DE112011103871B4

DE112011103871B4 - Verfahren zum ausbilden von galliumnitrid-material und struktur, die durch ein derartiges verfahren ausgebildet wird

Info

Publication number: DE112011103871B4
Application number: DE112011103871.2T
Authority: DE
Inventors: Chantal Arena; Jr. Bertram Ronald Thomas; Ed Lindow; Subhash Mahajan; Fanyu Meng
Original assignee: Soitec SA; Arizona State University ASU
Current assignee: Arizona Board Of Regents For And On Behalf Of Us; Soitec SA
Priority date: 2010-11-23
Filing date: 2011-11-23
Publication date: 2024-02-08
Anticipated expiration: 2031-11-24
Also published as: TWI517213B; KR20130141575A; CN103237929A; DE112011103871T5; CN103237929B; US20130234157A1; FR2968678B1; TW201222633A; US9412580B2; WO2012069530A1; FR2968678A1; JP2014500219A

Abstract

Verfahren zum Ausbilden eines GaN-Materials auf einem Wachstumssubstrat (100), umfassend:Ausbilden einer GaN-Keimbildungsschicht auf einer Oberfläche (102) eines nicht nativen Wachstumssubstrats (100), umfassend:Abscheiden einer GaN-Schicht (108), die amorphes GaN (118) und eine Vielzahl von GaN-Wurtzitkristallstrukturen (112) enthält, auf einer Oberseite des nicht nativen Wachstumssubstrats (100) mit Hilfe eines Haliddampfphasenepitaxie- (HVPE-) Vorgangs, sodass das amorphe GaN (118) die Vielzahl von GaN-Wurtzitkristallstrukturen (112) umgibt; undWärmebehandeln der GaN-Schicht (108); undAusbilden einer zusätzlichen GaN-Schicht (132) auf der Keimbildungsschicht; und wobeidas Wärmebehandeln der GaN-Schicht (108) das Aussetzen der GaN-Schicht (108) einer Temperatur von weniger als 700 °C umfasst, um eine Chlorkonzentration in der GaN-Keimbildungsschicht zu verringern und eine kontinuierliche GaN-Wurtzitkristallschicht an das nicht native Wachstumssubstrat (100) benachbart zu bilden, wobei die kontinuierliche GaN-Wurtzitkristallschicht mit der Oberfläche (102) des nicht nativen Wachstumssubstrats (100) kristallografisch ausgerichtet ist.

Description

GEBIET
Die unterschiedlichen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beziehen sich im allgemeinen auf Verfahren zum Ausbilden von einem GaN-Material auf Wachstumssubstraten und auf Strukturen, die durch derartiger Verfahren ausgebildet sind, und insbesondere auf Verfahren zum Ausbilden von Gruppe-III-Nitridhalbleiterstrukturen durch Haliddampfphasenepitaxie (HVPE) mit Hilfe von Chlorgaschemie und Strukturen, die durch derartige Verfahren ausgebildet sind.
HINTERGRUND
Gruppe-III-Nitride können ein oder mehrere Materialien umfassen, wie etwa Galliumnitrid (GaN), Indiumnitrid (InN), Aluminiumnitrid (AIN) und deren Legierungen (InGaN, AIGaN und InAIGaN). Es können ein oder mehrere Verfahren für die Ausbildung von Gruppe-III-Nitriden angewendet werden. Die Verfahren zur Ausbildung können die metallorganische chemische Dampfphasenabscheidung (MOCVD), die Haliddampfphasenepitaxie (HVPE) die Molekularstrahlepitaxie (MBE) und die Atomschichtabscheidung (ALD) umfassen.
Gruppe-III-Nitride werden im allgemeinen heteroepitaxial auf „nicht native“ Wachstumssubstrate, d.h. auf Wachstumssubstrate abgeschieden, die keine Gruppe-III-Nitrid-Wachstumsoberfläche haben. Es werden im allgemeinen beispielsweise Saphirwachstumssubstrate als „nicht native“ Wachstumssubstrate verwendet, wenn eine heteroepitaxiale Abscheidung von Gruppe-III-Nitriden ausgeführt wird. Die heteroepitaxiale Abscheidung von Gruppe-III-Nitriden kann verwendet werden, weil native Gruppe-III-Nitrid-Wachstumssubstrate unerschwinglich und relativ schwer zu erhalten sind.
In den Beiträgen von E. Richter et al., „Direct Growth of GaN on (0001) Sapphire by Low Pressure Hydride Vapour Phase Epitaxy", Phys. Status Solidi (a) 188, No. 1, 439-442 (2001) und T. Bohnen et al., „The nucleation of HCl and Cl2-based HVPE GaN on mis-oriented sapphire substrates", Phys. Status Solidi C 7, No. 7-8, 1749-1755 (2010) werden HVPE-Verfahren zur Herstellung von GaN-Schichten gelehrt, in denen eine Rekristallisierung und ein Überwachsen bei Temperaturen von 1.060 °C beziehungsweise 1.080 °C erfolgt. In der US 2005 /0 042 789 A1 wird ein alternativer Ansatz gelehrt, gemäß dem durch Wärmebehandlung eine Feinkristallschicht aus einer Pufferschicht ausgebildet wird, wobei die Wärmebehandlung bei einer Temperatur auszuführen ist, die nicht kleiner als 700 °C ist, um zu erreichen, dass die Pufferschicht verlässlich in die Feinkristallschicht umgewandelt wird. Die so entstehenden Kristallpartikel werden als Keime für die Ausbildung von Nitridinseln verwendet.
Die heteroepitaxiale Abscheidung von Gruppe-III-Nitriden beginnt mit der Ausbildung einer Keimbildungsschicht auf dem Wachstumssubstrat, gefolgt von der Abscheidung der verbleibenden Masse des Gruppe-III-Nitrids. MOCVD-Verfahren und -Systeme haben sich als relativ erfolgreich bei der Ausbildung derartiger Keimbildungsschichten und Massenmaterialien direkt auf „nicht nativen“ Wachstumssubstraten erwiesen. MOCVD-Verfahren und -Systeme scheiden jedoch das Gruppe-III-Nitridmaterial mit relativ geringen Raten ab, d.h. weniger als etwa 3 bis 4 µm Material pro Stunde. Darüber hinaus verwenden MOCVD-Verfahren und -Systeme im allgemeinen unerschwingliche metallorganische Präkursoren.
Im Gegensatz dazu scheiden HVPE-Verfahren und -Systeme im allgemeinen Gruppe-III-Nitride mit hohen Wachstumsraten ab. Beispielsweise sind im allgemeinen Wachstumsraten über 100 µm Material pro Stunde mit Hilfe von HVPE-Verfahren und -Systemen erzielbar. Darüber hinaus verwenden die HVPE-Verfahren und -Systeme im allgemeinen kostengünstige Galluimchlorid-Präkursoren. Die HVPE-Verfahren und -Systeme haben sich jedoch als weniger erfolgreich bei der Ausbildung von Keimbildungsschichten und Massenmaterial direkt auf „nicht nativen“ Wachstumssubstraten erwiesen.
KURZÜBERSICHT
Die unterschiedlichen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beziehen sich im allgemeinen auf Verfahren zum Erzeugen von GaN-Materialien und auf Strukturen, die durch derartige Verfahren erzeugt werden.
Die Verfahren und Strukturen werden nun kurz anhand von Ausführungsformen der Erfindung erläutert. Diese Übersicht dient dazu, eine Auswahl von Konzepten in vereinfachter Form vorzustellen, die in der detaillierten Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung weiter erläutert werden. Mit dieser Übersicht sollen weder Schlüsselmerkmale oder wesentliche Eigenschaften des beanspruchten Gegenstandes gekennzeichnet werden, noch ist es beabsichtigt, mit dieser den Geltungsbereich des beanspruchten Gegenstandes einzuschränken.
Es wird ein Verfahren zum Ausbilden eines GaN-Materials auf einem Wachstumssubstrat bereitgestellt, dass die folgenden Schritte umfasst:

Ausbilden einer GaN-Keimbildungsschicht auf einer Oberfläche eines nicht nativen Wachstumssubstrats, umfassend:
- Abscheiden einer GaN-Schicht, die amorphes GaN und eine Vielzahl von GaN-Wurtzitkristallstrukturen enthält, auf einer Oberseite des nicht nativen Wachstumssubstrats mit Hilfe eines Haliddampfphasenepitaxie- (HVPE-) Vorgangs, sodass das amorphe GaN (118) die Vielzahl von GaN-Wurtzitkristallstrukturen umgibt; und Wärmebehandeln der GaN-Schicht;
- und
- Ausbilden einer zusätzlichen GaN-Schicht auf der Keimbildungsschicht; und wobei
- das Wärmebehandeln der GaN-Schicht das Aussetzen der GaN-Schicht einer Temperatur von weniger als 700 °C umfasst, um eine Chlorkonzentration in der GaN-Keimbildungsschicht zu verringern und eine kontinuierliche GaN-Wurtzitkristallschicht an das nicht native Wachstumssubstrat benachbart zu bilden, wobei die kontinuierliche GaN-Wurtzitkristallschicht mit der Oberfläche des nicht nativen Wachstumssubstrats kristallografisch ausgerichtet ist.

Weitere Aspekte und Details sowie alternative Kombinationen von Elementen der Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung deutlich und befinden sich ebenfalls im Geltungsbereich der Erfindung.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können unter Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen, die in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind, umfassender verstanden werden.

1A bis 1F zeigen schematisch beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung zum Ausbilden von GaN-Halbleiterstrukturen.
2A bis 2F zeigen schematisch zusätzliche Beispiele zum Ausbilden von Gruppe-III-Nitridhalbleiterstrukturen, die nicht Teil der Erfindung sind.
3A bis 3B zeigen schematisch ein System zum Ausbilden von GaN-Halbleiterstrukturen.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Die hier gezeigten Darstellungen sollen nicht tatsächliche Ansichten eines speziellen Verfahrens, einer speziellen Struktur, eines speziellen Materials oder Systems sein, sondern lediglich idealisierte Darstellungen, die verwendet werden, um die vorliegende Erfindung zu beschreiben.
Überschriften werden hier lediglich aus Gründen der Übersichtlichkeit verwendet und sollen nicht als Einschränkung verstanden werden. Es ist hier eine Anzahl von Bezugnahmen erwähnt, wobei keine der erwähnten Bezugnahmen, unabhängig davon, wie sie oben gekennzeichnet ist, als Stand der Technik in Bezug auf die Erfindung des hier beanspruchten Gegenstandes zulässig ist.
Der hier verwendete Begriff „Gruppe-III-Nitrid“ bezeichnet und umfasst ein beliebiges Material, das vorwiegend aus wenigstens einem Element der Gruppe IIIA des Periodensystems (Al, Ga und In) und Stickstoff (N) besteht. Die vorliegende Erfindung betrifft das Ausbilden eines GaN-Materials.
Der hier verwendete Begriff „Wachstumssubstrat“ bezeichnet und umfasst eine beliebige Struktur, auf der ein Gruppe-III-Nitrid mit Absicht ausgebildet wird.
Der hier verwendete Begriff „nicht natives“ Wachstumssubstrat bezeichnet und umfasst ein beliebiges Wachstumssubstrat, das eine Wachstumsfläche umfasst, die nicht wesentlich aus einem Gruppe-III-Nitridmaterial besteht.
Der hier verwendete Begriff „Keimbildungsschicht“ bezeichnet und umfasst eine beliebige Ausgangsschicht oder eine Vielzahl von Schichten, die auf einer Oberfläche eines Wachstumssubstrats vor der Abscheidung eines Gruppe-Ill-Nitridgrundmaterials darauf ausgebildet wird/werden.
Der hier verwendete Begriff „Saphir-Wachstumssubstrat“ bezeichnet und umfasst ein beliebiges Substrat, das vorwiegend aus einem Alpha-Aluminiumoxid (α-Al₂O₃) besteht.
Der hier verwendete Begriff „Wurtzitkristallstruktur“ bezeichnet und umfasst ein Material, das eine Kristallgitterstruktur hat, die eine hexagonale dicht gepackte Anordnung von Anionen mit Kationen umfasst, die die Hälfte der vierflächigen Löcher belegen.
Die hier verwendeten Begriffe „chemische Dampfphasenabscheidung“ und „CVD“ sind Synonyme und bezeichnen und umfassen ein beliebiges Verfahren, das verwendet wird, um Festkörpermaterial(ien) auf einem Substrat in einer Reaktionskammer abzuscheiden, in der das Substrat wenigstens einem Reagenzgas ausgesetzt wird, das derart reagiert, zerfällt oder sowohl reagiert als auch zerfällt, dass Festkörpermaterial(ien) auf einer Oberfläche des Substrats abgeschieden wird/werden.
Die hier verwendeten Begriffe „Dampfphasenepitaxie“ und „VPE“ sind Synonyme und bezeichnen und umfassen ein beliebiges CVD-Verfahren, bei dem das Substrat wenigstens einem Reagenzdampf ausgesetzt wird, der derart reagiert, zerfällt oder sowohl reagiert als auch zerfällt, dass Festkörpermaterial(ien) auf einer Oberfläche des Substrats abgeschieden wird/werden.
Die hier verwendeten Begriffe „Haliddampfphasenepitaxie“ und „HVPE“ sind Synonyme und bezeichnen und umfassen ein beliebiges VPE-Verfahren, bei dem wenigstens ein Reagenzdampf, der bei dem VPE-Verfahren verwendet wird, einen Haliddampf enthält.
Die direkte Abscheidung von Gruppe-III-Nitriden auf nicht nativen Wachstumssubstraten durch Haliddampfphasenepitaxie (HVPE) kann zu Gruppe-III-Nitriden geringer kristalliner und struktureller Qualität führen. Beispielsweise kann die direkte HVPE-Abscheidung von Gruppe-III-Nitriden auf Saphir-Wachstumssubstraten zu einer Ablösung des Gruppe-III-Nitrids von dem Wachstumssubstrat und/oder einem Anwachsen von Inversionsbereichen (d.h. Material gemischter Polarität) und/oder strukturellen Rissen führen.
Derartige Probleme, die mit der direkten HVPE-Abscheidung von Gruppe-III-Nitriden auf nicht nativen Substraten in Verbindung stehen, können durch Verwendung von Gruppe-III-Nitrid-Zwischenschichten abgemildert werden, die durch MOCVD-Verfahren abgeschieden werden. Die MOCVD-Gruppe-III-Nitridschicht kann auf einer Wachstumsfläche des nicht nativen Wachstumssubstrats vor dem Abscheiden des restlichen Materials durch HVPE-Verfahren und -Systeme abgeschieden werden. Die Verwendung derartiger Gruppe-III-Nitrid-Zwischenschichten kann jedoch die Kosten erhöhen und/oder die Abscheidungszeit verlängern.
Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung sind im folgenden unter Bezugnahme auf 1A bis 1F beschrieben. 1A zeigt ein nicht natives Wachstumssubstrat 100, das beispielsweise eine Keramik, wie etwa ein Oxid (z.B. Siliziumdioxid (SiO₂) oder Aluminiumoxid (Al₂O₃) (z.B. Saphir, der α-Al₂O₃ ist)), oder ein Nitrid (z.B. Siliziumnitrid (Si₃N₄) oder Bornitrid (BN)) enthalten kann. Als zusätzliche Beispiele kann das Material 242 ein Halbleitermaterial, wie etwa Silizium (Si), Germanium (Ge), ein III-V-Halbleitermaterial und dergleichen enthalten. Das Wachstumssubstrat 100 kann (0001)-Saphir bei einigen Ausführungsformen enthalten. Das nicht native Wachstumssubstrat 100 kann eine Anzahl von Oberflächen umfassen, die eine Oberseite 102 umfassen, die hier als „Wachstumsfläche“ bezeichnet werden kann. Das nicht native Wachstumssubstrat 100 kann eine gewählte kristallografische Ausrichtung haben, so dass die freiliegende Hauptoberfläche des Wachstumssubstrats 100 eine gewählte Ebene innerhalb der Mikrostruktur des Wachstumssubstrats 100 hat. Das nicht native Wachstumssubstrat 100 kann beispielsweise Saphir mit einer kristallografischen (0001)-Ausrichtung in der Richtung haben, die mit dem Pfeil 104 gekennzeichnet ist und häufig als „c-Ebenen-Saphir“ bezeichnet wird.
1B zeigt die Struktur 106 nach dem Ausbilden eines GaN-Materials 108 auf dem nicht nativen Wachstumssubstrat 100. Erfindungsgemäß ist das Gruppe-III-Nitridmaterial 108 ein Galliumnitrid (GaN) - Material.
Detaillierter gesagt kann das GaN-Material 108 eine Vielzahl von strukturellen Merkmalen haben, die mit Hilfe von Ausführungsformen der Verfahren der Erfindung erzeugt werden. Bei der Abscheidung kann das GaN-Material 108 sowohl amorphe als auch kristalline Bereiche innerhalb seiner Mikrostruktur haben. Die Mikrostruktur des GaN-Materials 108 kann Körner von kristallinem Metallnitridmaterial 112 (z.B. Kristalle) enthalten, die in im wesentlichen amorphem Metallnitridmaterial 118 eingebettet und von diesem umgeben sind. Erfindungsgemäß ist das amorphe Metallnitridmaterial 118 ein amorphes GaN-Material und ist das kristalline Metallnitridmaterial 112 ein kristallines GaN-Material. Wie es nach dem Stand der Technik bekannt ist, bedeutet „amorph“, dass es im wesentlichen keine langreichweitige Ordnung in der Anordnung der Atome des Materials gibt. Mit anderen Worten sind die Atome des amorphen Materials im wesentlichen zufallsartig in dem Material angeordnet, anstelle in einer geordneten Anordnung von Atomebenen innerhalb des Materials angeordnet zu sein. Es wird darauf hingewiesen, dass die Zeichnung von 1B vereinfacht ist und, obwohl feststellbar diskrete Grenzen zwischen dem amorphen GaN 118 in 1B erkennbar sind, in der Praxis derartige diskrete Grenzen, die sich entlang der Umfänge der Körner des kristallinen GaN 112 erstrecken, relativ schwer auszumachen sind, wenn die Mikrostruktur unter Vergrößerung betrachtet wird. Trotzdem kann die Gegenwart der Körner des kristallinen GaN 112 und des amorphen GaN 118 bei Betrachtung der Mikrostruktur unter geeigneter Vergrößerung und/oder mit Hilfe anderer Techniken, wie etwa Röntgenstrahlbeugung (XRD), ausgemacht werden.
Einige Körner des kristallinen GaN 112 können direkt auf und epitaxial ausgerichtet mit dem Kristallgitter der Oberfläche 102 des Substrats 240 angeordnet sein. Bei Ausführungsformen, bei denen beispielsweise das Substrat 100 ein (0001)-Saphir-Substrat umfasst und das GaN-Material 108 Galliumnitrid (GaN) enthält, kann die Oberfläche 102 die (0001)-Ebene des Saphirkristallgitters enthalten, und die Körner des kristallinen GaN-Materials 112, die direkt auf der Oberfläche 102 des Substrats angeordnet sind, können derart ausgerichtet sein, dass die [0001]-Richtungen innerhalb der Kristallgitter dieser Körner des kristallinen GaN-Materials 112 im wesentlichen senkrecht zu der Oberfläche 102 verlaufen. Die [0001]-Richtungen innerhalb jedes der Körner des kristallinen GaN 112 in 1B sind durch die Richtungspfeile innerhalb der Körner dargestellt. Andere Richtungen innerhalb der Kristallgitter dieser Körner des kristallinen GaN-Materials 112 können sich ebenfalls im wesentlichen parallel zu den entsprechenden Richtungen innerhalb des Kristallgitters des darunterliegenden Saphirsubstrats 100 an der Oberfläche erstrecken, so dass eine geringe bis keine Fehlanpassung in der Drehausrichtung jener Körner in der horizontalen Ebene (d.h. der Ebene, die sich in die Ebene der Zeichnungen erstreckt) in Bezug auf das Kristallgitter des darunterliegenden Saphirsubstrats 100 an der Oberfläche 102 gibt.
Bei Ausführungsformen, bei denen die Körner des kristallinen GaN 112 Galliumnitrid (GaN) umfassen, können einige oder sämtliche Körner des kristallinen GaN 112 Körner der Wurtzitkristallstruktur sein oder diese enthalten.
Das GaN-Material 108 kann wenigstens einen Defekt, wie etwa Schraubenversetzungen 114 und 114' aufweisen. Die Schraubenversetzung 114' kann von der der Oberseite 102 des Substrats 100 stammen. Die Schraubenversetzung 114 kann aus dem GaN-Material 108 stammen. Wie in 1B gezeigt, können sich die Schraubenversetzungen 114 und 114' beispielsweise innerhalb wenigstens einer aus der Vielzahl der Wurtzitkristallstrukturen 112 befinden.
Das GaN-Material 108 kann zudem eine Vielzahl fehlausgerichteter Kristallstrukturen 116 umfassen. Die zahlreichen fehlausgerichteten Kristallstrukturen 116 können jeweils zu der Oberseite 102 des Substrats 100 kristallografisch fehlausgerichtet sein.
Das GaN-Material 108 kann amorphes GaN 118 enthalten. Das amorphe GaN 118 kann ein GaN-Material enthalten, das eine nicht periodische Atomanordnung hat, so dass beträchtliche Mengen der Kristallphasen durch herkömmliche Röntgenstrahlbeugungsverfahren nicht erfasst werden können. Das amorphe GaN 118 kann beispielsweise ein Material enthalten, in dem es keine wesentliche langreichweitige Ordnung bei der Positionierung seiner bildenden Atome geben kann. Es versteht sich, dass ein derartiges amorphes GaN im wesentlichen amorphe Materialien enthält, die beispielsweise Bereiche umfassen, die eine begrenzte kurz bestehende Ordnung und/oder kurz bestehende Kristallinität (z.B. über wenige Atom- oder Molekülabstände) haben. Das amorphe GaN 118 kann beispielsweise im wesentlichen die Vielzahl der Wurtzitkristallstrukturen 112 und/oder die Vielzahl der fehlausgerichteten Kristallstrukturen 116 umgeben oder einhüllen.
Es kann wenigstens ein Verfahren für die Ausbildung der GaN-Schicht 108 auf der Oberseite 102 des nicht nativen Wachstumssubstrats 100 angewendet werden. Bei einigen Ausführungsformen der Verfahren der Erfindung kann das GaN-Material 108 Galliumnitrid (GaN) enthalten und durch einen Dampfphasenabscheidungsvorgang ausgebildet werden. Das GaN-Material 108 kann beispielsweise durch einen HVPE-Vorgang unter Verwendung von Chlorgaschemie abgeschieden werden. Wenngleich unterschiedliche Typen und Konfigurationen von HVPE-Systemen bei den Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden können, zeigen 3A und 3B schematisch Beispiele von HVPE-Systemen, die bei Ausführungsformen von Verfahren der Erfindung verwendet werden können, wie es hier beschrieben ist.
3A zeigt beispielsweise ein HVPE-System 300, das eine Reaktionskammer 302 und ein internes Volumen einer GaN-Quelle 304, wie etwa flüssiges Gallium, umfasst. Das Erwärmen des nicht nativen Wachstumssubstrats 100 und der GaN-Quelle 304 kann durch wenigstens ein Heizelement 306 erfolgen, das beispielsweise Lampen, Widerstandselemente und/oder Hochfrequenzelemente umfasst. Erfindungsgemäß ist die Gruppe-III-Quelle 304 eine GaN-Quelle.
Wenigstens eine chlorhaltige Substanz, wie etwa Chlordampf (Cl₂) oder Chlorwasserstoffdampf (HCl), kann durch einen Einlass 308 eingeleitet und über die erwärmte GaN-Quelle 304 geleitet werden und/oder diese durchsprudeln, um einen Gruppe-III-Chloridpräkursor, wie etwa Galliumchlorid (GaCl), für das nicht native Wachstumssubstrat 100 bereitzustellen. Der Gruppe-Ill-Chloridpräkursor kann mit einem Gruppe-V-Präkursor, wie etwa einer stickstoffhaltigen Substanz, reagieren, die durch den Einlass 310 eingeleitet wird. Die stickstoffhaltige Substanz kann Ammoniak (NH₃) oder atomaren Stickstoff enthalten, der mittels einer Plasmaquelle (nicht gezeigt) erzeugt wird. Die Reaktion zwischen dem Gruppe-Ill-Chloridpräkursor und der stickstoffhaltigen Substanz kann zu der Bildung von GaN-Material 108 auf der Wachstumsfläche des erwärmten nicht nativen Wachstumssubstrats 100 führen. Für Beispiele von HVPE-Verfahren und -Systemen, die eine Chlorgaschemie verwenden, die ein internes Volumen einer GaN-Quelle umfasst, und bei den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, siehe das US-Patent 6,179,913 B1 für Solomon et al. (erteilt am 30. Januar 2001) und das US-Patent 6.613,143 B1 für Melnik et al. (erteilt am 2. September 2003).
Bei einigen Ausführungsformen kann ein Gruppe-III-Präkursor, wie etwa ein Galliumchlorid-Präkursor, in die Reaktionskammer 302 von einer externen Quelle eingeleitet werden. Beispielsweise zeigt 3B ein HVPE-System 312, das eine Reaktionskammer 302' und ein externes Volumen einer Gruppe-III-Quelle 314, wie etwa flüssiges Gruppe-III-Trichlorid, wie beispielsweise Galliumtrichlorid (GaCl₃), umfasst. Die Gruppe-III-Quelle 314 kann in einem externen Behälter 316 untergebracht sein, wobei der externen Behälter 316 eine Heizvorrichtung (nicht gezeigt) umfasst, um die Gruppe-III-Quelle 314 in flüssiger Form zu halten. Das HVPE-System 312 kann zudem einen Einlass 318 umfassen, in den wenigstens ein Trägergas über die erwärmte Gruppe-III-Quelle 314 eingeleitet werden kann und/oder diese durchsprudelt, um den Gruppe-Ill-Chloridpräkursor in die Reaktionskammer 302' einzuleiten, in der das nicht native Wachstumssubstrat 100 dem Gruppe-Ill-Chloridpräkursor ausgesetzt wird.
Ausführungsformen der Erfindung, bei denen eine externe Gruppe-III-Quelle verwendet wird, können zudem eine Gruppe-III-Quellen-Vorheizeinrichtung, wie etwa einen Ofen 320 umfassen. Der Ofen 320 kann wenigstens ein Heizelement 322, wie etwa Lampen, Widerstandselemente und/oder Hochfrequenzelemente und dergleichen beinhalten. Der Ofen kann dazu verwendet werden, die Gruppe-III-Quelle 314 vor dem Eintritt in die Reaktionskammer 302' zu erwärmen. Beispiele von Gruppe-III-Quellen-Vorheizeinrichtungen, die bei Ausführungsformen der Verfahren der Erfindung verwendet werden können, sind in der vorläufigen US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 61/157,112 für Arena et al. (eingereicht am 3. März 2009) offenbart.
Bei einigen Ausführungsformen kann die Gruppe-III-Quelle 314 vor dem Eintritt in die Reaktionskammer 302' erwärmt werden, um das nicht native Wachstumssubstrat 100 einer Art eines Gruppe-Ill-Chloridpräkursors auszusetzen, der eine verminderte Konzentration der Chlorsubstanzen hat. Der Gruppe-III-Chloridpräkursor kann beispielsweise auf eine Temperatur von wenigstens etwa 600°C, wenigstens etwa 800°C oder sogar wenigstens etwa 1.000°C vor dem Einleiten des Gruppe-III-Chloridpräkursors in die Reaktionskammer 302' erwärmt werden. Als nicht einschränkendes Beispiel kann die Gruppe-III-Quelle 314 (z.B. GaCl₃, InCl₃ und AlCl₃) mit wenigstens einer Gruppe-III-Substanz zur Reaktion gebracht werden, um ein Gruppe-III-Monochlorid (z.B. GaCI, InCl, AlCl) zu erzeugen. Das Erwärmen von GaCl₃ vor dem Eintritt in die Reaktionskammer erzeugt das Monochlorid - d.h. GaCl und das überschüssige erzeugte Chlorid wird zu HCl durch Reaktion mit dem Trägergas H₂. HCI ist in dem abgeschiedenen Film nicht enthalten, wodurch die Cl-Konzentration in dem Film verringert wird. Die Gruppe-III-Quelle 314 kann beispielsweise Galliumtrichlorid (GaCl₃) enthalten, und die Art des Gruppe-III-Präkursors, der für das nicht native Wachstumssubstrat 100 bereitgestellt werden soll, kann Galliummonochlorid enthalten (GaCI).
Das Aussetzen des nicht nativen Wachstumssubstrats 100 dem Gruppe-III-Chloridpräkursor, der ein Gruppe-III-Monochlorid, wie etwa Galliumchlorid (GaCl), umfasst, während des HVPE-Vorgangs, kann eine Gruppe-III-Nitridschicht erzeugen, die eine wesentlich reduzierte Konzentration der Chlorsubstanz aufweist. Das Verringern der Konzentration der Chlorsubstanz innerhalb der Gruppe-III-Nitridschicht, wie etwa dem GaN-Material 108 (aus 1B), kann das Ablösen und/oder das Reißen des GaN-Materials 108 wesentlich verringern oder beseitigen. Weiterhin kann das Reduzieren der Konzentration der Chlorsubstanz innerhalb des GaN-Materials 108 das Ablösen und/oder Reißen eines zusätzlichen Gruppe-III-Nitridmaterials wesentlich verringern oder beseitigen, das über dem GaN-Material 108 ausgebildet wird.
Der vorgewärmte Gruppe-III-Chloridpräkursor, wie etwa Galliummonochlorid, kann mit einem Gruppe-V-Präkursor, wie etwa einer stickstoffhaltigen Substanz reagieren, die durch den Einlass 310' eingeleitet wird. Die stickstoffhaltige Substanz kann Ammoniak oder atomaren Stickstoff (z.B. NH₃) enthalten, der mittels einer Plasmaquelle (nicht gezeigt) erzeugt wird. Die Reaktion zwischen dem Gruppe-Ill-Chloridpräkursor und der stickstoffhaltigen Substanz kann zu der Bildung des GaN-Materials 108 (aus 1B) auf dem nicht nativen Wachstumssubstrat 100 führen. Beispiele von HVPE-Verfahren und - Systemen, die eine Chlorgaschemie verwenden, die eine externe Gruppe-III-Quelle, wie etwa eine Gruppe-III-Trichloridquelle umfasst, sind in der US-Patentanmeldungsveröffentlichung US 2009/017611 A1 für Arena et al. (veröffentlicht am 16. Juli 2009) und der US- Patentanmeldungsveröffentlichung US 2009/0223442 A1 für Arean et al. (veröffentlicht am 10. September 2009) offenbart.
Unter Verwendung des beispielhaften HVPE-Systems 300 (3A) oder des HVPE-Systems 312 (3B) kann das GaN-Material 108 (1B) bei einer Temperatur von weniger als etwa 900°C oder weniger als etwa 600°C oder sogar weniger als etwa 400°C abgeschieden werden. Darüber hinaus kann der Druck in der HVPE-Reaktionskammer 302 (oder 302') geringer als etwa 760 Torr während der Abscheidung des GaN-Materials 108 sein.
Bei weiteren Ausführungsformen kann die Strömungsrate des Gruppe-III-Chloridpräkursors in das HVPE-System (3A) oder das HVPE-System 312 (3B) wesentlich verringert werden, um die GaN-Schicht 108 abzuscheiden, die eine verringerte Konzentration von Chlorsubstanzen hat.
Bei Ausführungsformen, bei denen das HVPE-System 300 aus Fg. 3A verwendet wird, um das GaN-Material 108 abzuscheiden, kann wenigstens eine chlorhaltige Substanz durch den Einlass 308 eingeleitet und über die erwärmte GaN-Quelle 304 geführt werden und/oder diese durchsprudeln. Die erwärmte GaN-Quelle 304 kann flüssiges Gallium enthalten, das verwendet wird, um einen Gruppe-III-Chloridpräkursor, wie etwa einen Galliumchlorid-Präkursor für das nicht native Wachstumssubstrat 100 bereitzustellen. Die Strömungsrate einer Chlorsubstanz über die GaN-Quelle 304 kann beispielsweise geringer sein als etwa 100 Standard-cm³/min (sccm) und insbesondere zwischen etwa 50 sccm und etwa 25 sccm liegen. Als Beispiel und nicht als Einschränkung kann der Gruppe-IlI-Chloridpräkursor, wie etwa Galliumchlorid, zu dem nicht nativen Wachstumssubstrat 100 mit einer Strömungsrate von weniger als etwa 25 sccm und insbesondere zwischen etwa 10 sccm und etwa 1 sccm eingeleitet werden.
Bei Ausführungsformen, bei denen das HVPE-System 312 aus 3B verwendet wird, um das GaN-Material 108 abzuscheiden kann wenigstens eine Trägergassubstanz, wie etwa wenigstens eine aus Wasserstoff, Helium, Stickstoff und Argon durch den Einlass 318 eingeleitet und über die erwärmte Gruppe-III-Quelle 314 (z.B. flüssiges Galliumtrichlorid) geführt werden und/oder diese durchsprudeln, um einen Gruppe-III-Chloridpräkursor (Galliumtrichlorid- und/oder Galliummonochloriddampf) zu erzeugen. Der Gruppe-III-Präkursor kann zu dem nicht nativen Wachstumssubstrat 100 in der Reaktionskammer 320' eingeleitet werden. Verfahren der Erfindung können eine niedrige Strömungsrate wenigstens einer Trägergassubstanz über und/oder durch die Gruppe-III-Quelle 314 umfassen. Die Strömungsrate wenigstens einer Trägergassubstanz über und/oder durch die Gruppe-III-Quelle 314 kann beispielsweise eine Strömungsrate von weniger als etwa 0,10 slm oder weniger als 0,05 slm oder sogar weniger als etwa 0,02 slm betragen.
Verfahren der Ausführungsformen der Erfindung zum Bereitstellen einer geringen Strömungsrate eines Gruppe-Ill-Chloridpräkursors für das nicht native Wachstumssubstrat 100 können zudem das Steuern der Temperatur der Gruppe-III-Quelle 314 mit Hilfe des externen Behälters 316 umfassen. Die Temperatur der Gruppe-III-Quelle 314 kann die Viskosität der Gruppe-III-Quelle 314 und demzufolge die Menge des Gruppe-III-Präkursors verändern, der in dem strömenden Trägergas enthalten ist. Die Temperatur der Gruppe-III-Quelle 314 kann beispielsweise geringer als etwa 250°C, geringer als etwa 150°C oder sogar geringer als etwa 100°C sein.
Weiterhin kann ein Druck auf die Gruppe-III-Quelle 314 in dem Behälter 316 derart gesteuert werden, dass eine geringe Strömungsrate eines Gruppe-Ill-Chloridpräkursors für das nicht native Wachstumssubstrat 100 bereitgestellt ist. Der Druck in dem externen Behälter 316 kann beispielsweise mit Hilfe eines Gegendruckregulators 324 gesteuert werden, der seinerseits eine Rate verändern kann, mit der der Gruppe-Ill-Chloridpräkursor in das strömende Trägergas eingeschlossen wird. Der Druck auf die Gruppe-III-Quelle 314 in dem Behälter 316 kann beispielsweise geringer als etwa 1.000 Torr sein und vorzugsweise zwischen etwa 500 Torr und 200 Torr liegen.
Weitere Ausführungsformen der Erfindung können das Bereitstellen einer geringen Strömungsrate eines Gruppe-Ill-Chloridpräkursors für das nicht native Wachstumssubstrat 100 mit Hilfe eines Massendurchflussreglers 326 umfassen, um den Fluss gasförmiger Substanzen durch diesen zu messen. Der Massendurchflussregler 326 kann für die Gruppe-III-Chloridsubstanzen kalibriert sein, die den externen Behälter 316 verlassen.
Unter fortgeführter Bezugnahme auf 3A und 3B können das HVPE-System 300 und das HVPE-System 312 zudem dazu verwendet werden, das GaN-Material 108, das eine verringerte Konzentration der Chlorsubstanz hat, abzuscheiden, indem eine hohe Strömungsrate wenigstens eines Gruppe-V-Präkursors (z.B. Ammoniak (NH₃) und/oder Stickstoff (N₂)) bereitgestellt wird. Der wenigstens eine Gruppe-V-Präkursor, wie etwa Ammoniak oder Stickstoff, kann beispielsweise durch den Einlass 310 (310') eingeleitet werden. Der wenigstens eine Gruppe-V-Präkursor kann mit einer Strömungsrate von mehr als 1 slm, mehr als 10 slm oder sogar mehr als 100 slm eingeleitet werden. Ein Verhältnis des Gruppe-Ill-Chloridpräkursors (z.B. Galliumchlorid) zu dem Gruppe-V-Präkursor (z.B. Ammoniak), der zu dem nicht nativen Wachstumssubstrat 100 eingeleitet wird, kann geringer als etwa 1.000, geringer als etwa 500 oder sogar geringer als etwa 100 sein.
Unter Bezugnahme auf 1B kann das GaN-Material 108 derart erzeugt werden, dass es eine durchschnittliche Dicke d₁ hat. Die durchschnittliche Dicke d₁ kann derart beschaffen sein, das während nachfolgender Vorgänge die Oberseite 102 des nicht nativen Wachstumssubstrats 100 versiegelt bleibt. Das GaN-Material 108 kann beispielsweise derart ausgebildet werden, dass es eine durchschnittliche Dicke d₁ von mehr als etwa 10 nm oder mehr als etwa 50 nm jedoch weniger als 100 nm hat. Das GaN-Material 108 kann zudem in einer durchschnittlichen Dicke d₁ derart ausgebildet werden, dass ein im wesentlichen kontinuierliches GaN-Material 108 auf der Oberseite 102 des nicht nativen Wachstumssubstrats 100 ausgebildet werden kann.
Die Strukturen 120 und 122, die in 1C und 1D gezeigt sind, zeigen ein nicht einschränkendes Beispiel der Ausbildung eines Keimbildungsmaterials 110 (1D). Das Keimbildungsmaterial 110 kann durch Wärmebehandeln des GaN-Materials 108 aus 1B erzeugt werden. Somit kann das Keimbildungsmaterial 110 wenigstens eine Schicht eines Gruppe-III-Nitridmaterials, wie etwa Galliumnitrid umfassen. 1C zeigt eine Struktur 120, die das GaN-Material 108 bei einer Zwischenphase des Wärmebehandlungsvorgangs umfasst. 1D zeigt eine Struktur 122, die das Keimbildungsmaterial 110 bei Abschluss des Wärmebehandlungsvorgangs umfasst.
Wenigstens eine strukturelle und/oder chemische Veränderung kann an dem GaN-Material 108 während des Wärmebehandlungsvorgangs auftreten, wie es in 1C gezeigt ist. Beispielsweise kann in einem Zwischenstadium des Wärmebehandlungsvorgangs eine Größe der Vielzahl von Wurtzitkristallbereichen 112 innerhalb des GaN-Materials 108 erhöht sein. In 1C sind Grenzen der Vielzahl von Wurtzitkristallbereichen 112 vor der Wärmebehandlung der Struktur 106 mit Phantomlinien und Grenzen der Vielzahl von Wurtzitkristallbereichen 122 nach der Modifikation durch die Wärmebehandlung mit Volllinien gekennzeichnet. Wie in 1C gezeigt, führt die Wärmebehandlung des GaN-Materials 108 zu einem Anwachsen der Wurtzitkristallbereiche 112. Ein derartiges Anwachsen kann erfolgen, wenn Atome in dem amorphen GaN 118 in die Kristallgitter der Wurtzitkristallbereiche 112 eingeschlossen werden. Das Anwachsen der Wurtzitkristallbereiche 112 kann fortdauern, bis eine Vereinigung auftritt, um kontinuierliches Keimbildungsmaterial 110 zu erzeugen.
Darüber hinaus kann eine Zwischenphase der Wärmebehandlung des GaN-Materials 108 das Erhöhen der Größe der Vielzahl von fehlausgerichteten Kristallbereichen 116 umfassen. In 1C sind die Grenzen der Vielzahl fehlausgerichteter Kristallbereiche 116 mit Phantomlinien (aus 1C) und die Grenzen der Vielzahl von fehlausgerichteten Kristallbereichen 116 nach der Wärmebehandlung mit Volllinien gekennzeichnet. Wie in 1C gezeigt, führt die Wärmebehandlung des GaN-Materials 108 zu einem Anwachsen der fehlausgerichteten Kristallbereiche 116. Dieses Anwachsen kann auftreten, wenn Atome in dem amorphen GaN 118 in die Kristallgitter der fehlausgerichteten Kristallbereiche 116 eingeschlossen werden.
Zusätzlich kann eine Zwischenphase der Wärmebehandlung des GaN-Materials 108 das Verringern des Umfangs des amorphen GaN 118 in dem GaN-Material 108 umfassen. Das Material, das zu dem Substrat kristallografisch fehlausgerichtet ist (d.h. das amorphe GaN 118 und die fehlausgerichteten Kristallbereiche 116) ist weniger stabil, als das Material, das mit dem Substrat kristallografisch ausgerichtet ist. Während des Anlassens kann das weniger stabile Material, das kristallografisch fehlausgerichtet ist, schneller verdampfen als das ausgerichtete Material und kann auf dem ausgerichteten Material erneut abgeschieden werden - wobei das ausgerichtete Material als Vorlage dient. Somit entspricht das erneut abgeschiedene Material der Kristallstruktur des drunter befindlichen ausgerichteten Materials. Zudem wird darauf hingewiesen, dass eine Zwischenphase der Wärmebehandlung des GaN-Materials 108 auch dazu führen kann, dass das GaN-Material 108 die nicht ebene (im atomaren Maßstab) Oberfläche 124 umfasst, wie es in 1C gezeigt ist.
Es kann wenigstens eine strukturelle und/oder chemische Änderung innerhalb des GaN-Materials 108 bei Abschluss der Wärmebehandlung des GaN-Materials 108 auftreten. Beispielsweise kann die Wärmebehandlung des GaN-Materials 108 (aus 1B) verwendet werden, um das Keimbildungsmaterial 110 von 1D auszubilden. Bei einigen Ausführungsformen kann das Keimbildungsmaterial 110 aus dem Anwachsen der Wurtzitkristallsbereiche 112 zu einer im wesentlichen kontinuierlichen Wurtzitkristallschicht während des Wärmebehandlungsvorgangs erzeugt werden. Als nicht einschränkendes Beispiel kann das Keimbildungsmaterial 110 benachbart der Oberseite 102 des nicht nativen Wachstumssubstrats 100 ausgebildet oder direkt darauf abgeschieden werden. Darüber hinaus kann das Keimbildungsmaterial 110, das die im wesentlichen kontinuierliche Wurtzitkristallschicht umfasst, kristallografisch mit der Oberseite 102 des nicht nativen Wachstumssubstrats 100 ausgerichtet sein. Die Phantomlinie (aus 1D) zeigt eine Grenze der Vielzahl von Wurtzitkristallsbereichen 112 vor der Wärmebehandlung der Struktur 106, und die Volllinie kennzeichnet eine Grenze der Gruppe-III-Nitridkeimbildung 110, die die im wesentlichen kontinuierliche Wurtzitkristallschicht umfasst, die durch die Wärmebehandlung der Struktur 106 erzeugt wird. Wie es zuvor erläutert wurde, kann sich die im wesentlichen kontinuierliche Wurtzitkristallschicht während der Wärmebehandlung deshalb ausbilden, weil Atome des amorphen GaN 118 in dem GaN-Material 108 in den Kristallgitterstrukturen der Wurtzitkristallbereiche 112 eingeschlossen sind.
Das Ausbilden des Keimbildungsmaterials 110 kann zudem das Versiegeln der Oberseite 102 des nicht nativen Wachstumssubstrats 100 umfassen. Das Versiegeln der Oberseite 102 des nicht nativen Wachstumssubstrats 100 kann die Oberseite 102 des nicht nativen Wachstumssubstrats 100 vor Chlorsubstanzen innerhalb der HVPE-Reaktionskammer 302 (3A) und 302' (3B) schützen. Das Schützen der Oberseite 102 der nicht nativen Wachstumsfläche 100 kann dabei hilfreich sein, das Ablösen und/oder Reißen des Keimbildungsmaterials 110 zu verringern (d.h. zu verhindern). Darüber hinaus kann das Schützen der Oberseite 102 der nicht nativen Wachstumsfläche 100 bei der Verringerung (d.h. Vermeidung) des Ablösens und/oder Reißens der anschließenden Gruppe-III-Nitridschichten hilfreich sein, die auf dem Keimbildungsmaterial 110 ausgebildet werden.
Wie es oben erwähnt wurde, kann während der Wärmebehandlung das amorphe GaN 118 des GaN-Materials 108 in ein kristallines Material umgewandelt werden. Beispielsweise kann ein Teil des amorphen GaN 118 des GaN-Materials 108 in eine Wurtzitkristallmaterial umgewandelt werden. Eine Menge des amorphen GaN 118 innerhalb des GaN-Materials 108 kann in die Wurtzitkristallbereiche 112 des Keimbildungsmaterials 110 eingeschlossen werden, das kristallografisch mit der Oberseite 102 des nicht nativen Wachstumssubstrats 100 ausgerichtet ist.
Darüber hinaus kann die Wärmebehandlung des GaN-Materials 108 (aus 1B) und insbesondere die Wärmebehandlung der fehlausgerichteten Kristallbereiche 116 zu einer Umwandlung der Vielzahl der fehlausgerichteten Kristallbereiche 116 des GaN-Materials 108 in ein ausgerichtetes Kristallmaterial führen. Mit anderen Worten können die Atome der fehlausgerichteten Kristallbereiche 116 in die thermodynamisch stabileren Wurtzitkristallbereiche 112 und somit in das Keimbildungsmaterial 110 eingeschlossen werden, das mit der Oberseite 102 des nicht nativen Wachstumssubstrats 100 ausgerichtet ist.
Wie es in 1D gezeigt ist, kann eine Oberfläche 126 des Keimbildungsmaterials 110 in atomarem Maßstab im wesentlichen nicht eben sein. Beispielsweise kann die nicht ebene Oberfläche 126 eine Vielzahl von Kristallfacetten 128 umfassen, von denen einige in Winkeln zu der Oberseite 102 des Wachstumssubstrats 100 ausgerichtet sein können und einige davon eben zu der Oberfläche 102 des Wachstumssubstrats 100 ausgerichtet sein können. Bei einigen Ausführungsformen können Versetzungen innerhalb des Keimbildungsmaterials 110, wie etwa Schraubversetzungen 114 und 144' die Kristallfacetten 128 schneiden.
Zusätzlich zu der wenigstens einen strukturellen Abänderung, die aus der Wärmebehandlung des GaN-Materials 108 (aus 1B) resultieren kann, kann die Wärmebehandlung des GaN-Materials 108 zudem zu einer chemischen Abänderung an dem gesamten Keimbildungsmaterial 110 oder an Teilen von diesem führen. Beispielsweise können Ausführungsformen der Erfindung das Wählen wenigstens eines Wärmebehandlungsparameters umfassen, so dass die Wärmebehandlung des GaN-Materials 108 das Verringern einer Konzentration der Chlorsubstanz in dem Keimbildungsmaterial 110 umfasst, das daraus erzeugt wird.
Der wenigstens eine Wärmebehandlungsparameter kann zudem derart gewählt werden, dass die Oberseite 102 des nicht nativen Wachstumssubstrats 100 im wesentlichen versiegelt bleibt. Das Versiegeln der Oberseite des nicht nativen Wachstumssubstrats 100 kann die Oberseite 102 vor Chlorsubstanzen wesentlich schützen. Beispielsweise kann das Versiegeln der Oberseite 102 des nicht nativen Wachstumssubstrats 100 einen Schutz vor Chlorsubstanzen innerhalb eines HVPE-Systems, wie etwa des HVPE-Systems 300 oder des HVPE-Systems 312, bieten, wie es in 3A bzw. 3B gezeigt ist. Wie zuvor bemerkt, kann eine Verringerung der Konzentration von Chlorsubstanzen in dem Keimbildungsmaterial 110 das Ablösen und/oder Reißen des Keimbildungsmaterials 110 verringern (d.h. vermeiden) und das Ablösen und/oder Reißen der anschließenden Gruppe-III-Nitridschichten, die auf dem Keimbildungsmaterial 110 ausgebildet werden, verringern (d.h. vermeiden).
Das Verringern der Konzentration der Chlorsubstanzen in dem Keimbildungsmaterial 110 kann das Wählen wenigstens eines Parameters für die Wärmebehandlung des GaN-Materials 108 umfassen, das verwendet wird, um das Keimbildungsmaterial 110 auszubilden. Die Wärmebehandlung des GaN-Materials 108 kann das Anlassen des GaN-Materials 108 (aus 1B) unter gesteuerten Bedingungen in einer gesteuerten Umgebung umfassen.
Das GaN-Material 108 kann beispielsweise durch Aussetzen der Struktur 106 (1B) einer erhöhten Temperatur in einem HVPE-System, wie etwa dem HVPE-System 300 oder dem HVPE-System 312 (3A und 3B), angelassen werden. Das wenigstens eine Heizelement 306 und 306' der jeweiligen HVPE-Systeme 300 und 312 kann die Wärmeenergie für das Anlassen bereitstellen. Die GaN-Schicht 108 kann in situ in dem HVPE-System 300, 312 abgeschieden und angelassen werden, um ein Bewegen der Struktur 106 zwischen unterschiedlichen Verarbeitungssystemen zu vermeiden.
Das Keimbildungsmaterial 110 kann angelassen werden, indem das GaN-Material 108 (aus 1B) einer Temperatur von weniger als etwa 900°C, weniger als etwa 700°C oder sogar weniger als 600°C ausgesetzt wird. Das GaN-Material 108 kann beispielsweise für eine Zeitdauer von weniger als zwanzig Minuten (20 min), weniger als zehn Minuten (10 min) oder sogar weniger als fünf Minuten (5 min) angelassen werden.
Weitere Verfahren von Ausführungsformen der Erfindung können das Verringern der Konzentration von Chlorsubstanzen in dem Keimbildungsmaterial 110 umfassen, indem das GaN-Material 108 einem Gas ausgesetzt wird, das eine Verbindung oder ein Material enthält, das die Chlorsubstanzen bindet, absorbiert oder adsorbiert (d.h. ein „Getter“ für Chlorsubstanzen). Als Beispiel und nicht als Einschränkung können Getter für Chlor Wasserstoffradikale (z.B. NH_x-Radikale), Wasserstoff (H₂) und Dihydrazin (N₂H₄) enthalten. Das GaN-Material 108 (aus 1B) kann beispielsweise einer Atmosphäre ausgesetzt werden, die Ammoniak enthält, wobei das Ammoniak als Getter für Chlor wirken kann. Der Getter kann wenigstens einen Teil der Chlorsubstanzen aus dem GaN-Material 108 entfernen. Beispielsweise kann nach dem Abscheiden des GaN-Materials 108 in dem HVPE-System 300 oder 312 Ammoniak (NH₃) in das erwärmte HVPE-System 300 oder 312 bei einer Strömungsrate von mehr als 1 slm, mehr als 10 slm oder sogar mehr als 100 slm eingeleitet werden.
Bei weiteren Ausführungsform kann ein Druck, mit dem die GaN-Schicht 108 angelassen wird, wie etwa der Druck in dem HVPE-System 300 oder 312, gewählt werden, um die Konzentration von Chlorsubstanzen in dem Keimbildungsmaterial 110 zu verringern. Bei Ausführungsformen, bei denen das GaN-Material 108 in der Reaktionskammer 102 des HVPE-Systems 300 oder 312 angelassen wird, kann der Druck in der Reaktionskammer 102 ein Druck von weniger als 700 Torr, weniger als 200 Torr oder sogar weniger als 10 Torr sein.
Die Verfahren der Erfindung zum Verringern der Konzentration von Chlor in dem Keimbildungsmaterial 110 können weiterhin das Verringern der Konzentration von Chlorsubstanzen in der Nähe der Oberfläche 126 des Keimbildungsmaterials 110 (aus 1D) auf weniger als 5 × 10¹⁹ cm^-3, weniger als 5 × 10¹⁸ cm^-3 oder sogar weniger als 5 × 10¹⁷ cm^-3 umfassen. Insbesondere können einige Ausführungsformen der Verfahren der Erfindung das Verringern der Konzentration von Chlorsubstanzen in der Nähe der Berührungsfläche zwischen dem Keimbildungsmaterial 110 (aus 1D) und dem nicht nativen Wachstumssubstrat 100 auf weniger als 5 × 10¹⁹ cm^-3, weniger als 5 × 10¹⁸ cm^-3 oder sogar weniger als 5 × 10¹⁷ cm^-3 umfassen.
Wie es in 1E und 1F gezeigt ist, kann ein zusätzliches Gruppe-III-Nitridmaterial 132 auf dem Keimbildungsmaterial 110 ausgebildet werden, um jeweils die Strukturen 130 und 140 zu erzeugen. Das Gruppe-III-Nitridmaterial 132 kann beispielsweise eine Schicht eines Gruppe-III-Nitridmaterials, wie etwa Galliumnitrid, enthalten. Das zusätzliche Gruppe-III-Nitridmaterial 132 kann einen Gruppe-III-Nitridseitenbereich 132' und einen Gruppe-III-Nitridgrundbereich 132" umfassen, wie es im Detail weiter beschrieben wird. 1E zeigt das Erzeugen des Gruppe-III-Nitridseitenbereiches 132', wohingegen 1F das Erzeugen des Gruppe-III-Nitridgrundbereiches 132" darstellt.
Verfahren zum Ausbilden des zusätzlichen Gruppe-III-Nitridmaterials 132 können wenigstens einen Ausbildungsparameter verwenden, so dass die Oberseite 102 des nicht nativen Wachstumssubstrats 100 im wesentlichen versiegelt bleibt. Die Oberseite 102 des nicht nativen Wachstumssubstrats 100 kann durch das Keimbildungsmaterial 110 beispielsweise im wesentlichen versiegelt bleiben, so dass die Oberseite 102 weiteren Chlorsubstanzen nicht ausgesetzt wird. Unter Bezugnahme auf 1E kann das Ausbilden des Gruppe-III-Nitridmaterials 132 auf dem Keimbildungsmaterial 110 das Hervorrufen eines Anwachsens des Keimbildungsmaterials 110 in der seitlichen Richtung in Bezug auf die Oberseite 102 des Wachstumssubstrats 100 umfassen. Ein derartiges seitliches Anwachsen kann eingerichtet werden, indem die Wachstumsbedingungen gewählt werden, um das Hinzufügen von Material zu den Kristallfacetten 128, die in Winkeln zu der Oberseite 102 des Wachstumssubstrats 100 ausgerichtet sind, in Bezug auf das Hinzufügen von Material zu den Kristallfacetten 128 zu bevorzugen, die parallel zu der Oberseite 102 ausgerichtet sind, wie es im folgenden detailliert erläutert wird. Das seitliche Anwachsen des Keimbildungsmaterials 110 kann infolge einer Kristallisation des amorphen GaN 118 auftreten, das das Keimbildungsmaterial 110 umgibt. Während das seitliche Wachstum fortschreitet, kann das amorphe GaN 118 in ein Kristallmaterial umgewandelt werden, das im wesentlichen dieselbe Kristallgitterstruktur hat wie das Keimbildungsmaterial 110. Das seitliche Wachstum kann von den angewinkelten Kristallfacetten 128 ausgehen und in den seitlichen Richtungen fortschreiten, wie es mit den Richtungspfeilen 134 aus 1E gezeigt ist. Das seitliche Wachstum von den angewinkelten Kristallfacetten 128 kann fortschreiten, bis sie sich vereinigen, um den Gruppe-III-Nitridseitenbereich 132' zu erzeugen. Der Gruppe-III-Nitridseitenbereich 132', der durch das seitliche Wachstum des Keimbildungsmaterials 110 erzeugt wird, kann eine im wesentlichen ebene Oberseite 136 aufweisen.
Als Beispiel und nicht als Einschränkung können ein vertikaler und ein seitlicher Wachstumsvorgang mit Hilfe eines herkömmlichen Abscheidungsvorgangs beispielsweise für MOCVD- oder HVPE-Vorgänge ausgeführt werden. Beispiele für derartige Abscheidungsvorgänge sind in dem US-Patent No. 6,325,850 für Beaumont et al. (Patentdatum 4. Dezember 2001) und zudem in Phys. Stats. Sol (c) 2, No.6 1750 - 1753 (2006) offenbart. Im allgemeinen können die relativen Raten von seitlichem gegenüber vertikalem Wachstum durch die Wachstumstemperatur, das Verhältnis von Gruppe-V- zu Gruppe-III-Präkursoren in den Vorgangsgasen, die Zusammensetzung der Trägergassubstanzen und den Reaktionskammerdruck beeinflusst werden. Das seitliche Wachstum kann beispielsweise durch eine erhöhte Abscheidungstemperatur und/oder ein erhöhtes Verhältnis von Gruppe-V- zu Gruppe-III-Präkursoren und/oder ein größeres Verhältnis von N₂ zu H₂ und/oder verminderte Abscheidungsdrücke von beispielsweise etwa einer Atmosphäre (1 atm) oder weniger, verstärkt werden.
Das seitliche Wachstum von der Vielzahl angewinkelter Kristallfacetten 128 kann weiterhin das Krümmen der Ausbreitungsrichtung einer Vielzahl von Versetzungen umfassen. Wenn das Material zu vollständig kristallin umgewandelt wird, breiten sich die Defekte aus, wenn das amorphe GaN 118 und die fehlausgerichteten Kristallbereiche 116 verdampft und erneut abgeschieden werden. Der Defekt kann dazu neigen, sich zu einer Oberfläche geringer Energie zu krümmen, um die Energie des Systems zu verringern, wobei die Oberfläche geringer Energie die Oberfläche des Wachstumssubstrats 100 ist. Wie es in 1E gezeigt ist, kann das seitliche Wachstum von der Vielzahl ausgerichteter Kristallseitenfacetten 128 das Krümmen der Ausbreitungsrichtung der Versetzung 114 und der Versetzung 114' begünstigen. Das Begünstigen der Krümmung der Ausbreitungsrichtung einer Vielzahl von Versetzungen kann das Begünstigen einer Verminderung einer Versetzung durch Versetzungsunterbrechung und Versetzungsaufhebung umfassen. Das Verringern der Versetzungsdichte in dem zusätzlichen Gruppe-III-Nitridmaterial 132 durch Krümmen der Ausbreitung der Vielzahl von Versetzungen kann das Ausbilden des zusätzlichen Gruppe-III-Nitridmaterials 132 umfassen, das eine Dichte von Schraubenversetzungen an einer freiliegenden Hauptoberfläche desselben von weniger als 5 × 10⁹ cm^-2, weniger als 5 × 10⁸ cm^-2 oder sogar weniger als 1 × 10⁷ cm^-2 hat.
Wie es in 1F gezeigt ist, kann das zusätzliche Gruppe-III-Nitridmaterial 132 weiterhin einen Gruppe-III-Nitridgrundbereich 132" umfassen. Der Gruppe-III-Nitridgrundbereich 132" kann beispielsweise mit einem herkömmlichen HVPE-Vorgang ausgebildet werden. Als Beispiel und nicht als Einschränkung kann der Gruppe-III-Nitridgrundbereich 132" bis zu einer Dicke d₂ von mehr als etwa 10 µm, mehr als etwa 50 µm oder sogar mehr als 100 µm ausgebildet werden. Es wird darauf hingewiesen, dass Verfahren der Erfindung das Abscheiden des Gruppe-III-Nitridgrundbereiches 132" derart umfassen, dass die Struktur 140 von 1F im wesentlichen frei von strukturellen Rissen und abgelösten Bereichen des Gruppe-III-Nitridmaterials 132 sein kann.
Weitere Beispiel, die nicht Teil der Erfindung sind, sind im folgenden unter Bezugnahme auf 2A bis 2F beschrieben. Die Beispiele, die in 2A bis 2F gezeigt sind, sind im wesentlichen ähnlich zu jenen, die zuvor unter Bezugnahme auf 1A bis 1F beschrieben wurden. Bei den Beispielen von 2A bis 2F kann das Keimbildungsmaterial 210 jedoch auf einer oder auf mehreren Gruppe-III-Nitridschichten ausgebildet werden, von denen jede einer Wärmebehandlung unterzogen werden kann. Das Erzeugen eines kontinuierlichen Keimbildungsmaterials 210 kann beispielsweise das wenigstens einmalige Widerholen der Vorgänge (1) des Abscheidens einer Gruppe-III-Nitridschicht (wie es zuvor beschrieben wurde) und (2) des Wärmebehandelns der Gruppe-III-Nitridschicht (wie es zuvor beschrieben wurde) umfassen. Die Gruppe-III-Nitridschicht, die aus der wenigstens einen wärmebehandelten Gruppe-III-Nitridmaterialschicht (z.B. Schichten von Gruppe-III-Nitridmaterialien) der weiteren Beispiele ausgebildet wird, kann eine verringerte Konzentration der darin enthaltenen Chlorsubstanzen haben.
In größerem Detail zeigen 2A bis 2F weitere Beispiele der Verfahren zum Erzeugen einer kontinuierlichen Keimbildungsschicht 210 (2D), die wenigstens eine Schicht eines Gruppe-III-Nitridmaterials, wie etwa die Gruppe-III-Nitridschichten 208a und 208b aus 2A bzw. 2C umfasst.
2A zeigt eine Struktur 206, die ein nicht native Wachstumssubstrat 200 und eine Gruppe-III-Nitridschicht 208a umfasst. Das nicht native Wachstumssubstrat 200 kann im wesentlichen ähnlich zu dem nicht nativen Wachstumssubstrat 100 aus 1A sein und kann beispielsweise ein c-Ebenen-Saphirwachstumssubstrat umfassen. Die Gruppe-III-Nitridschicht 208a kann im wesentlichen ähnlich dem GaN-Material 108 aus 1b sein und eine Vielzahl von Wurtzitkristallbereichen 212, eine Vielzahl fehlausgerichteter Kristallbereiche 216 und amorphes Metallnitridmaterial 218 umfassen, wie es in 2A gezeigt ist. Verfahren zum Ausbilden der Gruppe-III-Nitridschicht 208a können im wesentlichen ähnlich zu jenen sein, die oben für das GaN-Material 108 aus 1B beschrieben wurden.
Verfahren der weiteren Beispiele können das Ausbilden der Gruppe-III-Nitridschicht 208a bis zu einer durchschnittlichen Dicke von etwa 100 nm oder weniger, etwa 50 nm oder weniger oder sogar etwa 10 nm oder weniger umfassen. Als nicht einschränkendes Beispiel kann die Gruppe-III-Nitridschicht 208a (aus 2A) bis zu einer durchschnittlichen Dicke d₃ von etwa 10 nm und etwa 50 nm ausgebildet werden.
Im allgemeinen kann die durchschnittliche Dicke jeder der einen oder mehreren Gruppe-III-Nitridschichten, die verwendet werden, um das Keimbildungsmaterial 210 auszubilden, geringer sein als die Dicke d₁ des Keimbildungsmaterials 110 aus 1B. Die Verringerung der Dicke der einen oder mehreren Gruppe-III-Nitridschichten 208a und 208b, die bei der Ausbildung des Keimbildungsmaterials 210 verwendet werden, kann zusätzlich die Konzentration von Chlorsubstanzen in dem Keimbildungsmaterial 210 verringern, das daraus ausgebildet wird. Wie es hier beschrieben wurde, kann die Verringerung der Konzentration von Chlorsubstanzen in der Gruppe-III-Nitridkeimbildungsschicht das Ablösen und/oder Reißen in dem Keimbildungsmaterial 210 und dem zusätzlichen Gruppe-III-Nitridmaterial (z.B. den Schichten des Gruppe-III-Nitridmaterials), das darauf ausgebildet wird, verringern (d.h. verhindern).
Verfahren der weiteren Beispiele können weiterhin die Wärmebehandlung jeder der einen oder der mehreren Schichten der Gruppe-III-Nitridschichten 208a und 208b mit Hilfe von Systemen und Verfahren umfassen, wie sie oben beschrieben wurden. Im allgemeinen kann die Wärmebehandlung der wenigstens einen Schicht der Gruppe-III-Nitridschichten 208a und 208b zu im wesentlichen ähnlichen strukturellen und/oder chemischen Veränderungen in der wenigstens einen Schicht der Gruppe-III-Nitridschichten 208a und 208b führen, wie es bei dem Keimbildungsmaterial 110 zu beobachten ist. Im allgemeinen kann die Wärmebehandlung der wenigstens einen Gruppe-III-Nitridschicht das Verringern der Konzentration von Chlor in dem Keimbildungsmaterial 210 auf weniger als 5 × 10¹⁹ cm^-3 oder weniger als 5 × 10¹⁸ cm^-3 oder sogar 5 × 10¹⁷ cm^-3 beinhalten.
Darüber hinaus kann die Wärmebehandlung jeder der einen oder mehreren Schichten des Gruppe-III-Nitridmaterials ein nicht kontinuierliches Gruppe-III-Nitridmaterial erzeugen. Beispielsweise zeigt 2B eine wärmebehandelte Gruppe-III-Nitridschicht 208a' auf einer Oberseite 202 eines nicht nativen Wachstumssubstrats 200. Die Wärmebehandlung der Gruppe-III-Nitridschicht 208a' kann eine nicht kontinuierliche Gruppe-III-Nitridschicht 208a' auf der Oberseite 202 des nicht nativen Wachstumssubstrats 200 erzeugen. Die wenigstens eine Schicht des Gruppe-III-Nitridmaterials, wie etwa die Gruppe-III-Nitridschicht 208a (aus 2A), kann bis zu einer Dicke d₃ ausgebildet werden, wobei die Dicke d₃ derart beschaffen sein kann, dass während nachfolgender Verfahren der Beispiele die Oberseite 202 des nicht nativen Wachstumssubstrats 200 freigelegt wird, was zu freiliegenden Bereichen der Oberseite 202 des nicht nativen Wachstumssubstrats 200 führt.
2C zeigt eine Struktur 220, die ein nicht natives Wachstumssubstrat 200 und wenigstens eine der Schichten des Gruppe-III-Nitridmaterials umfasst, die die wärmebehandelte Gruppe-III-Nitridschicht 208a' und die Gruppe-III-Nitridschicht 208b enthalten. Die Gruppe-III-Nitridschicht 208b kann auf der wärmebehandelten Gruppe-III-Nitridschicht 208a' (aus 2D) mit Hilfe von Verfahren ausgebildet werden, die oben beschrieben wurden, und bis zu einer Dicke von etwa 100 nm oder weniger, etwa 50 nm oder weniger oder sogar etwa 10 nm oder weniger ausgebildet werden, wie es zuvor beschrieben wurde. Die wenigstens eine der Gruppe-III-Nitridschichten, wie etwa die Gruppe-III-Nitridschicht 208b, kann zudem bei der Ausbildung jeder zusätzlichen Schicht von Gruppe-III-Nitridmaterialien, wie es in 2D gezeigt ist, mit Hilfe von Verfahren wärmebehandelt werden, wie es zuvor erläutert wurde. Die Verfahren zum Erzeugen und Wärmebehandeln können wiederholt werden, bis ein kontinuierliches Keimbildungsmaterial 210, das eine kontinuierliche Wurtzitkristallschicht umfasst, auf der Oberseite 202 des nicht nativen Wachstumssubstrats 200 ausgebildet werden kann.
2D zeigt eine Struktur 222, die ein nicht natives Wachstumssubstrat 200 und ein kontinuierliches Keimbildungsmaterial 210 umfasst, das aus der wenigstens einen wärmebehandelten Gruppe-III-Nitridschicht ausgebildet ist. Das kontinuierliche Keimbildungsmaterial 210 kann eine kontinuierliche Wurtzitkristallschicht umfassen, wie es oben beschrieben ist, wobei die kontinuierliche Wurtzitkristallschicht benachbart der Oberseite 202 des nicht nativen Wachstumssubstrats 200 vorgesehen sein kann und das Keimbildungsmaterial 210, das eine kontinuierliche Wurtzitkristallschicht umfasst, ebenfalls kristallografisch mit der Kristallstruktur der Oberseite 202 des nicht nativen Wachstumssubstrats 200 ausgerichtet sein kann.
Verfahren der weiteren Beispiele können das Ausbilden eines zusätzlichen Gruppe-III-Nitridmaterials 232 (z.B. einer Schicht aus Galliumnitrid) auf dem Keimbildungsmaterial 210 mit Hilfe im wesentlichen derselben Verfahren umfassen, wie sie zuvor in Bezug auf 1E und 1F beschrieben wurden. Kurz gesagt kann das zusätzliche Gruppe-III-Nitridmaterial 232 über dem Keimbildungsmaterial 210 durch Initiieren eines Wachstums eines Kristallmaterials in einer seitlichen Richtung (d.h. seitliches Wachstum) von der Vielzahl angewinkelter Kristallfacetten 228 ausgebildet werden, um einen Gruppe-III-Nitridseitenbereich 232' zu erzeugen. Wie es zuvor erläutert wurde, kann das seitliche Wachstum auftreten, während das amorphe Metallnitridmaterial 218, das das Keimbildungsmaterial 210 umgibt, in ein Kristallmaterial umgewandelt wird, das im wesentlichen dieselbe Kristallgitterstruktur wie das Keimbildungsmaterial 210 hat. Das seitliche Wachstum kann von den angewinkelten Kristallfacetten 228 ausgehen und in seitlicher Richtung fortschreiten, wie es mit den Richtungspfeilen 234 aus 2E gezeigt ist, bis sich das seitliche Wachstum von der Vielzahl angewinkelter Kristallfacetten 228 vereinigt, um den Gruppe-III-Nitridseitenbereich 232' zu bilden, wobei der Gruppe-III-Nitridseitenbereich 232' eine im wesentlichen ebene Oberfläche 236 hat. Das seitliche Wachstum von der Vielzahl ausgerichteter Kristallseitenfacetten 228 kann weiterhin das Krümmen einer Anzahl von Versetzungen, wie etwa der Schraubenversetzungen 214 und 214', und das Aufheben einer Anzahl der Schraubenversetzungen 214 und 214' umfassen, wie es zuvor beschrieben wurde.
Verfahren von Beispielenkönnen weiterhin das Erzeugen einer zusätzlichen Gruppe-III-Nitridschicht 232 umfassen, die einen Gruppe-III-Nitridgrundbereich 232" umfasst, wie es in 2F gezeigt ist. Die Abscheidung des Gruppe-III-Nitridgrundbereiches 232" kann weiterhin das Abscheiden des Gruppe-III-Nitridgrundbereiches 232" bis zu einer Dicke d₂ von mehr als etwa 5 µm, mehr als 10 µm oder sogar mehr als 50 µm umfassen. Es wird zudem darauf hingewiesen, dass Verfahren der Erfindung das Abscheiden des Gruppe-III-Nitridgrundbereiches 232" derart umfassen, dass die Struktur 226 aus 2F im wesentlichen frei von strukturellen Rissen und Bereichen von abgelöstem Gruppe-III-Nitridmaterial sein kann.
Die unterschiedlichen Ausführungsformen der Erfindung können zudem Strukturen und insbesondere Gruppe-III-Nitridhalbleiterstrukturen umfassen. 1B zeigt beispielsweise eine Gruppe-III-Nitridhalbleiterstruktur 106, die eine im wesentlichen kontinuierliche GaN-Schicht 108 auf einer Oberseite 102 des nicht nativen Wachstumssubstrats 100 umfasst. Die im wesentlichen kontinuierliche GaN-Schicht 108 kann eine Vielzahl von Wurtzitkristallbereichen 112 benachbart der Oberseite 102 des nicht nativen Wachstumssubstrats 100 umfassen, wobei die Vielzahl von Wurtzitkristallbereichen 112 kristallografisch wahlweise mit der Kristallstruktur der Oberseite 102 des nicht nativen Wachstumssubstrats 100 ausgerichtet sein kann.
Die Gruppe-III-Nitridhalbleiterstruktur 106 kann darüber hinaus ein amorphes GaN 118 umfassen, wobei das amorphe GaN 118 die Vielzahl von Wurtzitkristallbereichen 112 umhüllt. Zusätzlich kann die Gruppe-III-Nitridhalbleiterstruktur 106 zudem eine Vielzahl von fehlausgerichteten Kristallbereichen 116 umfassen, wobei die Vielzahl von fehlausgerichteten Kristallstrukturen innerhalb des amorphen GaN 118 angeordnet ist.
Bei einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das nicht native Wachstumssubstrat 100 der Gruppe-III-Nitridhalbleiterstruktur 100 im wesentlichen Alpha-Aluminiumoxid (α-Al₂O₃), d.h. Saphir umfassen. Die Oberseite 102 des nicht nativen Wachstumssubstrats 100, die die Wachstumsfläche ist, kann ebenfalls vorherrschend Saphir beinhalten.
Darüber hinaus können die Vielzahl von Wurtzitkristallbereichen 112, das amorphe GaN 118 und die Vielzahl von fehlausgerichteten Kristallbereichen 116 wenigstens im wesentlichen aus Galliumnitrid und/oder Indiumnitrid und/oder Aluminiumnitrid und Legierungen daraus bestehen.
Die unterschiedlichen Ausführungsformen der Erfindung können zudem Gruppe-III-Nitridhalbleiterstrukturen wie die Gruppe-III-Nitridhalbleiterstruktur 140 umfassen, die in 1F gezeigt ist. Die Gruppe-III-Nitridhalbleiterstruktur 140 kann ein im wesentlichen kontinuierliches Keimbildungsmaterial 110 auf der Oberseite 102 des nicht nativen Wachstumssubstrats 100 enthalten. Das kontinuierliche Keimbildungsmaterial 110 an sich kann eine kontinuierliche Wurtzitkristallschicht umfassen, die kristallografisch mit der Kristallstruktur der Oberseite 102 des nicht nativen Wachstumssubstrats 100 ausgerichtet ist. Die Gruppe-III-Nitridhalbleiterstruktur 140 kann darüber hinaus das zusätzliche Gruppe-III-Nitridmaterial 132 auf dem im wesentlichen kontinuierlichen Keimbildungsmaterial 110 enthalten.
Bei einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das nicht native Wachstumssubstrat 100 der Gruppe-III-Nitridhalbleiterstruktur 140 wenigstens im wesentlichen aus Alpha-Aluminiumoxid (α-Al₂O₃), d.h. Saphir, bestehen. Die Oberseite 102 des nicht nativen Wachstumssubstrats 100, die die Wachstumsfläche ist, kann ebenfalls im wesentlichen aus Saphir bestehen.
Das im wesentlichen kontinuierliche Keimbildungsmaterial 110 kann eine durchschnittliche Dicke von mehr als etwa 10 nm, mehr als etwa 50 nm oder sogar mehr als etwa 100 nm haben. Darüber hinaus kann das im wesentlichen kontinuierliche Keimbildungsmaterial 110 zudem eine Vielzahl von angewinkelten Kristallfacetten 128 haben, die in einem spitzen Winkel von mehr als null Grad in Bezug auf die Oberseite 102 des Substrats 100 ausgerichtet sind, und kann eine Konzentration von Chlorsubstanzen von weniger als etwa 7 x 10¹⁹ cm^-2 haben.

Claims

Verfahren zum Ausbilden eines GaN-Materials auf einem Wachstumssubstrat (100), umfassend: Ausbilden einer GaN-Keimbildungsschicht auf einer Oberfläche (102) eines nicht nativen Wachstumssubstrats (100), umfassend: Abscheiden einer GaN-Schicht (108), die amorphes GaN (118) und eine Vielzahl von GaN-Wurtzitkristallstrukturen (112) enthält, auf einer Oberseite des nicht nativen Wachstumssubstrats (100) mit Hilfe eines Haliddampfphasenepitaxie- (HVPE-) Vorgangs, sodass das amorphe GaN (118) die Vielzahl von GaN-Wurtzitkristallstrukturen (112) umgibt; und Wärmebehandeln der GaN-Schicht (108); und Ausbilden einer zusätzlichen GaN-Schicht (132) auf der Keimbildungsschicht; und wobei das Wärmebehandeln der GaN-Schicht (108) das Aussetzen der GaN-Schicht (108) einer Temperatur von weniger als 700 °C umfasst, um eine Chlorkonzentration in der GaN-Keimbildungsschicht zu verringern und eine kontinuierliche GaN-Wurtzitkristallschicht an das nicht native Wachstumssubstrat (100) benachbart zu bilden, wobei die kontinuierliche GaN-Wurtzitkristallschicht mit der Oberfläche (102) des nicht nativen Wachstumssubstrats (100) kristallografisch ausgerichtet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Wärmebehandeln der GaN-Schicht (108) das Zuführen der GaN-Schicht (108) zu wenigstens einem Getter für Chlorsubstanzen umfasst, um eine Konzentration einer Chlorsubstanz innerhalb der GaN-Keimbildungsschicht zu verringern.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die GaN-Schicht eine Dicke von weniger als 100 nm hat.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Ausbilden einer GaN-Keimbildungsschicht auf einer Oberfläche eines nicht nativen Wachstumssubstrats (100) das Einleiten eines Gruppe-III-Monochlorids in eine Reaktionskammer umfasst, die das nicht native Wachstumssubstrat (100) enthält.
Struktur, die durch das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt wird, umfassend: eine GaN-Keimbildungsschicht, die sich kontinuierlich über eine Oberfläche eines Wachstumssubstrats (100) erstreckt, umfassend: eine GaN-Wurtzitkristallschicht, die mit der Oberfläche des Wachstumssubstrats (100) kristallografisch ausgerichtet ist; und eine zusätzliche GaN-Schicht (132) auf der kontinuierlichen GaN-Keimbildungsschicht.
Struktur nach Anspruch 5, bei der die Oberfläche des Wachstumssubstrats (100) Saphir enthält.
Struktur nach Anspruch 5, bei der die GaN-Keimbildungsschicht eine Dicke von mehr als 100 nm hat.
Struktur nach Anspruch 5, bei der die GaN-Keimbildungsschicht eine Vielzahl ausgerichteter kristalliner Seitenfacetten umfasst.
Struktur nach Anspruch 5, bei der sich die GaN-Wurtzitkristallschicht kontinuierlich über die Oberfläche des Wachstumssubstrats (100) erstreckt.
Struktur nach Anspruch 5, bei der eine Konzentration von Chlorsubstanzen innerhalb der GaN-Keimbildungsschicht geringer als 1 × 10¹⁹ Atome/cm² ist.