CN103748662B - 半导体衬底及形成方法 - Google Patents

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Abstract

一种形成用于电子器件的半导电衬底材料的方法包括在反应室中的连续生长工艺期间在衬底上形成多个半导电层，其中在连续生长工艺期间，通过改变连续生长工艺期间的至少一个生长工艺参数在基层和外延层之间形成释放层。该方法还包括从衬底分离多个半导电层。

Description

半导体衬底及形成方法
技术领域
以下涉及一种形成半导电衬底的方法，并且具体涉及一种包括用于形成LED或LD器件的释放层的衬底的方法。
背景技术
包括III-V族材料（例如，氮化镓（GaN））、三元化合物（例如，氮化铟镓（InGaN）和氮化镓铝（GaAlN））、甚至四元化合物（氮化铝镓铟（AlGaInN））的基于半导电的化合物为直接带隙半导体。此类材料已被公认为具有用于短波长发射的巨大潜力，并因此适用于发光二极管（LED）、激光二极管（LD）、UV检测器以及高温电子器件的制造。
然而，由于围绕这种材料的处理，尤其是短波长发射电子设备的制造所需要的高质量的单晶形式的材料的形成的困难已经阻碍了这种半导电材料的开发。GaN不是作为自然产生的化合物被发现，并且由于在通常压力下它的理论熔化温度超过其解离温度，因此不能被熔化以及不能由像硅、砷化镓或蓝宝石的晶锭提取。作为替代，本行业已转向利用外延生长工艺形成块状GaN晶体。然而，利用外延方法仍存在问题，包括合适的低缺陷密度的块状GaN材料的形成。
扩展缺陷（穿透位错、堆垛层错和反相边界）的存在导致显著变差的性能并且导致设备的缩短的工作寿命。更具体地，位错表现为非辐射中心，因此降低了由这些材料制造的发光二极管和激光二极管的发光效率。这些位错还增加暗电流。虽然穿透位错并没有阻止高亮度发光二极管的开发，但是位错在诸如高电子迁移率晶体管、场效应晶体管以及其它电子器件的p-n结器件中产生过多的反向偏置漏电流。此外，位错可充当载流子的强散射中心，因此降低了电子和空穴的迁移率，限制了许多半导体器件的性能。
发明内容
根据一个方面，形成用于电子器件的半导电衬底材料的方法包括在反应室中的连续生长工艺期间在衬底上形成多个半导电层，其中在连续生长工艺期间，通过改变在连续生长工艺期间的至少一个生长工艺参数并且将多个半导电层与衬底分离而在基层和外延层之间形成释放层。
根据另一方面，形成III-V族材料的方法包括：形成包括覆盖衬底的III-V族材料的基层，形成包括覆盖基层的III-V族材料的释放层，其中释放层包括与基层中的掺杂剂的浓度相比不同量的掺杂剂的浓度，以及形成包括覆盖基层的III-V族材料的外延层。具体而言，该过程在单个室中以连续生长工艺进行。
在一个方面，形成用于电子器件的半导电衬底材料的方法包括进行连续生长工艺以在衬底上形成多个半导电层，连续生长工艺包括形成包括覆盖衬底的III-V族材料的基层和连续生长III-V族材料，同时改变至少一个生长工艺参数以形成覆盖基层的释放层，释放层具有与基层的组分不同的组分。该方法进一步包括连续生长III-V族材料并改变至少一个工艺参数以形成覆盖释放层的外延层，外延层具有与释放层的组分不同的组分。
在又一方面，形成用于电子器件的半导电衬底材料的方法包括在反应室中形成包括覆盖衬底的III-V族材料的基层，其中沉积基层包括氢化物气相外延（HVPE）工艺和继续生长III-V族材料以及将第一掺杂剂材料引入反应室以形成覆盖基层的第一释放层。该方法进一步包括继续生长III-V族材料并从反应室移除掺杂剂以形成覆盖释放层的第一外延层部分，继续生长III-V族材料并且将第二掺杂剂材料引入反应室以形成覆盖第一外延层部分的第二释放层，以及利用碰撞（impinging）在第一释放层上的第一波长的辐射在第一释放层处将第一外延层部分与基层分离。
在再一方面，半导体器件包括基层、第一释放层和第一外延层部分，其中，所述基层包含III-V族材料；所述第一释放层部分包括覆盖基层的III-V族材料；所述第一外延层部分包括覆盖第一释放层的III-V族材料，所述第一外延层部分包括根据在第一外延层部分的上表面处测量的在大约1x105位错/cm2和大约1x108位错/cm2之间的范围内的位错密度。
根据另一方面，半导体器件包括基层、第一释放层、第一外延层部分、第二释放层以及第二外延层部分，其中，所述基层包含III-V族材料；所述第一释放层包括覆盖基层的III-V族材料；所述第一外延层部分包括覆盖第一释放层的III-V族材料；所述第二释放层包括覆盖第一外延层部分的III-V族材料；所述第二外延层部分包括覆盖第二释放层的III-V族材料。
半导体器件包括基层、第一释放层、第一外延层部分、第二释放层以及第二外延层部分，其中，所述基层包含III-V族材料；所述第一释放层包括覆盖基层的III-V族材料；所述第一外延层部分包括覆盖第一释放层的III-V族材料；所述第二释放层包括覆盖第一外延层部分的III-V族材料；所述第二外延层部分包括覆盖第二释放层的III-V族材料。
附图说明
通过参照附图，能更好地理解本公开，而且使本公开的多个特征和优点对本领域技术人员显而易见，在附图中：
图1包括提供根据实施方案的形成用于电子器件的半导电衬底材料的方法的流程图。
图2A－2D包括根据实施方案的半导电衬底形成过程的图示。
图3包括根据实施方案的半导电器件的图示。
在不同附图中使用相同的附图标记表示相似或相同的项目。
具体实施方式
以下一般涉及衬底材料，并且具体地涉及具有多个半导电层的衬底（即，半导电衬底）和形成这种物品的方法。半导电衬底可包括包含例如氮化镓（GaN）的III-V族材料。将理解，对III-V族材料的引用包括包含来自元素周期表的III族的至少一个元素和来自元素周期表的V族的至少一个元素的化合物。
图1包括示出了根据实施方案的形成半导电衬底材料的方法的流程图。如图所示，过程在步骤101处通过提供衬底开始。衬底可以为适用于支撑其上的多个层的结构。衬底可进一步提供适用于在其上进行半导电层的异质外延生长的结构和表面。根据一个实施方案，衬底可以为无机材料。一些适合的无机材料可包括氧化物、碳化物、氮化物、硼化物，碳氧化物、硼氧化物、氮氧化物以及它们的组合。在某些实例中，衬底可包括氧化铝，并且更具体地，可包括单晶氧化铝（即，蓝宝石）。一个实施方案利用基本由蓝宝石组成的衬底。
过程可在步骤103处通过形成覆盖衬底的缓冲层继续。暂时转向图2A，示出可根据实施方案的半导电衬底200。显著地，半导电衬底200可包括衬底201和覆盖衬底201的缓冲层203。具体而言，缓冲层203可覆盖衬底201的上主表面，并且更具体地，缓冲层203可与衬底201的上主表面直接接触。
形成缓冲层203可包括沉积工艺。例如，在反应室内，缓冲层203可沉积在衬底201的上主表面上。根据一个工艺，可将衬底装载到反应室中，以及在反应室内提供合适的环境后，可在衬底上沉积缓冲层。根据一个实施方案，合适的沉积技术可包括化学气相沉积。在一个具体实例中，沉积工艺可包括金属有机物化学气相沉积（MOCVD）。
缓冲层203可由多层薄膜形成。例如，如图2A所示，缓冲层203可包括薄膜204和薄膜206。根据实施方案，至少一个薄膜可包括晶体材料。在更多个具体的实例中，可与衬底201的表面直接接触的薄膜204可包括硅，并且可基本由硅组成。薄膜204可促进如本文所描述的衬底201和覆盖薄膜204的半导电层之间的分离。
如图2A所示的，薄膜206可覆盖薄膜204，并且更具体地，可与薄膜204直接接触。薄膜206对于在其上的层的外延形成具有合适的晶体学特征。特别地，在一个实施方案中，薄膜204可包括半导电材料。合适的半导电材料可包括III-V族材料。在一个具体实例中，薄膜206可包括氮化物材料。在另一个示例中，薄膜206可包括镓、铝、铟以及它们的组合。但在一个具体实施方案中，薄膜206可包括氮化铝，并且更具体地，薄膜206可基本由氮化铝组成。
因此，在示例性结构中，缓冲层203可形成为使得薄膜204包括硅并且直接接触衬底201的主表面。此外，薄膜206可直接接触薄膜204的表面并且包括III-V族材料。
在步骤103处形成缓冲层后，过程可在步骤105处通过形成覆盖缓冲层203的基层继续。简要参照图2A，半导电衬底200可包括覆盖缓冲层203的基层205。具体而言，基层205可形成为使得基层205覆盖缓冲层203的表面，并且更具体地，基层可与缓冲层203的薄膜206直接接触。
根据实施方案，一旦适当地形成缓冲层203，则可将衬底201和缓冲层203放置在反应室内以进行连续生长工艺。连续生长工艺可包括在单个室中执行的工艺，而不需要将工件（例如，半导电衬底）从室中移出。连续生长工艺还可包括诸如外延生长工艺的生长工艺，其中可形成一系列半导电层，而不需要将工件从生长温度大幅冷却，使得所有层可以彼此在原位形成。连续生长工艺可进一步包括生长工艺，其中利用相同工艺（例如，氢化物化学气相外延）和在相同的温度中以基本上相同的生长温度形成所有半导电层，但在半导电层可具有不同特性。例如，半导电层的化学沉积可彼此不同，使得在连续生长工艺期间，可形成一系列的半导电层，其中相邻层的化学沉积可通过修改生长参数而不同。
根据实施方案，连续生长工艺可利用外延生长工艺。更具体地，连续生长工艺可包括氢化物气相外延（HVPE）。因此，基层205可通过外延生长工艺形成，诸如氢化物气相外延（HVPE）。
在一个具体实例中，基层205可由III-V族材料组成。一些合适的III-V族材料可包括氮化物材料。此外，基层205可包括镓。在具体实例中，基层205可包括氮化镓（GaN），并且更具体地，可基本由氮化镓组成。
可进行形成基层205的具体方法。例如，可以各种生长模式进行基层材料的外延生长。例如，在一个实施方案中，基层被初步形成作为在3维（3D）生长模式下生长的外延层。3D生长模式可包括基层205材料沿着多个晶向的同时生长。在这种实例中，以3D生长工艺形成基层205可包括在缓冲层203上自发形成岛特征（island feature）。自发形成的岛特征可随机地定位在缓冲层203上，限定在台面（mesa）之间的具有多个端面（facet）和谷（valley）的各个台面。
替代地，或作为附加，形成基层205可包括在2维（2D）生长模式下的外延生长。2D生长模式通过材料在一个晶向中的优先生长和晶体材料沿着其他晶向的限制生长进行表征。例如，在一个实施方案中，在2D生长模式下形成包括GaN的基层205包括GaN在c-平面（0001）中的优先生长，使得基层材料的垂直生长比横向生长稳定。
但是，形成基层可包含3D和2D生长模式的组合。例如，可在3D模式下初步形成基层205，其中在缓冲层203上自发形成岛特征作为材料的非连续层。遵照3D生长模式，可改变生长参数以变成2D生长模式，其中相比于横向生长，垂直生长被加速。一旦从3D生长模式转换到2D生长模式，自发形成的岛可聚结到均匀厚度的连续层中。结合3D和2D生长模式可促进具有期望特性（例如，特定位错密度）的基层的形成。
某些生长参数包括生长温度、生长速率、气相反应物和非反应物材料的压力、反应气氛中的反应物和非反应物材料的比例、生长室压力以及它们的组合。本文对反应物材料的引用包括诸如含氮材料（例如，氨）的反应物材料。其他反应物材料可包括卤化物相成分，该卤化物相成分包括例如金属卤化物成分，诸如氯化镓。非反应物材料可包括包含例如稀有气体、惰性气体等的特定类型的气体。在具体实例中，非反应物材料可包括诸如氮气和/或氢气的气体。
在包括在3D生长模式下制造基层205的基层205的形成过程中，生长温度可以为至少大约750℃。在其他实施方案中，生长温度可更大，诸如至少大约800℃、至少大约850℃、至少大约875℃、至少大约900℃、或甚至至少大约925℃。根据一个形成的方法，在基层205的形成过程中，生长温度可能不大于大约1200℃，诸如不大于大约1150℃、不大于大约1125℃、不大于大约1050℃、或甚至不大于大约1000℃。将理解，生长温度可在以上所述的任何的最小值和最大值之间的范围内。
对于某些工艺，生长温度可改变成便于在3D和2D生长模式之间的改变。例如，在从3D生长模式变成2D生长模式时，温度可改变至少大约5℃，诸如至少大约10℃、至少大约15℃、至少大约20℃、至少大约30℃、至少大约35℃、或甚至至少大约40℃。在又一其他实施方案中，在从3D生长模式变成2D生长模式时，生长温度可改变不大于大约100℃，诸如不大于大约90℃、不大于大约80℃、不大于大约70℃、或甚至不大于大约60℃。生长温度的改变可包括在从3D生长模式变成2D生长模式时生长温度的增加。将理解，生长温度的改变可在以上所述的任何的最小值和最大值之间的范围内。
根据实施方案，形成基层205的工艺可按照至少50微米每小时的生长速率进行。在其他实施方案中，形成基层205的速率可更大，诸如至少大约75微米每小时、至少大约100微米每小时、至少大约150微米每小时、至少大约200微米每小时、或甚至至少大约250微米每小时。另一实施方案，形成基层205的工艺可按照不大于大约1mm每小时的速率进行，诸如不大于750微米每小时、不大于500微米每小时、或甚至不大于大约300微米每小时。将理解，形成基层的工艺可按照以上所述的任何的最小值和最大值中的范围内的速率进行。
对于某些工艺，生长速率可改变成便于3D和2D生长模式之间的改变。例如，在从3D生长变成2D生长时，生长速率可改变至少大约5微米每小时，诸如至少大约10微米每小时、至少大约15微米每小时、至少大约20微米每小时、至少大约40微米每小时、至少大约50微米每小时、或甚至至少大约75微米每小时。在又一其他实施方案中，在从3D生长模式变成2D生长模式时，生长速率可改变不大于大约200微米每小时，诸如不大于大约175微米每小时、不大于大约150微米每小时、不大于大约125微米每小时、或甚至不大于大约100微米每小时。将理解，当从3D生长模式变成2D生长模式时，生长速率的改变可以为生长速率的降低量。将理解，生长速率的改变可在以上所述的任何的最小值和最大值之间的范围内。
根据其他实施方案，从3D生长模式变成2D生长模式的过程可通过生长速率改变到至少二分之一而诱发。例如，在从3D生长模式变成2D生长模式时，生长速率可降低到至少二分之一（by at least a factor of2）。在其他实施方案中，生长速率可降低到至少大约三分之一、至少大约四分之一、或甚至至少大约五分之一。在特定实例中，生长速率的降低不大于大约八分之一、不大于大约七分之一、不大于大约六分之一。
将理解，当改变生长模式时，可改变上述因素中的一个或多个。例如，可以改变生长温度，而生长速率保持稳定。替代地，可改变生长速率，而保持生长温度。而在另一实施方案中，可改变生长速度和生长温度两者以实现生长模式的改变。
在适当地形成基层205之后，基层205的平均厚度可以为不大于大约5mm。在其他实施方案中，基层205的平均厚度可以更小，诸如不大于大约4mm、不大于大约3mm、不大于大约2mm、或甚至不大于大约1.5mm。但是，将理解，基层205可形成为使得基层205具有至少大约0.1mm的平均厚度，诸如，至少0.2mm、至少0.5mm、至少0.8mm、或甚至至少1mm。将理解，基层205可具有在以上所述的任何的最小值和最大值中的范围内的平均厚度，包括例如，在0.1mm和大约5mm之间的范围内。
基层205可形成为具有特定位错密度。可测量一旦形成后在基层的上表面处的基层205的位错密度。测量位错密度的合适的方法包括在10keVe-束、束斑大小70的条件下使用在室温下工作的阴极发光显微镜和无单色器的多色光检测，其中机器为可从JEOL公司买到的SEMJSM-5510。对于大约108cm-2的位错密度测量，放大率为4000倍以及面积通常为700μm2。对于大约106cm-2的位错密度测量，放大率通常为500-1000倍以及面积通常为0.1mm2。
例如，基层205可具有如在基层205的上表面处测量的不大于大约1x108位错/cm2的位错密度。在其他实施方案中，基层205的位错密度可以更小，使得基层205的位错密度不大于大约1x107位错/cm2、不大于大约6x106位错/cm2、或甚至不大于大约1x106位错/cm2。但是，基层205可具有至少大约1x105位错/cm2的位错密度，诸如至少2x105位错/cm2、至少3x105位错/cm2、或甚至至少5x105位错/cm2。将理解，基层可具有在以上所述的任何的最小值和最大值中的范围内的位错密度。
基层205可形成为使得基层205关于特定辐射波长具有特定吸收系数。例如，在可见光谱内的辐射，其包括具有在大约350纳米和大约800纳米之间的波长的辐射。在某些实例中，基层205可具有不大于大约50cm-1的吸收系数。在其他实施方案中，基层205可形成为使得基层205具有不大于大约25cm-1的吸收系数，诸如不大于大约15cm-1、不大于大约10cm-1、或甚至不大于大约5cm-1。在其他实施方案中，对于可见光谱中的辐射，基层205可具有至少大约0.1cm-1的吸收系数，诸如至少0.2cm-1、至少0.5cm-1、至少大约1cm-1、或甚至至少大约2cm-1。将理解，基层205可具有在以上所述的任何的最小值和最大值中的之间的范围内的吸收系数。
在步骤105处形成基层后，过程可在步骤107处通过形成覆盖基层的释放层而继续。简要参照图2A，半导电衬底200包括覆盖基层205的释放层207。具体而言，在连续生长工艺中，释放层207可与基层205原位形成。根据特定实施方案，在连续生长工艺中，释放层207可形成为覆盖基层。显著地，可通过促进将基层205的形成期间所使用的外延条件改变成释放层207的形成期间所使用的生长工艺参数的特定生长工艺参数的改变来促进释放层207的形成。可改变诸如生长温度、生长速率、气相反应物和非反应物材料的压力、反应气氛中的反应物和非反应物材料的比例、生长室压力的生长工艺参数中的一个或组合以促进释放层207的形成。
根据特定实施方案，可通过从形成基层205到形成释放层207的反应室内的气相反应物材料的浓度的改变来促进释放层207的形成。例如，诸如掺杂剂材料的特定气相反应物材料可被导入反应室中以促进释放层207的形成。根据实施方案，适合的掺杂剂可包括诸如C、Mg、Zn、Si、Sn、O、Fe、Ge以及它们的组合的元素。
在一个特定实施方案中，在释放层207的形成期间，可利用2D生长模式。在这种实例中，诸如Fe、Ge和它们的组合的掺杂剂材料可被导入生长室以促进释放层的形成。
根据另一实施方案，可利用3D生长模式形成释放层。在3D生长模式中使用的合适的掺杂剂材料可包括O、Ge以及它们的组合。
掺杂剂材料可按特定的方式导入反应室中以促进具有期望特性的释放层207的适当形成，该期望特性包括例如，吸收系数。掺杂剂材料可按至少大约0.001且不大于大约0.01的掺杂剂/Ga气相比注入。
掺杂剂材料可被导入反应室中一段特定持续时间。例如，掺杂剂可存在于反应室内至少大约1秒且不大于大约5分钟的持续时间。
根据实施方案，释放层207可形成为具有特定浓度的掺杂剂材料。例如，释放层207中的掺杂剂的浓度可以为至少大约2x1018cm-3，诸如至少大约4x1018cm-3、至少大约8x1018cm-3、或甚至至少大约1x1019cm-3。但是，释放层207可形成为使得掺杂剂浓度不大于大约1x1021cm-3，诸如不大于大约1x1020cm-3、或甚至不大于大约5x1019cm-3。将理解，释放层207中的掺杂剂浓度可在以上所述的任何的最小值和最大值之间的范围内。
释放层可包括包含掺杂剂材料的III-V族材料。例如，释放层可包括氮化物材料。在一个实例中，释放层可包括镓，更具体地可包括氮化镓。在特定实施方案中，释放层形成为使得释放层基本由氮化镓组成。将理解，基本由氮化镓组成不考虑本文所述的特定浓度的掺杂剂材料。
释放层可形成为使得释放层具有关于特定波长的辐射的特定吸收系数，该特定波长的辐射包括具有可见光谱中的波长的辐射。释放层207可形成为使得释放层207吸收比基层205显著更大量的辐射，并且同样地，释放层207的吸收系数可比基层205的吸收系数显著更大。
释放层可形成为使得释放层对于可见光谱内的辐射具有至少800cm-1的吸收系数。在其他实施方案中，释放层207的吸收系数可以更大，诸如至少大约1000cm-1、大约2000cm-1、至少大约3000cm-1、或甚至至少大约5000cm-1。但是，将理解，对于可见光谱中的辐射，释放层207的吸收系数可不大于大约10,000cm-1，诸如不大于大约9,000cm-1、不大于大约8,000cm-1、或甚至不大于大约7,000cm-1。将理解，释放层207可形成为使得释放层207具有在以上所述的任何的最小值和最大值之间的范围内的吸收系数。
基层207可形成为具有特定的平均厚度。显著地，释放层207的厚度可显著小于基层205的平均厚度。例如，释放层可具有不大于大约100微米的平均厚度，诸如不大于大约80微米、不大于大约50微米、或甚至不大于大约30微米。在其他实施方案中，释放层可形成为使得释放层具有至少大约1微米的平均厚度，诸如至少大约2微米、至少大约3微米、至少大约5微米、或甚至至少大约10微米。将理解，释放层207可具有在以上所述的任何的最小值和最大值之间的范围内的平均厚度。
根据实施方案，释放层207可具有如在层的上表面上的测量的特定位错密度。例如，释放层207的上表面处的位错密度可与基层205的上表面处的位错密度基本相同。例如，释放层可具有不大于大约1x108位错/cm2的位错密度，诸如不大于大约1x107位错/cm2、或甚至不大于大约1x106位错/cm2。在其他实施方案中，释放层可具有至少大约1x105位错/cm2的位错密度，诸如至少大约2x105位错/cm2、或甚至至少大约5x105位错/cm2。将理解，释放层可具有在以上所述的任何的最小值和最大值之间的范围内的位错密度。
根据生长工艺，释放层207可按照与基层205基本相同的速率生长。显著地，可优选地，在从形成基层205转变到形成释放层207时生长速率不改变。例如，释放层207可按至少50微米每小时的生长速率形成。在其他实施方案中，形成释放层207的速率可更大，诸如至少大约75微米每小时、至少大约100微米每小时、至少大约150微米每小时、至少大约200微米每小时、或甚至至少大约250微米每小时。在另一实施方案中，释放层207可按不大于大约1mm每小时的生长速率形成，诸如不大于750微米每小时、不大于500微米每小时、或甚至不大于大约300微米每小时。将理解，形成释放层的工艺可按照以上所述的任何的最小值和最大值中的范围内的速率构造。
在步骤107形成释放层后，过程可在步骤109处通过形成覆盖释放层的外延层而继续。简要参照图2A，外延层209被示为形成于释放层207上。在特定实例中，外延层209可形成为使得外延层209直接接触释放层207的上表面。显著地，释放层207可设置在外延层209和基层205之间。
形成外延层209的工艺可包括外利用如本文所述的一个或多个生长模式的外延生长工艺。例如，外延层209的形成可包括通过3D生长模式、2D生长模式或3D和2D生长模式的组合来形成。在一个实施方案中，外延层209的形成完全在2D生长模式下完成。
外延层209的形成可通过连续生长工艺进行，使得外延层209与其他半导电层（例如，基层205和释放层207）原位形成。显著地，当从形成释放层207变成形成外延层209时，生长工艺可以是连续且不间断的。
根据实施方案，在连续生长工艺下形成外延层209可以包括改变释放层的形成期间所使用的条件中的至少一个生长工艺参数。即，例如，在外延层209的生长期间所使用的一个或多个生长工艺参数可与在释放层207的形成期间所使用的一个或多个生长工艺参数不同。
在特定实例中，相比于在释放层207的生长期间的所述气相反应物的浓度，在外延层209的形成期间，可以改变至少一个气相反应物的浓度。具体而言，相比于在释放层207的形成期间存在于反应室中的掺杂剂材料的浓度，改变可包括在外延层209的形成期间存在于反应室中的掺杂剂材料的浓度的降低。因此，外延层209可具有与释放层207的组分不同的组分。显著地，组分的差异可通过至少一个元素（诸如释放层207和外延层209之间的掺杂剂材料）的量的不同来进行表征。
根据实施方案，外延层209可具有小于大约5x1019cm-3的掺杂剂浓度。在另一实施方案中，外延层209中掺杂剂浓度可以更小，诸如不大于大约2x1019cm-3、不大于大约1x1019cm-3、不大于大约1x1018cm-3、不大于大约8x1017cm-3、或甚至不大于大约5x1017cm-3。将理解，基层205和外延层209内的掺杂剂浓度可基本相同，并且更具体地，显著小于释放层207内的掺杂剂浓度。
根据实施方案，外延层209可包括III-V族材料。在特定实例中，外延层可包括氮化物材料。在又一实施方案中，外延层可包括镓，并且更具体地，可包括氮化镓。某些外延层可基本由氮化镓组成。
根据实施方案，外延层209可按照与释放层207基本相同的速率生长。此外，在某些实施方案中，外延层209可按照与基层205相同的生长速率形成。
外延层209可形成为使得外延层209具有显著大于释放层207的平均厚度的平均厚度。例如，外延层209可形成为使得外延层209具有至少大约5微米的平均厚度。在其他实施方案中，平均厚度可以更大，诸如至少大约10微米、至少大约15微米、至少大约20微米、至少大约25微米、至少大约40微米、至少大约50微米、或甚至至少大约100微米。但是，外延层209可形成为使得外延层209具有不大于大约500微米的平均厚度，诸如该平均厚度不大于大约400微米、或甚至不大于大约300微米。将理解，外延层209可具有在以上所述的任何的最小值和最大值之间的范围内的平均厚度。
外延层209可被形成为具有如在上表面中测量的特定位错密度。在具体实施方案中，外延层209可形成为使得外延层209具有小于释放层207的位错密度的位错密度。但是，在一个实施方案中，外延层209可具有不大于大约1x108位错/cm2的位错密度，诸如不大于大约1x107位错/cm2、或甚至不大于大约1x106位错/cm2。在其他实施方案中，外延层209可具有至少大约1x105位错/cm2的位错密度，诸如至少大约2x105位错/cm2、或甚至至少大约5x105位错/cm2。将理解，外延层209可具有在以上所述的任何的最小值和最大值之间的范围内的位错密度。
外延层209可形成为使得外延层209具有特定吸收系数。显著地，关于可见光谱中的辐射，外延层209可具有显著小于释放层207的吸收系数的吸收系数。关于可见光谱中的辐射，外延层209可进一步具有基本类似于基层205的吸收系数的吸收系数。根据实施方案，外延层具有不大于大约50cm-1的吸收。在其他实施方案中，外延层209可具有不大于大约25cm-1的吸收系数，诸如不大于大约15cm-1、不大于大约10cm-1、或甚至不大于大约5cm-1。在其他实施方案中，对于可见光谱中的辐射，外延层209可具有至少大约0.1cm-1的吸收系数，诸如至少0.2cm-1、至少0.5cm-1、至少大约1cm-1、或甚至至少大约2cm-1。将理解，外延层209可具有在以上所述的任何的最小值和最大值之间的范围内的吸收系数。
在包括例如基层205、释放层207以及外延层209的半导电层的形成过程期间，衬底201可从多个半导电层分离。该分离可通过解离缓冲层203的一部分（具体而言，缓冲层203内的薄膜）来促进。根据实施方案，缓冲层203可包括诸如硅的薄膜，其中在连续生长工艺期间使用的高温下，薄膜被热解离。热解离促进衬底201和多个半导电层之间的分离。因此，一旦完成连续生长工艺，基层205、释放层207和外延层209可从衬底201中完全移除。
转到图2B，半导体衬底250被示为具有包括基层205、释放层207和外延层209的多个半导电层。在形成半导电衬底并从通过连续生长工艺形成的多个半导电层225释放衬底201后，半导电衬底250可进一步被处理。一个此类工艺可以包括半导电衬底250的研磨以减少半导电层225的总厚度并提高用于在其上形成电子器件的表面的质量。
转向图2C，示出了半导电衬底的截面图示，该半导电衬底包括在其上形成的电子器件。半导电衬底275可具有多个半导电层，包括基层205、释放层207以及外延层209。此外，半导电衬底275可包括在外延层209的上表面上形成的电子器件层211。电子器件层211可包括可通过已知技术形成的诸如光电子器件（例如发光二极管（LED）或激光二极管（LD））的器件。
在适当地形成电子器件层211之后，可进行分离工艺。分离可包括从电子器件层211释放半导电衬底的多个层中的至少一个层。图2D包括根据实施方案的具有电子器件层和经过分离工艺的半导电衬底的横截面图示。
该分离工艺可包括多个半导电层之间的分离，特别是基层205和外延层209在释放层处的分离。在分离工艺期间，特定波长（诸如在光谱的可见部分内的波长）的辐射220碰撞在释放层207上。虽然图2D示出了通过基层205来引导辐射，但将理解辐射可替代地通过外延层209被引导。释放层207具有比基层205和外延层209的吸收系数显著更大的吸收系数，使得碰撞辐射优先在释放层207处被吸收，导致释放层207的化学性质改变，并且促进基层205与外延层209之间的分离。在一个实施方案中，辐射可导致释放层207的离解。
在多个半导电层在释放层207处分离之后，包括外延层209、电子器件层211以及支撑层213的半导电器件295适合进行进一步处理以成为商用器件。从半导电器件295分离的基层205可被合适的制造商回收和再利用作为块状半导电衬底或种子材料。
图3包括根据实施方案的半导电衬底的横截面图示。半导电衬底300包括衬底201、具有覆盖衬底的膜204和206的缓冲层203以及覆盖缓冲层203的多个半导电层325。衬底201和缓冲层203可具有与本文中的实施方案所描述的那些特征相同的特征。
半导电层325可根据连续生长工艺来形成，其中每个层在不打断沉积或外延工艺的情况下在彼此之上连续生长。特别地，多个半导电层325中的每个层可利用HVPE来形成。
半导电衬底300可包括基层305，基层305最初在缓冲层203上形成，并且可具有本文中的实施方案中描述的基层的相同特征。
形成半导电衬底300的工艺包括连续生长半导电材料以在基层305上形成第一释放层307。第一释放层307可包括诸如III-V族材料之类的半导电材料。第一释放层307可具有本文中实施方案所描述的任何释放层的相同特征。
特别地，在连续生长工艺期间第一释放层307的形成可包括改变用于形成基层305的生长参数中的至少一个生长参数。在一个特定实例中，第一释放层307的形成可包括将第一掺杂剂材料引入到反应室中，使得第一释放层307与基层305或半导电衬底300中的其他周围层相比具有独特的组分。第一释放层307可具有相对于特定波长的辐射的特定吸收系数。
形成半导电衬底300的工艺包括连续生长半导电材料以在第一释放层307上形成第一外延层309。第一外延层309可包括诸如III-V族材料之类的半导电材料。第一外延层309可具有在本文中实施方案所描述的任何外延层的相同特征。
特别地，在连续生长工艺期间第一外延层309的形成可包括改变用于形成第一释放层307的生长参数中的至少一个生长参数。在一个特定实例中，第一外延层309的形成包括从反应室中去除掺杂剂材料。相应地，第一外延层309和第一释放层307可具有不同的组分，特别是至少包括掺杂剂材料的浓度差异。此外，在某些实例中，第一外延层309可具有比第一释放层307的平均厚度显著更大的平均厚度。
形成半导电衬底300的工艺包括连续生长半导电材料以在第一外延层309上形成第二释放层311，其中第一外延层设置在第一释放层307与第二释放层311之间。第二释放层311可包括诸如III-V族材料之类的半导电材料。第二释放层311可具有本文中实施方案所描述的任何释放层的相同特征。
特别地，在连续生长工艺期间第二释放层311的形成可包括改变用于形成第一外延层的生长参数中的至少一个生长参数。在一个特定实例中，第二释放层311的形成可包括将第二掺杂剂材料引入到反应室中，使得第二释放层311与基层305、第一释放层307和/或第一外延层309相比具有独特的组分。
形成半导电衬底300的工艺包括连续生长半导电材料以在第二释放层311上形成第二外延层313。相应地，第二释放层311可设置在第一外延层309与第二外延层313之间。第二外延层313可包括诸如III-V族材料之类的半导电材料。第二外延层313可具有本文中实施方案所描述的任何外延层的相同特征。
特别地，在连续生长工艺期间第二外延层313的形成可包括改变用于形成第二释放层311的生长参数中的至少一个生长参数。在一个特定实例中，第二外延层313的形成包括从反应室中去除掺杂剂材料。相应地，第二外延层313和第二释放层311可具有不同的组分，特别是至少包括掺杂剂材料的浓度差异。
参考第一释放层307与第二释放层311，第二掺杂剂材料可以是与第一释放层内存在的第一掺杂剂材料相同的元素或组分。替代地，在某些实例中，第二掺杂剂材料可以与第一掺杂剂材料不同，使得第一释放层307和第二释放层311可具有不同的组分。例如，第一掺杂剂材料可包括第一元素，而第二掺杂剂材料可包括与第一掺杂剂材料的第一元素不同的第二元素。
此外，第一释放层307和第二释放层311可具有相对于彼此不同浓度的掺杂剂材料，这可促进第一释放层307和第二释放层311之间对于特定波长辐射不同的吸收特性。例如，第一释放层307可具有第一掺杂剂浓度，而第二释放层311可具有第二掺杂剂浓度，其中第一掺杂剂浓度与第二掺杂剂浓度不同。
此外，第一释放层307和第二释放层311可具有相对于彼此不同的厚度，这可促进第一释放层307和第二释放层311之间对于特定波长辐射的不同的吸收特性。例如，在一个实例中，第一释放层307可具有比第二释放层311的厚度更大的厚度。替代地，第一释放层307可具有比第二释放层311的厚度更小的厚度。
第一和第二释放层307和311可具有与彼此相比对于特定波长辐射的不同的吸收系数。例如，第一释放层307可具有使其吸收超过第一波长辐射50%的吸收系数，而第二释放层311可具有使其基本上传输全部第一波长辐射的吸收系数。替代地或作为附加，第二释放层311可具有使其吸收超过第二波长辐射的50%的吸收系数，而第一释放层307可具有使其基本上传输全部第二波长辐射的吸收系数。
第一释放层307和第二释放层311的选择性吸收特性基于选择的波长的辐射而促进半导电衬底300的选择性分离。例如，选择并在第一释放层307上碰撞第一波长辐射可促进基层305从第一外延层309和/或其他半导电层325（即，第二释放层311和第二外延层313）的分离。选择并在第二释放层311上碰撞第二波长辐射可促进第二外延层313从第一外延层309和/或其他半导电层325（即，基层305和第一释放层）的分离。
半导电衬底300的选择性吸收特性还可促进准备好用于器件形成的多个衬底的制造。也就是说，可选择性地分离半导电衬底300的第一和第二外延层311和313并将其提供给电子器件的制造商作为器件就绪（device-ready）的衬底。将理解，虽然仅示出了两个释放层，但利用本文中公开的连续生长方法可以高效的方式在半导电衬底中形成更多释放层。
还将理解，可实现根据本文中的实施方案的半导电衬底的形成，而不必产生本征掩模、通过开槽或粗糙化改变衬底的表面、或利用蚀刻技术。
示例
根据实施方案通过经由MOVPE的两部分缓冲层的第一生长在蓝宝石衬底上形成样品。缓冲层包括直接在蓝宝石衬底上的硅的第一层，和随后AlN的外延生长。在将蓝宝石衬底装载到MOVPE反应器后，蓝宝石衬底必须在硅薄膜的生长之前在N2下退火。优选温度870℃。通过在100托的N2气氛下硅烷的热解形成大约0.4微米厚度的硅生长。
温度升高至大约1140℃，但生长蒸汽为在70托下的纯N2。NH3首先被导入反应室，并且其后，TMAl有机金属材料被导入以开始形成在硅上的AlN层。在大约20分钟的生长后，0.2μm厚的AlN层沉积在Si层的顶部，形成缓冲层。
初始基层的制造通过在AlN层上经由HVPE生长GaN开始。生长以在950℃下以大约150μm/h的生长速率进行的3D生长模式开始。生长室中的压力为大约200托以及V/III比为大约10。
在以3D生长模式充足形成GaN生长后，在大约950℃的恒定低温下得到从3D生长模式到2D生长模式的转变，以及通过降低生长室中的GaCl分蒸气压力使生长速率降低到五分之一至六分之一。生长室中的总压力保持恒定。
生长模式交替，使得利用以下顺序形成约1mm厚的基层：350μm3D+50μm2D+350μm3D+50μm2D+200μm3D。
可在不打断下方的GaN层的生长的情况下形成释放层。在利用HVPE工艺的连续生长工艺下形成释放层的生长，以在利用与用于形成GaN基层的相同的2D HVPE生长参数的2D生长模式下形成GaN基层。在释放层的形成期间，注入掺杂剂Ge。掺杂剂材料可按至少大约0.001至大约0.01的掺杂剂/Ga气相比注入到反应室中长达大约1秒至大约5分钟的持续时间。释放层207中的掺杂剂的浓度在大约2x1018cm-3和1x1021cm-3之间的范围内。释放层可生长为使得释放层对于可见光谱内的辐射具有大约500cm-1至10,000cm-1的吸收系数。释放层具有大约10μm的厚度。
在形成释放层后，可在不打断用于形成基层和释放层的生长工艺的情况下经由HVPE形成GaN的外延层。外延层利用与用于生长GaN基层相同的参数形成，包括在3D和2D生长模式之间的至少一个交替。外延层被形成为具有大约100μm的厚度。
本文的实施方案代表与现有技术水平的背离。虽然某些块（bulk）GaN衬底已形成为包含辐射敏感层（参见，例如，US2010/0219505），此类参考文献并没有解决与在连续生长工艺期间嵌入释放层相关的挑战。本申请公开了用于形成包括多个层的化合物半导电衬底的连续生长工艺，其中每个层在连续生长工艺期间形成并且具有独特特点。此外，本文中的实施方案的连续生长工艺促进具有精确形成且定位的释放层的半导电衬底的形成，以便于进一步处理或重新使用半导电衬底的某些部分。形成半导电衬底的现有方法并不在连续生长工艺期间远程解决适当形成和定位层的挑战。本文中的实施方案的连续生长工艺利用包括生长速率、反应物材料的比例、非反应物材料的比例、生长模式、生长温度、生长压力以及材料成分的生长参数的特定组合。实施方案中所公开的特定连续生长工艺便于具有包括但不限于特定层组分、层的平均厚度、位错密度、吸收系数以及掺杂剂浓度的特征的组合的半导电衬底的形成。
在上文中，对具体实施方案的引用和某些部件的连接是示例性的。将理解，对耦合或连接的部件的引用旨在公开的所述部件之间的直接连接或通过一个或多个插入部件的间接连接，如将被理解以执行本文所讨论的方法。因此，以上公开的主题被认为是说明性而不是限制性的，而且所附权利要求旨在覆盖落入权利要求的真实范围中的所有这些修改、加强以及其它实施方案。因此，为了获得法律允许的最大范围，本发明的范围将由所附权利要求和它们的等价物所允许的最宽泛解释来确定，而且不应当受以上详细描述约束或限制。
提供本公开的摘要以符合专利法，该摘要是以它不用于解释或限制权利要求的范围或含义的理解而提交的。此外，在上述具体实施方式中，为了将本公开串成整体的目的，各个特征可在单个实施方案中被组合到一起或被描述。这种公开不应被解释为反映要求保护的实施方案相比各个权利要求中明确陈述的特征而言需要更多特征的意图。相反，如所附权利要求反映出来的那样，发明主题可涉及少于所公开的实施方案中的任一个的所有特征。因此，所附权利要求被包括到具体实施方式中，其中各个权利要求基于其本身独立定义所要求保护的主题。

Claims (45)

1.一种形成用于电子器件的半导体衬底材料的方法，包括：
在反应室中的连续生长工艺期间在衬底上形成多个半导体层，其中在所述连续生长工艺期间，通过改变在所述连续生长工艺期间的至少一个生长工艺参数而在基层和外延层之间形成释放层，以及其中所述释放层为第一释放层；以及所述方法进一步包括
形成从所述第一释放层分离的第二释放层；以及
从所述衬底中分离所述多个半导体层。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述连续生长工艺包括氢化物气相外延(HVPE)工艺。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述衬底包括无机材料。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述基层包括氮化镓。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述基层包括不大于5mm的平均厚度。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述基层包括对于可见光谱中的辐射的不大于50cm-1的吸收系数。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述基层包括对于可见光谱中的辐射的至少0.1cm-1的吸收系数。
8.根据权利要求1所述的方法，其中形成包括形成以至少50微米/hr的速率形成所述基层。
9.根据权利要求1所述的方法，其中形成包括在三维生长模式下形成所述基层。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述生长参数选自包括生长温度、生长速率、气相反应物和非反应物材料的压力、气相反应物和非反应物材料的温度、反应气氛中的反应物和非反应物材料的比例、生长室压力以及它们的组合的参数的组中。
11.根据权利要求1所述的方法，其中改变至少一个生长工艺参数包括改变气相反应物材料的浓度。
12.根据权利要求11所述的方法，其中改变气相反应物材料的浓度包括相比于在所述基层的形成期间的元素浓度来增加在所述释放层的形成期间反应室中的元素的浓度。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述元素为选自由Fe、O、Ge以及它们的组合组成的组的掺杂剂。
14.根据权利要求1所述的方法，其中所述释放层包括至少2x1018cm-3的掺杂剂浓度。
15.根据权利要求1所述的方法，其中所述释放层包括不大于1x1021cm-3的掺杂剂浓度。
16.根据权利要求1所述的方法，其中所述释放层包括对于可见光谱中的辐射的至少500cm-1的吸收系数。
17.根据权利要求1所述的方法，其中所述释放层包括对于可见光谱中的辐射的不大于10000cm-1的吸收系数。
18.根据权利要求1所述的方法，其中所述释放层包括不大于100微米的平均厚度。
19.根据权利要求1所述的方法，其中所述释放层包括至少1微米的平均厚度。
20.根据权利要求1所述的方法，其中所述释放层以与用于生长所述基层的速率相同的速率生长。
21.根据权利要求1所述的方法，其中所述释放层包括氮化镓。
22.根据权利要求1所述的方法，其中所述外延层包括氮化镓。
23.根据权利要求1所述的方法，其中所述外延层以与所述释放层的速率相同的速率生长。
24.根据权利要求1所述的方法，其中所述外延层以比所述释放层的生长的速率慢的速率生长。
25.根据权利要求1所述的方法，其中所述外延层包括大于所述释放层的平均厚度的平均厚度。
26.根据权利要求1所述的方法，其中所述外延层包括对于可见光谱中的辐射的小于所述释放层的吸收系数的吸收系数。
27.根据权利要求1所述的方法，其中形成包括相比于用于生长所述释放层的工艺参数，改变在所述外延层的生长期间的生长工艺参数中的至少一个。
28.根据权利要求1所述的方法，其中所述分离在所述连续生长工艺期间进行。
29.根据权利要求28所述的方法，其中从所述衬底中分离多个半导体层在生长温度下完成。
30.根据权利要求28所述的方法，其中从所述衬底中分离多个半导体层包括在所述连续生长工艺期间热分解所述衬底和多个半导体层之间的缓冲层的至少一部分。
31.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在所述释放层处分离多个半导体层。
32.根据权利要求31所述的方法，其中分离包括经由辐射分解所述释放层的一部分。
33.根据权利要求31所述的方法，其中分离包括通过所述外延层或所述基层中的至少一个引导辐射并将所述辐射碰撞在所述释放层上。
34.根据权利要求1所述的方法，其中所述外延层的一部分设置在所述第一释放层和所述第二释放层之间。
35.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一释放层和所述第二释放层包括对于特定波长的辐射的不同吸收系数。
36.根据权利要求1所述的方法，其中分离包括通过所述基层引导辐射并将所述辐射碰撞在所述第一释放层上并且分离所述外延层和所述第二释放层。
37.根据权利要求36所述的方法，其中所述方法进一步包括从所述第二释放层分离所述外延层。
38.根据权利要求37所述的方法，其中从所述第二释放层分离所述外延层包括通过所述基层引导辐射并将所述辐射碰撞在所述第一释放层上并从所述外延层和所述第一释放层的一部分中分离所述外延层和所述第二释放层的一部分。
39.一种形成用于电子器件的半导体衬底材料的方法，包括：
在反应室中形成包括覆盖衬底的III-V族材料的基层，其中沉积所述基层包括氢化物气相外延(HVPE)工艺；
继续生长所述III-V族材料并将第一掺杂剂材料导入所述反应室中以形成覆盖所述基层的第一释放层；
继续生长所述III-V族材料并从所述反应室移除掺杂剂以形成覆盖所述释放层的第一外延层部分；
继续生长所述III-V族材料并将第二掺杂剂材料导入所述反应室中以形成覆盖所述第一外延层部分的第二释放层；以及
利用碰撞在所述第一释放层上的第一波长的辐射在所述第一释放层处从所述基层分离所述第一外延层部分。
40.根据权利要求39所述的方法，其中所述第一掺杂剂和所述第二掺杂剂包括不同元素。
41.根据权利要求39所述的方法，其中所述第一掺杂剂以第一浓度存在以及所述第二掺杂剂以第二浓度存在，并且其中所述第一浓度和所述第二浓度不同。
42.根据权利要求39所述的方法，包括在分离所述第一释放层之前继续生长所述III-V族材料并从所述反应室移除第二掺杂剂材料以形成覆盖所述第二释放层的第二外延层部分，以及进一步包括通过将辐射碰撞在所述第二释放层上从所述第一外延层部分分离所述第二外延层部分。
43.根据权利要求39所述的方法，其中所述第一释放层和所述第二释放层包括对于第一波长的辐射的不同吸收系数。
44.一种半导体器件，包括：
基层，所述基层包括III-V族材料；
第一释放层，所述第一释放层包括覆盖所述基层的III-V族材料；
第一外延层部分，所述第一外延层部分包括覆盖所述第一释放层的III-V族材料；
第二释放层，所述第二释放层包括覆盖所述第一外延层部分的III-V族材料；以及
第二外延层部分，所述第二外延层部分包括覆盖所述第二释放层的III-V族材料。
45.一种半导体器件，包括：
基层，所述基层包括III-V族材料；
第一释放层，所述第一释放层包括覆盖所述基层的III-V族材料；
第一外延层部分，所述第一外延层部分包括覆盖所述第一释放层的III-V族材料；
第二释放层，所述第二释放层包括覆盖所述第一外延层部分的III-V族材料；以及
第二外延层部分，所述第二外延层部分包括覆盖所述第二释放层的III-V族材料。
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