[發明專利]接續氫化物汽相外延

無效

• 申請號: 00805681.1
• 申請日: 2000-04-13
• 公開（公告）號: CN1350603A
• 公開（公告）日: 2002-05-22
• 發明（設計）人: 格倫·S·所羅門;戴維·J·米勒;泰特蘇佐·于達
• 申請（專利權）人: CBL技術公司;松下電器產業株式會社
• 主分類號: C30B23/06
• 分類號: C30B23/06;C30B25/10;C30B25/14;C30B29/38;C30B29/40
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司
• 代理人: 嚴舫

發明背景

發明領域

本發明涉及周期表中III-V族元素的一些化合物的外延生長。本發明還涉及通過接續沉積過程在非天然基片上生長外延薄膜。本發明進一步涉及在薄膜外延生長過程中通過一種生長系統被反復清潔的方法來生長外延薄膜。

相關技術背景

氫化物汽相外延(HVPE)是各種半導體如氮化鎵(GaN)外延生長的重要技術。氮化鎵一出現便成為一種重要的技術材料。例如，GaN目前是用來生產各種蘭光發射二極管，半導體激光器，以及其它光電子器件。下面用HVPE來沉積GaN外延層作為例子，來討論相關技術背景。

在HVPE系統中，GaN的生長是由于高溫和氯化鎵(GaCl)與氨(NH₃)之間的汽相反應而進行。這兩種氣體被導向一個加熱的基片，在基片上它們相遇并反應而在基片表面上產生固體GaN。然而，還存在與HVPE有關的某些困難。例如，這些反應劑氣體能夠在達到基片之前反應，而導致GaN的過早沉積，亦即GaN沉積在非目標的表面上。基片是典型地安裝一個襯托器上，該襯托器與氣體流的方向安置成某一角度(例如可參見圖2)。整個襯托器，不只是基片，被保持在進行沉積所需要的高溫中。因而，固體GaN的生長會發生在基片上游的襯托器上。這種上游GaN沉積對在基片上的晶體生長具有負面或不利后果。首先，固體GaN的沉積會趨于阻塞朝向基片流動的反應劑氣體的適當流動。而且，當不需要的GaN沉積不斷累積而超過一定厚度時，它們便趨于與外延層合并。不需要的GaN沉積與外延層相合并，會降低GaN外延層的均勻度并導致一種劣質產品。而且，在上游發生的不希望的GaN沉積，在外延層生長過程中會產生一些沉積在基片上的顆粒，從而導致外延層具有粗糙的表面和較差的結晶質量。

根據在基片上形成GaN厚層的一些已有技術方法，在襯托器區段上的過多沉積在GaN薄膜生長過程中會達到成問題的程度。然而，通過反復中斷生長循環和接續在基片上形成外延層，可在原地從襯托器上和其它系統組件上除去不需要的沉積物，其方法是取出樣品并將蝕刻氣體通過反應器。雖然這種接續外延生長法更加耗費時間，但卻能提供具有改善表面形態的外延層。

而且，生長循環的重復中斷(這是這種接續外延生長的特征)，對解決用HVPE方法來進行GaN外延沉積的第二個缺點(碎裂問題)具有附加的優點。目前還不可能制造有用尺寸大小的整體GaN晶體作為半導體生產的基片。因而，GaN薄膜是通過在非天然基片材料上沉積來制造。然而，在非天然基片與GaN層之間存在著熱學性能的不相匹配問題。在GaN層外延生長完成之后，需將樣品從HVPE反應器中取出。這涉及將樣品從生長溫度冷卻到環境溫度。在冷卻過程中，在基片與外延層之間的熱學不匹配性會引起樣品中的應力增加。在相當厚的GaN層的情況下，完整的樣品常會碎裂成無用的小塊。通過接續形成許多層相對薄的外延層并使樣品冷卻，在每層沉積之間由于熱學不匹配性引起的應力便周期性地被耗散掉，這樣便可防止整體樣品的碎裂。因而，本發明接續外延生長還可解決現有技術上在非天然基質上外延薄膜生長的分裂問題。

Fan等人的美國專利號4,632,712及該專利的繼續號5,091,333披露了一種減少半導體中斷層位錯的方法，其中半導體的生長被中斷和用熱循環來捕獲在外延生長初始階段中的位錯，以此來減少在活性頂層中的位錯密度。通過冷卻或加熱沉積部位，或者加熱與冷卻相結合的方法，可以捕獲位錯。

Takasaki的美國專利No.5,424,243披露了一種形成化合物半導體結構的方法，在其中一種III-V族化合物的堆垛的非晶形層經受循環退火過程。該退火過程會引起在GaAs晶體層中存在的晶體缺陷移向非晶形GaAs層并被其吸收。

Moustakas的美國專利No.5,686,738透露了一種通過分子束外延法來制備GaN單晶薄膜的方法。是用一個低溫成核步驟(在100-400℃)和一個高溫生長步驟(在600-900℃)的兩步過程來進行生長。

Moon的美國專利No.4,246,050透露了用于生長一種晶格的液相外延法，該晶格是通過一種AlGaAsSb分級(grading)層與GaAs基片上的GaAsSb層相匹配。通過一步冷卻工序使位錯缺陷更加均勻地分布于生長層的整個表面上。

發明概述