[发明专利]用于利用HVPE工艺异质外延沉积III族氮化物半导体材料的改进的模板层

说明书

技术领域

本发明的实施例一般涉及用于在基材上沉积III族氮化物材料的方法，以及通过这种方法形成的结构。更特别地，本发明的实施例涉及用于在包括生长模板层的基材上沉积III族氮化物材料的方法，以及通过这种方法形成的结构，所述生长模板层包括金属氮化物材料。

背景技术

化学汽相沉积（CVD）是用于在基材上沉积固体材料的化学工艺，并且通常用在半导体设备的制造中。在化学汽相沉积工艺中，将基材暴露在一种或多种试剂气体中，所述一种或多种试剂气体以在基材表面上产生固体材料的沉积的方式反应、分解或者反应和分解两者。

一种特殊类型的CVD工艺在本领域中被称为汽相外延（VPE）。在VPE工艺中，将基材暴露在反应室中的一种或多种试剂蒸气中，所述一种或多种试剂蒸气以在基材表面上产生固体材料的外延沉积的方式反应、分解或者反应和分解两者。VPE工艺通常用于沉积III-V型半导体材料。当VPE工艺中的试剂蒸气中的一种包括卤化物蒸气时，该工艺可称为卤化物汽相外延（HVPE）工艺。

利用VPE工艺形成III族氮化物半导体材料（例如氮化镓（GaN））是本领域已知的，在VPE工艺中金属有机（MO）前体材料在反应室中分解以形成III族氮化物半导体材料。这种工艺通常被称为金属有机汽相外延（MOVPE）工艺，并且可被描述为金属有机化学汽相沉积（MOCVD）工艺。在沉积所需的主体III族氮化物半导体材料之前，通常利用若干连续预沉积工艺来进行这种MOPVE工艺。这些连续预沉积工艺可包括生长基材（例如，蓝宝石基材）的高温氢气烘培、生长基材的氮化、在相对较低的温度下在生长基材上III族氮化物材料的成核模板层的形成、在相对较高的温度下成核模板层的退火、成核模板层的聚结（coalescence），以及最后在成核模板层上主体III族氮化物材料层的生长。

HVPE工艺还用于形成例如氮化镓（GaN）的III族氮化物半导体材料。在这种工艺中，在基材上GaN的外延生长可源自在反应室中在约500°C和约1,000°C之间的高温下进行的氯化镓（GaCl）和氨（NH₃）之间的汽相反应。NH₃可从NH₃气体的标准来源提供。在某些方法中，通过在经加热的液态镓（Ga）上通过氯化氢（HCl）气体（该HCl气体可从HCl气体的标准来源提供）提供GaCl蒸气，以在反应室中原位形成GaCl。液态镓可被加热到约750°C和约850°C之间的温度。GaCl和NH₃可被引导至经加热的基材（例如半导体材料的晶片）的表面（例如，之上）。2001年1月30日授权给Solomon等人的美国专利No.6,179,913公开了一种在这种系统和方法中使用的气体喷射系统。

HVPE工艺目前广泛用于在蓝宝石上生长相对较厚的GaN层，主要是因为可通过HVPE工艺获得相对较快的生长速率，该生长速率为每小时几十到几百微米。然而，利用HVPE生长厚GaN层通常需要通过金属有机汽相化学沉积（MOCVD）生长的GaN模板层。在没有这种GaN模板层的情况下，当厚度超过某些值时，直接在蓝宝石上生长的GaN层通常会开裂。

发明内容

提供本发明内容以便以简化形式介绍概念的选择，所述概念在本发明的某些示例实施例的以下详细描述中进一步描述。本发明内容不旨在确定所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于限制所要求保护的主题的范围。

希望提供可用于利用HVPE工艺直接在非同质基材（例如，蓝宝石）上形成相对较厚的III-V型半导体材料（例如，III族氮化物半导体材料（例如，GaN））的层的方法和系统。

在某些实施例中，本发明包括在基材上沉积III族氮化物半导体材料的方法。这种方法可涉及使用金属三氯化物前体和金属四氯化物前体。根据这种方法，在成核HVPE工艺阶段中，在基材表面上沉积III族氮化物半导体材料的层，以形成具有纳米结构的成核层，所述成核层包括至少一些纤锌矿微晶和一些非晶III族氮化物半导体材料。将所述成核层退火以在基材表面上形成至少基本上纤锌矿成核材料的晶岛。在聚结HVPE工艺阶段中，生长并聚结所述至少基本上纤锌矿成核材料的岛，以形成至少基本上纤锌矿成核材料的成核模板层。所述成核模板层可至少基本上覆盖基材的表面。在另外的HVPE工艺阶段中，在所述至少基本上纤锌矿成核材料的成核模板层上沉积另外的III族氮化物半导体材料。

本发明的另外的实施例包括最终结构和中间结构，所述最终结构和中间结构包括通过如本文所公开的方法形成的III族氮化物半导体材料。

附图说明