[发明专利]在IBAD织构化衬底上的外延六方材料

说明书

包括六方外延层如GaN或其他第III族‑氮化物(III‑N)半导体、111取向的织构化层和非单晶衬底的多层结构，以及其制备方法。所述织构化层具有优选地通过离子束辅助沉积(IBAD)织构化工艺形成的晶体对齐，并且可以双轴对齐。所述织构化层的面内晶体织构足够低以允许高质量六方材料的生长，但是仍可以明显大于六方材料的所需面内晶体织构。IBAD工艺使得低成本、大面积、柔性金属箔衬底能够用作用于制造电子器件的单晶蓝宝石和硅的潜在备选方案，使得能够使用规模化放大的卷到卷、板到板或相似的制造方法。使用者能够针对其机械和热性质选择衬底，如其热膨胀系数与六方外延层的热膨胀系数匹配得多好，同时选择更密切地晶格匹配该层的织构化层。

相关申请的交叉引用

本申请要求2015年2月10日提交的名称为“IBAD-Textured Substrates forGrowth of Epitaxial Group-III Nitride Materials and Method of Making the Same(用于外延第III族氮化物材料的生长的IBAD织构化衬底及其制备方法)”的美国临时专利申请序列号62/114,504和2015年12月3日提交的名称为“IBAD-Textured Substrates forGrowth of Epitaxial Group-III Nitride Materials and Method of Making the Same(用于外延第III族氮化物材料的生长的IBAD织构化衬底及其制备方法)”的美国临时专利申请序列号62/262,815的提交的优先权和权益，并且其说明书和权利要求通过引用结合在本文中。

联邦资助的研究或开发

美国政府具有本发明的已付许可，以及在有限的情况下按照美国能源部的高级研究计划署-能源(U.S.Department of Energy′s Advanced Research Projects Agency-Energy)授予的援助协定第AR0000447号的条款规定的合理条件要求专利权所有人许可其他人的权利。

发明背景

发明领域(技术领域)

本发明涉及六方材料如氮化镓(GaN)或其他第III族-氮化物(III-N)半导体的层在衬底上的外延生长，所述衬底的晶体对齐(crystalline alignment)通过离子束辅助沉积(ion-beam assisted deposition，IBAD)织构化工艺形成。在一个实施方案中，IBAD织构化层用于制备本质上是单晶状的双轴对齐的薄膜或衬底。这些IBAD薄膜或模板支持任选的外延缓冲层的后续沉积和随后的GaN或III-N外延生长。公开了包括之上具有中间外延缓冲层的离子束织构化层上的III-N外延的电子元件及其形成方法。

本发明的一个实施方案是针对作为用于GaN外延的模板的双轴对齐膜的离子束辅助沉积(IBAD)织构化工艺。IBAD工艺使得低成本、大面积、柔性金属箔衬底能够用作用于电子器件的单晶蓝宝石和硅的潜在备选方案。外延GaN膜通过MOCVD工艺在这些加工的柔性衬底上生长，这使得能够使用规模化放大的卷到卷(roll-to-roll)、板到板(sheet-to-sheet)或相似的制造方法。已经制造了在具有小于1°的面内和面外对齐的多晶金属箔上的具有几微米厚度的GaN膜。在多晶金属箔上的外延GaN膜用作模板层以制备多量子阱发光二极管(light emitting diode，LED)结构，并且已经成功地证明了电致发光。这些是在金属箔上直接制造的第一LED器件，并且可以使用卷到卷法规模化放大。

背景技术

注意，以下讨论可以参考大量的出版物和参考文献。本文中这种出版物的讨论被给出用于科学原理的更完整背景，而不被解释为承认这种出版物是用于可专利性确定目的的现有技术。