CN1346512A - 双处理半导体异质结构和方法 - Google Patents

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Abstract

一种形成外延层的方法,包括由第一次淀积处理在基片上淀积缓冲层,随后由第二次淀积处理淀积外延层。通过使用这种双处理,对于每一层的不同材料,通过第一和第二次淀积处理使性能、生长率和成本最佳化。由双淀积处理制备的半导体异质结构包括由MOCVD在基片上形成缓冲层,外延层形成在缓冲层上,外延层由氢汽相淀积淀积。

Description

双处理半导体异质结构和方法
技术领域
本发明涉及外延膜的生长。本发明也涉及在基片上生长缓冲层和在缓冲层上生长外延膜。本发明还涉及通过一种以上生长工艺外延淀积异质结。本发明还涉及生长氮化镓和有关材料外延膜的两级处理或双处理。
背景技术
氮化镓(GaN)和它有关的氮化物作为非常重要的技术(工艺)材料，包括AlN、InN和这些材料的合金。例如，当前使用GaN制造发射兰光的二极管、半导体激光器和其它光电子器件。然而，当前不可能制造在半导体生产中作为基片的可用大小的大体积GaN晶体。因此，GaN膜淀积在如蓝宝石(AL2O3)的非天然基片材料上。但是，大晶格错配和热错配存在于AL2O3基片和GaN层之间。结果，材料具有大错位密度，它限制了这些膜制造的器件的性能，同时，限制了GaN结构的应用。
按照生长较高质量GaN膜的现有技术方法，相对厚的中间材料层先生长在基片上作为缓冲层，然后，GaN层生长在缓冲层上。直接生长在蓝宝石基片上的GaN层中的缺陷主要是由于基片和GaN之间的内原子间隔(晶格常数)和热扩散的系数(CTE)引起的。因此，如果缓冲层具有晶格常数并且CTE接近GaN的CTE，则GaN(顶层)层将具有较少的缺陷，其质量将是较好的。高质量GaN层对于电子和光电子器件是必须的。满足所要求的晶格常数和CTE标准的材料是氮化铝(AlN)。
在缓冲层上具有GaN层的制造异质结构的现有技术方法已经对两层使用了相同的生长技术。例如，两层半导体(AlN缓冲层和GaN层)可由金属有机化学汽相沉积生长。在这个技术中，氨气(NH3)与含有铝或镓的金属有机化合物反应，例如，三甲基铝(TMA)、三乙基铝(TEA)、三甲基镓(TMG)、三乙基镓(TEG)。在高温状态下反应发生在基片的附近，并有固状生成物(GaN或AlN)沉积在基片上。但是，这种技术不仅昂贵，反映速度也很慢。具体地说，金属有机源材料很贵，它们只能以很低反应速率传递到基片上。
目前流行的生长如GaN相对厚层的现有技术是HVPE。在这种方法中，生长归因于一氯化镓(GaCl)和氨之间的高温汽相反应的继续。从标准气源供给氨，而GaCl是由氯化氢气体通过液体镓产生的。使用这种方法，可以相对快地和廉价地生长GaN。此外，快速率生长GaN可以产生具有较少缺陷密度的层。
但是，由于供给氯化铝的困难，不能使用HVPE有效的生长AlN缓冲层。(例如，挡HCl通过Al金属时，AlCl立刻凝固，没有形成在基片上)因此，AlN层必须由不适HVPE的技术生长，例如，使用MOCVD。
上述用于淀积AlN/GaN异质结构的现有技术方法的缺点由本发明获得了解决，其中，缓冲层(如AlN)和外延层(如GaN)使用不同的技术生长，后面将详细进行描述。
发明简述
如上所述，本发明的目的是提供一种半导体异质结构和制作该结构的方法。
本发明的一个特点是对制造半导体异质结构提供两级处理。
本发明的另一特点是通过在缓冲层上生长外延氯化物层制备半导体异质结构，并使用不是HVPE的其它技术淀积缓冲层。
本发明的另一特点是提供生长半导体异质结构的方法，其中，缓冲层首先由金属有机化学汽相淀积生长在基片上，随后，外延层由氢化物汽相外延法生长在缓冲层上。
本发明的另一特点是提供形成在由MOCVD形成的基片上的外延氯化物层。
本发明的一个优点是提供一种利用两个不同淀积过程制造半导体异质结构的方法，其中，每一次处理对淀积的材料都是最佳化的。
本发明的另一优点提供了在MOCVD形成的缓冲层上由HVPE形成外延层。
本发明的另一优点提供了形成适于电子和光电子器件形成外延氯化层有效的方法。
由制造半导体异质结构的本发明方法步骤完成的这些以及其它主题、优点和特点包括步骤：a)提供基片；b)在基片上形成缓冲层，以形成缓冲层基片；c)在缓冲层上形成覆盖层；d)在覆盖层上形成外延层，其中，缓冲层由MOCVD、MBE或其它适用的CVD技术形成，外延层由HVPE或其它适用技术形成。
由制造半导体异质结构的本发明步骤完成的这些以及其它主题(目的)、优点和特点包括：缓冲层，所述缓冲层由MOCVD形成；外延层淀积在所述缓冲层上，所述外延层由HVPE形成。
按照本发明方法准备外延层的步骤实现的这些以及其它主题、优点和特点包括步骤：a)由MOCVD、MEB或其它适用的CVD技术在基片上形成缓冲层；b)在缓冲层上形成覆盖层；c)由氢化物汽相外延在覆盖层上形成外延层。
本发明的这些以及其其它主题、优点和特点将在下面的描述中阐述，通过下面的解释，本领域的技术人员将会清楚，或从本发明的实施了解。可从所附权利要求指出的获得和实现本发明的优点。
附图说明
图1是在第一次淀积处理中适于在基片上形成覆盖层和缓冲层的MOCVD系统的示意图；
图2是在第二次淀积处理中适于在缓冲层上形成外延层的MVPE系统的示意图；
图3A、3B、3C、3D表示本发明制造半导体异质结构的顺序阶段；
图4A表示本发明制造半导体异质结构方法的一系列步骤；
图4B表示本发明另一实施例的制造半导体异质结构方法的一系列步骤。
优选实施例的具体实施方式
作为举例的目的，所述的发明主要涉及在AlN缓冲层上淀积GaN外延层的异质结构的制造，其中采用MOCVD淀积所述外延层。但是，应当理解，本发明也适用于不是GaN的材料的淀积，以及不是MOCVD技术的缓冲层的淀积。
现在参考附图，图1表示本发明的第一次淀积处理中适于在基片上至少淀积缓冲层的MOCVD系统6的示意图。按照本发明当前优选实施例，也可以使用系统6在缓冲层上淀积覆盖层2(图3A-3D)。图1图示的MOCVD系统是(现有技术中)公知的系统。简单地说，系统6包括容器8，容器8的一部分至少由加热单元16环绕。排列在容器8中的基片14由加热单元16加热。氨从标准气源13提供。把基本上是氮或氢的载气17通到包含在起泡器15中供给的金属-有机化合物的液体，供给金属-有机化合物的蒸汽。金属-有机化合物是吕或包含金属-有机化合物的镓，例如，三甲基铝(TMA)、三乙基铝(TEA)、三甲基镓(TMG)、三乙基镓(TEG)。加热金属-有机化合物，调节载气17的流动，以提供使金属-有机化合物的蒸汽饱和的气流。氨和金属-有机化合物的蒸汽被引入容器8。由于金属-有机化合物与氨气的高温汽相反应，AlN或GaN的淀积发生在基片14的表面。实际上，对于淀积AlN(例如，图3B的缓冲层2)，在起泡器15中的金属-有机(或有机-金属)化合物是包含有机-金属的铝，而对淀积GaN(例如，图3C的覆盖层3)，在起泡器15中的金属-有机(或有机-金属)化合物是包含有机-金属的镓。
图2表示本发明的第二次淀积处理中适于在缓冲层2或覆盖层3上形成外延层4的MVPE系统18的示意图(图3B-3D)。在第二次淀积处理中适于形成外延层的HVPE系统(例如18)是现有技术中公知的技术。简单地说，系统18包括生长管或具有壁23、进口22、出口19的反应器21，以及GaCl传送系统26。系统18可以整个放在比如炉子24的热源内。在加热的基片上的外延淀积通过源或引入反应器24的试剂气体的汽相反应继续下去。例如，如一氯化镓和一氯化铟的试剂气体可以通过反应组件26向基片14喷射，而氨可以通过反应器进口22引入生长管21。如GaCl的试剂气体可以在高温下把HCl通过液体金属(如镓)形成在反应组件26内。气体流动的方向如箭头5所示。试剂气体(例如，GaCl和InCl)与生长管21内的氨反应，形成淀积在基片14上的各自的氮化物、GaN和InN。
HVPE是比MOCVD更为划算的GaN淀积技术，MOCVD技术需要昂贵的金属-有机试剂和用于每一试剂源的多温度装置。此外，与MOCVD系统比较，使用HVPE系统可以获得氮化物外延层的更大的生长率。这是因为在HVPE系统中，Ga可以较快地供给到基片。图3A、3B、3C、3D表示本发明制造半导体异质结构的阶段。图3A表示基片1。一般说来，适于制造半导体器件的材料是公知的。但是，按照本发明，基片1最好是如蓝宝石、硅、碳化硅、砷化镓、氧化锌、氧化镁之类的材料。
图3B表示形成在基片1上的缓冲层2。按照本发明，缓冲层由MOCVD、化学蒸汽淀积(CVD)或分子束外延形成在基片1上。每一种技术都是公知的。缓冲层2可以淀积在基片1上，其厚度为1.0毫微米-1.0微米。按照本发明的优选实施例，缓冲层2由MOCVD形成在基片1上。缓冲层2最好包括AlN、GaAlN、InGaN或GaN。
图3C表示形成在缓冲层2上的覆盖层3。按照本发明，覆盖层3由MOCVD、CVD或MBE形成在缓冲层2上。按照本发明的优选实施例，覆盖层3由MOCVD形成在缓冲层2上。覆盖层3最好用与形成缓冲层2相同的处理和系统形成，除了在起泡器15内使用不同的有机-金属试剂之外。覆盖层3最好以连续的方式形成在缓冲层2上，以消除缓冲层2的表面降解。
覆盖层3最好包括元素周期表中的III、IV或V族元素的氯化物。覆盖层3最好包括GaN。覆盖层3用于保护缓冲层2的降解，并保护从MOCVD系统6的容器8移出时暴露给大气(图1)。覆盖层3可以淀积在缓冲层2，其厚度为1.0毫微米-1000毫微米。在提供惰性气氛(如干燥无氧)的情况下，覆盖层3是不必要的。
图3D表示形成在缓冲层2上的外延层4。外延层4具有与覆盖层3相同的成分(图3C)，因此，覆盖层3可以与外延层4合并或混合在一起。但是，覆盖层3由MOCVD、CVD或MBE形成，而外延层4由HVPE形成(例如，使用图2的系统18)。外延层4可以按任何厚度淀积在基片1上，但是，常规的淀积厚度为1.0微米-500微米(包括与层4混合的覆盖层3)。按照本发明的优选实施例，外延层4包括GaN。外延层4和缓冲层2最好具有组合的厚度，其范围为1.0微米-500微米。
图4A表示本发明制造半导体异质结构方法的一系列步骤，步骤40包括提供一个基片。步骤40提供的基片最好是由蓝宝石、硅、碳化硅、或砷化镓材料构成的基片。步骤44包括在基片上形成缓冲层，以提供具有缓冲层的基片。缓冲层可由本方法的第一次淀积处理形成在基片上，例如，MOCVD、CVD或MBE。步骤44的第一次淀积处理对缓冲层的特殊成分是最佳的。
在步骤44淀积的缓冲层最好包括类似于形成在缓冲层上材料的晶格常数和CTE值的材料(步骤48)，在步骤44形成的缓冲层最好与步骤44’(图4B)形成的缓冲层相同。形成覆盖层的淀积材料最好与在顺序步骤中形成外延层的淀积材料相同(步骤48’)，以便覆盖层与外延层混合。但是，在步骤48’形成的外延层是由第二淀积处理淀积的，最好是HVPE。
通过使用不同的淀积处理形成缓冲层和外延层，每一次淀积处理可以对将被淀积的材料形成最佳化。按照本发明优选实施例，覆盖和外延层是GaN，并形成在AlN的缓冲层上。
在缓冲层上形成外延层之后，外延层和/或缓冲层可以从基片除去作为组合的外延层/缓冲层异质结构。此外，在淀积处理之后，在此所述的异质结构的任何部分都可以被除去。然后，外延层/缓冲层异质结构本身作为一个平台或基片用于进一步淀积和/或器件处理。
作为举例的目的，所述的发明主要述及在AlN缓冲层上淀积GaN外延层的异质结构。其中，缓冲层由MOCVD淀积，GaN层由HVPE淀积。但是，本发明也适用于不是MOCVD的淀积技术，以及不是GaN的外延层淀积。例如，缓冲层可由CVD或MBE淀积；外延层可从元素周期表的III和IV族的其它元素的氯化物形成。
上述实施例仅仅是示例性说明，不构成对本发明的限制。本教导可以应用到其它类型的设备和方法。本发明的描述旨在解释，并且不限制所附权利要求的范围。很明显，本领域技术人员可以进行修改和变形。

Claims (31)

1.一种制造半导体异质结构的方法，包括步骤：
a)提供基片；
b)在基片上形成氮化物缓冲层，以形成具有缓冲层的基片，其中，缓冲层由第一个淀积技术形成；
c)在缓冲层上形成氮化物外延层，其中，外延层由第二种淀积技术淀积，第二种淀积技术同于第一种淀积技术。
2.按权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤b)包括由MOCVD形成缓冲层。
3.按权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤c)包括由氢汽相外延形成外延层。
4.按权利要求1所述的方法，其特征在于外延层包括元素周期表中的III和IV族元素的氮化物。
5.按权利要求1所述的方法，其特征在于基片包括从蓝宝石、硅、碳化硅、或砷化镓构成的组中选择的材料，缓冲层包括氮化铝、ZnO、MgO、GaN。
6.按权利要求1所述的方法，其特征在于外延层包括金属氮化物，金属氮化物至少包括从镓、铝、铟构成的组中选择的一种金属的氮化物。
7.按权利要求1所述的方法，其特征在于缓冲层的厚度至少1.0微米。
8.按权利要求1所述的方法，其特征在于外延层的厚度至少1.0(1)-500微米。
9.按权利要求1所述的方法，其特征在于还包括步骤：
d)在步骤b)之后，代替所述步骤c)，在缓冲层上形成覆盖层；以及
e)在覆盖层上形成外延层。
10.按权利要求9所述的方法，其特征在于所述步骤d)由MOCVD执行，所述步骤e)由HVPE执行。
11.按权利要求9所述的方法，其特征在于覆盖层包括元素周期表中的III和IV族元素的氮化物。
12.按权利要求9所述的方法，其特征在于每一覆盖层和外延层包括金属氮化物，金属氮化物至少包括从镓、铝、铟构成的组中选择的一种金属的氮化物。
13.按权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤b)在MOCVD容器中进行，所述步骤c)在HVPE反应器中进行，所述方法还包括步骤：
f)在所述步骤b)之后，从MOCVD容器中移出缓冲层的基片；
g)在HVPE反应器中排列具有缓冲层的基片。
14.一种制造半导体异质结构的方法，包括如下步骤：
a)提供基片；
b)在基片上形成缓冲层，以形成具有缓冲层的基片；
c)在缓冲层上形成覆盖层；以及
d)在覆盖层上形成外延层，其中，缓冲层由CVD形成，外延层由HVPE形成。
15.按权利要求14所述的方法，其特征在于所述步骤c)由MOCVD执行。
16.按权利要求14所述的方法，其特征在于还包括步骤：
e)从基片上除去一部分异质结构。
17.按权利要求14所述的方法，其特征在于基片包括从蓝宝石、硅、碳化硅或砷化镓构成的组中选择的材料；缓冲层包括AlN；外延层包括GaN。
18.按权利要求14所述的方法，其特征在于缓冲层和外延层具有组合的厚度，其范围在1.0-500微米。
19.按权利要求14所述的方法，其特征在于外延层的厚度为1.0-500微米。
20.一种外延层，包括金属氮化物，金属氮化物包括从镓、铝构成的组中选择的一种金属的氮化物，其中，外延层由氢汽相淀积在缓冲层上形成，其中，缓冲层包括元素周期表中的III和IV族元素的氮化物，并由MOCVD形成在基片上。
21.按权利要求20所述的外延层，其特征在于所述外延层从所述缓冲层除去。
22.按权利要求20所述的外延层，其特征在于所述外延层和缓冲层都包括外延层/缓冲层异质结构，外延层/缓冲层异质结构从基片除去。
23.一种半导体异质结构，包括：
a)缓冲层，所述缓冲层由MOCVD形成；以及
b)外延层淀积在所述缓冲层上，所述外延层由HVPE形成。
24.按权利要求23所述的异质结构，其特征在于所述缓冲层包括从AlN、InN、GaN构成的组中选择的一种物质，其中，所述缓冲层的厚度为1.0毫微米-1.0微米。
25.按权利要求23所述的异质结构，其特征在于所述外延层包括金属氮化物，金属氮化物包括从Ga、Al、In构成的组中选择的一种金属的氮化物，其中，所述外延层的厚度为1.0-500微米。
26.一种按照所述方法制备的外延层，包括：
a)在基片上由CVD形成的缓冲层；
b)在缓冲层上形成的覆盖层；
c)由氢汽相外延在覆盖层上形成的外延层。
27.按权利要求26所述的外延层，其特征在于外延层包括氮化物，氮化物包括从元素周期表中的III和IV族选择的元素。
28.按权利要求26所述的外延层，其特征在于基片包括从蓝宝石、硅、碳化硅、砷化镓、氧化锌、氧化镁构成的组中选择的材料；缓冲层包括氮化铝。
29.按权利要求28所述的外延层，其特征在于覆盖层和外延层具有基本相同的成分。
30.按权利要求26所述的外延层，其特征在于覆盖层和外延层都包括氮化物，氮化物包括从元素周期表中III和IV族构成的组中选择的一种元素。
31.按权利要求26所述的外延层，其特征在于覆盖层由MOCVD形成。
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