TWI436409B - 於金屬-氮化物生長模片層上形成主體三族-氮化物材料之方法及應用此等方法所形成之構造 - Google Patents

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Description

於金屬-氮化物生長模片層上形成主體三族-氮化物材料之方法及應用 此等方法所形成之構造
一般而言，本發明之實施例係關於在底材上沉積三族-氮化物材料之方法及應用此等方法形成之構造。更詳細而言，本發明之實施例係關於在包含一生長模片層之底材上沉積三族-氮化物材料之方法，該生長模片層係包括一金屬-氮化物材料，以及應用此等方法形成之構造。
化學氣相沉積(CVD)是一種用來在底材上沉積固態材料之化學製程，普遍使用於半導體元件之製造。在化學氣相沉積製程中，一底材曝露在一種或多種試劑氣體下，該些試劑氣體以引起一固態材料在該底材之表面上沉積的方式反應、分解，或反應及分解皆有。
在本領域之技術中，一種特定類型之CVD製程稱為氣相磊晶(VPE)。在VPE製程中，一底材在一反應室內曝露於一種或多種試劑蒸汽下，該些試劑氣體以引起一固態材料在該底材之表面上磊晶沉積的方式反應、分解，或反應及分解皆有。VPE製程經常用來沉積三-五族半導體材料。在一VPE製程中，當該些試劑蒸汽其中之一包括鹵化物蒸汽時，該製程可稱為鹵化物氣相磊晶(HVPE)製程。
在本領域之技術中，目前已知可以利用VPE製程形成三族-氮化物半導體材料，像是氮化鎵(GaN)，在該些製程中，金屬有機(metallorganic,MO)前驅物材料會在一反應室內被分解而形成該三族-氮化物半導體材料。此等製程經常稱為金屬有機氣相磊晶(metallorganic vapor phase epitaxy,MOVPE)製程，也可以稱為金屬有機化學氣相沉積(metallorganic chemical vapor deposition,MOCVD)製程。此等MOVPE製程通常在沉積所需之主體三族-氮化物半導體材料前，利用數個連續的沉積前製程而施行。該些連續的沉積前製程可以包括高溫氫氣烘烤該生長底材(例如一藍寶石底材)、氮化該生長底材、在相對較低之溫度下於該生長底材上形成一種三族-氮化物材料之一成核層、在相對較高之溫度下對該成核層進行回火、聚結該成核層，以及最後在該成核層上生長該主體三族-氮化物材料層。
HVPE製程亦用於形成三族-氮化物半導體材料，像是氮化鎵(GaN)。在此等製程中，一底材上的GaN磊晶生長可以由單氯化鎵(GaCl)與氨(NH3 )之間的氣相反應而引起，該氣相反應是在溫度升高至介於大約500℃及大約1,000℃之間的一反應室內進行。該NH3 可從一標準的氨氣來源供應之。在一些方法中，提供該GaCl蒸汽的方式是讓氯化氫(HCl)氣(可從一標準的HCl氣來源供應之)通過加熱的液態鎵(Ga)上方，以便在該反應室內原地形成GaCl。該液態鎵可以加熱到介於大約750℃及大約850℃間之溫度。GaCl氣及NH3 氣可以被導向至一加熱底材，像是半導體材料之一晶圓，的表面(例如其上方)。於2001年1月30日核發予Solomon等人之美國專利6,179,913號揭露了用於此等系統及方法之一氣體注入系統。
上文所提及與形成主體三族-氮化物半導體材料之MOVPE製程有關之數個連續沉積前製程，可能難以在一HVPE沉積反應器內進行。
此概要係為了以簡要形式介紹許多概念而提供，該些概念將於以下本發明一些示範性實施例之詳細敘述中進一步說明。此概要之目的並非指出所主張專利標的之主要特點或基本特點，亦非用於限制所主張專利標的之範圍。
如先前所討論，在一HVPE沉積反應器內可能難以進行數個連續的沉積前製程，該些沉積前製程係用於在該生長底材上形成三族-氮化物材料之一成核層，以便之後將主體三族-氮化物半導體材料沉積在該成核層上。因此，目前已知用於沉積主體三族-氮化物半導體材料之HVPE方法普遍使用包含一金屬-氮化物材料成核層之生長底材，該金屬-氮化物材料成核層係利用一MOCVD製程異地(亦即，在一不同腔室中進行個別的沉積製程)沉積於一底材上。然後，經由在另一腔室中進行之個別HVPE製程，將所需之主體三族-氮化物半導體材料沉積於該生長底材上。
在一些實施例中，本發明包含在生長底材上沉積主體三族-氮化物半導體材料之方法。先在一底材上形成一金屬-氮化物成核模片層以形成一生長底材，然後利用一鹵化物氣相磊晶(HVPE)製程，將主體三族-氮化物半導體材料沉積在該生長底材上。將該主體三族-氮化物半導體材料沉積在該生長底材上可以包括，沉積一金屬三氯化物及一金屬四氯化物至少其中之一以形成一金屬氯化物三族前驅物蒸汽，以及使該金屬氯化物三族前驅物蒸汽與一五族前驅物蒸汽反應，以在該生長底材上形成該主體三族-氮化物半導體材料。
至少在一些實施例中，本發明包含利用HPVE製程在生長底材上沉積主體三族-氮化物半導體材料，但不需利用MOCVD製程異地形成成核模片層之方法。
在一些實施例中，本發明包含在一生長底材上沉積主體三族-氮化物半導體材料之方法。一金屬-氮化物成核模片層在一第一腔室中利用非金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)之一製程形成於一底材上而形成該生長底材，然後該主體三族-氮化物半導體材料在一第二腔室中利用一鹵化物氣相磊晶(HVPE)製程沉積於該生長底材上。將該主體三族-氮化物半導體材料沉積在該生長底材上可以包括使NH3 及一金屬三氯化物及一金屬四氯化物至少其中之一流向第二腔室。
在將主體三族-氮化物半導體材料沉積於一生長底材上之方法之額外實施例中，一金屬-氮化物成核模片層在一腔室內利用一金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)製程形成於一底材上而形成該生長底材，然後該主體三族-氮化物半導體材料在該同一腔室內利用一鹵化物氣相磊晶(HVPE)製程沉積在該生長底材上。利用該鹵化物氣相磊晶(HVPE)製程將該主體三族-氮化物半導體材料沉積在該生長底材上可以包括使NH3 及一金屬三氯化物及一金屬四氯化物至少其中之一流向該同一腔室。
在將主體三族-氮化物半導體材料沉積於一生長底材上之方法之其他實施例中，一金屬-氮化物成核模片層在一腔室內利用一鹵化物氣相磊晶(HVPE)製程形成於一底材上而形成該生長底材，然後該主體三族-氮化物半導體材料在該同一腔室內利用一鹵化物氣相磊晶(HVPE)製程沉積於該生長底材上。利用該鹵化物氣相磊晶(HVPE)製程將該主體三 族-氮化物半導體材料沉積在該生長底材上可以包括使NH3 及一金屬三氯化物及一金屬四氯化物至少其中之一流向該同一腔室。
本發明之額外實施例包括含有主體三族-氮化物半導體材料之構造，該些構造係應用如此處所揭露之方法而形成。
本文所提出之說明並不是對於任何特定元件、裝置或系統之實際意見，而僅是用來描述本發明實施例之理想化陳述。
本文引用了一些參考資料，相對於本發明主張之專利標的，該些引用之參考資料，不論本文如何描述其特點，均不予承認為習知技術。
本文所用「三-五族半導體材料」一詞係指並包含至少主要包括元素週期表中一種或多種IIIA族元素(B、Al、Ga、In及Ti)與一種或多種VA族元素(N、P、As、Sb及Bi)之任何半導體材料。舉例而言，三-五族半導體材料包括，但不限於，GaN、GaP、GaAs、InN、InP、InAs、AlN、AlP、AlAs、InGaN、InGaP、InGaNP等等。
本文所用「三族-氮化物半導體材料」一詞係指並包含至少主要包括元素週期表中一種或多種IIIA族元素(B、Al、Ga、In及Ti)及氮之任何三-五族半導體材料。舉例而言，三族-氮化物半導體材料包括，但不限於，GaN、InN、AlN、InGaN、GaAlN、GaAlN、InAlN等等。
本文所用「金屬-氮化物」一詞係指金屬及氮之一化合物。金屬-氮化物材料包括，但不限於，氮化鋁(AlN)、氮化鎵(GaN)、氮化鋁鎵 (Alx Ga1-x N)、氮化鈦(TiN)、氮化鉿(Hf)、氮化鉻(CrN)、氮化鎢(WN)及氮化鉭(TaN)。
在本文中，「化學氣相沉積」與「CVD」為同義詞，其係指並包含用於在一反應室中將固態材料沉積在一底材上之任何製程，在該製程中，該底材曝露於一種或多種試劑氣體下，該些試劑氣體以引起該(些)固態材料在底材之一表面上沉積的方式反應、分解，或反應及分解皆有。
在本文中，「氣相磊晶」與「VPE」為同義詞，其係指並包含符合以下敘述之任何CVD製程：在該CVD製程中，該底材曝露於一種或多種試劑氣體下，該些試劑氣體以引起該(些)固態材料在底材之一表面上磊晶沉積的方式進行反應、分解，或反應及分解皆有。
在本文中，「鹵化物氣相磊晶」及「HVPE」為同義詞，其係指並包含，在該VPE製程中所使用之至少一種試劑氣體包括一鹵化物蒸汽之任何VPE製程。
本文所用「金屬有機」一詞係指並包括含有至少一種金屬元素及一有機化學物種之任何化合物，其中該有機化學物種包含至少一種碳基配體(ligand)。金屬有機物在本領域之技術中經常被稱為「有機金屬物」，為本發明揭露之目的，此等用語為同義詞。金屬有機物包括，但不限於，三甲基鎵(TMG)、三乙基鎵(TEG)、三甲基鋁(TMA)、三乙基鋁(TEA)、四二乙胺基鈦(tetrakisdiethylaminotitanium,TDEAT)及四二甲胺基鈦(tetrakis(dimethylamido)titanium,TDMAT)。
在本文中，「金屬有機氣相磊晶」與「MOVPE」為同義詞，其係指並包含，在該VPE製程中所使用之至少一種試劑氣體包括一金屬有機物蒸汽之任何VPE製程。
在本文中，「非金屬有機化學氣相沉積製程」與「非MOCVD製程」為同義詞，其係指並包含不是MOCVD製程之任何沉積製程。
在本文中，「非金屬有機氣相磊晶製程」與「非MOVPE製程」為同義詞，其係指並包含不是MOVPE製程之任何沉積製程。
本文所用「氣體」一詞包含氣體(既無獨立形狀，亦無容積之流體)及蒸汽(有擴散之液態或固態物質懸浮其中之氣體)，且「氣體」及「蒸汽」兩詞在本文作同義詞使用。
圖1至3呈現主體三族-氮化物半導體材料依照本發明之實施例沉積在一生長底材上。參考圖1，提供一底材10。該底材10可以為一大致平坦、碟狀之體，且可以大致為圓形、矩形等等。該底材10可以包括在本領域之技術中所稱之一「晶粒」或「晶圓」。該底材10可以至少實質上包括一均質材料12。該材料12可以包括，舉例而言，諸如一氧化物(例如二氧化矽(SiO2 )或氧化鋁(Al2 O3 )(例如藍寶石，其為α-Al2 O3 ))或一氮化物(例如氮化矽(Si3 N4 )或氮化硼(BN))之一陶瓷。作為額外之實施例，該材料12可以包括一半導體材料，像是矽(Si)、鍺(Ge)、一三-五族半導體材料等等。在一些實施例中，該底材10的材料12可以至少實質上包括該材料12之一單一結晶。此外，在此等實施例中，該單一結晶可以具有一選定之晶體方向，以使該材料12之一曝露主要表面14包括該材料12單一結晶之一選定之晶體平面。作為一非限定性質範例， 該底材10可以予以選定使之包括一藍寶石底材。此等藍寶石底材為商業上可取得。
參考圖2，一金屬-氮化物成核模片層18可以形成(例如沉積)於該曝露主要表面14上而形成一生長底材20。依照本發明之方法之實施例，該金屬-氮化物成核模片層18可以利用數種不同的方式形成於該底材上，這些方式將於下文詳述之。作為非限定性質之範例，該金屬-氮化物成核模片層18可以沉積在該曝露主要表面14上，以使該模片層18具有介於大約2奈米(2nm)及大約5微米(5μm)間之平均厚度T1 。
該金屬-氮化物成核模片層18之使用係為了使該主體三-五族半導體材料能夠在該底材10上沉積至一期望之平均總厚度，並使已沉積之該主體三-五族半導體材料中的缺陷密度維持在期望的濃度。由於該底材10之材料12與所要沉積在該底材10上方之主體三-五族半導體材料兩者之間有晶格構造上的差異(該些差異在本領域之技術中經常被稱為「晶格不匹配(crystal lattice mismatch)」)，如果將該主體三-五族半導體材料直接沉積在底材10的曝露主要表面14上，該主體三-五族半導體材料之晶體構造便可能會含有相對較高且不樂見之濃度之缺陷，像是錯位(dislocation)。因此，將一金屬-氮化物成核模片層18提供於該底材10之間，且該主體三-五族半導體材料可以具有選定之一組成及/或微構造，這樣，相對於該底材10與該主體三-五族半導體材料間的晶格不匹配，該金屬-氮化物成核模片層18與該底材10之間的晶格不匹配，以及該金屬-氮化物成核模片層18與所要沉積在其上之該主體三-五族半導體材料之間的晶格不匹配均相對較低。換言之，該成核模片層可以用於緩衝該底材10 與所要沉積在其上之該主體三-五族半導體材料間的晶格不匹配，此等成核模片層18在本領域之技術中亦被稱為「緩衝」層。此外，該成核模片層可以作為其上方之該主體三-五族半導體材料成核生長之一種子層使用，此等成核模片層18在本領域之技術中亦被稱為「種子」層。
參考圖3，形成該生長底材20後，可以利用一HVPE製程使主體三-五族半導體材料22成核並沉積在該金屬-氮化物成核模片層18之一曝露主要表面19上。雖然在圖3的簡化構圖中可以見到該金屬-氮化物成核模片層18與該主體三-五族半導體材料22之間有一不連續的邊界，應當注意的是，在一些實施例中，該金屬-氮化物成核模片層18及該主體三-五族半導體材料22可以具有至少實質上相同的組成，因此可能很難或無法在該金屬-氮化物成核模片層18與該主體三-五族半導體材料22之間看見或以其他方式辨認出任何不連續的邊界。
作為非限定性質之範例，該主體三-五族半導體材料22可以沉積在生長底材20上至一平均總厚度T2 ，該平均總厚度T2 可以至少為大約5微米(5μm)，至少為大約7微米(7μm)，至少為大約10微米(10μm)，至少為大約20微米(20μm)，或甚至至少為大約30微米(30μm)。該金屬-氮化物成核模片層18之存在，其係按照本發明之實施例而製作，可以讓該主體三-五族半導體材料22沉積至此等平均總厚度T2 ，並使該主體三-五族半導體材料22在其曝露主要表面23的錯位密度維持在大約每平方公分5 X 108 或更低的濃度。
圖4A及4B為簡化之圖式，其綱要性地呈現一HPVE沉積系統100之一實施例，該HPVE沉積系統可以如本文所述使用於本發明之方法之多 個實施例中。作為非限定性質之範例，該沉積系統100可以包括如以下任何文件所述之一沉積系統：美國專利申請公開US 2009/0223442 A1號，2009年9月10日以Arena等人之名公開；美國專利臨時申請案61/157,112號，2009年3月3日以Arena等人之名申請；以及美國專利申請案12/894,724號，2010年9月30日以Bertran之名申請。圖4A及4B所示之沉積系統100包含一反應室102及一個或多個氣體注入器(如下文所詳述)。
在以下有關該沉積系統100及，更明確而言，該沉積系統100之反應室102，之敘述中，「縱向」及「橫向」兩詞係指從圖4A及4B的觀點而言，相對於反應室102之該些方向，其中，縱向係指從圖4A觀點而言之垂直方向，以及延伸至圖4B之平面之方向；橫向或側向則是分別從圖4A及4B觀點而言水平延伸之該些方向。橫向亦指延伸「橫越反應器」之方向。
該沉積系統100包含該反應室102，一底材支撐構造104(例如一晶座)，其係用於支撐一個或多個工作件底材106(該些工作件底材最初可以包括如圖1所示之一底材10，或如圖2所示之一生長底材20)，所期望的是，在該沉積系統100內於該些工作件底材上進行沉積或以其他方式提供材料。作為非限定性質之範例，該反應室102可以具有大約2英寸之高度，大約12英寸之寬度，及大約20英寸之長度；該底材支撐構造104可以組構為用於支撐一個8英寸的工作件底材106、一個6英寸的工作件底材106、三個4英寸的工作件底材106，或八個2英寸的工作件底材106。該沉積系統100更包括多個加熱組件108(圖4B)，其可以用於選擇性地 加熱該沉積系統100，以便在沉積製程期間將該反應室102的平均溫度控制在期望之升高溫度內。該些加熱組件108可以包括，舉例而言，電阻加熱組件或輻射加熱組件。
如圖4B所示，該底材支撐構造104可以安裝在一主軸110上，該主軸可以耦合(例如直接結構耦合、磁力耦合等等)至諸如電動馬達之一驅動裝置112，該驅動裝置之組構為用於驅動該主軸110之旋轉，進而驅動該反應室102內該底材支撐構造104之旋轉。
在一些實施例中，該反應室102、該底材支撐構造104、該驅動主軸110，以及該反應室102內任何其他元件中的一個或多個，可以至少實質上包括一耐火陶瓷材料，像是陶瓷氧化物(例如二氧化矽(石英)、氧化鋁、氧化鋯等等)、碳化物(例如碳化矽、碳化硼等等)或氮化物(例如氮化矽、氮化硼等等)。
該沉積系統100更包含一氣體流量系統，其係用於將一種或多種氣體注入該反應室102並將氣體從該反應室102排出。參考圖4A，該沉積系統100可以包含三個氣體流入管道114A、114B、114C，其分別自氣體來源128A、128B、128C攜帶氣體。或者，裝置117A、117B、117C，其可以包括氣閥、背壓調節器及質量流量控制器中的一個或多個，可以用於分別選擇性地控制流過該些氣體流入管道114A、114B、114C之氣體流量。
在一些實施例中，該些氣體來源128A、128B至少其中之一可以包括一金屬三氯化物，像是GaCl3 、InCl3 或AlCl3 ，之一外部來源，如美國專利申請公開US 2009/0223442 A1號所描述者。而GaCl3 、InCl3 及AlCl3 可以以二聚物之形式存在，例如Ga2 Cl6 、In2 Cl6 及Al2 Cl6 。因此，該些氣 體來源128A、128B至少其中之一可以包括一二聚物，像是Ga2 Cl6 、In2 Cl6 或Al2 Cl6 。作為一非限定性質範例，該些氣體來源128A、128B中的一個或兩個可以提供GaCl3 蒸汽之一質量流量作為一三族前驅物成分。該氣體來源128C可以包括一VA族前驅物，像是氨(NH3 )，之一外部來源。
在該些氣體來源128A、128B中的一個或兩個本身是或包含一GaCl3 來源之實施例中，該GaCl3 來源包含液態GaCl3 之一貯存器，該液態GaCl3 維持在至少120℃(例如約130℃)之溫度下，且該GaCl3 來源可以包含用來提高該液態GaCl3 蒸發率之物理方法。此等物理方法可以包括，舉例而言，用於攪動該液態GaCl3 之一裝置、用於噴灑該液態GaCl3 之一裝置、用於使載體氣體快速流過該液態GaCl3 上方之一裝置、用於使載體氣體起泡通過該液態GaCl3 之一裝置、以超音波方式散佈該液態GaCl3 之一裝置，例如一壓電裝置，以及諸如此類者。作為一非限定性質範例，當該液態GaCl3 維持在至少120℃之溫度下時，可以使一載體氣體，例如He、N2 、H2 、Ar或其混合物(例如N2 及H2 之一混合物)，起泡通過該液態GaCl3 ，以使該來源氣體可以包含一種或多種載體氣體。
在本發明之一些實施例中，該GaCl3 蒸汽進入該些氣體注入器150A、150B中的一個或兩個之通量(flux)可受到控制。例如，在使一載體氣體起泡通過液態GaCl3 之實施例中，來自該氣體來源128A、128B、128C之GaCl3 通量取決於一個或多個因素，包括，舉例而言，該GaCl3 之溫度、該GaCl3 上方之壓力，以及起泡通過該GaCl3 之載體氣體之流量。雖然GaCl3 之質量通量(mass flux)原則上可受前述任何參數所控制，但在一 些實施例中，GaCl3 之質量通量可以經由使用一質量流量控制器變化載體氣體之流量而予以控制。
在一些實施例中，該些氣體流入管道114A、114B的溫度可以控制在介於該些氣體來源128A、128B與該些氣體注入器150A、150B之間。該些氣體流入管道114A、114B及相關之質量流量感測器、控制器，及諸如此類者的溫度，可以從該些氣體來源128A、128B各別出口處之一第一溫度(例如約120℃或更高)，逐漸增加至該些氣體注入器150A、150B處之一第二溫度(例如約160℃或更低)，以避免該些氣體(例如GaCl3 蒸汽)凝結在該些氣體流入管道114A、114B及其他諸如此類者之內。或者，介於該些氣體來源128A、128B與該些氣體注入器150A、150B之間的該些氣體流入管道114A、114B的長度，可以為大約3英尺或更短，大約2英尺或更短，或甚至大約1英尺或更短。該些來源氣體的壓力可利用一個或多個壓力控制系統予以控制。
每一氣體流入管道114A、114B可以選擇性地延伸至各自的氣體注入器150A、150B，該些氣體注入器將於下文詳述。
在額外的實施例中，該沉積系統100可以包含少於兩個(例如一個)的氣體流入管道及各自的氣體注入器，或者，該沉積系統100可以包含超過兩個(例如三個、四個、五個等等)的氣體流入管道及各自的氣體注入器。
在圖4A及4B之實施例中，該些氣體注入器150A、150B係完全位於該反應室102外面。但在其他實施例中，該些氣體注入器150A、150B 可以完全配置在該反應室102裡面，或是該些氣體注入器150A、150B的至少一部分可以至少局部穿過該反應室102。
該沉積系統100可以更包含三個氣體端口116A、116B、116C，以提供該反應室102外部及內部間的流體連通。每一氣體端口116A、116B、116C可以穿過該反應室102之一壁面、該反應室之頂板、或該反應室之底板中的一個或多個，在各別之氣體注入器150A、150B與該反應室102內各別之氣體分散管道118A、118B、118C間提供流體連通。
該反應室102內的該些氣體分散管道118A、118B、118C可以用於將該些氣體攜至該封閉體內的期望位置。該些氣體分散管道118A、118B、118C的所在位置及組構可以將氣體朝選定方向注入該反應室102內部，該些選定方向係相對於該底材支撐構造104上承載之該些工作件底材106。該些氣體分散管道118A、118B、118C所攜帶的氣體，諸如前驅氣體及載體氣體，可以縱向流過該反應室102(從圖4A觀點而言之垂直方向)，並縱向在該反應室102內，從該些氣體分散管道朝著往該些工作件底材106延伸之方向注出，該些注出方向至少實質上平行於該些工作件底材106之曝露主要上表面。該些氣體分散管道118A、118B、118C可以利用管道支撐治具支撐並固持於該反應室102內的適當位置。
該些氣體分散管道118A、118B、118C之詳細配置及組構僅為眾多可用於本發明實施例之配置及組構之一種，在反應室102之額外實施例中，氣體分散管道可以在該反應室102內具有不同的組構及配置。
該些氣體分散管道118A、118B、118C可予以主動加熱，被動加熱，或被動與主動加熱並行。舉例而言，產熱組件(未顯示)可以定置在鄰近 該些氣體分散管道118A、118B、118C的至少一部分之處。在一些實施例中，該些氣體分散管道118A、118B、118C係由該些加熱組件108(圖4B)加熱。或者，被動傳熱構造(例如，包含表現類似一黑體之材料之構造)可以安置在鄰近或接近該反應室102內該些氣體分散管道118A、118B、118C的至少一部分之處，以改進對該些氣體分散管道118A、118B、118C之熱傳遞。
被動傳熱構造(例如，包含表現類似一黑體之材料之構造)可以提供於該反應室102內，如，舉例而言，2009年8月27日以Arena等人之名公開之美國專利申請公開US 2009/0214785 A1號中所揭露者。例如，一傳熱板124(在圖4A及4B中以虛線表示)可以定置於該反應室102內，以使該傳熱板124橫越該反應室102並位於該底材支撐構造104與由其所支撐之該些工作件底材106上方。該傳熱板124可以經由吸收來自多個加熱組件(例如該些加熱組件108)的熱輻射，協助熱化流至傳熱板124附近之多種製程氣體，並將所吸收的熱能再輻射至該些製程氣體。
此種被動傳熱構造可以改進該反應室102內部的熱傳遞，並可以改進該反應室102內部溫度的均勻性及一致性。該些被動傳熱構造可以包括具有高發射率值(接近完全發射)(黑體材料)之材料，該些材料亦耐得住在該沉積系統100內可能遭遇之高溫及腐蝕性環境。此等材料可以包括，舉例而言，氮化鋁(AlN)、碳化矽(SiC)及碳化硼(B4 C)，其具有之發射率值分別為0.98、0.92及0.92。
氣態副產物、載體氣體，以及任何多餘的前驅氣體，可以經由一腔室排氣口126從該反應室102排出。
如先前所提及，在圖4A及4B中，該沉積系統100之該些氣體注入器150A、150B中的一個或兩個可以本身為或包含一氣體注入器，如下文參考圖5至7所進一步詳述。
在一些實施例中，該些氣體注入器150A、150B可以包括如國際專利申請案公開WO 2010/101715 A1號所揭露之氣體注入器，該專利申請係在2010年9月10日以Arena等人之名公開。舉例而言，圖5為一熱化氣體注入器160之一透視圖，該熱化氣體注入器可以用於圖4A所示之該些氣體注入器150A、150B其中之一或兩者。如圖6所示，該氣體注入器160包括一管道162，該管道包含一進氣部分164、一螺旋狀中央部分166，及一排氣部分168。一來源氣體(例如GaCl3 )、一載體氣體(例如H2 、N2 等等)或一來源氣體與一載體氣體之一混合物，可供應至該進氣部分164。該氣體或該些氣體從該進氣部分164流入，流過該螺旋狀中央部分166，經由該排氣部分168流出，然後流進該反應室102(圖4A)。至少該管道162之螺旋狀中央部分166可以予以加熱，如下文所進一步詳細討論。經由盤繞該管道162，該管道162所佔據之實體空間之一長度會顯著小於該管道162流動路徑的實際長度。換言之，該管道162之一長度可以大於該進氣部分164與該排氣部分168間的最短距離。該管道162可以具有其他組構。舉例而言，該管道162可以具有一盤繞組構，其包含複數個大致平行的筆直段，以端對端的方式，由角度延伸至180°的多個彎曲段連結在一起。
該管道162可以組構為用於將流過該管道162之氣體加熱一段期望之時間(亦即一滯留時間)，該段期望之時間可以為以下三者之函數：該 管道162內流動路徑的截面積、該來源氣體通過該管道162的流量、該管道162的總長度。該管道162可加以塑形及組構，使其位於接近一個或多個主動或被動加熱組件之處，如下文所進一步詳細討論。
如圖5所示，至少該管道162之螺旋狀中央部分166可以包含在一外殼170內。該外殼170亦可以作為諸如沖洗氣體等氣體之一額外氣體傳導管道。舉例而言，如圖5所示，該外殼170可以包含一殼體進氣口172及一殼體排氣口174。沖洗氣體可以從該殼體進氣口172至該殼體排氣口174流過該外殼170。該沖洗氣體通過該外殼170時可以由該熱化氣體注入器160予以加熱。
該管道162及該外殼170可以包括一耐火材料，該耐火材料在該管道162及該外殼170使用期間需經歷之高溫下為安定且為惰性。舉例而言，該管道162及該外殼170之材料可以由石英形成且至少實質上包括石英。
該熱化氣體注入器160可以利用多個主動產熱組件予以加熱，該些主動產熱組件被定置於靠近(例如鄰近)該外殼170及該管道162之螺旋狀中央部分166中的一個或多個。主動加熱組件包括諸如加熱燈之輻射發光組件、感應加熱組件、諸如電阻加熱組件之電加熱組件等等。該熱化氣體注入器160亦可以包含被動加熱組件，該些被動加熱組件本身不產熱，但被用於再分配、反射，或以其他方式影響該熱化氣體注入器160內及其周圍之熱傳遞。例如，如圖5所示，該熱化氣體注入器160可以包括一主動加熱組件180，其可以包含以電阻加熱之一夾殼加熱器，該加熱器至少局部圍繞著該外殼170之外部。因此，流過該管道162及/或該外殼170之氣體便可以被該主動加熱組件180所加熱。如圖5所示，一選擇性之加 熱組件182，其可以為主動加熱或被動加熱，可以配置在該外殼170內。該加熱組件182可以具有一伸長的圓柱形狀，且該管道162之螺旋狀中央部分166可以環繞在該加熱組件182周圍，如圖5所示。作為非限定性質之範例，該加熱組件182可以包括一棒材，其包含一黑體材料，該黑體材料係用於將該主動加熱組件180所產生之熱能再分配。該加熱組件182之存在可以改進該主動加熱組件180加熱該管道162螺旋狀中央部分166內之該些氣體及該外殼170內之該些氣體之效率。
在本發明之實施例中，當該些氣體來源128A、128B其中之一供應至該熱化氣體注入器160之來源氣體包括諸如GaCl3 之一金屬三氯化物及氫載體氣體H2 時，該金屬三氯化物及該氫氣可以分解而形成諸如GaCl及HCl蒸汽之金屬單氯化物蒸汽，該些蒸汽可以從該管道162之排氣部分168排出，然後進入該反應室102。
在額外之實施例中，該些氣體注入器150A、150B可以包括如美國專利申請案12/894,724號所揭露之氣體注入器。例如，該些氣體注入器150A、150B可以包括一貯存器，其係用於容納一液態金屬或其他元素，例如液態鎵(Ga)、液態鋁(Al)或液態銦(In)，或一有機金屬物質，像是三甲基鎵(TMG)、三乙基鎵(TEG)、三甲基鋁(TMA)、三乙基鋁(TEA)、四二乙胺基鈦(TDEAT)及四二甲胺基鈦(TDMAT)。在其他實施例中，該貯存器可用於容納用來和一來源氣體(或一來源氣體之分解或反應產物)反應之一固態試劑。舉例而言，該貯存器可以用於容納一種或多種材料之固體體積，例如固態矽(Si)或固態鎂(Mg)。
圖6為一氣體注入器200之透視圖，該氣體注入器可以用於圖4A所示之該些氣體注入器150A、150B其中之一或兩者。如圖6所示，該氣體注入器200包含一進氣口202、一排氣口204、一熱化管道206，及一容器210。該容器210係用於容納一液態試劑。舉例而言，一液態金屬，像是液態鎵、液態銦、液態鋁等等，或一有機金屬物質可以置於該容器210內。一來源氣體(例如GaCl3 )、一載體氣體(例如H2 、N2 ，等等)，或一來源氣體與一載體氣體之一混合物，可供應至該進氣口202。該氣體或該些氣體可以從該進氣口202流入該熱化管道206。該熱化管道206可用於將流過該熱化管道206之氣體予以加熱一段期望之時間(亦即一滯留時間)，該期望之時間可以為以下三者之函數：該熱化管道206內流動路徑的截面積，該來源氣體通過該熱化管道206的流量，及熱化管道206的總長度。該熱化管道206可加以塑形及組構，使其位於接近一個或多個主動或被動加熱組件之處，如下文所進一步詳細討論。
此外，該熱化管道206可以包含一個或多個彎曲段或轉折，以使該熱化管道206所佔據實體空間之長度顯著小於該熱化管道206內流動路徑的實際長度。換言之，該熱化管道206之一長度可以大於該進氣口202與該液體容器210間的最短距離。在一些實施例中，該熱化管道206之長度可以為該進氣口202與該液體容器210間最短距離的至少大約兩倍、至少大約三倍，或甚至至少大約四倍。舉例而言，該熱化管道206可以具有一盤繞組構，如圖6所示，其包含複數個大致平行的筆直段，以端對端的方式，由角度延伸至180°的多個彎曲段連結在一起。
該熱化管道206可以包括一管狀物，該管狀物至少實質上包括一耐火材料，像是石英。
在一些實施例中，該氣體可以包括在該熱化管道206內至少部分分解之一來源氣體。舉例而言，在實施例中，當該氣體包括一來源氣體，其包括GaCl3 及一包含H2 之載體氣體時，該來源氣體可分解以形成氣態的GaCl及氯化氫(HCl)。
該些氣體從該熱化管道206流進該容器210。圖7為該容器210一部分之放大剖視圖。如圖7所示，該容器210包含一底部壁面212、一頂部壁面214，及至少一側壁面216。在圖6及圖7之實施例中，該貯存器具有一般圓柱形之形狀，因此該底部壁面212及該頂部壁面214皆具有一圓形形狀且至少實質上為平面，而且該側壁面216至少實質上為圓柱形(例如圓筒狀)。在本發明的額外實施例中，該貯存器可以組構為其他幾何外形。該底部壁面212、該頂部壁面214及該至少一側壁面216共同界定出一空心體，該空心體之內部則界定出一貯存器以容納一液態試劑，像是液態鎵或一有機金屬物質。
該空心容器210之內部空間可以局部充滿一液態試劑。舉例而言，該容器210可以充滿一液態試劑至圖7中虛線220所示之高度，以使一空位或空間222存在於該容器210內的液態試劑上方。從該熱化管道206流出的氣體可以注入該容器210內液態試劑上方的空間222。作為一非限定性質範例，從該熱化管道206流出的氣體可以流過該底部壁面212，然後流入一管狀物224。在一些實施例中，該管狀物224可以包括伸進該容器210之熱化管道206之一組成部分。該管狀物224可以穿過置於該液體容 器內的液態試劑，到達該液態試劑上方的空間222。該管狀物224可以包括一九十度的彎曲，以使該管狀物224之一末端部分水平延伸於該液態試劑上方。
如圖7所示，在穿透該管狀物224之圓柱形側壁，面向該液態試劑表面之一側可以提供一開口，以使流過該管狀物224之氣體經由該開口226而離開該管狀物224。對於離開該開口226之該些氣體，可將之從該開口處往該液態試劑表面的方向引導，以促進該些氣體的一種或多種成分與該液態試劑反應。例如，在實施例中，當該來源氣體包含諸如H2 之一載體氣體內所攜帶之GaCl3 ，且該來源氣體已在該熱化管道206內分解為包含氣態GaCl及諸如氯化氫(HCl)之一氯化物種時，該液體容器內之液態試劑可以包括液態鎵，其可以與在該熱化管道206內產生之氯化氣體(例如HCl)反應，以形成額外的氣態GaCl。在該容器210內液態試劑上方空間222中的氣體，可以經由一排氣端口228流出該容器。舉例而言，該排氣端口228可以位於該容器之頂部壁面214處，該管狀物224水平延伸部分的上方。該排氣端口228可以通向一排氣管道230，該排氣管道的末端可以界定為該氣體注入器200之排氣口204。
在額外之實施例中，從該熱化管道206流出的氣體可以注入該容器210內之液態試劑，以使該些氣體起泡通過該液態試劑，然後到達該液態試劑上方之空間222。
該容器210之各種元件可以至少實質上包括一耐火材料，例如石英。
該GaCl可以為用於形成GaN之一期望前驅氣體。因此，將多餘的氯化物種，例如因熱分解GaCl3 及H2 (在使用包含GaCl3 及H2 之一來源 氣體之系統中進行)而產生的氯化氫氣體(HCl)，轉化成額外的GaCl，便可以避免多餘氯化物種對已沉積的GaN材料的不利影響，因為氯化物種進入該反應室102的量已減少。此等不利影響可能包含，舉例而言，氯原子與該氮化鎵晶格結合，及已沉積的該GaN薄膜發生破裂或脫層。將多餘的氯化氫(HCl)氣體導入反應室可以使該氯化氫氣體對反應室內的GaN起到蝕刻劑的作用，從而降低GaN的生長率或甚至阻礙GaN的生長。此外，經由將多餘的該氯化物種與該液態鎵反應而形成額外的GaCl，該沉積系統100的效率可以獲得改進。
上文有關圖4A及4B所述之HVPE沉積系統100可以用於將該主體三族-氮化物半導體材料22依照本發明之實施例沉積在一生長底材20上，如先前有關圖3所述者。圖8為一圖表，其綱要性地呈現一HVPE沉積製程之一非限制性質範例，該HVPE沉積製程可以用於將該主體三族-氮化物半導體材料22利用圖4A及4B之沉積系統100沉積在一生長底材20上。圖8所示之沉積製程係作為一範例而提供，其他HVPE沉積製程亦可以用於將該主體三族-氮化物半導體材料22沉積在一生長底材20上(圖3)。
參考圖8，該示範性沉積製程係經由繪製該反應室102內之溫度T，其係作為時間t之一函數，而呈現。如該圖表所示，該沉積製程包含10個階段，該些階段依序標記為S1至S10。該沉積製程由S1至S10每一階段之非限制性範例製程參數提供於下表1中。
如圖8及表1所示，階段S1為裝載階段，在此階段期間，該些工作件底材106被裝載到該底材支撐構造104上。該些工作件底材106裝載到該底材支撐構造104上後，該反應室102在大氣壓力下被加熱至350℃之 溫度T1 ，此時包含N2 之一沖洗氣體以每分鐘10標準公升(slm)之流量流過該反應室102。
如圖8所示，穩定階段S2開始於時間t1 且持續30秒。在該穩定階段S2期間，該反應室102在200Torr之壓力下被加熱至400℃之溫度T2 ，同時一沖洗氣體流過該反應室102。該沖洗氣體包括流量為15slm之N2 及流量為2slm之H2 。
溫度梯度階段S3開始於時間t2 且持續4.5分鐘。在該溫度梯度階段S3期間，該反應室102以實質上恆定之一溫度斜率，穩定且持續地從溫度T2 加熱至1025℃之溫度T3 。在該溫度梯度階段S3期間，該反應室102內之壓力維持在200Torr。在該溫度梯度階段S3期間，包含NH3 之五族來源氣體以1slm之流量流過該反應室102，一沖洗氣體，其包含流量為23slm之N2 及流量為16slm之H2 ，亦流過該反應室102。
穩定階段S4開始於時間t3 且持續30秒。在該穩定階段S4期間，該反應室102維持在1025℃之溫度T3 及200Torr之壓力下。在該穩定階段S4期間，包含NH3 之五族來源氣體以18slm之流量流過該反應室102，一沖洗氣體，其包含流量為23slm之N2 及流量為5slm之H2 ，亦流過該反應室102。
第一次沉積階段S5開始於時間t4 且持續5.0分鐘。在該第一次沉積階段S5期間，該反應室102維持在1025℃之溫度T3 及200Torr之壓力下。在該第一次沉積階段S5期間，包含GaCl3 之三族來源氣體以每分鐘51標準立方公分(sccm)之流量流過該反應室，且一載體氣體，其包含流量為2.5slm之N2 及流量為0.8slm之H2 ，亦流過該反應室102。包含 NH3 之五族來源氣體以18slm之流量流過該反應室102。一沖洗氣體，其包含流量為23slm之N2 及流量為5slm之H2 ，亦流過該反應室102。
第二次沉積階段S6開始於時間t5 且持續20.0分鐘。在該第二次沉積階段S6期間，該反應室102維持在1025℃之溫度T3 及200Torr之壓力下。在該第二次沉積階段S6期間，該GaCl3 三族來源氣體之流量增加至80sccm，該GaCl3 係由包含流量為2.5slm之N2 及流量為1.2slm之H2 之該載體氣體所攜帶。包含NH3 之五族來源氣體以18slm之流量流過該反應室102。一沖洗氣體，其包含流量為23slm之N2 及流量為5slm之H2 ，亦在該第二次沉積階段S6期間流過該反應室102。
在該第一次沉積階段S5及該第二次沉積階段S6至少其中之一期間，該主體三族-氮化物半導體材料22可以在該HVPE製程中，以至少大約每小時10微米(10μm)之速率，或甚至以至少大約每小時20微米(20μm)之速率，沉積在該生長底材20上。此等沉積速率可以顯著高於利用MOCVD製程沉積主體三族-氮化物半導體材料之沉積速率。
回火階段S7開始於時間t6 且持續20.0分鐘。在該回火階段S7期間，該反應室102維持在1025℃之溫度T3 及200Torr之壓力下。在該回火階段S7期間，包含NH3 之五族來源氣體以14slm之流量流過該反應室102，一沖洗氣體，其包含流量為23slm之N2 及流量為5slm之H2 ，亦流過該反應室102。
溫度梯度階段S8開始於時間t7 且持續4.5分鐘。在該溫度梯度階段S8期間，該反應室102以實質上恆定之一溫度斜率，穩定且持續地從溫度T3 冷卻至400℃之溫度T2 。在該溫度梯度階段S3期間，該反應室102 內之壓力維持在200Torr。在該溫度梯度階段S8期間，包含NH3 之五族來源氣體以14slm之流量流過該反應室102，一沖洗氣體，其包含流量為23slm之N2 及流量為12slm之H2 ，亦流過該反應室102。
沖洗階段S9開始於時間t8 且持續5.0分鐘。在該沖洗階段S9期間，該反應室102維持在400℃之溫度T2 下，同時該反應室102內之壓力從200Torr降至大氣壓力。在該沖洗階段S9期間，包含N2 之一沖洗氣體以16slm之流量流過該反應室102。
卸載階段S10開始於時間t9 並持續直到該些工作件底材106從該反應室102卸載完成。在該卸載階段S10期間，該反應室102之溫度降至並維持在350℃之溫度T1 ，且其壓力維持在大氣壓力下，包含N2 之一沖洗氣體則以10slm之流量流過該反應室102。
再次參考圖1至3，如先前所提及，依照本發明之方法之多個實施例，該主體三族-氮化物半導體材料22可以利用一HPVE製程(像是上文所述者)沉積在該生長底材20上，而不需在異地利用一MOCVD製程在該底材10上形成該金屬-氮化物成核模片層18。
在一些實施例中，該金屬-氮化物成核模片層18(圖2)係在一第一反應室中利用非MOCVD之一製程形成於該底材100上以形成該生長底材20，且該主體三族-氮化物半導體材料22係在不同於該第一反應室之一第二反應室中，利用諸如上文所述之一HVPE製程沉積在該生長底材20上。舉例而言，該金屬-氮化物成核模片層18(圖2)可以包括氮化鋁(AlN)及氮化鈦(TiN)至少其中之一，且可以利用一電漿增強物理氣相沉積 (PEPVD)製程或一電漿增強化學氣相沉積(PECVD)製程，形成於該底材100上。
作為非限定性質之範例，該金屬-氮化物成核模片層18可以包括氮化鋁(AlN)，且可以利用電漿增強物理氣相沉積(PEPVD)系統及如美國專利6,784,085號所揭露之方法製作之，該專利於2004年8月31日核發予Cuomo等人。舉例而言，該底材100及一三族金屬靶材可以裝載至一濺鍍沉積室內(其與該HVPE沉積系統100之反應室102分隔)。在該濺鍍沉積室內一高能量之電漿增強環境可以利用合適之一背景氣體，諸如氬，而產生。各別的含氮來源氣體可以導入該濺鍍沉積室中。此外，或作為另一種作法，用於產生該電漿之氣體可以作為反應物來源氣體使用，在此情況下，該背景氣體可以提供氮物種。將該三族金屬靶材予以濺鍍以產生一三族金屬來源蒸汽。該三族金屬來源蒸汽與該含氮來源氣體結合，該含氮來源氣體之特徵在於其包含一種或多種物種，像是雙原子氮、原子氮、氮離子、局部離子化之氮，以及諸如氨之含氮化合物。其結果便是包含該三族金屬成分及氮之反應物蒸汽物種在該反應室內產生並沉積在該底材10之曝露主要表面14上。剛沉積(as-deposited)之該反應物蒸汽物種係沉積在該底材100上，以產生圖2之金屬-氮化物成核模片層18。在一些實施例中，對於剛沉積之該金屬-氮化物成核模片層18可以進行一個或多個熱製程以改進其結晶品質。例如，剛沉積之該金屬氮化物材料可以為多晶及/或無結晶，且可以對其進行一個或多個熱製程，以增進該金屬-氮化物成核模片層18之結晶性。在一些實施例中，該一個或多個熱製程可以包括一快速熱回火(RTA)製程。該一個或多個熱製程可以在，舉例 而言，一爐具、一快速熱回火室及一化學氣相沉積反應器中的一個或多個內進行。作為非限定性質之範例，該一個或多個熱製程可以涉及使剛沉積之該金屬-氮化物成核模片層18接受高於大約600℃之溫度、高於大約800℃之溫度，或甚至高於大約1000℃之溫度。用於處理剛沉積之該金屬-氮化物成核模片層18之一個或多個熱製程可以在受到控制之一氣態環境下進行。例如，該氣態環境可以包括氨、氮、氫、氬當中的一個或多個。
或者，該金屬-氮化物成核模片層18可以利用已知的摻雜方法與一種或多種摻雜元素摻雜。例如，含摻雜劑之氣體可以在受控制的條件下被引入該反應室。
作為另一非限制性質範例，該金屬-氮化物成核模片層18可以包括氮化鈦(TiN)，且可以利用電漿增強化學氣相沉積(PECVD)系統及如美國專利5,610,106號所揭露之方法製作之，該專利於1997年3月11日核發予Foster等人。舉例而言，該底材10可以裝載至一化學氣相沉積室內(其與該HVPE沉積系統100之反應室102分隔)。該CVD室內可以提供產生射頻(RF)之一噴淋頭/電極，反應物氣體可以透過該噴淋頭/電極朝著該底材10泵入該CVD室。該些反應物氣體包含四氯化鈦(TiCl4 )、氨(NH3 )及一稀釋劑。該稀釋劑可以包括氫、氦、氬及氮當中的一個或多個。
該底材10與該噴淋頭/電極之間可以空出大約0.25至3英寸之空間，以使活性離子便會撞擊該底材10。當該反應物氣體通過該噴淋頭/電極，一電漿會由此而產生。該電漿之該些反應性離子會撞擊該底材10。
該CVD室的壓力可以維持在介於大約0.5Torr及大約20Torr之間(例如大約5torr)。在該沉積期間，該底材10可以維持在大約400℃至大約500℃之溫度(例如大約450℃)。在該沉積期間，該底材10係置放於一支撐構造上，該底材10可以經由加熱該支撐構造而獲得加溫。而且在該沉積期間，置放該底材10之支撐構造可以以大約每分鐘100轉(rpm)或更高之轉速旋轉。
該些反應物氣體在CVD室中的濃度可以經由流量加以控制。一般而言，該四氯化鈦之流量可以以大約1sccm至大約40sccm(例如大約10sccm)之流量予以引入。該TiCl4 之分壓應低到足以形成TiN。若該TiCl4 之分壓變得太高，TiN便可能無法形成。當總壓力為5Torr時，TiCl4 之分壓可以低於0.02Torr(例如從大約0.01Torr至大約0.001Torr)。在較低之壓力(亦即大約0.0001Torr)下，反應速率可能會顯著降低，且階梯覆蓋率可能會變得不可接受。當總壓力增加至超過5Torr時，TiCl4 之分壓可以相應增加。一般而言，NH3 與TiCl4 之莫耳比可以從大約2：1(NH3 對TiCl4 )到大約100：1(NH3 對TiCl4 )(例如約10：1)。
依照形成該金屬-氮化物成核模片層18之方法之此等實施例，形成之該金屬-氮化物成核模片層18可以具有大約25奈米(25nm)或更薄，或甚至大約10奈米(10nm)或更薄之平均厚度T1 ，且該主體三族-氮化物半導體材料22可以沉積在該金屬-氮化物成核模片層18上達平均厚度T2 ，其至少大約為2微米(2μm)，至少大約為5微米(5μm)，或甚至大約為10微米(10μm)或更厚。
多個樣本已經由下述方式製作之：先如美國專利6,784,085號所揭露，利用一PEPVD沉積製程在一藍寶石底材上形成一AlN成核模片層，接著如上文所述，在一HVPE沉積製程中利用金屬三氯化物來源氣體，將主體GaN沉積在該AlN成核模片層上。在一第一樣本中，該AlN成核模片層之曝露主要表面19(圖2)對該AlN晶格構造之A平面有0.5°之偏斜，且該AlN成核模片層具有大約10奈米(10nm)之平均厚度。在一第二樣本中，該AlN成核模片層之曝露主要表面19(圖2)對該AlN晶格構造之M平面有0.25°之偏斜，且該AlN成核模片層具有大約25奈米(25nm)之平均厚度。
該主體GaN材料之結晶品質係利用X光繞射(XRD)分析而測量，經發現，該結晶品質實質均上等於利用傳統MOCVD技術形成主體GaN所報告之結晶品質。此外，對於該主體GaN材料之曝露主要表面23之表面粗度測量，係在將該主體GaN材料沉積在該生長底材之AlN成核模片層上之後進行。可觀察到，沉積在該第一樣本(10nm AlN成核模片層，對A平面有0.5°之偏斜)之主體GaN材料之曝露主要表面，比起沉積在該第二樣本(25nm AlN成核模片層，對M平面有0.25°之偏斜)之主體GaN材料之曝露主要表面來得平滑。詳細而言，該第一樣本顯現之均方根(RMS)表面粗度大約為9.72nm，而該第二樣本顯現之RMS表面粗度大約為10.58nm。
再參考圖1至3，在額外之實施例中，該金屬-氮化物成核模片層18(圖2)係利用一MOCVD製程在該反應室102(圖4A及4B)內原地形成於該底材10上，該反應室102即為後續在一HVPE製程中將該主體三 族-氮化物半導體材料22沉積在該金屬-氮化物成核模片層上之同一反應室。舉例而言，該金屬-氮化物成核模片層18(圖2)可以包括氮化鎵(GaN)、氮化鋁(AlN)、氮化鋁鎵(Alx Ga1-x N)及氮化鈦(TiN)至少其中之一。
因此，在一些實施例中，先前有關圖4A及4B所述之沉積系統100能夠並可以組構為用於進行一MOCVD製程及一HVPE製程。參考圖4A，作為非限定性質之範例，該些氣體來源128A、128B其中之一可以包括一有機金屬前驅物之一來源，像是三甲基鎵(TMG)、三乙基鎵(TEG)、三甲基鋁(TMA)、三乙基鋁(TEA)、四二乙胺基鈦(TDEAT)及四二甲胺基鈦(TDMAT)中的一個或多個。在此等實施例中，雖然該有機金屬前驅物可以利用一載體氣體攜進該反應室，但可能不需要搭配該有機金屬前驅物之來源而使用一熱化氣體注入器150A、150C。舉例而言，一載體氣體可以起泡通過一貯存器內之加熱的液態有機金屬前驅物而形成一有機金屬蒸汽，該有機金屬蒸汽然後可以流進該反應室102。該有機金屬蒸汽可以在該反應室102內分解，致使該金屬-氮化物成核模片層18沉積在該些工作件底材16(例如如圖1所示之多個底材10)上。可以用於在該反應室102內原地形成多個金屬-氮化物成核模片層18，然後在一HVPE製程中於同一反應室內利用如本文所述之一沉積系統沉積主體三族-氮化物半導體材料之MOCVD方法係揭露於，舉例而言，美國專利申請公開2009/0184398 A1號，其係於2009年7月23日以Choi之名公開。
在此等實施例中，形成之該金屬-氮化物成核模片層18可以具有介於大約0.5奈米(0.5nm)及大約2微米(2μm)間之平均厚度T1 ，且形成之該主體三族-氮化物半導體材料22可以具有一平均厚度T2 ，其至少大 約為2微米(2μm)，至少大約為5微米(5μm)，至少大約為7微米(7μm)，至少大約為10微米(10μm)，至少大約為20微米(20μm)，或甚至至少大約為30微米(30μm)。此外，在一些實施例中，已沉積之該主體三族-氮化物半導體材料22之一曝露主要表面23可以具有大約2奈米(2.0nm)或更小(例如大約0.112nm)之均方根表面粗度。
再參考圖1至3，在額外之實施例中，該金屬-氮化物成核模片層18(圖2)係利用一HVPE製程在該反應室102(圖4A及4B)內原地形成於該底材10上，該反應室102即為後續在一HVPE製程中如本文所述將該主體三族-氮化物半導體材料22沉積在該金屬-氮化物成核模片層上之同一反應室。舉例而言，該金屬-氮化物成核模片層18(圖2)可以包括氮化鋁(AlN)及氮化鈦(TiN)至少其中之一，且可以利用如2001年4月24日核發予Chen等人之美國專利6,221,174號，以及如2010年9月10日以Arena等人之名公開之國際專利申請公開號WO 2010/101715 A1所揭露之方法而形成。
參考圖4A，該來源氣體128A可以在一HVPE製程中形成該金屬-氮化物成核模片層18(圖2)時使用，該來源氣體128B則可以在一後續HVPE製程中形成該主體三族-氮化物半導體材料22時使用。
作為一非限制性質範例，該金屬-氮化物成核模片層18(圖2)可以包括氮化鋁(AlN)，且該氣體來源128A可以包括AlCl3 氣之一來源。該AlCl3 氣來源可以包含液態AlCl3 之一貯存器，該貯存器內之液態AlCl3 維持在至少190℃之溫度(例如約195℃)及大約2.5大氣壓力之壓力下，且該AlCl3 氣來源可以選擇性地包含用來提高該液態AlCl3 蒸發率之物理 方法。此等物理方法可以包括，舉例而言，用於攪拌該液態AlCl3 之一裝置、用於噴灑該液態AlCl3 之一裝置、用於使載體氣體快速流過該液態AlCl3 上方之一裝置、用於使載體氣體起泡通過該液態AlCl3 之一裝置、以超音波方式散佈該液態AlCl3 之一裝置，例如一壓電裝置，以及諸如此類者。作為一非限定性質範例，當該液態AlCl3 維持在至少195℃之溫度時，可以使一載體氣體，像是He、N2 、H2 、Ar或其混合物(例如N2 及H2 之一混合物)，起泡通過該液態AlCl3 ，以使該來源氣體可以包含一種或多種載體氣體。或者，該AlCl3 及包含H2 之一載體氣體可以供應至該熱化注入器150A，該AlCl3 可以在該熱化氣體注入器中分解而形成AlCl及HCl。該HCl可以與容納在該熱化注入器150A中的液態鋁反應而形成額外之AlCl。該些氣體然後可以導入該反應室102，並在該反應室中與該氣體來源128C所供應之NH3 反應，以在該底材上形成AlN。
作為另一非限定性質範例，該金屬-氮化物成核模片層18(圖2)可以包括氮化鈦(TiN)，且該氣體來源128A可以包括TiCl4 氣之一來源。該TiCl4 氣來源可以包含液態TiCl4 之一貯存器，該貯存器內之液態TiCl4 維持在至少80℃之溫度，且該TiCl4 氣來源可以選擇性地包含用來提高該液態TiCl4 蒸發率之物理方法，如同上文所討論。作為一非限定性質範例，當該液態TiCl4 維持在至少137℃之溫度時，可以使一載體氣體，例如He、N2 、H2 、Ar或其混合物(例如N2 及H2 之一混合物)，起泡通過該液態TiCl4 ，以使該來源氣體可以包含一種或多種載體氣體。該TiCl4 蒸汽然後可以導入該反應室102，並在該反應室中與該氣體來源128C所供應之NH3 反應，以在該底材上形成TiN。有關在此種製程中形成TiN之製程參數之額外細節，可以在前述之美國專利6,221,174號中找到。
如上文所述在該反應室102內利用一HVPE製程形成該金屬-氮化物成核模片層18後，該主體三族-氮化物半導體材料22可以如先前有關圖3及8所述，在一HVPE製程中於同一反應室102內形成。該主體三族-氮化物半導體材料22可以在該金屬-氮化物成核模片層18形成之後沉積在該底材20上，而不需在該金屬-氮化物成核模片層18形成後，該主體三族-氮化物半導體材料22沉積在該生長底材20上前，將該生長底材20從該反應室102移除。
使用本發明之方法之實施例可以製作主體三族-氮化物半導體材料而不需在異地利用一MOCVD製程形成一金屬-氮化物成核模片層。因此，在形成主體三族-氮化物半導體材料方面，相對於先前已知之方法，本發明之方法之至少一些實施例可以有較高的成本效益。
本發明額外之非限制性質示範性實施例敘述如下。
實施例1：一種在一生長底材上沉積主體三族-氮化物半導體材料之方法，其包括：在一底材上形成一金屬-氮化物成核模片層以形成該生長底材；以及利用一鹵化物氣相磊晶(HVPE)製程將該主體三族-氮化物半導體材料沉積在該生長底材上，將該主體三族-氮化物半導體材料沉積在該生長底材上包括：分解一金屬三氯化物及一金屬四氯化物至少其中之一以形成一金屬氯化物三族前驅物蒸汽，以及使該金屬氯化物三族前驅物蒸汽與一五族前驅物蒸汽反應，以在該生長底材上形成該主體三族-氮化物半導體材料。
實施例2：如實施例1之方法，其中在該底材上形成該金屬-氮化物成核模片層包括利用非金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)之一製程以形成該金屬-氮化物成核模片層。
實施例3：如實施例1之方法，其中在該底材上形成該金屬-氮化物成核模片層包括利用一電漿增強化學氣相沉積(PECVD)製程以形成該金屬-氮化物成核模片層。
實施例4：如實施例3之方法，其中利用該電漿增強化學氣相沉積(PECVD)製程形成該金屬-氮化物成核模片層包括：在該底材上沉積金屬-氮化物材料；以及對該已沉積之金屬-氮化物材料進行一種或多種熱製程，以增進該已沉積之金屬-氮化物材料之結晶性。
實施例5：如實施例4之方法，其中對該已沉積之金屬-氮化物材料進行一種或多種熱製程以增進該已沉積之金屬-氮化物材料之結晶性包括對該已沉積之金屬-氮化物材料進行一快速熱回火製程。
實施例6：如實施例1之方法，其中在該底材上形成該金屬-氮化物成核模片層包括利用一鹵化物氣相磊晶(HVPE)製程形成該金屬-氮化物成核模片層。
實施例7：如實施例6之方法，其中利用一鹵化物氣相磊晶(HVPE)製程形成該金屬-氮化物成核模片層包括：分解GaCl3 、InCl3 、AlCl3 及TiCl4 至少其中之一以形成三氯化物、二氯化物及單氯化物三族前驅物蒸汽至少其中之一，以及使該三族前驅物蒸汽與一NH3 前驅物蒸汽反應，以在該底材上形成該金屬氮化物成核模片層。
實施例8：如實施例1至7中任一項之方法，其更包括：在一第一腔室中形成該金屬-氮化物成核模片層；以及在不同之一第二腔室中將該主體三族-氮化物半導體材料沉積在該生長底材上。
實施例9：如實施例1至7中任一項之方法，其更包括：在一腔室中形成該金屬-氮化物成核模片層；以及在形成該金屬-氮化物成核模片層之該腔室中，將該主體三族-氮化物半導體材料沉積在該生長底材上。
實施例10：一種在一生長底材上沉積主體三族-氮化物半導體材料之方法，其包括：在一第一腔室中利用非金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)之一製程，於一底材上形成一金屬-氮化物成核模片層以形成該生長底材；以及在一第二腔室中利用一鹵化物氣相磊晶(HVPE)製程將該主體三族-氮化物半導體材料沉積在該生長底材上，將該主體三族-氮化物半導體材料沉積在該生長底材上包括使NH3 與一金屬三氯化物及一金屬四氯化物至少其中之一流向該第二腔室。
實施例11：如實施例10之方法，其更包括選定該底材使之包含一藍寶石底材。
實施例12：如實施例10或實施例11之方法，其更包括選定該金屬-氮化物成核模片層以包含氮化鋁及氮化鈦至少其中之一。
實施例13：如實施例10至12中任一項之方法，其中利用該非金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)製程在該底材上形成該金屬-氮化物成核模片層包括利用一電漿增強沉積製程在該底材上形成該金屬-氮化物成核模片層。
實施例14：如實施例10至13中任一項之方法，其中將該主體三族-氮化物半導體材料沉積在該生長底材上包括將GaN、InN、AlN、InGaN、GaAlN、GaAlN及InAlN至少其中之一沉積在該生長底材上。
實施例15：如實施例10至14中任一項之方法，其中將該主體三族-氮化物半導體材料沉積在該生長底材上包括將該主體三族-氮化物半導體材料以至少大約每小時10微米(10μm)之速率沉積在該生長底材上。
實施例16：如實施例15之方法，其中將該主體三族-氮化物半導體材料以至少大約每小時10微米(10μm)之速率沉積在該生長底材上包括將該主體三族-氮化物半導體材料，以至少大約每小時20微米(20μm)之速率沉積在該生長底材上。
實施例17：如實施例10至16中任一項之方法，其中將該主體三族-氮化物半導體材料沉積在該生長底材上包括將該主體三族-氮化物半導體材料之一層，其具有至少大約2微米之平均厚度，沉積在該生長底材上。
實施例18：如實施例10至16中任一項之方法，其中在該底材上形成該金屬-氮化物成核模片層更包括形成該金屬-氮化物成核模片層使之具有大約50奈米(50nm)或更薄之平均厚度。
實施例19：如實施例18之方法，其中形成該金屬-氮化物成核模片層使之具有大約50奈米(50nm)或更薄之平均厚度包括形成該金屬-氮化物成核模片層使之具有大約10奈米(10nm)或更薄之平均厚度。
實施例20：如實施例10至19中任一項之方法，其中使NH3 與一金屬三氯化物及一金屬四氯化物至少其中之一流向該第二腔室包括使GaCl3 、InCl3 、AlCl3 及TiCl4 至少其中之一流向該第二腔室。
實施例21：如實施例20之方法，其中使NH3 與一金屬三氯化物及一金屬四氯化物至少其中之一流向該第二腔室更包括使該一金屬三氯化物及一金屬四氯化物至少其中之一以大約100sccm或更小之流量流向該第二腔室。
實施例22：如實施例21之方法，其中使該一金屬三氯化物及一金屬四氯化物至少其中之一以大約100sccm或更小之流量流向該第二腔室包括使該一金屬三氯化物及一金屬四氯化物至少其中之一以大約80sccm或更小之流量流向該第二腔室。
實施例23：如實施例20至22中任一項之方法，其更包括選定該一金屬三氯化物及一金屬四氯化物至少其中之一以包含GaCl3 。
實施例24：如實施例10至23中任一項之方法，其中沉積該主體三族-氮化物半導體材料會致使已沉積之該主體三族-氮化物半導體材料之一曝露主要表面具有大約10奈米(10nm)或更小之均方根表面粗度。
實施例25：如實施例10至24中任一項之方法，其中沉積該主體三族-氮化物半導體材料會致使已沉積之該主體三族-氮化物半導體材料之一曝露主要表面具有大約每平方公分5 X 108 至9 X 108 或更小之平均錯位密度。
實施例26：一種在一生長底材上沉積主體三族-氮化物半導體材料之方法，其包括：在一腔室中利用一金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)製程，於一底材上形成一金屬-氮化物成核模片層以形成該生長底材；以及在該同一腔室中利用一鹵化物氣相磊晶(HVPE)製程將該主體三族-氮化物半導體材料沉積在該生長底材上；其中利用該鹵化物氣相磊晶(HVPE) 製程將該主體三族-氮化物半導體材料沉積在該生長底材上包括使NH3 與一金屬三氯化物及一金屬四氯化物至少其中之一流向該同一腔室。
實施例27：如實施例26之方法，其更包括選定該底材使之包含一藍寶石底材。
實施例28：如實施例26或實施例27之方法，其更包括選定該金屬-氮化物成核模片層以包含氮化鎵、氮化鋁、氮化鋁鎵、氮化鉿、氮化鉻、氮化鎢及氮化鈦至少其中之一。
實施例29：如實施例26至28中任一項之方法，其中將該主體三族-氮化物半導體材料沉積在該生長底材上包括將GaN、InN、AlN、InGaN、GaAlN、GaAlN及InAlN至少其中之一沉積在該生長底材上。
實施例30：如實施例26至29中任一項之方法，其中將該主體三族-氮化物半導體材料沉積在該生長底材上包括將該主體三族-氮化物半導體材料以至少大約每小時10微米(10μm)之速率沉積在該生長底材上。
實施例31：如實施例26之方法，其中以至少大約每小時10微米(10μm)之速率，將該主體三族-氮化物半導體材料沉積在該生長底材上包括將該主體三族-氮化物半導體材料以至少大約每小時20微米(20μm)之速率沉積在該生長底材上。
實施例32：如實施例26至31中任一項之方法，其中將該主體三族-氮化物半導體材料沉積在該生長底材上包括將該主體三族-氮化物半導體材料之一層，其具有至少大約2微米(2μm)之平均厚度，沉積在該生長底材上。
實施例33：如實施例26至32中任一項之方法，其中在該底材上形成該金屬-氮化物成核模片層更包括形成該金屬-氮化物成核模片層使之具有介於大約0.5奈米(0.5nm)及大約2微米(2μm)間之平均厚度。
實施例34：如實施例26至33中任一項之方法，其中使NH3 與一金屬三氯化物及一金屬四氯化物至少其中之一流向該同一腔室包括使GaCl3 、InCl3 、AlCl3 及TiCl4 至少其中之一流向該同一腔室。
實施例35：如實施例34之方法，其中使GaCl3 、InCl3 、AlCl3 及TiCl4 至少其中之一流向該同一腔室更包括使GaCl3 、InCl3 、AlCl3 及TiCl4 至少其中之一以大約100sccm或更小之流量流向該同一腔室。
實施例36：如實施例35之方法，其中使GaCl3 、InCl3 、AlCl3 及TiCl4 至少其中之一以大約100sccm或更小之流量流向該同一腔室包括使GaCl3 、InCl3 、AlCl3 及TiCl4 至少其中之一以大約80sccm或更小之流量流向該同一腔室。
實施例37：如實施例26至36中任一項之方法，其更包括選定該一金屬三氯化物及一金屬四氯化物至少其中之一以包含GaCl3 。
實施例38：如實施例26至37中任一項之方法，其中沉積該主體三族-氮化物半導體材料會致使已沉積之該主體三族-氮化物半導體材料之一曝露主要表面具有大約2奈米(2.0nm)或更小之均方根表面粗度。
實施例39：如實施例26至38中任一項之方法，其中沉積該主體三族-氮化物半導體材料會致使已沉積之該主體三族-氮化物半導體材料之一曝露主要表面具有大約每平方公分5 X 108 或更小之平均錯位密度。
實施例40：一種在一生長底材上沉積主體三族-氮化物半導體材料之方法，其包括：在一腔室中利用一鹵化物氣相磊晶(HVPE)製程，於一底材上形成一金屬-氮化物成核模片層以形成該生長底材；以及在該同一腔室中利用一鹵化物氣相磊晶(HVPE)製程將該主體三族-氮化物半導體材料沉積在該生長底材上；其中利用該鹵化物氣相磊晶(HVPE)製程將該主體三族-氮化物半導體材料沉積在該生長底材上包括使NH3 與一金屬三氯化物及一金屬四氯化物至少其中之一流向該同一腔室。
實施例41：如實施例40之方法，其更包括選定該底材使之包含一藍寶石底材。
實施例42：如實施例40或實施例41之方法，其更包括選定該金屬-氮化物成核模片層以包含氮化鋁及氮化鈦至少其中之一。
實施例43：如實施例40至42中任一項之方法，其中將該主體三族-氮化物半導體材料沉積在該生長底材上包括將GaN、InN、AlN、InGaN、GaAlN、GaAlN及InAlN至少其中之一沉積在該生長底材上。
實施例44：如實施例40至43中任一項之方法，其中將該主體三族-氮化物半導體材料沉積在該生長底材上包括將該主體三族-氮化物半導體材料以至少大約每小時10微米(10μm)之速率沉積在該生長底材上。
實施例45：如實施例44之方法，其中將該主體三族-氮化物半導體材料以至少大約每小時10微米(10μm)之速率沉積在該生長底材上包括將該主體三族-氮化物半導體材料以至少大約每小時20微米(20μm)之速率沉積在該生長底材上。
實施例46：如實施例40至45中任一項之方法，其中將該主體三族-氮化物半導體材料沉積在該生長底材上包括將該主體三族-氮化物半導體材料之一層，其具有至少大約2微米(2μm)之平均厚度，沉積在該生長底材上。
實施例47：如實施例40至46中任一項之方法，其中在該底材上形成該金屬-氮化物成核模片層更包括形成該金屬-氮化物成核模片層使之具有大約50奈米(50nm)或更薄之平均厚度。
實施例48：如實施例47之方法，其中使NH3 與一金屬三氯化物及一金屬四氯化物至少其中之一流向該同一腔室更包括使該一金屬三氯化物及一金屬四氯化物至少其中之一以大約100sccm或更小之流量流向該同一腔室。
實施例49：如實施例48之方法，其中使該一金屬三氯化物及一金屬四氯化物至少其中之一以大約100sccm或更小之流量流向該同一腔室包括使該一金屬三氯化物及一金屬四氯化物至少其中之一以大約80sccm或更小之流量流向該同一腔室。
實施例50：如實施例40至49中任一項之方法，其更包括選定該一金屬三氯化物及一金屬四氯化物至少其中之一以包括GaCl3 、InCl3 、AlCl3 及TiCl4 至少其中之一。
實施例51：如實施例40至50中任一項之方法，其中沉積該主體三族-氮化物半導體材料會致使已沉積之該主體三族-氮化物半導體材料之一曝露主要表面具有大約10奈米(10.0nm)或更小之均方根表面粗度。
實施例52：如實施例40至51中任一項之方法，其中沉積該主體三族-氮化物半導體材料會致使已沉積之該主體三族-氮化物半導體材料之一曝露主要表面具有大約每平方公分5 X 108 或更小之平均錯位密度。
實施例53：如實施例40至52中任一項之方法，其中在該同一腔室中利用該鹵化物氣相磊晶(HVPE)製程將該主體三族-氮化物半導體材料沉積在該生長底材上包括將該主體三族-氮化物半導體材料沉積在該生長底材上，而不需於在該底材上形成該金屬-氮化物成核模片層以形成該生長底材之後，及將該主體三族-氮化物半導體材料沉積在該生長底材上之前，將該生長底材從該同一腔室移除。
實施例54：包含主體三族-氮化物半導體材料之一構造，該構造係依照如實施例1至53中任一項所列舉之一方法而製作。
上述之本發明實施例並不會限制本發明之範圍，因為這些實施例僅為本發明實施例之範例，本發明係由所附之專利申請範圍及其法律均等範圍所界定。任何等同之實施例均屬於本發明範圍內。對熟悉本領域之技術者而言，除了本文所示與所述之修改例，各種對於本發明之修改例，例如所述該些組件的替代性有用組合，都將因本文之敘述而變得顯而易見。此等修改例亦均屬於所附之專利申請範圍內。
10‧‧‧底材
12‧‧‧均質材料
14、19、23‧‧‧主要表面
18‧‧‧核模片層
20‧‧‧生長底材
22‧‧‧三-五族半導體材料
100‧‧‧沉積系統
102‧‧‧反應室
104‧‧‧支撐構造
106‧‧‧工作件底材
108、182‧‧‧加熱組件
110‧‧‧驅動主軸
112‧‧‧驅動裝置
114A、114B、114C‧‧‧流入管道
116A、116B、116C‧‧‧氣體端口
117A、117B、117C‧‧‧裝置
118A、118B、118C‧‧‧氣體分散管道
124‧‧‧傳熱板
126‧‧‧腔室排氣口
128A、128B、128C‧‧‧氣體來源
150A、150B、200‧‧‧氣體注入器
160‧‧‧熱化氣體注入器
162‧‧‧管道
164‧‧‧進氣部分
166‧‧‧中央部分
168‧‧‧排氣部分
170‧‧‧外殼
172‧‧‧殼體進氣口
174‧‧‧殼體排氣口
180‧‧‧主動加熱組件
202‧‧‧進氣口
204‧‧‧排氣口
206‧‧‧熱化管道
210‧‧‧一容器
212‧‧‧底部壁面
214‧‧‧頂部壁面
216‧‧‧側壁面
220‧‧‧虛線
222‧‧‧空間
224‧‧‧管狀物
226‧‧‧開口
228‧‧‧排氣端口
230‧‧‧排氣管道
經由參考以下本發明示範性實施例之詳細說明，可更充分了解本發明，該些示範性實施例圖解於所附圖式內，其中： 圖1為一底材之一簡化橫剖面圖，該底材可以依照本發明之方法之實施例予以使用；圖2為一生長底材之一簡化橫剖面圖，該底材可以依照本發明之方法之實施例予以使用，且可以經由在圖1之底材上沉積一成核模片層而形成；圖3為一構造之一簡化橫剖面圖，該構造包含主體三族-氮化物半導體材料，該主體三族-氮化物半導體材料係依照本發明之方法之實施例沉積於圖2之生長底材之成核模片層上；圖4A為一橫剖面圖，其綱要性地呈現一HVPE沉積系統之一示範性實施例，該HVPE沉積系統包括一反應室及至少一個氣體注入器，該HVPE沉積系統可以用於本發明之方法之實施例中；圖4B為沿著圖4A中的剖面線4B-4B呈現該圖所示之反應室之一示意橫剖面圖；圖5綱要性地呈現一氣體注入器之一實施例，該氣體注入器可以用於圖4A之沉積系統；圖6綱要性地呈現一氣體注入器之另一示範性實施例，該氣體注入器可以用於圖4A之沉積系統；圖7為圖6之氣體注入器一部分之一放大剖視圖；以及圖8為一圖表，其綱要性地呈現一沉積製程，依照本發明之方法之實施例及利用類似圖4A及4B所示之一HVPE沉積系統，該沉積製程可用於將主體三族-氮化物半導體材料沉積在一生長底材上。
10‧‧‧底材
12‧‧‧均質材料
14‧‧‧主要表面

Claims (15)

  1. 一種在一生長底材上沉積主體三族-氮化物半導體材料之方法，其包括：在一底材上形成一金屬-氮化物成核模片層以形成該生長底材，在該底材上形成該金屬-氮化物成核模片層包括：利用一電漿增強化學氣相沉積(PECVD)製程以形成該金屬-氮化物成核模片層；以及利用一鹵化物氣相磊晶(HVPE)製程將該主體三族-氮化物半導體材料沉積在該生長底材上，將該主體三族-氮化物半導體材料沉積在該生長底材上包括：分解一金屬三氯化物及一金屬四氯化物至少其中之一以形成一金屬氯化物三族前驅物蒸汽，以及使該金屬氯化物三族前驅物蒸汽與一五族前驅物蒸汽反應，以在該生長底材上形成該主體三族-氮化物半導體材料。
  2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中利用該電漿增強化學氣相沉積(PECVD)製程以形成該金屬-氮化物成核模片層包括：在該底材上沉積金屬-氮化物材料；以及對該已沉積之金屬-氮化物材料進行一種或多種熱製程，以增進該已沉積之金屬-氮化物材料之一結晶性。
  3. 如申請專利範圍第2項之方法，其中對該已沉積之金屬-氮化物材料進行一種或多種熱製程以增進該已沉積之金屬-氮化物材料之一結晶性包括對該已沉積之金屬-氮化物材料進行一快速熱回火製程。
  4. 如申請專利範圍第1項之方法，其更包括：在一第一腔室中形成該金屬-氮化物成核模片層；以及在一不同之第二腔室中將該主體三族-氮化物半導體材料沉積在該生長底材上。
  5. 如申請專利範圍第1項之方法，其更包括：在一腔室中形成該金屬-氮化物成核模片層；以及在形成該金屬-氮化物成核模片層之該腔室中，將該主體三族-氮化物半導體材料沉積在該生長底材上。
  6. 如申請專利範圍第1項之方法，其中利用一電漿增強化學 氣相沉積(PECVD)製程以形成該金屬-氮化物成核模片層包括利用一濺鍍沉積製程以形成該金屬-氮化物成核模片層。
  7. 如申請專利範圍第1項之方法，其更包括選定該金屬-氮化物成核模片層以包含氮化鋁及氮化鈦至少其中之一。
  8. 如申請專利範圍第1項之方法，其中將該主體三族-氮化物半導體材料沉積在該生長底材上包括將該主體三族-氮化物半導體材料以至少大約每小時10微米(10μm)之速率沉積在該生長底材上。
  9. 如申請專利範圍第1項之方法，其中在該底材上形成該金屬-氮化物成核模片層更包括形成該金屬-氮化物成核模片層使之具有大約50奈米(50nm)或更薄之平均厚度。
  10. 如申請專利範圍第1項之方法，其更包括選定該金屬三氯化物及該金屬四氯化物至少其中之一使之包含GaCl3 、InCl3 、AlCl3 及TiCl4 至少其中之一。
  11. 如申請專利範圍第1項之方法，其中沉積該主體三族-氮化物半導體材料會致使已沉積之該主體三族-氮化物半導體材料之一曝露主要表面具有大約每平方公分5 X 108 至9 X 108 或更小之平均錯位密度。
  12. 如申請專利範圍第1項之方法，其更包括選定該金屬-氮化物成核模片層以包含氮化鎵、氮化鋁、氮化鋁鎵、氮化鉿、氮化鉻、氮化鎢及氮化鈦至少其中之一。
  13. 如申請專利範圍第1項之方法，其中將該主體三族-氮化物半導體材料沉積在該生長底材上包括將該主體三族-氮化物半導體材料之一層，其具有至少大約2微米(2μm)之平均厚度，沉積在該生長底材上。
  14. 如申請專利範圍第1項之方法，其更包括選定該底材使之包含一藍寶石底材。
  15. 包含主體三族-氮化物半導體材料之一構造，該構造係依照如申請專利範圍第1至14項中任一項所列舉之一方法而製作。
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