包括六方外延层如GaN或其他第III族‑氮化物(III‑N)半导体、<111>取向的织构化层和非单晶衬底的多层结构，以及其制备方法。所述织构化层具有优选地通过离子束辅助沉积(IBAD)织构化工艺形成的晶体对齐，并且可以双轴对齐。所述织构化层的面内晶体织构足够低以允许高质量六方材料的生长，但是仍可以明显大于六方材料的所需面内晶体织构。IBAD工艺使得低成本、大面积、柔性金属箔衬底能够用作用于制造电子器件的单晶蓝宝石和硅的潜在备选方案，使得能够使用规模化放大的卷到卷、板到板或相似的制造方法。使用者能够针对其机械和热性质选择衬底，如其热膨胀系数与六方外延层的热膨胀系数匹配得多好，同时选择更密切地晶格匹配该层的织构化层。
Epitaxial six square materials on IBAD textured substrates
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】在IBAD织构化衬底上的外延六方材料相关申请的交叉引用本申请要求2015年2月10日提交的名称为“IBAD-TexturedSubstratesforGrowthofEpitaxialGroup-IIINitrideMaterialsandMethodofMakingtheSame(用于外延第III族氮化物材料的生长的IBAD织构化衬底及其制备方法)”的美国临时专利申请序列号62/114,504和2015年12月3日提交的名称为“IBAD-TexturedSubstratesforGrowthofEpitaxialGroup-IIINitrideMaterialsandMethodofMakingtheSame(用于外延第III族氮化物材料的生长的IBAD织构化衬底及其制备方法)”的美国临时专利申请序列号62/262,815的提交的优先权和权益，并且其说明书和权利要求通过引用结合在本文中。联邦资助的研究或开发美国政府具有本专利技术的已付许可，以及在有限的情况下按照美国能源部的高级研究计划署-能源(U.S.DepartmentofEnergy'sAdvancedResearchProjectsAgency-Energy)授予的援助协定第AR0000447号的条款规定的合理条件要求专利权所有人许可其他人的权利。专利技术背景专利
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)本专利技术涉及六方材料如氮化镓(GaN)或其他第III族-氮化物(III-N)半导体的层在衬底上的外延生长，所述衬底的晶体对齐(crystallinealignment)通过离子束辅助沉积(ion-beamassisteddeposition，IBAD)织构化工艺形成。在一个实施方案中，IBAD织构化层用于制备本质上是单晶状的双轴对齐的薄膜或衬底。这些IBAD薄膜或模板支持任选的外延缓冲层的后续沉积和随后的GaN或III-N外延生长。公开了包括之上具有中间外延缓冲层的离子束织构化层上的III-N外延的电子元件及其形成方法。本专利技术的一个实施方案是针对作为用于GaN外延的模板的双轴对齐膜的离子束辅助沉积(IBAD)织构化工艺。IBAD工艺使得低成本、大面积、柔性金属箔衬底能够用作用于电子器件的单晶蓝宝石和硅的潜在备选方案。外延GaN膜通过MOCVD工艺在这些加工的柔性衬底上生长，这使得能够使用规模化放大的卷到卷(roll-to-roll)、板到板(sheet-to-sheet)或相似的制造方法。已经制造了在具有小于1°的面内和面外对齐的多晶金属箔上的具有几微米厚度的GaN膜。在多晶金属箔上的外延GaN膜用作模板层以制备多量子阱发光二极管(lightemittingdiode，LED)结构，并且已经成功地证明了电致发光。这些是在金属箔上直接制造的第一LED器件，并且可以使用卷到卷法规模化放大。
技术介绍
注意，以下讨论可以参考大量的出版物和参考文献。本文中这种出版物的讨论被给出用于科学原理的更完整背景，而不被解释为承认这种出版物是用于可专利性确定目的的现有技术。发光二极管(LED)正彻底改革在21世纪开始时世界实施照明的方式。LED不仅是更高效的光源，它们还具有与其他光源相比以许多不同形式实施和使它们的光谱针对应用进行调整以及使它们的光谱适时改变的能力。然而，仍阻止LED完全替代白炽灯和荧光照明的最大屏障是LED灯具系统的成本。尽管LED照明已经在渗透照明市场方面进展迅速，但是其目前主要集中于利基(niche)高端照明空间，并且仍远离商业照明中的主流应用，其中LED照明在成本方面难以与简单的荧光管竞争。为了使LED主导整个照明市场，LED照明的成本将仍必须降低几个数量级。尽管事实是：LED芯片和封装成本在过去十年已经不可思议地降低了几个数量级。与十年前$50/klm的平均LED封装价格相比，封装的LED的成本现今可以甚至小于$0.50/klm。使用当前的制造技术在将成本再降低到1/2或1/3方面仍存在空间。为了在成本降低方面明显地更进一步，必须解决制造LED芯片和封装的规模以及灯具系统的其他部件的成本降低的关键问题。封装的LED用作表面安装装置(surfacemounteddevice，SMD)，并且一般在照明装置中用拾取和放置(pick-and-place，P&P)技术实施。P&P机器是机械地安装SMD的自动化方式。去除SMD's和P&P将显著地简化LED灯具并降低成本。半导体工业进行半导体芯片的规模化放大的方式是将衬底尺寸逐渐地从2英寸增加至4英寸，并且现在达到6英寸单晶晶片。蓝色LED生产中的大部分现今都是使用蓝宝石上的GaN平台完成的。高质量的外延GaN通常通过金属-有机化学气相沉积(metal-organicchemicalvapordeposition，MOCVD，有时称为OMVPE或有机-金属气相外延)沉积在蓝宝石上，然后用作用于外延器件结构的后续沉积的平台。GaN和相关的第III族-N材料用于许多应用，包括发光二极管(LED)、激光二极管(LD)和晶体管器件，如高电子迁移率晶体管(high-electronmobilitytransistor，HEMT)。现今的GaN层的绝大多数外延地沉积在单晶衬底，如蓝宝石、硅、碳化硅或氮化镓上。然而，除了硅晶片之外，单晶衬底一般是刚性的、昂贵的并且仅以小于100mm的直径容易获得的。单晶衬底的一个例外是单晶状薄膜在柔性衬底上的离子束辅助沉积(IBAD)的开发。在最近十年，由于用于电线应用的长的长度的超导晶体，薄膜在柔性金属上的IBAD织构化已经显著地发展。当通常使用MOCVD(金属-有机化学气相沉积)在非原生(即异质外延)的单晶衬底上生长GaN时，使用两步沉积法，其中在较低温度(500-600℃)沉积初始GaN成核层(nucleationlayer，NL)以促进GaN成核和生成。在第二步中，然后在较高温度(>1000℃)生长完全聚结(coalesced)的外延GaN层以获得在NL之上的器件质量级GaN材料。限制GaN生长为晶格匹配的单晶衬底降低对蓝宝石(Al2O3)、SiC和块状GaN的实际衬底的数量，这可能会是昂贵的并且无法以大尺寸获得的。最近，Si已经被开发作为用于GaN外延的单晶衬底，并且正变得更普遍。尽管采用Si作为蓝宝石的潜在备选衬底，但是GaN在金属和其他衬底上的直接生长对于需要大面积或柔性衬底的实际应用是期望的。迄今，由于缺乏外延登记(registry)，尚不能在金属或其他非取向衬底上直接生长单晶GaN。在金属或其他非取向衬底上的GaN已经通过将生长的外延GaN层转移到外部衬底上，或通过转移取向膜如石墨烯并在石墨烯之上生长GaN来实现。先前的萤石中的IBAD织构化不成熟，不易于用来工作，并且IBAD织构宽度大于15°面内FWHM。因此，认为IBAD(111)不具有足以产生面内对齐<1°的高质量半导体材料的性质。在(111)IBAD上的最佳半导体或Si结果具有>10°的面内织构FWHM和面外织构1.5°。因此，在IBAD上的典型半导体材料具有差的用于器件的质量，并且不能与在单晶衬底上的半导体竞争。已经生产了高质量LED和其他器件。一些制备GaN本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种多层结构，所述多层结构包括：外延六方晶体层；立方材料层，所述立方材料层具有<111>面外取向并且具有半峰全宽(FWHM)小于或等于约15°的面内晶体织构；和非单晶衬底。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.02.10 US 62/114,504;2015.12.03 US 62/262,8151.一种多层结构，所述多层结构包括：外延六方晶体层；立方材料层，所述立方材料层具有<111>面外取向并且具有半峰全宽(FWHM)小于或等于约15°的面内晶体织构；和非单晶衬底。2.根据权利要求1所述的结构，其中所述外延六方晶体层包括第III族-氮化物半导体。3.根据权利要求2所述的结构，其中所述外延六方晶体层包括GaN。4.根据权利要求1所述的结构，其中所述外延六方晶体层用作用于发光二极管(LED)的模板层。5.根据权利要求1所述的结构，其中所述立方材料层已经通过离子束辅助沉积(IBAD)织构化。6.根据权利要求1所述的结构，其中所述衬底的性质选自由下列各项组成的组：非晶态、多晶、柔性、延展性、金属性、陶瓷、玻璃、塑料和聚合物。7.根据权利要求1所述的结构，其中所述外延六方晶体层使用金属-有机化学气相沉积(MOCVD)、反应溅射、反应蒸发或分子束外延(MBE)来生长。8.根据权利要求1所述的结构，其中所述衬底和所述外延六方晶体层的热膨胀系数在约12％内。9.根据权利要求8所述的结构，其中所述衬底和所述外延六方晶体层的热膨胀系数在约5％内。10.根据权利要求1所述的结构，其中所述外延六方晶体层包括GaN，并且所述衬底包括钼、钨、钽、其合金、Mo-Cu、或TZM。11.根据权利要求1所述的结构，其中所述立方材料层具有FWHM小于或等于约12°的面内晶体织构。12....
【专利技术属性】
技术研发人员：弗拉基米尔·马塔斯，克里斯托弗·杨，
申请(专利权)人：艾宾姆材料公司，
类型：发明
国别省市：美国,US
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