半極性晶體結(jié)構(gòu)的制造制造技術(shù)

一種生長III族氮化物晶體方法，包括：提供硅襯底(12)；在襯底上形成第一掩模(10)，該掩模具有多個通過該掩模的孔(14)，每個孔暴露硅襯底的相應(yīng)區(qū)域；蝕刻由每個孔暴露的硅，以形成具有多個面(18、20、22、24)的相應(yīng)的凹槽(16)；在每個凹槽的一些面的上方沉積第二掩模，留下每個凹槽的至少一個面(22)暴露；并在所暴露的面(22)上生長III族氮化物，然后，在襯底上方生長III族氮化物，以形成連續(xù)層。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
【國外來華專利技術(shù)】
本專利技術(shù)涉及非極性和半極性晶體結(jié)構(gòu)的生長，以及包括這種結(jié)構(gòu)的模板(template)。其特別地應(yīng)用在硅上生長半極性或非極性GaN，但是也可用于其他III族氮化物，例如半極性氮化鋁(AlN)、半極性氮化鋁鎵(AlGaN)，或半極性氮化銦鎵(InGaN)。
技術(shù)介紹
過去四十年來已經(jīng)看到了對占全球半導(dǎo)體市場的超過90％的、由硅技術(shù)產(chǎn)生的半導(dǎo)體行業(yè)的空前影響。考慮到基于硅的成熟的且劃算的技術(shù)，III-V族技術(shù)與硅技術(shù)的聯(lián)合具有對基于電子學(xué)和光子學(xué)的半導(dǎo)體的集成提供一種非常好的解決方案的潛力。一般照明消耗了全世界總能耗的19％。由于因?yàn)槟茉炊倘焙蜌夂蜃兓鸬膶︼@著增加節(jié)能技術(shù)的需求，必須開發(fā)基于白光發(fā)光二極管(LED)的節(jié)能固態(tài)照明源，以代替白熾燈和熒光燈。白光LED的制造主要基于III族氮化物半導(dǎo)體。迄今為止在III族氮化物領(lǐng)域中實(shí)現(xiàn)的主要成就，主要受限于(0001)藍(lán)寶石上的生長、極性朝向。這產(chǎn)生極化問題，從而導(dǎo)致壓電電場。結(jié)果，裝置在電子和空穴波函數(shù)之間表現(xiàn)出重疊減少，導(dǎo)致較長的輻射復(fù)合時間，從而導(dǎo)致較低的量子效率。GaN在硅上的生長(即，硅上氮化鎵技術(shù))正在發(fā)生，但是也受限于極性c平面GaN。與藍(lán)寶石上氮化鎵相比，從使用硅上氮化鎵技術(shù)產(chǎn)生的材料問題變得甚至更嚴(yán)重。因此，希望開發(fā)一種新的生長技術(shù)，以在硅上實(shí)現(xiàn)高晶體質(zhì)量的半極性或非極性GaN，這是一種最有前途的克服內(nèi)部電場的問題的方法，且因此實(shí)現(xiàn)了IQE中的階躍變化。在過去的十年中，全世界有幾個團(tuán)體已經(jīng)投入相當(dāng)大的努力來開發(fā)硅上半極性/非極性GaN。然而，結(jié)果由于遇到許多挑戰(zhàn)的原因而遠(yuǎn)不能令人滿意，這些挑戰(zhàn)嚴(yán)重限制了硅上半極性/非極性GaN的開發(fā)。與藍(lán)寶石襯底不同，非常難以在任何平面硅襯底上獲得非極性/半極性GaN。迄今為止，僅可通過在圖案化硅襯底上生長來獲得硅上半極性GaN(包括(11-22)方向和(1-101)方向)，例如，使用KOH對硅進(jìn)行各向異性濕法蝕刻(113)，以制造具有傾斜條紋(其帶有與(113)硅的表面成58o的(1-11)面)的規(guī)則的硅圖案，其中，在(1-11)硅面上選擇性地執(zhí)行GaN生長，以形成半極性GaN。眾所周知，GaN在硅上的生長需要避免所謂的“Ga重熔”蝕刻問題。這是由于所生長的GaN和硅之間的強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng)的原因，導(dǎo)致較差的表面形態(tài)，并最終導(dǎo)致生長崩潰。對于平面硅襯底，易于通過AlN緩沖層的初始沉積而簡單地區(qū)分開，AlN緩沖層可將GaN層與硅襯底完全分開，例如(111)硅上的極性c平面GaN。然而，對于具有傾斜條紋的圖案化(113)硅上的生長，不可避免地，在生長過程中產(chǎn)生大量殘留空穴，使所生長的GaN直接接觸硅(見圖1)。重熔蝕刻隨著增加的生長溫度而增加。目前的解決方案是，將生長溫度降低至對于GaN外延生長來說不可接受的點(diǎn)，以抑制重熔蝕刻。結(jié)果，晶體質(zhì)量遠(yuǎn)不能令人滿意。名古屋的Amano提出了如圖1所示的兩步式選擇性生長方法(1TMurase、TTanikawa、YHonda、MYamaguchi、HAmano和NSawaki，日本應(yīng)用物理學(xué)報，50，01AD04(2011))。使用相同的上述方法，在(113)硅上的傾斜的(1-11)條紋面上制備三角形的GaN條紋模板，然后沉積一層SiO2掩模以選擇性地覆蓋三角形GaN條紋，從而進(jìn)一步再生長，其中，再生長將選擇性地出現(xiàn)在未覆蓋的區(qū)域上。他們實(shí)現(xiàn)了非常令人印象深刻的結(jié)果。然而，該方法具有一些難題。首先，尚未解決重熔問題。其次，為了選擇性再生長，三角形GaN條紋的邊緣處的較小的(0001)面需要由SiO2(圖1中的虛線圓)仔細(xì)地覆蓋，以避免任何沿著(0001)的生長。已經(jīng)證明了這是非常困難的。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)提供了一種生長半極性或非極性III族氮化物晶體或模板的方法，包括：提供硅襯底；在襯底上形成第一掩模，該掩模具有穿過該掩模的多個孔，每個孔暴露硅襯底的相應(yīng)區(qū)域；蝕刻由每個孔暴露的硅，以形成具有多個面的相應(yīng)的凹槽；在每個凹槽的一些面的上方沉積第二掩模，留下每個凹槽的面中的至少一個暴露；并在所暴露的面上生長III族氮化物。該方法可進(jìn)一步包括，在襯底上方生長III族氮化物，以形成連續(xù)層。在凹槽之間的襯底上留下任何掩模材料的地方，該生長可能不是直接位于襯底的表面上，而是位于該掩模材料上方。該層可在多個凹槽上方延伸，并可在所有凹槽的上方延伸。可在生長III族氮化物之前去除第一掩模。可使用各向異性濕法蝕刻來執(zhí)行蝕刻，例如使用KOH作為蝕刻劑。每個凹槽的每個面都可以基本上是三角形的，或梯形的。每個凹槽向其底部的一個點(diǎn)逐漸變細(xì)。可使每個面傾斜至水平面，使得其部分地面向上。因此，每個孔可沒有懸伸的一側(cè)。每個凹槽中只有一個面可保留為暴露，以用于III族氮化物在其上的生長。每個凹槽可具有保留為暴露以用于III族氮化物在其上的生長的(1-11)面。III族氮化物一開始可作為(0001)III族氮化物在每個凹槽的(1-11)硅面上生長。然后，III族氮化物可從凹槽中長出，并合并以形成單層(11-22)III族氮化物。在其他實(shí)施例中，最終的III族氮化物層可以是(001)Si上的(1-101)III族氮化物，或(110)Si上的(11-20)極性III族氮化物。III族氮化物可以是GaN，或InGaN，或AlGaN，或AlN。在III族氮化物的生長之前，可在所暴露的面上沉積緩沖層。可在規(guī)則的二維陣列中布置這些孔，例如正方形陣列、長方形陣列、六角形陣列、傾斜陣列，或者中心矩形(或菱形)陣列。在一些情況中，可使用不太規(guī)則的或不規(guī)則的陣列。每個孔可以是正方形的、長方形的、三角形的、六角形的，或圓形的。本專利技術(shù)進(jìn)一步提供一種模板，其包括硅襯底，在襯底上具有一層III族氮化物，其中，襯底具有形成于其中的凹槽的陣列，每個凹槽具有多個面，一些面上具有掩模，并且，每個凹槽中的面中的至少一個具有生長于該面上的III族氮化物，III族氮化物形成一個覆蓋該凹槽陣列的層。III族氮化物可以是半極性的，或者實(shí)際上是非極性的或極性的。該方法或模板可進(jìn)一步包括本專利技術(shù)的優(yōu)選實(shí)施例的任意一個或多個特征的任意組合，現(xiàn)在將參考附圖僅通過實(shí)例來描述這些特征。附圖說明圖1示出了使用三角形截面的GaN條紋的已知的兩步式生長方法；圖2a至圖2e示出了根據(jù)本專利技術(shù)的一個實(shí)施例的生長方法中的步驟；圖3a是圖2d的圖案化Si襯底的SEM圖像；圖3b是GaN僅在圖3a的襯底的(1-11)Si面上生長以形成(11-22)GaN的SEM圖像。具體實(shí)施方式參考圖2a至圖2e，現(xiàn)在將描述一種用于在(113)硅上制造原子級平直的(11-22)GaN模板。首先，提供(113)硅襯底，即，在其晶體結(jié)構(gòu)的(113)平面中具有平直表面的硅襯底。如圖2a所示，通過等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECDV)，在(113)硅襯底12的表面上沉積SiO2薄膜10。在其他實(shí)施例中，可用電子束蒸發(fā)器或?yàn)R射沉積來沉積SiO2。然后，如圖2b所示，使用標(biāo)準(zhǔn)光刻和干法蝕刻技術(shù)(在此情況中，是反應(yīng)離子蝕刻RIE)將SiO2薄膜蝕刻穿，使具有大約1μm的間隔(盡管該間隔可以從100nm到5μm)的窗14的陣列(在此實(shí)施例中，是規(guī)則的2×2μm尺寸的正方形窗(盡管，窗的尺寸可以更小本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種生長III族氮化物的晶體結(jié)構(gòu)的方法，包括：提供硅襯底；在所述襯底上形成第一掩模，所述掩模具有穿過該掩模的多個孔，每個所述孔暴露所述硅襯底的相應(yīng)區(qū)域；蝕刻由每個所述孔暴露的硅以形成具有多個面的相應(yīng)的凹槽；在每個凹槽的一些面的上方沉積第二掩模，留下每個凹槽的至少一個面暴露；并在所暴露的面上生長所述III族氮化物，然后在所述襯底的上方生長所述III族氮化物，以形成連續(xù)層。

【技術(shù)特征摘要】
【國外來華專利技術(shù)】2014.06.09 GB 1410200.81.一種生長III族氮化物的晶體結(jié)構(gòu)的方法，包括：提供硅襯底；在所述襯底上形成第一掩模，所述掩模具有穿過該掩模的多個孔，每個所述孔暴露所述硅襯底的相應(yīng)區(qū)域；蝕刻由每個所述孔暴露的硅以形成具有多個面的相應(yīng)的凹槽；在每個凹槽的一些面的上方沉積第二掩模，留下每個凹槽的至少一個面暴露；并在所暴露的面上生長所述III族氮化物，然后在所述襯底的上方生長所述III族氮化物，以形成連續(xù)層。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，使用各向異性濕法蝕刻來執(zhí)行所述蝕刻。3.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的方法，其中，每個凹槽的每個面都基本上是三角形的或梯形的。4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中，每個凹槽向該凹槽的底部處的一個點(diǎn)逐漸變小。5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中，每個凹槽中只有一個面留下被暴露，以用于所述III族氮化物在該面上生長。6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中，每個凹槽都具有留下被暴露的(1-11)面，以用于所述III族氮化物在該面上生長。7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述III族氮化物初始作為(0001)III族氮化物在每個凹槽的所述(1-11)硅面上生...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：王濤，
申請(專利權(quán))人：塞倫光子學(xué)有限公司，
類型：發(fā)明
國別省市：英國;GB