获得平坦的半极性氮化镓表面的方法技术

描述了用于在图案化蓝宝石衬底上形成平面的、连续的、平坦的半极性III族氮化物材料的外延层的方法和结构。半极性GaN可从图案化蓝宝石衬底上的倾斜c‑面小面生长，并且合并以在蓝宝石衬底上形成半极性III族氮化物半导体的连续层。使所述层平坦化，接着使用氮载气使晶体再生长以跨越衬底产生平面的、微加工等级的半极化III族氮化物半导体的加工表面。可在再生长的半极性材料中制造优质的多量子阱。

Method for obtaining flat semi polar gallium nitride surface

A method and structure for forming an epitaxial layer of a planar, continuous, flat semi polar III nitride material on a patterned sapphire substrate is described. Semi polar GaN can grow from the patterned sapphire substrate surface tilt C facet, and combined to form a continuous layer on a sapphire substrate semi polar III nitride semiconductor. The layer is flattened, and then the nitrogen is used to regenerate the surface of the crystal to produce a planar, micro machined semi polarized III nitride semiconductor layer over the substrate. High quality multi quantum wells can be fabricated in a semi polar material that is grown.

【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2014年4月16日提交的题为“Method of Obtaining Planar Semipolar Gallium Nitride Surfaces”的美国临时申请序列号61/980,304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图案化蓝宝石衬底上形成平坦、单一小面半极性III族氮化物层和装置的方法和结构。
技术介绍
氮化镓(GaN)和其他III族氮化物材料被广泛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造在可见光谱的绿色和蓝色区中发射辐射的电光器件(例如，LED和二极管激光器)。另外，由于其宽的带隙，所以当III族氮化物材料用于制造集成晶体管时可表现出更高的击穿电压。因此，III族氮化物材料对于光电子和高功率电子应用可能是理想的。与硅一样，III族氮化物材料可生长为高纯度晶体材料。与硅不同，III族氮化物材料通常比硅生长更困难且昂贵，使得直径大于几英寸的III族氮化物材料的块状衬底目前不像块状硅衬底在商业上可行。因此，研究人员已经开发出(并持续开发)用于在硅或其他晶体衬底上外延生长集成电路等级的III族氮化物层的方法。一旦生长，则可使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)上形成平坦的半极性氮化镓(GaN)层和其他半极性III族氮化物层相关的方法和结构。蓝宝石衬底可用表面光栅结构图案化以暴露c-面或倾斜的c-面表面，并且半极性III族氮化物半导体可从这些晶体生长表面生长。可在半导体生长之前进行掩模过程以防止在图案化蓝宝石衬底的其他表面成核和生长。半极性材料的生长可继续进行，以使所述材料合并并在图案化蓝宝石衬底上形成连续的III族氮化物层。可使半导体层平坦化并且使III-材料在平坦化层上再生长。在再生长期间，可使用氮载气代替氢载气以提供可在其上制造集成器件的平面的、半极性、原子级光滑的加工表面。根据一些实施方案，平坦的半极性III族氮化物衬底包括：图案化蓝宝石衬底，其具有多个不同取向的表面和在所述表面的一些上形成的掩模层；晶体生长表面，其为所述多个表面的一部分并且未被所述掩模层覆盖；以及平坦的半极性氮化镓外延层，其形成在所述图案化蓝宝石衬底上。在一些方面，所述图案化蓝宝石衬底具有大致平行于所述衬底的加工表面的(2243)小面和大致平行于所述晶体生长表面的c-面小面。在一些情况下，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倾斜壁。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可为约50纳米至约2微米。根据一些实施方式，外延氮化镓在沟槽上合并以形成跨越衬底的连续且平坦的半导体层。在15μm×15μm的面积上测量的平坦半导体层的表面粗糙度在一些情况下可小于5nm均方根，并且在一些情况下小于3nm RMS。在一些方面，所述平坦半极性氮化镓外延层具有跨越衬底的单个且连续的平坦表面，其大致平行于所述半极性氮化镓的(2021)小面。根据一些方面，平坦的半极性III族氮化物衬底可包括在晶体生长表面与外延氮化镓之间的缓冲层。所述缓冲层可包含氮化铝，并且其厚度可为约10nm至约50nm。前述方面、实施方式和特征可以以任意合适的组合包括于具有形成在图案化蓝宝石上的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于一个或更多个用于制备具有形成在图案化蓝宝石上的半极性氮化镓外延层的衬底的下列方法实施方案中。根据一些实施方案，用于形成平坦的半极性III族氮化物外延层的方法包括：邻靠图案化蓝宝石衬底的晶体生长表面生长半极性氮化镓；使所生长的半极性氮化镓平坦化；以及使用氮载气再生长所述半极性氮化镓。在一些方面，再生长半极性氮化镓包括：不包括氢载气的再生长条件。在一些实施方式中，氮载气是N2。再生长半极性氮化镓可包括使用金属有机化学气相沉积生长半极性氮化镓。在一些方面，使生长的半极性氮化镓平坦化包括通过化学-机械抛光的平坦化。根据一些实施方式，再生长期间的温度为约980℃至约1070℃。在一些实施方式中，再生长期间的压力为约100毫巴至约300毫巴。在一些情况下，再生长期间NH3气体的流量为约0.5slm至约4slm。在一些情况下，再生长期间三甲基镓或三乙基镓的流量为约30sccm至约50sccm。根据一些实施方式，再生长期间的生长速率为1μm/小时至约2μm/小时。在一些方面，生长半极性氮化镓和再生长半极性氮化镓包括生长具有(2021)小面的氮化镓，所述(2021)小面大致平行于所述衬底的加工表面。根据一些实施方式，用于形成平坦的半极性III族氮化物外延层的方法还可包括在晶体生长表面形成氮化铝低温缓冲层或氮化镓低温缓冲层。所述低温缓冲层中的任一者在低于约600℃的温度下形成。用于形成平坦的半极性III族氮化物外延层的方法还可包括：在生长半极性氮化镓之前，形成掩模层以覆盖所述图案化蓝宝石衬底的表面。在一些方面，形成所述掩模层包括通过气相沉积法共形地沉积材料。所述方法还可包括从晶体生长表面移除所述共形地沉积的材料。本技术方案的前述内容和其他方面、实施方案以及特征可结合附图从下列描述中更充分地理解。附图说明技术人员将理解本文所述的图仅用于说明目的。应理解的是，在一些情况下，实施方案的多个方面可以放大或扩大，以帮助理解实施方案。附图不一定是按比例的，相反重点在于说明本教导的原理。在附图中，遍及各个附图，相同的引用符号一般是指相同的特征、功能相似和/或结构相似的元件。当附图涉及微加工时，可仅示出一个器件和/或衬底的一部分以简化附图。在实践中，可跨越大面积衬底或整个衬底并行地制造大量器件或结构。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含外延生长在图案化蓝宝石衬底上的III族氮化物材料的衬底的一部分的正视图；图2A至图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方法相关的结构；图2C至图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方法相关的结构；图2G描绘了根据一些实施方案的在图案化蓝宝石衬底上形成半极性GaN；图2H描绘了根据一些实施方案的在图案化蓝宝石衬底上形成合并的半极性GaN。图2I描绘了根据一些实施方案的在图案化蓝宝石衬底上的半极性GaN的平坦化外延层；图2J描绘了根据一些实施方案的在图案化蓝宝石衬底上再生长半极性GaN；图3A是示出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正视图的扫描电子显微照片；图3B是在图案化蓝宝石衬底上形成的半极性GaN的区域的透射电子显微镜(TEM)图像；图3C是示出了具有平行于蓝宝石衬底平面的(2021)小面的单一取向GaN的x-射线衍射(XRD)扫描；图3D示出了对于平行(曲线312)和垂直(曲线310)于蓝宝石衬底中图案化沟槽的摇摆轴在轴(2021)上获取的高分辨率x-射线衍射摇摆曲线；图3E示出了外延生长的半极性GaN的低温光致发光(LT-PL)光谱，其具有标记并归因于GaN带边缘发射的峰位置(3.49eV)、键接至堆垛层错(stacking fault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：邻靠图案化蓝宝石衬底的晶体生长表面生长半极性氮化镓；使所生长的半极性氮化镓平坦化；以及使用氮载气再生长所述半极性氮化镓。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.04.16 US 61/980,3041.一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：邻靠图案化蓝宝石衬底的晶体生长表面生长半极性氮化镓；使所生长的半极性氮化镓平坦化；以及使用氮载气再生长所述半极性氮化镓。2.权利要求1所述的方法，其中再生长所述半极性氮化镓包括不含氢载气的再生长条件。3.权利要求1所述的方法，其中所述氮载气是N2。4.权利要求1所述的方法，其中再生长所述半极性氮化镓包括使用金属有机化学气相沉积生长所述半极性氮化镓。5.权利要求4所述的方法，其中再生长期间的温度为约980℃至约1070℃。6.权利要求4所述的方法，其中再生长期间的压力为约100毫巴至约300毫巴。7.权利要求4所述的方法，其中再生长期间NH3气体的流量为约0.5slm至约4slm。8.权利要求4所述的方法，其中再生长期间三甲基镓或三乙基镓的流量为约30sccm至约50sccm。9.权利要求4所述的方法，其中再生长期间的生长速率为1μm/小时至约2μm/小时。10.权利要求1所述的方法，其中生长半极性氮化镓和再生长半极性氮化镓包括生长具有(2021)小面的氮化镓，所述(2021)小面大致平行于所述衬底的加工表面。11.权利要求1所述的方法，还包括在所述晶体生长表面处形成氮化铝低温缓冲层或氮化镓低温缓冲层。12.权利要求11所述的方法，其中所述低温缓冲层中的任一者在低于约600℃的温度下形成。13.权利要求1所述的方法，其中使所生长的半极性氮化镓平坦化包括通过化学-机械抛光进行的平坦化。14.权利要求1...

【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