[發(fā)明專利]形成III-氮化物材料的平坦表面

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201780065102.3
• 申請日: 2017-10-05
• 公開（公告）號: CN109863576A
• 公開（公告）日: 2019-06-07
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: J·奧爾松
• 申請（專利權(quán)）人: 六邊鉆公司
• 主分類號: H01L21/20
• 分類號: H01L21/20
• 代理公司: 北京律盟知識產(chǎn)權(quán)代理有限責(zé)任公司 11287
• 代理人: 劉媛媛

一種包括納米結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體裝置，其包含III?氮化物半導(dǎo)體晶體的平面層(1020)，所述層包括外延生長的納米線結(jié)構(gòu)(1010)的陣列，和半導(dǎo)體材料(1016)，所述半導(dǎo)體材料在外延生長之后在重組步驟中從所述納米線結(jié)構(gòu)再分布，經(jīng)布置以填充所述納米線結(jié)構(gòu)之間的間距，其中所述納米線結(jié)構(gòu)的陣列和所述半導(dǎo)體材料形成粘結(jié)層。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及III-氮化物半導(dǎo)體襯底和在此類襯底上形成平坦表面的方法。更確切地說，本發(fā)明涉及用于形成c定向、完全松弛且無位錯(cuò)的III-氮化物材料的平坦表面的設(shè)計(jì)和方法，所述平坦表面適合于充當(dāng)承載電子或光學(xué)組件的模板。

背景技術(shù)

半導(dǎo)體晶片通常通過液相外延法，最通常為已在1916年由簡柴氏(JanCzochralski)發(fā)明的柴氏法制造。在柴氏法中，通過從熱液體熔體緩慢提拉單晶晶種而實(shí)現(xiàn)將液態(tài)材料熱誘導(dǎo)沉淀為固態(tài)晶體。

盡管外延生長需要與熱平衡的特定偏差以驅(qū)動連續(xù)結(jié)晶，但LPE在熱平衡邊緣進(jìn)行，主要驅(qū)動力為液態(tài)和固態(tài)晶體的類似密度，消除主導(dǎo)氣相外延的擴(kuò)散限制且使得與熔融溫度的偏差極小以促使晶體生長，在氣相外延中，非結(jié)晶相中的源材料相對較稀。當(dāng)系統(tǒng)的溫度均一且系統(tǒng)處于平衡時(shí)，原子粘附速率(沉淀速率)等于原子解離速率。當(dāng)相比于在間隙和空位的位置處并入吸附原子，在晶格位點(diǎn)處并入吸附原子提供足夠高的自由能減少時(shí)，建立上述“完美晶體”生長條件[參見晶體生長手冊IA(Handbook of crystal growthIA)第2章和第8章]。相比之下，遠(yuǎn)離熱平衡的生長方法，如金屬有機(jī)氣相外延(MOVPE或MOCVD)，外延生長在很大程度上受源材料擴(kuò)散至晶體表面限制和調(diào)節(jié)且完美晶格位點(diǎn)相對于間隙位點(diǎn)處的原子并入之間的能量差或空位產(chǎn)生不顯著。

柴氏法為供半導(dǎo)體行業(yè)用于制造半導(dǎo)體晶片的主要使用方法且通過液相/固相轉(zhuǎn)化的晶體生長，液相外延法(LPE)仍為用于制造高完整性大直徑半導(dǎo)體晶體晶片(無論其為Si、Ge、GaAs、GaP或InP半導(dǎo)體)的唯一確立方法[晶體生長手冊IIA，第2章]。如雜質(zhì)、空位和晶體位錯(cuò)的晶體缺陷盡管已處于極低濃度下，但仍可劣化半導(dǎo)體的光電特性。在百年間，半導(dǎo)體材料的基本制造改變極小且簡柴氏的“半導(dǎo)體技術(shù)之父”的稱謂在當(dāng)今與那時(shí)一樣有效。

二元III-V半導(dǎo)體的組包含GaN、AlN、InN和其三元和四元摻合物且通常簡稱為“氮化物”。氮化物的獨(dú)特之處在于其特性和潛在用途的跨度。僅基于理論特性，氮化物包含用于大功率射頻的最高效半導(dǎo)體替代方案，和用于真RGB白光源以及短波長LED和激光器(紫光至UV)的唯一可行的替代方案。但是，其獨(dú)特之處也在于是LPE不用于生產(chǎn)晶片的情況下的唯一常用半導(dǎo)體。實(shí)際上，其通常通過在其它晶體襯底，如SiC、藍(lán)寶石和Si晶片上的失配生長來制造。這是不合宜的，因?yàn)槭渚w生長產(chǎn)生高密度的晶體位錯(cuò)。

制造高完整性半導(dǎo)體氮化物的主要挑戰(zhàn)是不能建立接近熱平衡的外延條件。這是不可能產(chǎn)生和含有液體GaN的結(jié)果。已知GaN的熔點(diǎn)較高，但直至最近，研究才顯示形成同成分GaN熔體所需的條件，在6吉帕斯卡(GPa)和2700℃的溫度下[內(nèi)海(Utsumi)等人,自然材料(Nature Materials),2,235,2003]。

已開發(fā)制造整體GaN的替代方法，如氨熱生長、基于溶液的生長和HVPE，其各自具有自身的優(yōu)點(diǎn)[GaN晶體生長技術(shù)(Technology of GaN Crystal Growth),埃倫特勞特(Ehrentraut)、邁斯納(Meissner)和布科夫斯基(Bockowski),斯普林格出版社(Springer),2010]。盡管其全部且共同地表示向極具挑戰(zhàn)性的系統(tǒng)的極大進(jìn)步，但其全部依賴于輸送機(jī)構(gòu)且達(dá)不到純液體-固體系統(tǒng)的先前論述的理想平衡條件，在所述系統(tǒng)中，類似密度的液相和固相確保立即接近生長位點(diǎn)處的生長物質(zhì)而不受擴(kuò)散限制。當(dāng)今，存在位錯(cuò)密度低于10E5cm^-2的可商購小尺寸整體GaN，但價(jià)格水平極高且數(shù)量有限。