具有薄緩沖層的iii-v族襯底材料及制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 下文設(shè)及一種可用于電子器件的制造的半導(dǎo)電襯底和一種形成半導(dǎo)電襯底的方 法，并且具體地，設(shè)及使襯底成形及改進(jìn)由該種襯底形成的器件的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 半導(dǎo)電-基化合物，包括III-V族材料，例如氮化嫁佑aN) 元化合物，例如銅嫁 氮（InGaN)和嫁侶氮（GaAlN) 及甚至四元化合物（AlGaInN)為直接帶隙半導(dǎo)體。該些 材料已被公認(rèn)為具有很大潛力W用于短波長(zhǎng)發(fā)射，并且因此適合用于發(fā)光二極管（LE化）、 激光二極管（LDs)、UV探測(cè)器W及高溫電子器件的制造。
[0003] 然而，圍繞該些材料的加工的困難，特別是材料的高質(zhì)量單晶形態(tài)的形成（其對(duì) 于光電子學(xué)中的短波長(zhǎng)發(fā)射的制造是必須的），阻礙了該種半導(dǎo)電材料的發(fā)展。GaN被發(fā)現(xiàn) 為并非自然形成化合物，而因此不能像娃、神化嫁或藍(lán)寶石那樣烙化和從晶錠拉出得到，該 是因?yàn)樵诔合碌薜睦碚摾踊瘻囟瘸^(guò)了其的分解溫度。作為選擇，行業(yè)已經(jīng)轉(zhuǎn)向了 利用外延生長(zhǎng)工藝的體GaN晶體的形成。然而，對(duì)于外延的方法仍然存在問(wèn)題，包括適宜的 低缺陷密度的體GaN材料的形成和其他晶體形態(tài)差異（包括晶體弓曲（CTystallinebow)) 的存在。
[0004] 擴(kuò)展缺陷（螺旋位錯(cuò)、堆煤層錯(cuò)W及反相晶界）的存在造成了顯著變差的性能并 且導(dǎo)致了器件的工作壽命縮短。更具體地，位錯(cuò)起到非福射中屯、的作用，因此降低了由該些 材料制成的發(fā)光二極管和激光二極管的發(fā)光效率。此外，其他因素，例如晶體取向會(huì)負(fù)面地 影響在GaN材料上形成的器件的性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 根據(jù)一個(gè)方面，本申請(qǐng)描述了一種包括III-V族材料并具有上表面的襯底，該襯 底包括限定在所述上表面與晶體參考面之間的切角（a)(offcutangle),該襯底進(jìn)一步包 括不大于1度的切角變化量（2 0 )。
[0006] 根據(jù)另一方面，本申請(qǐng)描述了一種襯底，其包括；主體，其包括III-V族材料并具 有上表面；和緩沖層，其包括III-V族材料且與所述主體的上表面鄰接，其中該緩沖層具有 不大于1. 3ym的平均厚度。
[0007] 而根據(jù)另一方面，本申請(qǐng)描述了一種襯底，其包括；主體，其包括III-V族材料并 具有上表面，該主體包括限定在所述上表面與晶體參考面之間的切角（a)，該主體進(jìn)一步 包括切角變化量（20) 及緩沖層，其包括III-V族材料且與所述主體的上表面鄰接，其 中該緩沖層具有不大于約1. 3ym的平均厚度。
[000引而根據(jù)另一方面，本申請(qǐng)描述了一種襯底，其包括主體和緩沖層；所述主體包括III-V族材料且具有上表面，并且包括限定在所述上表面與晶體參考面之間的切角（a), 所述主體進(jìn)一步包括切角變化量（2 0);所述緩沖層包括III-V族材料且與所述主體的 上表面鄰接，其中所述緩沖層具有上表面，所述緩沖層和所述主體包括限定在所述緩沖層 的上表面與晶體參考面之間的切角（a),所述緩沖層和所述主體進(jìn)一步包括切角變化量 (2 0 )，該切角變化量（2 0 )大于所述主體的切角變化量（2 0 )。
[0009] 而根據(jù)另一方面，本申請(qǐng)描述了包括至少20個(gè)襯底的襯底生產(chǎn)批次，該批次中的 襯底的每一個(gè)包括III-V族材料并具有上表面，所述主體包括限定在所述上表面與晶體參 考面之間的切角（a),所述襯底進(jìn)一步包括不大于約1度的切角變化量（20)。
[0010] 而根據(jù)另一方面，本申請(qǐng)描述了包括了至少20個(gè)襯底的襯底生產(chǎn)批次，該批次中 的襯底的每一個(gè)都包括III-V族材料并具有上表面，所述主體包括限定在所述上表面與晶 體參考面之間的切角（a),所述襯底進(jìn)一步包括不大于約1度的切角變化量（20)。
[0011] 而根據(jù)另一個(gè)方面，本申請(qǐng)描述了包括主體和緩沖層的襯底，所述主體包括III-V 族材料并具有上表面，所述緩沖層包括III-V族材料且覆蓋在所述主體的上表面上，并且 具有不大于約1.3ym的平均厚度，其中，所述襯底配置為提供用于形成多個(gè)光電子器件的 表面，所述多個(gè)光電子器件覆蓋在所述緩沖層上，并且在約400nm到約550nm的范圍內(nèi)的波 長(zhǎng)具有不大于約0. 〇641nm/cm2的歸一化的光發(fā)射波長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)偏差（n0)。
[0012] 而根據(jù)另一個(gè)方面，本申請(qǐng)描述了一種襯底結(jié)構(gòu)，其包括；襯底，其包括III-V族 材料且具有上表面；和多個(gè)光電子器件，各覆蓋在所述襯底的上表面上，其中，在約400nm 至約550nm的范圍內(nèi)的波長(zhǎng)，覆蓋在所述襯底的上表面上的多個(gè)光電子器件具有不大于約 0. 0641nm/cm2的歸一化的光發(fā)射波長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)偏差（n〇 )。
[0013] 而根據(jù)另一方面，本申請(qǐng)描述了包括了至少約20個(gè)襯底結(jié)構(gòu)的襯底結(jié)構(gòu)生產(chǎn)批 次，其中，每一個(gè)襯底結(jié)構(gòu)包括襯底和布置在所述襯底上的多個(gè)光電子器件，在約400nm至 約550nm的范圍內(nèi)的波長(zhǎng)，所述多個(gè)光電子器件具有不大于約0. 0641nm/cm2的歸一化的批 次光發(fā)射波長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)偏差（n0)。
[0014] 而根據(jù)另一方面，本申請(qǐng)描述了一種光電子結(jié)構(gòu)，該光電子結(jié)構(gòu)包括在包括III-V 族材料并具有上表面的襯底上形成的多個(gè)光電子器件，所述襯底包括限定在所述上表面與 晶體參考面之間的切角（a),所述襯底進(jìn)一步包括了切角變化量（20)，其中，所述多個(gè)光 電子結(jié)構(gòu)具有不大于1. 3nm的平均光波長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)偏差。
[0015] 而根據(jù)另一個(gè)方面，本申請(qǐng)描述了形成襯底的方法，其包括：提供包括III-V族材 料的主體；并且在主體的上表面形成包括III-V族材料的緩沖層，該緩沖層具有上表面W 及不大于1. 3ym的厚度。
[0016] 而根據(jù)另一個(gè)方面，本申請(qǐng)描述了形成襯底的方法，其包括：提供包括III-V族材 料的主體，該主體具有上表面和與上表面相對(duì)的后表面，其中，所述主體的上表面具有臺(tái)面 和臺(tái)階的排列；對(duì)所述主體的上表面進(jìn)行至少一道精加工工藝；W及在所述主體的上表面 形成包括III-V族材料的緩沖層，該緩沖層具有上表面和與所述主體鄰接的后表面，其中， 所述緩沖層的上表面具有比所述主體的上表面更均勻的臺(tái)面和臺(tái)階排列。
【附圖說(shuō)明】
[0017] 通過(guò)參考附圖，本申請(qǐng)可W更好地得到理解，并且使本申請(qǐng)的多個(gè)特征和優(yōu)點(diǎn)對(duì) 于本領(lǐng)域相關(guān)的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)變得明顯。
[0018] 圖1包括提供了根據(jù)實(shí)施方案的用于形成電子器件的半導(dǎo)電襯底材料的形成方 法的流程圖。
[0019] 圖2A包括根據(jù)實(shí)施方案的在半導(dǎo)電襯底的形成過(guò)程中形成的層的截面圖。
[0020] 圖2B包括了根據(jù)實(shí)施方案的由半導(dǎo)電襯底（包括了具有凹形彎曲的主體）形成 的獨(dú)立的襯底的截面圖。
[0021] 圖2C包括了根據(jù)實(shí)施方案的由半導(dǎo)電襯底（包括了具有凸形彎曲的主體）形成 的獨(dú)立襯底的截面圖。
[0022] 圖3包括示出精加工的獨(dú)立襯底的主體的上表面的截面圖。
[0023] 圖4包括示出具有薄緩沖層的精加工的獨(dú)立襯底的上表面的截面圖。
[0024] 圖5包括示出具有厚緩沖層的精加工的獨(dú)立襯底的上表面的截面圖。
[0025] 在不同附圖中相同的附圖標(biāo)記指代相似或相同的項(xiàng)目。
【具體實(shí)施方式】
[0026] 下文大體上設(shè)及一種襯底材料，并且具體地，設(shè)及一種由半導(dǎo)體材料制成的襯 底，其可W用于電子器件的制造。更具體地，在此的實(shí)施方案的襯底可W用于發(fā)光二極管 (LEDs)或激光二極管（LDs)的形成。實(shí)施方案的襯底可W包括III-V族材料，該III-V族 材料包括例如氮化嫁（GaN)。應(yīng)當(dāng)了解，關(guān)于III-V族材料，其包括具有至少一個(gè)來(lái)自元素 周期表的III族的元素和至少一個(gè)來(lái)自元素周期表的V族的元素的化合物。
[0027] 圖1包括顯示了根據(jù)實(shí)施方案的用于形成半導(dǎo)體襯底的方法的流程圖，所述半導(dǎo) 體襯底包括適合于電子器件在其上制造的半導(dǎo)體材料。如所示出的，工藝可W在步驟101 通過(guò)提供襯底而開始，該襯底又稱為模板襯底。所述模板襯底可W是適合于支撐多個(gè)形成 于其上的層的結(jié)構(gòu)，并且用作用于在其上形成多個(gè)層的異質(zhì)外延支撐結(jié)構(gòu)。
[002引根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，模板襯底可W為無(wú)機(jī)材料。一些適宜的無(wú)機(jī)材料可W包括氧 化物、碳化物、氮化物、棚化物、碳氧化物、棚氧化物、氮氧化物W及其組合。在某些示例中模 板襯底可W包括氧化侶，并且更特別地，可W包括單晶氧化侶（即藍(lán)寶石）。一個(gè)實(shí)施方案 使用基本上由藍(lán)寶石構(gòu)成的襯底。
[0029] 工藝能夠在步驟103通過(guò)形成覆蓋在襯底上的緩沖層而繼續(xù)。簡(jiǎn)單地參考圖2A， 其顯示了根據(jù)實(shí)施方案半導(dǎo)體襯底200?？蒞注意到，半導(dǎo)體襯底200可W包括襯底201 (即 模板襯底）和覆蓋在襯底201上的緩沖層203。特別地，緩沖層203可W覆在襯底201的上 主表面之上，并且更具體地，緩沖層203可W直接接觸襯底201的上主表面。
[0030] 形成緩沖層203可W包括淀積工藝。例如，襯底可W載入反應(yīng)室，并且當(dāng)在反應(yīng) 室內(nèi)提供適宜的環(huán)境之后，緩沖層可W淀積于襯底上。根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，適宜的淀積技 術(shù)可W包括化學(xué)氣相淀積。在一個(gè)具體示例中，淀積工藝可W包括金屬有機(jī)化學(xué)氣相淀積 (MOCVD)〇
[0031] 緩沖層203可W由多個(gè)膜形成。例如，如圖2A所示，緩沖層203可W包括膜204和 膜206。根據(jù)實(shí)施方案，其中至少一個(gè)膜可W包括晶體材料。在更特別的示例中，膜204(其 可W直接接觸襯底201的表面）可W包括娃，并且可W基本上由娃構(gòu)成。膜204可W促進(jìn) 襯底201與如在此所述的覆蓋在膜204上的半導(dǎo)體層之間的分離。
[0032] 如圖2A所示，膜206可W覆蓋膜204,并且更特別地，可W直接接觸膜204。膜206 可W具有隨后形成于其上的層的外延形成所需的適宜的晶體學(xué)特征。特別地，在一個(gè)實(shí)施 方案中，膜204可W包括半導(dǎo)體材料。適宜的半導(dǎo)體材料可W包括III-V族化合物材料。在 一個(gè)具體示例中，膜206可W包括氮化物材料。在另一個(gè)示例中，膜206可W包括嫁、侶、銅 及其組合。此外，在一個(gè)具體實(shí)施方案中，膜206可W包括氮化侶，并且更特別地地，膜206 可W基本由氮化侶構(gòu)成。
[0033] 在示例性結(jié)構(gòu)中，緩沖層203可W形成為使得膜204包括娃，并且使得膜204直接 接觸襯底201的主表面。此外，膜206可W直接接觸膜204的表面并且包括III-V族材料。
[0034] 當(dāng)在步驟103形成了緩沖層之后，工藝可W在步驟105通過(guò)形成覆蓋在緩沖層203 上的基層而繼續(xù)。簡(jiǎn)單地參考圖2A，半導(dǎo)體襯底200可W包括覆蓋在緩沖層203上的基層 205。特別地，基層205可W形成為使其覆蓋在緩沖層203的表面上，并且更特別地，基層可 W直接接觸緩沖層203的膜206。
[0035] 同樣應(yīng)當(dāng)了解，根據(jù)在此的實(shí)施方案的半導(dǎo)體襯底的形成可W實(shí)現(xiàn)而不必通過(guò)刻 槽或粗化、或者通過(guò)蝕刻技術(shù)的使用而制造掩膜或修改襯底的表面。
[0036] 根據(jù)實(shí)施方案，一旦適當(dāng)?shù)匦纬闪司彌_層203,襯底201和緩沖層203可W放置在 反應(yīng)室內(nèi)W進(jìn)行外延生長(zhǎng)工藝?；鶎?05可W通過(guò)外延生長(zhǎng)工藝而形成，例如氨化物氣相 外延（HVP巧。在一個(gè)具體示例中，基層205可W由III-V族材料制成。一些適宜的III-V 族材料可W包括氮化物材料。此外，基層205可W括嫁。在具體示例中，基層205可W包括 氮化嫁（GaN)，并且更特別地，基層可W基本由氮化嫁構(gòu)成。
[0037] 可W進(jìn)行形成基層205的特定的方法。例如，基層205的外延生長(zhǎng)可多種生 長(zhǎng)模式進(jìn)行，其中，基層205的下部區(qū)域208可第一模式生長(zhǎng)，而基層205的上部區(qū)域 210可不同于第一模式的第二模式生長(zhǎng)。例如，在一個(gè)實(shí)施方案中，基層205最初可W 形成為W=維（3D)生長(zhǎng)模式生長(zhǎng)的外延層，使得基層205的下部區(qū)域208可3D生長(zhǎng) 模式形成。3D生長(zhǎng)模式可W包括基層205材料沿著多個(gè)晶向的同步生長(zhǎng)。3D生長(zhǎng)工藝可 W包括在緩沖層203上的島狀特征的自發(fā)形成。自發(fā)地形成的島狀特征可W隨機(jī)地設(shè)置在 緩沖層203上，限定了具有多個(gè)切面的平臺(tái)和在平臺(tái)之間的凹部。
[003引可選地，或附加的，基層205可W使用2維（2D)外延生長(zhǎng)模式形成。2D生長(zhǎng)模式 具有如下特征：在一個(gè)晶面上材料的優(yōu)先生長(zhǎng)，及沿著其它晶向的晶體材料的受限生長(zhǎng)。例 如，在一個(gè)實(shí)施方案中，基層205 (包括GaN)W2D生長(zhǎng)模式的形成包括在C-面（0001)的 GaN的優(yōu)先生長(zhǎng)。
[0039]如上文所表明的，基層205可W利用3D生長(zhǎng)模式和2D生長(zhǎng)模式的結(jié)合來(lái)形成。例 如，基層205的下部區(qū)域208最初可WW3D生長(zhǎng)模式形成，其中，島狀特征自發(fā)地形成并且 作為材料的非連續(xù)層隨機(jī)地布置在緩沖層203上。然而，如果繼續(xù)3D模式生長(zhǎng)，那么層會(huì)變 得連續(xù)，呈現(xiàn)出具有小切面的外貌和大體上不均勻的厚度。在3D生長(zhǎng)模式之后，可W修改 生長(zhǎng)參數(shù)W轉(zhuǎn)變?yōu)?D生長(zhǎng)模式，2D生長(zhǎng)模式中有利于橫向生長(zhǎng)并且能夠提高厚度均勻性。 W該種方式，基層205的上部區(qū)域210可W通過(guò)2D生長(zhǎng)模式形成。結(jié)合3D生長(zhǎng)模式和2D 生長(zhǎng)模式能夠促進(jìn)基層205的位錯(cuò)密度的降低并改變（例如增大）基層205上的內(nèi)應(yīng)變。
[0040] 應(yīng)當(dāng)了解，基層205的形成可W包括生長(zhǎng)模式的多重改變。例如，在一個(gè)實(shí)施方案 中，基層可W最初由3D生長(zhǎng)模式形成，隨后由2D生長(zhǎng)模式形成，并且再次W3D生長(zhǎng)模式生 長(zhǎng)。
[0041]生長(zhǎng)模式之間的切換可W通過(guò)某些生長(zhǎng)參數(shù)的修改來(lái)完成，該些生長(zhǎng)參數(shù)包括生 長(zhǎng)溫度、生長(zhǎng)速率、氣相反應(yīng)物和非反應(yīng)物材料的氣壓、在反應(yīng)氣氛中反應(yīng)物和非反應(yīng)物材 料的比例、生長(zhǎng)室氣壓w及它們的結(jié)合。在此所引用的反應(yīng)物材料包括例如含氮材料（例 如氨）的反應(yīng)物材料。其他反應(yīng)物材料可W包括面化物相成分，包括例如金屬面化物成分 (例如氯化嫁）。非反應(yīng)物材料可W包括某些類型的氣體，包括例如稀有氣體、惰性氣體等。 在具體示例中非反應(yīng)物材料可W包括氣體，例如氮?dú)饣虬睔狻?br>[0042] 對(duì)于某些工藝，可W改變生長(zhǎng)溫度W促進(jìn)3D生長(zhǎng)模式和2D生長(zhǎng)模式之間的轉(zhuǎn)變。 在一個(gè)實(shí)施方案中，生長(zhǎng)溫度的改變可W包括生長(zhǎng)溫度的升高W從3D生長(zhǎng)模式轉(zhuǎn)變至2D 生長(zhǎng)模式。例如，在從3D生長(zhǎng)模式到2D生長(zhǎng)模式的轉(zhuǎn)變中，溫度可W改變至少約5°C，例如 至少約10°C、至少約15°C、至少約20°C、至少約30°C、至少約35°C或甚至至少約40°C。在 另一個(gè)實(shí)施方案中，在從3D生長(zhǎng)模式到2D生長(zhǎng)模式的轉(zhuǎn)變中，生長(zhǎng)溫度可W改變不大于約 100°C，例如不大于約90°C、不大于約80°C、不大于約70°C或甚至不大于約60°C。應(yīng)當(dāng)了解， 生長(zhǎng)溫度的改變可W是在W上所提到的最小值和最大值的任何值之間的范圍內(nèi)。
[0043] 根據(jù)某些實(shí)施方案，形成基層205的工藝可W在至少50微米每小時(shí)（微米/小 時(shí)）的生長(zhǎng)速率