CN103548117A - 改善的iii族氮化物缓冲层生长的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开以先进多重缓冲层技术生长高结晶质量III族氮化物外延层的方法。在实施例中，本发明的方法包括在氢化物气相外延处理系统的处理腔室中的合适衬底上形成含铝III族氮化物缓冲层。在缓冲层沉积期间，将卤化氢或卤素气体流入生长区内，以抑制均质颗粒形成。含铝低温缓冲物(如，AlN、AlGaN)及含铝高温缓冲物(如，AlN、AlGaN)的某些组合可用来改善后续生长的III族氮化物外延层的结晶质量及型态。可将缓冲物沉积于衬底上，或可将缓冲物沉积于另一个缓冲物的表面上。额外的缓冲层可被加入作为III族氮化物层(如，GaN、AlGaN、AlN)中的夹层。

Description

改善的III族氮化物缓冲层生长的方法
本申请案主张于2011年5月20日提出申请的美国专利临时申请案第61/488,675号以及于2012年5月10日提出申请的美国专利申请案第13/469,050号的权益，两个案件的内容以引用方式并入本文中。
技术领域
本发明的实施例涉及处理系统中的改善的半导体III族氮化物缓冲层生长的方法。
背景技术
由于含铝(Al)III-V族化合物半导体被用来制造许多电子器件，因此含铝(Al)III-V族化合物半导体具有显著的价值。III族氮化物GaN、AlN及AlGaN合金是极为重要的材料而广泛用在光电子学(如，固态发光)及高功率电子等应用中。金属-有机气相外延(metal-organic vapor phase epitaxy；MOVPE)为主要的沉积方法，但氢化物气相外延(hydride vapor phase epitaxy；HVPE)为III族氮化物的替代性外延生长方法。一般而言，HVPE工艺涉及一或多种金属卤化物与氢化物的反应。就III族氮化物材料的生长来说，典型使用金属氯化物及氨(NH3)。
在AlN HVPE工艺中使用三卤化铝(aluminum trihalide)的一个挑战在于，均质反应及作为均质反应的结果的气相中的AlN颗粒形成。已显示，伴随着AlN膜的形成，会于气相中形成某些颗粒。用于AlN颗粒形成的整体一次性操作均质反应与用于异相反应相同，但中间反应路径将会不同。通常很难由实验来判断均质反应所涉及的反应中间产物的名称（identity）。一般而言，若三卤化铝与NH3彼此相遇时，可能会出现AlRx-NHx型态(其中x=1至3，且R=Cl、Br或I)的加合物化合物作为气相反应的结果。也可能同步形成寡聚物形式。气相中的大量单体及高阶寡聚物最终将在反应器腔室中产生AlN的小型悬浮颗粒。
当三氯化铝(AlCl3)与NH3混合时，二者即刻反应而于气相中产生AlN纳米颗粒。就AlN颗粒形成的整体一次性操作均质反应如下。
AlCl3(g)+NH3(g)=AlN(颗粒)+3HCl(g)    (1)
在低温下过早预混合气体、沉积腔室的大容积，以及低的总体气流可显著增加反应器中的AlN纳米颗粒的标称滞留时间(nominal residence time)。结果将使AlN颗粒的尺寸增加。AlCl3的高滞留时间及高分压可导致在气相中产生可见的AlN粉末。
可在大气的热壁式HVPE反应器中的AlCl3-NH3-Ar系统内直接观察到AlN颗粒，而无须通过先前方式的任何额外的光学工具(如原位激光散射)。在生长工艺期间，悬浮微粒存在于反应器中。悬浮微粒看起来像是窄的薄雾带，位于距离反应器壁2mm至3mm处。
可根据由另一个先前方式所建议的模型，来解释在HVPE工艺中的AlN粉末的均质形成。气相反应如下：
AlR3(g)+NH3(g)=AlR3-NH3(s)       (2)
AlR3-NH3(s)=AlR2-NH2(s)+HR(g)    (3)
AlR2-NH2(s)=AlR-NH(s)+HR(g)      (4)
AlR-NH(s)=AlN(s)+HR(g)           (5)
其中R=Cl、Br或I。
因此，AlN纳米颗粒(AlN粉末)代表气相化学反应链的终产物。
使用AlCl3及NH3，作为起源物种(parent species)，另一种方式在由预混合区(460℃)、升温区(自460℃至反应温度)、反应区(自700℃至1100℃的恒定温度范围)及颗粒收集区(600℃)所构成的反应器中沉积氮化铝。此方式建议化学气相沉积工艺起始于当AlCl3与NH3在反应器的预混合区中混合时，加合物分子(adduct molecule)，AlCl3-(NH3)x的形成。这些加合物分子在气相中形成团簇和AlN颗粒。衬底上的AlN层的产生速率及气相中的AlN颗粒的产生速率各自于AlCl3-NH3-He系统中决定。已发现到，尺寸范围自0.8nm(700℃)至0.5nm(1100℃)的AlN团簇的形成，是AlN快速生长的关键工艺。
然而，均质工艺及形成于气相中的AlN颗粒可对异质AlN层沉积造成负面影响。负面影响包括沉积速率及产率的下降，以及不佳的厚度均匀度。
在气相中形成的颗粒可能是膜中的巨型污染物及其它结构缺陷的来源。表面粗糙度也可取决于寄生均质反应。
因此，AlN颗粒在表面反应(落在AlN外延层的表面上)中的参与重度取决于腔室设计和工艺条件，即，温度、物种浓度、气体速度及总压力。AlCl3-NH3HVPE系统中的均质气相反应阻碍了优质外延AlN膜的生长。
发明内容
本发明公开以先进多重缓冲层技术生长高结晶质量的III族氮化物外延层的方法。在一个实施例中，本发明的方法包括在氢化物气相外延处理系统的处理腔室中提供合适的衬底。所述方法包括通过下列步骤形成含铝III族氮化物缓冲层：将氨气流入处理腔室的生长区内，流入一或多种含金属卤化物前驱物(其中至少一种为含卤化铝前驱物)至生长区，且同时将额外的卤化氢或卤素气体流入处理腔室的生长区内。流入生长区内的额外卤化氢或卤素气体于缓冲层沉积期间抑制均质颗粒形成。含铝低温缓冲物(如，AlN、AlGaN)及含铝高温缓冲物(如，AlN、AlGaN)的某些实施例可用来改善后续生长的III族氮化物外延层的结晶质量及型态。
附图说明
本发明的实施例由示例方式而非限制方式在附图中说明，所述附图为：
图1为图示根据一个实施例以低温缓冲层增进高质量III族氮化物膜(如，GaN薄膜)生长的方法的流程图；
图2为图示根据一个实施例以高温缓冲层增进高质量III族氮化物膜(如，GaN薄膜)生长的方法的流程图；
图3a图示1微米×1微米的蓝宝石衬底表面的AFM图像300；
图3b至图3f图示根据一个实施例的额外Cl2流对沉积于蓝宝石衬底上的高温AlN缓冲层的表面型态的影响；
图4图示根据一个实施例于AlN沉积操作期间，在不同流量的额外Cl2下，沉积于蓝宝石衬底上的高温AlN缓冲物的均方根粗糙度(Rms)(以纳米计)；
图5a至图5f图示根据一个实施例供HVPE系统于蓝宝石结构上沉积GaN所用的多重缓冲物的位置的数个实例；
图6图示根据一个实施例以在HVPE系统中生长的多重缓冲层增进高质量III族氮化物(如，GaN、AlGaN)层的生长的方法；
图7a图示根据一个实施例沉积于(0001)蓝宝石衬底上的4.8μm的GaN的在轴(on-axis)(002)尖峰的X-光摇摆曲线，且图7b图示根据一个实施例沉积于(0001)蓝宝石衬底上的4.8μm的GaN的离轴(off-axis)(102)尖峰的X-光摇摆曲线；
图8图示根据一个实施例的HVPE装置；
图9示意地图示一个实施例中的多腔集成设备的物理结构；以及
图10图示根据一个实施例的器件的剖面图。
具体实施方式
在下方的描述中提出众多的细节。然而，明显可见，对于熟悉本领域的技术人员来说，在没有这些特定细节时，也能实施本发明。在部分实例中，已知的方法及器件以方块图表示，而非详细示出，以避免对本公开内容造成混淆。在本说明书中提及“实施例”时意指参照所述实施例所述的特定的特征、结构、功能或特性被包含在本发明的至少一个实施例中。因此，在本说明书的各处中出现词语“在一实施例中”时，并不必然参照到本发明的相同实施例。进一步，可在一或多个实施例中以任何适当的方式结合特定的特征、结构、功能或特性。举例而言，第一实施例可与第二实施例结合，只要这两个实施例非互斥。
在一个实施例中，公开一种通过氢化物气相外延(HVPE)生长含铝III族氮化物半导体外延层的改善的方法。在一个实施例中，通过将氨气及含卤化铝前驱物(或至少一种含卤化铝前驱物)流入处理腔室的生长区内，并同时将卤化氢或卤素气体流入处理腔室的生长区内，来形成AlN层(或含Al的III族氮化物层)。流入生长区内的卤化氢或卤素气体可抑制AlN(或含Al的III族氮化物)颗粒的均质形成。举例而言，可以用大量的三氯化铝(AlCl3)气体及氨气在合适的衬底上制造AlN层。该方法利用额外的Cl2气体来抑制AlN层的氢化物气相外延期间的AlN颗粒均质形成。通过在沉积操作期间将Cl2气体引入处理腔室中来抑制AlN的均质形成，本质上改善了生长于合适的衬底上的外延层的结晶质量及型态。由于抑制均质形成的结果，AlN的沉积速率变得更高，产品产率增加，并改善了厚度均匀性。在替代的实施例中，可于AlN层(或含Al的III族氮化物层)沉积期间，使用另一种卤素气体(如，溴(Br2)气、碘(I2)气)来抑制均质颗粒形成。
在一个实施例中，所述方法也使含Al的III族氮化物化合物半导体缓冲层(起始层、成核位点)能生长于合适的衬底上，以便后续高质量GaN(或III族氮化物半导体)沉积。
通过HVPE生长AlN及AlGaN层并抑制AlN(或AlGaN)均质形成的先前方式使用HCl作为活性气体。传统的AlN HVPE工艺(涉及以三氯化铝及氨作为活性气体)始于加合物分子的形成，加合物分子于气相中形成团簇和AlN颗粒。在沉积操作期间将HCl气体引入腔室中可抑制加合物分子、团簇和AlN颗粒的均质形成。抑制机制包括：在HCl分子吸附于均质物种的表面上之后，均质物种的抑制及溶解。
相较于使用HCl的传统抑制，使用Cl2来抑制AlN(或AlGaN)均质形成因效率较高的缘故而具有显著的优点。HCl与Cl2的键能分别为431kJ/mol与243kJ/mol。相较于H-Cl键，Cl-Cl键为弱键。因此，相对于HCl分解来说，更快速的Cl2分解可有助于增加溶解率。抑制机制包括当Cl2分子吸附于均质物种的表面上之后，均质物种的抑制及溶解。
就外延的AlN(或含铝III族氮化物半导体化合物)而言，此额外的Cl2气体也可作为蚀刻剂。为了消除蚀刻的负面影响的可能性，必须就每个反应器设计来限定最佳Cl2部分浓度及沉积温度。
本公开内容可用于在合适的衬底上沉积含铝III族氮化物缓冲物(起始层)期间，以便于后续高质量外延GaN(或III族氮化物半导体)生长。本公开内容公开了生长AlN(或含Al的III族氮化物)缓冲物的方法，所述方法使用额外的卤化氢或卤素气体于缓冲物沉积操作期间抑制均质颗粒形成。于此方法所沉积的AlN缓冲物上生长的GaN层的结晶质量比得上(若没有超越的话)文献所报导的通过MOCVD或HVPE所生长的最高质量GaN层。
在一个实施例中，用于缓冲物沉积操作的平均沉积时间并不很长(如，将近数分钟)，因此均质抑制的效率变得较不关键。在这样的例子中，可使用额外的HCl气体来替代Cl2气体。本公开内容公开了生长AlN缓冲层(起始层、成核层)的方法，所述方法使用额外的HCl气体于缓冲物沉积操作期间抑制均质颗粒形成。这些缓冲物可用于后续高质量GaN(或III族氮化物半导体)的生长。在替代的实施例中，可于缓冲物沉积操作期间使用另一种卤化氢气体(如，溴化氢(HBr)气体、碘化氢(HI)气体)来抑制均质颗粒形成。
在一个实施例中，通过将氨气及含卤化铝前驱物流入处理腔室的生长区内，且同时将卤化氢或卤素气体流入处理腔室的生长区内，来形成AlN缓冲层，其中流入生长区内的卤化氢或卤素气体抑制AlN颗粒的均质形成。对本公开内容的成效而言为关键的是，于停止卤化氢或卤素气体(在形成AlN缓冲层结束时)的同时，停止进入处理腔室(或处理腔室的生长区)的含铝前驱物流。在没有卤化氢或卤素气体的情况下存在的含卤化铝前驱物流将立即导致颗粒形成。然而，在停止卤化氢或卤素气体的同时停止含铝前驱物流受限于源自卤化铝气体形成(通常是金属Al与HCl或Cl2在反应器上游的分离区(separatezone)中反应)的难度。在一个实施例中，在停止含卤化铝前驱物流的同时使卤素气体及氨持续流入处理腔室的生长区内达一时间段。在关闭含金属卤化物前驱物流之后，额外的卤化氢或卤素气体持续流入生长区内达某时间段(如，0至5分钟)，以消除可能的颗粒产生。必须就每个腔室设计来根据实验限定所述某时间段(延迟时间)。
图1为流程图，所述流程图图示根据一个实施例以低温(如，低于900℃的温度、500℃至800℃、600℃至700℃)含铝缓冲层增进高质量III族氮化物外延层(如，GaN层)生长的方法的流程图。所述方法包括于合适的衬底(如，蓝宝石、SiC、Si、AlN)上生长原位低温含铝(如，AlN、AlGaN)缓冲层(或起始层，或成核层)。以抑制均质颗粒形成的方式生长含铝缓冲层。接着，于HVPE处理系统中发生后续高温III族氮化物(如，GaN)沉积。
在一个实施例中，于方块102提供用于III族氮化物层(如，GaN、AlN、AlGaN)生长的衬底(如，含氧化铝衬底、蓝宝石衬底、(0001)蓝宝石衬底)。于方块104将衬底加载到HVPE处理系统中。接着，于方块106，在处理系统中建立起始工艺条件。这些工艺条件可包括设定压力(如，50Torr至800Torr、400Torr至500Torr)、设定含氮材料(如，氮气、氧化亚氮(nitrous oxide)、氨、联氨(hydrazine)、二酰亚胺(diimide)、叠氮酸(hydrazoic acid)，等)的流量(如，每分钟2至10标准升(SLM)、2SLM至4SLM)，并接着使衬底载体温度斜线变化至第一温度(如，高于900℃的温度、950℃至1050℃)。一旦温度达到设定点，于方块108，衬底处在氮化(nitridization)下达某时间段(如，5分钟至15分钟)。在氮化之后，于方块110，将衬底载体冷却至第二温度(如，低于900℃的温度、500℃至800℃、600℃至700℃)。当达到温度设定点时，于方块114，开始低温含铝III族氮化物缓冲层(如，AlN、AlGaN)沉积。缓冲层生长的同时可通过将卤素气体(如，额外的氯气)流至生长区来抑制均质颗粒形成(如，AlN、AlGaN)。或者，卤化氢(如，氯化氢(HCl))气体流入生长区以抑制均质颗粒形成。用于缓冲层沉积的工艺条件可包括于方块114将一或多种金属卤化物前驱物(如，至少一种含卤化铝前驱物(如，AlCl3、AlCl、AlBr、AlBr3、AlI、AlI3、GaCl、GaCl3等))伴随着载气流入HVPE系统的生长区内。可通过使氯气(Cl2)以某流量及时间段(如，10sccm至150sccm达30秒钟至5分钟)流向位于分离区(沉积区的上游)中的金属源(如，铝源)，来形成氯化铝前驱物。或者，使卤化氢(如，HCl)气体以某流量及时间段(如，20sccm至300sccm达30秒钟至5分钟)流过Al源，以形成氯化铝前驱物。Al源可为固态，且所述Al源的温度为自200℃至Al熔点温度(如，约660℃)。Al源可为液态，且所述Al源的温度高于Al熔点温度。在另一个实施例中，也可使用液态Ga源，以在沉积区上游的分离区中形成氯化镓前驱物(如，GaCl、GaCl3)。
于方块116，在将金属卤化物前驱物引入生长区内的同时或几乎同时(如，0至1分钟之前)，将卤素气体(如，氯(Cl2)气)或卤化氢气体(如，氯化氢(HCl)气体)流引至生长区(如，200sccm至1100sccm、400sccm至900sccm)。于方块118，在关闭金属卤化物前驱物流之后，可使卤素气体或卤化氢气体流维持流动达某时间段(如，0至5分钟)。通过生长区中的氨、一或多种金属卤化物前驱物与卤素气体或卤化氢气体的反应，来沉积缓冲层。举例而言，通过生长区中的氨、含卤化铝前驱物(如，AlCl3、AlCl、AlBr3、AlBr)与氯气(或氯化氢气体)的反应，来沉积AlN缓冲层。或者，通过生长区中的氨、含卤化铝前驱物(如，AlCl3、AlCl、AlBr3、AlBr)、含卤化镓前驱物(如，GaCl、GaCl3)与额外的氯气(或氯化氢气体)的反应，来沉积AlGaN缓冲层。生长区中的额外氯气(或氯化氢气体)于缓冲物沉积操作期间抑制均质颗粒形成。
于方块120，在关闭卤素气体或卤化氢气体流之后，开始使衬底载体温度斜线变化至第三温度(如，高于900℃的温度，980℃至1080℃)。于此操作期间，将氨气流切换为1SLM至22SLM。于方块122，一旦衬底载体温度到达第三温度，将引入的氯(Cl2)气流以某流量(如，50sccm至400sccm)流过金属源(如，Ga源)，用于III族氮化物生长(如，GaN生长)。于方块124，在3分钟至30分钟的沉积之后，当期望的GaN厚度达成时，阻断流过金属源的氯气流，并冷却衬底载体，同时流入氨气来保存III族氮化物层。在替代的实施例中，用氯化氢(HCl)气体流取代方块122的操作的氯(Cl2)气流。
在一个实施例中，GaN层在垂直的28×2吋容量的Ga-Al-Cl2-NH3-N2HVPE系统中沉积于原位低温AlN缓冲物上。在分离的Al及Ga源区中，Cl2与金属(Al及Ga)反应，以分别形成AlCl3及GaCl。可通过N2来传输氯化物，且氯化物在生长区中与氨混合。可使用上文所述的工艺条件，以介于10μm/h与15μm/h之间的生长速率，于(0001)蓝宝石衬底上生长1.5μm及3μm厚的GaN膜。GaN层的粗糙度是在2nm至3nm的范围内。通过X-光衍射来研究层质量。使用反射(002)及(102)的FWHM来判断GaN层的倾斜(tilt)及扭转(twist)结构。就1.5μm厚的GaN层而言，(002)及(102)反射的ω-扫描摇摆曲线(rockingcurve)的FWHM分别在70角秒至250角秒(arcsec)及350角秒至600角秒的范围内。就2.5μm厚的GaN层而言，(002)及(102)反射的ω-扫描摇摆曲线的FWHM分别在130角秒至300角秒及300角秒至500角秒的范围内。
图2为流程图，所述流程图图示根据一个实施例以高温(如，900℃或更高)含铝缓冲层增进高质量III族氮化物外延层(如，GaN层)生长的方法。所述方法包括于合适的衬底(如，蓝宝石、SiC、Si、AlN)上生长原位高温含铝缓冲层(如，AlN缓冲层)（或起始层，或成核层）。以抑制均质颗粒形成的方式生长含铝缓冲层。接着，于HVPE处理系统中发生后续高温III族氮化物(如，GaN)沉积。
在一个实施例中，沉积高温缓冲层或起始层或成核层(如，AlN缓冲物、AlGaN缓冲物)以增进后续高质量III族氮化物外延层(如，GaN)沉积。于方块202，提供用于III族氮化物层生长的衬底(如，含氧化铝衬底、蓝宝石衬底、(0001)蓝宝石衬底)。于方块204将衬底载入HVPE反应器。接着，于方块206，在处理系统中建立起始工艺条件。这些工艺条件可包括设定压力(如，50Torr至800Torr、400Torr至500Torr)、设定含氮材料(如，氮气、氧化亚氮、氨、联氨、二酰亚胺、叠氮酸，等)流为1SLM至15SLM，并接着将衬底载体斜线变化至第一温度(如，高于或等于900℃的温度、950℃至1050℃)。于方块208，一旦温度达到设定点，衬底处在氮化下达某时间段(如，2分钟至15分钟)，且氨气流被设定为某流量(如，2SLM至12SLM)。
于方块210，在氮化之后，衬底载体温度斜线变化(上升或下降)至第二温度(如，大于或等于900℃的温度、930℃至1050℃)。在一个实施例中，第一温度等于第二温度。于方块212，当达到温度设定点时，开始高温含铝III族氮化物缓冲层(如，AlN、AlGaN)沉积。在缓冲层生长的同时，通过使额外的氯(Cl2)流至生长区来抑制均质颗粒形成。或者，氯化氢(HCl)气体流入生长区内以抑制均质颗粒形成。用于缓冲层沉积的工艺条件可包括于方块212将一或多种金属卤化物前驱物(如，至少一种含卤化铝前驱物(如，AlCl3、AlCl、AlBr、AlBr3、AlI、AlI3、GaCl、GaCl3等))伴随着载气流入HVPE系统的生长区内。可通过使氯气(Cl2)以某流量及时间段(如，10sccm至150sccm达30秒钟至5分钟)流向位于生长区上游的分离区(反应器的Al源区)中的铝源，来形成氯化铝前驱物。或者，可使HCl气体以某流量及时间段(如，20sccm至300sccm达30秒钟至5分钟)流过Al源，以形成氯化铝前驱物。Al源可为固态，且所述Al源的温度为自200℃至Al熔点温度(如，约660℃)。Al源可为液态，且所述Al源的温度高于Al熔点温度。在另一个实施例中，可使用位于反应器上游的分离区(反应器的Ga源区)中的液态Ga源来形成氯化镓前驱物(如，GaCl、GaCl3)。
于方块214，在将金属卤化物前驱物引入生长区内的同时或几乎同时(如，0至1分钟之前)，将卤素气体(如，氯(Cl2)气)或卤化氢气体(如，氯化氢(HCl)气体)流引至生长区(如，200sccm至1100sccm、400sccm至900sccm)。于方块216，在关闭金属卤化物前驱物流之后，可使卤素气体或卤化氢气体流维持流动达某时间段(如，0至5分钟)。通过生长区中的氨、一或多种金属卤化物前驱物与卤素气体或卤化氢气体的反应，来沉积缓冲层。举例而言，通过生长区中的氨、卤化铝前驱物与氯气(或氯化氢气体)的反应，来沉积AlN缓冲层。举例而言，通过生长区中的氨、卤化铝前驱物、卤化镓前驱物与氯气(或氯化氢气体)的反应，来沉积AlGaN缓冲层。生长区中的卤素气体(如，氯(Cl2)气)或卤化氢气体(如，氯化氢(HCl)气体)于缓冲物沉积操作期间抑制均质颗粒形成。
于方块217，在关闭卤素气体或卤化氢气体且缓冲层形成完成之后，使衬底载体的温度斜线变化至第三温度(如，高于900℃的温度、980℃至1080℃)。于方块218，一旦载体温度到达第三温度，切换氨气流为某流量(如，2SLM至20SLM、2SLM至4SLM)。
于方块220，具有缓冲层的衬底进行第二次氮化达某时间段(如，10分钟)。于方块222，在氮化之后，将载体温度斜线变化至第四温度(如，900℃或更高的温度、980℃至1080℃)。于此操作期间，将氨气流切换为1SLM至22SLM。于方块224，一旦衬底载体温度到达第四温度，将氯(Cl2)气流以某流量(如，50sccm至400sccm)引入流过金属源(如，Ga源)，用于III族氮化物生长(如，GaN生长)。在3分钟至30分钟的沉积之后，当期望的GaN厚度达成时，阻断流过金属源的氯气流，并冷却衬底载体，同时流入氨气来保存III族氮化物层。在替代的实施例中，以氯化氢(HCl)流取代方块224的操作的氯(Cl2)流。
在一个实施例中，使用上文所述的工艺条件，以介于12μm/h与60μm/h之间的生长速率，生长5μm厚的GaN层。GaN层的粗糙度落在2nm至3nm的范围内。通过X-光衍射来研究层质量。使用反射(002)及(102)的FWHM来判断GaN层的倾斜及扭转结构。就5μm厚的GaN层而言，(002)及(102)反射的
Figure BDA0000418627810000101
-扫描摇摆曲线的FWHM分别在200角秒至300角秒及280角秒至380角秒的范围内。
图3a图示1微米×1微米的蓝宝石衬底表面的AFM图像300。图3b至图3f图示根据一个实施例的额外Cl2流对沉积于蓝宝石衬底上的高温AlN缓冲层的表面型态的影响。这些高温AlN缓冲层是通过生长区中的氨(NH3)气、三氯化铝(AlCl3)气体与额外的氯(Cl2)气的反应而沉积。生长区中额外的氯气可于缓冲物沉积操作期间抑制均质颗粒形成。可通过在反应器的Al源区中于约550℃下的Cl2与固态Al丸粒(pellet)的反应，产生三氯化铝，并以N2载气将三氯化铝输送至沉积腔室。图3b图示于生长区中没有额外Cl2流的情况下所沉积的AlN缓冲层的AFM图像310。图3c图示于生长区有100sccm的额外Cl2流的情况下所沉积的AlN缓冲层的AFM图像320。图3d图示于生长区有300sccm的额外Cl2流的情况下所沉积的AlN缓冲层的AFM图像330。图3e图示于生长区有500sccm的额外Cl2流的情况下所沉积的AlN缓冲层的AFM图像340。图3f图示于生长区有800sccm的额外Cl2流的情况下所沉积的AlN缓冲层的AFM图像350。较高流量的Cl2使AlN缓冲层变得较厚。随着AlN缓冲物的厚度增加，表面变得较粗糙。
图4图示根据一个实施例于AlN沉积操作期间，在不同流量的额外Cl2下，沉积于蓝宝石衬底上的高温AlN缓冲物的均方根粗糙度(Rms)(以纳米计)。可忽略在没有额外Cl2的情况下的AlN沉积。显示于图3a中的蓝宝石衬底的Rms值为0.146nm，而显示于图3b中，没有额外Cl2的AlN的Rms值为0.204nm。较高流量的Cl2使AlN缓冲层变得较厚。随着AlN缓冲物的厚度增加，表面变得较粗糙。
本公开内容所描述的具有均质颗粒形成抑制的多个缓冲物技术可一起使用而形成多重缓冲物技术。举例而言，低温缓冲物(例如，AlN、AlGaN)与高温缓冲物(例如，AlN、AlGaN)的某些组合可用来改善III族氮化物材料的结晶质量及型态。多重缓冲物技术也可降低或微调后续沉积的层及最终器件结构中的应力。缓冲物可沉积于衬底上，或缓冲物可沉积于另一个缓冲物的表面上。可加入额外的缓冲层作为III族氮化物层(例如，GaN、AlGaN、AlN)中的夹层。
图5a至图5f图示根据一个实施例供HVPE系统于蓝宝石结构上沉积GaN所用的多重缓冲物的位置的数个实例。图示于图5a中的器件500包括蓝宝石衬底502、高温AlN缓冲层504、GaN层506、低温AlN缓冲层508及GaN层509。图示于图5b中的器件510包括蓝宝石衬底512、低温AlN缓冲层514、GaN层516、低温AlN缓冲层518及GaN层519。图示于图5c中的器件520包括蓝宝石衬底522、低温AlN缓冲层524、高温AlGaN缓冲层526及GaN层528。图示于图5d中的器件530包括蓝宝石衬底532、低温AlN缓冲层534、高温AlN缓冲层536及GaN层538。图示于图5e中的器件540包括蓝宝石衬底542、高温AlN缓冲层544、高温AlGaN缓冲层546及GaN层548。图示于图5f中的器件510包括蓝宝石衬底552、低温AlN缓冲层554、高温AlN缓冲层556、高温AlGaN缓冲层558及GaN层559。
在一个实施例中，器件500、510、520、530、540及550可包括以HVPE系统或MOCVD系统所沉积的额外的层。举例而言，额外的层(用以产生III族氮化物器件结构)可包括InGaN MQW、p-型AlGaN及p-型GaN。额外的层可包括n-型AlGaN、InGaN、InGaN/GaN MQW、GaN、p-型AlGaN及p-型GaN。在其它实施例中，可用硅衬底、SiC衬底、氧化锂铝、氧化锂镓、氧化锌、GaN、AlN、石英、玻璃、GaAs、尖晶石、前述物质的任何组合、前述物质的任何混合物或前述物质的任何合金来取代蓝宝石衬底。
就单一腔室工艺而言，可在单一腔室内执行不同的生长配方的操作，以依序生长不同成分的层。就多腔室工艺而言，可在一系列独立的腔室中生长III族氮化物器件结构(如，LED、LD)中的层。举例而言，可于第一腔室中生长无掺杂的/nGaN层或图示于图5a至图5f中的层，于第二腔室中生长MQW结构，并于第三腔室中生长p-型GaN层或p-型AlGaN。
图6图示根据一个实施例(如，图5c及图5d所图示)用于以在HVPE系统中的合适衬底(如，含氧化铝衬底、蓝宝石衬底、(0001)蓝宝石衬底)上生长的多重缓冲层增进高质量III族氮化物(如，GaN、AlN、AlGaN)薄层的生长的方法。所述方法包括在衬底上生长原位低温含铝III族氮化物起始层(如，AlN起始层、AlGaN起始层)。接着，于起始层上生长原位高温含铝III族氮化物缓冲层(如，AlN缓冲物、AlGaN缓冲物)。接着，于HVPE系统中发生高温高质量GaN沉积。在多重缓冲层生长的同时抑制均质颗粒形成。
于方块602，提供用于III族氮化物(如，GaN、AlN、AlGaN)生长的衬底(如，蓝宝石衬底)。于方块604，将衬底载体上的衬底载入HVPE系统。接着，于方块606，建立供系统所用的起始工艺条件。工艺条件可包括设定压力(如，50Torr至800Torr、400Torr至450Torr)、设定含氮材料(如，氮气、氧化亚氮、氨、联氨、二酰亚胺、叠氮酸等)为某流量(如，2SLM至10SLM、2SLM至4SLM)，并使衬底载体温度斜线变化至第一温度(如，高于900℃的温度、950℃至1050℃)。于方块608，一旦温度达到设定点，衬底处在氮化下达某时间段(如，5分钟至15分钟)。于方块610，在氮化之后，将衬底载体冷却至第二温度(如，低于900℃的温度、500℃至800℃、600℃至700℃)，以进行低温沉积。
于方块612，当达到温度设定点时，开始低温含铝III族氮化物缓冲层(如，AlN、AlGaN)沉积。起始层生长的同时可通过将卤素气体(如，额外的氯)或卤化氢(如，额外的HCl气体)流至生长区，以抑制均质颗粒形成(如，AlN、AlGaN)。用于缓冲层沉积的工艺条件可包括于方块612将一或多种金属卤化物前驱物(如，至少一种含卤化铝前驱物(如，AlCl3、AlCl、AlBr、AlBr3、AlI、AlI3、GaCl、GaCl3等))伴随着载气流入HVPE系统的生长区内。可通过使氯气(Cl2)以某流量及时间段(如，10sccm至150sccm达30秒钟至5分钟)流向位于分离区(沉积区的上游)中的金属源(如，铝源)，来形成氯化铝前驱物。或者，可使HCl气体以某流量及时间段(如，20sccm至300sccm达30秒钟至5分钟)流过Al源，以形成氯化铝前驱物。Al源可为固态，且所述Al源的温度为自200℃至Al熔点温度(如，约660℃)。Al源可为液态，且所述Al源的温度高于Al熔点温度。在另一个实施例中，也可使用液态Ga源，以在沉积区上游的分离区中形成氯化镓前驱物(如，GaCl、GaCl3)。
于方块616，在将金属卤化物前驱物引入生长区内的同时或几乎同时(如，0至1分钟之前)，将卤素气体(如，氯(Cl2)气)或卤化氢气体(如，氯化氢(HCl)气体)流引至生长区(如，200sccm至1100sccm、400sccm至900sccm)。于方块618，在关闭金属卤化物前驱物流之后，可维持卤素气体或卤化氢气体流达某时间段(如，0至5分钟)。通过生长区中的氨、一或多种金属卤化物前驱物与卤素气体或卤化氢气体的反应，来沉积起始层或缓冲层。
于方块620，在关闭卤素气体或卤化氢气体流之后，开始使衬底载体的温度斜线变化至第三温度(如，高于900℃的温度、980℃至1080℃)。于此操作期间，将氨气流切换为1SLM至12SLM。于方块624，一旦衬底载体温度到达第三温度，接着开始高温含铝III族氮化物缓冲层(如，AlN、AlGaN)沉积。生长高温缓冲层，同时通过将卤素气体或卤化氢气体流至生长区来抑制均质颗粒形成(如，AlN、AlGaN)。用于高温缓冲层沉积的工艺条件可包括于方块624将一或多种金属卤化物前驱物(如，至少一种含卤化铝前驱物(如，AlCl3、AlCl、AlBr、AlBr3、AlI、AlI3、GaCl、GaCl3等))伴随着载气流入HVPE系统的生长区内。可通过使氯气(Cl2)以某流量及时间段(如，10sccm至150sccm达30秒钟至5分钟)流向位于分离区(沉积区的上游)中的金属源(如，铝源)，来形成氯化铝前驱物。或者，可使HCl气体以某流量及时间段(如，20sccm至300sccm达30秒钟至5分钟)流过Al源，以形成氯化铝前驱物。Al源可为固态，且所述Al源的温度为自200℃至Al熔点温度(如，约660℃)。Al源可为液态，且所述Al源的温度高于Al熔点温度。在另一个实施例中，也可使用液态Ga源，以在沉积区上游的分离区中形成氯化镓前驱物(如，GaCl、GaCl3)。
于方块626，在将金属卤化物前驱物引入生长区内的同时或几乎同时(如，0至1分钟之前)，将卤素气体(如，氯(Cl2)气)或卤化氢气体(如，氯化氢(HCl)气体)流引至生长区(如，200sccm至1100sccm、400sccm至900sccm)。于方块628，在关闭金属卤化物前驱物流之后，可维持卤素气体或卤化氢气体流达某时间段(如，0至5分钟)。通过生长区中的氨、一或多种金属卤化物前驱物与卤素气体或卤化氢气体的反应，来沉积高温缓冲层。
于方块630，在关闭卤素气体或卤化氢气体流且缓冲层形成完成之后，使衬底载体的温度斜线变化至第四温度(如，高于900℃的温度、980℃至1080℃)。于方块632，一旦载体温度到达第四温度，接着将氨气流切换为某流量(如，2SLM至20SLM、2SLM至4SLM)。
于方块634，具有缓冲层的衬底进行第二次氮化达某时间段(如，10分钟)。于方块636，在氮化之后，将载体温度斜线变化至第五温度(如，900℃或更高的温度、980℃至1080℃)。于此操作期间，将氨气流切换为1SLM至22SLM。于方块638，一旦衬底载体温度到达第五温度，将引入的氯(Cl2)气流以某流量(如，50sccm至400sccm)流过金属源(如，Ga源)，用于III族氮化物生长(如，GaN生长)。在3分钟至30分钟的沉积之后，当期望的GaN厚度达成时，阻断流过金属源的氯气流，并冷却衬底载体，同时流入氨气来保存III族氮化物层。在替代的实施例中，用氯化氢(HCl)流取代方块638的操作的氯(Cl2)流。
根据本公开内容生长于蓝宝石衬底上的GaN层(伴随着沉积的含铝III族氮化物缓冲层与均质颗粒形成抑制)的结晶质量，至少可比得上且很可能超越文献所报导的通过MOCVD及HVPE所生长的最高质量GaN膜。就根据本公开内容而生长于(0001)蓝宝石上并结合低温AlN缓冲物及高温AlN缓冲物(根据图5d的方案)的5μm至6μm厚的GaN膜而言，在轴(on-axis)(002)峰的X-光摇摆曲线测量的典型半高全宽(full widths at half-maximum；FWHM)为90角秒至130角秒；而离轴(off-axis)(102)峰的X-光摇摆曲线测量的典型半高全宽为230角秒至280角秒。
图7a图示根据一个实施例在HVPE系统中沉积于(0001)蓝宝石衬底上的4.8μm的GaN的在轴(002)峰的X-光摇摆曲线，且图7b图示所述4.8μm的GaN的离轴(102)峰的X-光摇摆曲线。GaN可根据本公开内容伴随着低温AlN缓冲物及高温AlN缓冲物的组合(根据图5d的方案)而沉积，在低温AlN缓冲物及高温AlN缓冲物生长时通过流入额外的氯(Cl2)气来抑制均质颗粒形成。在HVPE系统中，低温AlN缓冲物沉积于(0001)蓝宝石衬底上。
反应器条件将根据反应器型态及设计而改变。上文就图1、图2及图6所述的三个方法仅显示已发现对伴随着均质形成抑制的III族氮化物缓冲物(所述缓冲物含铝)生长及后续高质量III族氮化物外延层沉积有利的三组条件。其它条件也可能有利于这样的生长。
可注意到，图1、图2及图6中的操作可依需求省略或增加额外的操作。用于氮化、AlN缓冲物沉积、AlGaN缓冲物沉积及GaN沉积操作的腔室压力可能相异。在生长工艺中的其它操作也可能变化。已发现，衬底的氮化及含铝III族氮化物缓冲层的氮化可改善某些高质量III族氮化物外延层的表面型态，并改善其它层的结晶质量。然而，对任何特定生长技术而言，此举可能是或不是必要的。
可于此申请案中使用任何载气。典型的载气为氮(N2)、氢(H2)、氩(Ar)或氦(He)，或上述气体的任何组合。
在一个实施例中，本公开内容的含Al的III族氮化物缓冲物可供任何氮化物合金成分及任何数量的层或所述氮化物合金成分及层的组合的后续生长所用，例如，III族氮化物薄层可包括具有化学式GanAlxInyBzN的(Ga、Al、In、B)N半导体的合金成分，其中0≦n≦1、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1，且n+x+y+z=1。
经常将诸如Zn、Fe、Si、Ge及Mg等掺杂剂掺杂进入氮化物层。并入所述掺杂剂及未具体列出的其它掺杂剂可相容于此公开内容的实施方式。
可用于本发明的实施例的结构性衬底包括，但不限于，硅(Si)、碳化硅(SiC)、蓝宝石或其它形式的氧化铝(Al2O3)、氧化锂铝(LiAlO2)、氧化锂镓(LiGaO2)、氧化锌(ZnO)、氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)、石英、玻璃、砷化镓(GaAs)、尖晶石(MgAl2O4)、前述物质的任何组合、前述物质的任何混合物或前述物质的任何合金。本公开内容可用于任何定向的AlN(或含铝III族氮化物半导体)的沉积，所述定向如，半极性、非极性和极性。因此，可使用不同定向的衬底。也可用来自衬底的结晶面的故意斜切(miscut)来改善衬底上的氮化物层的结晶质量及型态。故意斜切可用来起始氮化物层的2D生长模式沉积。
本公开内容也可用于使用具有不同图案几何形状的任何经图案化衬底来沉积III族氮化物层。在一个实施例中，图案化的衬底为(0001)图案化的蓝宝石衬底(patterned sapphire substrate；PSS)。因为图案化蓝宝石衬底可增加光提取效率(light extraction efficiency)，因此对于制造LED及LD来说可能非常有用。使用PSS的另一个益处为可能的GaN结晶质量的改善。
所有CVD外延方法(其中任何卤化铝及氨以任何加合物(卤化铝的氨复合物)的形式存在，或任何卤化铝及氨分别输送且仅在沉积操作期间混合以产生(多个)含铝III族氮化物半导体层)可被归因于含Al的HVPE工艺。本公开内容有关于含Al的HVPE工艺。
含卤化铝的前驱物可位于HVPE反应器的特别反应器区中，或含卤化铝的前驱物可包含于起泡器(bubbler)(如，蒸发器(evaporator))内部，起泡器通过输送管线连接至HVPE反应器。将含卤化铝的前驱物维持于恒定的温度下，以提供足够的卤化铝蒸气压，卤化铝可通过载气携带进入预混合区或沉积区中。
可通过位于特定反应器区中的Al与卤素气体或卤化氢气体的化学反应来产生卤化铝。可使用选自Cl2、Br2、I2所组成的组中的任何卤素或卤素的组合与Al反应，以产生单卤化铝(aluminum monohalide)或三卤化铝。可使用选自HCl、HBr、HI所组成的组中的任何卤化氢或卤化氢的组合与Al反应，以产生单卤化铝或三卤化铝。
用于AlN(或含铝III族氮化物半导体结晶)沉积的生长参数的通用要点为介于10Torr与1000Torr之间的压力，及介于400℃与1400℃之间的温度。用于含铝III族氮化物半导体化合物(如，AlN)沉积的反应器条件可根据个别反应器的设计及卤化铝源的型态(如，AlCl3、AlCl3-NH3、AlBr3或(AlCl3)-nNH3、AlCl)而变化。
图8为HVPE装置800的示意剖面图，HVPE装置800可用以沉积使用本文所述的工艺而形成的III族氮化物层(如，GaN、AlN、AlGaN、AlON)。HVPE装置800包括由盖804围住的腔室802。腔室802及盖804限定处理区(或生长区)807。喷头806设置于处理区807的上方区域中。基座814设置于处理区807中而与喷头806相对。基座814经配置以于处理期间在基座814上支撑多个衬底815。在一个实施例中，衬底815设置于衬底载体816上，衬底载体816由基座814支撑。基座814可由马达880所转动，且基座814可由多种材料所形成，所述材料包括SiC或SiC涂覆的石墨。
在一个实施例中，HVPE装置800包括加热组件828，所述加热组件828配置来加热基座814上的衬底815。在一个实施例中，腔室底部802A由石英制成，且加热组件828为设置于腔室底部802A下方的灯组件，以透过石英腔室底部802A加热衬底815。在一个实施例中，加热组件828包括灯阵列，灯阵列经分配以提供遍及衬底、衬底载体及/或基座的均匀的温度分布。
HVPE装置800还包括设置于腔室802的侧壁808内部的前驱物供应管道822、824。管道822及824流体连通处理区807及入口管821，入口管821存在于前驱物源模块832中。喷头806流体连通处理区807及第一气体源810。处理区807通过出口826流体连通排放装置851。
HVPE装置800还包括嵌入在腔室802的壁808内的加热器830。若有需要的话，嵌入于壁808内的加热器830可于沉积工艺期间提供额外的热。可使用热电耦(thermocouple)来测量处理腔室内的温度。可将来自热电耦的输出回馈至控制器841，控制器841可基于来自热电耦(未图示)的读数，通过调整输送至加热器830(如，电阻式加热元件)的功率来控制腔室802的壁的温度。举例而言，若腔室过冷，加热器830将被启动。若腔室过热，加热器830将被关闭。此外，加热器830所提供的热量可受到控制，以最小化加热器830所提供的热量。
来自第一气体源810的处理气体通过气体分配喷头806输送至处理区807。在一个实施例中，第一气体源810为氨气源。在一个实施例中，第一气体源810经配置以输送包括氨或氮的气体。在一个实施例中，也可通过气体分配喷头806或通过设置于腔室802的壁808上的管道624引入惰性气体(如，He、Ar、N2)。在一个实施例中，可通过设置于腔室802的壁608上的管道824引入氯气。能量源812可设置于第一气体源810与气体分配喷头806之间。在一个实施例中，能量源812可包括加热器或远程RF等离子体源。
源模块832包括连接至源舟(source boat)的井834A的卤素或卤化氢气体源818，以及连接至井634A的惰性气体源634。诸如铝、镓或铟这样的源材料823可设置于井834A中。加热源820围绕源舟。入口管621经过管道822、824将井834A连接至处理区807。
在一个实施例中，于处理期间，自卤素气体源818将卤素气体(如，Cl2、Br2或I2)输送至源舟的井834A，以产生金属卤化物前驱物气体。在一个实施例中，于处理期间，自卤化氢气体源818将卤化氢气体(如，HCl、HBr或HI)输送至源舟的井834A，以产生金属卤化物前驱物气体。卤素气体或卤化氢气体与固态或液态源材料823的相互作用容许形成金属卤化物前驱物。在一个实施例中，金属卤化物气体为III族金属卤化物气体，如氯化镓(如，GaCI、GaCI3)、氯化铟(如，InCI3)或氯化铝(如，AlCI3、AlCl)。可通过加热源820来加热源舟，以加热源材料823，并容许形成金属卤化物前驱物。接着通过入口管821将金属卤化物前驱物输送至HVPE装置800的处理区807。在一个实施例中，使用自惰性气体源834所输送的惰性气体(如，Ar、He、N2)将井834A中所形成的金属卤化物前驱物通过入口管821及管道822及824携带或推送至HVPE装置800的处理区807。可通过喷头606将氨气(NH3)引入处理区607，同时也将金属卤化物前驱物提供至处理区807，使得III族氮化物层可形成于设置在处理区807中的衬底815的表面上。
在另一个实施例中，首先可在一个腔室中提供一或多个衬底，以形成含铝III族氮化物层，并接着移至设备内的不同腔室，以进行后续处理。图9为可用于根据本公开内容的一个实施例的工艺中的多腔集成设备900。多腔集成设备900经配置以形成氮化物化合物结构。
在一个实施例中，多腔集成设备1600包括连接至传送腔室1606的一个HVPE腔室1602及多个MOCVD腔室1603a及1603b，用以根据本文描述的实施例制造化合物氮化物半导体器件。尽管图中显示一个HVPE腔室1602及两个MOCVD腔室1603a及1603b，应理解到也可将一或多个的MOCVD腔室与一或多个的HVPE腔室的任何组合耦接至传送腔室1606。举例而言，在一个实施例中，多腔集成设备1600可包括3个MOCVD腔室。也应理解的是，尽管图中显示多腔集成设备，也可使用线性处理系统来进行本文所述的实施例。
在一个实施例中，额外腔室1604耦接传送腔室1606。额外腔室1604可为MOCVD腔室、HVPE腔室、测量腔室、除气腔室、定向腔室、冷却腔室、预处理/预清洁腔室、后-退火腔室或类似腔室。在一个实施例中，传送腔室1606为具有六个侧边的六角形状，并具有用于安装处理腔室的六个位置。在另一个实施例中，传送腔室1606可具有其它形状，并具有五个、七个、八个或更多个侧边，并具有对应数量的处理腔室安装位置。
HVPE腔室1602适于进行HVPE工艺，其中使用气态金属卤化物于经过加热的衬底上外延生长化合物氮化物半导体材料层。HVPE腔室1602包括腔室主体1614，衬底置于腔室主体1614中以进行处理；化学输送模块1618，来自化学输送模块1618的气体前驱物被输送至腔室主体1614；以及电子模块1622，所述电子模块1622包括供多腔集成设备1600的HVPE腔室所用的电子系统。在一个实施例中，HVPE腔室1602可类似图7所描述的HVPE装置600。
各MOCVD腔室1603a、1603b包括腔室主体1612a、1612b形成处理区域、化学输送模块1616a、1616b以及供各MOCVD腔室1603a、1603b所用的电子模块1620a、1620b，衬底放置于处理区域中以进行处理，诸如前驱物、净化气体及清洁气体这样的气体自化学输送模块1616a、1616b输送至腔室主体1612a、1612b，电子模块1620a、1620b包括电子系统，所述电子系统供多腔集成设备1600的各MOCVD腔室所用。各MOCVD腔室1603a、1603b适于进行CVD工艺，在CVD工艺中金属有机前驱物(如，TMG、TMA)与金属氢化物元素反应，以形成化合物氮化物半导体材料层。
多腔集成设备1600还包括位于传送腔室1606内的机器人组件1607、耦接传送腔室1606的负载锁定腔室1608、用于存放衬底的批次负载锁定腔室1609，所述次负载锁定腔室1609耦接传送腔室1606。多腔集成设备1600还包括用以加载衬底的负载站1610，负载站1610耦接负载锁定腔室1608。可操作机器人组件1607来拾起衬底并于负载锁定腔室1608、批次负载锁定腔室1609、HVPE腔室1602及MOCVD腔室1603a、1603b之间传送衬底。在一个实施例中，负载站1610为自动化负载站，所述自动化负载站经配置以自晶片盒将衬底加载至衬底载体，或直接将衬底加载至负载锁定腔室1608，并自衬底载体或自负载锁定腔室1608将衬底卸载至晶片盒。
在工艺期间，可将传送腔室1606维持在真空下及/或在低于大气压下。可调整传送腔室1606的真空程度以匹配对应处理腔室的真空程度。在一个实施例中，传送腔室1606维持具有高于90%的N2的环境用于衬底传送。在另一个实施例中，传送腔室1606维持高纯度NH3的环境用于衬底传送。在一个实施例中，在具有高于90%的NH3的环境中传送衬底。在另一个实施例中，传送腔室1606维持高纯度H2的环境用于衬底传送。在一个实施例中，在具有高于90%的H2的环境中传送衬底。
多腔集成设备1600还包括系统控制器1660，系统控制器1660控制活动及操作参数。系统控制器1660包括计算机处理器及耦接所述处理器的计算机可读存储器。处理器执行系统控制软件，如储存于存储器中的计算机程序。
在一个实施例中，处理腔室1602、1603a、1603b或1604中的一个处理腔室经配置以在形成器件结构之前，根据上文所述的方法形成含铝III族氮化物层。接着将根据上文所述的方法沉积于衬底上的含铝III族氮化物层或数个III族氮化物层传送至一或多个的沉积腔室，以沉积后续层，后续层可供形成LED或LD结构所用。在一个实施例中，可在HVPE处理腔室1602中，将含铝III族氮化物缓冲层沉积于衬底上，及/或以III族氮化物层(如，无掺杂的GaN层、n-型掺杂的GaN层)覆盖含铝III族氮化物缓冲层，接着将含铝III族氮化物缓冲层移动至MOCVD处理腔室1603a或/及1603b，以形成供器件结构(如，n-型掺杂的GaN层、AlGaN层、MQW结构、p-型掺杂的AlGaN层、p-型掺杂的GaN层)所用的III族氮化物层。在另一个实施例中，可于HVPE处理腔室1602中将含铝III族氮化物缓冲层沉积于衬底上，接着将含铝III族氮化物缓冲层移动至MOCVD处理腔室1603a或/及1603b，以形成后续层，后续层可供器件结构所用。
图10图示根据一个实施例的功率电子器件的剖面图。功率电子器件1200可包括N型区域1210(例如，电极)、离子注入区域1212及1214、外延层1216(例如，厚度4微米的N型GaN外延层)、缓冲层1218(例如，厚度2微米的N+GaN缓冲层)、衬底1220(例如，N+块状GaN衬底、硅衬底)，及欧姆接点(例如，Ti/Al/Ni/Au)。器件1200可包括沉积于GaN衬底或硅衬底上的一或多个GaN层。所述器件(例如，功率IC、功率二极管、功率晶闸管、功率MOSFET、IGBT、GaN HEMT晶体管)可供功率电子电路及模块中的开关或整流器所用。
应理解上方的说明意欲作为说明性的，而非限制性。在阅读并理解上方说明之后，许多的其它实施例对于本领域的技术人员将变得明显。尽管已参照特定示例性实施例描述本公开内容，可意识到本发明并不限于所描述的实施例，而可经修改及变化来实施本发明。因此，应将说明书及图视为示例而非限制。

Claims (15)

1.一种在氢化物气相外延处理系统的处理腔室中沉积多重缓冲层的方法，包含下列步骤：
在所述氢化物气相外延处理系统的所述处理腔室中提供衬底；
通过下列步骤形成第一含铝III族氮化物缓冲层：
将氨气流入所述处理腔室的生长区，
流入一或多种含金属卤化物前驱物，所述一或多种含金属卤化物前驱物包括至少一种含卤化铝前驱物，以及
同时将卤素气体或卤化氢气体流入所述生长区；以及
通过下列步骤于所述第一缓冲层上形成第二含铝III族氮化物缓冲层：
将氨气流入所述处理腔室的生长区，
流入一或多种含金属卤化物前驱物，所述一或多种含金属卤化物前驱物包括至少一种含卤化铝前驱物，以及
同时将卤素气体或卤化氢气体流入所述生长区。
2.如权利要求1所述的方法，所述方法还包含下列步骤：
于所述缓冲层上形成III族氮化物层，其中所述第一III族氮化物缓冲层包含起始层或成核层。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述III族氮化物层包含氮化镓(GaN)层、氮化铝(AlN)层及氮化铝镓(AlGaN)层中的至少一种，其中所述III族氮化物层是通过使所述至少一种含金属卤化物前驱物与氨气反应所形成。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述含卤化铝前驱物包含氯化铝气体，其中所述卤化氢气体包含氯化氢(HCl)气体或氯(Cl2)气。
5.如权利要求1所述的方法，其中流入所述生长区的所述卤素气体或卤化氢气体抑制颗粒的均质形成。
6.如权利要求1所述的方法，所述方法还包含下列步骤：
停止全部含金属卤化物前驱物流，同时将所述卤素气体或卤化氢气体及氨持续流入所述处理腔室的所述生长区内达一时间段。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述第一III族氮化物缓冲层是在接近500℃至900℃的温度下形成的氮化铝(AlN)层，所述第二III族氮化物缓冲层是在900℃或更高的温度下形成的氮化铝(AlN)层。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述一或多种含金属卤化物前驱物包含三氯化铝(AlCl3)前驱物、单氯化铝(AlCl)前驱物、三溴化铝(AlBr3)前驱物、单氯化镓(GaCl)前驱物及三氯化镓(GaCl3)前驱物中的至少一种。
9.如权利要求1所述的方法，所述方法还包含下列步骤：
通过下列步骤于所述第二缓冲层上形成第三含铝III族氮化物缓冲层：将氨气流入所述处理腔室的生长区，流入包括至少一种含卤化铝前驱物的一或多种含金属卤化物前驱物，以及同时将卤素气体或卤化氢气体流入生长区内；以及
于所述第三缓冲层上形成III族氮化物层。
10.一种方法，包含下列步骤：
于处理腔室中提供衬底；
通过下列步骤形成第一含铝III族氮化物缓冲层：
将氨气流入所述处理腔室的生长区，
流入一或多种含金属卤化物前驱物，以及
同时将卤素气体或卤化氢气体流入所述生长区；
于所述第一缓冲层上形成第一III族氮化物层；
通过下列步骤于所述第一III族氮化物层上形成第二含铝III族氮化物缓冲层：
将氨气流入所述处理腔室的生长区，
流入一或多种含金属卤化物前驱物，以及
同时将卤素气体或卤化氢气体流入所述生长区；以及
于所述第二含铝III族氮化物缓冲层上形成第二III族氮化物层。
11.如权利要求10所述的方法，其中所述一或多种含金属卤化物前驱物包括至少一种含卤化铝前驱物，其中所述卤化氢气体是氯化氢(HCl)气体。
12.如权利要求10所述的方法，其中所述卤素气体是氯(Cl2)气。
13.如权利要求10所述的方法，其中流入所述生长区的所述卤素气体或卤化氢气体抑制颗粒的均质形成。
14.如权利要求10所述的方法，所述方法还包含下列步骤：
停止全部含金属卤化物前驱物流，同时将所述卤素气体或卤化氢气体及氨持续流入所述处理腔室的所述生长区达一时间段，其中所述第一及第二III族氮化物缓冲层是在接近500℃至900℃的温度下形成的氮化铝(AlN)层。
15.如权利要求10所述的方法，其中所述一或多种含金属卤化物前驱物包含三氯化铝(AlCl3)前驱物、单氯化铝(AlCl)前驱物、三溴化铝(AlBr3)前驱物、单氯化镓(GaCl)前驱物及三氯化镓(GaCl3)前驱物中的至少一种。
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