專利名稱：氮化鎵外延層的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氮化鎵(GaN)外延層的制造方法，以及采用所述方法能夠得到的氮化鎵(GaN)外延層。這樣一種方法能夠得到質(zhì)量極佳的氮化鎵層。
本發(fā)明還涉及安裝這樣一層氮化鎵外延層的短波長(zhǎng)光學(xué)設(shè)備或高功率、高頻電子設(shè)備。
本發(fā)明特別涉及用這樣的氮化鎵層制造的光電元件。
人們了解用于獲得較厚例如100-200微米GaN層的方法。常用方法是采用氯化物和氫化物的汽相外延(HVPE)法。該方法使用藍(lán)寶石基體，或者采用有機(jī)金屬化合物熱解汽相外延方法(EPVOM)制造的厚度200微米的處在藍(lán)寶石上的GaN層。然而，藍(lán)寶石與GaN之間的晶格參數(shù)存在差異，使得這些層中應(yīng)力積累導(dǎo)致產(chǎn)生裂紋，并妨礙除去藍(lán)寶石基體。任何的試驗(yàn)改進(jìn)(生長(zhǎng)開始時(shí)用GaCl處理藍(lán)寶石表面，沉積中間層ZnO)都沒有能夠解決這個(gè)問題。實(shí)際上，相對(duì)厚的GaN層的雙X衍射線(DDX)寬度至多約為300arcsec，這意味著結(jié)晶學(xué)質(zhì)量沒有超過用EPVOM法或用分子束外延(EJM)法制造的層的結(jié)晶學(xué)質(zhì)量。
換句話說，對(duì)于氮化物外延生長(zhǎng)法而言，藍(lán)寶石、ZnO、6H-SiC、LiAlO2均不屬于理想的基體(晶格與熱膨脹系數(shù)差異過大，熱不穩(wěn)定性)。
長(zhǎng)久以來，人們還知道激光(通過光泵激)對(duì)GaN產(chǎn)生的效應(yīng)。盡管以Ⅲ-Ⅴ氮化物為基的激光二極管已制造出來，但是構(gòu)成這些激光器結(jié)構(gòu)的氮化物層晶體質(zhì)量非常一般。測(cè)定出位錯(cuò)密度為109-1010厘米-2。
事實(shí)上，與上述較厚GaN外延層制造過程相關(guān)的缺陷明顯地延緩了有這樣一些外延層的激光二極管的發(fā)展，這些缺陷包括高殘留n，無合適的單晶和基體，無法實(shí)現(xiàn)P摻雜。
D．Kalponek等人在《晶體生長(zhǎng)雜志》，170(1997)340-343中提到，在屏蔽內(nèi)生成的開口中定位生長(zhǎng)氮化物，以便生成棱錐體結(jié)構(gòu)。不過該文件即沒有描述也沒有暗示通過花樣即小島聚結(jié)而生成光滑氮化鎵層的過程。
Y．Kato，S．Kitamura，K．Hiramatsu，N．Sawaki在《晶體生長(zhǎng)雜志》，144，133(1994)中描述了采用EPVOM法在藍(lán)寶石基體上選擇性生長(zhǎng)氮化鎵，在其藍(lán)寶石基體上已沉積一薄層氮化鎵，而該氮化鎵層用蝕刻的SiO2層屏蔽，以清除氮化鎵連續(xù)層。
但是，如下面將要描述的，這樣進(jìn)行的定位外延既不能進(jìn)行側(cè)向生長(zhǎng)，也不能各向異性生長(zhǎng)，。
EP 0 506 146描述了一種起作屏蔽作用的定位側(cè)向生長(zhǎng)方法，該方法采用平板印刷成形，以便定位生長(zhǎng)。這些光滑層實(shí)例均未涉及氮化鎵。這些實(shí)例提到在GaAs基體上GaAs均相外延，在InP基體上InP均相外延。
本發(fā)明方法的目的是獲得能夠制造其性能和壽命超過前面所得到的光電設(shè)備(具體是激光二極管)的晶體層。
本發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)，通過沉積適當(dāng)?shù)碾娊橘|(zhì)，接著沉積氮化鎵，再進(jìn)行退火處理一種基體，可導(dǎo)致生成幾乎無缺陷的氮化鎵小島。
通過熱處理將這樣一些生成的小島聚結(jié)起來可得到質(zhì)量極佳的氮化鎵層。
本發(fā)明首先涉及氮化鎵(GaN)層的制造方法，其特征在于該方法包括在基體上沉積一層作為屏蔽使用的電介質(zhì)，在通過外延沉積的條件下，用氮化鎵修復(fù)屏蔽的基體，以便誘導(dǎo)氮化鎵花樣沉積和所述花樣側(cè)向各向異性生長(zhǎng)，側(cè)向生長(zhǎng)直到不同花樣聚結(jié)為止。還可以使用術(shù)語小島代替花樣。
基體厚度一般是幾百微米(具體地約200)，基體可以選自藍(lán)寶石、ZnO、6H-SiC、LiAlO2、LiGaO2、MgAl2O4。該基體優(yōu)選地預(yù)先進(jìn)行氮化處理。
電介質(zhì)優(yōu)選地是SixNy類型，具體是Si3N4。還可列舉SiO2，但是其他的熟知電介質(zhì)也能夠使用。用硅烷和氨在氮化鎵生長(zhǎng)室中沉積電介質(zhì)。
優(yōu)選地，載氣是N2與H2的混合物。
根據(jù)第一種實(shí)施方式，電介質(zhì)層是單原子層，其中具有一原子平面數(shù)量級(jí)表面層。
然后，通過EPVOM外延修復(fù)基體。規(guī)則花樣即小島成長(zhǎng)。高分辨率的電子顯微鏡研究表明，在規(guī)則的花樣即小島中，GaN位錯(cuò)密度(因此被認(rèn)為沒有異質(zhì)外延應(yīng)力)大大低于通過在基體上直接沉積氮化鎵所產(chǎn)生的位錯(cuò)密度。于是，在電介質(zhì)表面上按照方向[10-10]側(cè)向進(jìn)行的，因此與藍(lán)寶石基體不存在外延關(guān)系的這種GaN生長(zhǎng)比通常方法可得到好得多的GaN晶體質(zhì)量。在得到所述花樣之后，還可以采用EPVOM法或者HVPE法繼續(xù)生長(zhǎng)。側(cè)向生長(zhǎng)直到小島聚結(jié)為止。由小島聚結(jié)而成的這些表面呈現(xiàn)優(yōu)于藍(lán)寶石上異質(zhì)外延層的結(jié)晶質(zhì)量。
一般分兩步沉積氮化鎵。第一步在溫度約600℃沉積將產(chǎn)生GaN花樣的緩沖層，然后在更高的溫度(約1000-1100℃)下由所述花樣生長(zhǎng)表層。
根據(jù)第二種實(shí)施方式，本發(fā)明涉及一種方法，其特征在于蝕刻電介質(zhì)層，以便確定開口并露出對(duì)照基體區(qū)域，并將已屏蔽與蝕刻的基體置于通過外延沉積氮化鎵的條件下，以便誘導(dǎo)氮化鎵花樣沉積在對(duì)照區(qū)域上并且使所述花樣側(cè)向和各向異性生長(zhǎng)，這種側(cè)向生長(zhǎng)則繼續(xù)進(jìn)行直到不同花樣聚結(jié)為止。
根據(jù)第三種實(shí)施方式，本發(fā)明涉及氮化鎵(GaN)外延層的制造方法，該方法包括在基體上沉積一薄層氮化鎵，其特征在于在所述氮化鎵薄層上沉積一層電介質(zhì)層，蝕刻該電介質(zhì)層，以便確定開口，并露出所述氮化鎵薄層區(qū)域，而該區(qū)域是對(duì)照的，將已外延、屏蔽與蝕刻的基體置于通過外延沉積氮化鎵的條件下，以便誘導(dǎo)氮化鎵花樣沉積在對(duì)照區(qū)域上并使所述花樣的側(cè)向各向異性生長(zhǎng)，側(cè)向生長(zhǎng)繼續(xù)進(jìn)行直到不同花樣聚結(jié)為止。
本發(fā)明方法的顯著特征在于，通過將定向外延、生長(zhǎng)的各向異性與側(cè)向生長(zhǎng)結(jié)合的方法，本發(fā)明的方法能夠限制因GaN與基體之間參數(shù)不一致所產(chǎn)生的缺陷密度，這樣便可以削弱外延應(yīng)力。
本發(fā)明的方法使用本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的沉積與蝕刻技術(shù)。
按照第二種實(shí)施方式，在生長(zhǎng)室中進(jìn)行電介質(zhì)沉積，其厚度為幾納米。然后，采用光刻法，確定電介質(zhì)層中的開口，于是露出基體表面的微米區(qū)域。
采用EPVOM法修復(fù)已屏蔽并蝕刻的基體。
該基體厚度一般為幾百微米(具體地，約200微米)，該基體可以選自藍(lán)寶石、ZnO、6H-SiC、LiAlO2、LiGaO2、MgAl2O4。
電介質(zhì)優(yōu)選地是SixNy，具體地是Si3N4。還可列舉SiO2，但也可使用其他熟知的電介質(zhì)。在氮化鎵生長(zhǎng)室中，采用硅烷和氨立即在上述基體上沉積電介質(zhì)。
根據(jù)第三種實(shí)施方式，首先采用EPVOM法在基體上使氮化鎵進(jìn)行外延。然后，在生長(zhǎng)室中進(jìn)行電介質(zhì)沉積，其厚度為幾納米。其次，采用光刻法，確定電介質(zhì)層中的開口，于是露出微米區(qū)域的氮化鎵表面。
采用EPVOM修復(fù)已外延、屏蔽并蝕刻的基體。
該基體厚度一般幾百微米(具體地，約200微米)，該基體可以選自藍(lán)寶石、ZnO、6H-SiC、LiAlO2、LiGaO2、MgAl2O4。
電介質(zhì)優(yōu)選地是SixNy，具體地是Si3N4。還可列舉SiO2，但也可使用其他熟知的電介質(zhì)。在沉積氮化鎵之后立刻在氮化鎵生長(zhǎng)室中采用硅烷和氨沉積電介質(zhì)。
具體地采用光刻法進(jìn)行電介質(zhì)蝕刻。
確定氮化硅層中點(diǎn)狀或呈帶狀開口，于是在微米花樣上露出氮化鎵表面。優(yōu)選地，這些開口是規(guī)則的多邊形，尤其是六邊形。有利地，點(diǎn)狀開口內(nèi)切半徑小于10微米的圓，而帶狀開口的寬度小于10微米，帶的長(zhǎng)度只受基體尺寸的限制。
開口之間的間隔是規(guī)則的，應(yīng)該能夠使氮化鎵定位外延，然后側(cè)向各向異性生長(zhǎng)。
一般地，與基體總表面積相比，清除的基體或氮化鎵表面積的比例是5-80％，優(yōu)選地是5-50％。
已發(fā)現(xiàn)，鎵原子沒有沉積在電介質(zhì)上，換句話說，這種電介質(zhì)蝕刻表面能使鎵原子濃縮在這些開口上。
然后，采用EPVOM法通過外延修復(fù)基體。該基體規(guī)則花樣即小島成長(zhǎng)。高分辨率的電子顯微鏡研究表明，在規(guī)則的花樣即小島中GaN位錯(cuò)密度在無異質(zhì)外延應(yīng)力時(shí)增加，在第三種具體實(shí)施方案的情況下大大低于在第一層GaN中存在的位錯(cuò)密度。于是，在電介質(zhì)表面上按照方向[10-10]側(cè)向生長(zhǎng)的GaN，因此與藍(lán)寶石基體不存在外延關(guān)系，這種GaN生長(zhǎng)比通常方法所達(dá)到的GaN晶體質(zhì)量要好得多。在得到規(guī)則的花樣網(wǎng)之后，還可以采用EPVOM法，或者采用HVPE法繼續(xù)進(jìn)行這種生長(zhǎng)。進(jìn)行側(cè)向生長(zhǎng)一直到小島聚結(jié)為止。這些由小島聚結(jié)而成的表面的結(jié)晶質(zhì)量?jī)?yōu)于藍(lán)寶石上的異質(zhì)外延層。
因此，該方法新穎之處在于應(yīng)用生長(zhǎng)的各向異性以誘導(dǎo)側(cè)向生長(zhǎng)直到聚結(jié)為止，因此在無應(yīng)力的條件下得到連續(xù)的GaN層。使用具有較低缺陷密度的通過定位外延得到的氮化鎵花樣即小島進(jìn)行側(cè)向生長(zhǎng)。
根據(jù)一種具體實(shí)施方案，使用未摻雜的氮化鎵進(jìn)行外延修復(fù)。
根據(jù)另外一種具體實(shí)施方案，使用摻雜劑摻雜的氮化鎵進(jìn)行外延修復(fù)，摻雜劑選自鎂、鋅、鎘、鈹、鈣、碳，尤其是鎂。事實(shí)上，使用摻雜劑，具體是鎂摻雜氮化鎵，會(huì)改變GaN生長(zhǎng)方式，與按照方向生長(zhǎng)速度相比，這種摻雜還會(huì)導(dǎo)致沿方向<10-11>生長(zhǎng)速度增加。優(yōu)選地，摻雜劑／Ga摩爾比高于0，而小于或等于1，有利地小于0．2。
根據(jù)另外一種有利的具體實(shí)施方案，分兩個(gè)階段進(jìn)行外延修復(fù)。
第一階段，在垂直生長(zhǎng)的各向異性條件下，使用未摻雜的氮化鎵在已蝕刻的或厚度為埃數(shù)量級(jí)的電介質(zhì)上進(jìn)行沉積，然后在摻雜劑存在下，繼續(xù)沉積氮化鎵，以利于可導(dǎo)致花樣聚結(jié)的側(cè)向生長(zhǎng)。
本發(fā)明還涉及氮化鎵外延層，其特征在于這些層可采用上述方法得到。有利地，這些層的缺陷密度低于在現(xiàn)有技術(shù)中達(dá)到的密度，具體地低于約109厘米-2。
優(yōu)選地，外延層的厚度是1-1000微米，視具體情況而定，該外延層在分離基體后是自承載的。
本發(fā)明尤其適用于裝有前述氮化鎵外延層的激光二極管的制造過程中。
現(xiàn)在描述幾種與附

圖1-8和實(shí)施例相關(guān)的本發(fā)明方法的實(shí)施方式。
圖1是本發(fā)明氮化鎵層的橫剖面示意圖。
圖2是一張照片，顯示出當(dāng)電介質(zhì)中的開口是點(diǎn)狀時(shí)，由非摻雜氮化鎵定位外延時(shí)生成的規(guī)則棱錐體花樣。
圖3是由氮化鎵定位的截頭六角棱錐體在垂直于[11-20]方向上的剖面圖。
圖4表明WT、WB和H(微米)值隨生長(zhǎng)時(shí)間(分鐘)的變化。WT、WB和H如圖3所定義。
圖5表明沿方向和<10-11>，TMGA摩爾流的標(biāo)準(zhǔn)化生長(zhǎng)速度隨汽相中Mg／Ga摩爾比的變化。
圖6是通過用鎂摻雜GaN定位外延修復(fù)所得到的觀測(cè)棱錐體照片。圖6表明雜劑鎂對(duì)GaN生長(zhǎng)方式的有利影響，在于它能夠使花樣以明顯地更快速度聚結(jié)，導(dǎo)致生成連續(xù)的氮化鎵層，而沒有與外延相關(guān)的應(yīng)力。
圖7是在實(shí)施例5的生長(zhǎng)過程中所得到的棱錐體的透射電子顯微鏡照片。
圖8是在實(shí)施例5的生長(zhǎng)過程中所得到的棱錐體的掃描電子顯微鏡照片。
實(shí)施例1未摻雜氮化鎵層的沉積使用一種適合在大氣壓力下操作的垂直反應(yīng)器，該反應(yīng)器用于有機(jī)金屬化合物熱解汽相外延。在厚度200微米藍(lán)寶石(0001)1基體上，在1080℃通過有機(jī)金屬化合物熱解汽相外延沉積一薄層氮化鎵2，其厚度為2微米。鎵源是三甲基鎵(TMGa)，氮源是氨。在許多文獻(xiàn)中都描述過這樣的方法。
試驗(yàn)條件如下載氣是H2和N2等比例混合物(4sl／mn)。氨是用分開的管道加入(2sl／mn)。
在第一個(gè)氮化鎵表層生長(zhǎng)之后，通過分別以流量50sccm和2slm使用SiH4與NH3沉積一層很薄的氮化硅薄膜層3作為屏蔽層，以便后面選擇性生長(zhǎng)氮化硅。
用透射電子顯微鏡對(duì)橫剖面進(jìn)行觀察表明，得到的屏蔽層構(gòu)成了連續(xù)的無定形層，其厚度約2納米。由于未測(cè)定這種薄膜的化學(xué)計(jì)量，該說明書后面將使用術(shù)語SiN。不過，似乎是其化學(xué)計(jì)量對(duì)應(yīng)于術(shù)語Si3N4。盡管該SiN層極薄，但是該層顯示出是一層具有極好選擇性的屏蔽層。這時(shí)，采用光刻法進(jìn)行蝕刻，與進(jìn)行反應(yīng)性離子侵蝕，以便清除由直徑10微米圓外切的六角形開口4。在屏蔽層中，兩個(gè)相鄰開口中心之間的距離是15微米。使用在與氮化鎵標(biāo)準(zhǔn)生長(zhǎng)所使用的相同條件下(除TMGa流量外)蝕刻的試樣，為沉積氮化鎵而在露出的氮化鎵區(qū)域5進(jìn)行外延修復(fù)。TMGa流量固定在一個(gè)較低的值(典型地，對(duì)于采用非摻雜氮化鎵進(jìn)行的試驗(yàn)而言為16微摩爾／分)，為的是避免由于在區(qū)域5非常有效地收集可碰到屏蔽層表面的鎵原子造成的高生長(zhǎng)速度。定位外延顯示了在方向上氮化鎵6的生長(zhǎng)速度Vc實(shí)際上與兩個(gè)開口之間的間隔成比例。
此外，甚至對(duì)于很大的間隔，在SiN上也未觀察到任何成核現(xiàn)象。因此，由此可得出GaN的成核與生長(zhǎng)選擇性地在開口5進(jìn)行。因此，屏蔽的表面起著將這些原子引向開口的濃縮器的作用。
或者就地采用激光反射儀，或者然后采用掃描電子顯微鏡(MEB)以俯視或剖視測(cè)定生長(zhǎng)速度。
圖2是MEB照片，該照片顯示了棱錐體的變化。
圖3是氮化鎵定位截頭六邊棱錐體的與[11-20]方向垂直的剖面圖，WT、WH和H是時(shí)間t的函數(shù)，θR是限定這些平面的(0001)與(10-11)之間的角度。WBO是屏蔽層SiN中開口的寬度。
圖4表明WT、WB和H值(微米)隨生長(zhǎng)時(shí)間(分鐘)的變化。通過試驗(yàn)點(diǎn)的線性回歸分析，可得到下述結(jié)果VR=2．1微米／小時(shí)(沿方向[10-11]側(cè)向速度)，VC=13微米／小時(shí)(沿方向速度)，WBO=7．6微米，θR=62．1°。
當(dāng)Wt=O-t0(圓錐體頂?shù)膶挾葹榱?時(shí)，高度H隨由式VR／cos(θR)給出的較低速度而改變。
應(yīng)注意到，使用同樣組成的蒸汽相時(shí)，與在基體上標(biāo)準(zhǔn)外延(0001)測(cè)定的速度1微米／小時(shí)相比，VC是極高的。因此，VR／VC比僅為約0．15。
實(shí)施例2在氣相中添加鎂時(shí)氮化鎵層的沉積重復(fù)實(shí)施例1的試驗(yàn)，只是加入2．8微摩爾／分汽相(MeCp)2Mg。使用條件是生長(zhǎng)時(shí)間30分鐘，生長(zhǎng)溫度1080℃，TMGa 16微摩爾／分，N2、H2和NH3各為2sl／分。
圖6表明，鎂的存在增加了VR／VC比，明顯地超過了cos(θR)界限，因此頂部平面(0001)增寬。
(MeCp)2Mg的存在不會(huì)對(duì)生長(zhǎng)的選擇性產(chǎn)生不利影響，但是有利地改變生長(zhǎng)的各向異性。
實(shí)施例3Mg／Ga摩爾比的影響圖5表明，在和[10-11]方向，在TMGA摩爾流中標(biāo)準(zhǔn)化生長(zhǎng)速度隨汽相中Mg／Ga摩爾比的變化。
實(shí)際上，選擇保持(MeCp)2Mg物流恒定，并改變TMGA的量。這樣能夠保證，在生長(zhǎng)小島表面上Mg的濃度對(duì)于任何試樣來說都是相同的。
由于通過提供的鎵量可線性地控制生長(zhǎng)，所以為比較起見，使其生長(zhǎng)速度標(biāo)準(zhǔn)化。
當(dāng)Mg／Ga摩爾比從0變化到0．17時(shí)，VNC從0．8微米／小時(shí)／微摩爾快速降低到0．1微米／小時(shí)／微摩爾，而VNR從0．16微米／小時(shí)／微摩爾增加到0．4微米／小時(shí)／微摩爾。虛線是通過外推得到的VR／VC比曲線。右側(cè)縱坐標(biāo)是VR／VC。
該曲線表明，加入Mg因改變了生長(zhǎng)的各向異性而能夠很容易地控制棱錐體的結(jié)構(gòu)。由此認(rèn)為，Mg起著表面活性劑的作用，因此有利于在面{10 11}上吸附鎵，但是，相反地，阻止在面(0001)上吸附鎵。
實(shí)施例4分兩次沉積氮化鎵層首先，在與實(shí)施例1相似的操作條件下，通過外延修復(fù)實(shí)施本發(fā)明的方法。
在適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)器中在如藍(lán)寶石之類的結(jié)晶基體上以外延方式預(yù)先沉積的GaN層上沉積SiN屏蔽層。然后，在屏蔽層中開線性口，其寬度為5微米，間隔為5微米，以便清除下層區(qū)域。線性開口有利地沿GaN的[10-10]方向取向，不過該實(shí)施例所述方法的具體實(shí)施方案也能夠進(jìn)行具體地沿GaN的[10-20]線性開口的其他取向。
在這樣的操作條件下，即GaN花樣按方向的生長(zhǎng)速度充分地超過所述花樣在斜側(cè)面上按正交方向的生長(zhǎng)速度，采用非有意摻雜的GaN進(jìn)行在已清除區(qū)域上的外延修復(fù)。在這樣一些條件下，生長(zhǎng)的各向異性導(dǎo)致面(0001)消失。當(dāng)GaN花樣面(0001)確已消失時(shí)，終止實(shí)施本發(fā)明方法的第一個(gè)階段。在第一個(gè)階段結(jié)束后，GaN花樣為帶狀，其截面是三角形。但是，可繼續(xù)進(jìn)行第一個(gè)階段直到GaN花樣聚結(jié)為止，以便完全覆蓋屏蔽層。在這種情況下，已聚結(jié)的GaN花樣截面是折線。
第二個(gè)階段是在第一實(shí)施階段產(chǎn)生的GaN花樣上，用摻雜的GaN，具體地用實(shí)施例2或3的鎂外延修復(fù)。在加入摻雜劑的作用下，生長(zhǎng)的各向異性有利于GaN花樣的平面化(planarisation)。在第一階段得到的每個(gè)GaN花樣頂部再次出現(xiàn)面C。在第二階段，隨著面C增大以及與此相反地側(cè)表面減少，摻雜的GaN花樣成長(zhǎng)。該實(shí)施例方法的第二階段在側(cè)面消失時(shí)結(jié)束，由摻雜GaN聚結(jié)花樣生成的沉積上表面這時(shí)是平的。
如上所述，分兩階段實(shí)施本發(fā)明方法，一方面得到平的GaN層，因此該層可用作用于設(shè)備結(jié)構(gòu)，具體地激光二極管結(jié)構(gòu)通過外延修復(fù)實(shí)現(xiàn)最終沉積的GaN基體，但是，另一方面導(dǎo)致所述基體晶體質(zhì)量獲得非常有利的改善。事實(shí)上，下面GaN層的晶體缺陷線通過屏蔽層中開口在第一階段產(chǎn)生的未摻雜的GaN花樣中垂直地蔓延。但是在沉積摻雜GaN花樣的第二階段期間，這些缺陷線彎曲。由此得出缺陷線沿與屏蔽的GaN層表面平行的方向蔓延。
由于缺陷蔓延方向改變，由GaN花樣聚結(jié)而成的上表面，在與如GaN激光二極管之類電子設(shè)備尺寸相容的范圍內(nèi)，幾乎沒有出現(xiàn)缺陷。
實(shí)施例5直接在用電介質(zhì)屏蔽的基體上沉積氮化鎵層在這個(gè)實(shí)施例中，說明通過處理達(dá)到在基體上自生氮化鎵花樣即小島的方法，該處理方法是用電介質(zhì)薄膜，具體地用厚度數(shù)量級(jí)為埃的氮化硅覆蓋基體。該方法能夠有利地避免通過采用如光刻法與化學(xué)侵蝕之類的復(fù)雜技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)外蝕刻屏蔽層。
使用適用于通過有機(jī)金屬化合物熱解汽相外延的外延生長(zhǎng)反應(yīng)器。確切地，將通過在3∶1的H2SO4∶H3PO4酸溶液中除油和酸洗以化學(xué)方法預(yù)先準(zhǔn)備的基體，具體是藍(lán)寶石基體(0001)，升溫到約1050-1080℃，以使基體與NH3流接觸約10分鐘而被氮化。在這個(gè)氮化步驟之后，在基體表面上生成非常薄的氮化硅薄膜，該薄膜是在溫度1080℃下通過NH3與硅烷SiH4反應(yīng)得到的，其反應(yīng)時(shí)間足夠短，以便將薄膜厚度限制在原子平面的厚度。
操作條件如下載氣是等比例氮與氫混合物(4sl／分)。加入氨的流量為2sl／分，而在氫中稀釋到50ppm的硅烷加入流量為50scc／分。在這些條件下，NH3與SiH4反應(yīng)典型時(shí)間是約30秒。
采用激光反射儀(LR)和透射電子顯微鏡(TEM)監(jiān)測(cè)后續(xù)步驟。
在生成電介質(zhì)層之后，在電介質(zhì)薄膜上沉積連續(xù)的厚度為20-30納米的氮化鎵層。GaN層的沉積在約600℃的低溫下進(jìn)行。
在GaN層沉積之后，在約1080℃高溫下進(jìn)行GaN層退火。在溫度升高以及在載氣中有足夠量氫氣和在GaN層下有非常薄的電介質(zhì)薄膜存在的共同作用下，所述GaN層的形態(tài)受到因質(zhì)量轉(zhuǎn)移導(dǎo)致的固相重結(jié)晶造成的深刻變化。當(dāng)溫度接近1060℃時(shí)，可看到緩沖層的反射率突然降低。起始連續(xù)的緩沖層這時(shí)轉(zhuǎn)化成由氮化鎵小島生成的不連續(xù)層。
在這種自生就地重結(jié)晶過程之后，得到結(jié)晶質(zhì)量非常好的GaN花樣即小島，同時(shí)由于電介質(zhì)層厚度非常小，所以還保持了與該基體的外延關(guān)系。通過使區(qū)域或電介層裸露，可將GaN花樣或小島彼此分開。小島的特征高度是約2400埃。透射電子顯微鏡的觀察結(jié)果表明這些小島趨于呈截頭的棱錐體(圖7)。
圖8是一種試樣的掃描電子顯微圖片，該試樣是在為使小島尺寸增加而改變的操作條件下得到的，其尺寸增加到可與采用光刻法在現(xiàn)場(chǎng)外制成的屏蔽層開口(參見實(shí)施例1)中得到的小島即花樣的微米值相同為止。
當(dāng)在試樣表面上用氮化鎵進(jìn)行后續(xù)外延修復(fù)時(shí)，電介質(zhì)層被裸露的電介質(zhì)區(qū)域作為圖1屏蔽層起作用，于是自生的GaN花樣即小島與在該屏蔽層(參見圖1)現(xiàn)場(chǎng)外制成的開口(參見圖1)中定位的GaN花樣(參見圖1或圖2)相似。確切地，GaN花樣即小島因側(cè)向垂直生長(zhǎng)而擴(kuò)展。
于是，通過GaN花樣聚結(jié)得到GaN層，GaN花樣的缺陷密度為約108厘米-2，比在根據(jù)通常方法制造的氮化鎵層中的缺陷密度小兩個(gè)數(shù)量級(jí)。
因此，在上述實(shí)施例所述方法的具體實(shí)施方案中，尤其是實(shí)施例4描述的分兩個(gè)階段的具體實(shí)施方案，可以有利地避免使用現(xiàn)場(chǎng)外在屏蔽層中蝕刻開口的方法，該方法可以用前述就地自生GaN小島即花樣代替，控制它們的幾何形狀和分散已不再是達(dá)到改善用這種方法生成的GaN層質(zhì)量的前提條件。
權(quán)利要求
1.氮化鎵(GaN)外延層的制造方法，其特征在于該方法包括在基體(1)上沉積作為屏蔽層使用的電介質(zhì)層(3)，在采用外延沉積的條件下，使用氮化鎵修復(fù)屏蔽的基體，以便誘導(dǎo)氮化鎵花樣沉積和所述花樣的側(cè)向各向異性生長(zhǎng)(6)，側(cè)向生長(zhǎng)繼續(xù)進(jìn)行直到不同花樣聚結(jié)為止。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的氮化鎵(GaN)外延層的制造方法，其特征在于基體選自藍(lán)寶石、ZnO、6H-SiC、LiAlO2。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的氮化鎵(GaN)外延層的制造方法，其特征在于電介質(zhì)層是SixNy類層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)的氮化鎵(GaN)外延層的制造方法，其特征在于電介質(zhì)層是單原子層或原子平面數(shù)量級(jí)表面層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)的氮化鎵(GaN)外延層的制造方法，其特征在于蝕刻電介質(zhì)層，以便確定開口和露出對(duì)照基體區(qū)域，并將已蝕刻的屏蔽基體置于外延沉積氮化鎵的條件下，以誘導(dǎo)氮化鎵花樣在對(duì)照區(qū)域上沉積和所述花樣側(cè)向各向異性生長(zhǎng)(6)，側(cè)向生長(zhǎng)繼續(xù)進(jìn)行直到不同花樣聚結(jié)為止。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)的氮化鎵(GaN)外延層的制造方法，該方法包括在基體(1)上沉積一薄層氮化鎵(GaN)(2)，其特征在于-在所述氮化鎵(GaN)薄層上沉積一層電介質(zhì)層(3)，-蝕刻該電介質(zhì)層以便確定開口(4)和露出所述氮化鎵對(duì)照薄層的區(qū)域(5)，-將蝕刻的屏蔽外延基體置于外延沉積氮化鎵的條件下，以便誘導(dǎo)氮化鎵花樣在對(duì)照區(qū)域上沉積和所述花樣側(cè)向各向異性生長(zhǎng)(6)，側(cè)向生長(zhǎng)繼續(xù)進(jìn)行直到不同花樣聚結(jié)為止。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6的氮化鎵(GaN)外延層的制造方法，其特征在于這些開口呈點(diǎn)狀或帶狀。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的氮化鎵(GaN)外延層的制造方法，其特征在于這些點(diǎn)狀開口呈規(guī)則多邊形，具體地是六邊形。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8的氮化鎵(GaN)外延層的制造方法，其特征在于這些點(diǎn)狀開口內(nèi)切于半徑小于10微米的圓中。
10.根據(jù)權(quán)利要求7的氮化鎵(GaN)外延層的制造方法，其特征在于這些帶狀開口的寬度小于10微米。
11.根據(jù)權(quán)利要求5-10中任一項(xiàng)的氮化鎵(GaN)外延層的制造方法，其特征在于與基體總表面積相比，已清理的氮化鎵或基體的比例是5-80％，有利地5-50％。
12.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的氮化鎵(GaN)外延層的制造方法，其特征在于屏蔽的、蝕刻的并且視具體情況而定經(jīng)過外延的基體用非摻雜氮化鎵修復(fù)。
13.根據(jù)權(quán)利要求1-11中任一項(xiàng)的氮化鎵(GaN)外延層的制造方法，其特征在于屏蔽的，蝕刻的并且視具體情況而定經(jīng)過外延的基體使用被摻雜劑摻雜的氮化鎵修復(fù)，所述摻雜劑選自鎂、鋅、鎘、鈹、鈣、碳、硅、鍺。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的氮化鎵(GaN)外延層的制造方法，其特征在于摻雜劑／Ga摩爾比高于0，而小于或等于1，優(yōu)選地是0-0．2。
15.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的氮化鎵(GaN)外延層的制造方法，其特征在于載氣是N2∶H2混合物。
16.根據(jù)權(quán)利要求13或14的氮化鎵(GaN)外延層的制造方法，其特征在于屏蔽的，蝕刻的并且視具體情況而定經(jīng)過外延的基體用a)非摻雜的氮化鎵，b)然后用摻雜的氮化鎵修復(fù)。
17.氮化鎵外延層，其特征在于該層能夠采用權(quán)利要求1-16中任一項(xiàng)的方法得到。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的氮化鎵外延層，其特征在于該層厚度為1至1000微米，其特征還在于該層視具體情況而定與其基體分離。
19.光電元件，具體地激光二極管，其特征在于配備有權(quán)利要求17或18的氮化鎵外延層。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種氮化鎵(GaN)外延層的制造方法,其特征在于該方法包括在基體上沉積作為屏蔽層使用的電介質(zhì)層,在外延沉積的條件下使用氮化鎵修復(fù)屏蔽基體,以便誘導(dǎo)氨化鎵花樣沉積和所述花樣的側(cè)向各向異性生長(zhǎng),側(cè)向生長(zhǎng)繼續(xù)進(jìn)行直到不同花樣聚結(jié)為止?？梢栽诂F(xiàn)場(chǎng)外通過蝕刻電介質(zhì)或就地通過處理基體實(shí)施氮化鎵花樣沉積方法,該處理過程包括用厚度為埃數(shù)量級(jí)的電介質(zhì)薄膜覆蓋基體。本發(fā)明還涉及能夠采用該方法得到的氮化鎵層。
文檔編號(hào)H01L33/00GK1279733SQ9881143
公開日2001年1月10日 申請(qǐng)日期1998年10月15日 優(yōu)先權(quán)日1997年10月20日
發(fā)明者B·比尤蒙特, P·吉巴爾特, J－C·古勞姆, G·納塔夫, M·維爾, S·哈佛茲 申請(qǐng)人:國(guó)家科研中心