CN102668027A - 基于半极化纤锌矿型第iii族氮化物的半导体层和基于前者的半导体元件 - Google Patents
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Abstract
第III族氮化物层在电子学和光电子学中的应用广泛。这种层的生长一般在如蓝宝石、SiC以及最近的Si(111)等表面上进行。此时所得到的层一般在生长方向上为极化的，或者具有c-轴取向。对于光电子学领域中的许多应用以及在SAW中的声学应用而言，非极化或半极化第III族氮化物的层的生长是受到关注或者必要的。根据本发明的方法实现了简单价廉的生长极化降低的第III族氮化物层，且无需衬底的预结构化。
Description
本发明涉及基于半极化纤锌矿型第III族氮化物的半导体层以及基于前者的半导体元件。
第III族氮化物层一般在衬底上沿极化c轴定向生长。但是，对于许多应用而言，关注的是GaN极化降低或非极化生长。在发光体的情况中，由于量子约束的斯塔克作用(Quantum Confined Stark Effect)期望更高的发光产率，在SAW元件的情况中，允许弱耦合表面波的激发，从而可以在液体中测量涂层厚度、吸收等。到目前为止，仅可以在r面或m面蓝宝石以及从c轴倾斜的六方SiC衬底(即在a面或m面SiC衬底)上生长这种层。在工业中廉价和易于加工的硅上，c面GaN的生长几乎一直是占主导地位的。对此，尽管已经显示有在Si(001)上使用特殊的工艺控制形式生长高度织构化的r面GaN(F.Schulte,J.
A.Dadgar,and A.Krost,Appl.Phys.Lett.84,4747(2004))，但是由于此时出现的四个等同的定向而仅能使用不适于应用的表面。还已经显示，极化降低的GaN可以在结构化的硅上通过合适的预处理衬底表面而获得，例如通过掩膜刻蚀等(参见，例如，M.Yang,H.S.Ahn,T.Tanikawa,Y.Honda,M.Yamaguchi,N.Sawaki,J.Cryst.Growth 311,2914(2009)或T.Tanikawa,D.Ruolph,T.Hikosada,Y.Honda,M.Yamaguchi,N.Sawaki,J.Cryst.Growth 310,4999(2009))。
在硅衬底上直接获得平面极化降低的层而无需复杂的结构化，这到目前为止尚没有实现。其中的一个原因是在大多数闪锌矿或金刚石结构材料的半导体表面上，在高温下生长的成核层导致c轴取向。
理论上，第III族氮化物层的极化降低定向可以通过使用具有闪锌矿或金刚石结构以及具有与(111)面的取向差大于9°的面的平面衬底上实现，如权利要求1所述。在硅的情况中，例如，这种面常常由一系列稳定的(111)面与(001)-型阶梯或面交替所形成。使用合适的工艺控制，GaN c-面取向在(111)面上生长，并且因此相对该面倾斜一个相应的角。这特别通过在小倾角如Si(211)的情况下很好的实现，这是因为(111)面台阶(Terrasse)为数个原子宽。如果第III族氮化物层需要相对面法线显著更大的角度，那么应当使用(111)面相对面法线尽可能倾斜的衬底。这些面例如有Si(311)、Si(411)、Si(511)等。在此建议的是，如权利要求8所述，衬底经过预处理，即通过物理或化学方法进行处理生成具有(111)面的宽阶梯，其中所得的(111)台阶具有三重面对称。合适的预处理方法可以实现更高的阶梯，并且因此实现更宽的(111)面，在该面上第III族氮化物层然后几乎仅以c轴取向生长。为了防止污染，理想的是将衬底在超纯的加热腔中加热，然后外延，由此迫使阶梯聚集(Clustern)以及形成更宽的(111)台阶。
理想的是，生长在第IV族半导体表面上进行，如权利要求5所述，尽管闪锌矿型材料如GaAs、GaP或InP也是合适的。这最终与要应用的生长温度相关。例如，不可能在标准温度(1050°C)下在锗上在MOVPE中生长GaN层，因为熔点低于1000°C。但是，这种衬底非常适合低温外延，例如在MOVPE中更好是在MBE中。上述描述对低温下在锗上的生长也同样成立。
对于这种生长，理想的是(211)、(311)和(322)取向的面，如权利要求2至4所述。特别的硅表面如Si(211)、(311)和(322)，以及其他具有高比例Si(111)台阶的表面，就此而言是合适的。重要的是，如权利要求9所述，具有(111)面宽阶梯的台阶，其中所得(111)台阶的宽度至少为两个单层的宽度，即，这些台阶不仅仅是阶梯边缘，而是在一个面中具有至少三个邻接表面原子，因此可认为是三重面对称。具有更高指数的面，如(411)和(511)，也是合适的，但是取决于生长温度和预处理，这是因为在此也可以形成更宽的(111)面截面，并且因此给出了合适的种晶条件。但是，已经发现，倾角越大，生长越困难，这是因为由于雏晶(Kristallite)种晶(Ankeimen)的定向更加糟糕以及定向良好的晶种(Keime)的密度减小而导致雏晶相对彼此发生更严重的扭曲和倾斜。
图2显示了可能的表面设置的示意图。其中可见可能的阶梯(201)、位于其间的(111)面的台阶，其显示出表面原子的零对称(202)或三重对称(203)。这表示，取决于材料，阶梯应当为至少0.3nm宽，或者根据权利要求9，为两个单层宽。
没有这种设置，则第III族氮化物层的生长不是单晶形式，或者不是在一个排列上织构化的，这对于高品质的封闭层是必要的。
为了使成核(Bekeimung)引起单晶生长，有利的是，在气相方法中成核层在低于900°C的一个或多个温度下生长，以及在分子束方法和溅射方法中成核层在低于700°C的一个或多个温度下生长，如权利要求6所述。因此，成核层在显著低于GaN和AlN的一般生长温度(在如MOVPE或HVPE的方法中高于1000°C)下生长。约700°C的温度是理想的。相反，在低温工作的方法中，成核层温度的明显降低不是必须的。通过应用这种低温成核，仅在(111)面上实现了允许单晶生长的成核。在所有其他晶体取向中，成核显著地倾向于多晶。因此，不具有c轴取向的晶种在所述其他面上的生长更缓慢，并且在(111)面上生长的取向好的雏晶占主导地位，因此生成了单晶层。
对于在明显高于900°C的温度下操作的方法，对于GaN的生长还有利的是成核层(Keimschicht)含有高百分比的铝，如AlN、AlGaN、AlInN或AlGaInN，如权利要求7所述。这防止了会破坏层和衬底的回熔腐蚀(meltbacketching)反应。
使用所述的制备方法，可以制备多种元件，其中极化降低具有有利的效果。这些元件包括发光二极管、晶体管、MEMS和基于SAW的滤器和传感器。
下面简短描述后续元件所需的缓冲层的制备。
层的生长一般优选地开始于对衬底表面的预处理，从而从衬底上清除有机残余物并除去氧化物。这通过使用湿法化学方法或者加热方法(Aufheizverfahren)进行，其中在第IV族衬底的情况中后者优选在超纯的腔中进行，从而防止表面上任何不期望的污染。湿法化学方法常常基于例如使用H2SO4对表面进行有目的的氧化，并接着通过HF除去氧化物。以此方式，可以得到氢封端的表面，其使得可以首先形成所需的阶梯(Stufe)，这是因为经氧化的表面一般不具有任何所需的晶体设置。然后将以此方式预处理的衬底置于反应器腔(Versuchskammer)中，并且为了后续成核，尽可能快地升温至成核温度。成核层的生长优选开始于预流
第III族元素以实现在单层范围的覆盖。这防止了任何不利的衬底表面的氮化。该步骤的精确执行取决于层制备工艺和反应器几何参数。重要的是，成核以如下方式实施：衬底的表面原子不因为不受控的氮化而失去它们的规则设置，这接着可以引起多晶生长的增加。然后氮前驱体的引入导致了第III族表面原子(一般在紧挨着之前施用)的氮化，并且导致了成核层的生长，通常为10至50nm厚。接着进行生长暂停，期间该表面使用氮前驱体稳定化，将温度设定为更厚的高品质层所需的生长温度，并且生长元件缓冲层。然后生长元件的活性层或功能层。
为了获得c轴的倾斜角更大的极化降低的层，有必要使用本身仅具有少量(111)面的的衬底。在这种情况中，有利的是通过处理衬底实现表面上更剧烈的阶梯形成(step bunching)和因此更宽的台阶。这常常通过回火工艺实现，其中衬底在合适的载气流(H2或N2)中加热，由此对表面进行修饰。取决于衬底类型，表面必须通过该工艺进行稳定化以防止任何降解，如使用砷稳定化GaAs的生长，使用磷稳定化InP和GaP的生长。在硅的情况中，在MOVPE工艺中，至少必须关注反应器的沉积物(Ablagerung)不因为加热发生解吸。在一些反应器中，其中被之前实验所覆盖的内壁经过置换，这可以简单的实现，在另一些反应器中，不仅要监控温度还要监控该步骤的持续时间。在此，有利的是MBE，或者另一个用于预处理的腔，其连接至MOVPE反应器并理想地在衬底仍热时将其转移。
当在具有闪锌矿结构的第III-V组衬底的与(111)面的取向差大于9°的表面上生长时，衬底表面的至少一个单层的氮化可以通过引导氨、释氮化合物或氮自由基经过该表面而进行，然后第III组氮化物开始生长，如权利要求10所述。当在第III-V族闪锌矿衬底上生长如GaAs时，可以通过氮化上衬底层、在GaAs的情况下、将衬底转化为GaN。该方法一般通过在＞350°C的温度下注入氨或氮自由基开始。在实现足够的保护性第III族氮化物层后，温度一般进一步增加至第III族氮化物生长的最佳温度，并且开始生长元件层。甚至可以使用这种方法实现单晶生长而无需迫使宽(111)台阶。该方法还可以开始于用第V族元素初始稳定化III-V半导体层，例如，在GaAs的情况中使用As前驱体，然后通过添加氮源转化该前驱体。该方法还允许更高的转化温度，这是因为可以防止第V族元件在接通氮源之前蒸发。
现在描述在MOVPE方法中在硅衬底上的生长。在清洁衬底后，将衬底置于反应器或涂覆腔中，并加热至约680°C，理想地是在氢气气氛中。由于氢气气氛，可以使制备的氢封端的表面稳定化，这对于成核是有利的。该持续约2至15秒的第一步涉及给料初始的铝物料流(
vonAluminium)，其中铝为铝前驱体如三甲基铝的形式。之后进行以下步骤：打开氮前驱体如氨，或如三甲基肼，这在低温是非常合适的。铝进料理想地保持同时打开。氨导致之前沉积的Al氮化形成AlN，并且在该方法的后续过程中生长出部分有序但部分无序的AlN层。与(111)型表面相比，具有高比例(001)阶梯的区域一般显示出雏晶更大的无序。
已经发现，有利的是保持高进料速度的Al前驱体，如三甲基铝，即对于所需倾斜取向的雏晶而言的较高生长速率。但是，理想的参数取决于反应器的类型，且在典型的工程意义上必须通过优化参数来确定。
由于该初始的、排列有缺陷的成核，在接着于约1050°C的温度生长如GaN层时，不期望的取向也可能会生长。但是，生长明显受到有序雏晶的主导，因为它们生长的更快，并且因此迅速超过无序的雏晶。由此得到的高度无序层的厚度常常为约30nm，很少为100nm或以上。只有通过优选生长择优取向的雏晶才可能生长平滑、封闭的单晶层。在MOVPE工艺中以及在其他操作温度类似的工艺中于硅上生长的情况下，由于镓与硅在高温下经常发生会引起破坏层的所谓的回熔腐蚀。这可以基本上被AlN成核层防止，所述AlN层如这里所使用的。但是，对于所述工艺理想的成核层由于厚度常常很小、仅为约10nm以及多晶的生长一般不是完全封闭的。为了抑制可能在后续生长中发生的Ga和Si之间的反应，建议例如在MOVPE工艺中于正常生长温度下如高于950°C生长保护性含Al层如AlGaN，该层具有30~300nm的厚度，一般以充分保护衬底的方式封闭生长。铝在该层中的浓度为约15%足以提供保护作用。相反地，在MBE生长中，原则上可以将GaN直接施用至衬底并且不使用AlGaN层。为了防止冷却时由于层与衬底之间的热失配(thermische Fehlanpassung)而产生开裂，有利的是在层厚为约1μm或以上时，将预加应力的AlGaN层引入底部缓冲层中，或者使用LT-AlN-中间层。由于初始时材料品质糟糕以及通常在数百纳米后得到的封闭层，使用AlGaN缓冲层对于受压的预加应力的GaN层，如文献中经常记载的，不是很有效的。在此情况中，使用LT-AlN-层更加有效。由于垂直于第III族氮化物层的c轴的热膨胀系数低，裂纹发生的倾向随着倾角的增加而降低，即，在此不使用降低应力的层就可以得到无裂纹的层厚超过1μm的层厚。
下面简要地说明附图：
图1示意性显示了例如第III族氮化物层相对具有(211)面的第IV族衬底的可能界面的截面图。所述面由(111)台阶和(001)阶梯构成。(111)台阶相对该面法线倾斜约18°。由于c轴取向的第III族氮化物层在该(111)面上的垂直生长，第III族氮化物层以相对该衬底面法线倾斜约18°生长，这大致相应于(1016)面。
图2显示了倾斜的(111)面的示意图，其中仅(111)截面可见。在阶梯(201)之间可以形成具有(111)面的台阶，其为仅一个单层宽(202)或更宽(203)。在窄的台阶(202)上没有观察到表面原子的三重对称，这种对称仅存在于更宽的台阶(203)上。但是，这对于生长高品质的层是绝对必要的，这是因为只有这样，衬底上才可能有充分取向的第III族氮化物层。
图3显示了在Si(211)面上的GaN层的电子光栅图片。仍然存在的凹坑可以通过优选生长工艺而消除。
本发明涉及在闪锌矿或第IV族衬底上的所有第III族氮化物，其具有与(111)面的取向差大于9°，其还可以具有(111)面或(111)阶梯。在此所使用的面或方向的符号，()表示面，[]表示方向，意在包括所有等价的面和方向，如在(111)面的情况中包括(111)、(111)、(111)、(111)、(111)、(111)、(111)。本发明还涉及所有的适合制备第III族氮化物层的外延制备方法。对此，必须经常调节生长温度和V-III的关系使其适合该方法的实际条件。例如，在MBE中的生长温度通常比MOVPE或HVPE方法中的温度低数百度。如权利要求1所述的相对(111)面法线倾斜大于9°在性质上向上受到相对(110)或(001)面倾斜小于7°的面的限制。对于这些取向，在文献中记载了Si的单晶c轴取向生长，相应倾斜生长不可能有意义，因为小的倾角对极化降低没有可感知的作用。对半极化元件层的生长而言必要的是相对(111)面的倾斜，其实现了(111)-型面部分的形成。
缩写：
FET： 场效应晶体管
HVPE： 氢化物气相外延
MBE： 分子束外延
MEMS： 微电化学系统
MOVPE，MOCVD：金属有机气相外延
SAW： 表面声波
Claims (11)
1.基于半极化纤锌矿型第III族氮化物的半导体层，
其特征在于
在具有闪锌矿或金刚石结构且具有与(111)面的取向差大于9°的面的平面衬底上生长。
2.根据权利要求1的基于半极化纤锌矿型第III族氮化物的半导体层，
其特征在于
在(211)取向的面上的生长。
3.根据权利要求1的基于半极化纤锌矿型第III族氮化物的半导体层，
其特征在于
在(311)取向的面上的生长。
4.根据权利要求1的基于半极化纤锌矿型第III族氮化物的半导体层，
其特征在于
在(322)取向的面上的生长。
5.根据前述权利要求中至少一项的基于半极化纤锌矿型第III族氮化物的半导体层，
其特征在于
在第IV族半导体表面上的生长。
6.根据前述权利要求中至少一项的基于半极化纤锌矿型第III族氮化物的半导体层，
其特征在于
在气相方法中成核层在低于900°C的一个或多个温度下生长，以及在分子束方法和溅射方法中成核层在低于700°C的一个或多个温度下生长。
7.根据前述权利要求中至少一项的基于半极化纤锌矿型第III族氮化物的半导体层，
其特征在于
含Al的成核层的生长。
8.根据前述权利要求中至少一项的基于半极化纤锌矿型第III族氮化物的半导体层，
其特征在于
通过物理或化学方法形成的具有(111)面的宽阶梯，其中所产生的(111)台阶具有三重面对称。
9.根据前述权利要求中至少一项的基于半极化纤锌矿型第III族氮化物的半导体层，
其特征在于
具有(111)面的宽阶梯的形成，其中所产生的(111)台阶具有的宽度为至少两个单层。
10.根据前述权利要求中至少一项的基于半极化纤锌矿型第III族氮化物的半导体层，
其特征在于，
在具有闪锌矿结构的III-V衬底的与(111)面的取向差大于9°的面上的生长，以及在第III族氮化物生长开始之前通过引导氨、释氮化合物或氮自由基经过对所述衬底的面的至少一个单层的氮化。
11.半导体元件，
其特征在于，
所述半导体元件基于根据权利要求1至10中一项或多项的半导体层。
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|---|---|---|---|---|
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Families Citing this family (3)
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Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5843227A (en) * | 1996-01-12 | 1998-12-01 | Nec Corporation | Crystal growth method for gallium nitride films |
| CN1670918A (zh) * | 2004-03-17 | 2005-09-21 | 住友电气工业株式会社 | 制备单晶GaN衬底的方法及单晶GaN衬底 |
Family Cites Families (5)
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|---|---|---|---|---|
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Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5843227A (en) * | 1996-01-12 | 1998-12-01 | Nec Corporation | Crystal growth method for gallium nitride films |
| CN1670918A (zh) * | 2004-03-17 | 2005-09-21 | 住友电气工业株式会社 | 制备单晶GaN衬底的方法及单晶GaN衬底 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| MIN YANG ET AL: "Maskless selective growth of semi-polar(1122)GaN on Si(311) substrate by metal organic vapor phase epitaxy", 《JOURNAL OF CRYSTAL GROWTH》 * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111448674A (zh) * | 2017-12-05 | 2020-07-24 | 阿卜杜拉国王科技大学 | 用于形成分级纤锌矿iii族氮化物合金层的方法 |
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