[发明专利]接续氢化物汽相外延

说明书

发明背景

发明领域

本发明涉及周期表中III-V族元素的一些化合物的外延生长。本发明还涉及通过接续沉积过程在非天然基片上生长外延薄膜。本发明进一步涉及在薄膜外延生长过程中通过一种生长系统被反复清洁的方法来生长外延薄膜。

相关技术背景

氢化物汽相外延(HVPE)是各种半导体如氮化镓(GaN)外延生长的重要技术。氮化镓一出现便成为一种重要的技术材料。例如，GaN目前是用来生产各种兰光发射二极管，半导体激光器，以及其它光电子器件。下面用HVPE来沉积GaN外延层作为例子，来讨论相关技术背景。

在HVPE系统中，GaN的生长是由于高温和氯化镓(GaCl)与氨(NH₃)之间的汽相反应而进行。这两种气体被导向一个加热的基片，在基片上它们相遇并反应而在基片表面上产生固体GaN。然而，还存在与HVPE有关的某些困难。例如，这些反应剂气体能够在达到基片之前反应，而导致GaN的过早沉积，亦即GaN沉积在非目标的表面上。基片是典型地安装一个衬托器上，该衬托器与气体流的方向安置成某一角度(例如可参见图2)。整个衬托器，不只是基片，被保持在进行沉积所需要的高温中。因而，固体GaN的生长会发生在基片上游的衬托器上。这种上游GaN沉积对在基片上的晶体生长具有负面或不利后果。首先，固体GaN的沉积会趋于阻塞朝向基片流动的反应剂气体的适当流动。而且，当不需要的GaN沉积不断累积而超过一定厚度时，它们便趋于与外延层合并。不需要的GaN沉积与外延层相合并，会降低GaN外延层的均匀度并导致一种劣质产品。而且，在上游发生的不希望的GaN沉积，在外延层生长过程中会产生一些沉积在基片上的颗粒，从而导致外延层具有粗糙的表面和较差的结晶质量。

根据在基片上形成GaN厚层的一些已有技术方法，在衬托器区段上的过多沉积在GaN薄膜生长过程中会达到成问题的程度。然而，通过反复中断生长循环和接续在基片上形成外延层，可在原地从衬托器上和其它系统组件上除去不需要的沉积物，其方法是取出样品并将蚀刻气体通过反应器。虽然这种接续外延生长法更加耗费时间，但却能提供具有改善表面形态的外延层。

而且，生长循环的重复中断(这是这种接续外延生长的特征)，对解决用HVPE方法来进行GaN外延沉积的第二个缺点(碎裂问题)具有附加的优点。目前还不可能制造有用尺寸大小的整体GaN晶体作为半导体生产的基片。因而，GaN薄膜是通过在非天然基片材料上沉积来制造。然而，在非天然基片与GaN层之间存在着热学性能的不相匹配问题。在GaN层外延生长完成之后，需将样品从HVPE反应器中取出。这涉及将样品从生长温度冷却到环境温度。在冷却过程中，在基片与外延层之间的热学不匹配性会引起样品中的应力增加。在相当厚的GaN层的情况下，完整的样品常会碎裂成无用的小块。通过接续形成许多层相对薄的外延层并使样品冷却，在每层沉积之间由于热学不匹配性引起的应力便周期性地被耗散掉，这样便可防止整体样品的碎裂。因而，本发明接续外延生长还可解决现有技术上在非天然基质上外延薄膜生长的分裂问题。

Fan等人的美国专利号4,632,712及该专利的继续号5,091,333披露了一种减少半导体中断层位错的方法，其中半导体的生长被中断和用热循环来捕获在外延生长初始阶段中的位错，以此来减少在活性顶层中的位错密度。通过冷却或加热沉积部位，或者加热与冷却相结合的方法，可以捕获位错。

Takasaki的美国专利No.5,424,243披露了一种形成化合物半导体结构的方法，在其中一种III-V族化合物的堆垛的非晶形层经受循环退火过程。该退火过程会引起在GaAs晶体层中存在的晶体缺陷移向非晶形GaAs层并被其吸收。

Moustakas的美国专利No.5,686,738透露了一种通过分子束外延法来制备GaN单晶薄膜的方法。是用一个低温成核步骤(在100-400℃)和一个高温生长步骤(在600-900℃)的两步过程来进行生长。

Moon的美国专利No.4,246,050透露了用于生长一种晶格的液相外延法，该晶格是通过一种AlGaAsSb分级(grading)层与GaAs基片上的GaAsSb层相匹配。通过一步冷却工序使位错缺陷更加均匀地分布于生长层的整个表面上。

发明概述