TW201126757A - Semipolar or nonpolar wurtzite group-III nitride layers and semiconductor components based thereon - Google Patents

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201126757 六、發明說明： 【先前技術】 第III族氮化物層一般在基板上以極性c軸定向生長。然 而，對於許多應用，很有趣的是將第m族氮化物層生長作 為極化降低或甚至非極性層。舉例而言，在光發射體之情 況下，則由於量子侷限斯塔克效應（quantum_confined Stark effect)降低因而預期較高之發光產額，且在saw(表 面聲波）元件之情況下，准許激發弱偶合表面波（SAW)，其 允許量測液體中之塗層厚度、吸收等。 到目則為止，僅有可能在自〇軸傾斜之r或m平面藍寶石 及六方晶系SiC基板（亦即a平面或m平面Sic基板）上生長該 等極化降低或未極化層。在便宜且易於工業處理之矽上生 長c平面GaN通常佔優勢。已展示使用專用過程控制形式 在Si(OOl)上生長高度刻紋之r平面GaN(F schulte，J.

Biasing，A. Dadgar及 A. Krost，Appl. phys. Lett. 84，4747 (2004)) ’但僅在由於出現四個同等較佳對準而不適用於應 用之表面之情況下。亦已展示可藉由對基板表面進行諸如 遮罩.、钮刻等之適當預處理而在結構化矽上達成極化降低 GaN(參見例如丑.1\4.丫3叩，11.3.八1111，1\丁311丨1^3，丫· Honda, M. Yamaguchi, N. Sawaki, J. Cryst. Growth 311, 2914 (2009)或 T. Tanikawa, D. Ruolph，T. Hikosada，Y_

Honda, M. Yamaguchi, N. Sawaki, J. Cryst. Growth 310, 4999 (2009)) 〇 到目前為止在不複雜構造之情況下將平面極化降低層直 150985.doc 201126757 接沈積於石夕基板上之努力尚不成功。關於此情況之一個原 因為在大多數閃辞礦或鑽石晶格物質之半導體表面上高溫 下生長之晶核形成層產生£：軸定向。 【發明内容】 本發明之第-態樣為包含基板及至少—個在該基板上生 長之半極性或非極性第III族氮化物層之層狀結構，其中 -第III族氮化物層具有纖維鋅礦晶體結構， -該基板具有為閃辞礦晶體結構或鑽石型晶體結構之晶體 結構，且其中 -第III族氮化物層生長於基板之宏觀平面表面上，該宏觀 平面表面與基板晶體結構之（111)表面傾斜成大於9度之角 度且用顯u鏡繞察時具有複數個藉由階梯彼此分離且具有 (111)表面之平台。 根據本發明，第ΙΠ族氮化物層之至少極化降低（亦即半 極性對準）係藉由使用Λ文所界定之基板表面中之一者而 達成。該等基板表面主要由一系列由階梯交替之平台組 成，其中該等平台具有穩定（111)表面及具有（001)表面之 階梯。根據本發明，在平台之（111)表面上S長具有c平面 定向之纖維鋅礦結構之第ΙΠ族氮化物層。在根據本發明之 層狀結構中，面向[0001]方向之第m族氮化物層之纖維鋅 礦結構軸與基板之閃鋅礦或鑽石型晶體結構之[111]方 向相符。因此，第ΙΠ族氮化物層之生長表面同樣相對於c 轴傾斜，或更確切地表現為傾斜亦界定基板表面相對於基 板晶體結構之（U1)表面傾斜之角度。然而，第ΠΙ族氮化 I50985.doc 201126757 物層相對於C軸之此傾斜生長表面極化降低，亦即半極性 或甚至非極性。 第III族氮化物層之生長表面平行於由宏觀平面基板表面 界定之平面。 現在應描述本發明層狀結構之實施例❶可將如下所述實 施例之額外特徵彼此組合形成其他實施例，其限制條件為 互不排除。 在本發明之範疇内，用顯微鏡觀察時基板表面具有高比 例之（111)定向平台（亦即解析度約丨奈米）之任何基板基本 上均適用於產生本發明之層狀結構。重要的是，此等平台 不會僅形成階梯邊緣’且具有在一個平面中之至少三個鄰 近表面原子之表面’且因此可辨別該表面之單元晶格之三 重對稱。 备在第IV族半導體之表面上，例如在其（2 11)或（322)表 面上生長層狀結構時尤其有利。許多矽表面尤其適用於該 生長。第IV族半導體材料對根據本發明之層狀結構之適用 性視產生物質時待使用之生長溫度而定。舉例而言，不可 月b在標準溫度（1〇5〇。〇下在鍺上生長m〇vpe GaN層’此係 因為鍺之熔點小於1 〇〇〇〇c。然而，在較低溫度下該鍺基板 極適用於磊晶法，其藉由MOVPE或較佳藉由MBE進行。 諸如GaAs、GaP及InP之閃鋅礦物質亦充分合適。 尤其良好地以微弱傾角（亦即以小傾斜角）來產生根據本 發明之層狀結構，因為具有（111)表面之平台此時會為若干 個原子之寬度。此表面之一個實例為矽之（211)表面，其中 150985.doc 201126757 傾斜角約18度。 若需要將第III族氮化物層之c軸傾斜至相對於表面明顯 較大之角度，則應使用晶體結構之（111)平面相對於基板表 面儘可能傾斜之基。本發明4此實施例之合適實例為具 有由諸如（311)、（411)、（511)等（亦即（nll)，其中n>5)之定 向的晶體平面形成之表面的基板。此外，在此等實施例 中’石夕為尤其合適之基板材料。 有利實施例具有在基板上以一系列層之形式生長的複數 個半極性或非極性第m族氮化物層。該系列層較佳含有直 接生長在基板上之第出族氮化物晶核形成層。 諸如發光二極體、各種電晶體（諸如FET、MEMS及基於 SAW之濾波器）及感測器之半導體元件可由該等層狀結構 开y成，其功施層為該系列層之一部分或沈積於該系列層 上。因此根據本發明之半導體元件可以磊晶晶圓形式存在 於一實施例中，該磊晶晶圓經製備以進一步層狀沈積功能 層或接觸結構。在另一替代實施例中，半導體元件已含有 功能層及/或接觸結構。 本發明之第一態樣為用於產生包含基板及至少一個生長 在該基板上且具有纖維鋅礦結構之半極性或非極性第m族 氮化物層之層狀結構之方法，該方法包含以下步驟： -提供具有為閃鋅礦晶體結構或鑽石型晶體結構之晶體 結構之基板， "在平坦且相對於基板晶體結構之（111)表面錯置9度以上 之基板之表面上生長第Π][族氮化物層，或 150985.doc 201126757 -在具有複數個藉由階梯彼此分離且具有（1 n)表面之平 台之基板的表面上生長第III族氮化物層。 根據本發明之方法使產生本發明之層狀結構成為可能。 因此共用其優點。在該生產過程中，可製造多種元件，其 中極化降低具有有利效應。此等元件包括發光二極體、電 晶體、MEMS及基於SAW之濾波器及感測器。 在s亥方法之一實施例中，在基板上以一系列層之形式生 長複數個半極性或非極性第III族氮化物層。在此情況下， 晶核形成層較佳在反應器腔室中藉助於氣相沈積製程、分 子束沈積製程或濺鍍沈積製程直接生長於基板上，其中使 用氣相沈積製程時晶核形成層沈積期間之基板溫度小於 900°C且使用分子束沈積製程或濺鍍沈積製程時小於 700〇C。 藉由在低溫下應用此種晶核形成，僅在（ill)表面上達 成准許單晶生長之晶核形成。在所有其他晶體定向上，晶 核形成傾向於明顯更多的多晶。因此，不具有（;軸定向之 晶種在此等其他表面上生長更緩慢，且可藉由（丨u)表面上 生長之良好定向微晶支配，因此產生單晶層。 因此，對於晶核形成以產生具有最大純度之單晶生長而 言，在該等相對低溫度下，亦即在與GaN及A1N之正常生 長溫度相比明顯較低且當使用諸如MOVPE或HVPE之沈積 製程時高於1000t之溫度下執行晶核形成時有益。約 700°C之溫度尤其適用於稍後沈積製程中晶核形成層之沈 積。 150985.doc 201126757 對於除晶核形成層沈積外均在明顯高於9〇〇〇c之溫度下 操作之此等前述沈積製程而言，當晶核形成層含有高百分 比之鋁，亦即由具有高百分比鋁之A1N、A1GaN、A1InN或 AlGalnN組成時GaN生長亦有益。此情況防止破壞層及基 板之任何回熔蝕刻反應。 在已在反應器腔室中生長晶核形成層之後，較佳暫停生 長一段時間，在此期間增加基板溫度以生長第二第m族氮 化物層，且在此期間在氮前驅體存在下且在無第m族金屬 氣體存在下在反應器腔室中穩定晶核形成層之曝露表面。 當使用無論如何在較低溫度下操作之第ΠΙ族氮化物層之 沈積製程（諸如ΜΒΕ)時，對於沈積晶核形成層不必明顯降 低基板溫度，以便連成最大純度之單晶生長。 【實施方式】 本發明之其他實施例在隨附申請專利範圍中詳細說明， 且目刖應參考圖式進行描述。 圖1以橫截面圖展示第III族氮化物層與具有（21 υ表面之 第IV族基板之間的可能邊界界面之實例。該表面由（111) 平台及（001)階梯組成。（111)平台相對於表面法平面傾斜 約18°。由於c軸定向第⑴族氮化物層在此（111)表面上之垂 直生長，故第III族氮化物層以與基板之表面法平面約18。 之傾角生長’其大約與（1 〇j_6)表面對應。 圖2展示傾斜（111)基板表面之示意圖，其中僅可識別 (111)區段。可在階梯（2〇 1)之間形成具有（丨丨丨）表面且僅一 個單層寬（202)或更寬（203)之平台。在窄平台（2〇2)上未識 150985.doc 201126757 別出表面原子之三重對稱，·該對稱僅見於較寬平台（ 上然而，此等情況對於生長高品質層絕對必要，因為僅 如此有可能使第LU族氮化物層在基板上具有足夠定向。，’’’ 圖2展示可能表面排列之示意圓。可能階梯（叫可為可 見的’且其間為⑴υ表面之平台，其展現表面原子之 稱（|2〇2)或三重對稱（2〇3)。此意謂，視物質而定，階梯應 至少二埃寬，或根據技術方案9為兩個單層寬。 在無此排列之情況下，第m族氮化物層之生長並非單晶 的或在對準上無刻紋’其對高質量之封閉層必不可少。 圖3展示Si(211)表面上生長之GaN層之掃描電子顯微鏡 照片。仍存在之凹坑可藉由使生長過程最佳化來消除。 目前應參考圖4提供用於產生根據本發明之半導體元件 之緩衝層的方法之一實施例之簡要描述。 在第一步驟S10中，提供具有為閃鋅礦晶體結構或鑽石 型晶體結構之晶體結構的基板。將平坦且相對於基板晶體 結構之（111)表面錯置（亦即傾斜）9度以上之基板表面用於 後續層生長。 層生長杈佳一般以步驟s 12中之預處理基板表面開始， 以清除基板表面之任何有機殘餘物且使其無任何氧化物。 此步驟使用濕式化學方法或烘焙方法進行，在第IV族基板 之情況下烘焙方法較佳在超純腔室中進行，以免表面之任 何有害污染。 為獲得具有較大c軸傾角之極化降低層，必須使用實質 上僅具有小比例（111)表面之基板。在此情況下，藉由基板 150985.doc -10· 201126757 之額外預處理在表面上達成較強階梯聚束且因此較寬平台 係有利的。此例如藉由回火過程而達成，丨中將基板在： 適載氣流(H2或N2)中烘焙’結果使表面改質。視基板類型 而定’在該過程期間必須使表面穩定以防止任何降解，例 如用碎穩定GaAs或用磷穩定InP及GaP。 接著在步驟S14中將以此方式預處理之基板置於反應器 腔室中，且用於後續儘快達到晶核形成溫度之晶核形成。 晶核形成層之生長較佳由預先沈積第m族元素以達成覆蓋 約-個單層來開始。接著將氮前驅體配料於氣流中引起氮 化且引起晶核形成層生長，該晶核形成層之厚度通常介於 10 nm與50 nm之間。 當在諸如GaAs之ΠΙ_ν閃鋅礦基板上生長晶核形成層 時’亦可能替代剛剛描述之晶核形成而藉由氮化上部基板 層來使基板轉化，亦即在（^^之情況下轉化為Ga>^該等 過程一般藉由在超過35(rc之溫度下注射氨水或氮自由基 開始。在達成充分保護之第m族氮化物層之後，通常接著 將溫度進一步增加至第m族氮化物生長之最佳溫度，且開 始几件緩衝層生長。在此方法下甚至有可能在不需寬（ιιι) 平σ之情況下達成單晶生長。該過程亦可藉由用第V族元 素初始穩定III-V半導體層而開始’例如在GaAs之情況下 用As刖驅體，且接著藉由添加氮源來轉化前驅體。此方法 亦允許較高轉化溫度，此係因為可防止在接通氮源之前汽 化第V族組份。 在Μ核形成層沈積之後且在暫停生長期間（步驟s丨6)， 150985.doc 201126757 其中已用氮前驅體穩定表面，調整較厚、高品質層所需之 生長溫度且隨後生長元件緩衝層。 /著在步驟S18中在後-緩衝層上生長元件之活性或功 能性第III族氮化物層’同樣生長任何其他層，諸如接觸姓 構。 ° 本發明係關於可在具有閃鋅礦或鑽石結構之基板上，詳 s之在自（111)表面偏離9度以上之定向下在第1¥族基板上 生長之所有第III族氮化物質。合適基板表面必須亦包含 (111)表面或（111)階梯。 本申請案中用於表面或方向之名稱（用於表面之圓括號 ()及用於方向之方括號[])意欲包括所有結晶學等效表面 及方向’諸如在（111)之情況下包括（11 JJ、（1上1)、（111)、 (in)、on)、aijj、an)表面。 本發明亦係關於適用於產生第III族氮化物層之所有蟲晶 生產過程。為此，一般需要將生長溫度及V-III比調整為使 用該方法之特定情況。舉例而言，MBE中之生長溫度通常 比彼等MOVPE或HVPE方法中之彼等溫度低幾百度。 縮寫. FET ： 場效電晶體 HVPE ： 氫化物汽相磊晶法、氫化物氣相磊晶 法 MBE : 分子束磊晶法 MEMS : 微機電系統 MOVPE、MOCVD :金屬有機汽相磊晶法、金屬有機氣相 150985.doc -12- 201126757 SAW ： 表面聲波 【圖式簡單說明】 圖1以橫截面圖展示第III族氮化物層與具有（211)表面之 第IV族基板之間的邊界界面。 圖2展示傾斜（111)基板表面之示意圖。 圖3展示矽基板之（2 11)表面上生長之GaN層之掃描電子 顯微鏡照片。 圖4展示根據本發明方法之一實施例之流程圖。 【主要元件符號說明】 201 階梯 202 窄平台 203 較寬平台 150985.doc -13-

Claims (1)

1. 201126757 七、申請專利範圍： 1. 一種層狀結構，其包含基板及至少一個在該基板上生長 之半極性或非極性第III族氮化物層，其中 該第III族氮化物層具有纖維鋅礦晶體結構， 該基板具有為閃辞礦晶體結構或鑽石型晶體結構之晶 體結構，且其中 S亥第III族氮化物層係生長於該基板之宏觀平面表面 上’該宏觀平面表面與該基板之該晶體結構之（n丨）表面 傾斜成大於9度之角度且當用顯微鏡觀察時具有複數個 藉由階梯彼此分離且具有（11 1)表面之平台。 2. 如請求項1之層狀結構’其中該第ΙΠ族氮化物層係生長 於該基板之（322)、（211)、（311)、（411)、（5 11)或（nil)表 面上，其中η大於5。 3. 如請求項1之層狀結構’其中該等階梯在垂直於該基板 之該表面之方向上延伸超出該基板之該晶體結構之至少 兩個單層。 4. 如請求項1之層狀結構’其中該等平台具有（丨丨丨）表面， 該等（111)表面具有三重對稱之單元晶格。 5. 如請求項1至4中任一項之層狀結構，其中複數個半極性 或非極性第III族氮化物層係在該基板上以一系列層形式 生長’且其中該系列層含有直接生長於該基板上之第ΙΠ 族氮化物晶核形成層。 6. 如請求項1至4中任一項之層狀結構，其中該第ΙΠ族氮化 物層係在第IV族半導體基板表面上生長。 150985.doc 201126757 7. 一種半導體元件，其包含如請求項1至6中任一項之層狀 結構。 8. 種產生包含基板及至少一個在該基板上生長且具有纖 維鋅礦結構之半極性或非極性第III族氮化物層之層狀結 構的方法’該方法包含以下步驟： 提供具有為閃鋅礦晶體結構或鑽石型晶體結構之晶體 結構之基板， 在平坦且相對於該基板晶體結構之（丨1丨）表面錯置9度 以上之基板之表面上生長該第III族氮化物層，或 在具有複數個藉由階梯彼此分離且具有（丨u )表面之平 台之基板的表面上生長該第m族氮化物層。 9_如請求項8之方法，其中複數個半極性或非極性第ΙΠ族 氮化物層係以一系列層形式生長於該基板上，且其中晶 核形成層係在反應器腔室中藉助於氣相沈積製程、分子 束沈積製程或濺鍍沈積製程而直接生長於該基板上，其 中使用氣相沈積製程時該晶核形成層沈積期間之基板溫 度小於900。(：且使用分子束沈積製程或濺鍍沈積製程時 小於700°C。 10.如請求項8或9之方法，其中在生長該第m族氮化物層之 前將該基板在氮氣流或氫氣流之氣態流中回火，因此提 高該基板表面上具有（111)表面之該等平台之該等表面的 比例。 150985.doc