FR2968678A1 - Procédés pour former des matériaux a base de nitrure du groupe iii et structures formées par ces procédés - Google Patents
Procédés pour former des matériaux a base de nitrure du groupe iii et structures formées par ces procédés Download PDFInfo
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Abstract
Des modes de réalisation de l'invention comprennent des procédés pour former une structure semi-conductrice à base de nitrure du groupe III en utilisant un processus d'épitaxie en phase vapeur aux halogénures (HVPE). Les procédés comprennent la formation d'une couche de nucléation de nitrure du groupe III continue sur une surface d'un substrat de croissance non natif, la couche de nucléation de nitrure du groupe III continue dissimulant la surface supérieure du substrat de croissance non natif. La formation de la couche de nucléation de nitrure du groupe III continue peut comprendre la formation d'une couche de nitrure du groupe III et le traitement thermique de ladite couche de nitrure du groupe III. Des procédés peuvent en outre comprendre la formation d'une couche de nitrure du groupe III supplémentaire sur la couche de nucléation de nitrure du groupe III continue
Description
PROCEDES POUR FORMER DES MATERIAUX A BASE DE NITRURE DU GROUPE III ET STRUCTURES FORMEES PAR CES PROCEDES
Domaine de l'invention Les divers modes de réalisation de la présente invention concernent généralement des procédés pour former des matériaux à base de nitrure du groupe III sur des substrats de croissance et des structures formées par ces procédés et, plus particulièrement, des procédés pour former des structures semi-conductrices à base de nitrure du groupe III par épitaxie en phase vapeur aux halogénures (HVPE) en utilisant une chimie à base de gaz chloré et des structures formées par ces procédés.
Contexte de l'invention Les nitrures du groupe III peuvent comprendre un ou plusieurs matériaux, tels que, par exemple, du nitrure de gallium (GaN), du nitrure d'indium (InN)1 du nitrure d'aluminium (AIN) et leurs alliages (InGaN, AIGaN et InAIGaN). Un ou plusieurs procédés peuvent être utilisés pour former des nitrures du groupe III. Par exemple, les procédés de formation peuvent comprendre un dépôt chimique en phase vapeur métallo- organique (MOCVD), une épitaxie en phase vapeur aux halogénures (HVPE), une épitaxie par faisceau moléculaire (MBE) et un dépôt de couches atomiques (ALD). Les nitrures du groupe III sont généralement déposés de manière hétéroépitaxiale sur des substrats de croissance « non natifs », c'est-à-dire, sur des substrats de croissance qui ne comprennent pas de surface de croissance de nitrure du groupe III. Par exemple, des substrats de croissance en saphir sont généralement utilisés en tant que substrats de croissance « non natifs » lors de l'exécution d'un dépôt hétéroépitaxial de nitrures du groupe III. Un dépôt hétéroépitaxial de nitrures du groupe III peut être utilisé étant donné que les substrats de croissance de nitrure du groupe III natifs peuvent être d'un coût prohibitif et relativement difficiles à obtenir. Un dépôt hétéroépitaxial de nitrures du groupe III s'effectue généralement par la formation d'une couche de nucléation sur le substrat de croissance, suivie du dépôt de la masse restante du nitrure du groupe III. Les procédés et les systèmes MOCVD se sont avérés relativement appropriés pour la formation de ces couches de nucléation et de matériaux massifs directement sur des substrats de croissance « non natifs ». Cependant, les procédés et les systèmes MOCVD déposent généralement le matériau à base de nitrure du groupe III à des vitesses relatives lentes, c'est-à-dire, inférieures approximativement à 3 à 4 µ.m de matériau par heure. De plus, les procédés et le système MOCVD utilisent généralement des précurseurs métallo-organiques d'un coût prohibitif. Inversement, les procédés et les systèmes HVPE déposent généralement des nitrures du groupe III à des vitesses de croissance élevées. Par exemple, des vitesses de croissance supérieures à 100 µm de matériau par heure peuvent généralement être obtenues en utilisant des systèmes et des procédés HVPE. De plus, les systèmes et les procédés HVPE utilisent généralement des précurseurs au chlorure de gallium peu coûteux. Cependant, les systèmes et les procédés HVPE se sont avérés moins appropriés pour la formation de couches de nucléation et de matériau massif directement sur des substrats de croissance « non natifs ».
Bref résumé Les divers modes de réalisation de la présente invention concernent généralement des procédés pour former des nitrures du groupe III et des structures formées par ces procédés et, plus particulièrement, des procédés pour former des nitrures du groupe III et des structures formées par ces procédés. Les procédés et les structures vont maintenant être brièvement décrits en termes de modes de réalisation de l'invention. Ce résumé est fourni pour introduire une sélection de concepts sous une forme simplifiée qui sont décrits davantage dans la description détaillée des modes de réalisation de l'invention. Ce résumé n'est pas destiné à identifier des caractéristiques principales ou des caractéristiques essentielles de l'objet revendiqué, et n'est pas non plus destiné à être utilisé pour limiter l'étendue de l'objet revendiqué. Par conséquent, des modes de réalisation de la présente invention peuvent comprendre des procédés pour former un matériau à base de nitrure du groupe III sur un substrat de croissance. Ces procédés peuvent consister à former une couche de nucléation de nitrure du groupe III sur une surface d'un substrat de croissance non natif et à former une couche de nitrure du groupe III supplémentaire sur la couche de nucléation. La couche de nucléation de nitrure du groupe III peut être formée en déposant une couche de nitrure du groupe III qui comprend une pluralité de structures cristallines de type wurtzite sur une surface supérieure du substrat de croissance non natif en utilisant un processus d'épitaxie en phase vapeur aux halogénures (HVPE) et en traitant thermiquement la couche de nitrure du groupe III. Le traitement thermique de la couche de nucléation de nitrure du groupe III peut réduire également sensiblement la concentration d'espèce chlorée dans celle-ci. Les divers modes de réalisation de l'invention peuvent également comprendre une couche de nitrure du groupe III s'étendant sensiblement continûment sur une surface d'un substrat de croissance. La couche de nitrure du groupe III peut comprendre une pluralité de structures cristallines de type wurtzite adjacentes à la surface du substrat de croissance, et alignées de manière cristallographique avec celle-ci, un matériau à base de nitrure du groupe III amorphe enveloppant la pluralité de structures cristallines de type wurtzite, et une pluralité de structures cristallines non alignées, la pluralité de structures cristallines non alignées étant disposées dans le matériau à base de nitrure du groupe III amorphe. D'autres aspects et détails et d'autres combinaisons des éléments de la présente invention seront évidents à partir de la description détaillée qui suit et sont également dans l'étendue de l'invention.
Brève description des dessins Les modes de réalisation de la présente invention 35 peuvent être plus complètement compris avec référence à la description détaillée qui suit de modes de réalisation en exemple, qui sont illustrés sur les figures jointes, sur lesquelles : Les figures lA à 1F illustrent schématiquement des modes de réalisation en exemple de l'invention pour former des structures semi-conductrices à base de nitrure du groupe III. Les figures 2A à 2F illustrent schématiquement d'autres modes de réalisation en exemple de l'invention pour former des structures semi-conductrices à base de nitrure du groupe III. Les figures 3A à 3B illustrent schématiquement des modes de réalisation en exemple de systèmes pour former des structures semi-conductrices à base de nitrure du groupe III.
Description détaillée de modes de réalisation de l'invention Les illustrations présentées ici ne sont pas des vues réelles d'un procédé, d'une structure, d'un matériau, ou d'un système particulier, mais sont simplement des représentations idéalisées qui sont utilisées pour décrire la présente invention. Des titres sont utilisés ici à des fins de clarté uniquement et sans aucune limitation voulue. Un certain nombre de références sont citées ici, aucune des références citées, indépendamment de la manière selon laquelle elle est caractérisée ci-dessus, n'étant admise en tant qu'art antérieur de l'invention du sujet revendiqué dans le présent document. Telle qu'utilisée ici, l'expression « nitrure du groupe III » désigne et comprend n'importe quel matériau composé principalement d'un ou de plusieurs éléments provenant du groupe IIIA de la table périodique (Al, Ga et In) et d'azote (N).
Telle qu'utilisée ici, l'expression « substrat de croissance » désigne et comprend n'importe quelle structure sur laquelle un nitrure du groupe III est intentionnellement formé.
Telle qu'utilisée ici, l'expression substrat de croissance « non natif » désigne et comprend n'importe quel substrat de croissance qui comprend une surface de croissance qui n'est pas sensiblement composée d'un matériau à base de nitrure du groupe III.
Telle qu'utilisée ici, l'expression « couche de nucléation » désigne et comprend n'importe quelle couche initiale, ou pluralité de couches, formées sur une surface d'un substrat de croissance avant le dépôt d'un matériau à base de nitrure du groupe III massif sur celle-ci. Telle qu'utilisée ici, l'expression substrat de croissance en saphir désigne et comprend n'importe quel substrat de croissance composé principalement d'oxyde d'aluminium alpha (a-Al2O3) .
Telle qu'utilisée ici, l'expression « structure cristalline de type wurtzite » désigne et comprend un matériau ayant une structure de réseau cristallin qui comprend un réseau compact hexagonal d'anions, des cations occupant la moitié des trous de tétraèdre.
Telles qu'utilisées ici, les expressions « dépôt chimique en phase vapeur » et « CVD » sont synonymes et désignent et comprennent n'importe quel processus utilisé pour le dépôt d'un matériau solide sur un substrat dans une chambre de réaction, dans lequel le substrat est exposé à un ou plusieurs gaz de transformation, qui réagissent, décomposent ou à la fois réagissent et décomposent d'une manière qui résulte en le dépôt de matériau(x) solide(s) sur une surface du substrat.
Telles qu'utilisées ici, les expressions « épitaxie en phase vapeur » et « VPE » sont synonymes et désignent et comprennent n'importe quel processus CVD dans lequel le substrat est exposé à une ou plusieurs vapeurs de transformation, qui réagissent, décomposent ou à la fois réagissent et décomposent d'une manière qui résulte en le dépôt épitaxial de matériau(x) solide(s) sur une surface du substrat. Telles qu'utilisées ici, les expressions « épitaxie en phase vapeur aux halogénures » et « HVPE » sont synonymes et désignent et comprennent n'importe quel processus VPE dans lequel au moins une vapeur de transformation utilisée dans le processus VPE comprend une vapeur d'halogénure.
Un dépôt direct de nitrures du groupe III sur des substrats de croissance non natifs par un processus d'épitaxie en phase vapeur aux halogénures (HVPE) peut résulter en des nitrures du groupe III d'une qualité cristalline et structurelle médiocre. Par exemple, un dépôt HVPE direct de nitrures du groupe III sur des substrats de croissance en saphir peut résulter en une ou plusieurs d'une délamination de nitrure du groupe III du substrat de croissance, d'une croissance de domaines d'inversion (c'est-à-dire, d'un matériau de polarités mélangées) et de fissures structurelles. Ces problèmes associés à un dépôt HVPE direct de nitrures du groupe III sur des substrats non natifs peuvent être atténués en utilisant des couches de nitrure du groupe III intermédiaires déposées par des procédés MOCVD. La couche de nitrure du groupe III déposée par MOCVD peut être déposée sur une surface de croissance du substrat de croissance non natif avant de déposer le reste du matériau par des procédés et des systèmes HVPE. Cependant, l'utilisation de ces couches de nitrure du groupe III intermédiaires peut augmenter le coût et/ou le temps de dépôt. Des modes de réalisation en exemple de l'invention sont décrits ci-dessous avec référence aux figures lA à 1F. La figure 1A illustre un substrat de croissance non natif 100 qui peut comprendre, par exemple, une céramique telle qu'un oxyde (par exemple, le dioxyde de silicium (SiO2) ou l'oxyde d'aluminium (Al2O3) (par exemple, du saphir, qui est du a-Al2O3)) ou un nitrure (par exemple, le nitrure de silicium (Si3N4) ou le nitrure de bore (BN)). En tant qu'autres exemples, le matériau 242 peut comprendre un matériau semi-conducteur tel que du silicium (Si), du germanium (Ge), un matériau semi-conducteur des groupes III-V, etc. Par exemple, le substrat de croissance 100 peut comprendre un saphir (0001) dans certains modes de réalisation. Le substrat de croissance non natif 100 peut comprendre un certain nombre de surfaces, y compris une surface supérieure 102, qui peut être appelée ici « surface de croissance ». Le substrat de croissance non natif 100 peut avoir une orientation cristallographique sélectionnée, de sorte que la surface principale exposée du substrat de croissance 100 comprenne un plan sélectionné dans la microstructure du substrat de croissance 100. Par exemple, le substrat de croissance non natif 100 peut comprendre un saphir avec une orientation cristallographique (0001) dans la direction désignée par la flèche 104, qui est souvent appelé « saphir plan-c ».
La figure 1B illustre la structure 106 après la formation d'un matériau à base de nitrure du groupe III 108 sur le substrat de croissance non natif 100. Dans certains modes de réalisation de l'invention, le matériau à base de nitrure du groupe III 108 peut comprendre une couche d'un matériau à base de nitrure du groupe III, tel que le nitrure de gallium (GaN). Plus en détail, le matériau à base de nitrure du groupe III 108 peut comprendre une pluralité de caractéristiques structurelles formées en utilisant des modes de réalisation des procédés de l'invention. Lors d'un dépôt, le matériau à base de nitrure du groupe III 108 peut comprendre à la fois des régions amorphes et cristallines dans la microstructure de celui-ci. La microstructure du matériau à base de nitrure du groupe III 108 peut comprendre des grains du matériau à base de nitrure métallique cristallin 112 (c'est-à-dire, des cristaux) intégrés dans le matériau à base de nitrure métallique sensiblement amorphe 118 et entourés par celui-ci. Comme cela est connu dans l'art, le terme « amorphe » signifie qu'il n'existe sensiblement aucun ordre à long terme dans l'agencement des atomes du matériau. Autrement dit, les atomes de matériau amorphe sont généralement agencés de manière aléatoire dans le matériau, au lieu d'être agencés en un réseau ordonné de plans atomiques dans le matériau. Il conviendrait de noter que le schéma de la figure 1B est simplifié et que, bien qu'identifiables, les frontières discrètes sont facilement visibles dans le matériau à base de nitrure métallique amorphe 118 sur la figure 11 ; en pratique, ces frontières discrètes s'étendant autour des périphéries des grains du matériau à base de nitrure métallique cristallin 112 peuvent être relativement difficiles à identifier lorsque la microstructure est observée avec un grossissement. Même ainsi, la présence des grains du matériau à base de nitrure métallique cristallin 112 et du matériau à base de nitrure métallique amorphe 118 peut être identifiée lors d'une observation de la microstructure avec un grossissement approprié et/ou en utilisant d'autres techniques, telles qu'une diffraction de rayons X (XRD). Certains grains de matériau à base de nitrure métallique cristallin 112 peuvent être disposés directement sur le réseau cristallin de la surface 102 du substrat 240 et alignés de manière épitaxiale avec ce réseau. Par exemple, dans les modes de réalisation dans lesquels le substrat 100 comprend un substrat en saphir (0001) et dans lesquels le matériau à base de nitrure du groupe III 108 comprend du nitrure de gallium (GaN), la surface 102 peut comprendre le plan (0001) du réseau cristallin de saphir, et les grains du matériau à base de GaN cristallin 112 qui sont disposés directement sur la surface 102 du substrat 100 peuvent être orientés de sorte que les directions [0001] dans les réseaux cristallins de ces grains du matériau à base de GaN cristallin 112 s'étendent sensiblement perpendiculairement à la surface 102. Les directions [0001] dans chacun des grains de matériau à base de nitrure métallique cristallin 112 sur la figure 1B sont représentées par les flèches de direction dans les grains. D'autres directions dans les réseaux cristallins de ces grains de matériau à base de GaN cristallin 112 peuvent également s'étendre sensiblement parallèlement aux directions correspondantes dans le réseau cristallin du substrat en saphir 100 sous-jacent au niveau de la surface 102, de sorte qu'il n'existe que peu ou aucune absence de correspondance dans l'orientation en rotation de ces grains dans le plan horizontal (c'est-à-dire, le plan s'étendant dans le plan des figures) par rapport au réseau cristallin du substrat en saphir 100 sous-jacent au niveau de la surface 102. Dans les modes de réalisation dans lesquels les 35 grains de matériau à base de nitrure métallique cristallin 112 comprennent du nitrure de gallium (GaN), certains ou la totalité des grains du matériau à base de nitrure métallique cristallin 112 peuvent être ou comprendre des grains de la structure cristalline de type wurtzite. Le matériau à base de nitrure du groupe III 108 peut comprendre un ou plusieurs défauts, tels que, des dislocations traversantes 114 et 114'. La dislocation traversante 114' peut partir de la surface supérieure 102 du substrat 100. La dislocation traversante 114 peut partir de l'intérieur du matériau à base de nitrure du groupe III 108. Comme illustré sur la figure 1B, les dislocations traversantes 114 et 114' peuvent être situées, par exemple, dans une ou plusieurs de la pluralité des structures cristallines de type wurtzite 112. Le matériau à base de nitrure du groupe III 108 peut également comprendre une pluralité de structures cristallines non alignées 116. Par exemple, chacune de la pluralité de structures cristallines non alignées 116 peut être cristallographiquement non alignée avec la surface supérieure 102 du substrat 100. Le matériau à base de nitrure du groupe III 108 peut comprendre le matériau à base de nitrure métallique amorphe 118. Le matériau à base de nitrure métallique amorphe 118 peut comprendre un matériau à base de nitrure du groupe III ayant un réseau atomique non périodique de sorte que des quantités significatives de phases cristallines ne peuvent pas être détectées par des procédés à diffraction de rayons X classiques. Par exemple, le matériau à base de nitrure métallique amorphe 118 peut comprendre un matériau dans lequel il ne peut exister aucun ordre à long terme significatif dans le positionnement de ses atomes constitutifs. On doit comprendre qu'un tel matériau à base de nitrure du groupe III amorphe comprend des matériaux sensiblement amorphes qui peuvent comprendre, par exemple, des régions présentant un ordre à court terme et/ou une cristallinité à court terme limités (par exemple, sur quelques espacements atomiques ou moléculaires). Par exemple, le matériau à base de nitrure métallique amorphe 118 peut sensiblement entourer la pluralité de structures cristallines de type wurtzite 112 et/ou la pluralité de structures cristallines non alignées 116 ou les envelopper. Un ou plusieurs procédés peuvent être utilisés pour la formation de la couche de nitrure du groupe III 108 sur la surface supérieure 102 du substrat de croissance non natif 100. Dans certains modes de réalisation des procédés de l'invention, le matériau à base de nitrure du groupe III 108 peut comprendre du nitrure de gallium (GaN) et peut être formé par un processus de dépôt en phase vapeur. Par exemple, le matériau à base de nitrure du groupe III 108 peut être déposé par un processus HVPE en utilisant la chimie des gaz chlorés. Bien que divers types et configurations de systèmes HVPE puissent être utilisés dans des modes de réalisation de l'invention, les figures 3A et 3B illustrent schématiquement des exemples de systèmes HVPE qui peuvent être utilisés dans des modes de réalisation de procédés de l'invention, comme décrit ici. Par exemple, la figure 3A illustre un système HVPE 300 comprenant une chambre de réaction 302 et un volume interne d'une source du groupe III 304 telle que, par exemple, du gallium liquide. Le chauffage du substrat de croissance non natif 100 et de la source du groupe III 304 peut être effectué par un ou plusieurs éléments chauffants 306, qui peuvent comprendre, par exemple, des lampes, des éléments résistifs et/ou des éléments radiofréquences. Une ou plusieurs espèces contenant du chlore, par exemple de la vapeur de chlore (C12) ou de la vapeur d'acide chlorhydrique (HCl), peuvent être introduites à travers une entrée 308 et passées sur ou à travers la source du groupe III 304 chauffée, pour fournir un précurseur au chlorure du groupe III, tel que du chlorure de gallium (GaCl), au substrat de croissance non natif 100. Le précurseur au chlorure du groupe III peut réagir avec un précurseur du groupe V, tel que, par exemple, des espèces contenant de l'azote introduites à travers l'entrée 310. Les espèces contenant de l'azote peuvent comprendre l'ammoniac (NH3) ou l'azote atomique produit par une source de plasma (non montrée). La réaction entre le précurseur au chlorure du groupe III et les espèces contenant de l'azote peut conduire à la formation du matériau à base de nitrure du groupe III 108 sur une surface de croissance du substrat de croissance non natif 100 chauffé. Des exemples de procédés et de systèmes HVPE utilisant la chimie des gaz chlorés comprenant un volume interne d'une source du groupe III, qui peuvent être utilisés dans des modes de réalisation de la présente invention, sont présentés dans le brevet US n° 6 179 913 de Solomon et d'autres (délivré le 30 janvier 2001) et le brevet US n° 6 613 143 de Melnik et d'autres (délivré le 2 septembre 2003). Dans certains modes de réalisation, un précurseur au chlorure du groupe III, tel qu'un précurseur au chlorure de gallium, peut être introduit dans la chambre de réaction 302 à partir d'une source extérieure. Par exemple, la figure 3B illustre le système HVPE 312 comprenant une chambre de réaction 302' et un volume externe d'une source du groupe III 314, telle que, par exemple, un trichlorure du groupe III liquide, tel que le trichlorure de gallium (GaCl3). La source du groupe III 314 peut être stockée dans une cuve externe 316, la cuve externe 316 comprenant un dispositif de chauffage (non montré) pour maintenir la source du groupe III 314 sous forme liquide. Le système HVPE 312 peut également comprendre une entrée 318 par laquelle un ou plusieurs gaz porteurs peuvent être introduits sur et/ou à travers la source du groupe III 314 chauffée pour introduire le précurseur au chlorure du groupe III dans la chambre de réaction 302' dans laquelle le substrat de croissance non natif 100 est exposé au precurseur au chlorure du groupe III. Des modes de réalisation de l'invention utilisant une source du groupe III externe peuvent également comprendre un dispositif de préchauffage de source du groupe III tel que, par exemple un four 320. Le four 320 peut comprendre un ou plusieurs éléments chauffants 322, tels que des lampes, des éléments résistifs et/ou des éléments radiofréquences, etc. Le four 320 peut être utilisé pour chauffer la source du groupe III 314 avant son entrée dans la chambre de réaction 302'. Des exemples de dispositifs de préchauffage de source du groupe III qui peuvent être utilisés dans des modes de réalisation de procédés de l'invention sont présentés dans la demande de brevet US provisoire n° 61/157 112 d'Arena et d'autres (déposée le 3 mars 2009). Dans certains modes de réalisation, la source du groupe, III 314 peut être chauffée, avant son entrée dans la chambre de réaction 302', afin d'exposer le substrat de croissance non natif 100 à une forme de précurseur au chlorure du groupe III ayant une concentration réduite d'espèce chlorée. Par exemple, le précurseur au chlorure du groupe III peut être chauffé à une température supérieure à environ 600 °C, supérieure à environ 800 °C, ou même supérieure à environ 1000 °C, avant d'introduire le précurseur au chlorure du groupe III dans la chambre de réaction 302'. A titre d'exemple non limitatif, la source du groupe III 314 (par exemple, le GaC13, l'InCl3 et l'A1C13) peut réagir avec au moins une espèce du groupe III pour former un monochlorure du groupe III (par exemple, du GaCl, de l'InCl et de l'AlCl). Le chauffage du GaCl3 avant son entrée dans la chambre de réaction produit le monochlorure - c'est-à-dire le GaCl, et le chlore en excès produit devient du HC1 par réaction avec le gaz porteur H2. Le HC1 ne s'incorpore pas dans le film déposé, ainsi la concentration en Cl dans le film est réduite. Par exemple, la source du groupe III 314 peut comprendre le trichlorure de gallium (GaCl3) et la forme de précurseur au chlorure du groupe III que l'on souhaite fournir au substrat de croissance non natif 100 peut comprendre un monochlorure de gallium (GaCl).
L'exposition du substrat de croissance non natif 100 au précurseur au chlorure du groupe III comprenant un monochlorure du groupe III, tel qu'un chlorure de gallium (GaCl), pendant le processus HVPE, peut réaliser une couche de nitrure du groupe III ayant une concentration sensiblement réduite d'espèce chlorée. La réduction de la concentration d'espèce chlorée dans la couche de nitrure du groupe III telle que, par exemple, le matériau à base de nitrure du groupe III 108 (de la figure 1B), peut réduire sensiblement ou supprimer une délamination et/ou une fissuration du matériau à base de nitrure du groupe III 108. En outre, la réduction de la concentration d'espèce chlorée dans le matériau à base de nitrure du groupe III 108 peut réduire sensiblement ou supprimer une délamination et/ou une fissuration de matériau à base de nitrure du groupe III supplémentaire formé sur le matériau à base de nitrure du groupe III 108. Le précurseur au chlorure du groupe III préchauffé, tel que le monochlorure de gallium, peut réagir avec un précurseur du groupe V, tel qu'une espèce contenant de l'azote introduite par l'entrée 310'. L'espèce contenant de l'azote peut comprendre l'ammoniac ou l'azote atomique (par exemple, le NH3) produit par une source de plasma (non montrée). La réaction entre le précurseur au. chlorure du groupe III et l'espèce contenant de l'azote peut conduire à la formation du matériau à base de nitrure du groupe III 108 (de la figure 1B) sur le substrat de croissance non natif 100 chauffé. Des exemples de procédés et de systèmes HVPE. utilisant la chimie des gaz chlorés comprenant une source du groupe III externe, telle qu'une source de trichlorure du groupe III, sont présentés dans la publication de demande de brevet US n° 2009/0 178 611 Al d'Arena et d'autres (publiée le 16 juillet 2009) et la publication de demande de brevet US n° 2009/0223442 Al d'Arena et d'autres (publiée le 10 septembre 2009). En utilisant le système HVPE 300 (figure 3A) ou le système HVPE 312 (figure 3B) exemplaire, le matériau à base de nitrure du groupe III 108 (de la figure 1B) peut être déposé à une température inférieure à environ 900 °C, ou inférieure à environ 600 °C, ou même inférieure à environ 400 °C. De plus, la pression dans la chambre de réaction de HVPE 302 (ou 302') peut être inférieure à environ 760 Torr pendant le dépôt du matériau à base de nitrure du groupe III 108. Dans d'autres modes de réalisation, un débit du précurseur au chlorure du groupe III dans le système HVPE 300 (figure 3A) ou le système HVPE 312 (figure 3B) peut être sensiblement réduit pour déposer la couche de ti 2968678 17 nitrure du groupe III 108 ayant une concentration réduite d'espèce chlorée. Dans les modes de réalisation dans lesquels le système HVPE 300 montré sur la figure 3A est utilisé 5 pour déposer le matériau à base de nitrure du groupe III 108, une ou plusieurs espèces contenant du chlore peuvent être introduites par l'entrée 308 et passées sur et/ou à travers la source du groupe III 304 chauffée. La source du groupe III 304 chauffée peut 10 comprendre du gallium liquide, utilisé pour fournir un précurseur au chlorure du groupe III, par exemple un précurseur au chlorure de gallium, au substrat de croissance non natif 100. Par exemple, le débit d'une espèce chlorée sur la source du groupe III 304 peut 15 être inférieur à environ 100 cm3 standard par minute (sccm) et, plus particulièrement, entre environ 50 sccm et environ 25 sccm. A titre d'exemple et non de limitation, le précurseur au chlorure du groupe III, tel que le chlorure de gallium, peut être introduit 20 vers le substrat de croissance non natif 100 à un débit inférieur à environ 25 sccm et, plus particulièrement, entre environ 10 sccm et environ 1 sccm. Dans les modes de réalisation dans lesquels le système HVPE 312 montré sur la figure 3B est utilisé 25 pour déposer le matériau à base de nitrure du groupe III 108, une ou plusieurs espèces de gaz porteur, telles qu'un ou plusieurs de l'hydrogène, de l'hélium, de l'azote et de l'argon, peuvent être introduites par l'entrée 318 et peuvent être passées sur et/ou à 30 travers la source du groupe III 314 chauffée (par exemple, le trichlorure de gallium liquide) pour produire un précurseur au chlorure du groupe III (vapeur de trichlorure de gallium et/ou de monochlorure de gallium). Le précurseur du groupe III peut être 35 introduit vers le substrat de croissance non natif 100 dans la chambre de réaction 302'. Des procédés de l'invention peuvent comprendre un faible débit d'une ou de plusieurs espèces de gaz porteur sur et/ou à travers la source du groupe III 314. Par exemple, le débit d'une ou de plusieurs espèces de gaz porteur sur et/ou à travers la source du groupe III 314 peut comprendre un débit inférieur à environ 0,10 slm, ou inférieur à environ 0,05 slm, ou même inférieur à environ 0,02 slm. Des procédés des modes de réalisation de l'invention pour fournir un faible débit d'un précurseur au chlorure du groupe III au substrat de croissance non natif 100 peuvent également comprendre la régulation de la température de la source du groupe III 314 par l'intermédiaire de la cuve externe 316. La température de la source du groupe III 314 peut modifier la viscosité de la source du groupe III 314 et, en conséquence, la quantité de précurseur au chlorure du groupe III qui est incorporée dans le gaz porteur en circulation. Par exemple, la température de la source du groupe III 314 peut être inférieure à environ 250 °C, inférieure à environ 150 °C, ou même inférieure à environ 100 °C. En outre, une pression sur la source du groupe III 314 dans la cuve 316 peut être régulée pour obtenir un faible débit d'un précurseur au chlorure du groupe III vers le substrat de croissance non natif 100. Par exemple, la pression dans la cuve externe 316 peut être régulée en utilisant un régulateur de contre-pression 324, qui peut à son tour modifier un débit auquel le précurseur au chlorure du groupe III est incorporé dans le gaz porteur en circulation. Par exemple, la pression sur la source du groupe III 314 dans la cuve 316 peut être inférieure à environ 1000 Torr et, plus particulièrement, peut être entre environ 500 Torr et environ 200 Torr.
D'autres modes de réalisation de l'invention peuvent comprendre l'obtention d'un faible débit d'un précurseur au chlorure du groupe III vers le substrat de croissance non natif 100 en utilisant un régulateur de débit massique 326 pour mesurer le débit des espèces gazeuses à travers celui-ci. Le régulateur de débit massique 326 peut être étalonné pour l'espèce de chlorure du groupe III sortant de la cuve externe 316. En continuant de faire référence aux figures 3A et 3B, le système HVPE 300 et le système HVPE 312 peuvent également être utilisés pour déposer le matériau à base de nitrure du groupe III 108 ayant une concentration réduite d'espèce chlorée en prévoyant un débit élevé d'un ou de plusieurs précurseurs du groupe V (par exemple, l'ammoniac (NH3) et/ou l'azote (N2)). Par exemple, lesdits un ou plusieurs précurseurs du groupe V, tels que l'ammoniac ou l'azote, peuvent être introduits par l'entrée 310 (ou 310'). Lesdits un ou plusieurs précurseurs du groupe V peuvent être introduits à un débit supérieur à 1 slm, supérieur à 10 slm, ou même supérieur à 100 slm. Un rapport entre le précurseur au chlorure du groupe III (par exemple, le chlorure de gallium) et le précurseur du groupe V (par exemple, l'ammoniac) introduits vers le substrat de croissance non natif 100 peut être inférieur à environ 1000, inférieur à environ 500, ou même inférieur à environ 100. En faisant référence de nouveau à la figure 1B, le matériau à base de nitrure du groupe III 108 peut être formé de manière à avoir une épaisseur moyenne dl. L'épaisseur moyenne dl peut être telle que, pendant les traitements suivants, la surface supérieure 102 du substrat de croissance non natif 100 reste dissimulée. Par exemple, le matériau à base de nitrure du groupe III 108 peut être formé de manière à avoir une épaisseur moyenne dl supérieure à environ 10 nm, supérieure à 50 nm, ou même supérieure à 100 nm. Le matériau à base de nitrure du groupe III 108 peut également être formé avec une épaisseur moyenne d1 de sorte qu'un matériau à base de nitrure du groupe III 108 sensiblement continu puisse être formé sur la surface supérieure 102 du substrat de croissance non natif 100. Les structures 120 et 122, telles que montrées sur la figure 1C et la figure 1D, illustrent un exemple non limitatif de la formation d'un matériau de nucléation 110 (de la figure 1D). Le matériau de nucléation 110 peut être formé en traitant thermiquement le matériau à base de nitrure du groupe III 108 de la figure 1B.
Ainsi, le matériau de nucléation 110 peut comprendre au moins une couche d'un matériau à base de nitrure du groupe III, tel que du nitrure de gallium. La figure 1C illustre la structure 120, comprenant le matériau à base de nitrure du groupe III 108, à une étape intermédiaire dans le processus de traitement thermique. La figure 1D illustre la structure 122, comprenant le matériau de nucléation 110, à la fin du processus de traitement thermique. Un ou plusieurs changements structurels et/ou chimiques peuvent être apportés au matériau à base de nitrure du groupe III 108 pendant le processus de traitement thermique, comme illustré sur la figure 1C. Par exemple, à une étape intermédiaire du processus de traitement thermique, une taille de la pluralité de structures cristallines de type wurtzite 112 dans le matériau à base de nitrure du groupe III 108 peut être augmentée. Sur la figure 1C, les frontières de la pluralité de régions cristallines de type wurtzite 112 avant le traitement thermique de la structure 106 sont représentées par des traits en pointillés et les frontières de la pluralité de régions cristallines de type wurtzite 112 après modification par le traitement thermique sont représentées par des traits pleins. Comme montré sur la figure 1C, le traitement thermique du matériau à base de nitrure du groupe III 108 résulte en la croissance des régions cristallines de type wurtzite 112. Cette croissance peut s'effectuer alors que les atomes dans le matériau à base de nitrure métallique amorphe 118 sont incorporés dans les réseaux cristallins des régions cristallines de type wurtzite 112. Par exemple, la croissance des régions cristallines de type wurtzite 112 peut être continue jusqu'à ce qu'une coalescence se produise pour former un matériau de nucléation 110 continu.
De plus, une étape intermédiaire de traitement thermique du matériau àbase de nitrure du groupe III 108 peut comprendre une augmentation de la taille de la pluralité de régions cristallines non alignées 116. Sur la figure 1C, les frontières de la pluralité de régions cristallines non alignées 116 sont représentées par des traits en pointillés (de la figure 1C) et les frontières de la pluralité de régions cristallines non alignées 116 après le traitement thermique sont représentées par des traits pleins. Comme montré sur la figure 1C, le traitement thermique du matériau à base de nitrure du groupe III 108 résulte en une croissance des régions cristallines non alignées 116. Cette croissance peut se produire alors que les atomes dans le matériau à base de nitrure métallique amorphe 118 sont incorporés dans les réseaux cristallins des régions cristallines non alignées 116. De plus, une étape intermédiaire de traitement thermique du matériau à base de nitrure du groupe III 108 peut comprendre une réduction de la quantité de matériau à base de nitrure métallique amorphe 118 dans le matériau à base de nitrure du groupe III 108. Le matériau cristallographiquement non aligné avec le substrat (c'est-à-dire, le matériau à base de nitrure métallique amorphe 118 et les régions cristallines non alignées 116) est moins stable que le matériau qui est cristallographiquement aligné avec le substrat. Pendant un recuit, le matériau moins stable cristallographiquement non aligné peut s'évaporer plus facilement que le matériau aligné et peut être redéposé sur le matériau aligné - le matériau aligné agissant en tant que modèle. Par conséquent, le matériau redéposé se conforme à la structure cristalline du matériau aligné sous-jacent. Il convient également de noter qu'une étape intermédiaire de traitement thermique du matériau à base de nitrure du groupe III 108 peut également résulter en le matériau à base de nitrure du groupe III 108 comprenant la surface non plane 124 (à l'échelle atomique), comme illustré sur la figure 1C. Un ou plusieurs changements structurels et/ou chimiques peuvent se produire dans le matériau à base de nitrure du groupe III 108 à la fin du traitement thermique du matériau à base de nitrure du groupe III 108. Par exemple, le traitement thermique du matériau à base de nitrure du groupe III 108 (de la figure 1B) peut être utilisé pour former le matériau de nucléation 110 de la figure 1D. Dans certains modes de réalisation, le matériau de nucléation 110 peut être formé par une croissance des régions cristallines de type wurtzite 112 en une couche cristalline de type wurtzite sensiblement continue pendant le processus de traitement thermique. En tant qu'exemple non limitatif, le matériau de nucléation 110 peut être formé adjacent à la surface supérieure 102 du substrat de croissance non natif 100 ou peut être disposé directement sur celle-ci. De plus, le matériau de nucléation 110 comprenant la couche cristalline de type wurtzite sensiblement continue peut être cristallographiquement aligné avec la surface supérieure 102 du substrat de croissance non natif 100. Le trait en pointillés (de la figure 1D) représente une frontière de la pluralité de régions cristallines de type wurtzite 112 avant traitement thermique de la structure 106 et le trait plein représente une frontière du matériau de nucléation de nitrure du groupe III 110 comprenant la couche cristalline de type wurtzite sensiblement continue formée par traitement thermique de la structure 106. Comme examiné précédemment, la couche cristalline de type wurtzite sensiblement continue peut être formée pendant un traitement thermique en conséquence de l'incorporation des atomes du matériau à base de nitrure métallique amorphe 118 dans le matériau à base de nitrure du groupe III 108 dans les structures de réseau cristallin des régions cristallines de type wurtzite 112.
La formation du matériau de nucléation 110 peut également comprendre la dissimulation de la surface supérieure 102 des substrats de croissance non natifs 100. La dissimulation de la surface supérieure 102 du substrat de croissance non natif 100 peut protéger la surface supérieure 102 du substrat de croissance non natif 100 des espèces chlorées dans la chambre de réaction de HVPE 302 (figure 3A) et 302' (figure 3B). La protection de la surface supérieure 102 de la surface de croissance non native 100 peut aider à réduire (c'est-à-dire, empêcher) une délamination et/ou une fissuration du matériau de nucléation 110. De plus, la protection de la surface supérieure 102 de la surface de croissance non native 100 peut aider à réduire (c'est-à-dire, empêcher) une délamination et/ou ' une fissuration des couches de nitrure du groupe III suivantes formées sur le matériau de nucléation 110. Comme mentionné ci-dessus, pendant le processus de traitement thermique, le matériau à base de nitrure métallique amorphe 118 du matériau à base de nitrure du groupe III 108 peut être converti en un matériau cristallin. Par exemple,.. une partie du. matériau à base de nitrure métallique amorphe 118 du matériau à base de nitrure du groupe III 108 peut être convertie en un matériau cristallin de type wurtzite. Par exemple, une quantité du matériau à base de nitrure métallique amorphe 118 dans le matériau à base de nitrure du groupe III 108 peut être incorporée dans les régions cristallines de type wurtzite 112 du matériau de nucléation 110, qui est cristallographiquement aligné avec la surface supérieure 102 du substrat de croissance non natif 100. De plus, le traitement thermique du matériau à base de nitrure du groupe III 108 (de la figure 1B) et, plus particulièrement, le traitement thermique de la pluralité de régions cristallines non alignées 116, peut résulter en une conversion de la pluralité des régions cristallines non alignées 116 du matériau à base de nitrure du groupe III 108 en un matériau cristallin aligné. Autrement dit, les atomes des régions cristallines non alignées 116 peuvent être incorporés dans les régions cristallines de type wurtzite thermodynamiquement plus stables 112, et, ainsi, dans le, matériau de nucléation 110, qui est aligné avec la surface supérieure 102 du substrat de croissance non natif 100. Comme montré sur la figure 1D, une surface 126 du matériau de nucléation 110 peut être sensiblement non plane à l'échelle atomique. Par exemple, la surface 126 sensiblement non plane peut comprendre une pluralité de facettes de cristaux 128, certaines de celles-ci pouvant être orientées selon des angles par rapport à la surface supérieure 102 du substrat de croissance 100, et certaines de celles-ci pouvant être orientées dans le plan de la surface supérieure 102 du substrat de croissance 100. Dans certains modes de réalisation, des dislocations dans le matériau de nucléation 110, telles que les dislocations traversantes 114 et 114', peuvent croiser les facettes de cristaux 128.
En plus desdites une ou plusieurs modifications structurelles qui peuvent résulter du traitement thermique du matériau à base de nitrure du groupe III 108 (de la figure 1B), le traitement thermique du matériau à base de nitrure du groupe III 108 peut également résulter en une modification chimique d'une partie ou de la totalité du matériau de nucléation 110. Par exemple, des modes de réalisation des procédés de l'invention peuvent comprendre la sélection d'un ou de plusieurs paramètres de traitement thermique de sorte que le traitement thermique du matériau à base de nitrure du groupe III 108 comprenne la réduction d'une concentration d'espèce chlorée dans le matériau de nucléation 110 formé à partir de celui-ci. Lesdits un ou plusieurs paramètres de traitement thermique peuvent également être sélectionnés de sorte que la surface supérieure 102 du substrat de croissance non natif 100 reste sensiblement dissimulée. Une dissimulation sensible de la surface supérieure du substrat de croissance non natif 100 peut protéger sensiblement la surface supérieure 102 des espèces chlorées. Par exemple, une dissimulation de la surface supérieure 102 du substrat de croissance non natif 100 peut assurer une protection contre les espèces chlorées dans un système HVPE, tel que le système HVPE 300 ou le système HVPE 312, comme illustré sur la figure 3A et la figure 3B, respectivement. Comme noté précédemment, la réduction de la concentration d'espèce chlorée dans le matériau de nucléation 110 peut réduire (c'est-à-dire, empêcher) une délamination et/ou une fissuration du matériau de nucléation 110 et peut réduire (c'est-à-dire, empêcher) une délamination et/ou une fissuration des couches de nitrure du groupe III suivantes formées sur le matériau de nucléation 110. Une réduction de la concentration d'espèce chlorée dans le matériau de nucléation 110 peut comprendre la sélection d'un ou de plusieurs paramètres pour traiter thermiquement le matériau à base de nitrure du groupe III 108 utilisé pour former le matériau de nucléation 110. Un traitement thermique du matériau à base de nitrure du groupe III 108 peut comprendre un recuit du matériau à base de nitrure du groupe III 108 (de la figure 1B) dans des conditions contrôlées dans un environnement contrôlé. Par exemple, le matériau à base de nitrure du groupe III 108 peut être recuit en exposant la structure 106 (figure 1B) à une température plus élevée dans un système HVPE, tel que le système HVPE 300 ou le système HVPE 312 (figures 3A et 3B). Lesdits un ou plusieurs éléments chauffants 306 et 306', des systèmes HVPE 300 et 312 respectifs, peuvent fournir l'énergie thermique pour le recuit. La couche de nitrure du groupe III 108 peut être déposée et recuite in situ dans le système HVPE 300, 312 pour supprimer un déplacement de la structure 106 entre les différents systèmes de traitement. Le matériau de nucléation 110 peut être recuit en exposant le matériau à base de nitrure du groupe III 108 (de la figure 1B) à une température inférieure à environ 900 °C, inférieure à environ 700 °C, ou même inférieure à environ 600 °C. Par exemple, le matériau à base de nitrure du groupe III 108 peut être recuit pendant une période inférieure à vingt minutes (20 mn), inférieure à dix minutes (10 mn), ou même inférieure à cinq minutes (5 mn).
D'autres procédés de modes de réalisation de l'invention peuvent comprendre la réduction de la concentration d'espèce chlorée dans le matériau de nucléation 110 en exposant le matériau à base de nitrure du groupe III 108 à un gaz comprenant un composé ou un matériau qui se lie aux espèces chlorées, les absorbe ou les adsorbe (c'est-à-dire, un « piège à gaz » pour les espèces chlorées). A titre d'exemple et non de limitation, les pièges à gaz pour le chlore peuvent comprendre des radicaux d'hydrogène (par exemple, des radicaux NHx), de l'hydrogène (H2) et de la dihydralazine (N2H4). Par exemple, le matériau à base de nitrure du groupe III 108 (de la figure 1B) peut être exposé à une atmosphère comprenant de l'ammoniac (NH3), et l'ammoniac peut agir en tant que piège à gaz pour le chlore. Le piège à gaz peut retirer au moins une partie des espèces chlorées du matériau à base de nitrure du groupe III 108. Par exemple, après un dépôt du matériau à base de nitrure du groupe III 108 dans le système HVPE 300 ou 312, l'ammoniac (NH3) peut être introduit dans le système HVPE 300 ou 312 chauffé) à un débit supérieur à 1 slm, supérieur à 10 slm, ou même supérieur à 100 slm. Dans d'autres modes de réalisation, une pression à laquelle la couche de nitrure du groupe III 108 est recuite, par exemple, la pression dans le système HVPE 300 ou 312, peut être sélectionnée pour réduire la concentration d'espèce chlorée dans le matériau de nucléation 110. Dans les modes de réalisation dans lesquels le matériau à base de nitrure du groupe III 108 est recuit dans la chambre de réaction 102 du système HVPE 300 ou 312, la pression dans la chambre de réaction 102 peut être une pression inférieure à 700 Torr, inférieure à 200 Torr, ou même inférieure à 10 Torr.
Les procédés de l'invention pour réduire la concentration en chlore dans le matériau de nucléation 110 peuvent en outre comprendre la réduction de la concentration d'espèce chlorée à proximité de la surface 126 du matériau de nucléation 110 (de la figure 1D) à moins de 5 x 1019 cm-3, moins de 5 x 1018 cm-3, ou même moins de 5 x 1017 cm-3. En particulier, certains modes de réalisation de procédés de l'invention peuvent comprendre une réduction de la concentration d'espèce chlorée à proximité de l'interface entre le matériau de nucléation 110 (de la figure 1D) et le substrat de croissance non natif 100 à moins de 5 x 1019 cm-3, moins de 5 x 1018 cm-3, ou même moins de 5 x 1017 cm-3. Comme montré sur les figures lE et 1F, un matériau à base de nitrure du groupe III 132 supplémentaire peut être formé sur le matériau de nucléation 110 pour former respectivement les structures 130 et 140. Le matériau à base de nitrure du groupe III 132 peut comprendre, par exemple, une couche d'un matériau à base de nitrure du groupe III, telle que le nitrure de gallium. Le matériau à base de nitrure du groupe III 132 supplémentaire peut comprendre une région de nitrure du groupe III latérale 132' et une région de nitrure du groupe III massive 132", comme cela sera décrit plus en détail. La figure lE illustre la formation de la région de nitrure du groupe III latérale 132', tandis que la figure 1F illustre la formation de la région de nitrure du groupe III massive 132".
Des procédés pour former le matériau à base de nitrure du groupe III 132 supplémentaire peuvent utiliser un ou plusieurs paramètres de formation de sorte que la surface supérieure 102 du substrat de croissance non natif 100 reste sensiblement dissimulée. Par exemple, la surface supérieure 102 du substrat de croissance non natif 100 peut rester sensiblement dissimulée par le matériau de nucléation 110 de sorte que la surface supérieure 102 ne soit pas exposée à d'autres espèces chlorées. En faisant référence à la figure 1E, la formation du matériau à base de nitrure du groupe III 132 sur le matériau de nucléation 110 peut consister à provoquer une croissance du matériau de nucléation 110 dans la direction latérale par rapport à la surface supérieure 102 du substrat de croissance 100. Cette croissance latérale peut être établie en sélectionnant les conditions de croissance pour favoriser un ajout de matériau aux facettes de cristaux 128 qui sont orientées selon des angles par rapport à la surface supérieure 102 du substrat de croissance 100 par rapport à un ajout de matériau aux facettes de cristaux 128 orientées parallèlement à la surface supérieure 102, comme examiné plus en détail ci-dessous. La croissance latérale du matériau de nucléation 110 peut se produire en conséquence de la cristallisation du matériau à base de nitrure métallique amorphe 118 entourant le matériau de nucléation 110. Alors que la croissance latérale progresse, le matériau à base de nitrure métallique amorphe 118 peut être converti en un matériau cristallin ayant sensiblement la même structure de réseau cristallin que le matériau de nucléation 110. La croissance latérale peut commencer à partir des facettes de cristaux inclinées 128, et peut progresser dans les directions latérales, comme illustré par les flèches de direction 134 de la figure 1E. La croissance latérale à partir des facettes de cristaux inclinées 128 peut s'effectuer jusqu'à leur coalescence pour former la région de nitrure du groupe III latérale 132'. Par exemple, la région de nitrure du groupe III latérale 132' formée par la croissance latérale du matériau de nucléation 110 peut comprendre une surface supérieure sensiblement plane 136. A titre d'exemple et non de limitation, un processus de croissance verticale et latérale peut être appliqué en utilisant un processus de dépôt classique, par exemple, pour des traitements MOCVD, ou HVPE. Des exemples de ces traitements de dépôt sont présentés dans le brevet US n° 6 325 850 de Beaumont et d'autres (date du brevet 4 décembre 2001) et également dans Phys. Stats. Sol (c) 3, n° 6 1750 - 1753 (2006). Généralement, la vitesse relative de la croissance latérale par rapport à celle de la croissance verticale peut être influencée par la température de croissance, le rapport entre le précurseur du groupe V et le précurseur du groupe III dans les gaz de processus, la composition des espèces de gaz porteur, et la pression dans la chambre de réaction. Par exemple, une croissance latérale peut être améliorée par au moins l'un de températures de dépôt plus élevées, d'un rapport plus élevé entre les précurseurs du groupe V et les précurseurs du groupe III, d'un rapport entre le N2 et le H2 plus élevé, et de pressions de dépôt réduites, par exemple, d'environ une atmosphère (1 atm) ou moins.
Une croissance latérale à partir de la pluralité de facettes de cristaux inclinées 128 peut autrement comprendre une flexion de la direction de propagation d'une pluralité de dislocations. Lorsque le matériau est converti entièrement en cristaux, les défauts se propageront dans le matériau à base de nitrure métallique amorphe 118 et les régions cristallines non alignées 116 sont évaporées et redéposées. Le défaut peut avoir tendance à fléchir vers une surface de faible énergie pour réduire l'énergie du système, la surface de faible énergie étant la surface du substrat de croissance 100. Comme illustré sur la figure 1E, une croissance latérale à partir de la pluralité de facettes latérales de cristaux 128 orientées peut favoriser une flexion de la direction de propagation de la dislocation 114 et de la dislocation 114'. Pour favoriser une flexion de la direction de propagation d'une pluralité de dislocations, il est possible de favoriser une réduction de la dislocation par une interception de la dislocation et un anéantissement de la dislocation. La réduction de la densité de dislocations dans le matériau à base de nitrure du groupe III 132 supplémentaire par une flexion de la propagation de la pluralité de dislocations peut comprendre la formation du matériau à base de nitrure du groupe III 132 supplémentaire ayant une densité de dislocations traversantes au niveau d'une surface principale exposée de celui-ci inférieure à 5 x 109 cm-2, inférieure à 5 x 10$ cm-2, ou même inférieure à 1 x 10' cm-2.
Comme illustré sur la figure 1F, le matériau à base de nitrure du groupe III 132 supplémentaire peut en outre comprendre une région de nitrure du groupe III massive 132". La région de nitrure du groupe III massive 132" peut être formée, par exemple, par un processus HVPE classique. A titre d'exemple et non de limitation, la région de nitrure du groupe III massive 132" peut être formée avec une épaisseur d2 supérieure à environ 10 microns, supérieure à 50 microns, ou même supérieure à 100 microns. On devrait également apprécier que des procédés de l'invention peuvent t. 2968678 32 comprendre le dépôt de la région de nitrure du groupe III massive 132" de sorte que la structure 140 de la figure 1F puisse être sensiblement exempte de fissures structurelles et de régions délaminées du matériau à 5 base de nitrure du groupe III 132. D'autres modes de réalisation de l'invention sont décrits ci-dessous avec référence aux figures 2A à 2F. Les modes de réalisation illustrés sur les figures 2A à 2F sont sensiblement similaires à ceux décrits 10 précédemment avec référence aux figures 1A à 1F. Dans les modes de réalisation des figures 2A à 2F, cependant, le matériau de nucléation 210 peut être formé à partir d'une ou de plusieurs couches de nitrure du groupe III, chacune d'elles pouvant être soumise à 15 un traitement thermique. Par exemple, la formation d'un matériau de nucléation 210 continu peut comprendre la répétition une ou plusieurs fois des actions de (1) dépôt d'une couche de nitrure du groupe III (comme décrit ici précédemment), et (2) de traitement 20 thermique de la couche de nitrure du groupe III (comme décrit ici précédemment). La couche de nucléation de nitrure du groupe III formée à partir desdites une ou plusieurs couches de matériau à base de nitrure du groupe III traitées thermiquement (par exemple, les 25 couches de matériau à base de nitrure du groupe III) des autres modes de réalisation de l'invention peut avoir une concentration réduite d'espèce chlorée dans celle-ci. Plus en détail, les figures 2A à 2F illustrent des 30 modes de réalisation supplémentaires des procédés de l'invention pour former une couche de nucléation 210 continue (figure 2D) comprenant une ou plusieurs couches d'un matériau à base de nitrure du groupe III, telles que les couches de nitrure du groupe III 208a et 35 208b des figures 2A et 2C, respectivement.
La figure 2A illustre une structure 206 comprenant un substrat de croissance non natif 200 et une couche de nitrure du groupe III 208a. Le substrat de croissance non natif 200 peut être généralement similaire au substrat de croissance non natif 100 de la figure 1A, et peut comprendre, par exemple, un substrat de croissance en saphir plan-c. La couche de nitrure du groupe III 208a peut être généralement similaire au matériau à base de nitrure du groupe III 108 de la figure 1B, et peut comprendre une pluralité de régions cristallines de type wurtzite 212, une pluralité de régions cristallines non alignées 216, et un matériau à base de nitrure métallique amorphe 218, comme illustré sur la figure 2A. Les procédés pour former la couche de nitrure du groupe III 208a peuvent être généralement similaires à ceux décrits ci-dessus pour le matériau à base de nitrure du groupe III 108 de la figure 1B. Des procédés des autres modes de réalisation de l'invention peuvent comprendre la formation de la couche de nitrure du groupe III 208a en une épaisseur moyenne d'environ 100 nm ou moins, d'environ 50 nm ou moins, ou même d'environ 10 nm ou moins. En tant qu'exemple non limitatif, la couche de nitrure du groupe III 208a (de la figure 2A) peut être formée en une épaisseur moyenne d3 entre environ 10 nm et environ 50 nm. En général, l'épaisseur moyenne de chacune desdites une ou plusieurs couches de nitrure du groupe III utilisées pour former le matériau de nucléation 210 peut être inférieure à l'épaisseur d1 du matériau de nucléation 110 de la figure 1B. Une réduction de l'épaisseur desdites une ou plusieurs couches de nitrure du groupe III 208a et 208b utilisées pour la formation du matériau de nucléation 210 peut en outre réduire la concentration d'espèce chlorée dans le matériau de nucléation 210 formé à partir de celles-ci. Comme décrit ici, la réduction de la concentration d'espèce chlorée dans la couche de nucléation de nitrure du groupe III peut réduire (c'est-à-dire, empêcher) une délamination et/ou une fissuration dans le matériau de nucléation 210 et dans le matériau à base de nitrure du groupe III supplémentaire (par exemple, les couches de matériau à base de nitrure du groupe III) formé sur celui-ci.
Des procédés des autres modes de réalisation de l'invention peuvent en outre comprendre le traitement thermique de chacune desdites une ou plusieurs couches parmi les couches de nitrure du groupe III 208a et 208b, en utilisant des systèmes et des procédés tels que décrits ci-dessus. En général, le traitement thermique ,desdites une ou plusieurs couches parmi les couches de nitrure du groupe III 208a et 208b peut résulter en des changements structurels et/ou chimiques généralement similaires dans lesdites une ou plusieurs couches parmi les couches de nitrure du groupe III 208a et 208b tels que vus dans le matériau de nucléation 110. En général, le traitement thermique desdites une ou plusieurs couches de nitrure du groupe III peut comprendre une réduction de la concentration en chlore dans le matériau de nucléation 210 à moins de 5 x 1019 cm-3, ou moins de 5 x 1018 cm-3, ou même 5 x 1017 cm-3. De plus, le traitement thermique de chacune desdites une ou plusieurs couches de matériau à base de nitrure du groupe III peut former un matériau à base de nitrure du groupe III discontinu. Par exemple, la figure 2B illustre la couche de nitrure du groupe III traitée thermiquement 208a' sur une surface supérieure 202 du substrat de croissance non natif 200. Le traitement thermique de la couche de nitrure du groupe III 208a' peut former une couche de nitrure du groupe III 208a' discontinue sur la surface supérieure 202 du substrat de croissance non natif 200. Lesdites une ou plusieurs couches de matériau à base de nitrure du groupe III, telles que, par exemple, la couche de nitrure du groupe III 208a (de la figure 2A), peuvent être formées en une épaisseur d3, où l'épaisseur d3 peut être telle que pendant les procédés suivants des modes de réalisation de l'invention, la surface supérieure 202 du substrat de croissance non natif 200 peut être exposée, résultant en des régions exposées de la surface supérieure 202 du substrat de croissance non natif 200. La figure 2C illustre une structure 220 comprenant le substrat de croissance non natif 200 et une ou plusieurs des couches du matériau à base de nitrure du groupe III, comprenant les couches de nitrure du groupe III traitées thermiquement 208a' et la couche de nitrure du groupe III 208b. La couche de nitrure du groupe III 208b peut être formée sur la couche de nitrure du groupe III traitée thermiquement 208a' (de la figure 2D) en utilisant des procédés tels que décrits ci-dessus et peut être formée en une épaisseur moyenne d'environ 100 nm ou moins, d'environ 50 nm ou moins, ou même d'environ 10 nm ou moins, comme décrit précédemment. Lesdites une ou plusieurs couches parmi les couches de nitrure du groupe III, telles que la couche de nitrure du groupe III 208b, peuvent également être traitées thermiquement lors de la formation de chaque couche supplémentaire du matériau à base de nitrure du groupe III, comme montré sur la figure 2D en utilisant des procédés tels que décrits précédemment. Les procédés de formation et de traitement thermique peuvent être répétés jusqu'à ce qu'un matériau de nucléation 210 continu comprenant une couche cristalline de type wurtzite continue puisse être formé sur la surface supérieure 202 du substrat de croissance non natif 200. La figure 2D illustre la structure 222 comprenant le substrat de croissance non natif 200 et le matériau de nucléation 210 continu formé à partir desdites une ou plusieurs couches de nitrure du groupe III traitées thermiquement. Le matériau de nucléation 210 continu peut comprendre une couche cristalline de type wurtzite continue, comme décrit ci-dessus, où la couche cristalline de type wurtzite continue peut être prévue adjacente à la surface supérieure 202 du substrat de croissance non natif 200 et où le matériau de nucléation 210 comprenant une couche cristalline de type wurtzite continue peut également être aligné cristallographiquement avec la structure cristalline de la surface supérieure 202 du substrat de croissance non natif 200. Des procédés des autres modes de réalisation de l'invention peuvent comprendre la formation d'un matériau à base de nitrure du groupe III 232 supplémentaire (par exemple, une couche de nitrure de gallium) sur le matériau de nucléation 210, en utilisant sensiblement les mêmes procédés que ceux décrits précédemment en relation avec les figures lE et 1F. En résumé, le matériau à base de nitrure du groupe III 232 supplémentaire peut être formé sur le matériau de nucléation 210 en lançant une croissance d'un matériau cristallin dans une direction latérale (c'est- à-dire, une croissance latérale) à partir de la pluralité de facettes de cristaux 228 inclinées pour former la région de nitrure du groupe III latérale 232'. Comme examiné précédemment, la croissance latérale peut se produire alors que le matériau à base de nitrure métallique amorphe 218 entourant le matériau de nucléation 210 est converti en un matériau cristallin ayant sensiblement la même structure de réseau cristallin que le matériau de nucléation 210. La croissance latérale peut débuter à partir des facettes de cristaux 228 inclinées et progresser dans une direction latérale, comme illustré par les flèches de direction 234 de la figure 2E, jusqu'à ce qu'une croissance latérale à partir de la pluralité de facettes de cristaux 228 inclinées soit coalescente pour former la région de nitrure du groupe III latérale 232', et que la région de nitrure du groupe III latérale 232' ait une surface supérieure 236 sensiblement plane. Une croissance latérale à partir de la pluralité de facettes latérales de cristaux 228 orientées peut en outre comprendre une flexion d'un certain nombre de dislocations, telles que des dislocations traversantes 214 et 214' et l'annihilation d'un certain nombre des dislocations traversantes 214 et 214' comme décrit précédemment.
Des procédés de modes de réalisation de l'invention peuvent en outre comprendre la formation d'une couche de nitrure du groupe III 232 supplémentaire comprenant une région de nitrure du groupe III massive 232", comme illustré sur la figure 2F. Le dépôt de la région de nitrure du groupe III massive 232" peut en outre comprendre le dépôt de la région de nitrure du groupe III massive 232" en une épaisseur d2 supérieure à environ 5 microns, supérieure à environ 10 microns, ou même supérieure à 50 microns.
On devrait également apprécier que des procédés de l'invention peuvent comprendre le dépôt de la région de nitrure du groupe III massive 232" de sorte que la structure 226 de la figure 2F puisse être sensiblement exempte de fissures structurelles et de régions de matériau à base de nitrure du groupe III délaminé.
Les divers modes de réalisation de l'invention peuvent également comprendre des structures et, plus spécifiquement, des structures semi-conductrices à base de nitrure du groupe III. Par exemple, la figure 1B illustre la structure semi-conductrice à base de nitrure du groupe III 106 comprenant une couche métallique 108 sensiblement continue sur la surface supérieure 102 du substrat de croissance non natif 100. La couche de nitrure du groupe III 108 sensiblement continue peut comprendre une pluralité de régions cristallines de type wurtzite 112 adjacentes à la surface supérieure 102 du substrat de croissance non natif 100 et la pluralité de régions cristallines de type wurtzite 112 peuvent être alignées de manière sélective cristallographiquement avec la structure cristalline de la surface supérieure 102 du substrat de croissance non natif 100. La structure semi-conductrice au nitrure du groupe III 106 peut également comprendre un matériau à base de nitrure métallique amorphe 118, le matériau à base de nitrure métallique amorphe 118 enveloppant la pluralité de régions cristallines de type wurtzite 112. De plus, la structure semi-conductrice au nitrure du groupe III 106 peut également comprendre une pluralité de régions cristallines non alignées 116, la pluralité de structures cristallines non alignées étant disposées dans le matériau à base de nitrure métallique amorphe 118. Dans certains modes de réalisation de l'invention, le substrat de croissance non natif 100 de structure semi-conductrice au nitrure du groupe III 100 peut comprendre sensiblement de l'oxyde d'aluminium alpha (a-Al2O3), c'est-à-dire, du saphir. La surface supérieure 102, qui est la surface de croissance, du substrat de croissance non natif 100 peut également comprendre principalement du saphir. De plus, la pluralité de régions cristallines de type wurtzite 112, le matériau à base de nitrure métallique amorphe 118 et la pluralité de régions cristallines non alignées 116 peuvent être au moins sensiblement composés d'un ou de plusieurs du nitrure de gallium, du nitrure d'indium, du nitrure aluminium, et d'alliages de ceux-ci.
Les divers modes de réalisation de l'invention peuvent également comprendre des structures semi-conductrices à base de nitrure du groupe III similaires à la structure semi-conductrice au nitrure du groupe III 140 montrée sur la figure 1F. La structure semi- conductrice à base de nitrure du groupe III 140 peut comprendre un matériau de nucléation 110 sensiblement continu sur la surface supérieure 102 du substrat de croissance non natif 100. Le matériau de nucléation 110 continu peut lui-même comprendre une couche cristalline de type wurtzite continue alignée cristallographiquement avec la structure cristalline de la surface supérieure 102 du substrat de croissance non natif 100. La structure semi-conductrice au nitrure du groupe III 140 peut également comprendre le matériau à base de nitrure du groupe III 132 supplémentaire sur le matériau de nucléation 110 sensiblement continu. Dans certains modes de réalisation de l'invention, le substrat de croissance non natif 100 de la structure semi-conductrice à base de nitrure du groupe III 140 peut être au moins sensiblement composé d'oxyde d'aluminium alpha (a-Al2O3), c'est-à-dire, de saphir. La surface supérieure 102, qui est la surface de croissance, du substrat de croissance non natif 100 peut également être au moins sensiblement composée de saphir.
Le matériau de nucléation 110 sensiblement continu peut avoir une épaisseur moyenne supérieure à environ 10 nm, supérieure à environ 50 nm, ou même supérieure à environ 100 nm. De plus, le matériau de nucléation 110 sensiblement continu peut également comprendre une pluralité de facettes de cristaux inclinées 128 orientées selon un angle aigu supérieur à zéro par rapport à la surface supérieure 102 du substrat 100, et peut avoir une concentration d'espèce chlorée inférieure à environ 7 x 1019 cm-2.
Claims (13)
- REVENDICATIONS1. Procédé de formation d'un matériau à base de nitrure du groupe III sur un substrat de croissance, 5 consistant à : former une couche de nucléation de nitrure du groupe III sûr une surface d'un substrat de croissance non natif, consistant à : déposer une couche de nitrure du groupe III 10 comprenant une pluralité de structures cristallines de type wurtzite sur une surface supérieure du substrat de croissance non natif en utilisant un processus d'épitaxie en phase vapeur aux halogénures (HVPE) ; et traiter thermiquement la couche de nitrure du 15 groupe III ; et former une couche de nitrure du groupe III supplémentaire sur la couche de nucléation.
- 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel 20 le dépôt d'une couche de nitrure du groupe III comprenant une pluralité de structures cristallines de type wurtzite sur une surface supérieure du substrat de croissance non natif comprend le dépôt de la couche de nitrure du groupe III comprenant une pluralité de 25 structures cristallines de type wurtzite adjacentes à la surface supérieure du substrat de croissance non natif.
- 3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel 30 le traitement thermique de la couche de nitrure du groupe III comprend l'exposition de la couche de nitrure du groupe III à une température inférieure à environ 900 °C pour réduire une concentration d'une espèce chlorée dans la couche de nucléation de nitrure 35 du groupe III.
- 4. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le traitement thermique de la couche de nitrure du groupe III comprend l'introduction de la couche de nitrure du groupe III dans au moins un piège à gaz pour espèce chlorée pour réduire une concentration d'une espèce chlorée dans la couche de nucléation de nitrure du groupe III. 10
- 5. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le traitement thermique de la couche de nitrure du groupe III comprend la formation d'une couche cristalline de type wurtzite continue adjacente à la surface supérieure de la surface de croissance non 15 native, la couche cristalline de type wurtzite continue étant alignée cristallographiquement avec la surface supérieure du substrat de croissance non natif.
- 6. Procédé selon la revendication 1, dans lequel 20 le dépôt d'une couche de nitrure du groupe III comprend le dépôt de la couche de nitrure du groupe III ayant une épaisseur inférieure à environ 100 nm.
- 7. Procédé selon la revendication 1, dans lequel 25 la formation d'une couche de nucléation de nitrure du groupe III sur une surface d'un substrat de croissance non natif comprend la circulation d'un monochlorure du groupe III dans une chambre de réaction contenant le substrat de croissance non natif. 30
- 8. Structure, comprenant : une couche de nucléation de nitrure du groupe III s'étendant continûment sur une surface d'un substrat de croissance comprenant :une couche cristalline de type wurtzite alignée cristallographiquement avec la surface du substrat de croissance ; et une couche de nitrure du groupe III supplémentaire 5 sur la couche de nucléation de nitrure du groupe III continue.
- 9. Structure selon la revendication 8, dans laquelle la surface du substrat de croissance comprend 10 du saphir.
- 10. Structure selon la revendication 8, dans laquelle la couche de nucléation de nitrure du groupe III a une épaisseur supérieure à environ 100 nm.
- 11. Structure selon la revendication 8, dans laquelle la couche de nucléation de nitrure du groupe III comprend une pluralité de facettes latérales de cristaux orientées.
- 12. Structure selon la revendication 8, dans laquelle la couche cristalline de type wurtzite s'étend continûment sur la surface du substrat de croissance. 25
- 13. Structure selon la revendication 8, dans laquelle une concentration d'espèce chlorée dans la couche de nucléation de nitrure du groupe III est inférieure à environ 1 x 1019 atomes/cm2. 15 20
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