[发明专利]低位错密度GaN的生长工艺有效

专利信息
申请号: 200680051917.8 申请日: 2006-12-15
公开(公告)号: CN101336314A 公开(公告)日: 2008-12-31
发明(设计)人: B·博蒙;J-P·福里;P·吉巴特 申请(专利权)人: 卢米洛格股份有限公司
主分类号: C30B29/40 分类号: C30B29/40;C30B25/02;H01L21/20
代理公司: 北京戈程知识产权代理有限公司 代理人: 程伟
地址: 法国瓦*** 国省代码: 法国;FR
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摘要:
搜索关键词: 低位 密度 gan 生长 工艺
【说明书】:

技术领域

发明涉及一种在衬底生长低位错密度的GaN的工艺,特别涉及 仅通过生长条件控制材料的侧向和纵向生长速率的外延生长工艺。同 时也涉及具有由这种方法形成的GaN晶体的氮化物半导体晶片以及由 此生产的氮化物半导体器件。

背景技术

GaN基的复合半导体,例如氮化镓(GaN)、三元合金、氮化铟镓 (InGaN)、氮化镓铝(GaAlN)、甚至四元化合物(AlGaInN)都是直 接带隙半导体。其带隙覆盖了从可见光到紫外光(UV)的波长。因此, 氮化物合金半导体被认为在短波长发射方面是很有潜力。GaN被用在 发光二极管(LED)、蓝-紫激光二极管(LD)以及紫外(UV)探测器 的制造中。下一代高密度光盘系统(蓝光DVD以及HD-DVD)将要求 GaN蓝紫激光二极管。此外,在光电子领域中,由于其固有的属性(宽 的带隙、高的热和化学稳定性、以及高的电子饱和速度),GaN将被应 用在高温电子器件的制造中。

不幸的是,氮化物材料的发展受这些材料的加工技术中的问题的 影响。发展III-N器件的一个最重要的问题就是缺少可接受的可用区域 的GaN体衬底或缺少用来生长低缺陷密度的III-N层的晶格匹配的衬 底。自然界中没有发现GaN,它不能熔化,也不能像Si、GaAs或蓝宝 石那样由人造宝石拉制而成,因为在常压下,它的理论熔化温度超过 了其位错温度。当尝试获得能够为器件制造提供合适衬底的任一III族 氮化物的大面积晶体时显得很困难。GaN体晶体可以在液态Ga中通过 高压高温熔化生长来生成。该技术在以前就已经被发展,但是衬底的 大小(~1cm2)以及潜在的大规模产量远远没有达到工业化要求。尽管 通过应用这种方法已经达到低的缺陷密度~102-105cm-2(I.Grzegory 和S.Porowski,Thin Solid Films(固体薄膜),367,281(2000))。

现在用来制造相对高质量的GaN以及相关层的技术都涉及在适当 的但是并不理想的衬底上异质外延沉积GaN层。目前这样的衬底包括 (但不局限于此)蓝宝石、Si、GaAs或者SiC。所有异质外延衬底都 面临着在晶格和热失配方面GaN的高质量沉积的挑战。晶格失配是由 于不同晶体中的原子内部空间差异引起的。热失配是由不同材料的热 扩散系数差别引起的。

由于蓝宝石衬底的晶格常数与GaN的不一样,因此不能在蓝宝石 衬底上直接生长连续的GaN单晶膜。因此,已经提出一种新的工艺, 该工艺在以低温在蓝宝石衬底上生长的AlN或者GaN缓冲层中释放晶 格应变,然后在其上面生长GaN,该工艺现在已经成为一种常规工艺。 采用以低温生长的氮化层作为缓冲层可以实现GaN的单晶外延生长。 然而,这种方法仍然不能补偿衬底和晶体间的晶格失配,GaN膜仍然 存在大量的缺陷。

蓝宝石和SiC已经成为III-N生长的标准衬底,尽管其存在显著的 晶格失配。这样大的失配将导致形成非常高密度的穿透位错TD (~109cm-2)和最终的裂缝。也同样应该考虑热失配。特别是生长GaN 后,随着样品冷却至室内温度,热扩散(收缩)速率的差别在两种材 料的界面处引起高的应力。蓝宝石的热扩散系数比GaN的高。随着蓝 宝石衬底和GaN层冷却变凉,界面处的失配将使GaN处于压缩而蓝宝 石处于拉伸状态。因此,应力的大小直接与沉积的GaN厚度有关,膜 越厚,应力越大。膜厚度在大约10微米以上时,应力将超过GaN的 破裂极限,可能会导致膜的破裂。与高位错密度相比,更不愿意看到 层中的裂缝,因为它们在加工器件结构过程中还将传播。GaN、蓝宝 石或者SiC的外延的所有技术发展都旨在降低TD密度并且避免裂缝的 产生。

延长缺陷的存在(穿透位错、层错以及反相畸界)将导致性能显 著恶化并使得器件使用寿命缩短。更具体地,位错表现为非发光中心, 因此将降低了采用这些材料制成的发光二极管和激光二极管的发光效 率。这些位错同样会增加暗电流。尽管穿透位错没有阻止高亮度发光 二极管的发展,但是位错将在例如高电子迁移率晶体管、场效应晶体 管以及其它电子器件的p-n结器件中导致过多的反向偏置漏电流。此 外,这些位错可以作为载流子的强散射中心,因此降低了电子和空穴 的迁移,限制了很多半导体器件的性能。

目前已经提出了很多用于降低TD和其它延长缺陷密度的方法。

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