TWI489668B - 利用金屬有機化學汽相沉積之高品質氮面ＧａＮ、ＩｎＮ及ＡlＮ及其合金之異質磊晶生長的方法 - Google Patents

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Description

利用金屬有機化學汽相沉積之高品質氮面GaN、InN及AlN及其合金之異質磊晶生長的方法
本發明係關於第III族氮化物材料之生長，且詳言之係關於一種利用金屬有機化學汽相沉積(MOCVD)之高品質氮(N)面氮化鎵(GaN)、氮化銦(InN)、氮化鋁(AlN)及其合金之異質磊晶生長的方法。
(注意：本申請案參考大量不同公開案，如貫穿本說明書藉由在括號內之一或多個參考數碼所指示，例如[x]。可在以下標題為"參考文獻"部分中發現根據此等參考數碼來排序之此等不同公開案的列表。此等公開案之每一者係以引用的方式併入本文中)。
在消費者應用及裝置中第III族氮化物材料之使用正變得普遍。然而，多數應用採用Ga極性第III族氮化物薄膜及異質結構。由於相反極性薄膜及異質結構(N極性第III族氮化物薄膜及異質結構)生長困難，故對其研究更少。N極性第III族氮化物薄膜及異質結構係有利於製造多種氮化物基電子及光電子裝置。N極性異質結構中壓電場之相反方向(與Ga極性異質結構相比)允許製造使用Ga極性異質結構不能製造之電晶體裝置。
第III氮化物基光發射器之主要挑戰之一為生長具有高In組成之高品質InGaN。將鎵(Ga)面用於裝置限制InGaN可生長之溫度，其限制可製造之裝置的類型。由於在高Mg摻雜量下鎵面至氮面的極性轉化，故另一挑戰為生長低電阻p型(Al、Ga、In)N：Mg薄膜。藉由使用氮面(Al、Ga、In)N層結構，兩個問題均可緩解。
與Ga極性異質結構相比，在N極性中之壓電場的相反方向產生發光二極體(LED)及雷射二極體(LD)之較低工作電壓，且由於空乏區域通常寬度較窄而改良p－n接合裝置中之載流子注入。此外，壓電場之相反方向對於諸如電晶體、太陽電池及利用隧道接合之裝置之裝置具有優勢。可見在此項技術中存在對氮面氮化物材料及生長此等材料之方法的需要。
本發明描述第III族氮化物材料之生長，且特別是一種高品質氮面GaN、InN、AlN及其合金之異質磊晶生長的方法，及包含利用MOCVD生長之高品質氮面GaN、InN、AlN及其合金之異質結構。
本發明之生長氮面第III族氮化物薄膜之方法包含提供具有生長面之基板，該生長面相對於該基板之密勒(miller)指數化結晶平面[h,i,k,l]於任何方向具有0.5度與10度之間的位錯角，其中h、i、k、l為密勒指數；及在該生長面上生長氮面第III族氮化物薄膜，其中該具有氮面之第III族氮化物薄膜較生長於無位錯角之基板上之氮面第III族氮化物薄膜更平滑。
若將藍寶石用作基板，則此方法另外視情況包含具有<11－20>方向之[0001]藍寶石之位錯，位錯方向之密勒指數為h＝1、i＝1、k＝－2及l＝0或等效物。若基板為[000－1]碳面碳化矽，則此方法視情況包含具有<1－100>位錯方向之位錯，該位錯方向之密勒指數為h＝1、i＝－1、k＝0及l＝0或等效物。
此方法可另外視情況包含利用金屬有機化學汽相沉積(MOCVD)生長，在氮化位錯之基板上生長之具有氮面之第III族氮化物層；在該位錯之基板上形成AlN層及在該AlN層上生長具有氮面之第III族氮化物層；該AlN層使用臺階流動生長方式來沉積，該AlN層為隨後沉積之第III族氮化物層設置N極性，該位錯之基板為藍寶石基板；在由於氮化而形成於該藍寶石基板上之AlN層上沉積第III族氮化物晶核層及在該第III族氮化物晶核層上生長主要第III族氮化物層，該第III族氮化物晶核層使用臺階流動生長方式或逐層生長方式沉積，該第III族氮化物晶核層至少部分地經摻雜，該具有氮面之第III族氮化物層之生長包含使用低氨分壓在該晶核層上摻雜及生長具有氮面之第一第III族氮化物層及在高氨分壓下在該具有氮面之第一第III族層上生長具有氮面之第二第III族氮化物層，以使該具有氮面之第二第III族氮化物層之至少部分經摻雜，該位錯之基板為拋光碳極性碳化矽基板，及在該AlN層上沉積分級或分階之第III氮化物層，例如該層具有用於構成該層之元素之一者的變化組成，其中該分級或分階之第III族氮化物層之Al組成係自AlN至GaN分級或分階。
本發明之額外可選擇項目包括該分級之第III族氮化物層至少部分地經摻雜，該具有氮面之第III族氮化物層之生長包含使用低氨分壓在分級之第III族氮化物層上摻雜及生長具有氮面之第一第III族氮化物層及在高氨分壓下生長具有氮面之第二第III族氮化物層，以使該具有氮面之第二第III族氮化物層之至少部分經摻雜，及使用該方法而製造之裝置。
根據本發明，另一產生具有劇變(abrupt)之p型摻雜分布之第III族氮化物薄膜的方法包含提供具有生長面之基板，該生長面相對於該基板之密勒指數化結晶平面[h,i,k,l]具有0.5度與10度之間之位錯角，其中h、i、k、l為密勒指數；及在該生長面上生長具有劇變之p型摻雜分布之氮面第III族氮化物薄膜，其中該具有氮面之第III族氮化物薄膜較生長於無位錯角基板上之氮面第III族氮化物薄膜更平滑。
根據本發明，另一增強氮化物裝置之電荷輸送性質之方法包含使用生長於具有生長面之基板上之氮面氮化物層來製造氮化物裝置，該生長面相對於該基板之密勒指數化結晶平面[h,i,k,l]具有0.5度與10度之間的位錯角，其中h、i、k、l為密勒指數，及排列該氮化物裝置之通道而大體上垂直於位錯(Al、Ga、In)N磊晶層之位錯方向，其中電荷輸送性質垂直於位錯方向而增強。
在較佳實施例之以下描述中，參考形成本文一部分之附圖，且在其中以說明之方法展示可實施本發明之一特定實施例。應瞭解可利用其他實施例且在不脫離本發明範疇之情況下可產生結構變化。
概述
本發明將允許產生在傳統Ga極性GaN上不能製造之電晶體。本發明亦將允許新穎基於極化之頻帶結構設計以產生更有效LED及LD。與Ga極性異質結構相比，在N極性異質結構中之反向極化場產生較低工作電壓，收縮p－n接合之空乏區域寬度且改良載流子注入，引起裝置效能提昇。在N極性表面上沉積致能生長較Ga極性表面更高銦組成之InGaN，使容易將LED波長推進至色譜之黃色及紅色部分。另外，本發明使在GaN基裝置中能夠使用較高p型摻雜量，引起裝置效能改良。另外，使用利用本發明而生長之材料，使得諸如氮面電晶體(HEMT)、氮面LED及氮面LD之新穎電子及光電子氮化物裝置成為可能。
本發明利用MOCVD使高品質、平滑氮面(000－1)InN、GaN、AlN薄膜及其合金能夠異質磊晶生長。因為獨立式GaN基板並不易於得到且費用不可承受，所以通常使GaN於碳化矽(SiC)、藍寶石、Si及各種其他基板上異質磊晶生長。
第III族氮化物具有圍繞[0001]方向之大內建式極化場，[0001]方向產生生長方向及由此之生長面、在生長及裝置設計中極其重要之參數。傳統上所有第III氮化物生長均在(0001)第III面上進行。因為本發明允許氮面生長，所以藉由氮面提供之不同物理性質，新穎電晶體(HEMT)、LED及LD設計將成為可能。對於HEMT而言，(000－1)氮面允許(例如)為高功率高頻裝置操作設計具有極低閘極漏電之結構。對於光發射器(LED及LD)而言，氮面使得能夠生長較佳品質、高銦組成之InGaN合金，目前需要其來產生在色譜之綠色、黃色及紅色部分具高功率之裝置。另外，當以Mg高度摻雜時，傳統鎵面GaN遭受反轉，而氮面GaN並不遭受反轉，此係產生p型GaN所需要的。較高p型載流子濃度將徹底提高裝置效能。此外，與鎵面異質結構相比，氮面中之反向極化場降低LED及LD之工作電壓。此亦導致p－n接合空乏區域之寬度較窄且載流子注入改良，引起裝置效能提昇。
然而，使用分子束磊晶法(MBE)作為生長技術在碳面SiC基板上可易於獲得平滑氮面GaN薄膜，利用MOCVD生長之薄膜通常顯示由六方小丘形成所引起之粗糙表面，其與GaN層是否生長於小GaN單晶上或異質基板上無關，從而妨礙了氮面裝置之發展。[1、2、3]然而，對GaN單晶之研究顯示，若在誤切GaN晶體上進行MOCVD生長，則可大體上抑制小丘形成。[2、3]最近，由Matsuoka等人在藍寶石基板上亦獲得平滑氮面GaN薄膜。[4]本發明利用一位錯之基板(例如(0001)藍寶石或(000－1)SiC，其例如在<1－100>或<11－20>方向中位錯)來獲得利用MOCVD生長之平滑氮面薄膜。因此，該技術可應用於任何異質基板，例如藍寶石、SiC或Si。
因此，對於在藍寶石上生長而言，較佳基板位錯方向為<11－20>，產生平行於GaN晶體<11－20>方向之第III族氮化物表面臺階及/或起伏。對於在碳極性碳化矽上生長而言，較佳基板位錯方向為<1－100>，亦產生平行於GaN晶體<11－20>方向之第III族氮化物表面臺階及/或起伏。
相對於基板之一密勒指數化表面[h,i,k,l](其中h、i、k、l為密勒指數)，較佳位錯角在1度至5度範圍內。所有位錯角及方向均相對於(0001)(＝c－平面)藍寶石面(＝平面)或(000－1)SiC基板面而給出。兩者均適合於生長(000－1)GaN。本發明亦可用於使在其他基板平面上生長其他N終端GaN平面。
技術描述
在藍寶石上生長 對於在藍寶石上生長而言，本發明係藉由以下來實現：a.將位錯之藍寶石基板置於MOCVD反應器中且於H2 環境中在約1090℃表面溫度下退火。
b.接著使基板於NH3 及H2 中在約980℃表面溫度下氮化若干秒，使在藍寶石上形成薄AlN層，其設置生長之氮面極性。
c.接著使NH3 及三甲基鎵(TMG)流入反應器中以開始在AlN上生長GaN。藉此，首先在中等生長溫度(表面溫度~950℃)下可沉積約20 nm厚之GaN層，引起以臺階流動或逐層生長方式之生長。
d.接著使NH3 及三甲基鎵(TMG)流入反應器中以開始在步驟(c)中所形成之層上生長主要GaN。
目前，所用生長方法為MOCVD；然而本發明對於諸如MBE、氫化物氣相磊晶法(HVPE)及化學束磊晶法(CBE)等其他生長方法可變得十分適用。
部分(c)中所述方法極通常地適用於GaN生長。然而，藉由組合合適前驅體，可易於利用本發明產生InN(藉助於使用TMI)、AlN(藉助於使用TMA)或任何其亦具有其他第V族原子之合金(Al、Ga、In)(N、P、As)。
可使用其他前驅體，諸如三乙基鎵、三乙基鋁用作第III族源，且二甲基肼用作N源。可使用任何合適基板，諸如SiC、Si、尖晶石等。視基板而定，可改變或完全消除氮化溫度及時間。可應用其他生長啟始程序。舉例而言，可以沉積AlN層等來起始生長，或可能根本不需要生長啟始步驟。請注意：儘管部分(b)規定沉積薄AlN層，但可使用任何厚度之AlN層，且可使用除AlN外之氮化物材料。可消除基板之退火。基板可不僅向<11－20>及<1－100>方向位錯，而且可在任何其他方向位錯。代替單一組成層，對於所有個別生長步驟均可修改層/晶體之組成。為沉積由其他材料(例如氮化矽或氧化矽)組成之層，可能為應力或位錯控制，亦可中斷每一個別層之生長。
圖1說明根據本發明之製程圖。
方塊100表示將一位錯之藍寶石基板置於一MOCVD室中之步驟。
方塊102表示使該位錯之藍寶石基板退火之步驟。
方塊104表示氮化經退火之位錯藍寶石基板以形成一薄AlN表面層來為以下第III族氮化物層設置N極性之步驟。[7、8]參考文獻7描述AlN層之形成，參考文獻8為理論計算，結果為AlN層應為一雙層厚度，對應於~0.5 nm。
方塊106表示在AlN表面層上以臺階流動或逐層生長方式沉積第III族氮化物晶核層之步驟。
方塊108表示在晶核層上生長主要第III族氮化物層之步驟。
在碳極性SiC上之生長 對於在碳(C)極性SiC上生長而言，本發明係藉由以下來實現：a.將一位錯、經拋光(例如化學機械拋光)之C極性SiC基板置於MOCVD反應器中且於H2 環境中在約1090℃表面溫度下退火。
b.接著使NH3 及三甲基鋁(TMA)流入反應器中以開始以臺階流動生長方式或逐層生長方式生長薄AlN層。為增加Al物質之表面遷移率，可使界面活性劑(例如銦，以三甲基銦(TMI)之形式)另外流入反應器中[5]。
c.接著使三甲基鎵(TMG)亦視情況流入反應器中以開始生長分級或分階之Alx Ga1－x N層，該層之組成係自AlN至GaN分級或分階。可持續注入TMI以確保層之臺階流動生長方式或逐層生長方式。
d.接著使NH3 及三甲基鎵流入反應器中以開始生長主要GaN層。
目前，所用生長方法為MOCVD；然而本發明對於諸如MBE、HVPE、CBE等其他生長方法可變得十分適用。
部分(c)中所述方法極通常地適用於GaN生長，然而藉由組合合適前驅體，可易於利用本發明產生InN(藉助於使用TMI)、AlN(藉助於使用TMA)或任何其亦具有其他第V族原子之合金(Al、Ga、In)(N、P、As)。可使用其他前驅體，諸如三乙基鎵、三乙基鋁用作第III族源，且二甲基肼用作N源。可使用任何合適基板，諸如SiC、Si、尖晶石等。視基板而定，可改變或完全消除氮化溫度及時間。可應用其他生長起始程序。舉例而言，可以沉積AlGaN層等來起始生長，或可能根本不需要生長起始步驟。請注意：儘管部分(b)規定沉積薄AlN層，但可使用任何厚度之AlN層，且可使用除AlN外之氮化物材料。可消除基板之退火步驟。若以臺階流動生長方式或逐層生長方式生長，則可消除分級或分階之AlGaN層且其由任何組成之任何(Al、Ga、In)N層來替代。基板可不僅向<1－100>或<11－20>方向位錯，而且可在任何其他方向位錯。代替單一組成層，對於所有個別生長步驟均可修改層/晶體之組成。為沉積由其他材料(例如氮化矽或氧化矽)組成之層，可能為應力或位錯控制，亦可中斷每一個別層之生長。
圖2a說明根據本發明之製程圖。
方塊200表示將一位錯、化學機械拋光之C極性SiC基板置於一MOCVD室中之步驟。
方塊202表示使該位錯之SiC基板退火之步驟。
方塊204表示在經退火之位錯基板上以臺階流動或逐層生長方式沉積薄AlN層之步驟。
方塊206表示將額外Ga前驅體引入MOCVD室以在AlN上以臺階流動或逐層生長方式沉積其中Al組成自AlN至GaN分級或分階之層的可選步驟。
方塊208表示在分級層上生長主要第III族氮化物層之步驟。
在Si上生長 對於在Si(111)上生長而言，本發明係藉由以下來實現：將一位錯、經拋光(例如化學機械拋光)之Si(111)基板置於MOCVD反應器中且於H2 環境中在約1090℃表面溫度下退火。
接著使基板於NH3 及H2 中在約980℃表面溫度下氮化若干秒，使在藍寶石上形成薄氮化矽表面層，其設置生長之氮面極性。
接著使NH3 及三甲基鋁(TMA)流入反應器中以開始以臺階流動生長方式或逐層生長方式生長薄AlN層。為增加Al物質之表面遷移率，可使界面活性劑(例如銦，以三甲基銦(TMI)之形式)另外流入反應器中[5]。
接著使三甲基鎵(TMG)亦流入反應器中以開始生長分級或分階Alx Ga1－x N層，該層之組成係自AlN至GaN分級或分階。可繼續注入TMI。(步驟可選)
接著使NH3 及三甲基鎵流入反應器中以開始生長主要GaN層。
目前，所用生長方法為MOCVD；然而本發明對於諸如MBE、HVPE、CBE等其他生長方法可變得十分有用。
所述方法極通常地適用於GaN生長，然而藉由組合合適前驅體，可易於利用本發明產生InN(藉助於使用TMI而非TMG)、AlN(藉助於使用TMA而非TMG)或任何其亦具有第V族原子之合金(Al、Ga、1n)(N、P、As)。可使用其他前驅體，諸如三乙基鎵、三乙基鋁用作第III族源，且二甲基肼用作N源。可使用任何合適基板，諸如SiC、Si、尖晶石等。可改變氮化溫度及時間。可應用其他生長起始程序。舉例而言，可以沉積AlGaN層等來起始生長，或可能根本不需要生長起始步驟。請注意：儘管部分(b)規定沉積薄AlN層，但可使用任何厚度之AlN層，且可使用除AlN外之氮化物材料。可消除基板之退火步驟。若以臺階流動生長方式或逐層生長方式生長，則可消除分級或分階AlGaN層且其由任何組成之任何(Al、Ga、In)N層來替代。基板可不僅向Si<－110>或Si<11－2>方向位錯而且可在任何其他方向位錯。可將位錯之Si(001)而非Si(111)用作基板。代替單一組成層，對於所有個別生長步驟均可修改層/晶體之組成。為沉積由其他材料(例如氮化矽或氧化矽)組成之層，可能為應力或位錯控制，亦可中斷每一個別層之生長。
圖2b說明根據本發明之製程圖。
方塊210表示將一位錯、化學機械拋光之(111)Si基板置於一MOCVD室中之步驟。
方塊212表示使該位錯之Si基板退火之步驟。
方塊214表示氮化位錯之Si基板之步驟。
方塊216表示在經氮化之位錯基板上以臺階流動或逐層生長方式沉積薄AlN層之步驟。
方塊218表示將額外Ga前驅體引入MOCVD室以在AlN上以臺階流動或逐層生長方式沉積其中Al組成自AlN至GaN分級或分階之層的可選步驟。
方塊220表示在經分級之層上生長主要第III族氮化物層之步驟。
生長半絕緣第III族氮化物層 如圖3及圖4之製程圖中所見，對於生長半絕緣第III族氮化物基層而言，在層生長或部分層生長期間添加具有受體特性之摻雜劑(例如鐵，可能使用前驅體雙環戊二烯基鐵(Cp)2 Fe)。
自使用本發明而生長之第III族氮化物異質結構來製造的利用橫向傳導之裝置(諸如電晶體)將以橫向載流子傳導平行於第III族氮化物晶體之表面臺階/起伏而發生之方式排列。舉例而言，對於沉積於具有<11－20>之位錯方向的藍寶石上或具有<1－100>之位錯方向的C極性SiC基板上之層結構而言，兩者均使第III族氮化物表面臺階/起伏平行於GaN晶體之<11－20>方向，電晶體之源極及汲極接點需要以電晶體通道平行於GaN晶體之<11－20>方向排列之方式來排列。
圖3說明根據本發明半絕緣GaN在藍寶石上生長之製程圖。
方塊300表示將一位錯之藍寶石基板置於一MOCVD室中之步驟。
方塊302表示使該位錯之藍寶石基板退火之步驟。
方塊304表示氮化經退火之位錯藍寶石基板以形成一薄AlN表面層從而為隨後第III族氮化物層設置N極性之步驟。
方塊306表示在AlN上以臺階流動或逐層生長方式沉積第III族氮化物晶核層之步驟，其中全部層或一部分晶核層經鐵摻雜。
方塊308表示在AlN層上生長主要第III族氮化物層之步驟，其中全部層或一部分層經鐵摻雜(具有氮面之第二第III族氮化物層)。
圖4a說明根據本發明在SiC基板上生長半絕緣GaN之製程圖。
方塊400表示將一位錯、化學機械拋光之C極性SiC基板置於一MOCVD室中之步驟。
方塊402表示使該位錯之SiC基板退火之步驟。
方塊404表示在經退火之基板上以臺階流動或逐層生長方式沉積薄AlN層之步驟，其中全部層或一部分層經鐵摻雜。
方塊406表示將額外Ga前驅體引入MOCVD室以在AlN上以臺階流動或逐層生長方式沉積其中Al組成自AlN至GaN分級或分階之層的可選步驟，其中全部層或一部分層經鐵摻雜。
方塊408表示在經分級之層上生長主要第III族氮化物層之步驟，其中全部層或部分層經鐵摻雜(具有氮面之第III族氮化物層)。
圖4b說明根據本發明在Si(111)基板上生長之製程圖。
方塊410表示將一位錯、化學機械拋光之Si基板置於一MOCVD室中之步驟。
方塊412表示使該位錯之Si基板退火之步驟。
方塊414表示氮化位錯之Si基板之步驟。
方塊416表示在經退火之基板上以臺階流動或逐層生長方式沉積薄AlN層之步驟，其中全部層或一部分層經鐵摻雜。
方塊418表示將額外Ga前驅體引入MOCVD室以在AlN上以臺階流動或逐層生長方式沉積其中Al組成自AlN至GaN分級或分階之層的可選步驟，其中全部層或一部分層經鐵摻雜。
方塊420表示在經分級之層上生長主要第III族氮化物層之步驟，其中全部層或部分層經鐵摻雜(具有氮面之第一第III族氮化物層)。
儘管本發明(例如在圖3至圖4中)描述生長主要第III族氮化物層，但如貫穿說明書所討論，可生長任何具有氮面之氮化物層，例如具有氮面之第III－V族層或第III族氮化物層。
可由例如Mg、Zn或C之其他具有受體特性之摻雜劑來替代Fe摻雜劑。
根據特定裝置應用，根據本發明異質磊晶生長之N極性第III族氮化物薄膜為隨後第III族氮化物層序列充當基層。
圖5(a)展示利用MOCVD在氮化藍寶石基板上生長之氮面GaN薄膜的光學顯微鏡影像。圖5(b)展示利用MOCVD在氮化藍寶石基板上生長之氮面GaN的原子力顯微鏡(AFM)影像，其中均方根(RMS)粗糙度為0.9 nm。
圖6展示使用本發明生長之氮面GaN薄膜在不同成像條件下之透射式電子顯微圖。估計穿透位錯密度至多具有109 cm－2 數量級。
圖7(a)展示使用本發明生長之InGaN/GaN多量子井(MQW)的AFM影像，其中RMS粗糙度為0.85 nm，在InGaN生長溫度下展示平滑表面。圖7(b)展示包含根據本發明利用MOCVD生長之5×(3 nm厚In0.1 Ga0.9 N/8 nm厚GaN)之MQW的300克耳文(Kelvin)光致發光(PL)。
圖8展示包含5×(4 nm厚In0.12 Ga0.88 N/10 nm厚GaN)之氮面氮化物MQW的X射線繞射(XRD)，其可與鎵面XRD結果相當。
p型N極性第III族氮化物之生長 類似於Ga極性第III族氮化物，可使用雙環戊二烯基鎂或其衍生物中之一種作為前驅體來執行p型摻雜。然而，在N極性氮化物薄膜中，可在不降級晶體品質及表面形態的情況下實現較高Mg摻雜量。另外，可實現較分明Mg摻雜分布，為多種p－n接合裝置實現重大優勢。
表面穩定化 為穩定任何N極性第III族氮化物薄膜之表面，可將薄絕緣層(例如氮化矽或氧化矽)(可能原位)沉積於氮化物薄膜之上。亦可經由沉積薄p型N極氮化物薄膜來穩定表面，可經由使用前驅體(例如)雙環戊二烯基鎂來用Mg摻雜製造該薄p型N極性氮化物薄膜。
具有包含高份數N原子之表面平面之第III族氮化物的生長使用位錯基板亦有益於生長具有包含高份數N原子之表面而非(000－1)表面之第III族氮化物薄膜，例如半極性氮面薄膜。
利用MOCVD生長之異質磊晶氮面及鎵面GaN之雜質併入 。
在第III族氮化物中，晶體生長取向對材料化學及物理性質具有實質性影響。雜質併入係在此等性質中，已對鎵面(0001)GaN研究了雜質併入，但對於氮面(000－1)GaN尚未廣泛探索。當利用MOCVD生長時，基於兩個極性之間的差異大概起因於氮面GaN之歷史上粗糙六方表面形態。然而，本發明已展示經由使用鄰晶藍寶石基板，可利用MOCVD異質磊晶生長平滑氮面GaN。因此，如本發明所示，生長於位錯基板上之表面粗糙度及穿透位錯可與鎵面GaN薄膜相當。
使用次級離子質譜(SIMS)，本發明亦已研究了在不同藍寶石切餘板上之MOCVD生長氮面GaN與鎵面GaN之間雜質併入的差異。研究了與溫度、壓力、V/III比率及Ga流變化有關之無意雜質氧、碳及氫以及有意雜質矽及鎂。
由於需要不同生長起始條件，所以首先分別生長約1 μm厚之鎵面及氮面GaN模板。對於氮面而言，在向藍寶石[10－10]方向2°、4°、5°以及向藍寶石[11－20]方向4°及5°之切餘板上生長模板。接著將一片鎵面及每一氮面模板共負載於MOCVD反應器中，其中再生長允許在每一切餘板與極性之間直接比較之"SIMS堆疊"。第一SIMS堆疊探索Ga流及壓力中變化，而第二SIMS堆疊含有溫度及V/III比率中變化。
圖9中所示之與溫度有關之氧併入的SIMS結果表明在所有氮面切餘板上之氧併入大體上高於鎵面。然而，當與所有氮面切餘板相比時，圖10中所示之與溫度有關之碳併入在鎵面上大體上較高。將於別處呈現基於氮面/鎵面表面上原子結合差異之模型。另外，將於別處討論對於氧及碳併入，生長條件變化的影響。在兩極性之間氫併入具有可相當。本發明發現Mg及Si併入在所有試樣上亦可相當。
然而，本發明發現在氮面及鎵面試樣之間存在Mg併入分布之顯著差異，如圖11所示。此等結果呈現鎵面與氮面GaN薄膜之雜質併入之間的直接比較，且表明可經由用於裝置應用之生長條件來控制在平滑氮面上之雜質併入。與當p型摻雜鎵面氮化物薄膜時產生之輪廓較不分明的p型摻雜分布1102相比較，p型(例如Mg)摻雜氮面氮化物薄膜使得產生劇變之p型摻雜分布，如由圖11(a)中之分布1100所證明。因此，本發明提供一種產生具有劇變之p型摻雜分布之第III族氮化物薄膜之方法，其包含生長及摻雜具有氮面之第III族氮化物薄膜。
優點及改良 目前大多數利用MOCVD(其為用於大規模製造GaN基裝置之最常用生長方法)生長之N極性GaN薄膜的特徵在於大(μm尺寸)六方特徵，其造成材料對於裝置應用不可接受。本發明允許生長平滑、高品質薄膜，其使得氮面裝置發展成為可能。
對於HEMT而言，現使用平滑氮面生長將可獲得以傳統鎵面並不可行之裝置結構。
III－氮化物基光發射器之主要挑戰之一為生長高品質InGaN。氮面允許在較傳統鎵面更高之溫度下生長InGaN，其提供較佳品質之材料以及使較高銦含量薄膜可行[6]。
生長光發射器之另一挑戰為p型摻雜。在傳統鎵面材料中，過高p型摻雜(Mg)造成表面局部轉化為氮面，造成低劣品質之薄膜。因為現於氮面上進行生長，所以薄膜品質可於較高p型摻雜量下維持，其將產生好得多之裝置效能。另外，可實現較分明之Mg摻雜分布，進一步改良裝置效能。
III－氮化物基光發射器遭受強極化誘導電場。氮面材料提供與傳統鎵面相反方向之電場，其將允許(例如)較低工作電壓及改良之載流子注入，從而導致光發射裝置之效率增加。
氮面之蝕刻特性明顯不同於鎵面之蝕刻特性，其將適用於在LED中產生較佳光提取機制，諸如LD之表面粗糙化及大錐狀物(mega－cone)以及蝕刻面。
存在於鎵面上之Mg記憶效應在氮面上並不顯著，其允許產生劇變之p型摻雜分布(而在鎵面上則不可得)以供裝置結構用。
經由使裝置通道相對於位錯方向適當排列，生長於位錯基板上之氮極性裝置利用在與位錯方向有關之特定方向中之增強的電荷(例如電子及/或電洞)輸送性質。因此，舉例而言(且並非以限制方式)，可將電晶體通道或任何裝置之電荷輸送通道如此製成：使通道取向及增強之電荷輸送性質兩者均用於為特定裝置產生所需電荷輸送。一些裝置可能需要較快電荷輸送且因此將通道垂直於氮面(Al、Ga、In)N層之位錯方向來排列以增加此等裝置中之電荷輸送；其他裝置可能需要電阻或其他電荷輸送減慢，則可將通道排列為平行於生長於位錯基板上之位錯氮面薄膜的增強之電荷輸送或以除平行外之某一其他排列來排列。在設計裝置設計師先前所不可得之裝置時，現可考慮此等設計性能。
圖12a至圖12f說明根據本發明生長於藍寶石基板上之0.8微米厚GaN薄膜之光學顯微圖。
圖12a展示在向a－平面0.5度之位錯中之生長，且圖12b展示在向m－平面0.5度之位錯中之生長。
圖12c展示在向a－平面1度之位錯中之生長，且圖12d展示在向m－平面1度之位錯中之生長。
圖12e展示在向a－平面2度之位錯中之生長，且圖12f展示在向m－平面2度之位錯中之生長。
圖12a及圖12b中之插入圖係自主圖中放大3倍。
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[5]Indium－surfactant－assisted growth of high－mobility AlN/GaN multilayer structures by MOCVD,S.Keller,S.Heikman,I.Ben－Yaakov,L.Shen,S.P.DenBaars及U.K.Mishra,Appl.Phys.Lett.79(2001)3449。
[6]The effect of substrate polarity on the growth of InN by RF－MBE：Naoi等人，J.Cryst.Growth 269(2004)155－161。
[7]Nitridation of sapphire.Effect on the optical properties of GaN epitaxial overlayers：N.Grandjean,J.Massies及M.Leroux,Appl.Phys.Lett.69(1996)2071。[8]Energetics of AlN thin films on the Al2 O3 (0001)surface：R.Di Felice及J.Northrup,Appl.Phys.Lett.73(1998)936。
結論 此總結本發明之較佳實施例之描述。出於說明及描述之目的而給出本發明之一或多個實施例之以上描述。並不意欲窮舉或限制本發明於所揭示之精確形式中。根據以上教示，許多修改及變化係有可能的。意欲本發明之範疇不受此詳細描述限制，而受隨附於此之申請專利範圍及隨附於此之申請專利範圍的全範圍等效物限制。
圖1說明根據本發明在藍寶石上生長之製程圖。
圖2a說明根據本發明在碳化矽上生長之製程圖。
圖2b說明根據本發明在矽上生長之製程圖。
圖3說明根據本發明半絕緣GaN在藍寶石上生長之製程圖。
圖4a說明根據本發明半絕緣GaN在碳化矽基板上生長之製程圖。
圖4b說明根據本發明半絕緣GaN在矽(111)基板上生長之製程圖。
圖5(a)展示利用MOCVD生長於氮化藍寶石基板上之氮面GaN薄膜的光學顯微鏡影像，且圖5(b)展示利用MOCVD生長於氮化藍寶石基板上之氮面GaN的原子力顯微鏡(AFM)影像。
圖6展示在不同成像條件下使用本發明生長之氮面GaN薄膜的穿透式電子顯微圖。
圖7(a)展示使用本發明生長之InGaN/GaN多量子井(MQW)之AFM影像，且圖7(b)展示自包含5×(3 nm厚In0.1 Ga0.9 N/8 nm厚GaN)之MQW的光致發光(PL)。
圖8展示包含5×(4 nm厚In0.12 Ga0.88 N/10 nm厚GaN)之氮面氮化物MQW的X射線繞射(XRD)。
圖9為展示與溫度有關之氧雜質SIMS結果之圖。
圖10為展示與溫度有關之碳雜質SIMS結果之圖。
圖11(a)及圖11(b)為Mg併入氮面(圖11(a))及鎵面(圖11(b))GaN SIMS堆疊之SIMS結果圖。
圖12a至圖12f說明根據本發明生長於藍寶石基板上0.8微米厚GaN薄膜之光學顯微圖。
(無元件符號說明)

Claims (21)

  1. 一種生長氮面第III族氮化物薄膜之方法，其包含：(a)提供具有生長面之基板，該生長面相對於該基板之密勒(miller)指數化結晶平面[h,i,k,l]具有0.5度與10度間的位錯角，其中h、i、k、l為密勒指數；(b)在該位錯基板上形成AlN層；及(c)在該AlN層上生長一氮面第III族氮化物薄膜。
  2. 如請求項1之方法，其中該等密勒指數為h=1、i=0、k=0及l=-1且該基板為碳化矽。
  3. 如請求項1之方法，其中該等密勒指數為h=0、i=0、k=0及l=1且該基板為藍寶石。
  4. 如請求項1之方法，其中該等密勒指數為h=1、k=1、l=1且該基板為矽。
  5. 如請求項1之方法，其中該基板為(001)Si。
  6. 如請求項1之方法，其中該生長係利用金屬有機化學汽相沉積(MOCVD)。
  7. 如請求項1之方法，其中(Al、Ga、In)N晶核層係使用臺階流動生長方式沉積於該AlN層上。
  8. 如請求項1之方法，其中該AlN層為隨後沉積之第III族氮化物層設置N極性。
  9. 如請求項1之方法，其中該位錯基板為拋光碳極性碳化矽基板。
  10. 如請求項9之方法，其另外包含在該AlN層上沉積具有變化組成之第III族氮化物層，其中具有該變化組成之該第 III族氮化物層的Al組成係自AlN至GaN分級。
  11. 如請求項10之方法，其中該分級之第III族氮化物層係至少部分地經摻雜。
  12. 如請求項11之方法，其中該生長具有氮面之第III族氮化物層包含：(a)在該分級之第III族氮化物層上摻雜及生長具有氮面之第一第III族氮化物層，及(b)生長具有氮面之第二第III族氮化物層以使該具有氮面之第二第III族氮化物層之至少部分經摻雜。
  13. 一種生長氮面第III族氮化物薄膜之方法，其包含：(a)提供具有經氮化之生長面之基板，該經氮化之生長面相對於該基板之密勒(miller)指數化結晶平面[h,i,k,l]具有0.5度與10度間的位錯角，其中h、i、k、l為密勒指數；及(b)於該經氮化之生長面上生長一氮面第III族氮化物薄膜。
  14. 如請求項13之方法，其中該位錯基板為藍寶石基板。
  15. 如請求項14之方法，其另外包含在由於氮化而形成於該藍寶石基板上之AlN層上沉積第III族氮化物晶核層，及在該第III族氮化物晶核層上生長該氮面第III族氮化物薄膜。
  16. 如請求項15之方法，其中該第III族氮化物晶核層係使用臺階流動生長方式而沉積。
  17. 如請求項15之方法，其中該第III族氮化物晶核層係至少 部分地經摻雜。
  18. 如請求項17之方法，其中該生長該氮面第III族氮化物薄膜包含：(a)在該晶核層上摻雜及生長第一氮面第III族氮化物層，及(b)在該第一氮面第III族層上生長第二氮面第III族氮化物層以使該第二氮面第III族氮化物層之至少部分經摻雜。
  19. 一種氮面裝置，其係使用如請求項1或13之方法製造。
  20. 一種產生具有劇變之p型摻雜分布之第III族氮化物薄膜的方法，其包含(a)提供具有生長面之基板，該生長面相對於該基板之密勒指數化結晶平面[h,i,k,i]具有0.5度與10度之間的位錯角，其中h、i、k、l為密勒指數；及(b)在該生長面上生長該具有劇變之p型摻雜分布之氮面第III族氮化物薄膜。
  21. 一種增強氮化物裝置之電荷輸送性質的方法，其包含：使用生長於具有生長面之基板上之位錯氮面氮化物層來製造一氮化物裝置，該生長面相對於該基板之密勒指數化結晶平面[h,i,k,l]具有0.5度與10度之間的位錯角，其中h、i、k、l為密勒指數；及排列該氮化物裝置之通道而大體上垂直於該位錯氮面氮化物層的位錯方向。
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