[发明专利]形成III-氮化物材料的平坦表面

说明书

一种制造半导体装置的方法，其包含：通过在衬底上提供的掩模形成第一III‑氮化物材料的多个半导体晶种；在所述晶种上生长第二III‑氮化物半导体材料；使所述生长的第二半导体材料平坦化以从多个离散的基本元件形成粘结结构，所述粘结结构具有基本平坦的上表面。

技术领域

本发明涉及III-氮化物半导体衬底和在此类衬底上形成平坦表面的方法。更确切地说，本发明涉及用于形成c定向、完全松弛且无位错的III-氮化物材料的平坦表面的设计和方法，所述平坦表面适合于充当承载电子或光学组件的模板。

背景技术

半导体晶片通常通过液相外延法，最通常为已在1916年由简柴氏(JanCzochralski)发明的柴氏法制造。在柴氏法中，通过从热液体熔体缓慢提拉单晶晶种而实现将液态材料热诱导沉淀为固态晶体。

尽管外延生长需要与热平衡的特定偏差以驱动连续结晶，但LPE在热平衡边缘进行，主要驱动力为液态和固态晶体的类似密度，消除主导气相外延的扩散限制且使得与熔融温度的偏差极小以促使晶体生长，在气相外延中，非结晶相中的源材料相对较稀。当系统的温度均一且系统处于平衡时，原子粘附速率(沉淀速率)等于原子解离速率。当相比于在间隙和空位的位置处并入吸附原子，在晶格位点处并入吸附原子提供足够高的自由能减少时，建立上述“完美晶体”生长条件[参见晶体生长手册IA(Handbook of crystal growthIIA)第2章和第8章]。相比之下，远离热平衡的生长方法，如金属有机气相外延(MOVPE或MOCVD)，外延生长在很大程度上受源材料扩散至晶体表面限制和调节且完美晶格位点相对于间隙位点处的原子并入之间的能量差或空位产生不显著。

柴氏法为供半导体行业用于制造半导体晶片的主要使用方法且通过液相/固相转化的晶体生长，液相外延法(LPE)仍为用于制造高完整性大直径半导体晶体晶片(无论其为Si、Ge、GaAs、GaP或InP半导体)的唯一确立方法[晶体生长手册IIA，第2章]。如杂质、空位和晶体位错的晶体缺陷尽管已处于极低浓度下，但仍可劣化半导体的光电特性。在百年间，半导体材料的基本制造改变极小且简柴氏的“半导体技术之父”的称谓在当今与那时一样有效。

二元III-V半导体的组包含GaN、AlN、InN和其三元和四元掺合物且通常简称为“氮化物”。氮化物的独特之处在于其特性和潜在用途的跨度。仅基于理论特性，氮化物包含用于大功率射频的最高效半导体替代方案，和用于真RGB白光源以及短波长LED和激光器(紫光至UV)的唯一可行的替代方案。但是，其独特之处也在于是LPE不用于生产晶片的情况下的唯一常用半导体。实际上，其通常通过在其它晶体衬底，如SiC、蓝宝石和Si晶片上的失配生长来制造。这是不合宜的，因为失配晶体生长产生高密度的晶体位错。

制造高完整性半导体氮化物的主要挑战是不能建立接近热平衡的外延条件。这是不可能产生和含有液体GaN的结果。已知GaN的熔点较高，但直至最近，研究才显示形成同成分GaN熔体所需的条件，在6吉帕斯卡(GPa)和2700℃的温度下[内海(Utsumi)等人,自然材料(Nature Materials),2,235,2003]。

已开发制造整体GaN的替代方法，如氨热生长、基于溶液的生长和HVPE，其各自具有自身的优点[GaN晶体生长技术(Technology of GaN Crystal Growth),埃伦特劳特(Ehrentraut)、迈斯纳(Meissner)和布科夫斯基(Bockowski),斯普林格出版社(Springer),2010]。尽管其全部且共同地表示向极具挑战性的系统的极大进步，但其全部依赖于输送机构且达不到纯液体-固体系统的先前论述的理想平衡条件，在所述系统中，类似密度的液相和固相确保立即接近生长位点处的生长物质而不受扩散限制。当今，存在位错密度低于10E5cm^-2的可商购小尺寸整体GaN，但价格水平极高且数量有限。