专利名称：在晶格高度失配的衬底上外延生长半导体的方法
技术领域：
本发明涉及在晶格高度失配的衬底上外延生长半导体的方法。
在高度失配的衬底上半导体的外延生长产生极大应力的半导体。晶层。这种应力引起许多延伸的例如位错、晶粒间界、堆垛层错、反型畴等缺陷的形成，并且通常是造成劣质半导体晶层的主要原因。几十年来用过渡层来减小应力和提高生长的半导体晶层的质量。一般是用固体多晶半导体或者无定形半导体组成过渡层。像这样的过渡层能消除90％以上的应力。
本发明的目的是提供基本上消除由生长半导体时半导体和衬底的晶格参数之间的高度失配引起的应力的方法。
根据本发明，提供有在高度失配的衬底上使用有固-液相变的过渡层外延生长半导体的方法，包括在温度低于过渡层(缓冲层)的熔点时在衬底上外延生长过渡层；在温度低于过渡层的熔点时在过渡层上外延生长具有熔点高于外延生长半导体的生长温度的保护层；和在温度高于过渡层的熔点时在保护层上外延生长厚度比保护层厚度厚的外延半导体晶层。
在使液体过渡层保持平坦和防止过渡层在衬底表面上形成液滴的薄保护层上发生外延半导体层的生长。
由于保护层是薄的并且经由薄的液体过渡层与衬底在力学上弱耦合，所以保护层对外延半导体晶层起一种适应性的衬底作用。
因而，在高度失配的衬底上具有固-液相变的过渡层的应用能生长高质量无应力外延半导体层。
过渡层可以是金属、金属合金、半导体合金、金属-半导体合金和Ⅰ-Ⅶ或Ⅱ-Ⅵ族离子晶体其中之一。
过渡层可以是Al、Cu、Mg、Pb、Au、Ag和它们的合金其中之一，衬底是蓝宝石和SiC其中之一而半导体是AlN、GaN、InN和它们的合金其中之一。
保护层可以是MgO、Al2O3、AlN、GaN、InN和它们的合金其中之一，衬底是蓝宝石和SiC其中之一而过渡层是外延的AlN、GaN、InN和其合金其中之一。
过渡层可以是金属Al、Mg和它们的合金其中之一，衬底是蓝宝石、Si和SiC其中之一而半导体是金刚石外延薄膜。
保护层可以是MgO、AlN和Mo其中之一，衬底是蓝宝石、Si和SiC其中之一而半导体是金刚石外延薄膜。
过渡层最好具有从5到500的厚度。
保护层最好具有从5到500的厚度。
附图的简略描述
图1a-d表示在根据本发明方法的例子中的阶段。
最佳实施例的详细描述图1a-d说明在各个例子中采用有固-液相变的过渡层生长外延半导体层的主要阶段。
在第一阶段(见图1a)时，在温度低于过渡层2的熔点时在衬底1上外延生长具有从5到500厚度的过渡层2。
在第二阶段(见图1b)时，在温度低于过渡层2的熔点时在过渡层2上外延生长具有从5到500厚度和高于外延半导体层生长温度的熔点的保护层3。
在第三阶段开始时，把温度升到外延半导体层的生长温度。温度升高使过渡层2熔化而使保护层3解除应力，产生图1c所示的结构。
然后，在保护层3上生长厚的外延半导体层4。外延半导体层4的厚度大于保护层3的厚度。由于保护层3经由薄的液体过渡层2与衬底1弱耦合并且使其晶格参数调整到厚的外延半导体层4的晶格参数，所以保护层3起外延半导体层4的一种可塑性的衬底作用。
有固-液相变的过渡层的应用使高质无应力外延半导体层能在高度失配的衬底上生长。
现在将描述上述内容的例子例1在第一阶段(见图1a)时，由Mg组成具有100厚度的过渡层2和在600℃的温度时在蓝宝石衬底1上外延生长过渡层2。
在第二阶段(见图1b)时，由MgO组成具有50厚度的保护层3和在600℃的温度时在过渡层2上外延生长保护层3。
在第三阶段开始时，把温度升高到GaN半导体层的1100℃的生长温度。温度升高引起过渡层2熔化和保护层3解除应力而产生图1c所示的结构。
然后，在保护层3上生长厚的GaN外延半导体层4。外延半导体层4的厚度大于保护层3的厚度。由于保护层3经由薄的液体过渡层2与衬底1弱耦合和使保护层3的晶格参数调节到厚的外延半导体层4的晶格参数，所以保护层3起外延半导体层4的一种可塑性的衬底作用。
例2在第一阶段(见图1a)时，由Al组成具有100厚度的过渡层2和在600℃的温度时在蓝宝石衬底1上外延生长过渡层2。
在第二阶段(见图1b)时，由Al2O3组成具有100厚度的保护层3和在600℃的温度时在过渡层2上外延生长保护层3。
在第三阶段开始时，把温度升高到GaN半导体层的1150℃的生长温度。温度升高引起过渡层2熔化和保护层3解除应力而产生图1c所示的结构。
然后，在保护层3上生长厚的GaN外延半导体层4。外延半导体层4的厚度大于保护层3的厚度。由于保护层3经由薄的液体过渡层2与衬底1弱耦合和使保护层3的晶格参数调节到厚的外延半导体层4的晶格参数，所以保护层3起外延半导体层4的一种可塑性的衬底作用。
例3在第一阶段(见图1a)时，由Al组成具有100厚度的过渡层2和在600℃的温度时在蓝宝石衬底1上外延生长过渡层2。
在第二阶段(见图1b)时，由AlN组成具有100厚度的保护层3和在600℃的温度时在过渡层2上外延生长保护层3。
在第三阶段开始时，把温度升高到GaN半导体层的1150℃的生长温度。温度升高引起过渡层2熔化和保护层3解除应力而产生图1c所示的结构。
然后，在保护层3上生长厚的GaN外延半导体层4。外延半导体层4的厚度大于保护层3的厚度。由于保护层3经由薄的液体过渡层2与衬底1弱耦合和使保护层3的晶格参数调节到厚的外延半导体层4的晶格参数，所以保护层3起外延半导体层4的一种可塑性的衬底作用。
例4在第一阶段(见图1a)时，由NaF组成具有200厚度的过渡层2和在800℃的温度时在蓝宝石衬底1上外延生长过渡层2。
在第二阶段(见图1b)时，由GaN组成具有200厚度的保护层3和在600℃的温度时在过渡层2上外延生长保护层3。
在第三阶段开始时，把温度升高到GaN半导体层的1100℃的生长温度。温度升高引起过渡层2熔化和保护层3解除应力而产生图1c所示的结构。
然后，在保护层3上生长厚的GaN外延半导体层4。外延半导体层4的厚度大于保护层3的厚度。由于保护层3经由薄的液体过渡层2与衬底1弱耦合和使保护层3的晶格参数调节到厚的外延半导体层4的晶格参数，所以保护层3起外延半导体层4的一种可塑性的衬底作用。
例5在第一阶段(见图1a)时，由Ag0．5Pb0．5(50％银和50％铅)合金组成具有200厚度的过渡层2和在600℃的温度时在蓝宝石衬底1上外延生长过渡层2。
在第二阶段(见图1b)时，由AlN组成具有200厚度的保护层3和在600℃的温度时在过渡层2上外延生长保护层3。
在第三阶段开始时，把温度升高到GaN半导体层的1150℃的生长温度。温度升高引起过渡层2熔化和保护层3解除应力而产生图1c所示的结构。
然后，在保护层3上生长厚的GaN外延半导体层4。外延半导体层4的厚度大于保护层3的厚度。由于保护层3经由薄的液体过渡层2与衬底1弱耦合和使保护层3的晶格参数调节到厚的外延半导体层4的晶格参数，所以保护层3起外延半导体层4的一种可塑性的衬底作用。
例6在第一阶段(见图1a)时，由Cu0．3Pb0．7(30％铜和70％铅)合金组成具有200厚度的过渡层2和在800℃的温度时在蓝宝石衬底1上外延生长过渡层2。
在第二阶段(见图1b)时，由AlN组成具有200厚度的保护层3和在800℃的温度时在过渡层2上外延生长保护层3。
在第三阶段开始时，把温度升高到GaN半导体层的1150℃的生长温度。温度升高引起过渡层2熔化和保护层3解除应力而产生图1c所示的结构。
然后，在保护层3上生长厚的GaN外延半导体层4。外延半导体层4的厚度大于保护层3的厚度。由于保护层3经由薄的液体过渡层2与衬底1弱耦合和使保护层3的晶格参数调节到厚的外延半导体层4的晶格参数，所以保护层3起外延半导体层4的一种可塑性的衬底作用。
例7在第一阶段(见图1a)时，由Al组成具有100厚度的过渡层2和在600℃的温度时在蓝宝石衬底1上外延生长过渡层2。
在第二阶段(见图1b)时，由Mo组成具有100厚度的保护层3和在600℃的温度时在过渡层2上外延生长保护层3。
在第三阶段开始时，把温度升高到金刚石半导体层的800℃的生长温度。温度升高引起过渡层2熔化和保护层3解除应力而产生图1c所示的结构。
然后，在保护层3上生长厚的金刚石外延半导体层4。外延半导体层4的厚度大于保护层3的厚度。由于保护层3经由薄的液体过渡层2与衬底1弱耦合和使保护层3的晶格参数调节到厚的外延半导体层4的晶格参数，所以保护层3起外延半导体层4的一种可塑性的衬底作用。
权利要求
1．在高度失配的衬底上采用具有固-液相变的过渡层外延生长半导体的方法，包括在温度低于过渡层的熔点时在衬底上外延生长过渡层；在温度低于过渡层的熔点时在过渡层上外延生长具有熔点高于外延生长的半导体的生长温度的保护层；和在温度高于过渡层的熔点时在保护层上外延生长厚度比保护层厚度厚的外延半导体层。
2．根据权利要求1的方法，其中过渡层是金属、金属合金、半导体合金、金属-半导体合金和Ⅰ-Ⅶ或Ⅱ-Ⅵ族离子晶体其中之一。
3．根据权利要求1的方法，其中过渡层是Al、Cu、Mg、Pb、Au、Ag和它们的合金其中之一，衬底是蓝宝石和SiC其中之一而半导体是AlN、GaN、InN和它们的合金其中之一。
4．根据权利要求1的方法，其中保护层是MgO、Al2O3、AlN、GaN、InN和它们的合金其中之一，衬底是蓝宝石和SiC其中之一，过渡层是外延的AlN、GaN、InN和它们的合金其中之一。
5．根据权利要求1的方法，其中过渡层是金属Al、金属Mg和它们的合金其中之一，衬底是蓝宝石、Si和SiC其中之一，半导体是金刚石外延薄膜。
6．根据权利要求1的方法，其中保护层是MgO、AlN和Mo其中之一，衬底是蓝宝石、Si和SiC其中之一，半导体是金刚石外延薄膜。
7．根据权利要求1的方法，其中过渡层具有从5到500的厚度。
8．根据权利要求1的方法，其中保护层具有从5到500的厚度。
全文摘要
提供采用具有固－液相变的过渡层以调节衬底和半导体之间高度失配在晶格高度失配的衬底上生长无应力半导体外延层的方法。
文档编号H01L21/208GK1281247SQ00120258
公开日2001年1月24日 申请日期2000年7月14日 优先权日1999年7月14日
发明者王望南, 尤里·G·施莱特, 尤里·T·莱班尼 申请人:华上光电股份有限公司