CN1143364C - 利用始于沟槽侧壁的横向生长来制造氮化镓半导体层 - Google Patents

利用始于沟槽侧壁的横向生长来制造氮化镓半导体层 Download PDF

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Abstract

一个下方氮化镓层(106)的一个侧壁(105)横向生长进入该下方氮化镓层中的一个沟槽(107)中，从而形成一个横向氮化镓半导体层(108a)。然后可以在该横向氮化镓层中制作微电子器件。在该下方氮化镓层中，位错缺陷不会明显地从该侧壁横向传播进入该沟槽中，致使该横向氮化镓半导体层相对地说是无缺陷的。而且，在该横向氮化镓层的生长过程中，无需掩蔽该下方氮化镓层的部分就可以实现该侧壁的生长。借助于从该横向氮化镓层生长一个第二氮化镓半导体层，可以进一步降低该横向氮化镓半导体层的缺陷密度。

Description

利用始于沟槽侧壁的横向生长来制造氮化镓半导体层
发明领域
本发明涉及到微电子器件和制造方法，尤其涉及到氮化镓半导体器件及其制造方法。
发明背景
氮化镓正被广泛地研究用于微电子器件，这些微电子器件包括，但不局限于，晶体管、场发射器和光电子器件。可以理解的是，正如这里使用的那样，氮化镓还包括氮化镓的合金，如铝镓氮、铟镓氮和铝铟镓氮。
在制造氮化镓基微电子器件时，一个主要问题是制造低缺陷密度的氮化镓半导体层。已知引起缺陷密度的一个原因是要在其上生长氮化镓层的衬底。相应地，尽管已经在蓝宝石衬底上生长了氮化镓层，但已知借助在自我形成于碳化硅衬底上的氮化铝缓冲层上生长氮化镓层来降低缺陷密度。虽然已有了这些进展，但所有进一步降低缺陷密度。
还已知通过掩模中的窗口来制造氮化镓结构。例如，在制造场发射器阵列的过程中，已知在条形或圆形图案化的衬底上选择性地生长氮化镓。例如见Nam等人题为″利用金属有机气相外延的GaN/AlN/6H-SiC(0001)衬底上的GaN和Al0.2Ga0.8N选择性生长(Selective Growth of GaN and Al0.2Ga0.8N on GaN/AlN/6H-SiC(0001)Multilayer Substrates Via Organometallic Vapor PhaseEpitaxy)″，Proceedings of the Materials Research Society，December 1996，以及″利用金属有机气相外延图形化的衬底上的GaN和Al0.2Ga0.8N的生长(Growth of GaN and Al0.2Ga0.8N on PatterenedSubstratesvia Organometallic Vapor Phase Epitaxy)″，JapaneseJournal of Applied Physics，Vol.36，Part 2，No.5A，May 1997，pp.L532-L535的文章。正如在这些文章中所公开的那样，在一定条件下，可能出现不希望的脊形生长或横向过生长。
欧洲专利申请055172lA2描述了一种氮化镓型半导体器件，它包含一个硅衬底，一个由一种含有至少铝和氮的化合物组成的、且制作在该硅衬底上的中间层，和一个(Gal-xAlx)1-yInyN(0≤x≤1，0≤y≤1。x＝1且y＝0的情况除外)的晶体层。铝/氮中间层抑制了晶体缺陷的发生，因而(Ga1-xAlx)1-yInyN层具有非常高的结晶性和平整度。在一种制造方法中，硅单晶衬底保持在400-1300℃的温度下，并处于含有一种至少含铝的金属有机化合物和一种含氮的化合物的氛围中，以便在单晶衬底的一部分或整个表面上形成一个至少含有铝和氮的薄中间层。然后在中间层上制作至少一层或多层单晶(Gal-xAlx)1-yInyN。
Nam等人的题为″利用金属有机气相外延的低缺陷密度GaN层的横向生长(Lateral Epitaxy Of Low Defect Density GaN Layers ViaOrganometallic Vapor Phase Epitaxy)″，Applied Physics Letters，Vol.71，No.18，November 3，1997，pp.2638-2648的论文，报道了有机金属气相横向外延以及起源于GaN条形的GaN层的会合，这些GaN条形淀积在间距为3微米、宽度为3微米的窗口，并包含在GaN/AlN/6H-SiC(0001)衬底上的SiO2掩模中。横向过生长的范围和微结构特性强烈地依赖于条形取向。起源于下方GaN与AlN缓冲层之间界面的高密度针孔位错包含在生长于窗口区中的GaN中。相反，过生长区域含有非常低的位错密度。会合层的rms表面粗糙度为0.25nm。
发明概述
因此，本发明的一个目的是提供制造氮化镓半导体层的改进了的方法以及这样制造的改进了的氮化镓层。
本发明的另一个目的是提供能够制造具有低缺陷密度的氮化镓半导体层的方法以及这样制造的氮化镓半导体层。
根据本发明，借助于将一个下方氮化镓层的一个侧壁横向生长到该下方氮化镓层中的一个沟槽中，从而形成一个横向氮化镓层，而提供了这些和其它的目的。然后可以在这个横向氮化镓层中制作微电子器件。
已经发现，根据本发明，在下方氮化镓层中，位错缺陷不再明显地从侧壁横向传播到沟槽中，致使横向氮化镓半导体层相对地无缺陷。在横向氮化镓层的生长过程中，无需掩蔽下方氮化镓层部分，就可以实现侧壁生长。
根据本发明的另一方面，下方氮化镓层的一对侧壁横向生长到位于这对侧壁之间的、下方氮化镓层中的沟槽中，直至生长的侧壁在这个沟槽中会合。可以用金属有机气相外延(MOVPE)来横向生长横向氮化镓半导体层。例如，可以用三乙基镓(TEG)和氨气(NH3)等前体，在1000-1100℃和45乇下横向生长横向氮化镓层。最好是13-39微摩尔/分钟的TEG和1500sccm的NH3与3000sccm的H2稀释剂组合使用。在1100℃的温度和45乇下使用26微摩尔/分钟的TEG、1500sccm的NH3和3000sccm的H2最佳。下方氮化镓层最好制作在诸如6H-SiC(0001)之类的衬底上，该类衬底其本身包括一个位于其上的诸如氮化铝之类的缓冲层。可以使用诸如蓝宝石之类的其它衬底和诸如低温氮化镓之类的其它缓冲层。也可以使用多衬底层和缓冲层。
可以借助于在下方氮化镓层中制作沟槽来制作包括侧壁的下方氮化镓层，从而使沟槽包括侧壁。另外，可以借助于在下方氮化镓层上制作支柱来制作侧壁，支柱包括侧壁，并确定沟槽。最好制作一系列交替的沟槽和支柱，以形成多个侧壁。可以用选择性腐蚀、选择性外延生长、腐蚀与生长的组合，或其它技术制作沟槽和/或支柱。沟槽可以延伸到缓冲层中和到衬底中。
下方氮化镓层的侧壁横向生长进入沟槽中，从而形成一个缺陷密度低于下方氮化镓层的缺陷密度的横向氮化镓层。也可能出现一些纵向生长。在传播较低的缺陷密度时，横向生长的氮化镓层也会纵向生长。纵向生长也可以与横向生长同时发生。
借助于自横向氮化镓层生长一个第二氮化镓半导体层，可以进一步降低过生长的氮化镓半导体层的缺陷密度。在一个实施例中，用其中包括一个窗口阵列的掩模将横向氮化镓层掩蔽。横向氮化镓层通过这个窗口阵列生长到掩模上，从而形成一个过生长的氮化镓半导体层。在另一个实施例中，纵向生长横向氮化镓层。多个第二侧壁被制作在纵向生长的横向氮化镓层中，以确定多个第二沟槽。然后纵向生长的横向氮化镓层的多个第二侧壁横向生长进入多个第二沟槽中，从而形成一个第二横向氮化镓层。然后在这个氮化镓半导体层中制作微电子器件。如上所述，可以用金属有机气相外延来生长下方氮化镓层的多个侧壁。如上所述，可以借助于沟槽和/或支柱的腐蚀和/或选择性外延生长来生长第二侧壁。
根据本发明的氮化镓半导体结构包括一个下方氮化镓层和一个横向氮化镓层，下方氮化镓层包括一个具有一个侧壁的沟槽，而横向氮化镓层从下方氮化镓层的侧壁延伸进入该沟槽中。一个纵向氮化镓层自横向氮化镓层延伸。多个微电子器件包括在该纵向氮化镓层中。可以提供一系列交替的沟槽和支柱，以便确定多个侧壁。下方氮化镓层包括一个预定的缺陷密度，而横向氮化镓层的缺陷密度低于此预定的缺陷密度。
根据本发明的氮化镓半导体结构的其它实施例包括一个掩模和一个纵向氮化镓层，该掩模位于横向氮化镓层上，并在其中包括一个窗口阵列，而该纵向氮化镓层通过窗口从横向氮化镓层延伸到掩模上的。或者，一个纵向氮化镓层自横向氮化镓层延伸，并且包括多个第二侧壁。一个第二横向氮化镓层从多个第二侧壁延伸。微电子器件包括在第二横向氮化镓层中。因此，可以生产低缺陷密度的氮化镓半导体层，从而能够生产高性能微电子器件。
附图的简要说明
图1-5是根据本发明的中间制造步骤中氮化镓半导体结构第一实施例的横截面图。
图6-10是根据本发明的中间制造步骤中氮化镓半导体结构第二
实施例的横截面图。
图11-15是根据本发明的中间制造步骤中氮化镓半导体结构第三
实施例的横截面图。
最佳实施例的详细描述
以下参照附图来更充分地描述本发明，附图示出了本发明的最佳实施例。但本发明可以许多不同的形式实施，因而不应该认为是局限于此处指出的各个实施例。提供这些实施例只是为了使本公开变得充分而完整，并将本发明的范围完全传达给本技术领域的熟练人员。为明晰起见，在附图中夸大了各个层和区域的厚度。各个图中相似的标号表示相似的元件。可以理解，当一个元件，如一个层、区域或衬底，被称为“在另一个元件上”或“到另一个元件上”时，它可以直接位于其它元件上，或者二者之间也可以存在插入的元件。而且，此处给出并描述的各个实施例也包括其互补导电类型的实施例。
现参照图1-5描述根据本发明第一实施例的、制造氮化镓半导体结构的方法。如图1所示，在衬底102上生长下方氮化镓层104。衬底102可以包括一个6H-SiC(0001)衬底102a和一个氮化铝缓冲层102b。此处使用的结晶学命名习惯对于本技术领域熟练人员而言是熟知的，因而无需进一步描述。氮化镓层104的厚度可以在1.0-2.0微米之间，并可以在1000℃下，用26微摩尔/分钟的三乙基镓、1500sccm的氨和3000sccm的氢稀释剂，在冷壁垂直式、感应加热的金属有机气相外延系统中生长在高温(1100℃)氮化铝缓冲层102b上，而后者淀积在6H-SiC衬底102a上。在T.W.Weeks等人的题为″利用金属有机气相外延使用高温单晶AlN缓冲层在α(6H)-SiC(0001)上淀积GaN薄膜(GaN Thin Films Deposited Via Organometallic VaporPhase Epitaxy on α(6H)-SiC(0001)Using High-TemperatureMonocrystallic AlN Buffer Layers)″，Applied Physics Letters，Vol.67，No.3，July 17，1995，pp.401-403的论文中，可以找到这一生长技术的其它细节，此处将其公开列为参考。可以使用有缓冲层或没有缓冲层的其它衬底。
仍然参照图1，下方氮化镓层104包括其中的多个侧壁105。本技术领域的熟练人员可以理解，侧壁105可以想象为由亦可称为“台面”、“支座”或“柱”的多个分隔开的支柱106确定。侧壁105也可以想象为由亦称为“阱”的、下方氮化镓层104中的多个沟槽107确定。侧壁105还可以想象为由一系列交替的沟槽107和支柱106确定。可以理解，可以用选择性腐蚀和/或选择性外延生长和/或其它常规方法来制造确定侧壁105的支柱106和沟槽107。而且也可以理解，侧壁无需与衬底102正交，而是可以倾斜于衬底。最后还可以理解，虽然侧壁105以剖面形式示于图1中，但支柱106和沟槽107可以确定直的、V形的或其它形状的拉长的区域。如图1所示，沟槽107可以延伸进入缓冲层102b中和进入衬底102a中，致使后续的氮化镓生长择优地发生在侧壁105上，而不是在沟槽底部。在其它实施例中，根据，举例来说，沟槽的几何形状和氮化镓的横向对纵向生长速率，沟槽可以不延伸进入衬底102a中，而且也可以不延伸进入缓冲层102b中。
现参照图2，横向生长下方氮化镓层104的侧壁105，以在沟槽107中形成横向氮化镓层108a。可以在1000-1100℃和45乇下获得氮化镓的横向生长。可以与3000sccm的H2稀释剂组合使用13-39微摩尔/分钟的TEG和1500sccm的NH3的前体。若制作氮化镓合金，则也可以使用，举例来说，额外的铝或铟的常规前体。如此处所使用的那样，术语“横向”意味着一个正交于侧壁105的方向。也可以理解，在始于侧壁105的横向生长过程中，支柱106上也可以发生一些纵向生长。如此处所使用的那样，术语“纵向”表示一个平行于侧壁105的方向。
现参照图3，横向氮化镓层108a的继续生长引起到下方氮化镓层104上，具体地讲是到支柱106上的纵向生长，从而形成纵向氮化镓层108b。纵向生长的生长条件可以保持为与结合图2所述的相同。同样如图3所示，可以在沟槽的底部发生进入沟槽107中的继续纵向生长。
现参照图4，允许生长继续，直至横向生长前沿在沟槽107中会合于界面108c处，以便在沟槽中形成一个连续的氮化镓半导体层。总的生长时间可以是约60分钟。如图5所示，然后可以在横向氮化镓半导体层108a中制作微电子器件110。器件也可以制作在纵向氮化镓层108b中。
因此在图5中示出了根据本发明第一实施例的氮化镓半导体结构100。氮化镓结构100包括衬底102。衬底可以是蓝宝石或氮化镓或其它常规衬底。但衬底最好包括6H-SiC(0001)衬底102a和位于碳化硅衬底102a上的氮化铝缓冲层102b。氮化铝缓冲层102b的厚度可以是0.1微米。
对于本技术领域熟练人员来说，衬底102的制造是众所周知的，因此无需进一步描述。例如在授予Palmour的美国专利4865685中、在授予Davis等人的Re34861中、在授予Kong等人的4912064中、以及授予Palmour等人的4946547中，描述了碳化硅衬底的制造，此处将这些公开列为参考。
对着衬底102a、位于缓冲层102b上的下方氮化镓层104也包括在其中。下方氮化镓层104的厚度可以在大约1.0与2.0微米之间，并可以用金属有机气相外延(MOVPE)来制作。下方氮化镓层通常具有不希望有的相对高的缺陷密度。例如，大约108与1010cm-2之间的位错密度可以出现在下方氮化镓层中。这些高的缺陷密度可能来自缓冲层102b与下方氮化镓层104之间的晶格常数失配和/或其它原因。这些高的缺陷密度可以影响制作在下方氮化镓层104中的微电子器件的性能。
仍然继续描述图5，下方氮化镓层104包括多个可能由多个支座106和/或多个沟槽107确定的侧壁105。如上所述，侧壁可以是倾斜的，并具有各种各样拉长的形状。
继续描述图5，横向氮化镓层108a从下方氮化镓层104的多个侧壁105延伸。可以在大约1000-1100℃和45乇下，用金属有机气相外延来制作横向氮化镓层108a。可以与3000seem的H2稀释剂组合使用前体13-39微摩尔/分钟的三乙基镓(TEG)和1500sccm的氨(NH3)来制作横向氮化镓层108a。
仍然继续描述图5，氮化镓半导体结构100还包括从支柱106纵向延伸的纵向氮化镓层108b。
如图5所示，横向氮化镓层108a在界面108c处会合，从而在沟槽中形成一个连续的横向氮化镓半导体层108a。已经发现，下方氮化镓层104中的位错密度通常不以与从下方氮化镓层104纵向传播相同的密度从侧壁105横向传播。于是，横向氮化镓层108a可以具有相对低的缺陷密度，例如低于104cm-2。因此，横向氮化镓层108b可以形成器件质量的氮化镓半导体材料。于是，如图5所示，可以在横向氮化镓半导体层108a中制作微电子器件110。还可以理解，由于横向生长从侧壁105进行，故无需使用掩模来制造图5的氮化镓半导体结构100。
现参照图6-10来描述根据本发明的氮化镓半导体结构和制造方法的第二实施例。首先，按照如已参照图1-4所述的方法制造图4的氮化镓半导体结构。然后参照图6，用其中包括一个窗口阵列的掩模206掩蔽支柱106。此掩模可以包含厚度为1000埃的二氧化硅，并可以在410℃下用低压化学气相淀积进行淀积。可以使用其它的掩蔽材料。可以用标准的光刻技术制作掩模的图形，并在缓冲HF溶液中进行腐蚀。在一个实施例中，窗口的宽度为3微米，以3到40微米的距离平行延伸，其取向沿横向氮化镓层108a中的<1 100>方向。在进一步处理之前，可以将此结构浸入50％的盐酸(HCl)溶液中，以便清除表面氧化物。可以理解，虽然掩模206最好位于支柱106上，但也可以偏离支柱106。
现参照图7，通过窗口阵列生长横向氮化镓半导体层108a，从而在窗口中形成纵向氮化镓层208a。按照结合图2所述的方法可以获得氮化镓的生长。
可以理解，可以用二维生长来形成一个过生长的氮化镓半导体层。具体地讲，可以将掩模206图形化成包括一个沿诸如<1 100>和<11 20>的二个正交方向延伸的窗口阵列。于是，窗口能够形成一个正交条形图形的矩形。在此情况下，矩形各边的比率最好正比于{11 20}和{1 101}晶面生长速率的比率，例如1.4∶1的比率。窗口相对于<1 100>和<11 20>之类的方向可以是等边三角形。
现参照图8，纵向氮化镓层208a的继续生长引起到掩模206上的横向生长，从而形成第二横向氮化镓层208b。可以将过生长的条件保持为如结合图7所述的那样。
现参照图9，允许横向过生长继续，直至横向生长前沿在掩模206上的第二界面208c处会合，从而形成连续的过生长氮化镓半导体层208。总的生长时间可以是大约60分钟。如图10所示，然后可以在第二横向氮化镓层208b中制作微电子器件210。微电子器件也可以制作在纵向氮化镓层208a中。
因此，借助于提供第二横向生长层208b，甚至可以进一步降低原来出现在连续氮化镓半导体层108中的缺陷，从而在氮化镓半导体结构200中获得器件质量的氮化镓。
现参照图11-15来描述根据本发明的氮化镓半导体结构和制造方法的第三实施例。首先，如已结合图1-4所述那样制造图4的氮化镓半导体结构。然后制作多个第二侧壁305。可以借助于第二支柱306的选择性外延生长、借助于腐蚀第一支柱106中的第二沟槽307和/或它们的组合，来制作第二侧壁305。如上所述，第二侧壁305无需正交于衬底102，而可以是倾斜的。第二沟槽307无需直接在第一支柱106上，而是可以横向偏离支柱106。第二沟槽最好深一些，以便横向生长择优发生在侧壁305上而不是在第二沟槽306的底部。
现参照图12，横向生长第二支柱306和/或第二沟槽307的第二侧壁305，以便在第二沟槽307中形成第二横向氮化镓层308a。如上所述，可以在1000-1100℃和45乇下获得氮化镓的横向生长。可以与3000sccm的H2稀释剂组合使用前体13-39微摩尔/分钟的TEG和1500sccm的NH3。若制作氮化镓合金，则也可以使用例如铝或铟的额外常规前体。也可以理解，在始于第二侧壁305的横向生长过程中，第二支柱306上也可以发生一些纵向生长。
现参照图13，第二横向氮化镓层308a的继续生长引起到第二支柱306上的纵向生长，从而形成第二纵向氮化镓层308b。同样如图所示，也可能发生始于第二沟槽底部和始于第二支柱顶部的纵向生长。纵向生长的生长条件可以保持为结合图12所述的那样。
现参照图14，允许生长继续，直至横向生长前沿在第二沟槽307中会合于第二界面308c处，从而形成第二连续氮化镓半导体层308。总的生长时间可以是大约60分钟。如图15所示，然后可以在第二连续氮化镓半导体层308中制作微电子器件310。
因此，可以制作根据本发明的氮化镓半导体结构300的第三实施例，而且无需为了确定横向生长而掩蔽氮化镓。而是可以利用始于第一和第二侧壁的横向生长。借助于执行二个分立的横向生长，可以显著降低缺陷密度。
下面提供有关本发明的方法和结构的其它讨论。第一和第二沟槽107和307以及掩模206中的窗口最好是下方氮化镓层104或第一横向氮化镓层108a上沿<11 20>和/或<1 100>方向择优延伸的矩形沟槽和窗口。对于沿<11 20>方向的沟槽和/或掩模窗口，可以获得具有(1 101)倾斜晶面和窄(0001)顶部晶面的截角三角形条形。沿<1 100>方向可以生长具有(0001)顶部晶面、(11 20)垂直侧面和(1 101)倾斜晶面的矩形条形。如果生长时间达到3分钟，则可以得到与取向无关的相似形貌。若继续生长，则条形发展成不同的形状。
横向生长量通常表现为强烈依赖于沟槽和/或掩模窗口的取向。通常，<1 100>取向的沟槽和/或掩模窗口的横向生长速率远快于沿<11 20>的速率。因此，将沟槽和/或掩模窗口定向成沿下方氮化镓层104或第一横向氮化镓层108a的<1 100>方向延伸为最佳。
作为沟槽和/或掩模窗口取向的函数，不同的形貌发展看来与氮化镓结构中结晶面的稳定性有关。沿<11 20>取向的沟槽和/或掩模窗口可以具有宽的(1 100)倾斜晶面以及一个非常窄的(0001)顶部晶面，或者没有后者，这取决于生长条件。这可能是因为(1 101)是氮化镓纤锌矿晶体结构中最稳定的面，且此面的生长速率低于其它面的生长速率。<1 100>取向的沟槽和/或掩模窗口的{1 101}面可以是波浪形的，这意味着存在一个以上的密勒指数。看来，在淀积过程中出现了选定的{1 101}面的竞争生长，它使这些面变得不稳定，并且相对于沿<11 20>取向的沟槽和/或掩模窗口的(1 101)的生长速率，它们的生长速率提高了。
从沿<1 100>取向的沟槽和/或掩模窗口选择性地生长的氮化镓层的形貌通常也强烈地表现为生长温度的函数。在1000℃下生长的层可以具有截角三角形形状。随着生长温度的提高，这一形貌可以逐渐地改变为矩形剖面。这种形貌变化可以归因于随着生长温度的提高，镓粒子的扩散系数随之增大，从而使之沿(0001)顶面到{1 101}面的流量增大。这可能导致(0001)面生长速率的降低和{1 101}面生长速率的提高。在二氧化硅上的砷化镓选择性生长中，也观察到了这种现象。因此，1100℃的温度看来是最佳的。
氮化镓区的形貌发展还表现出对TEG流速的依赖。TEG供应的增大通常使沿横向和纵向的生长速率都增大。但横向/纵向生长速率的比率从TEG流速为13微摩尔/分钟时的1.7降低到39微摩尔/分钟时的0.86。TEG流速对沿<0001>的生长速率相对于<11 20>生长速率的这一增大了的影响，可能与所用的、其中反应气体纵向且垂直于衬底流动的反应器有关。表面上镓粒子浓度的显著增大可以显著地阻碍其扩散到{1 101}面，致使(0001)面上更容易发生化学吸附和氮化镓生长。
用宽3微米、间距7微米、并沿<1 100>取向的沟槽和/或掩模窗口，在1100℃和26微摩尔/分钟的TEG流速下，可以获得厚度为2微米的连续氮化镓半导体层。此连续氮化镓半导体层可以包括二个生长前沿会合时形成的表面下的孔穴。使用会使具有垂直{11 20}侧晶面的矩形沟槽和/或掩模窗口发展的横向生长条件，最有可能出现这种孔穴。
连续的氮化镓半导体层可以具有微观平坦且无坑的表面。横向生长的氮化镓层的表面可以包括台阶结构，其平均台阶高度为0.32nm。这一台阶结构可能与横向生长的氮化镓有关，因为它通常不包括在仅仅生长在氮化铝缓冲层上的更大面积的膜中。平均RMS粗糙度值可以相似于从下方氮化镓层104得到的值。
起源于下方氮化镓层104和缓冲层102b之间界面的针孔位错，看来传播到了下方氮化镓层104的上表面。这些区域内的位错密度约为109cm-2。相反，针孔位错(threading dislocation)看来不容易横向传播。而且横向氮化镓区域108a和308a中仅仅包含很少的位错。通过垂直针孔位错在再生长区域中弯曲90度之后的延伸，可以平行于(0001)面形成这些少量位错。这些位错看来不传播到过生长的氮化镓层的上表面。
正如所述，选择性地生长的氮化镓层的形成机制是横向外延。此机制的二个主要阶段是纵向生长和横向生长。在通过掩模的纵向生长过程中，显然是由于镓原子在氮化镓表面上的附着系数s(s＝1)比在掩模上的(s＜＜1)大得多，而使淀积的氮化镓在掩模窗口中比在掩模上更容易选择性地生长。由于SiO2键合强度为799.6千焦/摩尔，比Si-N(439千焦/摩尔)、Ga-N(103千焦/摩尔)和Ga-O(353.6千焦/摩尔)大得多，故Ga或N原子键合到掩模表面的数量和时间都不应当轻易在达到足以形成氮化镓核的程度。它们可能或者蒸发，或者沿掩模表面扩散到掩模窗口中或到已经形成的纵向氮化镓表面。在横向生长过程中，氮化镓同时纵向和横向生长。
在氮化镓的选择性生长中，镓和氮在氮化镓表面上的扩散可以起作用。材料的主要来源看来来自气相。TEG流速的增大引起(0001)顶部晶面的生长速率的发展快于(1 101)侧晶面，从而控制了横向生长的这一事实可以证明这一点。
横向生长的氮化镓与下方掩模的键合足够强，以致在冷却时它通常不会剥离。但由于冷却时产生的热应力，可能发生SiO2掩模中的横向破裂。SiO2在1050℃下的粘度(p)约为1015.5泊，这比体非晶体材料中在大约6小时内释放应力的应变点(大约1014.5泊)大一个数量级。于是，SiO2掩模在冷却时可以提供有限的柔量。由于非晶SiO2表面的原子排列与GaN表面差别很大，故仅仅当合适的原子对处于紧邻时才可能发生化学键合。硅和氧以及镓和氮原子在SiO2的各个表面和/或其体内的极小弛豫可以调节氮化镓，并使之键合到氧化物。因此，无需使用掩模的、图1-5和11-15的实施例可能是特别有利的。
总之，通过MOVPE可以得到始于下方氮化镓层侧壁的横向外延过生长。此生长可能强烈地依赖于侧壁取向、生长温度和TEG流速。通过7微米宽的支柱之间的、沿<1 100>方向延伸的3微米宽的沟槽，在1100℃和26微摩尔/分钟的TEG流速下，可以获得过生长的氮化镓区域的会合，从而形成位错密度极低且表面光滑无坑的区域。通过MOVPE得到的始于侧壁的氮化镓横向过生长，可以用来获得用于微电子器件的低缺陷密度区域，而且无需使用掩模。
在附图和说明书中，已经公开了本发明的典型最佳实施例，虽然使用了具体的术语，但仅仅以一般性的描述意义加以使用，而不是为了限制的目的，本发明的范围陈述在下列权利要求中。

Claims (38)

1.一种制造一个氮化镓半导体层的方法，包括下列步骤：
与在一个支柱顶部纵向生长一个下方氮化镓层相比而言，将该下方氮化镓层(106)中该支柱的一个侧壁(105)择优横向生长进入该下方氮化镓层的一个沟槽(107)中，从而形成一个横向氮化镓半导体层(108a)；
该下方氮化镓层包括一个预定的缺陷密度，而且步骤：将一个下方氮化镓层中的一个侧壁择优横向生长进入该下方氮化镓层中的一个沟槽中，从而形成一个横向氮化镓层，包括下列步骤：
横向生长该下方氮化镓层的该侧壁，从而形成缺陷密度低于该预定缺陷密度的该横向氮化镓层；和
在传播该更低缺陷密度的情况下，纵向生长该横向氮化镓层。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在该择优横向生长步骤之后是步骤：在该横向氮化镓半导体层中制作至少一个微电子器件(110)。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该择优横向生长步骤包括步骤：将该下方氮化镓层的一对侧壁生长进入位于该对侧壁之间的该下方氮化镓层中的一个沟槽中，直至生长的这对侧壁在该沟槽中会合。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该择优横向生长步骤包括步骤：用金属有机气相外延横向生长该下方氮化镓层的该侧壁。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在该择优横向生长步骤之前是步骤：在一个衬底(102a)上制作包括该侧壁的该下方氮化镓层。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，该制作步骤包括下列步骤：
在一个衬底上制作一个缓冲层(102b)；和
相对于该衬底，在该缓冲层上制作该下方氮化镓层。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，该制作步骤包括步骤：在该下方氮化镓层中制作该沟槽，该沟槽包括该侧壁。
8.如权利要求5所述的方法，其特征在于，该制作步骤包括步骤：在该下方氮化镓层上制作所述支柱，该支柱包括该侧壁和顶部，并确定该沟槽。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该生长步骤包括步骤：在1000℃-1100℃的温度下，用13-39微摩尔/分钟的三乙基镓和1500sccm的氨，使用金属有机气相外延生长该下方氮化镓层的该侧壁。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，该支柱制作步骤包括步骤：选择性地生长该下方氮化镓层，以形成包括该侧壁的该支柱。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该择优横向生长步骤包括步骤：
与在一个支柱顶部纵向生长一个下方氮化镓层相对而言，将该下方氮化镓层中的支柱的多个侧壁择优横向生长进入该下方氮化镓层中的多个沟槽中，从而形成一个横向氮化镓层。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，该择优横向生长步骤包括步骤：将该下方氮化镓层的该多个侧壁生长进入该下方氮化镓层中的该多个沟槽中，直至该多个生长的侧壁在该沟槽中会合。
13.一种制造一个氮化镓半导体层的方法，包括下列步骤：
与在一个支柱顶部纵向生长一个下方氮化镓层相比而言，将该下方氮化镓层(106)中该支柱的一个侧壁(105)择优横向生长进入该下方氮化镓层的一个沟槽(107)中，从而形成一个横向氮化镓半导体层(108a)；
在该择优横向生长步骤之前是步骤：在一个衬底(102a)上制作包括该侧壁的该下方氮化镓层；
该制作步骤包括步骤：在该下方氮化镓层中制作该沟槽，该沟槽包括该侧壁；
该沟槽制作步骤包括步骤：选择性地腐蚀该下方氮化镓层，以形成包括该侧壁的该沟槽。
14.一种制造一个氮化镓半导体层的方法，包括下列步骤：
与在一个支柱顶部纵向生长一个下方氮化镓层相比而言，将该下方氮化镓层(106)中该支柱的一个侧壁(105)择优横向生长进入该下方氮化镓层的一个沟槽(107)中，从而形成一个横向氮化镓半导体层(108a)；
该择优横向生长步骤包括步骤：
与在一个支柱顶部纵向生长一个下方氮化镓层相对而言，将该下方氮化镓层中的支柱的多个侧壁择优横向生长进入该下方氮化镓层中的多个沟槽中，从而形成一个横向氮化镓层；
该择优横向生长步骤之后是步骤：
用一个其中包括一个窗口阵列的掩模(206)掩蔽该横向氮化镓层；和
通过该窗口阵列，生长(208a)该横向氮化镓层到该掩模(208a)上，从而形成一个过生长的氮化镓半导体层。
15.一种制造一个氮化镓半导体层的方法，包括下列步骤：
与在一个支柱顶部纵向生长一个下方氮化镓层相比而言，将该下方氮化镓层(106)中该支柱的一个侧壁(105)择优横向生长进入该下方氮化镓层的一个沟槽(107)中，从而形成一个横向氮化镓半导体层(108a)；
该择优横向生长步骤包括步骤：
与在一个支柱顶部纵向生长一个下方氮化镓层相对而言，将该下方氮化镓层中的支柱的多个侧壁择优横向生长进入该下方氮化镓层中的多个沟槽中，从而形成一个横向氮化镓层；
该择优横向生长步骤之后是步骤：
纵向生长(306)该横向氮化镓层；
在该纵向生长的横向氮化镓层中制作多个第二侧壁(305)，以确定多个第二支柱和多个第二沟槽(307)；和
与在该第二支柱顶部纵向生长该纵向生长的横向氮化镓层相对而言，将该纵向生长的横向氮化镓层的该多个第二侧壁择优横向生长(308a)进入该多个第二沟槽中，从而形成一个第二横向氮化镓半导体层。
16.如权利要求14所述的方法，其特征在于，该横向生长步骤之后是步骤：在该过生长的氮化镓半导体层中制作至少一个微电子器件(310)。
17.如权利要求15所述的方法，其特征在于，择优横向生长该多个第二侧壁的步骤之后是步骤：在该第二横向氮化镓半导体层中制作至少一个微电子器件。
18.如权利要求14所述的方法，其特征在于，该生长步骤包括步骤：通过该窗口阵列生长该横向氮化镓层到该掩模上，直至该生长的横向氮化镓层在该掩模上会合，从而形成一个连续的过生长氮化镓半导体层。
19.如权利要求15所述的方法，其特征在于，该择优横向生长该多个第二侧壁的步骤包括步骤：将该纵向生长的横向氮化镓层的该多个第二侧壁横向生长进入该多个第二沟槽中，直至该多个横向生长的第二侧壁在该多个第二沟槽中会合。
20.如权利要求11所述的方法，其特征在于，该择优横向生长步骤包括步骤：用金属有机气相外延横向生长该下方氮化镓层的该多个侧壁。
21.一种制造一个氮化镓半导体层的方法，包括下列步骤：
与在一个支柱顶部纵向生长一个下方氮化镓层相比而言，将该下方氮化镓层(106)中该支柱的一个侧壁(105)择优横向生长进入该下方氮化镓层的一个沟槽(107)中，从而形成一个横向氮化镓半导体层(108a)；
该择优横向生长步骤包括步骤：
与在一个支柱顶部纵向生长一个下方氮化镓层相对而言，将该下方氮化镓层中的支柱的多个侧壁择优横向生长进入该下方氮化镓层中的多个沟槽中，从而形成一个横向氮化镓层；
该下方氮化镓层包括一个预定的缺陷密度，且其中的步骤：将该下方氮化镓层的多个侧壁择优横向生长进入该下方氮化镓层中的该多个沟槽中，从而形成一个横向氮化镓层，包括步骤：
将该下方氮化镓层的该多个侧壁横向生长进入该多个沟槽中，从而形成一个缺陷密度比该预定缺陷密度低的横向氮化镓半导体层；和
在传播该低缺陷密度时，纵向生长该横向氮化镓层。
22.如权利要求11所述的方法，其特征在于，该择优横向生长步骤包括步骤：在1000℃-1100℃的温度下，用13-39微摩尔/分钟的三乙基镓和1500sccm的氨，使用金属有机气相外延横向生长该下方氮化镓层的该多个侧壁。
23.一种制造一个氮化镓半导体层的方法，包括下列步骤：
与在一个支柱顶部纵向生长一个下方氮化镓层相比而言，将该下方氮化镓层(106)中该支柱的一个侧壁(105)择优横向生长进入该下方氮化镓层的一个沟槽(107)中，从而形成一个横向氮化镓半导体层(108a)；
该沟槽包括一个沟槽底部，且其中的该择优横向生长步骤包括步骤：将该下方氮化镓层的该侧壁横向生长进入该沟槽中，且与该沟槽底部隔开，从而形成一个悬空的横向氮化镓半导体层。
24.一种制造一个氮化镓半导体层的方法，包括下列步骤：
与在一个支柱顶部纵向生长一个下方氮化镓层相比而言，将该下方氮化镓层(106)中该支柱的一个侧壁(105)择优横向生长进入该下方氮化镓层的一个沟槽(107)中，从而形成一个横向氮化镓半导体层(108a)；
该择优横向生长步骤包括步骤：将该下方氮化镓层的一对侧壁生长进入位于该对侧壁之间的该下方氮化镓层中的一个沟槽中，直至生长的这对侧壁在该沟槽中会合；
该沟槽包括一个沟槽底部，且其中的该择优横向生长步骤包括步骤：将该下方氮化镓层的该对侧壁横向生长进入该沟槽中，并且与该沟槽底部隔开。
25.一种制造一个氮化镓半导体层的方法，包括下列步骤：
与在一个支柱顶部纵向生长一个下方氮化镓层相比而言，将该下方氮化镓层(106)中该支柱的一个侧壁(105)择优横向生长进入该下方氮化镓层的一个沟槽(107)中，从而形成一个横向氮化镓半导体层(108a)；
该择优横向生长步骤包括步骤：
与在一个支柱顶部纵向生长一个下方氮化镓层相对而言，将该下方氮化镓层中的支柱的多个侧壁择优横向生长进入该下方氮化镓层中的多个沟槽中，从而形成一个横向氮化镓层；
该沟槽包括沟槽底部，且其中的该择优横向生长步骤包括步骤：将该下方氮化镓层的该多个侧壁横向生长进入该多个沟槽中，并且与该沟槽底部隔开，从而形成悬空的横向氮化镓半导体层。
26.一种制造一个氮化镓半导体层的方法，包括下列步骤：
与在一个支柱顶部纵向生长一个下方氮化镓层相比而言，将该下方氮化镓层(106)中该支柱的一个侧壁(105)择优横向生长进入该下方氮化镓层的一个沟槽(107)中，从而形成一个横向氮化镓半导体层(108a)；
该择优横向生长步骤包括步骤：
与在一个支柱顶部纵向生长一个下方氮化镓层相对而言，将该下方氮化镓层中的支柱的多个侧壁择优横向生长进入该下方氮化镓层中的多个沟槽中，从而形成一个横向氮化镓层；
该择优横向生长步骤之后是步骤：
纵向生长(306)该横向氮化镓层；
在该纵向生长的横向氮化镓层中制作多个第二侧壁(305)，以确定多个第二支柱和多个第二沟槽(307)；和
与在该第二支柱顶部纵向生长该纵向生长的横向氮化镓层相对而言，将该纵向生长的横向氮化镓层的该多个第二侧壁择优横向生长(308a)进入该多个第二沟槽中，从而形成一个第二横向氮化镓半导体层；
该第二沟槽包括第二沟槽底部，且其中的该择优横向生长步骤包括步骤：将该纵向生长的横向氮化镓层的该多个第二侧壁横向生长进入该多个第二沟槽，并且与该第二沟底部隔开，从而形成一个悬空的第二横向氮化镓半导体层的步骤。
27.一种氮化镓半导体结构，包括：
一个下方氮化镓层(106)，包括一个具有一个侧壁(105)和一个顶部、并确定一个沟槽(107)的支柱；
一个横向氮化镓层(108a)，它从该下方氮化镓层的该侧壁延伸进入该沟槽中；和
一个纵向氮化镓层(108b)，它位于该支柱顶部之上，其缺陷密度比该横向氮化镓层大；
一个第二纵向氮化镓层，它从该横向氮化镓层延伸，缺陷密度低于该纵向氮化镓层。
28.如权利要求27所述的结构，进一步包括：
位于该第二纵向氮化镓层中的至少一个微电子器件(110)。
29.如权利要求27所述的结构，进一步包括一个衬底，其中该下方氮化镓层位于该衬底(102a)上。
30.如权利要求29所述的结构，进一步包括一个位于该衬底与该下方氮化镓层之间的缓冲层(102b)。
31.一种氮化镓半导体结构，包括：
一个下方氮化镓层(106)，包括一个具有一个侧壁(105)和一个顶部、并确定一个沟槽(107)的支柱；
一个横向氮化镓层(108a)，它从该下方氮化镓层的该侧壁延伸进入该沟槽中；和
一个纵向氮化镓层(108b)，它位于该支柱顶部之上，其缺陷密度比该横向氮化镓层大；
该下方氮化镓层包括多个支柱，它们具有多个侧壁和顶部，并确定多个沟槽；和
该横向氮化镓层从该下方氮化镓层的该多个侧壁延伸进入该多个沟槽中；和
该纵向氮化镓层位于该多个支柱顶部之上。
32.如权利要求31所述的结构，进一步包括：
一个掩模(206)，包括其中的一个窗口阵列，并位于该横向氮化镓层上；和
一个第二纵向氮化镓层(208a)，它通过该窗口，从该横向氮化镓层延伸到该掩模上，且其缺陷密度低于该纵向氮化镓层。
33.如权利要求31所述的结构，进一步包括：
一个从该横向氮化镓层延伸的第二纵向氮化镓层(306)，其中该第二纵向氮化镓层包括位于其内的多个第二侧壁(305)，且其缺陷密度低于该纵向氮化镓层；和
一个从该多个第二侧壁延伸的第二横向氮化镓层(308a)。
34.如权利要求32所述的结构，进一步包括：
在该横向氮化镓层中的至少一个微电子器件(310)。
35.如权利要求33所述的结构，进一步包括：
在该第二横向氮化镓层中的至少一个微电子器件。
36.如权利要求31所述的结构，其特征在于，该横向氮化镓层从该多个侧壁延伸进入该多个沟槽中，以便在该沟槽中确定一个连续的横向氮化镓层。
37.一种氮化镓半导体结构，包括：
一个下方氮化镓层(106)，包括一个具有一个侧壁(105)和一个顶部、并确定一个沟槽(107)的支柱；
一个横向氮化镓层(108a)，它从该下方氮化镓层的该侧壁延伸进入该沟槽中；和
一个纵向氮化镓层(108b)，它位于该支柱顶部之上，其缺陷密度比该横向氮化镓层大；
该沟槽包括一个沟槽底部，且其中的该横向氮化镓层是一个从该下方氮化镓层的该侧壁延伸进入该沟槽中的、并与该沟槽底部隔开的悬空的横向氮化镓层。
38.一种氮化镓半导体结构，包括：
一个下方氮化镓层(106)，包括一个具有一个侧壁(105)和一个顶部、并确定一个沟槽(107)的支柱；
一个横向氮化镓层(108a)，它从该下方氮化镓层的该侧壁延伸进入该沟槽中；和
一个纵向氮化镓层(108b)，它位于该支柱顶部之上，其缺陷密度比该横向氮化镓层大；
该沟槽包括沟槽底部，且其中的该横向氮化镓层是一个从该下方氮化镓层的该多个侧壁延伸进入该沟槽中的、并与该沟槽底部隔开的悬空的横向氮化镓层。
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