这里又观察到了良好排序的周期，指示回到了更加有序的晶格结构。对区域609的进一步的分析指出，InGaN材料由具有松弛的晶格参数的In0.18Ga0.82N构成，标志着区域609的InGaN材料适用于后续的横向生长和连续的应变松弛半导体膜的形成。
图6C描述了又一HR-TEM图像，其描述了通过与图1A-1F中示意性描述的那些实施例相似的本发明的实施例产生的应变松弛InGaN材料的基本连续层的形成。基底衬底602清晰可见，如前述示例一样，其包括蓝宝石材料。在蓝宝石基底衬底之上是应变松弛InGaN材料652的连续层，其通过从图6A的InGaN岛结构612开始进一步生长的方法产生。
在该示例中，通过从岛结构开始的基本上各向同性的进一步生长来产生该进一步生长，以产生具有约850nm的厚度的连续层。与图1D类似，应变松弛InGaN层636的表面包括沟槽区634，其中初始岛结构的拓扑被保持，层从该初始岛结构开始形成晶种。为了产生适用于进一步处理的应变松弛InGaN材料层，表面636可能需要平坦化，例如采用诸如化学机械抛光等方法。
上文描述的本发明的优选实施例不限制本发明的范围，因为这些实施例仅描述了本发明的几个方面。任何等价的实施例都包含在本发明的范围内。事实上，除了这里显示和描述的之外，本发明的各种修改，例如所描述的元件的替代的有用组合，对于本领域技术人员来说从后面的描述来看是显而易见的。这些修改也落入权利要求书的范围之内。在后面(并且在作为整体的本申请中)，标题和图例仅用于清晰和方便的目的。

Claims (18)

1.一种制造半导体结构的方法，该方法包括：
形成具有第一材料成分的多个随机分布的岛结构，特别是通过外延生长在晶格失配的基底衬底上形成；
从所述岛结构开始进一步生长，所述进一步生长的成分包括第二材料成分；以及
进行纵向生长以形成纵向生长层，所述纵向生长层的成分包括第三材料成分。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述随机分布的岛结构包括应变松弛区，以及其中进一步生长基本上源自所述岛结构的应变松弛部分。
3.根据权利要求1所述的方法，其中从所述岛结构开始的所述进一步生长形成横向生长区。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述横向生长基本上源自所述岛结构的上表面，或源自所述岛结构的侧面。
5.根据权利要求1所述的方法，其中从所述岛结构开始的所述进一步生长形成各向同性生长区。
6.根据权利要求5所述的方法，其中通过化学机械抛光过程对所述各向同性生长区或所述纵向生长层进行平坦化。
7.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在所述基底衬底上形成遮盖结构，从而所述岛结构的上部分透过该遮盖结构而暴露。
8.根据权利要求3所述的方法，其中所述横向生长区厚度保持在所述横向生长区的临界厚度或之下。
9.根据权利要求3所述的方法，其中所述横向生长区接合以形成基本连续的横向生长层。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一材料成分、所述第二材料成分和所述第三材料成分包括InxGa1-xN，特别是其中所述第二材料成分包括GaN。
11.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一材料成分和所述第三材料成分基本相等。
12.根据权利要求1所述的方法，其中所述纵向生长层包括基本连续的应变松弛层。
13.根据权利要求7所述的方法，其中所述遮盖结构是通过沉积一种或多种介电材料，接着进行后续的平坦化，特别是接着进行化学机械抛光方法或等离子体腐蚀方法而形成的，从而暴露所述岛结构的上部分。
14.一种半导体结构，包括：
在晶格失配基底衬底之上的多个随机分布的岛结构；
多个进一步生长区；以及
纵向生长层。
15.根据权利要求14所述的结构，其中所述随机分布的岛结构基本上是应变松弛的。
16.根据权利要求14所述的结构，进一步包括基本上覆盖暴露的基底衬底的一种或多种介电遮盖材料。
17.根据权利要求14所述的结构，其中所述进一步生长区包括横向生长区，所述横向生长区的厚度小于临界厚度，以及其中所述横向生长区形成基本连续的膜，该膜的厚度小于临界厚度。
18.根据权利要求14所述的结构，其中所述纵向生长层包括应变松弛的基本连续的InxGa1-xN层，其中铟成分大于x＝0.02。
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