DE112011103871T5

DE112011103871T5 - Verfahren zum Ausbilden von Gruppe-III-Nitridmaterialien und Strukturen, die durch derartige Verfahren ausgebildet sind

Info

Publication number: DE112011103871T5
Application number: DE112011103871T
Authority: DE
Inventors: Chantal Arena; Ed Lindow; Subhash Mahajan; Fanyu Meng; Jr. Bertram Ronald Thomas
Original assignee: Soitec SA
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: 2013-08-22
Anticipated expiration: 2031-11-24
Also published as: US9412580B2; TW201222633A; WO2012069530A1; US20130234157A1; FR2968678B1; DE112011103871B4; FR2968678A1; CN103237929B; KR20130141575A; JP2014500219A; CN103237929A; TWI517213B

Abstract

Ausführungsformen der Erfindung umfassen Verfahren zum Ausbilden einer Gruppe-III-Nitridhalbleiterstruktur mit Hilfe eines Haliddampfphasenepitaxie-(HVPE-)Vorgangs. Die Verfahren umfassen das Ausbilden einer kontinuierlichen Gruppe-III-Nitridkeimbildungsschicht auf einer Oberfläche eines nicht nativen Wachstumssubstrats, wobei die kontinuierliche Gruppe-III-Nitridkeimbildungsschicht die Oberseite des nicht nativen Wachstumssubstrats versiegelt. Das Ausbilden der kontinuierlichen Gruppe-III-Nitridkeimbildungsschicht kann das Ausbilden einer Gruppe-III-Nitridschicht und das Wärmebehandeln dieser Gruppe-III-Nitridschicht umfassen. Die Verfahren können weiterhin das Ausbilden einer zusätzlichen Gruppe-III-Nitridschicht auf der kontinuierlichen Gruppe-III-Nitridkeimbildungsschicht umfassen.

Description

GEBIET
Die unterschiedlichen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beziehen sich im allgemeinen auf Verfahren zum Ausbilden von Gruppe-III-Nitridmaterialien 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 (AlN) und deren Legierungen (InGaN, AlGaN und InAlGaN). 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.
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 Gruppe-III-Nitriden und auf Strukturen, die durch derartige Verfahren erzeugt werden, und insbesondere auf Verfahren zum Erzeugen von Gruppe-III-Nitriden und Strukturen, die durch derartiger 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.
Somit können die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Verfahren zum Erzeugen eines Gruppe-III-Nitridmaterials auf einem Wachstumssubstrat umfassen. Derartige Verfahren können das Erzeugen einer Gruppe-III-Nitrid-Keimbildungsschicht auf einer Oberfläche eines nicht nativen Wachstumssubstrats und das Erzeugen einer weiteren Gruppe-III-Nitridschicht auf der Keimbildungsschicht umfassen. Die Gruppe-III-Nitrid-Keimbildungsschicht kann durch Abscheiden einer Gruppe-III-Nitridschicht, die eine Vielzahl von Wurtzitkristallstrukturen enthält, auf einer Oberseite des nicht nativen Wachstumssubstrats mit Hilfe einer Haliddampfphasenepitaxie (HVPE) und Wärmebehandeln der Gruppe-III-Nitridschicht erzeugt werden. Das Wärmebehandeln der Gruppe-III-Nitrid-Keimbildungsschicht kann zudem eine Konzentration von darin enthaltenen Chlorsubstanzen wesentlich verringern. Die unterschiedlichen Ausführungsformen der Erfindung können zudem die Struktur einer Gruppe-III-Nitridschicht umfassen, die sich im wesentlichen kontinuierlich über eine Oberfläche eines Wachstumssubstrats erstreckt. Die Gruppe-III-Nitridschicht kann eine Vielzahl von Wurtzitkristallstrukturen, die an die Oberfläche des Wachstumssubstrats grenzen und mit dieser kristallografisch ausgerichtet sind, ein amorphes Gruppe-III-Nitridmaterial, das die Vielzahl von Wurtzitkristallstrukturen einhüllt, und eine Vielzahl ungeordneter Kristallstrukturen umfassen, wobei die Vielzahl der ungeordneten Kristallstrukturen in dem amorphen Gruppe-III-Nitridmaterial angeordnet 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 Gruppe-III-Nitridhalbleiterstrukturen.
2A bis 2F zeigen schematisch zusätzliche beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung zum Ausbilden von Gruppe-III-Nitridhalbleiterstrukturen.
3A bis 3B zeigen schematisch beispielhafte Ausführungsformen des Systems zum Ausbilden von Gruppe-III-Nitridhalbleiterstrukturen.
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.
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-III-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 Gruppe-III-Nitridmaterials 108 auf dem nicht nativen Wachstumssubstrat 100. Bei einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Gruppe-III-Nitridmaterial 108 eine Schicht eines Gruppe-III-Nitridmaterials, wie etwa Galliumnitrid (GaN), enthalten.
Detaillierter gesagt kann das Gruppe-III-Nitridmaterial 108 eine Vielzahl von strukturellen Merkmalen haben, die mit Hilfe von Ausführungsformen der Verfahren der Erfindung erzeugt werden. Bei der Abscheidung kann das Gruppe-III-Nitridmaterial 108 sowohl amorphe als auch kristalline Bereiche innerhalb seiner Mikrostruktur haben. Die Mikrostruktur des Gruppe-III-Nitridmaterials 108 kann Körner von kristallinem Metallnitridmaterial 112 (z. B. Kristalle) enthalten, die in im wesentlichen amorphem Metallnitridmaterial 118 eingebettet und von diesem umgeben sind. 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 Metallnitridmaterial 118 in 1B erkennbar sind, in der Praxis derartige diskrete Grenzen, die sich entlang der Umfänge der Körner des kristallinen Metallnitridmaterials 112 erstrecken, relativ schwer auszumachen sind, wenn die Mikrostruktur unter Vergrößerung betrachtet wird. Trotzdem kann die Gegenwart der Körner des kristallinen Metallnitridmaterials 112 und des amorphen Metallnitridmaterials 118 bei Betrachtung der Mikrostruktur unter geeigneter Vergrößerung und/oder mit Hilfe anderer Techniken, wie etwa Röntgenstrahlbeugung (XRD), ausgemacht werden.
Einige Körner des kristallinen Metallnitridmaterials 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 Gruppe-III-Nitridmaterial 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 Metallnitridmaterials 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 Metallnitridmaterials 112 Galliumnitrid (GaN) umfassen, können einige oder sämtliche Körner des kristallinen Metallnitridmaterials 112 Körner der Wurtzitkristallstruktur sein oder diese enthalten.
Das Gruppe-III-Nitridmaterial 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 Gruppe-III-Nitridmaterial 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 Gruppe-III-Nitridmaterial 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 Gruppe-III-Nitridmaterial 108 kann amorphes Metallnitridmaterial 118 enthalten. Das amorphe Metallnitridmaterial 118 kann ein Gruppe-III-Nitridmaterial enthalten, das eine nicht periodische Atomanordnung hat, so dass beträchtliche Mengen der Kristallphasen durch herkömmliche Röntgenstrahlbeugungsverfahren nicht erfasst werden können. Das amorphe Metallnitridmaterial 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 Gruppe-III-Nitridmaterial 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 Metallnitridmaterial 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 Gruppe-III-Nitridschicht 108 auf der Oberseite 102 des nicht nativen Wachstumssubstrats 100 angewendet werden. Bei einigen Ausführungsformen der Verfahren der Erfindung kann das Gruppe-III-Nitridmaterial 108 Galliumnitrid (GaN) enthalten und durch einen Dampfphasenabscheidungsvorgang ausgebildet werden. Das Gruppe-III-Nitridmaterial 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 Gruppe-III-Quelle 304, wie etwa flüssiges Gallium, umfasst. Das Erwärmen des nicht nativen Wachstumssubstrats 100 und der Gruppe-III-Quelle 304 kann durch wenigstens ein Heizelement 306 erfolgen, das beispielsweise Lampen, Widerstandselemente und/oder Hochfrequenzelemente umfasst.
Wenigstens eine chlorhaltige Substanz, wie etwa Chlordampf (Cl₂) oder Chlorwasserstoffdampf (HCl), kann durch einen Einlass 308 eingeleitet und über die erwärmte Gruppe-III-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-III-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-III-Chloridpräkursor und der stickstoffhaltigen Substanz kann zu der Bildung von Gruppe-III-Nitridmaterial 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 Gruppe-III-Quelle umfasst, und bei den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, siehe das US-Patent No. 6,179,913 für Solomon et al. (erteilt am 30. Januar 2001) und das US-Patent No. 6.613,143 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-III-Chloridpräkursor in die Reaktionskammer 302' einzuleiten, in der das nicht native Wachstumssubstrat 100 dem Gruppe-III-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-III-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. GaCl, 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. HCl 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 (GaCl).
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 Gruppe-III-Nitridmaterial 108 (aus 1B), kann das Ablösen und/oder das Reißen des Gruppe-III-Nitridmaterials 108 wesentlich verringern oder beseitigen. Weiterhin kann das Reduzieren der Konzentration der Chlorsubstanz innerhalb des Gruppe-III-Nitridmaterials 108 das Ablösen und/oder Reißen eines zusätzlichen Gruppe-III-Nitridmaterials wesentlich verringern oder beseitigen, das über dem Gruppe-III-Nitridmaterial 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-III-Chloridpräkursor und der stickstoffhaltigen Substanz kann zu der Bildung des Gruppe-III-Nitridmaterials 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 No. 2009/017611 A1 für Arena et al. (veröffentlicht am 16. Juli 2009) und der US-Patentanmeldungsveröffentlichung No. 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 Gruppe-III-Nitridmaterial 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 Gruppe-III-Nitridmaterials 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 Gruppe-III-Nitridschicht 108 abzuscheiden, die eine verringerte Konzentration von Chlorsubstanzen hat.
Bei Ausführungsformen, bei denen das HVPE-System 300 aus 3A verwendet wird, um das Gruppe-III-Nitridmaterial 108 abzuscheiden, kann wenigstens eine chlorhaltige Substanz durch den Einlass 308 eingeleitet und über die erwärmte Gruppe-III-Quelle 304 geführt werden und/oder diese durchsprudeln. Die erwärmte Gruppe-III-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 Gruppe-III-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-III-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 Gruppe-III-Nitridmaterial 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-III-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-III-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-III-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-III-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 Gruppe-III-Nitridmaterial 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-III-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 Gruppe-III-Nitridmaterial 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 Gruppe-III-Nitridmaterial 108 kann beispielsweise derart ausgebildet werden, dass es eine durchschnittliche Dicke d₁ von mehr als etwa 10 nm, mehr als etwa 50 nm oder sogar mehr als 100 nm hat. Das Gruppe-III-Nitridmaterial 108 kann zudem in einer durchschnittlichen Dicke d₁ derart ausgebildet werden, dass ein im wesentlichen kontinuierliches Gruppe-III-Nitridmaterial 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 Gruppe-III-Nitridmaterials 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 Gruppe-III-Nitridmaterial 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 Gruppe-III-Nitridmaterial 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 Gruppe-III-Nitridmaterials 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 Gruppe-III-Nitridmaterials 108 zu einem Anwachsen der Wurtzitkristallbereiche 112. Ein derartiges Anwachsen kann erfolgen, wenn Atome in dem amorphen Metallnitridmaterial 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 Gruppe-III-Nitridmaterials 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 Gruppe-III-Nitridmaterials 108 zu einem Anwachsen der fehlausgerichteten Kristallbereiche 116. Dieses Anwachsen kann auftreten, wenn Atome in dem amorphen Metallnitridmaterial 118 in die Kristallgitter der fehlausgerichteten Kristallbereiche 116 eingeschlossen werden.
Zusätzlich kann eine Zwischenphase der Wärmebehandlung des Gruppe-III-Nitridmaterials 108 das Verringern des Umfangs des amorphen Metallnitridmaterials 118 in dem Gruppe-III-Nitridmaterial 108 umfassen. Das Material, das zu dem Substrat kristallografisch fehlausgerichtet ist (d. h. das amorphe Metallnitridmaterial 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 Gruppe-III-Nitridmaterials 108 auch dazu führen kann, dass das Gruppe-III-Nitridmaterial 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 Gruppe-III-Nitridmaterials 108 bei Abschluss der Wärmebehandlung des Gruppe-III-Nitridmaterials 108 auftreten. Beispielsweise kann die Wärmebehandlung des Gruppe-III-Nitridmaterials 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 Metallnitridmaterials 118 in dem Gruppe-III-Nitridmaterial 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 Metallnitridmaterial 118 des Gruppe-III-Nitridmaterials 108 in ein kristallines Material umgewandelt werden. Beispielsweise kann ein Teil des amorphen Metallnitridmaterials 118 des Gruppe-III-Nitridmaterials 108 in eine Wurtzitkristallmaterial umgewandelt werden. Eine Menge des amorphen Metallnitridmaterials 118 innerhalb des Gruppe-III-Nitridmaterials 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 Gruppe-III-Nitridmaterials 108 (aus 1B) und insbesondere die Wärmebehandlung der fehlausgerichteten Kristallbereiche 116 zu einer Umwandlung der Vielzahl der fehlausgerichteten Kristallbereiche 116 des Gruppe-III-Nitridmaterials 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 Gruppe-III-Nitridmaterials 108 (aus 1B) resultieren kann, kann die Wärmebehandlung des Gruppe-III-Nitridmaterials 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 Gruppe-III-Nitridmaterials 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 Gruppe-III-Nitridmaterials 108 umfassen, das verwendet wird, um das Keimbildungsmaterial 110 auszubilden. Die Wärmebehandlung des Gruppe-III-Nitridmaterials 108 kann das Anlassen des Gruppe-III-Nitridmaterials 108 (aus 1B) unter gesteuerten Bedingungen in einer gesteuerten Umgebung umfassen.
Das Gruppe-III-Nitridmaterial 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 Gruppe-III-Nitridschicht 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 Gruppe-III-Nitridmaterial 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 Gruppe-III-Nitridmaterial 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 Gruppe-III-Nitridmaterial 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 Gruppe-III-Nitridmaterial 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 Gruppe-III-Nitridmaterial 108 entfernen. Beispielsweise kann nach dem Abscheiden des Gruppe-III-Nitridmaterials 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 Gruppe-III-Nitridschicht 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 Gruppe-III-Nitridmaterial 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 Metallnitridmaterials 118 auftreten, das das Keimbildungsmaterial 110 umgibt. Während das seitliche Wachstum fortschreitet, kann das amorphe Metallnitridmaterial 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 Metallnitridmaterial 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 Ausführungsformen der Erfindung sind im folgenden unter Bezugnahme auf 2A bis 2F beschrieben. Die Ausführungsformen, 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 Ausführungsformen 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 Ausführungsformen ausgebildet wird, kann eine verringerte Konzentration der darin enthaltenen Chlorsubstanzen haben.
In größerem Detail zeigen 2A bis 2F weitere Ausführungsformen der Verfahren der Erfindung 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 Gruppe-III-Nitridmaterial 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 Gruppe-III-Nitridmaterial 108 aus 1B beschrieben wurden.
Verfahren der weiteren Ausführungsformen der Erfindung 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 Ausführungsformen der Erfindung 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 Ausführungsformen der Erfindung 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 Ausführungsformen der Erfindung 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 seitlichen 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 Ausführungsformen der Erfindung können 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 Metallschicht 108 auf einer Oberseite 102 des nicht nativen Wachstumssubstrats 100 umfasst. Die im wesentlichen kontinuierliche Gruppe-III-Nitridschicht 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 Metallnitridmaterial 118 umfassen, wobei das amorphe Metallnitridmaterial 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 Metallnitridmaterials 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 Metallnitridmaterial 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 × 10¹⁹ cm^–2 haben.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 6179913 [0037]
US 6613143 [0037]
US 6325850 [0071]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Phys. Stats. Sol (c) 2, No. 6 1750–1753 (2006) [0071]

Claims

Verfahren zum Ausbilden eines Gruppe-III-Nitridmaterials auf einem Wachstumssubstrat, umfassend: Ausbilden einer Gruppe-III-Nitridkeimbildungsschicht auf einer Oberfläche eines nicht nativen Wachstumssubstrats, umfassend: Abscheiden einer Gruppe-III-Nitridschicht, die eine Vielzahl von Wurtzitkristallstrukturen enthält, auf einer Oberseite des nicht nativen Wachstumssubstrats mit Hilfe eines Haliddampfphasenepitaxie-(HVPE-)Vorgangs; und Wärmebehandeln der Gruppe-III-Nitridschicht; und Ausbilden einer zusätzlichen Gruppe-III-Nitridschicht auf der Keimbildungsschicht.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Abscheiden einer Gruppe-III-Nitridschicht, die eine Vielzahl von Wurtzitkristallstrukturen enthält, auf einer Oberseite eines nicht nativen Wachstumssubstrats das Abscheiden der Gruppe-III-Nitridschicht, die eine Vielzahl von Wurtzitkristallstrukturen enthält, benachbart der Oberseite des nicht nativen Wachstumssubstrats umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Wärmebehandeln der Gruppe-III-Nitridschicht umfasst, die Gruppe-III-Nitridschicht einer Temperatur von weniger als etwa 900°C auszusetzen, um eine Konzentration einer Chlorsubstanz innerhalb der Gruppe-III-Nitridkeimbildungsschicht zu verringern.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Wärmebehandeln der Gruppe-III-Nitridschicht das Zuführen der Gruppe-III-Nitridschicht zu wenigstens einem Getter für Chlorsubstanzen umfasst, um eine Konzentration einer Chlorsubstanz innerhalb der Gruppe-III-Nitridkeimbildungsschicht zu verringern.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Wärmebehandlung der Gruppe-III-Nitridschicht das Ausbilden einer kontinuierlichen Wurtzitkristallschicht benachbart der Oberseite der nicht nativen Wachstumsfläche umfasst, wobei die kontinuierliche Wurtzitkristallschicht mit der Oberseite des nicht nativen Wachstumssubstrats kristallografisch ausgerichtet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Abscheiden einer Gruppe-III-Nitridschicht das Abscheiden einer Gruppe-III-Nitridschicht umfasst, die eine Dicke von weniger als etwa 100 nm hat.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Ausbilden einer Gruppe-III-Nitridkeimbildungsschicht auf einer Oberfläche eines nicht nativen Wachstumssubstrats das Einleiten eines Gruppe-III-Monochlorids in eine Reaktionskammer umfasst, die das nicht native Wachstumssubstrat enthält.
Struktur, umfassend: eine Gruppe-III-Nitridkeimbildungsschicht, die sich kontinuierlich über eine Oberfläche eines Wachstumssubstrats erstreckt, umfassend: eine Wurtzitkristallschicht, die mit der Oberfläche des Wachstumssubstrats kristallografisch ausgerichtet ist; und eine zusätzliche Gruppe-III-Nitridschicht auf der kontinuierlichen Gruppe-III-Nitridkeimbildungsschicht.
Struktur nach Anspruch 8, bei der die Oberfläche des Wachstumssubstrats Saphir enthält.
Struktur nach Anspruch 8, bei der die Gruppe-III-Nitridkeimbildungsschicht eine Dicke von mehr als etwa 100 nm hat.
Struktur nach Anspruch 8, bei der die Gruppe-III-Nitridkeimbildungsschicht eine Vielzahl ausgerichteter kristalliner Seitenfacetten umfasst.
Struktur nach Anspruch 8, bei der sich die Wurtzitkristallschicht kontinuierlich über die Oberfläche des Wachstumssubstrats erstreckt.
Struktur nach Anspruch 8, bei der eine Konzentration von Chlorsubstanzen innerhalb der Gruppe-III-Nitridkeimbildungsschicht geringer als etwa 1 × 10¹⁹ Atome/cm² ist.