本发明专利技术的半导体衬底（１）由具有纤维锌矿晶体结构的Ⅲ族金属氮化物制成，以及其以汽相生长在晶格与所述半导体衬底材料不匹配的（０００１）取向异质衬底（２）上，或者生长在所述半导体衬底材料的已有（０００１）取向的高位错层（３）上，以及具有高度减少的位错密度。根据本发明专利技术，使用一种结构用于位错密度的减少，其包括位错重定向层（４），位错重定向层（４）提供螺位错（６）向着具有除了（０００１）外的指数和那些｛１↑［１］００｝类型指数的高指数晶面的有意倾斜，以增加所述螺位错彼此汇合的可能性；以及位错反应层（５），位错反应层（５）定位在所述位错重定向层之上，其中所述螺位错（６）彼此聚结，导致在所述半导体衬底表面（７）的减少的螺位错密度。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术一般涉及具有减少的螺位错(threading dislocation)密度的半导体衬底。更具体地，所述半导体衬底由III族金属氮化物形式，所述III族金属氮化物具有纤维锌矿晶体结构，以及以汽相生长在晶格与所述半导体衬底材料不匹配的(0001)取向异质衬底上，或者生长在由所述半导体衬底材料形成的已有(0001)取向的高位错层。本专利技术还涉及使用的器件和制造这样的衬底的方法。
技术介绍
具有纤维锌矿晶体结构的(0001)取向的III族金属氮化物在具有大的晶格失配的异质衬底例如蓝宝石、碳化硅、硅或氧化锌上的生长通过在所述衬底的表面形成三维岛(island)来产生。通常，第一步，薄层在低温沉积在衬底上。此层是连续的但具有纳米尺寸的多晶结构。所述层包括立方和六方相的混合物。此后，温度升高到典型的生长温度以及发生成核层的再结晶。在再结晶期间，所述连续的二维层被破坏，且六方相的所述材料的三维岛形成并在衬底表面生长，这是由于通过汽相的质量传递。所述岛一般具有锥体形状。在层衬底界面晶格失配是具有位错线沿界面方向的失配位错(MD)形成的原因。这些MD缓和了与失配有关的弹性应变，以及不损害器件的结构。在再结晶开始阶段，岛的内部基本是无位错的，以及可包括仅少量的螺位错(TD)。所述岛还显示并扭转在 生长方向周围气晶格的取向误差。通过所述岛的进一步生长和聚结，可实现到2D面生长模式的转变。由于所述岛的取向误差，主要刃型(edge type)的TD在结合岛的边界形成。TD在实际的III-氮化物膜的密度可以为1010cm-2高。在进一步的生长期间，垂直的TD通过所述层繁殖，且没有反应并保持在电子和光电器件的工作区。已知，这样高的TD密度的出现改变了器件的物理性能。尽管其高的密度，TD为本质上不平衡的缺陷。因此，通过合适的材料处理或生长条件的选择，可减少其的数量。在最近几年，大量的实验研究和实际专利技术已集中于减少III-氮化物的TD密度。通过薄低温层的沉积，晶体外延层在晶格失配衬底上的生长方法由J.Matthews和W.Stobbs在美国专利4,174,422中公开。在AlxGa1-xN膜的情况下，其由I.Akasaki和N.Sawaki在美国专利4,8555,249中公开。生长在低温层上具有纤维锌矿晶体结构的III族金属氮化物的外延层中所达到的典型TD密度为～109cm-2。所述方法的不同变化构成了专利的重要部分，其专注于生长在异质衬底上的III族金属氮化物的产生；见例如在K.Manabe等人的美国专利5,122,845；在S.Nakamura的美国专利5,290,393；在Y.Ohba和A.Hatano的美国专利5,656,832。在H.Kawai等人的美国专利5,863,811中还显示了使用几个低温层可减少TD的密度。用于减少生长在晶格失配衬底的晶体外延层中的位错密度的几种其它技术被建议。T.Mishima等人在美国专利5,633,516中建议使用渐变晶格常数缓冲层。J.Bean等人在美国专利5,091,767建议在衬底上使用“位错尾闾(dislocation sinks)”，在衬底的层的非晶形区，位错被消除，同时在非晶材料中繁殖。H.Morkoc在美国专利6,657,232中公开一种缺陷过滤器，包括在覆盖材料上形成的一材料的岛，以及在所述岛之上的第二材料的连续层。现在发现，减少在异质衬底上生长的外延层中的TD密度的最有效的方法是在预沉积电介质掩模之上通过其开口的层的选择区域生长(SEA)和侧向外延过生长(ELD)。就最好所知，半导体的选择外延生长例如在Si上的GaAs的主要特征的首先讨论由D.Morrison和T.Daud在美国专利4,5222,661中给出。许多文章致力于多种常规III-V半导体在高度失配衬底上的SEA和ELO。由D.Kapolnek等人(Appl.Phys.Lett.71(9)，1204(1997))报道，使用线性掩模方式通过SEM，在蓝宝石衬底上的GaN的生长存在着高的各向异性。报道了垂直和横向生长率具有相反取向关系的最小和最大，具有六方对称。氮化镓微棱镜在(0001)蓝宝石衬底上的选择生长的可能性已成功地由T.Akasaka等人说明。(Appl.Phys.Lett.71(15)，2196(1997))。ELO的变化由A.Sakai等人(Appl.Phys.Lett.71(16)，2159(1997))、T.Zheleva等人(Appl.Phys.Lett.71(17)，2472(1997))和R.Davis等人在美国专利6,051,849中说明。M.Coltrin等人(MRS InternetJ.Nitride Semicond.Res.4S1，G6.9(1999))发现，ELO特征形态学还受到掩模填充因素的影响。此外，J.Park等人说明(Appl.Phys.Lett.73(3)，333(1998))，垂直生长率强烈依赖掩模条开口的取向和填充因素，而横向过生长相对弱地依赖于填充因素，但强烈依赖条的取向。在这些技术的大部分变化中，见例如D.Marx等人的美国专利5,880,485，A.Usui等人的美国专利6,252,261B1，TD在掩模区之上的繁殖被掩模阻止(见图2a)，以及由这些方法生长的外延半导体层的晶体质量可被显著改善。然而，在此情况中的无位错区局限于在电介质条之上的窄条。另外，新位错在所述区域产生，其中自临近开口遇到过生长翼，这是因为晶格在所述翼区倾斜的现象，见例如P.Fini等人(J.Cryst.Growth209，581(2000))和A.Romanov等人(J.Appl.Phys.93(1)，106(2003))。因此，这些技术可仅用于如激光二极管的窄范围设备。ELO技术的改进的变化由P.Vennegues等人(J.Appl.Phys.87(9)，4175(2000))建议。其提供生长模式，所述生长模式确保在横向过生长期间位错弯曲，从而其的线方向平行于层衬底界面(见图2b)。因此，阻止了位错垂直于外延层表面的进一步繁殖。这些变化的缺点之一在于，其为非原位(ex situ)过程。SEA和ELO技术存在几种变化，例如悬空外延技术，见例如由K.Linthicum等人的美国专利6,177,688，以及悬臂外延技术，见例如由C.Ashby等人和T.M.Katona等人的美国专利6,599,362(Appl.Phys.Lett.79(18)，2907(2001))，其构成所述专利的重要部分，专注于在III族金属氮化物异质外延中位错的减少。在原位技术中，最有效的技术为电介质材料沉积在衬底或底部外延层，这产生局部的随机覆盖，即，外延层表面区通过亚单层厚夹层的微型掩模(见例如由U.Mishra和S.Keller的美国专利6,610,144)。所沉积的电介质材料可以为例如氮化硅、二氧化硅或氮化镁。其作用为抗表面，促使在未覆盖的衬底区的三维生长模式。外延膜的生长然后通过电介质覆盖区的横向过生长继续进行，这类似于ELO技术。部分位错或者被微型掩模阻止，或者在横向过生长期间在微型掩模区之上弯曲(见例如由B.Beaumont等人的美国专利6,802,902)，以及变得平行于衬底表面。这本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种半导体衬底（１），其由具有纤维锌矿晶体结构的Ⅲ族金属氮化物制成，以及其以汽相生长在晶格与所述半导体衬底材料不匹配的（０００１）取向异质衬底（２）上，或者生长在所述半导体衬底材料的已有（０００１）取向的高位错层（３）上，特征在于，所述半导体衬底（１）包括：位错重定向层（４），其中布置螺位错（６）向着具有除了（０００１）外的指数和那些｛１＊００｝类型指数的高指数晶面的倾斜，以增加所述螺位错彼此汇合的可能性；以及位错反应层（５），其定位在所述位错重定向层之上，其 中所述螺位错（６）彼此聚结，导致在所述半导体衬底表面（７）的减少的螺位错密度。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：马克西姆欧得诺莱多夫，弗拉德斯拉夫鲍格诺夫，亚历克斯罗马诺夫，蒂姆朗，
申请(专利权)人：奥普特冈有限公司，
类型：发明
国别省市：FI[芬兰]
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