Nothing Special   »   [go: up one dir, main page]

TWI440074B - 一種在三族氮化物磊晶過程中降低缺陷產生的方法 - Google Patents

一種在三族氮化物磊晶過程中降低缺陷產生的方法 Download PDF

Info

Publication number
TWI440074B
TWI440074B TW099110277A TW99110277A TWI440074B TW I440074 B TWI440074 B TW I440074B TW 099110277 A TW099110277 A TW 099110277A TW 99110277 A TW99110277 A TW 99110277A TW I440074 B TWI440074 B TW I440074B
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
layer
gallium
group iii
iii nitride
nitrogen
Prior art date
Application number
TW099110277A
Other languages
English (en)
Other versions
TW201135809A (en
Inventor
Edward Yi Chang
Yuen Yee Wong
Original Assignee
Univ Nat Chiao Tung
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Univ Nat Chiao Tung filed Critical Univ Nat Chiao Tung
Priority to TW099110277A priority Critical patent/TWI440074B/zh
Priority to US12/923,702 priority patent/US20110239932A1/en
Publication of TW201135809A publication Critical patent/TW201135809A/zh
Application granted granted Critical
Publication of TWI440074B publication Critical patent/TWI440074B/zh

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/10—Inorganic compounds or compositions
    • C30B29/40—AIIIBV compounds wherein A is B, Al, Ga, In or Tl and B is N, P, As, Sb or Bi
    • C30B29/403—AIII-nitrides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B23/00—Single-crystal growth by condensing evaporated or sublimed materials
    • C30B23/02—Epitaxial-layer growth
    • C30B23/06—Heating of the deposition chamber, the substrate or the materials to be evaporated

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Physical Deposition Of Substances That Are Components Of Semiconductor Devices (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)

Description

一種在三族氮化物磊晶過程中降低缺陷產生的方法
本發明係一種三族氮化物磊晶的方法，特別是一種在三族氮化物磊晶過程中降低缺陷產生的方法。
在傳統的磊晶製造過程中，由於是單個原子的逐步堆積成長過程，故通常會在過程中產生刃狀差排，螺旋差排或是混合差排的現象，造成結晶材料的巨大缺陷，更會嚴重地影響了材料的性能。
在材料科學(Materials Science)領域中，結晶材料會產生差排(Dislocation)現象，而差排又稱為線缺陷，通常指的是在結晶固體中沿著某個方向，產生晶格和晶格之間的變形，而缺陷變形的越嚴重則缺陷就會越多。
差排可分為刃狀差排和螺旋差排等兩種基本差排型式；在刃狀差排(Edge Dislocation)中，局部的結晶格子扭曲係沿著原子之多餘半平面的尾端產生，而該多餘半平面尾端則可用以定義差排線。而螺旋差排(Screw Dislocation)則可視為剪刀扭曲的結果，其差排線通過螺旋狀中心以及原子平面盤曲。而在結晶材料中，許多差排擁有刃狀差排和螺旋差排等兩種差排，進而成為混合差排(Mixed Dislocation)。
而在習知的技術文獻中，如美國專利編號第5,091,335號的文獻中，其僅能在同質基板上形成相同的三族氮化合物，且因僅採取單一技術的分子束磊晶法(Molecular Beam Epitaxy,MBE)技術，無法達到製造程序上的便利，故在實際使用上違反了便利原則，限制了其使用的方式。
此外，在該篇文獻中未能清楚明確地揭露任何實際的技術實施手段，包括確切溫度與確實調整比例，故該篇文獻僅能證實理論上的可能性，卻難以依其敘述而據以實施，故在實務應用上，除無法落實於實際應用層面，更缺乏產業上利用的可能性。
故而，為了能降低材料晶體中的缺陷，故需要研發新式之磊晶技術，藉以提高磊晶品質且可降低磊晶的製造時間與製造成本。
本發明一種在三族氮化物磊晶過程中降低缺陷產生的方法，主要係使用分子束磊晶技術以及遷移促進磊晶法，故可成長具有較低差排缺陷，以及具有較高表面平整度的三族氮化物於基板上。
本發明首先提供一異質基板，再以分子束磊晶法(Molecular Beam Epitaxy,MBE)沉積形成具有平滑表面的第一層三族氮化物於該異質基板上，係可用以抑制螺旋線差排(Screw Threading Dislocation)的形成；接著以分子束磊晶法沉積形成第二層三族氮化物，係可用以成為彎曲刃線差排(Edge Threading Dislocation)的成長方向；最後，使用遷移促進磊晶法(Migration Enhanced Epitaxy,MEE)形成平滑的第三層三族氮化物於該第二層三族氮化物的表面，可以使該第二層三族氮化物表面的吸附原子增強擴散進行的效果，藉以修復該第二層三族氮化物的表面。
本發明與傳統技術所不同的是，本發明採用無光罩方法，故而不需要進行顯影製程，且亦無需採用蝕刻法，而可以較低成本與較高效率產生出高品質的三族氮化物。
本發明可以準確地控制磊晶的速度與流量，更可以同步進行磊晶成長的監控。
故而，關於本發明之優點與精神可以藉由以下發明詳述及所附圖式得到進一步的瞭解。
本發明一種在三族氮化物(即如氮化鎵)磊晶過程中降低缺陷產生的方法，主要係使用分子束磊晶技術與遷移促進磊晶法以成長具有較低差排缺陷，以及具有較高表面平整度的三族氮化物於異質基板(Non-native Substrate)上。請參考第1A圖至第1D圖，係為本發明製造方法實施例之連續示意圖，詳細說明如下列：如第1A圖所示，首先提供異質基板101，如藍寶石基板，矽基板等以供本發明後續製程之使用。於本發明所述之異質基板，係指與氮化鎵不相同材質之基板，例如前述之藍寶石基板以及矽基板等，其皆都可提供作為本發明之異質基板的使用。
繼續如第1B圖所示，以分子束磊晶法(Molecular Beam Epitaxy,MBE)沉積形成具有平滑表面的第一「三族氮化物層102」，即如氮化鎵(GaN)於該異質基板101上，而當進行磊晶時，控制溫度約為740℃，而鎵(Ga)與氮(N)所通入的沉積比率為1比1，即鎵的沉積比率約相等於氮的沉積比率。而此時所形成的三族氮化物層102係可用以抑制螺旋線差排(Screw Threading Dislocation)的形成。
又如第1C圖所示，以分子束磊晶法沉積形成第二「三族氮化物層103」，即如氮化鎵103於該第二「三族氮化物層102」上，而當進行磊晶時，控制溫度約為740℃，而鎵與氮所通入的沉積比率約為0.8比1，即鎵的沉積比率約小於氮的沉積比率。其中所形成的該第二「三族氮化物層103」的表面充滿類似平臺和溝槽的形狀，係可用以成為彎曲刃線差排(Edge Threading Dislocation)的成長方向。
如第1D圖所示，使用遷移促進磊晶法(Migration Enhanced Epitaxy,MEE)形成平滑的第三「三族氮化物層104」，即如氮化鎵104於該第二「三族氮化物層103」的表面，可以使該第二「三族氮化物層103」表面的吸附原子增強擴散進行的效果，藉以修復該第二「三族氮化物層103」的表面。最後，再依所需的應用領域進行後續相關製造程序。
而如第2圖所示之「遷移促進磊晶法」技術的原子沉積方法，使前述步驟之分子束磊晶法技術可精凖控制三族原子(如鎵原子)和氮原子的相互沉積比率，以及磊晶層每一層的成長順序。「遷移促進磊晶法」係透過控制三族原子與氮原子的沉積比率及時間而進行，本發明以下列例子，即以鎵及氮的形成為例說明「遷移促進磊晶法」的進行：首先沉積鎵原子，時間約10秒，此時不沉積氮原子；接著沉積氮原子，時間約10秒，此時則不沉積鎵原子；而該兩步驟為一個完整沉積周期。
在首半個周期裏，因為沒有氮原子抵達基板，故鎵原子不會與氮原子產生作用而形成結晶，故所沉積的鎵原子有充足的時間在第二層粗糙的氮化鎵晶體表面進行移動。而粗糙的氮化鎵晶體表面除了有小面積的平臺，還有由許多段差(step)及轉折(kink)形成的溝槽。由於在段差及轉折部位的晶體表面能比較強，故多數的鎵原子都會被捕捉後且被固定於此處，故而不會停留在小平臺上。
當氮原子於後半個周期裏，沉積到氮化鎵晶體表面時，就會跟被捕捉在段差及轉折上的鎵原子產生作用並形成結晶。在此過程中，由於多數的鎵原子都不會停留在平整的晶體表面而跟氮原子形成鍵結，段差及轉折部分的晶體成長速率將比平整表面的成長速率來得快，因此利用「遷移促進磊晶法」進行足夠的沉積周期後，就能使粗糙的第二層氮化鎵晶體表面恢復平整。當然，沉積的周期時間可控制在任意的時間內，故可調整為較長的時間或是較短的時間，主要目的是使所沉積的鎵和氮的比例為1比1。
而以前述「遷移促進磊晶法」技術進行材料的成長時，係以可活動的擋板(Shutter)控制不同的分子束沉積於試片上。亦即於沉積步驟進行中，當有需要沉積某種材料時，便將擋在材料源前方的擋板打開，而不需使用材料源所提供的材料時，便把擋板關起來以阻擋材料沉積到試片上。因此，利用擋板的開関時間，再搭配材料源的輸出量(可由固態源的坩堝溫度或氣態源的流量控制)，就可精準的控制各種材料的沉積速率，而達到最佳的粗糙表面復原效果。
藉由分子束磊晶設備的反射式高能量電子繞射(RHEED)技術的功能，可以觀察成長過程中每一層材料表面的即時變化，可有效的控制及成長高品質的三族氮化物。通常反射式高能量電子繞射技術可以進行量測磊晶的速度，而量測繞射強度隨時間的變化，可控制磊晶的準確度到0.1層原子，一般在形成氮化鎵量子井時，需要以一層一層的方式以監控磊晶的品質，其準確度達1層原子的準確度。
本發明可以準確地控制磊晶的速度與流量，更可以同步進行磊晶成長的監控，且與傳統技術所不同的是，本發明採用無光罩方法，故而不需要進行顯影製程，且亦無需採用蝕刻法，而可以較低成本與較高效率產生出高品質的三族氮化物。
以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明之申請專利範圍；凡其它未脫離本發明所揭示之精神下所完成之等效改變或修飾，均應包含在下述之申請專利範圍內。
101．．．異層基板
102．．．第一層三族氮化物
103．．．第二層三族氮化物
104．．．第三層三族氮化物
第1A圖至第1D圖係為本發明實施例之連續示意圖。
第2圖所示係分子束磊晶法技術的原子沉積通入方法。
101．．．異質基板
102．．．第一層三族氮化物
103．．．第二層三族氮化物
104．．．第三層三族氮化物

Claims (2)

  1. 一種以分子束磊晶法與遷移促進磊晶法在三族氮化物磊晶過程中降低缺陷產生的方法，至少包含：提供一異質基板；以分子束磊晶法(Molecular Beam Epitaxy,MBE)沉積形成第一層三族氮化物層於該異質基板上，其中該第一層三族氮化物層係用以抑制一螺旋線差排的形成，其中該分子束磊晶法中，鎵(Ga)與氮(N)所通入的一沉積比率為1比1，即該鎵的沉積比率約相等於該氮的該沉積比率；以分子束磊晶法沉積形成一第二層三族氮化物層於該第一層三族氮化物層上，其中該第二層三族氮化物層係用以成為一彎曲刃線差排的成長方向，其中該分子束磊晶法中，鎵與氮所通入的沉積比率約為0.8比1，即該鎵的沉積比率約小於該氮的該沉積比率；以及以遷移促進磊晶法(Migration Enhanced Epitaxy,MEE)形成第三層三族氮化物層於該第二層三族氮化物層的表面，修復該第二層三族氮化物層的表面，藉以形成該在三族氮化物磊晶過程中降低缺陷產生的方法。
  2. 一種以分子束磊晶法與遷移促進磊晶法在氮化鎵磊晶過程中降低缺陷產生的方法，至少包含：提供一異質基板；以分子束磊晶法(Molecular Beam Epitaxy,MBE)沉積形成第一層氮化鎵層於該異質基板上，其中該第一層氮化鎵層係用以抑制一螺旋線差排的形成，至少包含鎵(Ga)與氮(N) 所通入的一沉積比率為1比1，即該鎵的沉積比率約相等於該氮的該沉積比率；以分子束磊晶法沉積形成第二層氮化鎵層於該第一層氮化鎵層上，其中該第二層氮化鎵層係用以成為一彎曲刃線差排的成長方向，至少包含該鎵與氮所通入的沉積比率約為0.8比1，即該鎵的沉積比率約小於該氮的沉積比率；以及以遷移促進磊晶法(Migration Enhanced Epitaxy,MEE)形成第三層氮化鎵層於該第二層氮化鎵層的表面，修復該第二氮化鎵層的表面，藉以形成在該氮化鎵磊晶過程中降低缺陷產生的方法。
TW099110277A 2010-04-02 2010-04-02 一種在三族氮化物磊晶過程中降低缺陷產生的方法 TWI440074B (zh)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
TW099110277A TWI440074B (zh) 2010-04-02 2010-04-02 一種在三族氮化物磊晶過程中降低缺陷產生的方法
US12/923,702 US20110239932A1 (en) 2010-04-02 2010-10-05 Method for reducing defects in epitaxially grown on the group III-nitride materials

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
TW099110277A TWI440074B (zh) 2010-04-02 2010-04-02 一種在三族氮化物磊晶過程中降低缺陷產生的方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TW201135809A TW201135809A (en) 2011-10-16
TWI440074B true TWI440074B (zh) 2014-06-01

Family

ID=44708123

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW099110277A TWI440074B (zh) 2010-04-02 2010-04-02 一種在三族氮化物磊晶過程中降低缺陷產生的方法

Country Status (2)

Country Link
US (1) US20110239932A1 (zh)
TW (1) TWI440074B (zh)

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB201021112D0 (en) 2010-12-13 2011-01-26 Ntnu Technology Transfer As Nanowires
GB201211038D0 (en) 2012-06-21 2012-08-01 Norwegian Univ Sci & Tech Ntnu Solar cells
GB201311101D0 (en) 2013-06-21 2013-08-07 Norwegian Univ Sci & Tech Ntnu Semiconducting Films
EP3323152B1 (en) 2015-07-13 2021-10-27 Crayonano AS Nanowires/nanopyramids shaped light emitting diodes and photodetectors
AU2016292850B2 (en) 2015-07-13 2019-05-16 Crayonano As Nanowires or nanopyramids grown on graphitic substrate
EP3544046A1 (en) 2015-07-31 2019-09-25 Crayonano AS Processes for growing nanowires or nanopyramids
GB201705755D0 (en) 2017-04-10 2017-05-24 Norwegian Univ Of Science And Tech (Ntnu) Nanostructure
CN111863946A (zh) * 2020-07-31 2020-10-30 佛山紫熙慧众科技有限公司 一种新型的氮化物异质结构材料异质界面缺陷修复方法

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5633192A (en) * 1991-03-18 1997-05-27 Boston University Method for epitaxially growing gallium nitride layers
US6673149B1 (en) * 2000-09-06 2004-01-06 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd Production of low defect, crack-free epitaxial films on a thermally and/or lattice mismatched substrate
US7323256B2 (en) * 2003-11-13 2008-01-29 Cree, Inc. Large area, uniformly low dislocation density GaN substrate and process for making the same

Also Published As

Publication number Publication date
US20110239932A1 (en) 2011-10-06
TW201135809A (en) 2011-10-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TWI440074B (zh) 一種在三族氮化物磊晶過程中降低缺陷產生的方法
Li et al. Epitaxial growth of group III-nitride films by pulsed laser deposition and their use in the development of LED devices
CN110783167B (zh) 一种半导体材料图形衬底、材料薄膜及器件的制备方法
TWI471913B (zh) Production method of gallium nitride based compound semiconductor
CN101381891B (zh) 一种制备MgZnO单晶薄膜的方法
TWI725418B (zh) 磊晶於異質基板之結構及其製備方法
TWI534861B (zh) A template for epitaxial growth and a method for producing the same, and a nitride semiconductor device
KR102288586B1 (ko) 연속적으로 감소된 결정학적 전위 밀도 영역을 갖는 iii족-질화물 구조체
CN106910807B (zh) 一种用于生长外延片的复合衬底及其制备方法
CN100365767C (zh) 一种提高氮化镓基材料外延层质量的衬底处理方法
KR20110090576A (ko) 질화갈륨 기판 제조방법
CN115566121A (zh) 用于生长Ⅲ族氮化物的AlN复合衬底及制备方法
US9735008B2 (en) Use of surfactants to control island size and density
WO2021237528A1 (zh) Ⅲ族氮化物结构及其制作方法
US8455881B2 (en) Ge quantum dots for dislocation engineering of III-N on silicon
CN112071963A (zh) 一种led外延片及制作方法
CN105332048A (zh) 一种氧化锌基合金半导体材料及其制备方法
TWI752256B (zh) 基底及其製備方法
Merckling et al. Monolithic Integration of III-V Semiconductors by Selective Area Growth on Si (001) Substrate: Epitaxy Challenges & Applications
JP2003142406A (ja) 半導体装置の製造方法
JP4747319B2 (ja) ヘテロエピタキシャル成長方法
JP2013147383A (ja) 窒化物半導体ウエハおよび窒化物半導体ウエハの製造方法
DE102011016366A1 (de) Verfahren zur Herstellung eines III/V-Si-Templats
JP7182172B2 (ja) Ｉｉｉ族窒化物半導体装置
JP4873705B2 (ja) 窒化インジウム（ＩｎＮ）あるいは高インジウム組成を有する窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）エピタキシャル薄膜の形成方法