蓝宝石衬底上的氮‑极性的半极性GaN层和器件制造技术

描述了用于在图案化蓝宝石衬底上形成半极性III族氮化物材料的外延层的方法和结构。半‑氮‑极性GaN可以从蓝宝石的倾斜c‑面小面生长并且合并以在所述蓝宝石衬底上形成连续的(2021)GaN层。蓝宝石的氮化和低温GaN缓冲层用于形成半‑氮‑极性GaN。

N sapphire polar semi polar GaN layer and device

Method and structure for forming an epitaxial layer of a semi polar III nitride material on patterned sapphire substrate. Half nitrogen polar GaN from sapphire C facet growth and surface tilt combined to form on the sapphire substrate for the GaN layer (2021). The sapphire nitridation and low temperature GaN buffer layer is used to form a semi polar GaN n.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请本申请要求于2014年4月16日提交的题为“Nitrogen-Polar Semipolar GaN Layers and Devices on Sapphire Substrates”的美国临时申请序列号61/980,283的权益。上述申请的全部公开内容通过引用并入本文。背景
本技术方案涉及用于在蓝宝石衬底上形成半-氮-极性和半-镓-极性III族氮化物层和器件的方法和结构。相关技术氮化镓(GaN)和另一些III族氮化物材料被广泛地认为是用于制造集成器件的理想材料。这些材料通常具有比基于硅的半导体更宽的带隙，并且可用于制备在可见光谱的绿色和蓝色区域中发射辐射的光电器件(例如，LED和二极管激光器)。同时，由于III族氮化物材料宽的带隙，当用于制造集成晶体管时，可以表现出更高的击穿电压，使得这些材料适用于大功率电子设备。与硅一样，III族氮化物材料可以生长成高纯度的结晶材料。与硅不一样，III族氮化物材料通常比硅生长更难且更昂贵，因此，当前III族氮化物材料的块状衬底不像块状硅衬底那样在商业上可用。因此，研究人员已开发并且继续开发用于在硅或其他结晶衬底上外延生长集成电路级别的III族氮化物层的方法。一旦生长出，可采用平面微制造技术在III族氮化物外延层中制造集成器件。
技术实现思路
描述了与在图案化蓝宝石衬底(PSS)上形成半-氮-极性和半-镓-极性氮化镓(GaN)层相关的方法和结构。蓝宝石衬底可以用表面光栅结构图案化以露出c-面或者倾斜的c-面表面，并且GaN可以从这些晶体生长表面生长。在GaN生长之前，可进行掩模工艺以防止在图案化蓝宝石衬底的其他表面成核和生长。在一些实施方案中，半-镓-极性GaN从所述c-面表面生长。在另一些实施方案中，从所述c-面表面生长半-氮-极性GaN之前，进行氮化过程。所述GaN材料的生长可以是连续的，使得材料在图案化蓝宝石衬底上合并并且形成连续的GaN层和半导体加工表面。所述技术方案可以用于多种III族氮化物材料。根据一些实施方案，半极性III族氮化物衬底包括图案化蓝宝石衬底，其具有不同取向的多个表面和在所述表面的一些上形成的掩模层。所述衬底还可以包括晶体生长表面，其为多个表面的一部分并且未被所述掩模层覆盖；以及包括外延氮化镓，其邻靠所述晶体生长表面形成。在一些方面，所述图案化蓝宝石衬底具有与所述衬底的加工表面近似平行的(2243)小面和与所述晶体生长表面近似平行的c-面小面。在一些实施方式中，所述图案化蓝宝石衬底包括具有晶体生长表面的沟槽阵列，所述晶体生长表面形成所述沟槽的壁。所述沟槽的间距可为约0.25微米至约10微米，并且所述沟槽的深度为约50纳米至约2微米。在一些实施方式中，所述外延氮化镓在所述沟槽上合并以形成跨越所述衬底的连续的半导体层。根据一些实施方式，半极性III族氮化物衬底还可以包括在所述晶体生长表面与所述外延氮化镓之间的缓冲层。所述晶体生长表面可以被氮化。在一些方面，所述外延氮化镓具有与所述蓝宝石衬底的最初未被蚀刻的表面平行的的(2021)小面或者(2021)小面。在一些实施方式中，所述外延氮化镓具有与所述衬底的加工表面平行的半-氮-极性小面，并且所述晶体生长表面可以被氮化。上述方面、实施方式和特征可以以任意合适的组合包括在具有半极性氮化镓外延层的衬底的一个实施方案中，并且可以以任意合适的组合包括在用于制备具有半极性氮化镓外延层的衬底的一个或者更多个下述方法实施方案中。根据一些实施方案，用于形成半-氮-极性III族氮化物衬底的方法包括以下步骤：在图案化蓝宝石衬底的图案化表面上形成共形掩模层，在所述掩模层的一部分上沉积抗蚀剂，蚀刻未被所述抗蚀剂覆盖的掩模层区域以露出所述图案化蓝宝石衬底上的晶体生长表面，以及从所述晶体生长表面生长半极性氮化镓。在一些方面，形成所述共形掩模层包括通过气相沉积工艺沉积材料，并且所述气相沉积工艺可以包括等离子体增强化学气相沉积或者原子层沉积。在一些实施方式中，所述气相沉积工艺包括沉积氧化物或者氮化物。根据一些实施方式，沉积抗蚀剂包括进行掩模蒸镀。所述蒸镀物可以包括金属。在一些实施方式中，所述蒸镀物包括铬。在一些方面，所述抗蚀剂不在图案化蓝宝石衬底的与所述蓝宝石的c-面小面平行的表面上形成。在一些实施方式中，蚀刻所述掩模层区域包括进行干法蚀刻或者湿法蚀刻。根据一些方面，生长半极性氮化镓包括从所述晶体生长表面外延地生长半-镓-极性GaN。在一些实施方式中，用于形成半极性GaN的方法还可包括在生长所述半-镓-极性GaN之前，在低于约600℃的温度下生长氮化镓缓冲层。所述半-镓-极性GaN可以具有与所述衬底的加工表面平行的(2021)小面。在一些实施方式中，生长半极性氮化镓包括从所述晶体生长表面外延地生长半-氮-极性GaN，并且所述方法还可以包括氮化所述晶体生长表面，和在生长所述半-氮-极性GaN之前，在低于约600℃的温度下生长氮化镓缓冲层。在一些方面，氮化所述晶体生长表面包括：在包含氮气(N2)和氨气(NH3)混合物的环境中，将所述图案化蓝宝石衬底加热到约900℃至约1000℃的温度。术语“在多个温度下”和“在一个温度下”可用于指在温度范围内的一个或更多个温度。根据一些实施方式，生长氮化镓缓冲层包括生长所述氮化镓缓冲层至大于约50nm的厚度。在一些实施方式中，生长氮化镓缓冲层可以包括将所述衬底加热到约450℃至约600℃，将生长室加压到约100毫巴至约250毫巴，使NH3以约1slm至约4slm的流量流入所述生长室，使三甲基镓(TMGa)以约30sccm至约50sccm的流量流入所述生长室以及生长所述氮化镓缓冲层至约20nm至约100nm的厚度。本技术方案的上述和另一些方面、实施方案和特征可结合附图由以下描述更加全面地理解。附图说明技术人员将理解本文所述的附图仅用于举例说明的目的。应理解的是，在一些情况下，实施方案的多个方面可以被扩大或者放大，从而有助于理解实施方案。附图不一定是按比例的，相反重点在于说明本技术方案的原理。在附图中，贯穿各个附图，相同的参考符号通常是指相同的特征、功能相似和/或结构相似的元件。当附图涉及微制造时，可仅示出一个器件和/或衬底的一部分以简化附图。在实际中，可在衬底的大面积或整个衬底上并行地制造大量的器件或结构。附图不旨在以任何方式限制本技术方案的范围。图1是描绘了根据一些实施方案的包括在图案化蓝宝石衬底上外延生长的III族氮化物材料的衬底的一部分的正视图；图2A至2B描绘了根据一些实施方案的与用于使蓝宝石衬底图案化的工艺相关的结构；图2C至2F描绘了根据一些实施方案的与用于掩模图案化蓝宝石衬底的选择表面的工艺相关的结构；图2G描绘了根据一些实施方案的在图案化蓝宝石衬底上半极性GaN的形成；图3A是示出了平面图中根据一些实施方案的在图案化蓝宝石衬底上形成的半-镓-极性GaN条纹的扫描电子显微照片；图3B是示出了正视图中根据一些实施方案的在图案化蓝宝石衬底上形成的合并的半-镓-极性GaN的扫描电子显微照片；图3C示出了根据一些实施方案的由在图案化蓝宝石衬底上形成的半-镓-极性GaN条纹测量的阴极发光；图4A是示出了在正视图中根据一些实施方案的在图案化蓝宝石衬底上形成的半-氮-极性Ga本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于在衬底上形成半极性氮化镓的外延层的方法，所述方法包括：在图案化蓝宝石衬底的图案化表面上形成共形掩模层；在所述掩模层的一部分上沉积抗蚀剂；蚀刻所述掩模层的未被所述抗蚀剂覆盖的区域以露出在所述图案化蓝宝石衬底上的晶体生长表面；以及从所述晶体生长表面生长半极性氮化镓。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.04.16 US 61/980,2831.一种用于在衬底上形成半极性氮化镓的外延层的方法，所述方法包括：在图案化蓝宝石衬底的图案化表面上形成共形掩模层；在所述掩模层的一部分上沉积抗蚀剂；蚀刻所述掩模层的未被所述抗蚀剂覆盖的区域以露出在所述图案化蓝宝石衬底上的晶体生长表面；以及从所述晶体生长表面生长半极性氮化镓。2.权利要求1所述的方法，其中形成所述共形掩模层包括通过气相沉积工艺沉积材料。3.权利要求2所述的方法，其中所述气相沉积工艺包括等离子体增强化学气相沉积或原子层沉积。4.权利要求2或3所述的方法，其中所述气相沉积工艺包括沉积氧化物或氮化物。5.权利要求1至3中任一项所述的方法，其中所述共形掩模层的厚度为约10nm至约50nm。6.权利要求1至3中任一项所述的方法，其中沉积抗蚀剂包括进行掩模蒸镀以沉积蒸镀物。7.权利要求6所述的方法，其中所述蒸镀物包括金属。8.权利要求6所述的方法，其中所述蒸镀物包括铬。9.权利要求6所述的方法，其中所述抗蚀剂不在所述图案化蓝宝石衬底的与所述蓝宝石的c-面小面平行的表面上形成。10.权利要求1至3中任一项所述的方法，其中蚀刻所述掩模层的区域包括进行干法蚀刻或者湿法蚀刻。11.权利要求1至3中任一项所述的方法，其中生长半极性氮化镓包括从所述晶体生长表面外延生长半-镓-极性GaN。12.权利要求11所述的方法，还包括在生长所述半-镓-极性GaN之前，在低于约600℃的温度下生长氮化镓缓冲层。13.权利要求11所述的方法，其中所述半-镓-极性GaN具有与所述衬底的加工表面平行的(2021)小面。14.权利要求1至3中任一项所述的方法，其中生长半极性氮化镓包括从所述晶体生长表面外延生长半-氮-极性GaN。15.权利要求14所述的方法，还包括：氮化所述晶体生长表面；以及在生长所述半-氮-极性GaN之前，在低于约600℃的温度下生长氮化镓缓冲层。16.权利要求14所述的方法，其中氮化所述晶体生长表面包括：在包含氮气(N2)和氨气(NH3)混...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩重，本亚明·梁，
申请(专利权)人：耶鲁大学，
类型：发明
国别省市：美国;US