[发明专利]低缺陷密度的独立式氮化镓基底的制造以及由其制造的器件

说明书

技术领域

本发明涉及适合于有效器件结构的后续生长的高质量独立式氮化镓晶片以及其制造方法。

更确切地说，本发明涉及一种在基底上生长低位错密度的GaN的方法；涉及一种外延生长方法，其中材料的横向以及纵向生长率受生长条件控制；涉及从起始基底中进行分离的一种方法。

本发明还涉及具有通过这样一种方法所形成的GaN晶体的一种氮化物半导体晶片以及由此生产的一种氮化物半导体器件。

背景技术

基于GaN化合物的半导体，例如氮化镓(GaN)、三元合金、氮化铟镓(lnGaN)以及氮化镓铝(GaAIN)，以及甚至四元物质(AIGalnN)是直接带隙半导体。它们的带隙覆盖了从可见光延伸至UV的波长。自此，氮化物合金半导体被认为具有很大的短波长发射的潜能。GaN被用在发光二极管(LED)、蓝紫色激光二极管(LO)以及UV检测器的制造中。下一代的高密度盘片系统(蓝光OVO和HO-OVO)将要求GaN蓝紫色LO。除了光电子学外，由于其固有的特性(宽带隙、高度的热以及化学稳定性、高电子饱和速度)，GaN还被用在高温电子器件的制造中。

不幸的是，氮化物材料的发展已经被此种材料的处理技术中的问题所阻碍。在III-N器件的开发中最重要的问题之一是，缺少具有可接受的可用区域或具有晶格匹配的基底的氮化镓块体基底来生长低缺陷密度的III-N层。不能将GaN熔融并且从一种晶锭(像，硅、砷化镓或蓝宝石)中拔出，因为在通常的压力下其理论熔化温度超过了其离解温度。

当试图获得可以提供用于器件制造的合适基底的、任一III族-氮化物的大面积晶体时，显示出了实质性的困难。GaN块体晶体可以通过高压高温下在液体Ga中的熔融生长来生长。这项技术已经在UNIPRESS(波兰)进行了开发，但是基底的大小(约1cm²)以及潜在的大规模生产的体积到目前为止还远没有达到工业需要。尽管如此，已经使用这种方法实现了低缺陷密度，约10²至10⁵cm^-2。(I.Grzegory and S.Porowski，Thin Solid Films，367，281(2000)。

目前用于制造相对高质量的GaN以及相关的层的技术涉及将GaN器件层在合适的但是非理想的基底上进行异质外延沉积。目前，此种基底包括(但不限于)蓝宝石、硅或碳化硅。所有的异质外延基底对处于晶格和热错配形式的高质量GaN的沉积提出了挑战。晶格错配是由不同的晶体内原子的原子间距离的差异导致的。热错配是由不同材料之间的热膨胀系数的差异导致的。

由于蓝宝石基底的晶格常数与GaN的晶格常数不同，因此不能在该蓝宝石基底上直接地生长一个连续的GaN单晶膜。因此，已经提出了并且目前常规地实现了一种方法，其中晶格的应力在某种程度上是在低温下在该蓝宝石基底上所生长的AIN或GaN的一个缓冲层上释放的，并且之后GaN在其上生长。在低温下使用作为缓冲层而生长的氮化物层使GaN单晶能进行外延生长。然而，即便是这种方法也不能补偿该基底与晶体之间的晶格错配，并且GaN膜仍然具有许多缺陷。

尽管具有显著的晶格错配，蓝宝石和SiC已经成为III-N生长的标准基底。这种巨大的错配导致了形成非常高密度的穿线位错(threadingdislocation)(约10⁹cm^-2)并且最终开裂。还应当考虑热错配。典型地，GaN在例如蓝宝石或SiC上在1000℃-1100℃之间的温度下生长；当样品冷却到室温时，热膨胀(收缩)率上的差异造成了在两种材料之间界面处的高水平的应力。蓝宝石具有比GaN更高的热膨胀系数。当蓝宝石基底和GaN层冷却下来时，在界面处的错配使GaN处于压缩状况下并且使蓝宝石处于拉伸状态下。因此，应力的量值直接与所沉积的GaN的厚度相关，这样，膜越厚应力越大。在一个约10微米的膜厚度以上，应力水平超过了GaN的断裂限度，并且可能导致膜的开裂以及剥离。在这个层上的开裂甚至比高位错更恶劣并且应当避免，因为在随后的加工步骤中它们将灾难性地扩展到器件层中。

GaN或蓝宝石或SiC的外延生长的所有技术发展的目标在于降低TD密度并且避免开裂的形成。