具有特别的晶体特征的iii-v族衬底材料和制造方法
【技术领域】
[0001]本文致力于一种形成半导电衬底的方法，更特别地，使衬底成形和改进由这样的衬底形成的器件的方法。
【背景技术】
[0002]基于半导电的化合物，包括II1-V族材料，例如氮化镓(GaN)，三元化合物，例如铟镓氮(InGaN)和镓铝氮(GaAlN)，以及甚至四元化合物(AlGaInN)是直接带隙半导体。这种材料已经被认为具有很高的潜力用于短波长发射，并且因此适合用于发光二极管(LEDs)、激光二极管(LDs)、紫外探测器和高温电子器件的制造。
[0003]然而，这种半导体材料的发展受到围绕这种材料的加工的困难的阻碍，特别是高质量单晶形式的材料的形成，而这在光电子中的短波长发射的制造是必需的。GaN不是一种天然化合物，并且因此不能熔化并且像硅、砷化镓或蓝宝石一样从晶锭拉出，因为在常压下GaN的理论熔点超过其分解温度。作为一种选择方案，产业求助于使用外延生长工艺形成体GaN晶体。然而，使用外延方式问题仍然存在，包括合适的低缺陷密度体GaN材料的形成和其他晶体形态差异的存在，包括晶体弯曲(crystalline bow)。
[0004]这种广延缺陷(螺旋位错、堆垛层错和反相晶界)的存在导致性能的显著退化以及器件的工作寿命的变短。更具体地，位错具有非辐射复合中心的作用，因此减小了由这些材料制备的发光二极管和激光二极管的发光效率。此外，其他因素例如晶体取向，能够不良地影响在GaN材料上形成的器件的性能。
【发明内容】
[0005]在一种实施方案中，一种形成半导体衬底的方法包括提供具有半导体材料的基衬底，以及通过氢化物气相外延(HVPE)形成第一半导体层覆盖在具有13-15族材料的基衬底上。第一半导体层具有上表面，其具有N面取向。
[0006]在另一个实施方案中，一种形成半导体衬底的方法包括提供具有含氮半导体材料的基衬底，该基衬底也包含具有N面取向的生长表面。这个实施方案的方法也包括通过氢化物气相外延(HVPE)形成第一半导体层覆盖在基衬底上。第一半导体层具有上表面，其具有N面取向。
[0007]在另一个实施方案中，一种使用单一形成工艺形成一系列半导体衬底的方法包括提供具有含氮半导体材料的基衬底。该基衬底具有生长表面，其具有N面取向。这个实施方案的方法也包括形成晶锭覆盖在基衬底上，并且切割晶锭以形成多个离散的半导体衬底。
[0008]在另一个实施方案中，半导体物体包括具有GaN的晶锭，至少Icm的平均厚度，以及具有N面取向的上表面。
【附图说明】
[0009]通过参考附图，本申请可以被更好地理解，并且使其许多特征和优点对本领域的技术人员来说是显然的。
[0010]图1包括显示了根据实施方案的形成半导电衬底的方法的流程图。
[0011]图2A和2B包括显示根据在此的实施方案的特别的层。
[0012]图3A和图3B包括分别地显示GaN晶体结构的Ga面取向和N面取向。
[0013]图4提供显示包括c面、a面和m面的标识的GaN晶体结构。
[0014]图5包括显不了根据一个实施方案的半导体层的截面图。
[0015]图6包括显示了根据一个实施方案的完成的半导体晶圆的截面图。
[0016]图7包括显示了根据一个实施方案的晶锭的截面图。
【具体实施方式】
[0017]下文大体上致力于衬底材料，并且特别地，包含半导电材料的衬底，以及能够包括多个半导电层(即，半导电衬底)的物体和形成这种物体的方法。半导电衬底可以包括13-15族材料，包括例如氮化镓(GaN)。应当了解，关于13-15族材料，包括化合物，包括至少一种来自元素周期表13族的元素和至少一种来自元素周期表15族的元素，基于IUPAC元素周期表，2011年I月21日版本。同样应了解，在此的实施方案致力于晶锭的形成，其可以便于使用单一形成工艺形成多个衬底。
[0018]图1包括显示了根据实施方案的形成半导电衬底的方法的流程图。图2A和图2B包括显示根据在此的实施方案的特别的层。参考图1，形成半导电衬底能够在步骤101通过基衬底201开始。基衬底201能够是一种衬底，其适合用于在其上支持多个层并且能够具有适合于一个或多个层在其上形成的生长表面202。
[0019]根据一个实施方案，基衬底201能够包括半导体材料。一些合适的半导体材料能够包括13-15族化合物材料。根据一个实施方案，基衬底201能够包括镓。在另一个示例中，基衬底201能够包括氮。在一个特别的实施方案中，基衬底201能够包含氮化镓(GaN)，并且更特别地，可以本质上由氮化镓组成。
[0020]图3A和图3B提供显示GaN晶体结构的Ga极取向(也称作Ga面取向)和N极取向。参考图2A，在某些实施方案中，基衬底201的底面220能够具有Ga面取向，其中晶体结构的Ga原子(Ga)定义并且贯穿底面220。在其他实施方案中，基衬底201能够具有生长表面，其具有a-c取向或N极取向(也称作N面取向)。图3B显示了 N面取向，其中晶体结构的氮原子(N)定义并且贯穿基衬底201的生长表面202。尤其，在极面的情况下，例如纤锌矿结构中的(0002) c面，根据极性，基衬底201将具有与生长表面202相对的底面220。
[0021]在进一步的实施方案中，基衬底201能够具有生长表面，其具有N面取向。在某些实施方案中，基衬底201是预备外延(ep1-ready)N极c面取向体GaN衬底。应当了解，在当从预备外延N极c面取向体GaN衬底开始时，外延层内的张力实质上低于在当从蓝宝石衬底开始时外延层内的张力。也应当了解，N面取向的生长表面的缺陷密度低于其Ga面取向的对应物后侧表面的缺陷密度。
[0022]根据一个实施方案，基衬底201能够实质上不包含掺杂材料。但是，在其他示例中，基衬底201能够具有η型掺杂，包括例如O、S1、Ge的元素及其组合。基衬底201能够具有至少约I X 117CnT3并且不高于约I X 10 22CnT3的η型掺杂的掺杂浓度。在可选的设计中，基衬底201能够具有P型掺杂。一种合适的P型掺杂能够包括Mg、Fe和Zn。对于至少一个实施方案，基衬底201的P型掺杂的掺杂浓度能够是至少约I X 117CnT3并且不高于约
IXlO22CnT30
[0023]根据另一个实施方案，基衬底201能够具有c面晶体取向，例如在图3B中所示的晶体取向。在一个特别的示例中，基衬底201能够具有生长表面202，其定义基衬底201的上部表面。另外，在某些示例中，基衬底201能够具有余料角(offcut angle)，其定义为在生长表面202和晶体材料中的晶体参考面之间的角度。例如，基衬底201能够具有c面取向，其具有至少约0.05度的向a面或m面的余料角，例如至少约0.08度，至少约0.1度，或甚至至少约0.3度。在一个非限制性实施方案中，余料角能够不高于约5度，例如不高于约3度，不高于约I度，或甚至不高于约0.8度。应当了解，余料角能够在任何上述最小和最大值之间的范围内。在另一个非限制性实施方案中，余料角能够不高于约10度，例如不高于约8度，不高于约5度，以及不高于约3度。另外，图4提供显示包括c面、a面和m面的标识的GaN晶体结构，其中a面和m面能够使非极性面。
[0024]回来参考图1，在步骤101提供衬底之后，在步骤103通过形成半导体层205覆盖在基衬底201上，工艺能够继续。在一些实施方案中，半导体层205能够在基衬底201的生长表面202上直接地形成。图2B包括显示根据这些实施方案形成的半导电衬底。然而，应当了解，一些实施方案可以利用在基衬底201和半导体层205之间的一个或多个中间层，例如缓冲层。
[0025]在一个特别的示例中，半导体层205能够由13-15族材料制备。一些合适的13_15族材料能够包括氮化物材料。此外，半导体层205可以包括镓。在特别的示例中，半导体层205可以包括氮化镓(GaN)，并且更特别地，可以本质上由氮化镓组成。
[0026]特别的形成半导体层205的方法能够被采用。例如利用HVPE工艺，基层材料的形成能够以各种生长模式进行。例如，在一个实施方案中，基层首先形成为以三维(3D)生长模式生长的外延层。3D生长模式能够包括半导体层205材料同时沿多个晶向生长。在3D生长模式中，沿着c轴的生长比在侧向的生长快。结果，在3D生长模式中，切面平面的发展优先于c面，并且这将会反应在层的形态中，其显示为小的c面(台面)并且在这些台面之间具有多个切面和凹处。
[0027]可选地，或附加地，半导体层205的形成能够包括二维(2D)生长模式的外延生长。2D生长模式的特征在于所谓的逐层生长模式。实际上在2D生长模式中，沿着c轴的生长比在侧向的生长慢。结果，在2D生长模式中，c面的发展优先于切面的发展。例如，在一个实施方案中，包含GaN的半导体层205以2D生长模式的形成包括在c面(0001)的GaN的优先生长，使得205层将会显示为c面取向的平面形态。
[0028]应当了解，在实施方案中，半导体层205的形成能够包含3D和2D生长模式的结合。例如，半导体层205可以首先以3D生长模式形成，其中在生长的最初的步骤中，岛状特征在缓冲层203(或基衬底201)上自发地形成为材料的非连续层。
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