半极性晶体结构的制造制造技术

一种生长III族氮化物晶体方法，包括：提供硅衬底(12)；在衬底上形成第一掩模(10)，该掩模具有多个通过该掩模的孔(14)，每个孔暴露硅衬底的相应区域；蚀刻由每个孔暴露的硅，以形成具有多个面(18、20、22、24)的相应的凹槽(16)；在每个凹槽的一些面的上方沉积第二掩模，留下每个凹槽的至少一个面(22)暴露；并在所暴露的面(22)上生长III族氮化物，然后，在衬底上方生长III族氮化物，以形成连续层。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及非极性和半极性晶体结构的生长，以及包括这种结构的模板(template)。其特别地应用在硅上生长半极性或非极性GaN，但是也可用于其他III族氮化物，例如半极性氮化铝(AlN)、半极性氮化铝镓(AlGaN)，或半极性氮化铟镓(InGaN)。
技术介绍
过去四十年来已经看到了对占全球半导体市场的超过90％的、由硅技术产生的半导体行业的空前影响。考虑到基于硅的成熟的且划算的技术，III-V族技术与硅技术的联合具有对基于电子学和光子学的半导体的集成提供一种非常好的解决方案的潜力。一般照明消耗了全世界总能耗的19％。由于因为能源短缺和气候变化而引起的对显著增加节能技术的需求，必须开发基于白光发光二极管(LED)的节能固态照明源，以代替白炽灯和荧光灯。白光LED的制造主要基于III族氮化物半导体。迄今为止在III族氮化物领域中实现的主要成就，主要受限于(0001)蓝宝石上的生长、极性朝向。这产生极化问题，从而导致压电电场。结果，装置在电子和空穴波函数之间表现出重叠减少，导致较长的辐射复合时间，从而导致较低的量子效率。GaN在硅上的生长(即，硅上氮化镓技术)正在发生，但是也受限于极性c平面GaN。与蓝宝石上氮化镓相比，从使用硅上氮化镓技术产生的材料问题变得甚至更严重。因此，希望开发一种新的生长技术，以在硅上实现高晶体质量的半极性或非极性GaN，这是一种最有前途的克服内部电场的问题的方法，且因此实现了IQE中的阶跃变化。在过去的十年中，全世界有几个团体已经投入相当大的努力来开发硅上半极性/非极性GaN。然而，结果由于遇到许多挑战的原因而远不能令人满意，这些挑战严重限制了硅上半极性/非极性GaN的开发。与蓝宝石衬底不同，非常难以在任何平面硅衬底上获得非极性/半极性GaN。迄今为止，仅可通过在图案化硅衬底上生长来获得硅上半极性GaN(包括(11-22)方向和(1-101)方向)，例如，使用KOH对硅进行各向异性湿法蚀刻(113)，以制造具有倾斜条纹(其带有与(113)硅的表面成58o的(1-11)面)的规则的硅图案，其中，在(1-11)硅面上选择性地执行GaN生长，以形成半极性GaN。众所周知，GaN在硅上的生长需要避免所谓的“Ga重熔”蚀刻问题。这是由于所生长的GaN和硅之间的强烈的化学反应的原因，导致较差的表面形态，并最终导致生长崩溃。对于平面硅衬底，易于通过AlN缓冲层的初始沉积而简单地区分开，AlN缓冲层可将GaN层与硅衬底完全分开，例如(111)硅上的极性c平面GaN。然而，对于具有倾斜条纹的图案化(113)硅上的生长，不可避免地，在生长过程中产生大量残留空穴，使所生长的GaN直接接触硅(见图1)。重熔蚀刻随着增加的生长温度而增加。目前的解决方案是，将生长温度降低至对于GaN外延生长来说不可接受的点，以抑制重熔蚀刻。结果，晶体质量远不能令人满意。名古屋的Amano提出了如图1所示的两步式选择性生长方法(1TMurase、TTanikawa、YHonda、MYamaguchi、HAmano和NSawaki，日本应用物理学报，50，01AD04(2011))。使用相同的上述方法，在(113)硅上的倾斜的(1-11)条纹面上制备三角形的GaN条纹模板，然后沉积一层SiO2掩模以选择性地覆盖三角形GaN条纹，从而进一步再生长，其中，再生长将选择性地出现在未覆盖的区域上。他们实现了非常令人印象深刻的结果。然而，该方法具有一些难题。首先，尚未解决重熔问题。其次，为了选择性再生长，三角形GaN条纹的边缘处的较小的(0001)面需要由SiO2(图1中的虚线圆)仔细地覆盖，以避免任何沿着(0001)的生长。已经证明了这是非常困难的。
技术实现思路
本专利技术提供了一种生长半极性或非极性III族氮化物晶体或模板的方法，包括：提供硅衬底；在衬底上形成第一掩模，该掩模具有穿过该掩模的多个孔，每个孔暴露硅衬底的相应区域；蚀刻由每个孔暴露的硅，以形成具有多个面的相应的凹槽；在每个凹槽的一些面的上方沉积第二掩模，留下每个凹槽的面中的至少一个暴露；并在所暴露的面上生长III族氮化物。该方法可进一步包括，在衬底上方生长III族氮化物，以形成连续层。在凹槽之间的衬底上留下任何掩模材料的地方，该生长可能不是直接位于衬底的表面上，而是位于该掩模材料上方。该层可在多个凹槽上方延伸，并可在所有凹槽的上方延伸。可在生长III族氮化物之前去除第一掩模。可使用各向异性湿法蚀刻来执行蚀刻，例如使用KOH作为蚀刻剂。每个凹槽的每个面都可以基本上是三角形的，或梯形的。每个凹槽向其底部的一个点逐渐变细。可使每个面倾斜至水平面，使得其部分地面向上。因此，每个孔可没有悬伸的一侧。每个凹槽中只有一个面可保留为暴露，以用于III族氮化物在其上的生长。每个凹槽可具有保留为暴露以用于III族氮化物在其上的生长的(1-11)面。III族氮化物一开始可作为(0001)III族氮化物在每个凹槽的(1-11)硅面上生长。然后，III族氮化物可从凹槽中长出，并合并以形成单层(11-22)III族氮化物。在其他实施例中，最终的III族氮化物层可以是(001)Si上的(1-101)III族氮化物，或(110)Si上的(11-20)极性III族氮化物。III族氮化物可以是GaN，或InGaN，或AlGaN，或AlN。在III族氮化物的生长之前，可在所暴露的面上沉积缓冲层。可在规则的二维阵列中布置这些孔，例如正方形阵列、长方形阵列、六角形阵列、倾斜阵列，或者中心矩形(或菱形)阵列。在一些情况中，可使用不太规则的或不规则的阵列。每个孔可以是正方形的、长方形的、三角形的、六角形的，或圆形的。本专利技术进一步提供一种模板，其包括硅衬底，在衬底上具有一层III族氮化物，其中，衬底具有形成于其中的凹槽的阵列，每个凹槽具有多个面，一些面上具有掩模，并且，每个凹槽中的面中的至少一个具有生长于该面上的III族氮化物，III族氮化物形成一个覆盖该凹槽阵列的层。III族氮化物可以是半极性的，或者实际上是非极性的或极性的。该方法或模板可进一步包括本专利技术的优选实施例的任意一个或多个特征的任意组合，现在将参考附图仅通过实例来描述这些特征。附图说明图1示出了使用三角形截面的GaN条纹的已知的两步式生长方法；图2a至图2e示出了根据本专利技术的一个实施例的生长方法中的步骤；图3a是图2d的图案化Si衬底的SEM图像；图3b是GaN仅在图3a的衬底的(1-11)Si面上生长以形成(11-22)GaN的SEM图像。具体实施方式参考图2a至图2e，现在将描述一种用于在(113)硅上制造原子级平直的(11-22)GaN模板。首先，提供(113)硅衬底，即，在其晶体结构的(113)平面中具有平直表面的硅衬底。如图2a所示，通过等离子体增强化学气相沉积(PECDV)，在(113)硅衬底12的表面上沉积SiO2薄膜10。在其他实施例中，可用电子束蒸发器或溅射沉积来沉积SiO2。然后，如图2b所示，使用标准光刻和干法蚀刻技术(在此情况中，是反应离子蚀刻RIE)将SiO2薄膜蚀刻穿，使具有大约1μm的间隔(尽管该间隔可以从100nm到5μm)的窗14的阵列(在此实施例中，是规则的2×2μm尺寸的正方形窗(尽管，窗的尺寸可以更小本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种生长III族氮化物的晶体结构的方法，包括：提供硅衬底；在所述衬底上形成第一掩模，所述掩模具有穿过该掩模的多个孔，每个所述孔暴露所述硅衬底的相应区域；蚀刻由每个所述孔暴露的硅以形成具有多个面的相应的凹槽；在每个凹槽的一些面的上方沉积第二掩模，留下每个凹槽的至少一个面暴露；并在所暴露的面上生长所述III族氮化物，然后在所述衬底的上方生长所述III族氮化物，以形成连续层。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.06.09 GB 1410200.81.一种生长III族氮化物的晶体结构的方法，包括：提供硅衬底；在所述衬底上形成第一掩模，所述掩模具有穿过该掩模的多个孔，每个所述孔暴露所述硅衬底的相应区域；蚀刻由每个所述孔暴露的硅以形成具有多个面的相应的凹槽；在每个凹槽的一些面的上方沉积第二掩模，留下每个凹槽的至少一个面暴露；并在所暴露的面上生长所述III族氮化物，然后在所述衬底的上方生长所述III族氮化物，以形成连续层。2.根据权利要求1所述的方法，其中，使用各向异性湿法蚀刻来执行所述蚀刻。3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中，每个凹槽的每个面都基本上是三角形的或梯形的。4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，每个凹槽向该凹槽的底部处的一个点逐渐变小。5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，每个凹槽中只有一个面留下被暴露，以用于所述III族氮化物在该面上生长。6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，每个凹槽都具有留下被暴露的(1-11)面，以用于所述III族氮化物在该面上生长。7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述III族氮化物初始作为(0001)III族氮化物在每个凹槽的所述(1-11)硅面上生...

【专利技术属性】
技术研发人员：王涛，
申请(专利权)人：塞伦光子学有限公司，
类型：发明
国别省市：英国;GB