在外延橫向過度生長氮化鎵模板上生長氧化鋅膜的方法

專利名稱：在外延橫向過度生長氮化鎵模板上生長氧化鋅膜的方法
技術領域：
本發明涉及電子和光電器件的制造中高質量氧化鋅膜的形成，更具體 地，涉及在外延橫向過度生長(ELO)氮化鎵模板上氧化鋅的生長。
背景技術：
作為具有室溫3.37 eV的能隙的直接帶隙的半導體，氧化鋅展示出有趣 的電、光、聲和化學特性，可以在光電子、傳感器和催化領域找到廣泛的應 用。具有大激子結合能(60 meV ), [R.D. Vispute, V.Talyansky， S.Choopun, R.P. Sharma， T.Venkatesan, M,He， X. Tang, J.B. Halpern, M.G. Spencer, Y, X. Li, L.G. Salamanca-Riba， A.A. Iliadis and K.A. Jones, Appl, Phvs. Lett. 73,348 (1998).] 和4氐功率閾《直[D.C. Reynolds, D.C. Look, and B. Jogai， Solid State Commim. 99: 873 (1996).],氧化鋅還被認為是UV和藍光發射器件的有前途的材料。 [M.H.Huang， S.Mao， H.Feick, H.Yan, Y.Wu, H.King， E.Weber， R.Russo, and RYang, Science 292, 1897(2001); M.Kawasaki, A. Ohtomo， H.Koinuma, Y.Sakurai, Y.Yoshida, Z.K. Tang, RYu, G.K丄.Wang, and Y.Segawa, Mater, Sci. Forum 264, 1459(1998).; D.M. Bagnall, Y.F. Chen, Z.Zhu, T.Yao， S.Koyama, M.Y.Shen， and T.Goto， Appl. Phys. Lett. 70, 2230(1997).]外延氧化鋅膜由幾組 生長在藍寶石上[M. Kawasaki, A.Ohtomo, H. Koimuma, Y.Sakumi, Y.Yoshida, Z.K. Tang， RYu， GK丄.Wang， and Y.Segawa， Mater.Sci.Fo匪264,1459(1998).; D.M.Bagnall, Y.F. Chen, Z.Zhu, T.Yao, S.Koyama, M.Y.Shen, and T.Goto, Appl. Phvs. Lett. 70, 2230 (1997); V.Srikant, V.Sergo,和D.R. Clarke, J.Am.Ce畫.Soc. 78, 1931(1995).]，盡管在兩種結構之間存在高失配。
授予Koike等人的美國專利5,569,548和5432,397討論了在藍寶石襯底 上生長氧化鋅。這些專利教導了將鎳、鐵、或銅添加至氧化鋅以便改善晶格
5取向。授予Furushima的美國專利5,8515,520也教導了在藍寶石上生長氧化 鋅。
相似于氮化鎵，氧化鋅具有纖維鋅礦型晶體結構。Vispute等人報告了在 氮化鎵上氧化鋅的外延生長。該結合非常有趣，因為這兩種材料之間的晶格 失配低至1.9%。但是，因為在c-藍寶石上生長的氮化鎵中的大位錯密度(~ 109cm_2),已知原生長的氮化鎵上的氧化鋅膜包含高缺陷密度，這主要包括 螺位錯。因而，重要的是獲得具有高晶體質量和低位錯密度以實現高效氧化 鋅器件。在授予Uemura等人的美國專利5,679,476公開了在襯底上外延生長 無缺陷層。授予Yuri等人的美國專利6,274,518在襯底上外延生長氮化鎵。 授予Kato等人的美國專利6,673478在氮化鎵層上外延生長氧化鋅。Kato等 人使用了生長村底，其中多個(0001 )表面以相對于生長表面0.1至0.5度 的傾斜角的一序列平臺對齊。Kato的ZnO的質量沒有通過本發明的工藝制 造的ZnO的質量高。
外延橫向過度生長(ELO)方法依靠選擇性的外延和生長各向異性，這 顯著地將氮化鎵的位錯密度從108 —1()減小至106_7cnT2。 [T.NisWnaga， T. Nakano，和S.Zhang, Jpn丄Appl.Phys. 27 L964(1988).; T.S.Zheleva， O.H. Nam, M.D. Bremser, and R.F. Davis, Appl. Phys丄ett. 71， 2472(1997).] Y.Honda等人 提出了受控晶面ELO (FACELO-通過各種生長參數以控制生長晶面)并且 也成功地將位錯密度減小至相同的水平。[Y Honda， Y.Iyechcika， T.Maeda, H.Miyake和K.Hiramatsu Jpn丄Appl.Phys. 40 L309(2001)]因而，利用高質量 的ELO氮化鎵獲得具有的缺陷密度的氧化鋅膜是有前途的。在該發明中， 報告了使用在藍寶石(0001 )上的FACELO氮化鎵卩漠板外延生長氧化鋅膜。 通過采用Si02作為掩模層，實現了選擇性的氧化鋅膜的生長。電子顯微鏡研 究示出所述膜是具有低位錯密度的單晶結構。光致發光(PL )光譜展示來自 氧化鋅的強紫外(UV)峰。綠發射也^L氧化鋅的高晶體質量有效地抑制。
本發明的潛在應用包括UV探測器、發光二極管、可以發射藍和綠光的 激光二極管和其它光電應用。其它的應用還包括透明導體、介電質和太陽能 電池。

發明內容
因此，本發明的主要目標是提供在構圖的氮化鎵模板上制造氧化鋅半導
6體外延層的新方法。
本發明的另一目標是提供適用于工業氧化鋅制造的氧化鋅襯底晶片的制造方法。
根據本發明的目標，實現了制造氧化鋅半導體層的新方法。底氮化鎵層用其中包括開口陣列的掩才莫覆蓋。過度生長的氮化鎵半導體層通過開口陣列形成于底氮化鎵層上。氧化鋅橫向生長于過度生長的氮化鎵半導體層上^^人而形成連續的過度生長的單晶氧化鋅半導體層。
而且根據本發明的目標，實現了電子或光電器件，其包括具有預定缺陷密度的底氮化鎵層，通過掩模中的開口陣列與底氮化鎵層接觸的過度生長的氮化鎵層，其中(11-22.)晶面形成于過度生長的氮化鎵層中，導致比預定缺陷密度低的缺陷密度，形成氧化鋅半導體層、覆蓋過度生長的氮化鎵層的連續的氧化鋅層膜，和在連續的氧化鋅半導體層中的光電或;微電子器件。


在形成該說明書的實質部分的附圖中，示出了
圖1A示出了根據本發明制造的ELO氧化鋅半導體結構的實例的截面圖。
圖1B和圖1C示出了根據本發明可能的應用的含ZnO化合物半導體器件的兩個示意截面圖。
圖2至6示出了圖1中的實例的各中間制造步驟的橫截面圖。
圖7A和7B分別示出了生長了 30分鐘的氧化鋅/ELO氮化鎵的掃描電子顯微鏡(SEM)截面圖和SEM圖像的俯視圖。
圖7C和7D分別示出了生長了 40分鐘的氧化鋅/ELO氮化鎵的SEM截面圖和SEM圖像的俯視圖。
圖8A是高分辨率透射電子顯微鏡(HRTEM)圖像和對應的氧化鋅/ELO氮化鎵界面的SAED圖案。
圖8B是透射電子顯微鏡(TEM)的截面圖像，接近氧化鋅/ELO氮化鎵界面g=1100。
圖9是從兩個不同的氧化鋅/ELO氮化鎵區所取的室溫微PL頻譜。圖10是外延氧化鋅/ELO氮化鎵/藍寶石(0001 )異質結構的X射線衍射0)/2e掃描。
7圖11A示出了 ELO氮化鎵表面上的外延氧化鋅的AFM。圖11B示出了在氮化鎵表面的c平面上原生長的氧化鋅的AFM。插圖示出了兩個不同的樣品的相同的表面區的SEM。
具體實施例方式
在本發明的ELO氮化鎵模板上已經成功地生長了氧化鋅膜。高質量ELO氮化鎵用于獲得具有較低缺陷密度的氧化鋅膜。此外，與用熱液法生長的傳統單晶氧化鋅襯底相比，本發明可以容易地用于獲取2英寸和3英寸的氧化鋅襯底晶片。這樣，提出的制造方法也適用于工業氧化鋅制造。在ELO氮化鎵上氧化鋅膜的生長的提出的方法如下所述在此可以通過使用例如金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)的任何已知的方法在例如藍寶石的任何襯底上生長1 -2|1111的單晶氮化鎵層。通過等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)在大約280。C的溫度在氮化鎵(0001 )表
面上沉積Si02掩模層。然后Si02掩模通過傳統的光刻被構圖為在氮化鎵
<1-100>方向取向的條紋。接著，氮化鎵通過金屬有機化學氣相沉積(MOCVD),用三曱基鎵(TMGa)和氨(麗3)作為Ga和Nz的源，用H2作為載體氣體被再生長。接著，ELO氮化鎵/藍寶石襯底被》文入管式爐以便通過化學氣相沉積和在氧存在下鋅粉末(99.9%純度)的凝結而生長氧化鋅膜。
發現在室溫下氧化鋅膜的光致發光以379 nm為中心。氧化鋅膜的發光在UV區，這適于UVLED的制造。此外，注意到如圖9B中所示出的在氧化鋅PL頻譜中綠波帶的強度非常低，暗示制造的氧化鋅膜中低的缺陷濃度。這是因為在氧化鋅中綠發射通常歸因于在氧化鋅晶格中氧的空位和/或間隙鋅離子。
此后將參考附圖更為充分地描述本發明，其中示出了本發明的實施例。但是本發明可以以許多不同的形式實施，不應理解為局限于在此提出的實施例。在附圖中，為了清楚起見層和區的厚度被夸大，未按比例繪制。
現將參考圖1A,根據本發明的ELO氧化鋅結構被示出。ELO氧化鋅結構100包括襯底101。襯底可以是藍寶石、硅、SiC或任何其它合適的村底。但是，優選使用藍寶石(0001 )襯底101a并且低溫氮化鎵緩沖層101b被生長于藍寶石襯底101a上。
8襯底101的制造是本領域的技術人員所熟知的并且無需進一步的描述。
底氮化鎵層也生長于襯底101a頂部上的緩沖層101b上。底氮化鎵層103的厚度可以在1.0和2.0 |im之間，并且可以使用加熱的金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)而形成。底氮化鎵層通常具有不希望的相對高的缺陷密度，例如大約108和1(Tcm々之間的位錯密度。這些高缺陷密度可以由緩沖層101b和底氮化鎵層103之間的晶格參數的失配而產生。這些高缺陷密度可以影響底氮化鎵層103中微電子和光電器件的性能。
如圖1A中所示出的，例如二氧化硅掩模105的掩模形成于底氮化鎵層103上。掩模105包括其中的開口的陣列。優選開口是沿底氮化鎵層103的<1-100>方向延伸的條紋。掩模105可以具有大約100 nm的厚度并且可以在底氮化鎵層上使用等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)在大約280°C形成。掩模105可以使用標準光刻技術被構圖并且在稀釋的氫氟酸(HF)溶液中被蝕刻。
圖1A還示出了/人底氮化鎵層103且通過窗口區107中的開口陣列(見圖3 )生長的氮化鎵層109的{11-22}晶面。ELO氧化鋅半導體結構100也包括通過化學氣相沉積生長的氧化鋅層llla和從氮化鎵層109的{11-22}晶面橫向延伸的橫向氧化鋅層lllb。橫向氧化鋅層lllb可以使用下述氣相外延(CVD)而形成。如同在此所使用的，術語"橫向"指稱平行于襯底IOI的面的方向。
如圖1A中所示出的，橫向過度生長的氧化鋅層lllb在界面llla融合從而形成連續的單晶氧化鋅半導體層111。發現橫向生長氧化鋅層111中的螺位錯將彎曲為橫向，既便一些螺位錯保留并且在窗口區中穿過頂部的氧化鋅表面。因而，橫向氧化鋅層lllb可以具有相對低的缺陷密度，例如小于104cnf2。因而，橫向過度生長的氧化鋅層lllb是器件質量的。
現將參考圖2-5，現將描述根據本發明的ELO氧化鋅半導體結構的制造方法。如圖2中所示出的，底氮化鎵層103生長于襯底101上。襯底IOI可以包括藍寶石(0001 )襯底101a和低溫生長氮化鎵緩沖層101b。低溫(500°C ~ 600°C )氮化鎵緩沖層101b可以在垂直冷壁和感應加熱的金屬有機氣相沉積(MOCVD)系統中被沉積于藍寶石襯底101a上至30-40nm厚。氮化鎵層103可以是1.0和2.0 pm之間的厚度，并且可以在低溫氮化鎵緩沖層上使用任何著名的方法，例如分子束外延(MBE)、氫化物氣相外延(HVPE)和金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)在至少IOO(TC的溫度下生長。
參考圖3,底氮化鎵層103用其中包括開口 107的陣列的掩模層105掩蔽。掩模層由不允許隨后氮化鎵沉積于其上的材料(例如Si02或SixNy)構成，即對氮化鎵的沉積的選擇性。即，GaN僅生長于開口區107上并且不生長于掩模材料105上。例如，Si02或SiN可以被用作掩模。掩模層可以具有大約100 nm的厚度并且可以在280。C使用等離子體增強化學氣相沉積
(PECVD )形成于底氮化鎵層103上。掩模105可以使用標準光刻技術被構圖并且在稀釋的氬氟酸(HF)溶液中被蝕刻。其它傳統的方法例如使用反應離子蝕刻(R1E)或感應耦合等離子體(ICP)的干法蝕刻也可以被使用。在一實施例中，開口 107在底氮化鎵層103上沿<1-100>方向是3|^11寬。氮化鎵窗口區對Si02翼區的寬度比可以被界定為任何值。在進一步處理之前，該結構可以被浸入50%稀釋的鹽酸(HC1)溶液中以便去除在底氮化鎵層103上形成的表面氧化物。
參考圖4,底氮化鎵層103通過開口陣列107生長以便形成從底氮化鎵層103并且穿過窗口區107中的開口陣列生長的氮化鎵層109的{11-22}晶面F。氮化鎵層109的{11-22}晶面F可以使用MOCVD在大約900-^0。C并且在200-500 Torr的壓力范圍下生長。80 pmol/min的三曱基鎵(TMGa)的先驅體和11 slm左右的NH3可被用于形成氮化^^家層109。如果氮化鎵合金被形成，則也可以使用另外的傳統的例如鋁或銦的先驅體。三乙基鎵(TEGa)或乙烯二曱基鎵(EDMGa)也可以被用作III族先驅體，而二甲肼((H2N2
(CH3)) 2.l，lDMHy)優選作為N先驅體。ELO氮化^^家層通過選擇生長溫度和反應器壓力控制晶面的平面而生長。用于實現在希望的晶面的平面上的生長的典型的生長溫度和反應器壓力分別是900-950。C和200 - 500 Torr的壓力范圍。最初的鋸齒的ELO氮化鎵條紋109具有例如5 pm的高度和7 pm的寬度。
還應理解在兩個方向的橫向生長可以被用于形成過度生長的氮化鎵半導體層。具體地，掩模105可以被構圖以便包括或者沿<1-100>或者沿<11-20>延伸的開口 107的陣列。開口可以形成條紋圖案。
現在參考圖5,ELO氮化鎵/藍寶石襯底被放入管式爐以^使通過化學氣相沉積和在氧存在下的鋅粉末的凝結而生長氧化鋅膜。連續的氧化鋅層llla的生長引起在底氮化鎵層109上的氧化鋅的過度生長，從而形成橫向氧化鋅
10(11-20)晶面M。氧化鋅層llla的生長是通過化學氣相沉積和鋅(99.9%純度)粉末在氧存在下的凝結而形成的。有Zn粉末的鋁舟被;故置在石英管的中央并且用以100標準立方厘米每分鐘( sccm)的流量流動的氛(99.999%純度)清洗。爐溫被增加至750°C - 850。C左右，并且氧氣(99.99%純度)流以10 ~ 100 sccm的流量，優選10 ~ 20 sccm被引入管式反應器。
02與He氣混合并且氣流在整個反應過程中被保持。在圖7中示出了 30分鐘生長和40分鐘生長的氧化鋅層的圖像。
現在參考圖6，允許橫向過度生長直至生長鋒面在界面llla融合，從而形成連續的氧化鋅層111。總生長時間可以是大約60分鐘。ZnO膜厚度取決于生長時間。例如，在30分鐘的生長時間之后實現了 8.9nm的試驗厚度。
如圖1B中所示出的，隨后在區Hlb中可以形成微電子和光電器件。如果希望，器件也可以形成于區llla中。
下面描述ZnO半導體器件的實例。圖1B和1C示意性地示出了根據本發明實施例的兩個ZnO半導體器件。通過給出相似的參考標號，省略了與在圖1A中所示出的元件相同的圖1B和1C中所^f吏用的元件的解釋。
在圖1B中所示出的半導體器件中，GaN層101形成于藍寶石襯底上，并且在其上按順序生長p型GaN單晶模板(103和109 )和n型ZnO單晶層lllb。
n型ZnO單晶層lllb是具有通過從GaN脊生長的ZnO的融合的要求所確定的膜厚度的ZnO單晶層。ZnO被摻雜以III族元素，例如鎵(Ga)或鋁(Al)至大約10"cm-3的濃度。部分n型ZnO單晶層lllb被去除以便可以形成具有GaN 113的p型接觸。形成第一電極112作為對于n型ZnO的金
屬接觸。
為了形成n型ZnO單晶層lllb和第一電極112之間的歐姆接觸，優選第一電極112由例如銦(In)和鋁(Al)形成。
Pn結通過形成例如具有1至4pm厚度的p型GaN層103而形成。
第二電極113形成于p型GaN單晶層103的被暴露的表面上。為了制造p型GaN單晶層103和第二電極113之間的歐姆接觸，例如鎳(Ni)、鉑(Pt)、鈀(Pd)、金(Au)等的金屬，任何二或更多這些金屬的合金，或這些金屬膜的多層堆疊被使用。
在上述半導體器件中，正電壓被施加于相對于第一電極112的第二電極
ii113,以便允許前向電流穿過pn結。在p型GaN 109/n型ZnO lllb界面區 等中電子和正空穴的復合，產生發光。可以使用所得的器件作為發光二極管。
在圖1C中所示出的半導體器件中，GaN層103形成于藍寶石襯底上， 并且其上生長于GaN脊109上的ZnO lllb被用作將來器件結構的襯底。n 型ZnO 114、 ZnO/Mg/ZnO量子阱結構115、和p型ZnO層116按此順序生 長。
n型ZnO單晶層114是在ZnO 11 lb的表面上具有1 - 4 jim的厚度的ZnO 單晶層。ZnO被摻雜以III族元素，例如鎵(Ga)或鋁(Al)至大約1018cm-3 的濃度。部分n型ZnO單晶層114被去除以便可以形成n型接觸。形成第一 電極118作為對于n型ZnO的金屬4妄觸。
為了形成n型ZnO單晶層114和第一電極118之間的歐姆接觸，優選第 一電極118由例如銦(In)和鋁(Al)形成。
pn結通過形成例如具有1至4pm厚度的p型ZnO層116而形成。
第二電極119形成于p型ZnO單晶層116的被暴露的表面的區域上。為 了制造p型ZnO單晶層116和第二電極119之間的歐姆接觸，例如鎳(Ni)、 柏(Pt)、鈀(Pd)、金(Au)等的金屬，任何二或更多這些金屬的合金，或 這些金屬膜的多層堆疊被使用。
在上述半導體器件中，相對于第一電極118的正電壓被施加于第二電極 119，以便允許前向電流穿過pn結。在量子阱結構115等的區域中電子和正 空穴的復合，產生發光。可以使用所得的器件作為發光二極管。
在上文中，盡管解釋了根據本發明實施例的晶體生長襯底，ZnO半導體 晶體的制造方法，和ZnO半導體器件，但是本發明不僅局限于所述實施例。
實例
給出下列實例，以便示出本發明的重要特征并且幫助對其的理解。本領 域的技術人員可以進行變更而不偏離本發明的精神和范圍。
圖7A和7C分別示出了本發明在ELO氮化鎵模板上生長的氧化鋅的30 分鐘和40分鐘的SEM圖像的截面圖。在圖7A中，可以看到ELO氮化鎵三 角形條紋的初始鋸齒表面具有5 pm的高度和7 (im的寬度。在氧化鋅生長之 后，觀察到具有大約6.2^m寬度的接近矩形的形狀，指示氧化鋅llla明顯
12未發現在Si02掩模層上的生長。這示出了氧化鋅頂層選擇性地生長于ELO 氮化4家模板上。這樣的形態來源于ELO氮化鎵和c-氮化鎵表面之間的不同 的生長模式。圖7B和7D分別示出了氧化鋅在氮化鎵模板上生長30分鐘和 40分鐘之后的樣品的俯視圖。缺陷凹坑(被標出)可以在頂層的表面上^^ 現，這可以來自從ELO氮化鎵傳播入氧化鋅膜的螺位錯。
圖8A示出了典型的氧化鋅/ELO氮化鎵界面的HRTEM圖像，從圖像中 可以看到氧化鋅的晶格邊緣與ELO氮化鎵的晶格邊緣完美地對齊并且在原 子水平上界面是清晰的。在插圖中示出了對應的選擇性區的電子衍射
(SAED)圖案。僅有一套SAED圖案被觀察，由氧化鋅和氮化鎵六邊形結 構之間的非常緊密的晶格匹配所產生。該圖案還驗證了在氮化鎵上完美的外 延生長和其高的晶體質量。在圖8B中呈現了較低放大倍率的TEM圖像截面 圖，以便進一步示出氧化鋅/ELO氮化鎵的界面。由于水平位錯(HD，s)可 以顯著地減小過度生長的氮化鎵區的螺位錯(TD，s)密度,所以水平位錯
(HD，s)的形成非常重要。圖8B中的圖像示出了橫向過度生長的氧化鋅基 本上沒有TD，s并且落在氧化鋅的(0001 )平面上的HD，s可以通過在氮化鎵
(TD1)中彎曲90。而被產生。通過考慮從晶體的自由表面出現的位錯線的 能量，可以理解彎曲的效果。[J.P. Hirth and J丄othe, Therov of dislocations, 2nd ed. Wiley, New York， (1982)]就位錯線張力而言，任何位錯都趨向于變得垂直 于自由表面以便減小其能量。結果，位錯將逐漸向當前晶面的平面的法線方 向改變其線方向，如可以在圖8B中所看到的，圖8B提出高質量氧化鋅膜 可以在ELO氮化鎵上偽晶生長(沿(11-20)晶面)。^使用這些生長條件，如圖 1A中所示出的高質量的氧化鋅外延層被制造在ELO氮化鎵上。這里， HRTEM研究進一步確認了 ELO氮化鎵層對于氧化鋅生長的適用性。
圖9示出了從ELO氮化鎵區I (在圖7B中示出)獲得的PL頻i普(a)， 它主要由ELO氮化鎵的貢獻。圖9還示出了從ELO氮化鎵區II (在圖7B 中示出)獲得的PL頻鐠(b)，它主要歸因于ELO氧化鋅層。ELO氮化鎵 膜的PL頻i普展示了不同的峰，由于中性供體束縛(neutral-donor-bound) DX 激子發射91和具有復制物93的自由激子D2o-x躍遷。D2().XPL峰91主要由 通過ELO再生長的SiCb掩模層的Si供體的擴散所引起。氧化鋅膜95的PL 峰清楚地示出了 3.27ev的氧化鋅DX自由激子復合。從PL研究中，注意到 氧化鋅峰值線寬的半峰全寬(FWHM)是大約11 meV，這比來自直接在氮化鎵上異質外延生長的氧化鋅的20 meV的結果好。本發明的氧化鋅膜的這 樣小的FWHM是由于其高晶體質量。還注意到在氧化鋅PL頻譜中綠波帶的 強度在圖9(b)中非常低，暗示在這些制造的氧化鋅膜中的低缺陷密度，由于 在氧化鋅中的綠發射通常歸因于在氧化鋅晶格中的氧空穴和/或間隙Zn離 子。[例如J.Joo, S.G; Kwon, J,H. Yu, T.Hyeon, Adv. Mater. 17.1873， (2005).]因 而，本發明的方法可以容易地用于UVLED和LD的生長和制造中。
圖10示出了在ELO氮化鎵/藍寶石(0001 )上生長的氧化鋅膜的X射 線衍射Q/29掃描。結果僅示出氧化鋅101和氮化鎵103的平面族(OOOX)， 指示氧化鋅/氮化鎵異質結構被強c軸取向為正交于藍寶石(0001 )平面。氧 化鋅和氮化鎵膜的XRD搖擺曲線的半峰全寬發現分別為3 arcmin和5 arcmin。
圖11A示出了由原子力顯微鏡(AFM)表征的過度生長的樣品的表面 形態以及在相同生長條件下在c-氮化鎵上生長的圖11B的控制樣品的表面形 態。在ELO氮化鎵上的橫向過度生長的氧化鋅和在c-氮化鎵上的控制樣品 氧化鋅的表面粗糙度的均方根值分別是0.40 nm和3.67 nm。從ELO氧化鋅 樣品觀察到原子臺階和平臺。在AFM觀測中僅有幾個臺階終端被探測到， 這指示了過度生長的ZnO樣品的高質量。與控制樣品相比，過度生長的氮 化鎵樣品的表面凹坑密度減小了多于IOO倍。這些小凹坑被認為在臺階邊緣 處相會的混合的螺型位錯和刃型位錯相關。這示出了 ELO氧化鋅生長方法 在氧化鋅層中對于位錯特性具有影響。
貫穿本申請引用了來自科學期刊和/或專利文獻的各種文章。各篇這樣的
文章在此通過引用的方式整體引入且這樣的引用為了所有的目的。
盡管參考其優選實施例具體示出和描述了本發明，但是本領域的技術人 員應當理解可以進行各種形式和細節的變更而不偏離本發明的精神和范圍。
權利要求
1. 一種制造氧化鋅半導體層的方法，包括的步驟是用其中包括開口陣列的掩模掩蔽底氮化鎵層；通過所述開口陣列在所述底氮化鎵層上形成過度生長的氮化鎵半導體層；并且在所述過度生長的氮化鎵半導體層上橫向生長氧化鋅，從而形成連續的過度生長的單晶氧化鋅半導體層。
2. 根據權利要求1的方法，還包括在所述過度生長的氧化鋅半導體層中形成至少一光電或微電子器件。
3. 根據權利要求l的方法，其中所述掩模步驟包括的步驟是用其中包括條紋開口陣列的掩模掩蔽所述底氮化鎵層，其中所述條紋開口沿所述底氮化鎵層的<1-100>方向取向。
4. 根據權利要求1的方法，其中所述掩模由不允許隨后沉積于其上的氮化鎵的生長。
5. 根據權利要求4的方法，其中所述掩模包括Si02或SiN。
6. 根據權利要求l的方法，其中所述掩蔽步驟包括的步驟是用其中包括條紋開口陣列的掩模掩蔽所述底氮化鎵層，其中所述條紋開口沿所述底氮化鎵層的<11-20>方向延伸。
7. 根據權利要求l的方法，其中所述底氮化鎵層包括預定的缺陷密度，并且其中在通過所述開口陣列所述隨后地形成所述過度生長的氮化鎵層中，形成(11-22)晶面，導致比所述預定缺陷密度低的缺陷密度。
8. 根據權利要求7的方法，其中所述形成所述過度生長的氮化鎵層包括使用金屬有機化學氣相沉積生長(11-22)晶面的步驟。
9. 根據權利要求8的方法，其中所述金屬有機化學氣相沉積包括在大約900至950。C的生長溫度下以大約80 ]imol/min流動三曱基鎵并且以11 slm流動氨。
10. 根據權利要求7的方法，其中所述形成所述過度生長的氮化鎵層包括使用金屬有機化學氣相沉積、分子束外延、或氫化物氣相外延生長(11-22)氮化鎵層晶面的步驟。
11. 根據權利要求7的方法，其中通過所述開口陣列從所述底氮化鎵層垂直傳播的位錯被橫向彎曲為所述過度生長的單晶氧化鋅，使得所述氧化鋅層具有比所述預定缺陷密度低的位錯缺陷密度。
12. 根據權利要求l的方法，其中所述底氮化鎵層在包括藍寶石、硅、SiC或其它合適的襯底上生長。
13. 根據權利要求12的方法，還包括在所述襯底上在大約500和600。C之間的溫度下沉積氮化鎵緩沖層；并且在所述氮化鎵緩沖層上以至少1000 。C的溫度生長所述底氮化鎵層。
14. 一種制造氧化鋅半導體層的方法，包括的步驟是提供具有預定缺陷密度的底氮化鎵層；用其中包括開口陣列的掩模掩蔽所述底氮化鎵層；通過所述開口的陣列形成過度生長的氮化鎵層，其中(11-22)晶面形成于所述過度生長的氮化鎵層中，導致比所述預定缺陷密度低的缺陷密度；在所述過度生長的氮化鎵層上橫向過度生長氧化鋅，直至所述氧化鋅層融合，從而形成連續的橫向生長單晶氧化鋅半導體層；并且在所述連續的橫向過度生長的氧化鋅半導體層中形成光電或微電子器件。
15. 根據權利要求14的方法，其中所述橫向過度生長的氧化鋅層在所述底氮化鎵層的<1-100>方向延伸。
16. 根據權利要求14的方法，其中所述橫向過度生長所述氧化鋅層包括通過在加熱至750°C - 850。C的溫度范圍的鋅源上以10 - 100 sccm流動氧而形成的熱氣相外延。
17. 根據權利要求15的方法，包括的步驟是提供基本包括ZiuOB的氣相形式的先驅體，其中下標A和下標B是任何整數的組合；并且加熱所述底氮化鎵層，其中至少一些在襯底表面的氣體的分解導致通過化學氣相沉積的氧化鋅膜的沉積。
18. 根據權利要求17的方法，其中所述加熱包括加熱所述襯底的表面至從700 。C至900 。C范圍的溫度。
19. 根據權利要求14的方法，其中所述過度生長持續30至60分鐘。
20. —種電子或光電器件，包括具有預定缺陷密度的底氮化鎵層；通過掩模中的開口的陣列接觸所述底氮化鎵層的 一過度生長的氮化鎵層，其中所述過度生長的氮化鎵層中的(11-22)晶面導致比所述預定缺陷密度低的缺陷密度；形成氧化鋅半導體層的、覆蓋所述過度生長的氮化鎵層的連續的氧化鋅層的膜；和所述連續的氧化鋅半導體層中的光電或微電子器件。
全文摘要
提供了一種高質量氧化鋅的生長方法，包括以下的步驟(1)在1000℃左右的溫度在藍寶石襯底上生長氮化鎵層；(2)構圖SiO₂掩模為以氮化鎵<1100>或<1120>方向取向的條紋；(3)通過選擇生長溫度和反應器來控制晶面的平面而生長氮化鎵層的外延橫向過度生長(ELO)；(4)通過化學氣相沉積(CVD)在ELO氮化鎵模板晶面上沉積氧化鋅膜。可以在氮化鎵模板上生長具有減小的晶體缺陷數量的高質量的氧化鋅晶體。該方法可以用于制造具有低于10⁴/cm^-2的低位錯密度的氧化鋅膜，這將在未來的電子和光電器件中找到重要的應用。
文檔編號H01L21/00GK101467231SQ200780021504
公開日2009年6月24日 申請日期2007年4月25日 優先權日2006年4月25日
發明者周海龍, 林建毅, 暉 潘, 蔡樹仁 申請人:新加坡國立大學