[发明专利]基于半极化纤锌矿型第III族氮化物的半导体层和基于前者的半导体元件

说明书

本发明涉及基于半极化纤锌矿型第III族氮化物的半导体层以及基于前者的半导体元件。

第III族氮化物层一般在衬底上沿极化c轴定向生长。但是，对于许多应用而言，关注的是GaN极化降低或非极化生长。在发光体的情况中，由于量子约束的斯塔克作用(Quantum Confined Stark Effect)期望更高的发光产率，在SAW元件的情况中，允许弱耦合表面波的激发，从而可以在液体中测量涂层厚度、吸收等。到目前为止，仅可以在r面或m面蓝宝石以及从c轴倾斜的六方SiC衬底(即在a面或m面SiC衬底)上生长这种层。在工业中廉价和易于加工的硅上，c面GaN的生长几乎一直是占主导地位的。对此，尽管已经显示有在Si(001)上使用特殊的工艺控制形式生长高度织构化的r面GaN(F.Schulte,J.A.Dadgar,and A.Krost,Appl.Phys.Lett.84,4747(2004))，但是由于此时出现的四个等同的定向而仅能使用不适于应用的表面。还已经显示，极化降低的GaN可以在结构化的硅上通过合适的预处理衬底表面而获得，例如通过掩膜刻蚀等(参见，例如，M.Yang,H.S.Ahn,T.Tanikawa,Y.Honda,M.Yamaguchi,N.Sawaki,J.Cryst.Growth 311,2914(2009)或T.Tanikawa,D.Ruolph,T.Hikosada,Y.Honda,M.Yamaguchi,N.Sawaki,J.Cryst.Growth 310,4999(2009))。

在硅衬底上直接获得平面极化降低的层而无需复杂的结构化，这到目前为止尚没有实现。其中的一个原因是在大多数闪锌矿或金刚石结构材料的半导体表面上，在高温下生长的成核层导致c轴取向。

理论上，第III族氮化物层的极化降低定向可以通过使用具有闪锌矿或金刚石结构以及具有与(111)面的取向差大于9°的面的平面衬底上实现，如权利要求1所述。在硅的情况中，例如，这种面常常由一系列稳定的(111)面与(001)-型阶梯或面交替所形成。使用合适的工艺控制，GaN c-面取向在(111)面上生长，并且因此相对该面倾斜一个相应的角。这特别通过在小倾角如Si(211)的情况下很好的实现，这是因为(111)面台阶(Terrasse)为数个原子宽。如果第III族氮化物层需要相对面法线显著更大的角度，那么应当使用(111)面相对面法线尽可能倾斜的衬底。这些面例如有Si(311)、Si(411)、Si(511)等。在此建议的是，如权利要求8所述，衬底经过预处理，即通过物理或化学方法进行处理生成具有(111)面的宽阶梯，其中所得的(111)台阶具有三重面对称。合适的预处理方法可以实现更高的阶梯，并且因此实现更宽的(111)面，在该面上第III族氮化物层然后几乎仅以c轴取向生长。为了防止污染，理想的是将衬底在超纯的加热腔中加热，然后外延，由此迫使阶梯聚集(Clustern)以及形成更宽的(111)台阶。

理想的是，生长在第IV族半导体表面上进行，如权利要求5所述，尽管闪锌矿型材料如GaAs、GaP或InP也是合适的。这最终与要应用的生长温度相关。例如，不可能在标准温度(1050°C)下在锗上在MOVPE中生长GaN层，因为熔点低于1000°C。但是，这种衬底非常适合低温外延，例如在MOVPE中更好是在MBE中。上述描述对低温下在锗上的生长也同样成立。

对于这种生长，理想的是(211)、(311)和(322)取向的面，如权利要求2至4所述。特别的硅表面如Si(211)、(311)和(322)，以及其他具有高比例Si(111)台阶的表面，就此而言是合适的。重要的是，如权利要求9所述，具有(111)面宽阶梯的台阶，其中所得(111)台阶的宽度至少为两个单层的宽度，即，这些台阶不仅仅是阶梯边缘，而是在一个面中具有至少三个邻接表面原子，因此可认为是三重面对称。具有更高指数的面，如(411)和(511)，也是合适的，但是取决于生长温度和预处理，这是因为在此也可以形成更宽的(111)面截面，并且因此给出了合适的种晶条件。但是，已经发现，倾角越大，生长越困难，这是因为由于雏晶(Kristallite)种晶(Ankeimen)的定向更加糟糕以及定向良好的晶种(Keime)的密度减小而导致雏晶相对彼此发生更严重的扭曲和倾斜。

图2显示了可能的表面设置的示意图。其中可见可能的阶梯(201)、位于其间的(111)面的台阶，其显示出表面原子的零对称(202)或三重对称(203)。这表示，取决于材料，阶梯应当为至少0.3nm宽，或者根据权利要求9，为两个单层宽。