通过掩模用横向过生长来制备氮化镓衬底以及由此制备的器件制造技术

使用多个步骤通过外延横向过生长来生长氮化镓衬底。在具有开口区的被掩盖衬底上，选择性生长产生了第一三角形条纹，其中大多数螺位错弯曲了９０°。在第二步骤中，改变生长条件以提高横向生长速率并产生平坦的（０００１）表面。在该阶段，表面上的位错密度＜５×１０↑［７］ｃｍ↑［－２］。位错主要位于一起夹断的两个横向生长面之间的聚合区。为了进一步降低位错密度，完成第二掩盖步骤，开口正好位于第一开口上方。聚合区的螺位错（ＴＤｓ）不在顶层扩展。因此在整个表面上位错密度降到＜１×１０↑［７］ｃｍ↑［－２］之下。（*该技术在2024年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及适于后续生长有效器件结构的高质量氮化镓晶片及其制备方法。
技术介绍
1995年底展示了基于室温下运行的GaInN MQWs cw的蓝-紫激光二极管(LDs)。通过金属有机汽相外延在蓝宝石上生长有源结构(Jpn.J.Appl.Phys，35，L74(1996))。然而，GaN/蓝宝石衬底上的螺位错(threadingdislocations，TDs)密度介于108cm-2和109cm-2之间的这些第一LDs遭受到退化的损害。当被用来制备LDs结构的GaN晶片中的位错密度在107cm-2以下时，这些蓝-紫激光二极管的运行寿命可以达到10000小时。用外延横向过生长(Epitaxial Lateral Overgrowth，ELO)技术确实达到了这样的低位错密度。ELO技术的描述如下首先，在蓝宝石或者6H-SiC上生长几μm厚的GaN层。其次，用诸如CVD或者PECVD的成熟技术来沉积电介质(SiO2或者SiN)掩模。用标准的光刻技术在掩模中开口由窗口区所分隔的一组平行条纹(stripes)。在初始的再生长期间，或者在MOVPE(T.S.Zheleva，O.-H.Nam，M.D.Bremser，R.F.Davis，Appl.Phys.，71，2472(1997))或者HVPE乃至升华生长(S.Kurai，K.Nishino，S.Sakai，Jpn.J.Appl.Phys.，36，L184(1997))中，获得选择区外延。这意味着后续生长是在窗口中起始的，而在电介质掩模上没有任何的成核。在适当条件下，并且一旦GaN生长膜到达条纹，即掩模水平，则掩模上方的外延横向生长开始，最终导致完全的聚合(coalescence)和适于制备器件的光滑表面。基本思想在于该技术会导致对缺陷的过滤在窗口之上，复制了下面GaN模板的微结构，而横向生长的材料(在掩模上方)没有缺陷。掩盖区阻止了起因于模板的螺位错的扩展(propagation)，因为横向生长从没有TD的垂直面(vertical facets)开始。目前，存在两种主要的ELO技术较简单的一种技术涉及在形成条纹的开口上的单个生长步骤。在该一步ELO(1S-ELO)中，开口中的生长与下面的GaN模板保持一致(remains in registry)(连贯的部分)，而掩模上的GaN则横向地延伸(翼翅)(图2)。然而，在该方法中，表面的一些部分保持高缺陷(开口上的连贯部分和聚合边界)。这使得ELO上的LDs技术也变得复杂，因为不得不在模板上层的好部分上而制备器件结构，由此产出率较低。相反地，在两步ELO(2S-ELO)过程(图3)中，监控第一步的生长条件以获得三角形的条纹。该技术例如在US6325850中得到充分的描述。在这些条纹内部，当起因于模板的螺位错遇到倾斜的横向面时，它们被弯曲了90°。在第二步骤中，改变生长条件以获得完全的聚合。在该两步ELO中，仅仅聚合边界有缺陷。在2S-ELO技术中，TDs密度减小到约107cm-2。确实，位错90°的弯曲是关键特征，其在2S-ELO中将TDs密度减少到掩模的简单阻塞之外。当位错遇到{11-22}横向面时，它们的线受到两种力，一种用于保持线与表面正交，而第二种用于将位错与其伯格斯矢量(Burgers vector)对准。
技术实现思路
本专利技术的目的旨在提供制备GaN衬底的方法，其中在整个表面上降低了TDs密度，由此使它适合于LDs制备。根据本专利技术，衬底包括其中已形成有开口区的掩模。通过掩模层有选择地生长。掩模层和选择性生长层交替地配置在两个或多个层上。后续的掩模正好平行地放置在彼此的顶上(placed exactly parallel on top of each other)。在该方法中，使用了两步ELO技术(US6325850中所描述的2S-ELO)。在该方法制备的层中，剩余的位错位于聚合边界中，在掩盖区的中间。正好位于第一掩模的顶上的第二掩模防止了这些剩余位错的扩展。与US6051849 Davis et al，1999，WO 99/44224，Davis et al，1999，US 6111277，Ikeda，2000，US 6015979 Sugiara et al，(2000)，US2001/0003019A1中描述的过程相反，其中必须相对于第一掩模偏移第二掩模，在本专利技术中，这两个掩模必须正好在每个顶上以阻止聚合边界处TDs的扩展。附图说明现在参照附图和实例来描述根据本专利技术的过程的几个实施例。●图1显示由在裸衬底上沉积氮化硅，沉积低温GaN缓冲层，以及在最终生长温度下退火该缓冲层而形成的岛(a)；在完全聚合之前所生长的层，已通过沿着方向的横向延伸而生长(b)。●图2是垂直于GaN方向的示意性剖视图，所述GaN是通过如多个文件中所描述的标准一步ELO(1S-ELO)而生长的。●图3是GaN的示意性剖视图，所述GaN通过两步ELO(2S-ELO)过程生长并作为本专利技术中的开始层。●图4是GaN的示意性剖视图，所述GaN首先通过MOVPE中的两步方法生长，然后在正好与第一掩模组一致的掩模图案上生长，第二再生长也是两步工艺。最左下部分对应于根据两步ELO生长的GaN的TEM图像。●图5是本专利技术的另一图示，其中在GaN生长了几μm之后放置第二掩模。在这种情况下，聚合边界处的TDs开始分叉(diverge)，因此第二掩模对于阻止聚合边界的TDs以及从第一ELO的顶点(apex)弯曲TDs是有效的。●图6在该方法的该变化中，在第一ELO的完全聚合之前沉积第二掩模，由此产生了形状可控的空隙(空隙设计)●图7显示ELO的演变，其中在物质输运(mass transport)下刻沟槽以产生适当高度的空隙。●图8，示意性地显示了第二掩模间距(pitch)正好是第一掩模间距的两倍的实例。这允许更宽的无缺陷条纹。●图9.通过HVPE进行生长，在正好与第一掩模组一致的掩模图案上生长。第二再生长也是两步工艺。最左下部分对应于根据两步ELO生长的GaN的TEM图像(V.Wagner et al，APL(2002))。在该实例中，开口是5μm宽，间距13μm，由于应力或杂质，在聚合之前出现缺陷。●图10是根据本专利技术通过HVPE生长的另一实例，其中开口是5μm，间距15μm。TDs横向扩展而不产生新缺陷，但在聚合边界中，形成一束位错，其通过第二掩模消除。●图11集中了一些用于根据本专利技术的开口的可能图案。具体实施例方式本专利技术涉及制备氮化镓(GaN)外延层的过程，包括-在衬底上沉积GaN层，-沉积具有多个第一开口形成图案(first openings forming patterns)的第一掩模，-在外延条件下在所述掩模上第一再生长氮化镓层，-第二再生长氮化镓，用掺杂剂作为横向生长相对于垂直生长的增强剂(enhancer)，由此引发氮化镓特征的沉积和所述特征的各向异性生长及横向生长，-沉积具有多个第二开口的第二掩模，正好在第一掩模之上形成与第一开口相同的图案，倘若第一开口图案的间距正好等于第二开口的间距或正好是第二开口间距的两倍，-在外延条件下在第二掩模上第三再生长氮化镓层，-第四再生长氮化镓，用掺杂剂作为横向生长相对于垂直生长的增强剂，以便本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制备氮化镓（ＧａＮ）外延层的过程，包括：－在衬底上沉积ＧａＮ层，－沉积具有多个第一开口形成图案的第一掩模，－在外延条件下在所述掩模上第一再生长氮化镓层，－第二再生长氮化镓，用掺杂剂作为横向生长相对于垂直生 长的增强剂，以便引发氮化镓特征的沉积和所述特征的各向异性生长及横向生长，－沉积具有多个第二开口的第二掩模，正好在第一个的上方形成与第一开口相同的图案，倘若第一开口图案的间距正好等于第二开口的间距或正好是第二开口间距的两倍，－ 在外延条件下在第二掩模上第三再生长氮化镓层，－第四再生长氮化镓，用掺杂剂作为横向生长相对于垂直生长的增强剂，以便引发氮化镓特征的沉积和所述特征的各向异性生长及横向生长。

【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：B博蒙，JP福里，P吉巴尔特，
申请(专利权)人：卢米洛格股份有限公司，
类型：发明
国别省市：FR[法国]