TW516102B - Method for achieving improved epitaxy quality (surface texture and defect density) on free-standing (aluminum, indium, gallium) nitride ((Al, In, Ga)N)substrates for opto-electronic and electronic devices - Google Patents

Method for achieving improved epitaxy quality (surface texture and defect density) on free-standing (aluminum, indium, gallium) nitride ((Al, In, Ga)N)substrates for opto-electronic and electronic devices Download PDF

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Jeffrey S Flynn
George R Brandes
Robert P Vaudo
David M Keogh
Xueping Xu
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Description

516102 五、發明說明（1) 發明之政府權益 本發明係遵照0NR合約# N0 0 0 1 4- 9 9 -C-0138，D0E合約# DE-FG02-97ER82319 以及DARPA 合約# DAALiH -9 6-C-0 049 實 施。政府對本發明擁有某些權益。 相關申請案的交叉參j 本案為美國專利申請案第09/524, 062號，申請日2000年 3月13日’申請人Robert P· Vaudo等人，名稱「III- V氮 化物基板梨晶及其製法及用法」之連續部分。 發明背景 發明範蜂 本發明係有關一種於對應獨立式基板上達成（A丨，I n，Ga) N薄膜磊晶品質改良之方法，可用於製造光電及電子裝置 及裝置前驅物結構。 相關技藝說明 (Al，In，Ga)N[该術语用於此處含括且交替表示含有Ai、 I η及G a中之一或多者之個別氮化物，因此交替涵蓋a 1 n， ΑΙχΙΠρχΝ(或AlInN)，AlxGa卜XN(或AlGaN)，AlxInyGaityN(或 AlInGaN)，InN，InyGa 卜yN(或 InGaN)以及 GaN，此處 1以及0 $ y S 1，及其混合物以及攙雜層（n型或p型）或保持 未經攙雜]已經就其於重度晶格不匹配基板例如藍寶石及 碳化矽上磊晶層生長方面作徹底研究。 此種研究普遍展開的一大理由為至目前為止尚無法取得 具有適當品質及大小的獨立式（FS)熱膨脹係數（CTE)匹配 且晶格匹配的G a N基板。
90115729.ptd 第 7 頁 516102 五、發明說明（2) 方無同貝成日日或天然基板’則由於蠢晶—基板界面的晶 格不匹配故將形成互相嵌合的錯位，由於CTE的不匹配也 將出現裂痕及彎曲，因而限制磊晶層及裝置層品質。此等 非最理想基板（例如藍寶石或碳化矽）上的磊晶層品質，若
使用複雜的層間技術是具有可用於簡單電子裝置的合理口 質。 °
典型為了製造更咼級品質裝置，採用極為困難且複雜的 過度生長技術例如EL0G(磊晶橫向過度生長）或!^〇(橫向蟲 日日過度生長）或Pendeo -蠢晶（pendeo-epitaxy)，但結果所 得材料形狀及結晶品質不均句。進一步，由於攙混來自罩 蓋材料的雜質，結果所得材料典型具有高載子濃度。此種 過度生長技術使用罩蓋材料如二氧化矽來抑制基本材料的 某些區域生長。然後蠢晶材料生長於被罩蓋區間，然後生 長於罩盍材料上’藉此減少橫向生長區的錯位蔓延。 缺乏適當品質的晶格匹配的（A1，in，Ga)N基板妨礙 (Al，In，Ga)N裝置發展者發揮（人1，In，Ga)N裝置的全部潛力 f減慢此種材料系統的發展。橫向過度生長技術伴隨來的 複雜及困難也讓此種辦法難以達成滿意的商業應用。
有小罝研究工作從事於製造氮化物基板，甚至在所製造 之有限量的GaN材料上從事更小量的磊晶層生長研究工 作。 主有關GaN蠢晶層於fs GaN生長的背景討論，獨立式GaN製 造技術將說明如後。後文討論也將強調有些基板性質妨礙 適當磊晶製程的發展。
516102 五、發明說明（3) 基板製造 優於今日已經發展出的藍寶石及碳化矽的晶格匹配或接 近晶格匹配基板之可能製法包括高壓GaN晶體生長、A1N本 體生長、鋁酸鋰（LA0)、鎵酸鋁（LG0)、厚（大於1〇〇微 米）HVPE GaN以及舉離以及HVPE GaN梨晶生長，容後詳 述。 °
A壓晶體生I
南壓晶體生長成功地用於製造小板片（直徑小於2 Q毫 来’厚度小於卜2毫米）面積小於30 0平方毫米的小晶體 GaN，但GaN晶體有若干問題。本技術產生小型小板片，擴 充性困難’製程成本比較其它方法昂貴。進一步，攙雜劑 及晶體導電性的控制由於技術緣故極為困難。另一項缺點 為晶體存在有高濃度非期望的雜質包括氧，造成基板具有 ‘電性。如此局濃度雜質由於各裝置層間的寄生電容以及 基板的電％ ’限制於基板上製造裝置的頻率範圍，且可能 於雜質濃度夠高時抑制基板上磊晶凝核。 遷Jj昇華及再凝(或GaN)基板
藉昇華及再凝結技術製造本體A 1 N製造，製造適當的具 有高品質接近晶袼匹配（與GaN差異2 · 5%)的基板供GaN磊晶 生長。同時’梨晶直徑限於丨3毫.米，嚴重限制低成本高容 積裝置的製造。 有關此種基板之另一項問題為氧濃度極高，約達每百萬 份之份數（ppm)濃度，可能降低基板的導熱率，因而使其 用於高頻高功率裝置較為不利。
516102 五、發明說明（4) 除了影響導熱率外，此等基板的言曲 經過控制的導電類型基板，換言=I質濃度攙雜也抑制 基板難以藉習知技術重度攙雜，心型的製造。此等 裝置結構較為不利。以A1N基板為例，/、用於直立式光電 晶體的受體及施體之游離能或活化較GaN基板，由於 置不佳。 把向，故基板之關聯裝 I呂酸鐘（L A 0)及銨酸鐘（[ΓΠ LAO及LG0(比較碳化石夕及藍寶石） 可以人王？ 口所》I ϊ π /曰 、 山切晶格匹配基板且
J以口理口口貝及大小取得，但仍有 攸I fi a N姑料έ姑。田壬而，τ a 干問通妨礙其應用於 baw材科糸統。取重要地，u〇及lg〇鉍輕一、 因而妨礙其於典型生長溫度下用於_生長，鋰：：：美 板脫附且擴散入磊晶膜及生長環境， " « ^ ^ ^ ^成凝核以及高品質 且…、雜貝的生長變得極為困難，如此^ ^ ί 1 Ϊ虱軋下分解的感受度冑’故可採用有限製程條 件來於此4基板上生長。基板表面的極性不均勻也成問 題’典型造成GaN磊晶膜之極性領域混合。此種基板上製 造立式I置結構也有據雜及分解抑制問題。 逸^_LIL0(雷射誘^離^子氣相磊晶）GaN 基一板以i_透過梨晶—生長之基於HVPE GaN之FS GaN基板 HVPE GaN方法為至今為止製造FS GaN基板的最佳方法。 其可製造高品質且低錯位密度之大面積獨立式GaN晶圓， 於晶圓上可製造高品質光滑磊晶膜及高品質裝置。該方法 也容易擴充至晶圓的預定大小，而方便控制基板導電類 型。前驅物及生長方法的設備比較其它技術（例如高壓晶
90115729.ptd 第10頁 516102 五、發明說明（5) "~ 體生長）相對價廉，且容易使用習知製程控制予以控制。 雜質的攙混可減至最低，雜質可經由前驅物純度及氣相周 圍純度以及反應器防洩漏完整性及構造予以控制。 ° 於高品質FS HVPE GaN基I上的同質磊晶生县 由於市面上無法取得大面積獨立式GaN晶圓，因此製造 於FS GaN上南品質蠢sa層生長的發展條件機會受限制。 容後詳述，本發明可生長晶體品質至少與基板晶體品質 同樣良好的磊晶膜，解決有關FS GaN及其它（Al，In F S基板上磊晶生長的相關新議題，提供實質改良之裝置效 能以及蟲晶及t置特性由於習知基板如藍寶石上的蟲曰及 裝置特性。 & % 後文討論強調有關於FS GaN基板上同質磊晶相關的部分 問題，包括於發明人最初磊晶生長發展研究而已經由本^ 明予以解決的問題。 又 1) 形態學的平順輿凹坑埴補 如圖1所示’使用於藍寶石的生長條件，對「如所生 長」之FS GaN或未經光整的基板進行初步研究，於生長 2 - 3微米後未獲侍光滑蟲晶膜（參考圖2)。判定需要辦加石 晶厚度才能使用標準生長條件（如於藍寶石或碳化石夕基板 上的磊晶生長）對表面形態的平滑與凹坑填補獲得改良。 有關於「如所生長」FS GaN或未經光整基板的相關顯"著議 題為必須沉積可察覺厚度的M0VPE(金屬有機氣相磊晶）而 平順來自HVPE GaN的小丘形態。於圖卜3獲得驗證。 即使於7. 5被来 >儿積蟲晶’如圖3所示，對基於μ q y p e之
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五、 發明說明（7) 意 背側蒸發 產 物不一定需要到達磊晶面來劣 化形 態，原 因 在 於捕捉於 感 受器與基板材料間的劣化產物 也會 改變熱 接 觸 性質及程 度 ，因而導入變化造成溫度敏感 蟲晶 層及裝 置 結 構形態一 致 性低劣。 背側分解 也 改’餐：表面化學’因而改變形成 於氮 化鎵基 板 背 側的電接 觸 性質。 4) X 光FWHM 隨 著DCMD隙寬而增如 有關GaN基板及其上的磊晶之另一項議題係隨著X光隙 寬 大 小增加而 增 加GaN蠢晶FWHM ’如圖9所示。 基板的D C X R D F W Η Μ隨著X光隙寬的增加而增加， ，但速率 比1 0微米磊 晶 層及其上的裝置結構更低。如 此於 較大隙 見 增 力口的FWHM 促 成背側基板蒸發造成的彎曲， (此乃一項熱 應 力相關議 題）、磊晶傾斜以及基板的結晶領域c ，於較d 卜 隙 寬時，「 如 所生長」FS GaN基板及磊晶層 具有 類似的 DCXRD FWHM 〇 5) 磊晶膜的形態干擾 基板的製 備 ，當加熱及基板清潔時界面的 製備 也構成 於 FS G a N基板 上 生長MOVPE GaN的議題。概略反應器條件也 影 響於FS GaN 上生長之磊晶形態，結果導致 形態 受干擾 而 不 佳。感受 器 上適當塗層以及反映器部件的 清潔 為減少 基 板 蠢晶界面 污 染所需。使用某些基板例如藍 寶石 及碳化 矽 ，由於習 知 生長於基板上俾減少蠢晶層與 基板 間的晶 格 不 匹配以及 應 變的高度缺陷中間層，故磊晶 生長 系統的 清 潔 度較不成 問 題。 V i
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90115729.ptd 第13頁 516102 五、發明說明（8) 6) 基板-蟲晶界面的污染及電行 同質蠢晶界面的污染於此處定義為於同質磊晶層與基板 界面的1 0 0 0埃以内任何非意圖的雜質缺陷或其它瑕疵，而 其濃度於距界面大於1 〇 〇 〇埃距離時比基板或磊晶層濃度高 兩倍。
於界面的潛在雜質及結構損害，結果導致基板-磊晶界 面的電荷積聚乃FS(A1，Ga，In)N用於高頻電子裝置潛在議 題。同質蠢晶基板-蠢晶界面有相當量經由清潔、基板製 備及反應器製備條件所導致的雜質濃度。類似磊晶-基板 界面密度之咼雜質濃度（例如屬於矽、氧、碳、硫等種類） 通常導致受干擾的磊晶形態而不適合磊晶裝置的製造與生 產高品質裝置。圖1 0顯示隨著界面硫的增高（丨E1 6/立方厘 米）於界面之石夕=3E18/立方厘米以及氧= 3·5Ε18/立方厘 米。
全部有關於基板-磊晶界面的污染及電荷相關議題（換言 之第6節討論的議題）可由帶有10微米Hvpe GaN /藍寶石結 構的HVPE GaN基板材料上磊晶生長識別，且經過實驗驗 證。此外’此等議題影響所有獨立式G a N及晶格匹配基板 的產生’於後文更特定參照HVPE GaN基板說明，如後述藉 本發明方法之議題解析度可應用至全部FS 曰
GaN((Al，In，Ga)N)或晶格匹配基板。
V 如此，初步研究GaN磊晶於HVPE FS GaN的生長（「如所 生長」或未經光整以及如於生長形成之後經研磨或光整） 引起多項問題，列舉如後。
90115729.ptd 第14頁 516102 五、發明說明（9) (I) 若無法取得GaN基板，則如何製造高結晶品質（換言之 適合裝置）的GaN? ' (2 )高效能錯位（低密度）及改良材料品質（光滑度、雜質 濃度）敏感性光電及電子裝置，例如紫外光發光二極體（uv LEDs)、超高亮度藍光LEDs、HEMTs(高電子活動性電晶 體)>、LDs(雷射二極體）或PIN光伏打偵測器如何以商業上 可靠且可再現的方式於以GaN製造？ (3 ) GaN基板如何光整（例如藉蝕刻、研磨、進一步加工處 理等光整）而獲得優良磊晶？ (4) 生長過程的背側蒸發（或更一般性，晶圓背側蒸發產 物）如何抑制？ (5) 裝置蠢晶生長於未經研磨的GaN上是否可行？ (6) 如所生長或未經光整的caN表面如何變平滑？ (7) GaN基板表面如何以最有效且最具成本效益方式平順 化而讓FS GaN基板變成全部GaN磊晶應用的首選較佳基板？ (8 )於FS GaN上製造良好磊晶的最理想基板清潔條件、加 熱條件及反應器製備條件為何？ (9 ) HVPE基板如何清潔來產生適合磊晶生長的表面？ (1 0 )何種晶相學方向性可獲得裝置的最佳磊晶，而產生 此種蠢晶的生長條件如何？ (II) 潛在傾斜、定向錯誤晶粒、反轉領域以及其它晶相 學缺陷如何克服俾於FS GaN達成高品質磊晶生長？ (1 2 )基板-蠢晶界面污染以及非蓄意的電荷累積（η或p)如 何避免、消弭或取消（俾產生無非意圖的電荷）？
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90115729.ptd 第15頁 516102 五、發明說明（ίο) (1 3 )如何讓於其它基板上似 以及其上的高品質無應曰頌得較不佳之GaN基板材料 業界尚未能滿意地解決：Ϊ議：新穎裝J :结f?— 明獲得解決。 題’而該等議題可藉本發 發明概要 本發明係有關具有超低缺陷 ⑴-V氮化物同質蟲晶材料及其製又及表面結構特徵的 用於此處，「同質磊晶」一詞 、 表示於此等材料、結構或；材料、結構或裝置時 (八1，11^^基板上。如此'符』，1；^^層沉積於 義，此種同質磊曰材料λ. , 5 ’Ga)N的廣義定 上，InN;^A1、f ^埒、、，、°構或裝置包含Α1Ν層於GaN基板 上InN於AlxGai_xN(此處基板上，
HnyGaril此處1及以）層於1nN基板上等。 別材料、結構或裝置就⑴山二 的個別化合物而言為同質磊晶。
用於此處，「I I I — V氣彳卜私7 ^一上士 — A 合物半導體材料。 」一㈣表示含氮之ΙΠ-ν族化 此處，「未經光整基板」一詞表示藉播種或凝核方 ^生長的（Al，In，Ga)N材料，可視需要再分割（例如藉斷 f L線鋸割成晶圓形式等）及/或（以本體或再分割形式）接 文清潔’而清潔過程未涉及去除（A1，u，Ga)N。 用於此處，「經光整基板」一詞表示未經光整基板已經 f X涉、☆及（Al，In，Ga)N去除進一步處理（以本體或再分割形 工、）接义處理，例如藉拋光、鑽石研磨、钮刻、化學機械 516102 五、發明說明（11) =磨、、表面形態修改、表面缺陷修改m請、表面光 灯是減少或去除、凹坑填補、機械磨蝕等。 用於此處，就沉積方法所述「低壓」一詞表示處理環 =力為約50至約5 0 0托耳。「低壓加熱條件」具有較佳氮 分壓由約1托耳至約50〇托耳及更佳約1〇至約4〇〇托耳。^ …用方；此處大氣壓」一詞用以沉積處理時表示處理環境 ，力為約5 0 0至約1〇〇〇托耳。（A1，In，Ga)N沉積的低壓及大 氣壓沉積處理典型差異僅在於處理環境的氮分壓。「大氣 _ 壓加熱條件」具有較佳氮分壓為約1托耳至約i 〇〇〇托耳及、 更佳約1 0 0至約8 0 0托耳。 用於此處，「高壓」一詞用於沉積方法表示處理環境壓 力高於約1 0 0 〇托耳。 於此後說明述及GaN基板及GaN磊晶分別表示（A1，Ga，In) N基板及（Al，In, Ga)N磊晶。 ’ ’
於基板上’蟲晶之同質蟲晶沉積的沉積處理條件於此處 主要係就金屬有機氣相磊晶（MOVPE)方法討論，但廣義而 言本發明意圖涵蓋於基板上形成（Al，In，Ga)N磊晶膜，包 括其它形式氣相蠢晶例如氫化物氣相蠢晶（Η V P E )、分子束 磊晶（ΜΒΕ)、濺鍍沉積法等。 一方面本發明係有關一種於對應I Π -V氮化物材料基板 上形成I I I - V氮化物同質蠢晶層之方法，其品質可媳美發 明人稍早同在審查中之美國專利申請案第09/524, 062號， 申請日2000年3月13日，申請人Robert Ρ· Vaudo等人，名 稱「I I I - V氮化物基板梨晶及其製法及用法」，其揭示内
90115729.ptd 第17頁 516102 五、發明說明（12) 容以引用方式併入此處。 此種方法中，I I I -V氮化物同質磊晶層係藉斤£方法使用 III族來源材料及氮來源材料於下列處理條件下沉積，處 理條件包括V/III比（V族通量/ΙΠ族通量）約1至約1〇5，氮 來源材料分壓為約1至約103托耳，GaN生長溫度為約9〇〇至 約1 2 50 °C ，InGaN生長溫度為約50 0至約1〇〇(rc，人1(^\生 長溫度為約1100至約1 250 °C，AlInGaN生長溫度為約6 0 0至 約1 2 5 0 °C，生長速率為約每小時〇 · 1至約5 〇 〇微米。 尸於另一方面’本發明係有關磊晶層其複製或改良I I卜V 氮化物基板材料品質’產生錯位密度少於每平方厘米5E8 錯位及DCXRD FWHM小於2 0 0弧秒。 於^ 一特徵方面，本發明係有關〗丨丨—V氮化物基板系統 上的磊晶層’其片電阻於室溫為大於1 〇4歐姆/平方厘米或 更佳為大於1 〇5歐姆/平方厘米及其製法。 於另一特徵方面，本發明係有關一種磊晶層及生長順序 其可於未經光整或經光整Fs GaN減少形態與缺陷的不匹配 及其製法。 於另一特徵方面，本發明係有關一種於對應丨丨丨—V氮化 物材料基板上形成II ；[ -V氮化物同質磊晶層之方法，包含 使用III族來源及氮來源材料藉肝£方法沉積丨丨丨-v氮化物 T質蟲晶層，其中於此種沉積步驟期間，基板係置於感受 器表面上。此種方法於一具體實施例進一步包含於設置基 板於感受器上接受沉積步驟前，使用對應丨〗丨-V氮化物料 塗覆感受器表面，及/或以較低揮發性及惰性塗層如金屬
516102 五、發明說明（13) 石反化物（T a C ’ N b C等）準備感受器及反應器部件。 本發明之進一步特徵方面係有關藉前述方法製造的各種 11 I - V氮化物同質磊晶材料及結構。 於又另一特徵方面，本發明係有關一種丨丨丨—V氮化物同 質蟲晶微電子裝置結構，包含丨丨；[-V氮化物同質磊晶声於 FS III-V氮化物材料基板上。 貝絲阳廣於 本發明之另一特徵方面包括但非限於：減少來自基板傳 播的晶粒間傾斜；清潔晶圓而去除雜質；於基板上加熱提 升蠢晶材料品質；於各方向之生長條件獲得較佳磊晶層； 於交替晶相學平面上（c平面除外）磊晶；保護基板背側不 會蒸發以防磊晶中斷；基板與磊晶間的中間層；應變解除 層；凝核及凝核計晝的攙雜劑流暫停；平順方法；於經光 整FS GaN上光整及生長；界面活性劑添加而變更生長機 制·’以及輔助未經光整及經光整FS GaN平順化之方法。 其匕本發明之方面、特色及具體實施例由隨後揭示及隨 附之申請專利範圍將更完整明瞭。 發_明之詳細說明及其較佳具艚膏施你丨 下列美國專利案及美國專利申請案之揭示内容以全文引 用方式併入此處： 美國專利申請案第08/ 1 88, 469號，申請日1 9 94年1月27 曰’申請人Michael A· Tichler等人，今日獲頒為美國專 利案 5，6 7 9，1 5 2 ; 美國專利申請案第08/955, 1 68號，申請日1 9 9 7年10月21 日，申請人Michael A· Tichler等人；
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90115729.ptd 第19頁 516102 五、發明說明（14) 美國專利申請案第0 8/984, 473號，申請日1 9 97年12月3 日，申請人Robert P· Vaudo等人； 美國專利申請案第0 9/ 1 79,04 9號，申請日1 9 98年1〇月26 曰，申請人Robert P· Vaudo等人； 美國專利申請案第09/524, 0 6 2號，申請日20 0 0年3月13 曰，申請人Robert P· Vaudo等人； 美國專利申請案第0 9/33 9,5 1 0號，申請日1 999年6月24 日’申請人Barbara A· Landini等人，名稱「生長於基板 偏割朝向< 11 0 0 >之碳化矽磊晶層」。
用於此處「獨立式」或「FS」述及（Al，In，Ga)N基板或 其它II I-V氮化物料時表示此種基板為自行支持結構例如 晶圓或板形式。 識別適當生長條件或生長條件參數將可生長高品質磊晶 及製造高效能裝置於FS GaN。生長條件參數重疊於其它基 板生長使用之範圍，但最理想生長條件係與於藍寶石或碳 化石夕上生長使用的條件不同。 於後文將簽照本發明之方法及技術之特定方面及特色作 說明。 首先《兒月由FS GaN基板去除由j?S GaN晶圓之未經光整或 光整（研磨、舉離等）導致的表面污染之清潔方法。
讀之Sl£g_GaN表面。採用FS GaN基板之水性酸 t鹽酸’硝酸等）及鹼（氫氧化銨、氫氧化鉀等）清潔方法， ^方法係與清潔其它同質磊晶GaN基板之方法不同。由處 理差異衍生的不同方法涉及形成GaN基板例如基於HVPE
516102 五、發明說明（15) G a N基板，典型具有反應物沉積產物，換言之氯化銨，沉 積於晶圓表面，於晶圓卸載過程中需被去除而達成高品質 同質磊晶生長。鹽酸用以由基板表面去除GaN。 清潔經光整的Η V P E G a N表面。恰在生長前氧化經光整的j? s GaN基板接著為去除抗蝕劑（KOH，NH4〇H，HC1，HF等）採用 以達成減少或去除接近磊晶表面的雜質，原因在於室溫清 潔並不足。由缺陷區域（凹坑、刮痕、表面損傷）識別缺陷 晶圓’此專缺陷藉氧化去除，或晶圓接受再加工。一個具 體實施例中，氧化可全然用於優先及/或完全裝飾較高表 面能區。 :!一除HVPE生長的結構歧異〇 FS GaN表面用來優先氧化 表面的小丘，由於小丘具較大表面能及不同晶體小面， 故’氧化物被去除而形成較為光滑面或六方系小丘之縱橫 比縮小。此項技術也可用以消弭由於裝置處理造成的表面 ^支異’例如去除於反應性離子蝕刻（R丨E)步驟經由顯微罩 盍所得之粗糙面（長草）。氧化物及長條重複進行處理可 於最佳結果。 保㈣。某些具體實施例巾，RIE為清潔 二2較佳方法。RIE可去除來自於光整或處理而 質或豆它污毕物料Ϊ包括某些來自處理之嵌置光整介 由於曰圓妒明^，用於例如激烈超音波清潔等技術可能 田於日日圓脆弱造成曰圓把.丄、 前……成曰a圓折所或斷裂之案例°
GaN基板加熱
516102 五、發明說明（16) ，加4不僅可達到生長溫度同時也可有利地有助於下列情 ^ ^ ^生· 1 )基板表面平順化，2 )基板表面損傷的去除， 3 Μ BB基板表面經由處理所致之污染物的去除，4 )於界面 缺^傳播的減少（生長於小凹坑或錯位上），5)於界面的新 缺幵y成（例如工位、錯位、顛倒領域等）的消坪或減少， 6^電，性錯位（亦即Η鈍化某型錯位）的減少以及7 )基板雜 質除氣（例如由基板材料硫、晶圓背側的氧等）的減少或改 性。業界尚未能使用加熱條件及技術來達成於GaN上生長 的優勢俾製造同質磊晶界面。 ^、塗層^熱期間污染〇基於感受器的污染可藉於 FS jaN基板上生長且使用磊晶沉積塗層感受器抑制。結果 形態改良。GaN磊晶-GaN基板界面雜質減少可藉SIMS技術 方便證實’且可用於處理特徵化（例如於GaN磊晶—HvpE GaN界面’方便達成0<3E18/立方厘米，Si<3E18/立方厘米 以及S<5E 16/立方厘米濃度，如此獲得高品質同質磊晶 層）。較佳金屬碳化物塗層包括比S i C塗層或S i C : N塗層更 為惰性的塗層例如TaC或NbC，俾降低加熱期間污染的可 能。 加氮_條件。較佳加熱條件及關聯的製程參數包括氮物種 (氨氣、胺類、氮氣等）分壓為約1托耳至約1 〇 〇 0托耳，溫 度升南時間為約1分鐘至約1 0 〇 〇分鐘，溫度升高速率由每 分鐘1 0 °C至約每分鐘i 〇 〇 〇。(3，以及使用的氣氛包括下列物 種例如H2 ’ N2，A r，H e，N e及H C1及前述二者或二者以上之 混合物。
90115729.ptd 第22頁 516102 五、發明說明（17) 一範例具體實施例中’低壓沉積之特佳加熱條件與關聯 製程參數包括氮物種（胺類、氮氣等）分壓為約1 〇托耳至約 4 0 0托耳，上升時間為約1分鐘至約丨〇 〇分鐘，溫度上升速 率為約每分鐘100 °C至約每分鐘40 0 °C，以及使用的氣氛包 括物種例如H2，N2，Ar，He，Ne及HC1及其混合物。 石須瞭解對於於HVPE GaN FS GaN基板上生長高品質同質 磊晶而言，最理想加熱條件實質上係與用於生長丨〇微米 HVPE GaN/藍寶石或GaN於藍寶石上或GaN於碳化矽/間層 上的條件不同。也須瞭解最理想加熱條件曰 膜”上的FSGaN晶圓之開始條件及預定終= 也須瞭解多種不同類型沉積方法常用於本笋 務，包括低壓、大氣壓及高壓方法 ； 圓處理系統，特定較佳以及最理相的卢採曰曰圓或早晶 入取工王心的處理條件 "，但可由熟諳技藝人士基於此處揭 _ 驗決定。 …、而經由不當的實 助準備表面〇經過捭制“ 輔助雜質的去除或缺陷表面材料去^乃周圍環境用來 與生長樣板溫度的-致。周圍氣氛較佳包基板溫度 可為單一組成分或多組成分，包括例3任何適當氣體 He，Ne等及前述兩種或多種的任—種^ N2，H2，HC1， °加熱期間添加雜質；·補 许可南電阻磊晶層基板的界面。 =I補彳貝界面電荷俾 可於其上生長與製造高頻裝置 ：：荷補償結構’ 服表面電荷的非均勻。 用表面缺陷的補償來克
516102 五、發明說明（18) 雄 ~ 於各種晶相學平面上蠢晶 HVPE GaN』蠢晶。根據本發明於FS GaN基板上磊晶 的生長為獨特，先前技藝未曾提供此項磊晶生長用的FS G a N基板。 王_同晶體.方向性將獲得不同結果〇晶相學方向性影響生長 機制、形悲、結晶品質、薄膜化學計算學、蓄意及非蓄意 的雜貝擾&、應變、載體輸送、光學性質、光整、r I e及 其它裝置製造特性。AFM研究證實於GaN基板的不同晶體定 向或小面上蟲晶並無顯著階級隆起或其它磊晶瑕疵。
查-在表面生長。方便達成由（〇 〇 〇 1)偏割及其它晶相學方向 性生長。AFM研究也證實於各個偏割並無顯著階級隆起。 鱼车要晶體方包盤（〇 〇 〇 1)偏割〇可採用例如< 11 g 〇 >或 < 1 0 Ϊ 0 >或介於其間的偏割方向。對於（〇⑽1)以外的晶體定 向，於各具體實施例以不同的偏割方向為佳。 ^Θ面生長。可採用不同的生長極性面來對應地變更生 長機制、形態、結晶品質、薄膜立體化學、蓄意及非蓄意 攙混雜質、應變、載體輸送、光學性質、光整、R〗E及其 它裝置製造效應。 ^ 蟲晶生長條件
磊晶生長條件可選擇性改變俾相對地變更磊晶品質及表 面形態。就此方面而言，須瞭解於FS HVPE GaN上生長比 較其它基板材料如LiGaO，LiAl〇，SiC，藍寶石等將影響 雜質攙混的減低〜
生件,,方1^ II整為晕理梘傀獾得米滑未經光整的H
90115729.ptd 第24頁 516102 五、發明說明（19)
GaN~面。生長條件包括磊晶材料的V/ 11 I，p (氨氣分 ^ ^ C表不），GR(生長速率，微米/小時）經 ^擇f執仃本體六方系小丘狀結構的平順化以及顛倒六方 ^ ，的填補（較高v/丨丨丨及反應器壓力）。後文將討論生 又) 生長的速率主要係依據指定反應器、溫度及壓力 的氣抓决定。發明人之立式幾何研究反應器（直徑10厘米） 中例如為了達成於升長溫度11 0 〇 t：每小時約2微米的GaN 生長速率，發明人利用約4〇至5〇 sccm氫氣通過以^起泡器 (JMj起泡器溫度為-1〇它，起泡器壓力等於76〇托耳）及氨 齓流約2.0至2.4 slm於氫載氣流10至12 sim於反應器壓力 1 0 托耳。須瞭解熟諳技藝人士可利用本揭示提供的條件 及資訊而生長多種磊晶AHnGaN薄膜而無需不當的實驗。 此種平順能力為於FS GaN上生長所未曾預期的優點。較佳 生長條件範圍包括ν/ Ϊ11比為1至1 0 0，0 0 0，氨氣分壓為約1 托耳至約50 0托耳，生長溫度為約5 0 0 °C至約1 2 5 0 °C以及生 長速率為約〇· 1微米/小時至約5〇〇微米/小時。最佳用於低 壓GaN MOVPE之生長條件包括V/I丨]；比為約10至約5〇, 〇〇〇， 氨氣分壓為約2 〇托耳至約4 〇 〇托耳，生長溫度為約ϊ 〇 〇 〇它 至約11 5 0 t及生長速率為約〇 · 5微米/小時至約1 〇微米/小 時0 須瞭解大氣壓條件相對地方便決定，此等條件方便對較 佳及最理想操作分別載明。 雖然前文討論係針對M0VPE，但須暸解其它方法技術例 如Μ B E、錢鑛等方便利用，且方便由其中決定其它以及對
90115729.ptd 第25頁 516102 五、發明說明（20) 應經修改的製程條件。 H 生長條件的修改操作可應用於執行減少錯位。 °方便應用方向性選擇及生長條件修改俾達成^ 板的晶粒間或領域間晶相學^ A ^ % tx 。生長條件經選擇而可選擇性達 疋階級流動生長、階級隆起程度等。 ⑪-:° R 1E條件經調整俾偏好暴露表面， 唱^ Γ 、面暴露作生長面。可以對表面具有選擇性的 濕蝕刻作相對調整。 干 種：力:雜質至生長用以提升光滑或控制多型性的 性質，比rϊ =攙雜劑、'攙雜劑等）可添加而調整電氣 ΐ;力二 ίΐ;;;:(上，^ 結構。可添力4面；= =多型性及晶相學 區域。 汪俾偏好生長或平順基板表面某些 。FS GaN同質磊晶薄膜
:::利地用於本發明之特定用 ：：：J 用於平順仆、、式，丨、奴仏—— 乐 組條件可 二組條件可用於二;：：缺陷產生、減少傾斜等；而第 可用於本發明之各具 ^ΐΐίΐΐ;生“清潔化學雜質表面。 幻述，基板背側蒸發保護乃一項議 物而干擾形態，導致生長溫度升高。、° '。由月側蒸發產 90115729.ptd 第26頁 516102 五、發明說明（21) 至之/板“則祭發 度為約1 0 00至約1 20 0。〇及又更佳、、θ 之乾圍，最佳溫 τ廿，、ι 又1土 /皿度係兩於]n r η π 丨、/人 η 土板為例，基板背側保護之較。3 會除軋，具有低蒸氣壓，具有高導埶性，* 土板不 化，光學反射性或光學透明，導電’，、且蛀生長溫度不熔 的導電類型，惰性有特定方向性導電性(拖特^及經過控制 垂直），I有經過工程處理的窄反 、舌之，橫向或 除氣、蒸氣壓、導熱率、導電及其貝\寺。就決定CTE ' 經由不當的實驗而方便地由經驗決^料特徵，無需 SiN，Sl〇2，⑴，In，Ga)N，pd，η、=，〜材料，例如 疊材料，鉑，半導體氧化物等。 u，Til，介電堆 鱼護背側且為η或D型電阻材Μ 〇供此 包括前段所述但也可為晶圓的歐姆接觸Υ的用的有利材料 IFS GaN薄基板提供結構支持〇此 a 材料。可選用的材料提供支持（暫時性乃別兩段所述類型 方便去除俾有助於裝置的製造（例如:非暫時性支持）且 皇層材料。包括前三段材料。例如第9一田；射^作小面割開）。 姆接觸，第二層視為對歐姆接觸逮 層可為GaN層的歐 線。 電接觸以及用於接
516102 五、發明說明（22) 亟能修改。涉及例如藉光整而由背側去除高表 面能材料，降低背側材料的蒸發能力。以不同方向先^ ^ 晶圓背側以防背側蒸發也可用於本發明之各具體實施例: 晶圓背側進行化學反應或合金化，讓背側於較高溫度更具 惰性或降低表面能乃此種表面能修改辦法之另一具體實施 例。例如一具體實施例（A1，In，Ga)N基板背側經氧化。貝其& 它處理步驟可以對應方式鈍化或修改表面。 ^ 。此等材料容後詳述，其作用係 彎曲為較為平坦晶圓構型，因而減少晶圓彎曲，改戸=
受器的熱接觸。 良，、咸 器與基〇此等材料包括前段 所示材料，其功旎係用於加熱時變形且填補感受器與其 間的間隙，或以其它方式與環境反應而填補感受器與基板 間隙。通常此等材料具有高導熱率，而可於基板與感 文為間獲知良好及均句的熱接觸。任何適當材料皆可用^ 此項目的，包括可變形材料，可變形材料變形而補板 與感受器之對側面之任一者或二者的表面歧異。土
器設計.U除背側蒸發。反應器設計以多種方式調整 適合此項目的。例如氨可流過晶圓後方，或反應器可以ς 有效知除反應益内容積之方式稀釋蒸發產物。 趁_FS(A1，In，Ga)N2 的低中間層 _4^升m良。低溫（Al，In，Ga)N生長接著再結晶，可用 於本發明之多個具體實施例俾改良平順化效率（六方系小 丘及顛倒六方系凹坑），而達成更快速平順化時間（換言
516102 五、發明說明（23) " "" " 之’較短生長時間及前驅物利用）。 二J欠或非一致結性及極性缺陷的枋正。如此表示本 發明之各方面其可達成基板上晶粒的傾斜、鑲嵌或顛倒領 域非一致性減低。 心立白勺〈咸少、。表示本發明可更快速減少錯位，減少某些類 型錯位及改良材料品質。 一、 應變解除中間層 蟲一晶中間層解除^Ga)N的應_ 〇如所製造或供給 的FS(A1，In，Ga)N具有殘餘應變，不同晶格匹配或不匹配 （Al，In，Ga)N化合物可用於磊晶層對抗應變傳播入 磊晶裝置結構。可採用高溫退火來減少應變，容後詳 其它中間層 沉積於FS(A1，In，Ga)N基板與磊晶層（磊晶層視需要帶有 ^，結構於其上）間的（A1，In，Ga)N中間層可用以達成磊晶 3特性或裝置特性的改良。此等中間層可分級為同質磊晶 、’=成攙雜以及非同質磊晶組成（以其它材料如s i C，BN等 t級）。超晶格（一或多層）可用以達成例如錯位彎曲。 廑。厚度小於1 5 0 0埃之未經攙雜GaN磊晶薄膜為消 二=曰日生長形悲中斷所需，且允許GaN於FS GaN基板上初 二：品質凝核。更佳GaN未經攙雜磊晶厚度須夠低，俾允 二$子或電洞跨越未經攙雜層運送。對應考量也適用於 它（Al，In, Ga)N 材料。 η—型攙雜劑。石々、冷、7 、卜 ~^ 乙石夕说、鍺烷、氧、硫等可用以形成
516102 五、發明說明（24) 對應N型磊晶膜。 °Cp2Mg(固體及液體，波 乙基鈹、鋅、辑等可用 Γ Cp為貳-環戊二烯基）、二 改^ % f承而儿成對應1"型磊晶膜。 送-A^悲千順化之皙晉輸j 送方法1。本方法#右M pe
# # ^ ^ Φ ^ ^ ^ ；1I| .bFS^GaN 氣氣氛常用於此項目的。 乂 虱乱及虱虱虱虱或氫 J里輸迭方法2。質晉;矣如pg T~7T , ^ _ 輸t期間由於基板含有雜質，故質 _ 里輸运w或輸送期間的稀釋較貝故貝 π τ - v备几此山e 乂 年乂 1土用於讓形悲平順化。添加 ^虱化物生長可驅物可改變平順化發生方式， 改質量移轉驅動力或機轉。 > 。方法1)及2)可使用界面活性 方便執行平順化。 丁早文 或3之氣氛控制。氣氛可經控制俾輔助先前一連 串方法之一或多者。 於經光瞽基板上生長 屋_位光整損傷的老除或減少_;棊_板鼓j}·斗回餘接著今生長· 丛^前.的邸1..蝕刻或Κ0Η蝕刻〇此等技術可有利地用於 本發明之各具體實施例執行於經光整基板上的生長。 、 選擇性罩蓋缺陷用以謨缺陷過度生县^ 皇崖罩墓。此種辦法涉及選擇性沉積罩蓋材料，利用A板 的錯位及缺陷之電主動性質，此處罩蓋材料偏好沉積ς電 活性區（換言之，錯位、缺陷區）°此外，於未經光整fs (Al，In，Ga)N之某些晶相學小面有不同電活性俾允許^罩苗
516102 五、發明說明（25) 選擇性沉積於較佳FS(A1，In，Ga)N晶體小面或形能 可採用全面性罩蓋層沉積，接著為 心 也 性去除。 接者為軋電主動缺陷緩和選擇 於凹i几或錯位的；H ：[^性g 仏 ~~-〇如此涉及於對環琦I t τ 】表面能及反應性之凹坑或錯位之選擇性或偏 。此項辦法涉及濺鍍或沉積罩苗於入麵 ，然後使用化學機械研磨(CMP)或 二留王- 坑、錯位或其餘形態特徵(換言之六方系 界面活性劑添加至生县 1_晶t m制修飾。添加界面活性劑至在真γ拉a 學定向傳播改性劑可用於促進未經=== 異以及經過光整FS (A1，In，Ga)N歧異的平順化的提） 的FS GaN 層用於 aj ± ^ . M 0誕升。 的減少 -^與缺陷 質蠢B^XgaN於GaN )上生長〇採用均質鍅斗Α r τ τ τ lr产 氮化物上遍，使用夠大==1: = :的生長。平臺邊緣讓晶相學平面傳播結束以及錯二结 U比抵綠罩蓋。平臺周圍的罩蓋區用來防止4具，$ 未經罩蓋結構經蝕刻至足夠深度俾允 、$ 間。 又1平兄卉有大邊界層擴散時 發二日月之搜一定方面及特色之詳細說明 90115729.ptd 第31頁 516102 五、發明說明（26) 現在更完整說明前述本發明之特徵方面及特色。 再度參照附圖，圖1 1顯示典型磊晶生長方法步驟集合， 其中垂直軸粗略表示溫度，而水平軸粗略表示時間。此種 方法流程涉及下列步驟：晶圓清潔，反應器掃除，基板加 熱’生長面原位清潔’蠢晶生長於生長面上及冷卻。此等 步驟容後詳述。 FS— GaN基板的清
業已開發多種基板的多種清潔程序用於GaN非同質磊晶 例如用於S 1 C及藍寶石。fS (A 1，I η，Ga ) N可由獨特晶圓清潔 處理獲盈’因而獲得高品質同質磊晶生長。發展基於HVpE
GaN之基板材料時發現某些清潔類型為高品質同質磊晶生 長所必需。
特別’發明人初步發現清潔1〇微米HVpE GaN/藍寶石層 之杈佳方法對適當磊晶生長極為重要。發明人有一段時間 ，，難以於10微米基於HVPE GaN/i寶石層上生長高品質 絲日日2料。發現其原因在於當卸載時反應產物蒸發至 反應為之生長基板表面上。為了清潔GaN基板面，例如 MPE，造的基板表面[該表面帶有殘餘物（例如得自氣化 =、备含鎵副產物、氧化產物或分解氮化鎵表面材料）]， =要超越清潔標準藍寶石晶圓使用的清潔措施之額外清潔 ^ =監貝石巧冷處理並未由磊晶基板表面清潔此種產物 ί適：程度，或許原因在於藍寶石的清潔處理需較不激 …於—成不變地存在有低溫中間層，該層於較高溫時
516102 五、發明說明（27) ^ 再結晶而吸收部分位於基板磊晶界面的雜質。於發明人的 經驗中，氧、矽及碳可存在於藍寶石與氮化鎵界面，接近 中間層’且污染物可能干擾同質磊晶GaN生長。 發明人發展出10微米HVPE GaN/藍寶石清潔處理，該種 清潔可矯正最初磊晶品質不良問題。老式清潔處理結果導 致粗糙磊晶面（顯示於圖丨2)，帶有寬X光FWHM。發明人之 新I員清潔方法可應用於FS GaN，獲得光滑材料帶有改良材 料品質。 發明人之較佳方法將說明如後，但另外可利用其它方法 俾去除當卸載時蒸發至基板表面上的反應器產物。 範例程序 去離子水（D I H2 0 )浸泡5分鐘； 氫氧化銨：水（1 : 1 〇 )浸泡5分鐘； 去離子水（D I H2 0 )清洗； 鹽酸··水（1 : 1 0 )浸泡5分鐘；以及 去離子水（D I H2 0 )清洗。 此種程序可視需要修改而於前述酸/驗水溶液處理前， 包括二氯曱烷（MeCl2)、丙酮及異丙醇（IPA)清潔。 前述處理常用於清潔基於HVPE GaN之基板材料，包括獨 立式未經光整或經過光整之GaN以及10微米HVPE GaN/藍寶 石基板。 推定圖13所示於10微米HVPE GaN/藍寶石上磊晶生長過 程的改良係藉本發明方法提供，原因在於該方法去除蟲曰 基板表面之氯化銨或其它反應器產物，該等產物係装
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基板上或於HVPE GaN反應器卸載期間由表面分解形成。 此種清潔處理也可用於由蟲晶表面清潔去除氧化物 它非GaN產物。進一步’此種清潔處理可用以清潔磊晶平、 面上（c平面除外）暴露於FS GaN&1〇微米HVpE GaN/藍金 之未經光整表面上的雜質或表面污染物。 貝 其匕替代清潔方法常用以清潔未經光整的F $ (Al，In，Ga)N或經過光整的（A1，in，Ga)N表面。
g^S(Al，In，Ga)N之準備磊晶表面之製造方式’可經由於 氧氣、空氣、空氣/惰性氣體混合物或濕混合物氧化 (A1’ In，Ga)N基板而形成薄氧化物層，該層隨後於鹼性溶 液去除或恰於生長前以其它適當方式蝕刻去除。此種薄氧 化物層目的係由基板獲取或去除可能的雜質，允許基板表 面最初少數單層不含同質磊晶層干擾雜質（例如c，s i，s 或0)及/或其它雜質。 一此種處理方便製造活動產物（C〇，c〇2，s〇2，〇2 )故易於 高溫去除雜質。例如s可以殘餘濃度存在於HVpE (A t In，Ga)N基板，硫將抑制完美同質磊晶生長。經由添 加氧化劑或氧處理表面，硫經由形成二氧化硫氣體而被去
除，因而離開基板表面，且留下氧化物薄層，氧化物薄層 可於晶生長别被去除。 (A 1，I η，Ga) N基板表面的氧化可用以讓缺陷定位，以及 品質的定量、定性及/或提升磊晶晶圓儲存壽命，氧化物 表面吸收來自環境的烴類及雜質，然後於生長前易藉選擇 性钱刻去除及凹割。
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FS GaN表面氧化由於具有較高表面能以及暴露不同晶妒 小面，故可用以優先氧化表面小丘。但當氧化物被去除日^ 達成較光滑面或較小的六方系小丘縱橫比，可更容易讓表 任何前述準備FS(A1，In，Ga)N未經光整或經研磨表面之 氧化反應可改變，或可採用其它氮化物（不相似）化合物， 包括但非限於硫化物、砷化物、銻化物，磷化物及硒化 物’俾輔助選擇性蝕刻或去除表面的不相似材料。 R IE為另一種由未經光整基板或經過光整基板準備磊晶 面之方法。RIE可去除嵌置於基板面的污染物，例如== 介質或其它於加熱以及於基板上生長過程中可除氣的物i 質。如所述，RIE可有利地用於激烈清潔法例如超音波产 潔可能造成脆性基板裂開或斷裂之例。 HVPE GaN基板之加熱倏袢 恰如清潔以及表面準備對高品質GaN磊晶生長具有相當 重要性般，於基板加熱至生長溫度期間，反應器 θ 件也有其重要性。 ^ 此項議題涉及比較其它用於GaN蠢晶的基板例如碳化石夕 及藍寶石，使用GaN基板的氣氛條件特別複雜。原因在於 GaN於生高溫度具有高N蒸氣塵，若無足夠氨氣過壓或適告 加熱條件可能分解。此種GaN蠢晶與FS GaN基板間的同" 蟲晶界面若未利用適當生長條件則容易污染、分解以及、 發新缺陷。較佳且理想加熱條件須進行下列一哎多者· 平順化基板表Φ ’2)去除基板表面損傷，3)
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污染物 4)減少界面缺陷傳播以及5)消弭界 (空位、錯位、顛倒領域等），6)減少電 成：：陷 基板雜質除氣及8)攙混補償雜質於界面。 ◦減少 該加熱條件讓 界面而無前述
就此方面而έ ，業界尚未解決加熱條件， 磊晶生長於（Al，In，Ga)N上，產生同質蠢晶 問題。 、M 於其它I I I-V材料例如 J…7丞极刀口熱條件對減 蟲晶界面 >可染以及遙晶結構下方導電性也具有關鍵重土要 性，否則该等現象可能導致裝置的隔離不良以古 特性不良。 回頻衣
於GaAs材料，Si，C及0等雜質影響界面導電性，、、w产 氫化物流及時間等參數也影響導電界面或污染物。 晶界面之潛在導電性也存在於FS(A丨，In，Ga)N基板且丨〇、微& 米基於HVPE GaN/藍寶石底層。偶爾於磊晶膜及HvpE GaN 基板界面觀察得雜質。反應器組件有部分造成GaN蠢晶生 長的污染。生長條件也影響由生長反應器組件提取雜質 (例如氨氣可能腐钱某些部件’讓雜質進入氣相而攙混薄 膜）。 /
圖14及10顯示塗覆以GaN產物的感受器（導致圖Μ)或未 塗覆以G a N產物的感受器（導致圖1 0 )的條件如何影塑於g a n 與HVPE GaN基板的同質蟲晶界面表面的雜質。 當使用未完全或充分塗覆的感受器包括晶圓袋時，傾向 於界面獲得南濃度0、Si及S(分別為3.5E18 /立方厘米， 3.0E18 /立方厘米以及3E16 /立方厘米）。此種於同質蠢晶
90115729.ptd 第36頁 516102 五、發明說明（31) 界面的高濃度雜質促成同質磊晶生長及表面形態劣化。 斟tf 3出乎意外，由於GaN於藍寶石或碳化石夕上生長 &不感叉為組件不敏感，GaN與藍寶石界面典型含有矽、 氣及碳中之一奋·夕4-> 用Φ @ 夕者。原因在於於此等晶袼不匹配基板使 = 術，中間層可配合容納雜質及缺陷而防止雜質 及缺fe影響結果所得石曰 、 類型雜曾式立6目ΐ祕日日層。（，，）N表面也對此等 於前％二Ϊ ^匕 較高親和力或沾黏係數。發現濃度低 ' ’L，辰又為產生高品質同質磊晶GaN所需。 ，即使於品質良好的同質磊晶材料，大於1£18/立 、一=;、的石夕仍然存在於介面，故採用加熱條件來減少 巧衆。 、 及2二：：1發明人發現，☆生長開始前加熱時間較長以 夫铖：：度時間較長有利於較光滑的同質磊晶薄膜生長於
Sit _上。例如氨氣流較高（p_=37托耳）以及 #長呀間較長（8分鐘）結果獲得優異原子力顯微鏡 (AFM)表，粗度。· 16毫微米。較高氨氣流結果於全體晶圓 ΛΡΜ:于攻均勻AFM階級結構（較佳每2微米長度小於1 2一1 4 AFM P白，或每階16〇〇埃）。 5車Γ =用於低iM0VPE生長的加熱條件包括使用氮物種（氨 =如ρΪ類、氮氣）具有分壓約1托耳至約50〇托耳，傾斜上 、\ 0由約1分鐘至約1 〇 〇 〇分鐘，溫度傾斜上升速率由每 刀知、力1 G C至每分鐘約1 〇 〇 〇 °c，以及使用包括例如&， 二^二，He，Ne及阢1及其混合物等種類的氣氛。最佳加 熱條件參數包括氮物種（氨氣及氮氣），分壓1〇托耳至4〇〇
第37頁 516102 五、發明說明（32) — ，耳，傾斜升高時間！分鐘至丨00分鐘，溫度傾斜升高速率 母为1里100〇至每分鐘400 cC，以及包括H2，N2，Ar，Ue， Ne及HC1中之一或多者的氣氛。 用於大氣壓MOVPE反應器系統之對應條件方便由經驗決 定而無需作不當的努力。 /主思隶適合F S G a N基板的加熱條件係與1 〇微米η v p £
GaN/藍寶石的加熱條件不同。用於FS(A1，Η，Ga)N基板， 需要較高氨氣流，以及生長於其上磊晶較長的加熱平順化 形態。如此，明白指出選用以加熱未經光整FS GaN晶圓至 該溫度的條件係與1 〇微米HVPE GaN/藍寶石基板的最理想 條件分開且不同。原因在於FS GaN未經光整晶圓上暴露^ 晶相學平面或偏割係與10微米HVPE GaN/藍寶石層不同。 使用適合FS GaN基板的較理想條件用於10微米HvpE GaN/藍寶石，將導致於10微米HVPE GaN/藍寶石上形成較 呈魚鱗狀及粗糙的表面形態，如圖1 5所示。、此種形態變化 符合兩種不同HVPE GaN基板材料的表面形態差異，以及存 在於F S G a N基板的晶相學小面或偏割比例及類別與1 〇微米 HVPE GaN/藍寶石基板不同，以及形態學縱橫比（高度、寬 度、相對寬度對高度）不同。 其匕F S G a N加熱條件的考量包括加熱條件抑制f ◦ a n天 然存在的雜質例如硫及氧的除氣因而妨礙引發良好同質蟲 曰曰生長。當使用標準加熱條件加熱基板材料至生長溫度然 後冷卻時’使用奥袼（Auger)光譜術及二次離子質譜術 (SIMS)也證實硫存在於HVPE GaN/藍寶石晶圓上。懷疑此
516102 五、發明說明（33) 種硫材料係來自於基板。其它晶格匹配基板的類似議題也 發生方；LG0及LA0，此處鐘雜質及基板分解大大影響蟲曰'及 界面品質。此外，當物種污染界面時，藍寶石及碳化^美 板可能有矽、碳及氧等問題。 土 因應此荨存在於FS GaN與蠢晶GaN界面的潛在雜質（具有 電活性及導電性）之替代之道係使用深補償施體或受體〃例 如Mg ’ Be，C，Si，Ge，0，S，Ca，Fe，Ta，V 及Ba 補償潛 在雜質，產生電荷中性而不影響界面品質。 、加熱條件影響蠢晶/旋核方式且修改錯位或缺陷的傳播方 式。 兹._FS_^_a N的各種晶相平面上蠢晶（方向性、 於軸上F S GaN基板的c平面上磊晶生長發現優於於其它 基板例如藍寶石、碳化矽及LE0(橫向磊晶過度生長）^ EL0G(磊晶橫向過度生長）等材料上的磊晶生長。典型於此 專替代基板上的GaN磊晶AFM結構具有非平行及不規則階結 構，有多個階終端，但如圖16所示，GaN磊晶於FS GaN上° 顯示明確界定的階結構、低錯位密度及平行階。 此種晶圓之磊晶階結構由於具有改良之平行階結構、較 少的階終端以及較少的凹坑，故優於至今為止據發明人所 知已經公開的於任何其它基板上的任何其它GaN薄膜。典 型GaN蠢晶於其它基板上，AFM階結構不規則，或未經明確 界疋’缺陷位置清晰可見。
GaN蠢晶於FS GaN之X光特徵優異，具有（〇〇〇4)反射FWHM 為73弧秒，如圖17裏0』PINkFS GaNiDCXRD光譜所示。
516102 五、發明說明（34)
GaN蠢晶於FS GaN之X光特徵優異，具有（〇〇4)(如此亦 可，可為任一者）反射FWHM為73弧秒，如圖17裏GaN PIN於 FS GaN之DCXRD光譜所示。 由蠢晶層生長於HVPE GaN所得之部分最佳表面形態係顯 示於圖18之基板（未經光整FS GaN基板，i3〇倍放大）以及 圖19之基板（1〇微米GaN蟲晶MOVPE層於圖18未經光整之FS GaN ’ 1 3 0倍放大）。表面顯示讓表面平順之磊晶生長過 程0 本發明具體實施生長條件，其偏好平順未經光整的F s (Al，In，Ga)N基板表面，而廣義應用至平順經光整基板的 歧異。此等於未經光整FS GaN基板上的生長條件且傾向於 讓基板表面變平順之條件係與於10微米HVpE GaN/藍寶石 晶圓或碳化石夕晶圓上獲得良好光滑同質磊晶生長的^生長條 件不同。於兩種類型基板上最理想生長條件的差異提示， 於FS GaN基板上獲得光滑磊晶的生長機制不同，至少部八 係與於10微米HVPE GaN/藍寶石上生長機制不同。舉例\ 之，於FS GaN生長期間較高氨流或較高ν/ΙΠώ可獲得& GaN基板的凹坑填補’而相同生長條件於丨〇微米dm 藍寶石基板上則形成受干擾的魚鱗狀形態，此種魚鱗形能 也預期出現於MOVPE GaN/藍寶石基板或GaN/碳化矽某板二 實施本發明於FS(Al，In，Ga)N獲得的同質磊晶薄膜土由於 磊晶層的均勻以及低錯位密度，故具有比任何主它芙 高的活動性及片電荷。sP_GaN補償錯合物關聯錯位土或並 它結構缺⑯，則錯位密度也允許獲得較高捷雜劑纔混、
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古列如鎂攙混）而無需深度補償。由於磊晶及基板的品質較 二三5比ί於監寶石上製造的蠢晶，對指定最终表面或材 二口 口貝而έ ’可達成較高載體濃度（攙雜劑攙混）（例如來 立t !! ί洞濃度）°由於室溫載體濃度（例如鎭受體濃度） 口Ρ刀文，谷解度（例如鎂溶解度）所限，故較高材料品質可修 改，例如提升溶解度。此點對其它攙雜劑亦為真。 方向性 貝轭本發明對GaN磊晶生長可能的基板方向性包括來自 ( 0 0 0 1 )或（ 0 0 0Ϊ)的偏割，此處偏割角度及偏割方向相當重
要，軸上平面族群例如丨及丨來自此等其它面的 偏割，以及面的本身（(^及1^。KGaAs，電子裝置及光電 裝置顯示對基板（晶體平面及極性）以及裝置方向性有強力 相依性，且GaN也有類似的考量。各個具體實施例之最佳
GaN基板方向性依據用途決定··因各裝置而異，依據是否 使用MBE或0MVPE而定’依據材料、合金、導電類型及生 結構而定。 'π 由（0 0 0 1 )偏割 ( 0 0 0 1 )面亦即Ga面典型用於基於GaN之M0VpE生長於GaN 基板。G a N磊晶膜於各個c軸基板以及有些區域其含有表面 略與c軸不同方向之基板上的階結構透過AFM(原子力顯微 術）於四個正方微米區評估。比較A F Μ原始資料。但未考慮 探針梢端效應。由於探針梢端橫向異位1毫微米（探針梢二 效應）原始資料分析結果導致遺漏某些GaN雙層階，你让『 曰 1&估鱼 C轴的偏割夾角。但由AFM原始資料可獲得有用的資料，/而
516102 五、發明說明（36) 無需使用LAUE或RHEED等技術確切決定GaN晶體方向性。使 用AFM原始資料，發明人可評估GaN於「經過光整」以及 I未經光整」FS GaN基板上磊晶的新穎且非顯然易知的性 質，基於前述方法獲得且分析的AFΜ資料，發明人整理出 下列觀察現象·· ^ GaN於「經光整」以及「未經光整」GaN基板上磊晶比 較於非均質基板例如碳化矽及藍寶石上磊晶，具有典型平 行規則階且於其缺陷之階終端減少。 / 2)磊晶GaN層生長於「經光整」以及「未經光整」基 板j基於得自AFM掃描的階高度及臺地寬度計算得知典型 =離c軸^達數度。與方向偏離無關，發明人典型觀察得規 ^ ^平行p白。生長於非均質基板如藍寶石及碳化矽的 ，型具有不規則階，且如AFM掃描測定典型其方 較少偏離c軸。 3上„典型對於「經光整」以及「未經光整」_基板 ΐΐ/ν曰曰係於丨.2至12·0埃之範圍，而於非均質基板如藍 ^。奴化矽上的GaN磊晶層則典型具有2. 5至6. 〇埃階高 二且右ί整的GaN基板典型具有較粗糙面，因此相對於c =大方向差異。於此種表面角度與。軸方向性 然無階隆起（換Λ Λττ 型有較大階高度’但仍 臺:寬;；：；經光整」以及「未經光整」-基板上， 如藍寶^ i =於3G°至24G°埃之範圍’而於非均質基板 反石夕上的GaN蟲晶層典型具有臺地寬度為7〇〇
516102 五、發明說明（37) = 2400埃。未經光整GaN基板典型具有較粗糙面，因 自：c軸具有局部較大方向偏差。於此等有較大方向偏差 角度表面上生長的磊晶典型具有較小臺地寬度。 5)使用由AFM原始資料分析得知的臺 料，對於於「經光整」以及厂 文又及尸白回度貝 I (〇軸）的鄰近偏割典型為〇度至1·5度。於 非均貝基板如碳化矽及藍寶石上GaN磊 離c軸偏割小於〇·5度。 日^ 偏 使用距<0 0 0 1 >偏割方向可能獲得的效果例如係基於c faAs磊晶生長考量。例如於Sic，偏割形成表面階級， 表面階級的理想高度及寬度係於偏割角度以及多型性幅产 =。表面階級促成同μ晶生長’亦即階級流生長，二 處蠢晶層繼承基板的堆疊順序。 藉此方A，比較生長於轴上Sic基板上，可於較低溫（達 約3 0 0 °C)基板溫度生長高品f薄膜。於GaAs，偏割方向性 ，磊晶生長的製程條件以及磊晶層品質扮演要角。類似考 置也適用於11 I-V氮化物生長於（A1，in，Ga)N基板上。舉例 言之，含In化合物的生長由於含In化合物的匕的高元 素蒸氣壓，其典型生長需要較低溫以及與較高溫⑽生長 不同的氣氛，❻由於偏割以及方向性等考量，含銦化合物 的生長條件可於較高銦組成於較高溫製造較高品質材料。 偏割方向對薄膜品質、攙雜、餘刻、反應性及其它性質的 決定上也相當重要。偏割幅度也需考慮：例如於4H sic， 8度偏割優於4度偏割，可減少三角形含括缺陷。較大偏割 90115729.ptd 第43頁 516102 五、發明說明（38) 幅度相對地可減少G a N的錯位，但士古 量。 一有各向同性方面的考 由上非（0 0 0 1 ) 如前述，此種方向性存在有多種相同考量 於
SiC，於沿a轴方向為核心的材料可消除微凹 錯位出現於GaN，透過晶體方向性的 放岛凹坑及 ^ 的違擇來減少凹挤及錯 位的影響對GaN也相當重要。當使用 、 y 义用a面基板時，於S彳Γ之η 型攙雜增加10倍。此種驚人的攙雜裎庐 τ
k 兔摊矛王度增鬲強烈暗示GaN 的P型攙雜增加。於S i C，電子及雷、、@M … 材料上較為均勻，類似的考量也適用於GaN。立它裝 計考量也相當重要，包括割裂性、RIE、光整以及；它； 置製造議題等方面。 G a或,N面 於GaN，使用相同生長參數，生長面及以面晶體出現 大為不同的形態。於SiC，磊晶生長處理窗相信於矽面較 f，對j同參數而言，當採用矽面時典型可達成較寬攙雜 範圍。W述多種考量也與生長於兩種不同GaN面上相關。 對FS GaN基板的Ga及N兩面可決定最理想的生長參數。 更為概略吕之’採用不同的G a N基板偏割、方向性或 面，將允許於各種不同用途降低生長溫度，inGaN可於不 同溫度生長。可執行階級流生長，三元一致性可獲得選擇 性改良或變更。於本發明之各個特徵方面使用不同的GaN 基板偏割、方向性或面獲得··加強錯位絕跡，增加臨界厚 度，減少裂痕或完全避免裂痕，變更生長速率；生長不同
516102 五、發明說明（39) 的多型性；使用不同生長前驅物於偏割GaN基板；改進生 長效率；以及使用最理想的不同的（或較簡單的）中間声 成計晝以及生長於GaN基板上的中間層。 曰 余述及，成中間層（使用巾間層），形成中間層就本發明之 、力CT並不it本案於某些具體實施例可用於選擇性消 ，某種缺陷以及縮短未經光整基板表面的平順 消5耳^償^研磨步驟的需求，容後詳述。 ^ 一般而吕，增加鎂或p型攙雜可於使用其它 =㈣基板時達成^常也可變更石夕或n型攙雜。可面或 混。使用it方&戈厌万$， 亍其它攙混例如^集 使用其匕方向、面或偏割也影響缺陷的形成， ί意；：帶=合鈍化。雜質的擴“ 木^ φ 夂旯且可使用其它攙雜劑。 當採用其它方向、面或偏割GaN基板時 得選擇性變更的效應，其可應用於HF二= 質。由於界面_畜二雜質的減少有關時更可變更輸送性 ^ 乂佺或非畜意雜質減少或結晶品質改良或豆 良光學性質。InGaN排序可變更，可執：及、 =二' 。使用更為均勻的處理條件集合，更方面栌 制與執行A1 I nGaN。可切宝,丨鲈氺、、两从,t a 又万面才工 同偏判、面@方* & 較先'月的 俾良於具有不 ,υ 向的基本上的光學裝置。由於不同表面上 裤::吊，建社、度及方向性的改變，肖定方向性、面或偏 ，、塗層的優點。歐姆及蕭特紀（Schottky)接觸^化 90115729.ptd 第45頁 竭102
學計算學以及型態也改變。 於遙晶之C軸方向性或丄 / 階隆起。顯示於圖2 0〜2 2，复糸小丘側壁上並無顯著量的 的原子粒顯微鏡（afm)續忾ς為於六方系小丘上磊晶生長 晶生長的階隆起發生率低。"^片，證貫鄰近或非（〇〇〇1)磊 圖21顯示1〇微米X 1〇微乎=2〇顯不2微米χ 2微米視圖’ 視圖。 I卡視圖及圖22顯示20微米χ 2〇微米 此仍發明人所知第一侗古扣 f ηηΛ1、★ 個有關於獨立式GaN上生長非 (〇 〇 0 1 )或大於0 · 5度偏匈n所r 王长非 、士工 甸问貝磊晶階流晶體生長的報止。 沉積磊晶層FS GaN上睹，饮1 r 我的報口
ΤΓ/ At α ^ 、 心改蠢晶生長條件可變更表面 形態且影響晶圓的光滑化。士％山1立AL卞J文更衣面 得古鉍牡口所冰F力 此乃出乎思外的於FS GaN上獲 I ^ *路心·發明人發現使用HVPE FS GaN基 板日守，未經光整的FS GaN曰m曰、曰士上a 士 n ul· ^ ^ u λ 日日圓取初具有的表面結構讓該晶 0比其他基板原料有獨特之處。
心圖23顯示，典型未經光整的FS GaN基板之130倍放大顯 微像片。六方系小丘及顛倒凹坑存在於基板表面，且為於 矽、其他I I卜V材料及WBG半導體的其他同質磊晶生長表面 上的=典型表面結構。此種六方系小丘及顛倒凹坑結構並 ，以等數或相等大小隨時出現於全部基板上，希望能減至 最少或由基板上完全消除。六方系小丘及顛倒凹坑結構可 透過光整去除但由於G a N材料的硬度及脆性故光整g a n材料 可能成問題。因此，高度較佳及高度新穎係直接於未經光 整的基板材料上製造高品質光滑’的同質磊晶膜，藉此降低 基板成本以及改良基板於較低成本邊際應用用途的取得性
90115729.ptd 第46頁 碼102 、發明說明（41) 及利用性。 ，且出乎意外的磊晶平順化可使用多種GaN M〇vpE生 长條件驗證，如圖24-27所示。 ，24-27驗證磊晶生長條件如何影響FS GaN基板面的平 川貝化。 個具體貫例中，GaN生長條件包括丨〇 〇托耳反應器壓力 Μ 4 Slm氨氣，透過AFM測量三區獲得跨晶圓表面之一 士 FM階級結構（晶圓表面每2微米長度有丨〇 —丨5階）。 =正猫晶生長條件對磊晶薄膜的最終光滑度及形態也產 ^影響。it常發現氨氣流速、反應器壓力、生長溫度 速率影響FS GaN未經光整表面的平順化，且暗示對 基本可獲得對應結果。較佳低壓生長條件包括 纟：’、、1至1 0 0，0 0 0，氨氣分壓為約1托耳至約5 0 0托 度為約500 °c至約125(rc，生長速率為約每小 括ν/ιΓι以Γ小時5GG微米。低壓生長的最佳生長條件包 400托耳至約50,00 0，氨氣分壓為約20托耳至約 約每，〗日±η ς度為約1〇〇(KC至約1150它，生長速率為 為例，’作I ^/、i較低生長溫度為佳。以含銦磊晶層 論，“ίi ί度ί於50(rc。由前文生長條件的討 石”’、'、.二由不當的貫驗即可確定大氣壓製程。 二晶生長條件如反應器壓力及 補⑽基板材料上的凹 匕=填 文討論。使用某些生長條件，可完全填補件凹同-
516102 五、發明說明（42) 坑，如圖2 8及2 9所示。 圖2 8及2 9分別顯示生長前後的形態，使用較高氨氣流可 有利的影響凹坑填補過程，證實凹坑的填補係與生長條件 有關。 較高生長速率（每小時大於5微米）對形態平順化的影響 可與較低生長速率的影響相媲美。較高生長速率比較低生 ^速，更快速獲得晶圓面的平順，可改良製程產出量以及 降低，，成本。經由變更於FS GaN基板上的磊晶層生長條 件’蠢晶生長的限制生長階機制被修改，以及於FS GaN基 板之各種晶相學方向性以及錯割上達成不同的生長速率χ Τ質攙混、錯位傳播、以及-般磊晶品質。生長於FS GaN &的t順化過程無需罩蓋，比LE0或Pendeo或EL0G生長方 敕^ ΐ攙雜巧染問題減少。進一步，讓HVPE GaN未經光 广二f二順化的生長條件係與於較為光滑的1 0微米H VPE 干於；二：3上生長光滑磊晶膜採用的生長條件不同。顯 中FS⑽平順化的最理想生長條件用於 圖30及31呈現於FS GaN的較佳平順化條#對 其 於HVPE GaN/誃寶® μ & n ^ & 化條件對於10楗未基 板上兩條件的比較，證實於不同基 顯微像片顯示氨m β 貝化條件。特別，此寻 誃寶石上伤吝* 、爪較冋及反應裔壓力增高於訂1^6&1^/ 。：ΐΪΐ生較…圓形缺陷形態，但對於於FSGaN 基板上的生長部具有正面效果以及具有更光滑的形態。
516102 五、發明說明（43) 使用較乳氣流於未經光整的FS GaN基板上生長比於 HVPE GaN/監實—石上生長遠更光滑。調整GaN M〇VPE薄膜生 長條件〜專’專膜的錯位傳播，且減少磊晶膜的錯位數 目一 口此了由單純生長於曝露於未光經整FS GaN晶圓上的 T : ί : ί平面，可去除某些類型的缺陷，最終讓整個磊 日日曲、交尤；骨0 生長條件包括^曰# , c ^ 卜 力、生長溫度、vmi: Λ厂氣氣流、反應器壓 介面將如何傳播或引上〜氣分奎壓，對於於蠢晶層與基板 影響。變更生播或引發何種類型錯位有 助表面的S滑或m ，、溫度及生長速率俾輔 流生長。 —、,B位的減少，可應用於改性磊晶層的階級 錯誤晶粒上的生長$ =調整生長條件可影響於定向 小或隙寬之函數Ϊ .嶽此日日外肢的X光FWHM係隨又光束的隙大 比先FS GaN未經光整基板 ： 於磊晶膜或基板問，此等 =更見。可“因 程晶圓彎曲或晶相；缺二=限於蟲晶生長過 彼此間的傾斜或相對定向錯^。 件可用來調整此種 對同一組生長條件而言，
GaN/藍寶石上生吾吝沒托士 ¥ GaN上生長比較於HVPE -致，通常可採異的形態，與此項觀察符合 丘、六方系凹坑哎Α柘站1 η + 、不冋大小的小 次基板歧異。原因在於比較採用標準生長 516102 五、發明說明（44) 方法傳播晶體C平面，丄士么 斗、 换用不P1斗旦玫从十/、方系小丘或六方系凹坑平面較佳 祙用不冋生長條件來傳播及平順化。 权仫 本發明意圖包含多階段式生長方法，藉 順化於未經光整材料出現的或弟一層千 ，或缺陷，然後額外 t::且形成裝置層。二處理步驟讓厚度及生長參數變最 理心化，可獲得未經光整表面之FS GaN的最理想平 圖32顯示FS GaN未經光整表面平順化之多階段^程之二 段式製程具體實例。圖32左圖（圖32A)顯示於氨氣及一白 氣氛的GaN基板。中圖（圖32B)顯示形成磊晶層而平順%匕、 曰基板。右圖（圖32C)顯示磊晶層進一步生長而傳播GaN 晶用於形成裝置結構。 因此本發明於一具體實例意圖包含於經光整或未經光整 材料之二步驟式處理，包括第一組處理條件來減少基板處 理的不完美，第二組（正常）處理條件來生長裝置結構於基 板上。 磊晶膜的攙雜也可用來讓晶圓表面變光滑。通常當生長 GaN ·· Si時，形態變成較為光滑，此項特徵也可用於】晶讓 FS GaN變光滑。 « 姓刻（RIE，Κ0Η等蝕刻）凹坑而更明確界定生長面，然後 於生長面上生長為另一種消滅凹坑的方式。無論缺陷#或微 粒是否為凹坑起因，該種方法皆有用，採用適當生長條件 填補凹坑。 防止來自天然晶體雜質（例如FS GaN的S及0)污染磊晶膜
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的生長條件為較佳，允許生長旦 ^ 4co m τ王长低月景磊晶膜。 可採用例如較高溫的峰具总1十 Γ Μ曰触 ]生長條件來強迫產生不同多型性 G a Ν日日體，因此於材料及梦罟 ^ } ^ 置性貝上提供對應優勢0 於未經光整 FS (Al，In gun e >
,Λ1 τ η χ η，bajN上的生長條件可用以變更FS P1古、Γ 六方系小丘平順化發生機轉。而應用兩種不 4:種方法中既有的六方系小丘晶相學平面係以比 t 的C平面凝核更低的速率傳播；另一種方法中既有 白网曰曰肢六方系小丘之晶相學傳播通過鄰近表面之某個範 圍，止於軸上或鄰近C孚；本工 _ 平工4C十面表面。此等辦法可應用於 (Al’In，Ga)N晶體之其他晶相學平面。 豐側蒸發抑制 M0V = E(A1，In，Ga)N生長於天然（A1，In，Ga)N基板上由於 基板月側（例如N面）容易蒸發而問題變複雜。此種蒸散或 刀解產物傾向於輸送至反應器氣氛，可能沉積於磊晶面 上’造成表面損傷或生長氣氛變遷而有損磊晶層品質。此 ^產物的擴散干擾磊晶面形態，如圖3 3之示意說明，顯示 为側蒸發產物遷移至磊晶層上而中斷該表面。 磊晶面因晶圓背側蒸發/分解產物中斷係出乎意外的， 原因在於預期生長氣氛的氨氣或含氮物種可抑制此種產物 的分解。 發明人發現磊晶面受到〗〇微米HVPE GaN/藍寶石晶圓背 側蒸發/分解產物中斷可藉由研磨或光整晶圓背面而減至 最低，去除背側沉積產物，降低其表面能及/或去除多晶 材料 光正日日圓为側也可提供與感受更一致的接觸，俾
516102 五、發明說明（46) 減少熱點的出現，光整可有利地去除較為容易分解的缺 陷。
發明人懷疑此種蒸發產物為於升高溫度，GaN由FS GaN 晶圓背側蒸發，因GaN的N元素蒸氣壓高故逃逸入生長環 境。此種蒸發產物混合生長環境且運送至磊晶面上，結果 導致磊晶生長的中斷。發明人的實驗中，GaN基板背側可 穩定至約1 0 50 °C，但於高於1 0 5 0 t：溫度，背側（N面）相當 容易分解。發明人裝置的溫度係使用熱偶（R/S型熱偶）置 於生長氣氛外側’但於插入感受器的石英鞘套内側測量。 此種溫度測量技術容許感受器實際溫度計算上有若干誤 差。發明人推測此項誤差少於1 〇 〇。〇。 對於非含銦氮化物化合物（例如GaN，AiGaN，A1N)而 :’非背側蒸發之較佳生長溫度小於9 〇 〇 〇c，背側較佳保 長溫度大於等於。以含銦基板為例，背側保 疫·度較佳大於5 0 0 t：。 月j瘵發對於I Π -V氮化物化合物於較高溫生長成問 長條―上大於1i3G°c的有利生長條件（依據生 成門$疋，GaN將於較低溫分解，但與氨氣的過壓有關） 口口質生具此等條件例如採用於讓晶圓變平滑且達成高材料 "貝生長，特別含鋁組合物。 叮 理想上，FS 率的短波長藍 功率電子裝置 與基板相媲美
GaN基板之優異結晶材料品質可獲得較高功 、綠及紫外光雷射及LED以及較高頻且較\ ，需要較高溫生長條件來讓磊晶材料具有 的材料品質。 a
第52頁 516102 五、發明說明（47) _ 消除此種背側蒸發產私β 背側沉積背側保護層。此伴：η严板接觸感受器 層，依據使用的該層及用：為基板的溫度穩定 金屬及/或背側保護、埶桩馘“ a 了作為支持臈、接觸 良層。I熱接觸改良層及/或熱接觸—致性改 背側保護層名目上對生長環境的惰性 極低蒸氣壓，於磊晶膜去彳b '長，皿度具有 略微彎曲或有其他。背側保護於基板 此於較高溫跨晶圓可獲得的：接觸層。因 度。該材料用於光電岸用較佳溫度均勾 背側保鳟尽> π ^為先射或光透射。 僅需Ρ層、η層或未衣置基板的^姆接觸層， 賤鑛污膜或立他材2 ί t 一具體實例中，包含 貴金屬。i需晶圓背側。其他可使用的材料包括 想上，選2:則可使用叫’…尋…里
材料的熱膨脹係數。 =用的（Al，In，Ga)N 使用薄「黏# ί" 反應性較低的材料’證實較佳 i 、膠」層例如鈦俾改良黏著性。 接^芦鈦ΐ Ϊ他材料或金屬不僅可用於保護同時也可作為 電子堆疊，盆罝ί t 處步驟，例如多層介 有反射性。八八有導電性且經過工程處理而於某種波長具 的集合種:才料—至晶圓背侧俾提供由多種材料衍生而得 的蒸發抑制層以°及第層一保二基板不發直另-層保護基板 及弟二層用於黏合）。其他背側保護層可
m 90ll5729.ptd 第53頁 516102 五、發明說明（48) 於生長後去除俾提供預定磊晶晶圓特性。 沉積多種材料俾改良裝置的處理（例如一層改良對基 的區人姆接觸’帛二層允許接觸該歐 以及改 線更強勁）。 & ^接 發明人觀察到整個生長期間，蒸發產物繼續形成，且傾 向於沉積於表面。此項觀察提示背側劣化的起因較可能為 _材料的蒸氣壓，特別Μ-”面的高n蒸氣壓。為 =然二如此，若表面粗度影響產生的蒸發產物量，則晶 員月側光整之某種光整程度為較佳，俾減少背側蒸發產 物同理減少背側缺陷程度也將減少背側蒸發產物。光整 降低基板背側表面能，降低蒸發的可能。&外光整晶圓背 側成為某種方向性可變更背側蒸發產物。背側面的修改也 包括與另一物種反應而讓背側對生長環境呈隋性。 夕種GaN方向性對於於較高生長溫度分解的敏感度較 低如此，經由使用不同方向性晶圓或晶圓背側的錯割可 f f刀解問題。但Ga面基板背側的背側蒸發產物問題較佳 藉前述背側保護方法克服。 。。背側蒸發也造成基板沾黏至感受器，須將基板撬離感受 〇口 口衣’ $口果可此因裂痕或刮痕而對磊晶層及基板造成損 傷。、留在感X裔上的沉積物也可能顯著抑制高品質材料的 形成，或使用该感文器口袋於次一回合達成良好一致性。 此外若基板於感受器黏合過強，則當冷卻時可能因TCE差 異造成基板的損傷。
月側保6蒦也可用於減少基板的彎曲。若干X光資料提示X
90115729.ptd 第54頁 516102 五、發明說明（49) ---- 光尖峰幅員隨著M0VPE蟲晶而增高，但其發生可能歸因於 背側蒸發產物之非均勻產生導致的彎肖。較佳用於減少基 板彎曲物的材料包括具有不同CTE的持肖，故複材㈣基板 及背側保護冷卻，將基板推成平坦形狀，及/或減少或改 f背侧蒸發沉積非均㈣允許跨晶圓的更―致應變來減其 中的彎曲物。 反應器設計可適合以多種方式保保護晶圓背側不會蒸 發’例如氨氣或含氮物種可流於晶圓背側，或反應器可以/ 有效掃除反應器内容積之方式設計俾稀釋蒗發產物。 [減j晶層之中間層 FS GaN上的低T GaN中問屉 _ 本發明意圖製造GaN低T中間層’接著為再結晶步驟俾改 良如所生長的FS GaN表面形態。此種辦法經由縮短反應器 内生長時間而達成優異的附加價值Fs GaN產物，否則需平 順化蟲晶表面才可獲得此種附加價值。同時出乎意外地， 低溫中間層可用以減少錯位及某些缺陷類型，包^顛倒六 方系凹坑、晶粒邊界及顛倒領域。若干具體實例中，中間 層用於吸收雜質及/或補償再結晶中間層的天然缺陷。曰
本發明^預期使用此種中間層來減少同質磊晶生長期間 於FS GaN薄膜的領域與晶粒間的傾斜，以及用以減少鑲 嵌、減少，倒領域及/或將N面及Ga面晶體設置成彼此接近 經由允許高缺陷減少親和力成吸收錯位及晶體不完美而產 生具有一致極性的蠢晶面。 應#解除層
90115729.ptd 第55頁 516102 五、發明說明（50) 考慮應變為拉力或壓力應變，於磊晶生長前由於F s (A 1， In，Ga)N晶圓的處理而可能存在於Fs(Al，In, Ga)N基板材 料。此種應變可能於生長中造成基板變形，因而抑制熱接 觸’且達成高度一致品質的磊晶層，也造成FS(A1，In，Ga) N上蠢晶層的過早裂開。 本發明之另一特徵方面包含於生長前或於原位高溫退火 步驟’較佳溫度高於6 〇 〇。(：俾緩解該層的應變，退火氣氛 改變俾保護基板表面及促進基板應變鬆弛。某些情況下， 較佳於蟲晶層生長後但於切晶粒或切割完全製造妥的晶圓 前退火且解除應變。 至於另一項辦法，本發明預期於（Al，In，Ga)N化合物基 板表面生長具有不同晶格常數的（Al，In，Ga)N合金超晶格 俾因應基板應變以及於基板上獲得無應變的裝置生長。 另一項由基板解除應變且防止應變傳播入磊晶層的辦 法’係使用磊晶層合金與基板間的分級變遷。此外，可使 用薄應變層或超晶格，具有小於臨界厚度的各層俾解除捱 磊晶裝置結構的應變。 其他中間層 基板與磊晶層或基板與磊晶層加其上裝置結構間的中間 層可用以進行下列任一者：包括但非限於應變修改、錯位 減少及光學反射。中間層可於低溫、高溫、超晶格配置 (一或多層）沉積，組成分級，攙雜濃度分級，5攙雜（重 度攙雜薄層）以及中間層可選自I I I -氮化物，Si c，B-N 等0
90115729.ptd 第56頁 516102 五、發明說明（51) 後文說明絕非意圖囿 同質磊晶中間層分級 〇 $ y $ 1間的組成分級（ 較局至較低參數，或由 處參數表示帶隙、晶格 以線性、拋物線、指數 所導入的應變影響帶隙 包含多層分開層。也可 其他變化。 中間層之組成、帶隙 中間層可用於超晶格 帶，讓錯位彎曲且停止 用途。 限本發明之範圍。 定義為AlxInyGaityN介於〇 至 >分級可能發生於由基板至磊晶之 基板至磊晶由較低至較高參數，此 參數或攙雜。分級依據結構而定可 或其他方式發生。經由沉積中間層 及/或晶格參數。分級可為連續或 採用前述之攙雜變遷、多層分級及 參 或攙雜可一致。 配置而工程處理特定反應性或吸收 於生長方向傳播，或用於其他適當 用 二，狐度，包括咼於與或低於標準沉積方法之溫度 乂間$ ’讓所得中間層或蟲晶層執行缺陷的減少 痕減少、更平滑表面等 圖樣化中間層可用於減少 生長’由圖樣化部分至圖樣 前述多種中間層類型可用 本發明也預期包含使用非 類似」的同質磊晶物件，此 (Al，In，Ga)N 材料。 缺陷、減少裂痕或由其中橫向 化部分。 於預定最終結果。 同質磊晶技術用於製造「不相 處採用不同基板及磊晶
AiUj生長凝核的暫停 當使用η型或p型導電基板時
於生長於FS GaN基板的蟲
516102 、發明說明（52) =層’經由導引高濃度石夕及鎂或攙雜劑通常 導引於界面、或形成其它缺陷，過早引發攙 高品質同質磊晶生長。 ^物種抑制 舉例言之，LED結構的同質磊晶生長時過早引 劑：對磊晶層形態及磊晶品質造成不良影響，如大賴及 所不。此二圖提供有以及無未經攙雜GaN凝核層之 n-GaN(層1E1 9/立方厘米)UD結構的表面形態： 顯示帶有1 〇〇〇埃厚度未經攙雜GaN凝核層之UD結I。圖3 顯不不含此種未經攙雜凝核層之對應LED結構。插入Θ 未經攙雜材料層允許基板凝核及傳播，如 / 質磊晶生長。 兀卉Ν 〇口質同 二本發明就此方面而言預期包含於導入任何攙雜劑物種 丽，厚度小於1500埃之未經攙雜GaN薄膜沉積於基板上。 使用此種未經攙雜薄膜厚度，垂直電傳輸電阻減至最低， 而可實現電子或電洞的跨界面傳輸。 置_糞移轉用於改良形熊的孚川§ FS GaN形態的平順為高品質同質磊晶生長所需。未經光 =的HVPE FS GaN基板之非期望的表面結構成為高品質同 2磊晶GaN生長的問題。典型有大量土堆狀的小丘結構於 磊晶生長前必須被平順化，或其它來自於產生光整基板的 基板處理損傷必須被平順化。 如前述，某些生長條件可用來讓此點比其它更有利，但 其它方法可用來將表面平順化。典型需要數微米Μ〇νρΕ ^ 長來平順化磊晶表面，但如此造成使用前驅物（三曱基鎵
516102 五、發明說明（53) (TMG)及氨）成本高以及反應器時間成本高。 就另一特徵方面而言，本發明預期包含使用皙旦 μ里移韓步 平順化FS GaN薄膜的表面結構。質量移轉優於其它夷 、， 順化方法有數項：1 )比M0VPE過度生長使用最小量前反平 物，2 )經由調整移轉條件（低壓、周圍氣氛及溫度區、、 質量移轉時間，3)可免除完成晶圓的艱鉅任務，&以H， 對基板的損傷或免除最終光整步驟，4 )可於原位 r心 進行俾獲得較高反應器產出量，5)可控制的過程，置 晶生長前或晶圓出貨前用來決定材料的缺陷，6 磊 J晶：面基板的錯位緩和及減少，以及7)可減重J :欲達成的基板材料雜f，如此有助於界面的較佳：：： H丨二^ N基板皙量蒋轉 ^整或經光整基板面的質量移轉平 '中’基板於氨氣或其它含氮物種前驅物 吼例如虱氣或氮氣之過壓下於 二一周圍乳 晶相學結構（六方系小丘、凹酿退火。較兩溫表面能 或生長於谷或倒六方系小丘。几刀解，此種材料再度沉積 質量移轉物質品質（缺陷程户、\改質量移轉條件俾控制 該方法係參照圖36-38說明。度等）。 氫氣周圍氣氛下被加熱至質旦圖36中，GaN基板於氨氣及 移轉開始於周圍氣氛下平順轉條件。圖37顯示當質量 轉已經平順化全體表面該點^的基板。圖38顯示質量移 貝S移轉條件及時間可調敕 f I而有助於獲得藉質量移轉之 五、發明說明（54) 最理想平順化及平 量移轉俾獲得基板 GaN基板的 由於基板或反應 抑制質量移轉不發 本發明之又一具 薄層生長，俾經由 有助於質量移轉平 此達成較高品質的 此種質量移轉加 轉敏感問題，此種 時進行質量移轉， 質實施。 順化速率。淮—牛 旦手進步，可採用多製程式質 ^貝$移轉平順化特性的最理想化。 加蠢晶t 器固有的雜質如硫、矽、碳、氧等，可 念丄結果導致抑制基板表面的平順化。 體貫施例預期包含厚度i 〇 〇 〇埃或以下的 使用帶有磊晶品質M0VPE層的質量移轉 项化’俾稀釋來自基板材料的雜質，藉 質量移轉。 « 遙晶生長方法可減少基板雜質對質量移 方法可經由導入小量三曱基鎵（TMG)同 俾稀釋來自鎵的氣相以及來自基板的雜 使用某些（A1，I n，Ga ) N組合物磊晶層也有助於偏好平順 化基板未經光整表面的某個小面。此種辦法係利用某些原 子（例如Al ’ Ga及In)對GaN的某些晶相學平面、偏割或面 有親^ 因而更快速平順化用於進行隨後的磊晶。晶格 ，配質s移轉加磊晶以及超晶格磊晶質量移轉可用以輔助 蟲晶基板表面的平順化以及減少缺陷。 方法3 _ 加界面活性劑 藉方法1或方法2進行質量移轉可藉加入界面活性劑以高 速平順彳匕蠢晶表面而予提升。鉍及其它化學品可用作為界 面活性劑’俾輔助某些（Al，In，Ga)N晶相學平面比其它平 面更快速傳播。
5161U2 五、發明說明（55) •方走 攙雜， 藉方法1、方法2或方法3 ^ 補償雜質，其可抵消質二貝量移幸專，同時加入電荷 其它雜質關聯電荷蓄音擔#缚膜已經沉積的天然雜質及 電性質（電荷、導带;'^或雜質攙混於界面可用以修改 ^ #) ^ ^ ^ ^ ^) ^ Si ， 0 ， Ge ， v ， Fe ， s ， Cr 等。或夕者· Mg ， Be ， Ca ， C ， 於經光整某 < 上生^ 料例如GaN及w上的同質“生長成 足夠光^产、曰經使用激烈光整處理來對基板表面提供’ 足約尤潛度。但此種激列本敕 、穴 立PI勺人Λ …、正處理造成基板損傷。本發明 思圖包合如同於GaN原位生^月 整損傷的技術。 』退仃的夕項去除此種先 傷了種辦法係於氫氣或氨氣或二者於生長溫度退火表面損 上=L基Ϊ表面損傷的辦法係使用氫氣或氨氣周圍 二乱回I虫刻基板材料ϋ除基板損傷區下方的基板材 其它辦法包括例如藉RIE或氫氧化钾㈣於蟲晶生長前 的晶圓磊晶表面而於非原位作基板表面準備。 藉.擭向過I生長或橫向i補罩蓋FS h N 4^ 本發明於另一特徵方面係包含一種於未經光整或經 基板材料去除基板缺陷，特別是凹坑及錯位缺陷之 該方法包括使用Si02 ’Ga2〇3，SiN或其它適當罩蓋材料選/
516102 五、發明說明（56) 擇性罩蓋缺陷區俾抑制生長的步驟。 罩蓋及橫向過度生長存在於FS GaN基板 方法將參照圖3 9 - 4 1舉例說明。 、陷之概略 圖3 9顯示帶有缺陷包括錯位缺陷（A )， 凹坑（b)以及倒六方系凹坑⑹之基板 系 罩蓋施用於缺m區。圖41顯示基板帶有 ^基板有一 過度生長。 v另 '，二卓盡缺陷的橫向 罩蓋可藉電解技術選擇性沉積於 它適當技術選擇性沉積罩蓋，然；==膜 平：面Μ:氧化=物(假設環繞缺陷周^ ^ :-面的乳化物更# ’且將填補於缺陷而讓過度生長變容 電解技術。 料較難以達 八右缺陷電活性係與材料本體不同，則可使用 王面性罩蓋接著選擇性去除缺陷周圍的罩蓋材 成故較佳。 芸可^用其它選擇性罩蓋缺陷方法。一旦選擇性沉積罩
:且則進行磊晶生長，調整條件讓缺陷上方光滑化或橫 生長，如此消除缺陷。 八 活性劑 :又一特徵方面，本發明意圖包含於磊晶生長期間添加 ^ “活性劑至反應器生長氣氛，俾輔助及提升^” g⑽未 經光整或經光整材料的平順化。界面活性劑允許偏好生長
第62頁 516102 五、發明說明（57) 於某些晶相學小面上而抑制生長於其它小面上。界面活性 劑也用以輔助多型性固定。 生長條件可調整為最理想，或可使用多重處理步驟修整 未經光整或經光整基板表面的平順化。 一界，活性劑例如包括銦，原因在於銦於升高溫度具有高 兀素瘵氣壓，以及鉍，由於鉍未以高濃度結合於GaN。 較佳界面活性劑修改晶相學傳播的生長機制用以選擇性 傳播晶體方向，因而平順化生& ’但未可察覺地結合於磊 晶層的生長。 Μ,蝕刻（圖樣）化生長以及輔肋羊順化 與減少缺陷 本發明於另一方面係包含蝕刻!^ GaN基板的臺地而獲得 FS GaN基板表面更快速的平順化生長。此種辦法允許錯 位、平面或小面傳播至臺地邊緣’俾達成缺陷及晶相學平 面止於臺地邊緣。概略方法將參照圖42_44說明。 此種臺地蝕刻技術涉及同質磊晶或均質材料（π〗_v氮化 物）技#術，一其形成比最終裝置結構更小或更大的臺地幾5 何，堂地精生長而變大或變小俾配合最終裝置結構。 -個具體實施例中，生長抑制罩蓋置於臺地 防止生長。此工g姑化7區上以 可出現更古X員技打了減小由基板至磊晶的應變場，因而
Ui 相配合組成而不會發生鬆他，以及可實現較 尽的、，、〇構财例如VCSEL及其它裝置結構。 板ί面i ί: ϊ例中’ $ ί及磊裝置結構可沉積於基 ^上，柱或臺地偏好藉蝕刻、機械去除及其
90115729.ptd 第63頁 五、發明說明（58) 它手段界定於基板表 ^ ^ 位及減少裂痕及1 。/進行於此等柱的磊晶而減少錯 於柱或臺地上蟲晶材^效果。生長條件可經修改俾減少 成一致表面高度。漢二n、錯位，以及經由横向過度生長形 防止或未防止A中;5 ^ =藉以下任—種手段（但非限於）而 改、不相似的；！材！f的生長凝核：罩蓋、定向修 等。 "氧化物、機械損傷改變表面能 的組合成:J種基本形狀以及基本形狀 面二向成某個產生：:效且可於基板表 本么明之各特定方面更完整說明如後。 於採用P型GaN之本發明之用诗中,^ ^ ^ 率係低於!.。歐姆—厘f，二f種材料之較佳電阻 於0.1歐姆-厘米。 更佐低於〇·4歐姆-厘米及最佳低 J t f :之―特定方面之GaN材料具有錯位密度低於 ft較佳低於1E7/平方厘米。低錯位密度可獲 付較尚（攙雜劑）鎂攙混。 ^ ，具有較佳特性之P型GaN薄膜具有大於1E1 9/立方厘米 、一八有錯位饴度低於1E7/平方厘米及更佳低於5E6 /平方 厘米。另一較佳p型GaN薄膜具有大於5E19/立方厘米鎂， 帶有錯位密度低於5E7/平方厘米及更佳低於1E7/平方厘 米。又一較佳p型GaN薄膜具有大於1E20/立方厘米鎂，帶 有錯位密度低於5£；8 /平方厘米及更佳低於1E8/平方厘米。 有關於F S G a N未經光整表面平順化六方系小面之方法 90115729.ptd 第64頁 516102 五、發明說明（59) __ (機制），一種方法涉及六/ 六方系小面結構，其中^系小面之傳播方式可形成截頭 以小於1 0度鄰近表面傳播、，截頭面積係經由六方系小面 另-種平順化方法；播而生長。 離原先表面平面（以及糸I由某個耗圍的鄰近表面偏 傳播六方系小面以^ 又另-平順化方法方式平順化表面達成。 多種多於-種前述辦法:1 J，形成新的C平面。 於本發明之廣義實務中，順化。 假形態厚度且於磊曰； 寺佳同貝挪日日層為生長高於其 材料，最佳材料具^曰^曰21〇=錯位的同質蠢晶層 如小於1 E 8 /平方届半石日日曰於人幂幅度的錯位，例 層。 未姑日日層及較佳小於1E7/平方厘米磊晶 t I ί 士發明方法，可應用之VPE處理之特例。 反；=:用然後載荷於反應器容器内部的感受器上。 空氣為止：處！惰ί氣體掃除此反應器周圍氣氛去除不含 達生县痒板材科。基板被加熱至生長溫度。一旦到 板成則於反應器周圍氣氛清潔基 等 ^ 驅St”TMG，TMA，TMl’Gaci3，NH3」_ 曰 v ^入反應器内且於基板表面上分解而形成磊 日日辟勝材料。 具有、7 則驅物及周圍氣氛於生長期間改性，讓包含 … Ρ、η或未經攙雜導電類型之A1 In(JaN之不同層結構形 90115729.ptd 第65頁 516102 五、發明說明（60) 成裝置結構。 一旦’儿積預定厚度及層數，前驅物被關閉，反應器開始 冷卻。冷卻期間使用處理氣體防止對磊晶層造成損傷。一 旦晶圓冷卻’反應器使用惰性氣體掃除，然後晶圓經卸載 且接受其次期望的處理（裝置製造、決定特徵等）。
GaN基板上的高品質同質磊晶層可藉以下一或多種技術 證實：光學光泵送測量、原子力顯微術、正子分析、透射 電子顯微術、X光分析、二次離子質譜術及其它技術。 至於生長％：1兄，感受态與感受器塗層之匹配將可達 成感文為有較長壽命，以及去除感受器塗層裂開以及雜質 由感受器核心（例如石墨）滲漏的可能。於本發明方法實施 時，蟲晶處理對感受器組件的敏感度出乎意外，原因二Z GaN於其它表面例如氮化鋁、藍寶石及碳化矽上的生長、 感受器裸組件不敏感。 '、 某些例中可能需要控制反應器流及周圍氣氛，俾達成 於基板的冷卻效果而達成基板溫度與基板溫度的一致性。 FS GaN上的GaN磊晶證實有明確界定的階級結構，有° 確界定的平行且一致的階寬度而無階凸起。階宓 曰 七士从>/又4日日體 體實施 預期屬 與此處之引言符合一致，須瞭解雖然已經於各具 例特定參照GaN作說明，但全部111 —V氮化物物料^ 於本發明之廣義範圍。 白 利用本發明之同質磊晶辦法之範例裝置說明如後 GaN基板上之裝置
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UVLEDs 方、白#基板（例如藍寶石及碳化矽上 好’但由於基板材料相容性及品質問題而果良 用者期望的效能。對於目前正在發展或‘領使 _等而言’高材料品質、低錯位密度和c C T E匹配極為重要。此等品質不僅對目前正在;格匹配以及 有裝置結構相當重要’ $時也可達成 ' ::无 高1呂百分比裝置結構或其它高度應變裝置4;。構 、，口 i 、土板與猫晶間的高度應變以及四元人今相& 圍造成限制故非目前可行。 兀。孟組成粑 工置顯示GaN基板以及生長於_基板上的蟲晶 及南品質基板對結果形成的裝置層產生正面 ί ^相同裝置設計及製造步驟，UV LEDs於FS GaN比較 如回所不其它基板上的裝置，於輸出功率特性上有至 五倍的改進。 a w王 已知UV LEDs會隨著材料品質的提高而改善。例如uv LED於£1^00或1^00』證實比較直接生長於藍寶石上改良 20%。根據本發明’生長於Fs _比較相同裝置結構於藍· 可提高LED輪出功率達四至五倍因數。此乃比沉⑽層 ·- 了夤更士程度的改良，於EL〇G層裝置穿過若干低及高錯位.. 區’事貫指出根據本發明之裝置品質大為優異。FS GaN跨· 裝置全體面積具有較為一致的錯位密度以及裝置錯位平均
516102 五、發明說明（62) 數實質較低。 iL·..伏打偵測器 土根據本發明之高品質光伏打偵測器於FS GaN基板上製 f ’具有可嫂美或優於替代基板上GaN光伏打偵測器之電 氣特性。顯示於圖46，圖46為於FS GaN、SiC、藍寶石及 HVPE GaN/藍寶石上〇. 25微米I厚度pin於-10伏之最佳逆漏 電流密度呈裝置直徑（以微米表示）之函數變化之線圖。 雖然PI N結構及LED等裝置具有有利的裝置特性，但當試 圖於基板上生長MOVPE時，基板出現某些新問題。於Fs
GaN上生長GaN磊晶層應用於此種裝置構成本發明之另一特 徵方面。 由於缺乏具有適當品質及大小之FS GaN基板，故各種晶 相學基板方向性用於磊晶生長的研究有限。基板方向性對 蠢晶生長之若干可能影響包括下列：生長機制；形態（於 GaN基板之N面上錯誤定向成<ιι2〇>由〇度至4度可減少小丘 形成）；結晶品質；薄膜立體化學；蓄意及非蓄意攙混雜 質；應變；載體輸送（於非（0001)平面之電洞-質量計算為 較輕，對GaN的p型攙雜有重大影響；此外，方向性影響壓 電場，應變影響輸送性質）；光學性質（非〇〇〇1方向性經計 算具有較高光學增益；具有{1100}方向性之GaN/A 1 GaN绪 構可應用而降低雷射之閾電流密度；壓電場影響應變及光 學頻帶間吸收性質且與方向性有關）；研磨；光整；r IE ; A 1 I nGaN組成控制及範圍改良；接觸；雜質攙混及其它裝 置製造效應。用於本文揭示，GaN材料之Ga面及N面略微偏
90115729.ptd 第68頁 516102 五、發明說明（63) 割而具有某種階級結構。 FS GaN之一大優點係無需層間結構製造，但於某些用途 例如用於形態的平順以及去除缺陷則以中間層為較佳。 雖然已經參照具體實施例及特色對本發明作多種揭示， 但須瞭解前述具體實施例之特色絕非意圖囿限本發明，業 界人士顯然易知其它變化、修改及具體實施例。因此就廣 義解譯本發明符合後文申請專利範圍。
90115729.ptd 第69頁 516102 圖式簡單說明 圖1為FS GaN晶圓於130倍放大之顯微像片。 圖2顯示形成於一片圖1之FS GaN基板上的2· 5微采GaN M0VPE薄膜之130倍放大像片。 圖3顯示形成於一片圖1之FS GaN基板上的7·5微米GaN MOVPE薄膜之130倍放大像片。 圖4為65倍放大顯微像片，顯示經研磨的FS GaN基板。 圖5為6 5倍放大顯微像片，顯示研磨對圖4基板上生長的 厚2 . 5微米G a N蟲晶膜誘生損傷效應。 圖6為圖5 GaN膜放大255倍之放大視圖。 圖7為GaN PIN/10微米GaN磊晶於FS GaN上之65倍放大顯 微像片，顯示其形態。 圖8為圖7磊晶層生長表面一區的6 5倍放大顯微像片，此 處背側蒸發產物達到蠢晶層。 圖9為對未經光整之HVPE GaN基板及其上之10微米蠢晶 層加裝置結構，DCXRD FWHM隨隙寬增加函數變化之線圖。 圖10為對GaN M0VPE磊晶於1〇微米HVPE GaN/藍寶石結構 的雜質濃度隨深度（單位微米）函數變化之線圖。 石夕（s1) = 3el8原子/立方厘米，氧（G) = 3.5E18/立方本厘圖^； 界面，以及於界面小量硫（s)增高= 1E16/立方厘米。 圖11顯示典型磊晶生長方法步驟集合，其中垂 表示溫度，水平軸粗略表示時間。 圖1 2為使用老式GaN基板清潔方法所得較為粗糙的，有 細小凹坑的磊晶形態之65倍放大顯微像片。 圖1 3為使用根據本發明之一方面的新穎GaN基板清潔方
516102 圖式簡單說明 法所得較為光滑的磊晶形態之6 5倍放大顯微像片。 圖1 4為濃度相對於深度之線圖，顯示於同質磊晶界面矽 = 1E18原子/立方厘米以及於基板S = 5E16原子/立方厘米， 獲得良好磊晶形態。 圖15為於1〇微米HVPE GaN/藍寶石上磊晶層之顯微像 片’顯不薄膜形成採用的生長條件衍生的魚鱗及粗糙面形 態。 圖16顯示生長於未經光整FS GaN之10微米GaN磊晶層之 AFM掃描像片’證實有明確界定的階狀結構、低錯位密度 以及平行階級。 圖17為於未經光整之以GaN上10微米GaN磊晶上的GaN P I N之D C X R D光譜。 圖18為未經光整FS GaN基板之130倍放大顯微像片。 圖19為10微来GaN磊晶MOVPE層於未經光整FS GaN之130 倍放大顯微像片。 圖2 0為生長於六方系小丘上的磊晶之2微米X 2微米原子 力顯微鏡（AFM)顯微像片。 圖2 1為生長於六方系小丘上的磊晶之1 〇微米χ 1 〇微米原 子力顯微鏡（AFM)顯微像片。 圖2 2為生長於六方系小丘上的磊晶之2 〇微米χ 2 〇微米原 子力顯微鏡（A F Μ)顯微像片。 圖23顯示典型未經光整FS GaN基板形態之130倍放大顯 微像片。 圖2 4為1 0微米G a N蠢晶於F S G a N上之1 3 0倍放大顯微像
第71頁 516102 圖式簡單說明 片’NH3 =標準（2.2slm)及反應器壓力=標準（1〇〇托耳）。 圖2 5為1 0微米G a N蠢晶於F S G a N上之1 3 0倍放大顯微像 片，NHs = 2x標準（4.4slm)及反應器壓力=標準（1〇〇托 耳）。 圖2 6為1 0微米G a N蟲晶於F S G a N上之1 3 0倍放大顯微像 片’NHsM票準（2.2slm)及反應器壓力=2x標準（ 2 0 0托 耳）。
圖2 7為1 0微米G a N蠢晶於F S G a N上之1 3 0倍放大顯微像 片，NH3 = 2x標準（4.4slm)及反應器壓力=2x標準（ 200托 耳）。 圖28為未經光整之FS GaN形態之130倍放大顯微像片。 圖29為得自圖28之10微米GaN磊晶於基板之130倍放大顯 微像片，顯示凹坑填補。 圖30為目標1〇微米GaN磊晶生長於FS GaN上之形態之顯 微像片，顯示形態平順化。 圖31為目標1〇微米GaN磊晶生長於10微米HVPE GaN/藍寶 石底層形態顯微像片。
圖32A至32C顯示FS GaN未經光整表面平順化之多步驟式 方法之·一步驟式方法具體實施例。 圖3 3為有磊晶生長於其上之基板之示意圖，顯示背側產 物的輸送及磊晶表面形態的中斷。 圖34顯示於帶有厚1〇〇〇埃未經攙雜GaN凝核層之1 〇微米 HVPE GaN/藍寶石底層上之led結構之形態。 圖35顯示於1〇微米HVPE GaN/藍寶石底層上但不含此種
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圖式簡單說明 未經攙雜凝核層之對應以!）結構。 氣氛下加熱成大量輸送 圖3 6示意顯示於氨氣及氫氣周圍 條件之GaN基板。 圖37顯示大量輸送基板開始於周圍環境下平順化。 圖38顯示基板於大量輸送已經平順化全體表面之點。 圖39顯不帶有缺陷的基板，缺陷包括錯位缺陷⑴、錯 位加顛倒=方系凹坑（B)以及顛倒六方系凹坑（c)。 圖4 0顯示基板有罩蓋施用於缺陷區。 圖41顯示基板帶有經過罩蓋缺陷的橫向過度生長。 圖42為簡化仰視圖，示意說明Fs GaN基板，顯示其 構型。 圖43顯示平臺經蝕刻的FS GaN基板表面，平臺由經蝕刻 的基板主面向上伸展。 圖44顯示磊晶於平臺上生長而產生磊晶表面平順化的提 升〇 圖45為於各種基板上inGaN雙重非同質結構（DH) LED裝 置之平均功率輸出估值（以毫瓦特表示），（三個裝置）呈前 傳電流（單位宅安培）之函數變化線圖。 圖46為0·25微米I厚度PIN於FS GaN、SIC及HVPE GaN/藍 寶石上於-10伏之最佳反相漏電流密度呈裝置直徑（單位微 米）之函數之線圖。
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Claims (1)

  1. 516102 六、申請專利範圍 1 · 一種於對應I I I -V氮化物材料基板上形成I I Ι-V氮化物 同質蠢晶層之方法，包含於下述沉積條件下，使用III族 來源材料及氮源材料，藉VPE方法沉積I π—V氮化物同質磊 晶層’該沉積條件包括ν/ π I比係於約1至約丨〇5，氮源材 料分壓係於約1至約1〇3托耳，生長溫度係於約5〇〇至約、 1 2 5 0 °C ’以及生長速率係於約〇. 1微米/小時至約5 〇 〇微米/ 小時之範圍。 2 ·如申 質蠢晶層 A 1 I nGaN 3 ·如申 蟲晶層包 4 ·如申 基板為獨 5 ·如申 基板為獨 6.如申 基板為獨 7 ·如申 料基板為 8 ·如申 基板於周 氣氛包括 述二或多 請專利範圍第1項之方法，其中該]；丨丨-V氮化物同 包含一種選自包含AIN，AlInN，AlGaN， 1 nN ’ I nGaN及GaN組成的組群之氮化物化合物。 請專利範圍第1項之方法，其中丨丨丨—V氮化物同質 含GaN 〇 、 其中I I I - V氮化物材料 其中111-V氮化物材料 其中III-V氮化物材料 其中該III-V氮化物材 請專利範圍第1項之方法 立式基板。 請專利範圍第1項之方法 立式經光整的基板。 5青專利範圍第1項之方法 立式未經光整的基板。 凊專利範圍第1項之方法 獨立式經化學機械研磨的基板 凊，，範圍第1項之方法，其中於沉積步驟前， 園氣氛加熱至生長溫度範圍的溫度，其中該 —或多種選自氫、氮、氬、氦、氖、氯化 種之混合物組成的組群之物種。 別
    90115729.ptd 第74頁 516102 六、申請專利範圍 9.如申請專利範圍第1項之方法，其中該生長溫度係於 約1 0 0 0至約1 2 5 0 °C之範圍。 1 0.如申請專利範圍第1項之方法，其中該生長溫度係於 大於 1 0 5 0 °C。 11.如申請專利範圍第1項之方法，其中該生長溫度實質 約為 1 0 5 0 °C。 1 2.如申請專利範圍第1項之方法，其中該同質磊晶層厚 度至少為0. 5微米。 1 3.如申請專利範圍第1項之方法，其中該同質磊晶層厚 度至少為3. 0微米。 1 4.如申請專利範圍第1 3項之方法，其中該I I I -V氮化物 材料基板為獨立式未經光整的基板。 1 5.如申請專利範圍第1項之方法，其中該處理條件包括 V/III比為約101至約105。 1 6.如申請專利範圍第1項之方法，其中該處理條件包括 V / I I I比大於約1 04。 1 7.如申請專利範圍第1項之方法，其中該處理條件包括 V/I I I比為約1 03至約5 X 104，氮源材料分壓為約20至約400 托耳，生長溫度為約1 0 0 0至約11 5 0 °C，以及生長速率為約 0. 5至約1 0微米/小時。 18.如申請專利範圍第1項之方法，其中該VPE方法包含 MOVPE方法。 1 9.如申請專利範圍第1項之方法，其中該基板具有選自 (0 0 0 1 )，（ 0 0 0Ϊ )及其偏割組成的組群之晶相學方向性。
    90115729.ptd 第75頁 516102 六、申請專利範圍 2 0 ·如申請專利範圍第1項之方法，其中該基板具有選自 { 0 0 0 1 } ’ U 1 $ 0 } ( Π 〇 〇 )及其偏割組成的組群之晶相學方向 性。 其中該基板為GaN以 其中該基板為GaN以 其中該VPE方法包含 其中該I I I-V氮化物 2 1 ·如申請專利範圍第1項之方法 及磊晶層係沉積於基板之Ga面上。 2 2 ·如申請專利範圍第1項之方法 及磊晶層係沉積於基板之N面上。 2 3 ·如申請專利範圍第1項之方法 HVPE方法。 2 4 ·如申請專利範圍第1項之方法 材料基板加熱至生長溫度，加熱中執行一或多個下列步 驟： (a )平順化基板之沉積表面； (b )去除基板沉積表面的損傷； (c)去除基板沉積表面上的污染物； (d )減少於該沉積步驟中於丨丨丨-V氮化物同質磊晶層與基 板界面的缺陷傳播； (e )消除於該沉積步驟中於丨丨卜v氮化物同質磊晶層與基 板界面之新缺陷形成； (f )減少於該I I I -V氮化物同質磊晶層或基板之電活性缺 陷； (g )減少於該沉積步驟中基板雜質之除氣；以及 (h )補償於同質磊晶層/基板界面的電荷。 2 5 ·如申請專利範圍第2 4項之方法，其中該加熱包含下
    90115729.ptd 第76頁 i〇102 六、申請專利範圍 列製程條件白〆 砗„认G括氮源材料分壓於約1至約1 0 0 0托耳，升高 τ 间方；約 1 5 έΑ» 1 Λ Λ 1 〇 〇 〇 °c之〜力1 〇 〇 〇分鐘’升高速率於約每分鐘1 〇至約 氯、氣、，圍’以及周圍氣氛包括一或多種選自氫、氮、 ..^ 氮、氯化氫及前述二或多種之混合物組成的組群 <物種。 别如/請專利範圍第24項之方法’其中該加熱包含下 护 、 匕括虱源材料分壓於約1 0至約4 0 0托耳，升高 f二二2 1至約1 0 0分鐘，升高速率於約每分鐘1 0 ◦至約4 0 0 .? ’以及周圍氣氛包括一或多種選自氫、氮、氬、 氛、胤、氣化备TZW _ ^ 虱及珂述二或多種之混合物組成的組群之物 檀0 ,t^ ^ t 1l-v „ 面且右a相風i 積v驟沉積於基板之沉積面上，該沉積 面具有日日相學方向性係由（ 0 0 0 1 )偏割。 2 8 ·如申清專利筋图發· 〇 7 & Λ圍第27項之方法，其中偏割界定偏割 角距硪（00 0 1 )為0.1至10度之範圍。 2 9.如申睛專利節图@ η = j親圍弟1項之方法，其中該I I I〜v新化物 同質磊晶層係於該沉藉牛聰士 士 ^ V孔化物 Θ 3 β 1步中沉積於基板之具有朝向 <1120〉方向之偏割方向之沉積面上。 3 0 ·如申請專利範圍第1頁 # ^. τ γ 啤牙Α丄貝之方法，其中該I I I〜V务仆舲 同質磊晶層係於該沉籍牛跡山 v乳化物 <1〇1〇>方向之偏割方向之沉積面上。 有朝向 3 1 ·如申請專利範圍第！ M 同質磊晶層係於兮之方法，其中該氮化物 同貝係於°玄’儿積步驟中沉積於基板之具有介於
    516102 六、申請專利範圍 〜 <1120〉與<ΐ〇ϊ〇>間的偏割方向之沉積面上。 3 2 ·如申請專利範圍第1項之方法，其中該I I I -V氮化物 材料基板於該沉積步驟前使用水性酸清潔組合物清潔。 3 3 ·如申請專利範圍第1項之方法，其中該I I I — ν氮化物 材料基板於該沉積步驟前使用水性鹼清潔組合物清潔。 34·如申請專利範圍第1項之方法，其中該丨丨丨-v氮化物 材料基板於該沉積步驟前經清潔俾由基板去除氯化銨。 35·如申請專利範圍第1項之方法，其中該丨丨丨—v氮化物 物料基板於該沉積步驟前於其沉積面上轉換成不同的化合 物以及去除該不同的化合物。 口 36·如申請專利範圍第1項之方法，其中該11 ι_ν氮化物 _ 物料基板於該沉積步驟前於其沉積面上氧化以及結果所得 氧化物經選擇性去除。 3 7 ·如申請專利範圍第1項之方法，其中該I I I -V氮化物 物料基板於該沉積步驟前經氧化用以平順化基板。 38·如申請專利範圍第1項之方法，其中該I I I-V氮化物 物料基板於該沉積步驟前藉R丨Ε清潔。 一 $如申請專利範圍第1項之方法，，其中該I I I -V氮化物 同質蠢晶層於該沉積步驟係沉積於該沉積步驟前藉R I E或 ^ 濕姓刻而暴露的沉積面上。 4 0 ·如申清專利範圍第1項之方法，其進一步包含於該沉 ， 積步驟添加雜質。 、4 1.如申請專利範圍第1項之方法，其進一步包含多步驟 ‘ 式平順化過程。 ·
    第78頁 516102 六、申請專利範圍 42.如申請專利範圍第1項之方法，其進一步包含背側蒸 發保護處理。 4 3.如申請專利範圍第42項之方法，其中該背側蒸發保 護處理包含對該基板施用一種保護基板背側面不致於蒸發 之材料。 44.如申請專利範圍第42項之方法，其中該背側蒸發保 護處理包含研磨基板背側面。 4 5.如申請專利範圍第42項之方法，其中該背側蒸發保 護處理包含化學蝕刻。 4 6.如申請專利範圍第4 5項之方法，其中該化學蝕刻包 含暴露基板背側面於熱酸或熱驗。 4 7.如申請專利範圍第1項之方法，其包含於沉積I I I -V 氣化物同質蠢晶層前施用蠢晶中間層至基板沉積面。 4 8.如申請專利範圍第4 7項之方法，其中該磊晶中間層 包含不同的晶格匹配或晶格不匹配（A 1，I η，G a) N化合物。 4 9.如申請專利範圍第1項之方法，其包含於沉積I II - V 氮化物同質磊晶層前，施用磊晶中間層至基板沉積面，藉 此改良同質磊晶層形態以及減少錯位缺陷，以比較未施用 該磊晶中間層至沉積面之對應處理。 5 0 .如申請專利範圍第1項之方法，其包含於沉積I I I - V 氮化物同質磊晶層前退火基板。 5 1.如申請專利範圍第1項之方法，其進一步包含施用界 面活性劑至基板沉積面用以讓其上的I I I -V氮化物同質磊 晶層黏合。
    90115729.ptd 第79頁 516102 、申請專利範圍 曰5 2 ·如申請專利範圍第1項之方法，其進一步包含進行質 S移轉處理俾產生11 I -V氮化物同質磊晶層之平順化形 態。 5 3 ·如申請專利範圍第1項之方法，其中於沉積步驟前， U I V鼠化物物料基板接受一種選自研磨及飯刻組成的組 群之處理。 54·如申請專利範圍第1項之方法，其中於沉積步驟前， ^ I -V氮化物物料基板接受罩蓋處理用以罩蓋基板的缺 陷’以及該沉積步驟執行缺陷的過度生長與去除。 5 5·⑽如申請專利範圍第1項之方法，其中該沉積步驟係於 生長環境進行，以及界面活性劑係於沉積步驟期間添加至 生長環境。 5 6·如申請專利範圍第1項之方法，其進一步包含於沉積 步驟4形成平臺於I I I — V氮化物物料基板，以及沉積該、 111—V氮化物同質磊晶層於平臺上或由平臺橫向生長f 5 7·如申請專利範圍第56項之方法，其中該平臺具有足 夠面積可讓沉積步驟之晶相學傳播結束以及錯位結束。 、，5*8·如申請專利範圍第56項之方法，其進一步包含罩笔 平堂之周圍區以防止沉積步驟期間於該區上方生長。風 、，\9·如申請專利範圍第56項之方法，其進一步包含餘刻 平臺周圍區俾於沉積步驟期間含有於該區的生長。 x 一 6 0 ·如申請專利範圍第1項之方法，其中該I I I — v氮化物 同質蠢晶層與其對應丨丨卜v氮化物材料基板各自包含GaN。 6 1 ·如申請專利範圍第1項之方法，其中該丨丨丨-V說化物。
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