[发明专利]失配衬底上的单晶生长

说明书

技术领域

本发明涉及在不同材料的衬底上外延生长单晶材料。具体地，并 非排他地，本发明涉及在IV族衬底(如，硅)上生长III-V或II-VI单晶 半导体。

背景技术

希望可以将III-V材料集成到硅衬底上。与硅相比，III-V半导体可 以具有较高的电特性，例如，较佳的电荷迁移率和不同的带隙。III-V 半导体的缺点是，III-V半导体相对较难生长并且相对更为昂贵。因此， 将III-V半导体集成到IV族衬底上提供了优点，如，便宜得多的衬底的 使用、使用高度开发的硅处理技术的能力、以及将III-V和基于硅的器 件集成在相同衬底上的能力。

当在硅衬底上生长III-V半导体时，由于晶格常数的较大失配使得 得到的III-V层通常包含不可接受的晶格缺陷密度。此外，热膨胀系数 通常是差异很大的，这使得很难在升高的温度下生长III-V层。此外， 由于III-V半导体的较低对称性，经常形成反相边界。

发明内容

本发明的目的是改进在不同材料的衬底上生长单晶材料的现有 技术。

根据一方面，本发明提供了一种在不同材料类型的衬底上形成一 种材料类型的单晶层的方法，包括步骤：

(i)提供第一材料类型的衬底；

(ii)将催化剂材料的至少一个不连续区域沉积到该衬底上，所 述不连续区域限定了所述衬底的晶种(seed)区域；

(iii)将第二材料类型的单晶纳米线生长到衬底上催化剂材料的 不连续区域，所述第二材料类型的纳米线从衬底开始向上延伸，其横 向尺寸实质上不超过晶种区域；以及

(iv)改变生长条件，以便使该第二材料类型从所述单晶纳米线 开始以平行于衬底表面的方向横向地生长。

附图说明

现在将参考附图以示例的方式来描述本发明的实施例，附图中：

图1a至1e是在不同材料衬底上形成单晶材料层的工艺的一系列示 意性横截面图；以及

图2a至2c是衬底的一系列示意性平面图，其中使用上述工艺在所 述衬底上形成器件。

具体实施方式

参考图1a，在适当的衬底5的一个或更多所选晶种区域11上沉积催 化剂材料10。在优选工艺中，从IV族半导体材料(如，硅或锗)中选 择衬底5，然而其他衬底也是可以的。这样的衬底可以包括SiO₂衬底、 玻璃衬底、有机材料、箔等。可以从以下参考图1b所讨论的促进适当 的半导体材料外延生长的任何材料中选择催化剂材料10。这样的催化 剂的示例是金(Au)、铜(Cu)、铝(Al)、以及铟(In)。在使用硅衬 底的情况下，可以从所列的镍(Ni)、钴(Co)、铟(In)以及氧化硅 (Si_xO_y)中选择催化剂，然而该列表并不是穷举的。

尽管在图1中仅示出了由催化剂材料10限定的一个晶种区域11， 然而如以下将结合图2a描述的，通常可以利用衬底上催化剂材料的多 个不连续区域以周期性或非周期性形式在衬底表面上限定晶种区域阵 列。这些不连续区域中的每个是可以通过光刻工艺来形成的，所述光 刻工艺从催化剂材料的不连续层限定所述不连续区域。备选地，每个 不连续区域是可以通过纳米粒子的自组织来形成的。优选地，晶种区 域11的横向尺寸(即与衬底表面平行的尺寸)为直径大约100nm或更 小，然而更大的尺寸也是可以的。更优选地，晶种区域的尺寸在5到 100nm的范围内。更优选地，晶种区域的直径在大约5到50nm的范围 内。

如图1b所示，下一步骤是使用催化剂材料10使适当材料的单晶纳 米线12从衬底5开始外延生长。衬底5包括第一材料类型(例如，已提 到的IV族半导体晶体)，单晶纳米线12包括第二材料类型。在优选布 置中，第二材料类型是诸如InP、GaP或GaN之类的III-V半导体材料。 II-VI半导体材料、III族氧化物(如，ZnO)或III-V合金也可以作为第 二材料类型。

纳米线12的生长机制可以是VLS(气-液-固)机制。纳米线在催 化剂材料10与衬底5表面之间的界面处生长。由于纳米线的横向尺寸非 常小，正如利用催化剂材料10所限定的晶种区域而有效地确定的那样， 所以单晶纳米线可以在许多不同类型的衬底上。晶格参数的任何失配 都可以在纳米线的表面上释放(relax)。