CN104781938B - 多层基底结构以及制造其的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

一种多层基底结构，其包括基底、形成于基底上的热匹配层以及在热匹配层之上的晶格匹配层。热匹配层包括钼、钼‑铜、多铝红柱石、蓝宝石、石墨、铝‑氮氧化物、硅、碳化硅、锌氧化物和稀土氧化物中的至少一个。晶格匹配层包括第一化学元素和第二化学元素以形成合金。第一化学元素和第二化学元素具有类似的晶体结构和化学性质。热匹配层的热膨胀系数以及晶格匹配层的晶格参数均约定于第III‑V族化合物半导体的成员的热膨胀系数和晶格参数。晶格匹配层的晶格常数约等于第III‑V族化合物半导体的成员的晶格常数。晶格匹配层和热匹配层可利用横向控制遮板来沉积在基底上。

Description

多层基底结构以及制造其的方法和系统
相关申请的交叉引用
本申请要求2012年6月22日提交的临时申请第61/662,918号、2012年6月14日提交的临时申请第61/659,944号，2013年3月11日提交的正式申请第13/794,372号、2013年3月11日提交的正式申请第13/794,285号的优先权，其内容在此通过引用方式全部并入。
技术领域
本发明的示例的实施方式大体涉及半导体材料、方法和设备，且更具体地涉及用于第III-V族化合物半导体的外延生长的多层基底结构以及用于制造其的系统。
背景技术
第III-V族化合物半导体诸如氮化镓(GaN)、砷化镓(GaAs)、氮化铟(InN)、氮化铝(AIN)和磷化镓(GaP)被广泛用于电子设备诸如微波频率集成电路、发光二极管、激光二极管、太阳能电池、高功率和高频率电子产品以及光电设备的制造中。为了改善吞吐量并且降低制造成本，期望增加基底的尺寸(如，直径)。由于大尺寸的III-V化合物半导体的生长是非常昂贵的，因此许多外来物质，包括金属、金属氧化物、金属氮化物，以及半导体，诸如碳化硅(SiC)、蓝宝石和硅，通常被用作用于III-V化合物半导体的外延生长的基底。
然而，由于晶格错配以及GaN层和下面的基底(外来物质)之间的热膨胀系数错配，第III-V族化合物半导体(如，GaN)在基底(如，蓝宝石)上的外延生长对外延层的结晶质量(如，晶界、错位和其他扩展缺陷，以及点缺陷)提出许多挑战。GaN层和下面的基底之间的热膨胀系数的差异导致晶片间的大的曲率，在处理过程中或处理之后在返回室温时产生，并且晶格常数的大的错配导致高的错位密度、不希望的应变以及传播到外延GaN层中的缺陷。为了处理这些问题，应力弛豫策略被应用，诸如在GaN层和蓝宝石基底之间生长缓冲层，或者通过改变适当的材料层来配衡压缩应变和拉伸应变。然而，通过增加缓冲层或应力消除层，错位密度可能保持为高的，并且，由于涉及生长有源器件层(active device layer)的相同的沉积技术的使用，制造成本和复杂度显著增加。
当外来物质，包括金属、金属氧化物、金属氮化物，以及半导体，诸如碳化硅(SiC)、蓝宝石和硅，被用作用于半导体的外延生长的基底时，半导体薄膜可利用分子束外延(MBE)或金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术被沉积在基底上，并且在一些情况下，利用原子层沉积(ALD)或原子层外延(ALE)被沉积在基底上。然而，通过使用这些方法，不是全部原子、离子或分子都有机会将自身组织为规则的布置，导致许多原子形成不希望的键合定向并且显著地降低结晶质量以及消极地影响半导体材料的电子性能。结晶质量典型地以晶体大小、晶粒大小、载流子寿命和扩散长度来描述。
虽然一些技术诸如区熔再结晶(ZMR)被设计为改善质量结晶材料，但是其可能遭受如下的缺点：用于熔融被沉积的薄膜的一部分所产生的温度可能超过可由下面的基底处理的最高温度。为了阻止下面的基底被加热至被沉积的薄膜的熔点，加热时间可以被缩短。然而，缩短加热时间意味着在凝固时，晶体结构可能在垂直方向上生长，而不是在垂直方向和横向方向这两个方向上同时生长。因此，外延生长可在垂直方向上而不是在横向方向上被控制，导致沿着基底的小晶粒的面(patch)。
发明内容
根据本发明的一个示例性实施方式，多层基底结构包括基底、形成于基底上的热匹配层、在热匹配层上面的晶格匹配层。热匹配层包括钼、钼-铜、多铝红柱石、蓝宝石、石墨、铝-氮氧化物、硅、碳化硅、锌氧化物和稀土氧化物中的至少一个。晶格匹配层包括第一化学元素和第二化学元素以形成合金。第一化学元素和第二化学元素具有类似的晶体结构和化学性质。热匹配层的热膨胀系数约等于第III-V族化合物半导体的成员的热膨胀系数。
根据本发明的一个示例性实施方式，制造多层基底结构的方法包括提供基底，在基底上生长热匹配层。热匹配层包括钼、钼-铜、多铝红柱石、蓝宝石、石墨、铝-氮氧化物、硅、碳化硅、锌氧化物和稀土氧化物中的至少一个。该方法还包括在热匹配层的上面生长晶格匹配层。晶格匹配层包括第一化学元素和第二化学元素以形成合金。第一化学元素和第二化学元素具有类似的晶体结构和化学性质。热匹配层的热膨胀系数约等于第III-V族化合物半导体的成员的热膨胀系数。
根据本发明的一个示例性实施方式，将薄膜沉积在基底上的方法包括利用视线沉积法将原始材料从材料源引导到基底的表面上，用被布置在基底和原始材料之间的遮板阻断基底的预定部分以产生被阻断的基底部分和未被阻断的基底部分以阻止原始材料沉积在基底的初始的被阻断的部分上以及引起遮板和基底之间的相对移动，使得被阻断的基底部分减少并且未被阻断的基底部分增加，由此产生移动的横向生长边界，导致在基底间的横向外延生长。
根据本发明的一个示例性实施方式，将薄膜沉积在基底上的系统包括横向控制遮板。横向控制遮板被布置在基底和原始材料之间并且被配置为阻断基底的一部分以阻止原始材料沉积到基底的被阻断的部分上。横向控制遮板和/或基底中的一个相对于另一个移动以形成移动的横向生长边界边缘，导致在基底间的横向外延沉积以及在具有大的晶粒尺寸的基底表面间的结晶薄膜的形成。
附图说明
因此已概括地描述了本发明的示例的实施方式，现在将参照附图，所述附图不必按比例绘制，且其中：
图1A-1D阐释了根据示例性实施方式的示例性多层基底结构的示例的横截面图；
图2A阐释了六边的密堆结构的示意图；
图2B阐释了显示晶格常数的晶胞的示意图；
图3阐释了周期表；
图4阐释了根据示例性实施方式的转变温度和组成元素的原子百分数之间的相图关系；
图5阐释了根据示例性实施方式的将薄膜沉积在基底上的示例的系统；
图6A-6C阐释了溅射沉积过程中汽化材料的示例性角分布；以及
图7A-7D阐释了根据本发明的示例性实施方式的在基底上生长大的扩展晶体的示例的方法。
具体实施方式
参照附图来更全面地描述各种实施方式。提供这些示例的实施方式以便本公开内容将是彻底的且完全的，并且将全面地向具有本技术领域学识的本说明书的读者表达发明的范围。在上下文中，相同的数字是指相同的要素。
图1A阐释了根据示例性实施方式的示例性多层基底结构100的示例的横截面图。多层基底结构100可包括基底102和在基底100上外延生长的外延层104。根据不同的应用，基底102可包括半导体材料、化合物半导体材料，或其他类型的材料诸如金属或非金属。例如，材料可包括钼、钼-铜、多铝红柱石、蓝宝石、石墨、铝-氮氧化物、硅、碳化硅、锌氧化物和稀土氧化物，和/或其他合适的材料。
外延层104可包括第III-V族化合物半导体，诸如氮化铝(AIN)、氮化镓(GaN)、氮化铟镓(InGaN)和氮化铟(InN)。如以上所描述的，在基底102和外延层104之间可存在晶格常数错配。为了减少或消除由晶格常数错配造成的缺陷，外延层104在基底102上的生长可使用具有在5nm-100nm的范围内的厚度的晶格匹配层106以适应(accommodate)基底102和外延层104之间的晶格常数错配。晶格匹配层106可包括两个或更多个组成元素，例如两个组成部分，第一化学元素和第二化学元素，以形成合金。第一化学元素是与该合金中的第二化学元素可混溶的。组成元素在室温下可具有类似的晶体结构，诸如六边的密堆结构，如图2A中所示的。组成元素的每个可具有其各自的晶格常数，包括沿着a-轴、b-轴和c-轴的晶格参数，以及轴间角α、β和γ的晶格参数，如图2B所示的。除晶体结构以外，组成元素可具有类似的化学性质。在一个实施方式中，第一化学元素和第二化学元素都可属于图3中阐释的周期表中的第四族元素(即，钛(Ti)、锆(Zr)、铪(Hf)和鈩(Rf))。这样，合金可以由元素Ti和Zr、元素Ti和Hf，以及元素Zr和Hf制成，并且在室温下可具有与组成元素类似的晶体结构，或者由两者的任何组合。合金可包括具有类似的晶体结构和类似的化学性质的第三化学元素或更多个元素。
在恒温下在第一化学元素和第二化学元素与其的相关的晶格参数之间可存在线性关系以允许晶格匹配层106的晶格常数约等于外延层104的晶格常数。第一化学元素对第二化学元素的原子百分数的摩尔分数是P1比(1-P1)。摩尔分数可以根据应用而变化，因为组成将控制所得到的合金的晶格参数值。在一个实施方式中，当外延层104包括GaN并且合金包括与Zr混合的Ti时，Zr的原子百分数PZr可能大于75％并且小于90％。例如，PZr可以是约86％。因此，Ti的原子百分数PTi是(1-PZr)。Zr的第一晶格参数，如，a-轴晶格参数Zr是Ti的第二晶格参数，如，a-轴晶格参数Ti是因此，沿着合金的a-轴的晶格常数PA是 其约等于六边的密堆GaN的a-轴晶格常数PGaN，其中根据组成元素和其他因素，第一化学元素对第二化学元素的原子百分数可以是约43％比57％或者99％比1％。
当外延层104包括不同的化合物半导体(如，AlN、InGaN、InN和/或其他第III-V族化合物半导体)时，晶格匹配层106的组成元素和/或组成元素的摩尔分数可被调整以使晶格匹配层106的晶格常数适应外延层104的晶格常数。例如，当外延层104包括AIN并且晶格匹配层106的组成元素是Zr和Ti时，Zr的原子百分数可以被调整为低于75％并且高于50％。在使用相同的组成元素的另外的实施方式中，当外延层104包括InGaN时，Zr的原子百分数可以是大于90％。除外延层104的材料以外，外延层104的厚度可以引起组成元素的选择以及组成元素的摩尔分数的变化以达到100％晶格匹配。尽管外延层104的厚度变化，但是其可以在5nm-500nm的范围内。换句话说，外延层104的厚度和材料可以确定组成元素的选择及其形成晶格匹配层106的摩尔分数。通过使用任何外延技术，诸如真空蒸发、溅射、分子束外延和脉冲激光沉积、金属有机化学气相沉积、原子层沉积和/或任何其他合适的外延沉积方法，外延层104在晶格匹配层106上外延生长以将晶格匹配层106的结晶图样转移到外延层104。晶格匹配层106可利用沉积技术中的一种而形成于下面的层例如基底102上，所述沉积技术诸如真空蒸发、溅射、分子束外延和脉冲激光沉积、气压化学气相沉积，和原子层沉积。
由于在某些光电设备和功率半导体应用方面六边的密堆相(α相)相对于体心立方相(β相)具有可能的优势，因此可能希望的是在α相中生长外延层104以实现晶格匹配层106的类似的结晶图样。图4显示了根据示例性实施方式的α-β相转变温度和Zr和Ti的原子百分数之间的关系。例如，当PZr是50％时，PTi＝1-PZr＝50％，α-β相转变温度是约605℃。当PZr是84％时，上文已阐释的实例，α-β相转变温度可以是约780℃。在在外延层104上制造多量子阱(MQW)器件的应用中(如，超高亮度LED)，外延沉积法，诸如用于外延生长的金属有机化学气相沉积和原子层沉积和/或任何其他合适的方法，可在700℃～850℃的温度范围内进行。在这个实施方式中，多层基底结构可以在α-β相转变温度780℃之下但高于700℃通过任何加热方法/加热源来加热以尝试在α相中将晶格匹配层106的结晶图样转移到外延层104，避免β相转变。然后，在后续的MQW生长过程中用于加热多层基底结构的温度以及用于加热任何额外的器件层的温度可升高到780℃以上或者降低到780℃以下，因为外延层104已形成并且永久地固定在α相中。温度可以初始地升高到α-β相转变之上且然后立即下降到α-β相转变以下以引起产生相转变自由能以使大的横向区域结晶，导致在晶格匹配层中的单晶α-相。
通过引入晶格匹配层106，应力可被降低，这可能由于基底102和外延层104之间的晶格常数的差异而在外延生长期间形成的外延层104中另外发生，并且通过这样，帮助了高结晶质量的外延层104的生长。如果这样的应力没有被晶格匹配层减轻，则应力可引起外延层104的结晶结构的缺陷。进而，外延层104的结晶结构的缺陷将使其难以在任何后续的器件生长的外延中达到高质量的结晶结构。晶格匹配层106还公开于名称为“A LatticeMatching Layer for Use In A Multilayer Substrate Structure”的美国专利申请中。
如以上所描述的，基底102可包括半导体材料、化合物半导体材料，或另外类型的材料诸如金属或非金属。在一些实施方式中，基底102可以是多晶固体的形式。多晶基底可能通过使晶格匹配层106多晶而不是单晶而消极地影响晶格匹配层106，因此扩大了晶格匹配层106和外延层104之间的晶格常数的差异(相对于多个晶粒和多个结晶定向的平均晶格常数)，并且引起扩展缺陷诸如穿透位错或晶界，导致外延层104的差的结晶质量。为了减小或消除多晶基底的负面影响，无定形层108可被引入到多晶基底102和晶格匹配层106之间，如图1B所示的。通过在多晶基底102和晶格匹配层106之间增加无定形层108，多晶基底102对晶格匹配层106的影响可被减小。这样，仅仅晶格匹配层106的结晶学特征(crystallography)被转移到外延层104。无定形层108可包括但不限于二氧化硅、氮化硅、氮化钽、氮化硼、碳化钨、玻璃样无定形碳、硅酸盐玻璃(如，硼磷硅酸盐玻璃和磷硅酸盐玻璃)和/或其他合适的材料中的一种。无定形层108可具有5nm至100nm的厚度。
在一些实施方式中，基底102的热膨胀系数可以不同于上述的层的热膨胀系数，导致大的基底曲率。例如，当基底102的热膨胀系数大于上述的层的热膨胀系数时，出现二轴压缩应变(如，当基底包括蓝宝石时)。当基底的热膨胀系数小于上述的层的热膨胀系数时，出现拉伸应变(如，当基底包括硅时)。为了克服由热膨胀系数的错配而引起的缺点，基底可通过包括一些化学元素而被用作热匹配层102a(显示于图1C和图1D中)以适应基底(即，在这个实施方式中的热匹配层102a)和晶格匹配层106之间的热错配，如图1C所示，或者适应基底和无定形层108之间的热错配，如图1D所示。在一个实施方式中，热匹配层102a可包括钼或其相关的合金。钼的热膨胀系数是约5.4x10-6/K，其约等于一些第III-V族化合物半导体诸如GaN的热膨胀系数。基底可利用用于金属、晶体及其合金的生长的多种方法来制造。实例可包括直拉(Czochralski)、悬浮区熔(FZ)、定向凝固(DS)、区熔再结晶(ZMR)、烧结、等静压制、电化学镀、等离子体焰炬沉积，和/或其他合适的方法。热匹配层102a具有在5纳米至1毫米的范围内的厚度。
通过引入热匹配层和晶格匹配层，由热膨胀错配和晶格错配引起的应力可被减小或者完全消除。因此，在所得到的外延层104中错位密度可以小于102/cm2(<100错配每平方厘米)。在发光二极管(LED)的形成中，应力的减小或消除可以满足要求以克服所谓的“绿光能隙(green gap)”。“绿光能隙”是对来自MQW LED的LED光输出的下降或减小的工业表述，其使铟与GaN成合金以制造绿色LED。对于在1至5平方毫米器件区域中的大于50mA的正向电流，由于由来自基底的过多的应变造成的缺陷密度、应力导致的扩展缺陷和传播到有源MQW器件层中的点缺陷而发生这种绿色光输出的下降。
因为人的眼睛对绿色最敏感并且绿光强烈地影响人对白光的质量的感觉，本实施方式能够实现在层104上生长的高度结晶质量的器件。而且，本发明的示例性实施方式赋予以成本效益方式制造的绿色LED结晶模板。这样，“绿光能隙”的实现可基于红色、绿色和蓝色的混合光而增强白光发光二极管的高性能，相对于现今使用的基于磷光体的降频转换LED具有最高的理论效力。
图5阐释了根据示例性实施方式的将薄膜沉积在基底上的系统500(如本文所使用的“示例的”、“示例性的”以及相同的术语是指“作为实例、例子或例证”)。为了促进薄膜502在横向方向A上在基底504上的外延沉积，横向控制遮板506被利用并且被布置在基底504和材料源508之间。材料源508被配置为利用合适的沉积方法将原始材料沉积在基底的表面上。根据所利用的沉积方法，原始材料可从原子或分子形式的固体源或液体源汽化并且作为蒸汽通过真空或低压气体或等离子体环境被运输到基底。汽化材料可以是各种电荷状态的元素、合金，或化合物。当汽化材料具有大于1米的长的平均自由程时且汽化材料的轨迹可被认为是直接视线。因此，所利用的沉积工艺被定义为视线沉积。视线沉积法可以是物理气相沉积或化学气相沉积，包括真空蒸发、溅射、脉冲激光沉积、分子束外延、原子层沉积、原子层外延、等离子体焰炬沉积，和/或其他合适的方法。化学气相沉积可以是气压化学气相沉积，和/或任何其他合适的化学气相沉积方法。根据源配置，真空蒸发包括热蒸发、激光束或聚焦灯蒸发、弧放电蒸发以及电子束蒸发。类似地，根据源配置，溅射方法可包括直流溅射、磁控管溅射、射频溅射和脉冲激光溅射。
在以上沉积方法的任何应用中，材料源508和基底504之间的距离L1可以小于气体分子的平均自由程，因此允许气体中的大多数分子以平行的方式到达。为了在基底504的表面之上均匀地形成薄膜502，横向控制遮板506和基底表面之间的距离L2可以小于气体分子的平均自由程。在这种情况下，平均自由程被定义为一个气体分子在与另一个气体分子碰撞之前移动的平均距离。基底504可包括二氧化硅、氮化硅、无定形氮化硼、无定形氮化钨、玻璃样无定形碳、无定形稀土氧化物、无定形氧化锌，以及硅酸盐玻璃。
不同的沉积工艺可在基底处具有不同的通量角分布(flux angulardistribution)。在每个沉积工艺中存在许多方法来帮助基底处的角分布的改善。以溅射沉积工艺作为例子，在通常的溅射沉积工艺中，通常地，撞击基底的大部分原子可能不以法向入射角度(normal incidence angle)撞击基底，因为原子以余弦角分布从材料源(即，溅射目标)中发出，如图6A中所示的。为了在基底处产生更多的法向角分布(normal angulardistribution)，瞄准仪可被使用并且被放置在基底和磁控管溅射系统中的溅射目标之间。瞄准仪的使用趋于减小来自溅射目标的非法向通量，导致沉积的方向性增加。平行入射(collimated incidence)的角分布显示于图6B中。在离子辅助的沉积工艺中，一部分溅射原子被离子化。离子化的原子可以集中靠近θ＝0°以形成方向性角分布，如，方向性角分布602，而中性物质通常具有余弦角分布604。整体角分布被视为余弦角分布和方向性角分布的叠加，如图6C中所示。
在气相沉积工艺中，被蒸发材料在基底上的入射角度可能影响薄膜性能、晶体定向和其它特性。根据由材料源产生的入射原子通量的角分布以及在基底处所期望的原子角分布，汽化材料可以以法向入射角或非法向入射角被沉积在基底表面上。返回参照图5，原始材料可以以-15°至+15°的入射角来沉积。沉积原子通量的平均入射角可以根据沉积的几何结构、汽化源的类型以及基底和材料源之间的相对移动而改变。
如图5中所阐释的，横向控制遮板506被利用以控制薄膜的生长。横向控制遮板506可以限定沉积薄膜502的横向边界(未编号)并且可以覆盖基底504的一些预定的部分以阻止原始材料沉积到基底表面的部分上。在操作中，通过移动横向控制遮板506或基底504中的一个或另一个，沉积薄膜502的横向边界移动并且被控制以使薄膜的生长边缘前进以促进基底间的横向外延沉积。在图5中阐释的一个实例中，横向控制遮板506在方向A上相对于基底504移动。在另一个实例中，横向控制遮板可以保持静态，而基底相对于横向控制遮板移动。在又一个实例中，横向控制遮板和基底均可以以不同的速度移动以达到其间的相对移动。系统500还可包括驱动系统(未示出)以控制横向控制遮板和基底之间的相对移动。系统500可包括后部控制遮板512，其被用于帮助掩蔽在薄膜502的前进的生长边缘后面留下的单晶上的任何不希望的沉积。后者帮助保持薄膜502间的均匀的薄膜厚度。如果后部控制遮板被利用，则后部控制遮板512可被配置为避免在基底504之上在新结晶的薄膜502上的另外的外延沉积。
由于许多薄膜性能，诸如在基底上的被沉积材料的晶粒尺寸，受到沉积温度的影响，因此温度控制是希望的。根据所利用的沉积方法，系统500可包括不同类型的热源(如，图5中的热源510)以控制基底的温度和/或提供可用于沉积工艺的高温。例如，在真空沉积工艺中，热源典型地被使用以热蒸发原始材料，从目标源的表面解吸被沉积材料，加热基底以便清洁和后续的加工，熔融原始材料，以及增加热动能或者增强参与在基底表面上的沉积工艺的吸附原子或分子的表面迁移率。热可以在真空室中通过许多不同的技术产生。在溅射沉积工艺的实例中，基底可以通过离子轰击、电子、光辐射、感应加热或其他加热技术来加热。热源可以被嵌入系统中或在系统之外。示例性的热源可包括辐射加热器(红外线加热、激光器，及类似物)、热线辐射加热、聚焦灯加热、感应加热、直接金属基座加热器(direct metal pedestal heater)，或陶瓷基座加热器。
当单晶材料的薄膜被沉积在基底上时，在单个晶种被孤立在基底表面上或者基底是单晶的情况下，发生外延生长，从而使基底的晶体结构能够在生长材料中再生。由于晶体的横向生长在确定材料性能方面，诸如由被沉积材料和基底之间的晶格错配造成的错位密度和应力，起重要作用，因此，横向控制遮板可被利用以促进被沉积材料在横向方向上的外延生长。由于横向控制遮板和基底之间的相对移动，外延生长在大体垂直于基底的表面的方向上如在垂直方向上初始地发生，且然后在大体平行于基底的表面的方向上如在平行方向上继续进行。横向结晶外延生长阐释于图7A中。在图7A中，横向控制遮板706从基底的左端712向基底的另一端(未示出)移动，允许外延生长从左端712开始。在左端712上的许多点处的多个晶粒可以生长并且用作用于后续晶体生长的晶种。晶体在垂直方向上初始地生长。当在横向控制遮板706和基底之间移动时，晶体可在横向方向和垂直方向上同时生长。
被沉积薄膜的晶粒尺寸在其电性能方面起重要作用。当晶粒尺寸增加时，每单位面积晶粒边界的数目和边界界面的数目减少。例如，高密度的晶粒边界如小的晶粒尺寸，或者晶体结构中的扩展缺陷趋于减小被沉积薄膜的电导性和热导性。因此，在可能的情况下希望增加晶粒尺寸。实现最小晶粒边界和基底上的晶粒的最小数目的示例性实施方式阐释于图7B-7D中。
如图7B中所示，横向控制遮板706被放置在基底(未示出)和材料源(未示出)之间，并且覆盖基底的一部分，使一区域(如，区域714)暴露于材料源。区域414可具有锐角或边缘。在这个实施方式中，锐角是通过调整横向控制遮板和基底的布局而产生的基底的角。通过这样的布置，自选的晶种粒(self-selected seed grain)716可以在锐角处生长。晶种粒用作晶种以起始结晶并且提供开始沉积的点。当在横向方向上进行在横向控制遮板706和基底之间的相对移动时，晶体在基底的整个表面间在垂直方向和横向方向这两个方向上同时生长。在另一个实例中，在锐角处可存在超过一个晶种粒，并且横向前进帮助在向外方向上驱动晶粒边界，在整个基底间有效地形成最小量的具有非常大的横向尺寸的多个晶粒。
在图7C中阐释的实施方式中，制图外延法可被利用以在薄膜沉积在基底上的过程中或者在熔融物在基底表面上重结晶的过程中通过使基底表面的一部分形成图样以形成表面凸凹结构(如表面凸凹结构720)来产生长程有序结构。表面凸凹结构720可用作用于使晶种粒在基底上生长的模板并且引起新生长的薄膜中的希望的结晶定向。然后晶种粒被利用以起始结晶并且提供用于开始沉积的薄膜的起始点。类似于图7B所阐释的实施方式，当在横向方向上进行在横向遮板506和基底之间的相对移动时，单个晶粒在基底的整个表面间在垂直方向和横向方向这两个方向上同时生长。表面凹凸结构720可以通过多种光刻技术制成，所述光刻技术诸如光学光刻、电子束光刻、纳米压印光刻，或聚焦离子束(FIB)光刻和/或任何其它合适的光刻技术。可选地，表面凹凸结构720可通过激光加热工艺或消融而被转移或添加到基底的角或边缘。在这个实施方式中，晶种粒可在生长边缘远离角前进时在基底平面上挤出。
除引入表面凹凸结构720以外，晶种722可被添加到基底的点，例如，添加到基底的角。晶种可被利用以起始结晶并且提供用于开始薄膜沉积的起始点。类似地，添加的晶种可在生长边缘远离角前进时在基底平面上挤出。
类似于图7B，图7D阐释了在基底的区域724的锐角处开始横向向外生长的晶种粒，其中该区域暴露于材料源。与图7B相比，这个实施方式中的锐角不是通过调整基底和横向控制遮板的布局产生的。相反，该锐角是通过具有这样的形状的遮板成形。晶种粒可在该锐角处生长并且用作晶种以起始结晶以及提供开始沉积的起始点。使用如所示的三角形或具有相同曲率的新月形的额外的优势在于：通过晶粒竞争，晶粒边界将垂直于遮板边缘的形状生长。后者将必须在生长边缘远离晶种前进时平行于基底的平面更宽地生长任何晶粒。
在以上描述的实施方式中，根据不同的应用，遮板可具有多种形状。例如，如图7D中所阐释的，遮板可以是多边形或弧形形状的。多边形的周边的一部分限定具有锐角的形状，在该锐角处晶种粒生长。遮板可以是矩形、正方形、圆形、三角形、月牙形形状的，或者是“Chevron标志”形状的，和/或任何其它合适的形状。遮板可被用于任何外延薄膜的生长，允许晶体在基底上在横向方向上和垂直方向上同时生长。例如，遮板可被用于在多层基底结构中生长晶格匹配层。
本文陈述的许多修改以及其他示例的实施方式将被本技术领域中有学识的读者考虑，其中这些示例的实施方式涉及上述描述和相关附图中呈现的启示的益处。因此，应理解，实施方式不限于所公开的具体的实施方式，并且修改和其它实施方式旨在被包括在权利要求书的范围内。而且，虽然在要素和/或功能的某些示例的组合的情况下上述描述和相关附图描述了示例的实施方式，但是应理解，要素和/或功能的不同的组合可通过可选的实施方式来提供而不偏离所附权利要求书的范围。在这点上，例如，除以上明确描述的那些以外的要素和/或功能的不同的组合也被考虑为可在所附权利要求书的一些中陈述。

Claims (12)

1.一种多层基底结构，包括晶格匹配层，所述晶格匹配层包括：
第一化学元素，所述第一化学元素在室温下具有六边的密堆结构，所述六边的密堆结构在高于室温的α-β相转变温度下转换成体心立方结构，所述第一化学元素的所述六边的密堆结构具有第一晶格参数；以及
第二化学元素，所述第二化学元素在室温下具有六边的密堆结构且具有与所述第一化学元素类似的化学性质，所述第二化学元素的所述六边的密堆结构具有第二晶格参数；所述第二化学元素与所述第一化学元素可混溶以在室温下形成具有六边的密堆结构的合金，
其中所述合金的晶格常数等于第III-V族化合物半导体的成员的晶格常数；
所述的多层基底结构，还包括形成于所述基底上的热匹配层，所述热匹配层包括钼、钼-铜、多铝红柱石、蓝宝石、石墨、铝-氮氧化物、硅、碳化硅、锌氧化物和稀土氧化物中的至少一个，其中所述热匹配层的热膨胀系数等于第III-V族化合物半导体的成员的热膨胀系数；
所述的多层基底结构，还包括在所述热匹配层和所述晶格匹配层之间的无定形层，其中所述无定形层包括二氧化硅、氮化钽、氮化硼、氮化钨、氮化硅、玻璃样无定形碳和硅酸盐玻璃中的一个。
2.如权利要求1所述的多层基底结构，其中在恒温下在所述第一化学元素和所述第二化学元素与其的相关的晶格参数之间存在线性关系以允许所述合金的晶格常数等于所述第III-V族化合物半导体的成员的晶格常数。
3.如权利要求1所述的多层基底结构，其中所述第一化学元素和所述第二化学元素中的至少一个属于周期表中的第四族元素。
4.如权利要求1所述的多层基底结构，其中所述第一化学元素对所述第二化学元素的摩尔分数以原子百分数计为14％比86％。
5.如权利要求1所述的多层基底结构，其中所述第一化学元素对所述第二化学元素的摩尔分数以原子百分数计为43％比57％。
6.如权利要求1所述的多层基底结构，其中所述第一化学元素对所述第二化学元素的摩尔分数以原子百分数计为99％比1％。
7.如权利要求1所述的多层基底结构，其中所述晶格匹配层还包括第三化学元素，其中所述第三化学元素具有与所述第一化学元素和所述第二化学元素类似的晶体结构和类似的化学性质并且其中所述第三化学元素与所述第一化学元素和所述第二化学元素可混溶以形成所述合金，在恒温下在所述第一化学元素、所述第二化学元素和所述第三化学元素与其的相关的晶格参数之间存在线性关系以允许所述合金的晶格常数等于所述第III-V族化合物半导体的成员的晶格常数。
8.如权利要求1所述的多层基底结构，其中所述第III-V族化合物半导体包括氮化铝(AIN)、氮化镓(GaN)、氮化铟镓(InGaN)和氮化铟(InN)中的一个。
9.一种制造多层基底结构的方法，所述多层基底结构包括晶格匹配层，所述晶格匹配层包括：
第一化学元素，所述第一化学元素在室温下具有六边的密堆结构，所述六边的密堆结构在高于室温的α-β相转变温度下转换成体心立方结构，所述第一化学元素的所述六边的密堆结构具有第一晶格参数；以及
第二化学元素，所述第二化学元素在室温下具有六边的密堆结构且具有与所述第一化学元素类似的化学性质，所述第二化学元素的所述六边的密堆结构具有第二晶格参数，所述第二化学元素与所述第一化学元素可混溶以在室温下形成具有六边的密堆结构的合金，
其中所述合金的晶格常数等于第III-V族化合物半导体的成员的晶格常数；
所述的方法，还包括形成热匹配层，所述晶格匹配层在所述热匹配层上生长，所述热匹配层包括钼、钼-铜、多铝红柱石、蓝宝石、石墨、铝-氮氧化物、硅、碳化硅、锌氧化物和稀土氧化物中的至少一个；
所述方法还包括在所述热匹配层和所述晶格匹配层之间形成无定形层，其中所述无定形层包括二氧化硅、氮化钽、氮化硼、氮化钨、氮化硅、玻璃样无定形碳和硅酸盐玻璃中的一个。
10.如权利要求9所述的方法，还包括沿着平面插入所述第一化学元素的热膨胀系数和所述第二化学元素的热膨胀系数以沿着相同的平面达到所述合金的热膨胀系数的第一级估算，其中沿着所述相同的平面所述合金的所述热膨胀系数是所述第III-V化合物半导体的热膨胀系数。
11.如权利要求9所述的方法，还包括在α-β相转变温度以下加热所述多层基底结构以允许外延层在正确的α相中在所述晶格匹配层上外延生长。
12.如权利要求9所述的方法，还包括在α-β相转变温度以上加热所述多层基底结构并且立即下降到所述α-β相转变温度以下以引起产生相转变自由能以使大的横向区域结晶，导致在所述晶格匹配层中的单晶α-相。
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