用于利用hvpe工藝異質外延沉積iii族氮化物半導體材料的改進的模板層的制作方法

專利名稱：用于利用hvpe工藝異質外延沉積iii族氮化物半導體材料的改進的模板層的制作方法
技術領域：
本發明的實施例一般涉及用于在基材上沉積III族氮化物材料的方法，以及通過這種方法形成的結構。更特別地，本發明的實施例涉及用于在包括生長模板層的基材上沉積III族氮化物材料的方法，以及通過這種方法形成的結構，所述生長模板層包括金屬氮化物材料。
背景技術：
化學汽相沉積(CVD)是用于在基材上沉積固體材料的化學工藝，并且通常用在半導體設備的制造中。在化學汽相沉積工藝中，將基材暴露在一種或多種試劑氣體中，所述一種或多種試劑氣體以在基材表面上產生固體材料的沉積的方式反應、分解或者反應和分解兩者。一種特殊類型的CVD工藝在本領域中被稱為汽相外延(VPE)。在VPE工藝中，將基材暴露在反應室中的一種或多種試劑蒸氣中，所述一種或多種試劑蒸氣以在基材表面上產生固體材料的外延沉積的方式反應、分解或者反應和分解兩者。VPE工藝通常用于沉積II1-V型半導體材料。當VPE工藝中的試劑蒸氣中的一種包括鹵化物蒸氣時，該工藝可稱為鹵化物汽相外延(HVPE)工藝。利用VPE工藝 形成III族氮化物半導體材料(例如氮化鎵(GaN))是本領域已知的，在VPE工藝中金屬有機(MO)前體材料在反應室中分解以形成III族氮化物半導體材料。這種工藝通常被稱為金屬有機汽相外延(MOVPE)工藝，并且可被描述為金屬有機化學汽相沉積(MOCVD)工藝。在沉積所需的主體III族氮化物半導體材料之前，通常利用若干連續預沉積工藝來進行這種MOPVE工藝。這些連續預沉積工藝可包括生長基材(例如，藍寶石基材)的高溫氫氣烘培、生長基材的氮化、在相對較低的溫度下在生長基材上III族氮化物材料的成核模板層的形成、在相對較高的溫度下成核模板層的退火、成核模板層的聚結(coalescence),以及最后在成核模板層上主體III族氮化物材料層的生長。HVPE工藝還用于形成例如氮化鎵(GaN)的III族氮化物半導體材料。在這種工藝中，在基材上GaN的外延生長可源自在反應室中在約500° C和約1，000° C之間的高溫下進行的氯化鎵(GaCl)和氨(NH3)之間的汽相反應。NH3可從NH3氣體的標準來源提供。在某些方法中，通過在經加熱的液態鎵(Ga)上通過氯化氫(HCl)氣體(該HCl氣體可從HCl氣體的標準來源提供)提供GaCl蒸氣，以在反應室中原位形成GaCl。液態鎵可被加熱到約750° C和約850° C之間的溫度。GaCl和NH3可被引導至經加熱的基材(例如半導體材料的晶片)的表面(例如，之上)。2001年I月30日授權給Solomon等人的美國專利N0.6，179，913公開了一種在這種系統和方法中使用的氣體噴射系統。HVPE工藝目前廣泛用于在藍寶石上生長相對較厚的GaN層，主要是因為可通過HVPE工藝獲得相對較快的生長速率，該生長速率為每小時幾十到幾百微米。然而，利用HVPE生長厚GaN層通常需要通過金屬有機汽相化學沉積(MOCVD)生長的GaN模板層。在沒有這種GaN模板層的情況下，當厚度超過某些值時，直接在藍寶石上生長的GaN層通常會開裂。

發明內容
提供本發明內容以便以簡化形式介紹概念的選擇，所述概念在本發明的某些示例實施例的以下詳細描述中進一步描述。本發明內容不旨在確定所要求保護的主題的關鍵特征或必要特征，也不旨在用于限制所要求保護的主題的范圍。希望提供可用于利用HVPE工藝直接在非同質基材(例如，藍寶石)上形成相對較厚的II1-V型半導體材料(例如，III族氮化物半導體材料(例如，GaN))的層的方法和系統。在某些實施例中，本發明包括在基材上沉積III族氮化物半導體材料的方法。這種方法可涉及使用金屬三氯化物前體和金屬四氯化物前體。根據這種方法，在成核HVPE工藝階段中，在基材表面上沉積III族氮化物半導體材料的層，以形成具有納米結構的成核層，所述成核層包括至少一些纖鋅礦微晶和一些非晶III族氮化物半導體材料。將所述成核層退火以在基材表面上形成至少基本上纖鋅礦成核材料的晶島。在聚結HVPE工藝階段中，生長并聚結所述至少基本上纖鋅礦成核材料的島，以形成至少基本上纖鋅礦成核材料的成核模板層。所述成核模板層可至少基本上覆蓋基材的表面。在另外的HVPE工藝階段中，在所述至少基本上纖鋅礦成核材料的成核模板層上沉積另外的III族氮化物半導體材料。本發明的另外的實施例包括最終結構和中間結構，所述最終結構和中間結構包括通過如本文所公開的方法形成的III族氮化物半導體材料。


可通過參考在附圖中所示的以下示例實施例的詳細描述而更充分地理解本發明的實施例，在附圖中:圖1A為示意性地示出了 HVPE沉積系統的示例實施例的橫截面圖,所述HVPE沉積系統包括反應室和至少一個氣體噴射器，并且可用于本發明的方法的實施例；圖1B為沿著圖1A中所示的截面線1Β-1Β所呈現的圖1A中所示的反應室的示意性橫截面圖；圖2示意性地示出了可在圖1A的沉積系統中使用的熱化氣體噴射器的一個實施例；圖3示意性地示出了可在圖1A的沉積系統中使用的氣體噴射器的另一示例實施例；圖4為圖3的氣體噴射器的一部分的放大的局部剖視圖；圖5為根據本發明的方法的實施例可使用的基材的簡化橫截面圖；圖6為示出了沉積在圖5的基材上的成核層的簡化橫截面圖，所述成核層在其微結構中包括非晶區域和結晶區域；圖7為基本上示出了通過將圖6中所示的成核層退火而形成的成核材料的晶島的簡化橫截面圖；圖8為示出了圖7中所示的成核材料的晶島的生長和聚結以形成成核模板層的簡化橫截面圖；圖9示出了通過使III族氮化物半導體材料優先從圖8中所示的成核材料的島的成角度的側面橫向生長而形成的III族氮化物半導體材料的橫向過生長層；圖10示出了通過在圖9中所示的III族氮化物半導體材料的橫向過生長層上豎直生長III族氮化物半導體材料而形成的III族氮化物半導體材料的另一過生長層；圖11-13為示出了一種機制的簡化圖，通過該機制可將圖6的成核層轉化成如圖7中所示的那些的成核材料的島；圖11為在將成核層退火以形成圖7中所示的成核材料的島之前圖6的成核層的微結構如何呈現的簡化圖，以及示出了成核層的微結構中的非晶區域和結晶區域；圖12示出了分解和再沉積機制，在圖7所示的成核材料的晶島形成期間，可通過該分解和再沉積機制將圖6的成核層中的非晶材料摻入成核層中的結晶區域的晶體結構中；圖13示出了類似于圖7的那些島，但具有不同形狀的成核材料的島，包括平頂或“平臺形”的島和尖銳“峰形”的島，所述島可通過如下方式形成:將圖6中所示的成核層退火以形成圖7中所示的成核材料的島；圖14用于示出穿透位錯可如何傳播通過平臺形島和峰形島中的每一個并進入沉積在島上的III族氮化物半導體材料中；圖15為示出了在從圖6的成核層形成圖7的成核材料的島的期間使用的某些工藝參數的變化如何影響所得到的成核材料的島的高度、密度和形狀中的每一個的圖表；圖16為示出了在從圖7的成核材料的島形成圖8的成核模板層的期間使用的某些參數的變化如何影響成核模板層的表`面粗糙度、晶體質量和平均厚度中的每一個的圖表；以及圖17為示意性地表示沉積工藝的曲線圖，所述沉積工藝可用于沉積圖6中所示的成核層以及用于將成核層退火，從而利用HVPE沉積工藝和如圖1A和IB中所示的系統來形成圖7中所示的成核材料的島。
具體實施例方式本文所示的附圖不意在為任何特定部件、設備或系統的實際視圖，而僅是用于描述本發明的實施例的理想化的表示。本文引用了大量參考文獻。所引用的參考文獻無論本文如何表征都不認為是與本發明的所要求保護的主題的發明相關的現有技術。本文使用的術語“II1-V型半導體材料”意指并包括至少主要由來自元素周期表IIIA族的一種或多種元素(B、Al、Ga、In和Ti)和來自元素周期表VA族的一種或多種元素(N、P、As、Sb和Bi)所構成的任意半導體材料。例如，II1-V型半導體材料包括，但不限于，GaN、GaP、GaAs、InN、InP、InAs、AIN、A1P、AlAs、InGaN, InGaP、InGaNP 等。本文所使用的術語“III族氮化物半導體材料”意指并包括至少主要由來自周期表的IIIA族的一個或多個元素(B、Al、Ga、In和Ti)和氮所構成的任意II1-V型半導體材料。例如，III族氮化物半導體材料包括GaN、InN, AIN, InGaN、GaAIN、GaAIN、InAlN等。本文所使用的術語“金屬氮化物”意指金屬和氮的化合物。金屬氮化物材料包括，但不限于，氮化鋁(AlN)、氮化鎵(GaN)、氮化鋁鎵(AlxGai_xN)和氮化鈦(TiN)。本文所使用的術語“化學汽相沉積”和“CVD”是同義的，并且意指并包括用于在反應室中在基材上沉積固體材料的任何工藝，在反應室中基材被暴露在一種或多種試劑氣體中，所述一種或多種試劑氣體以在基材表面上產生固體材料的沉積的方式反應、分解或者反應和分解兩者。本文所使用的術語“汽相外延”和“VPE”是同義的，并且意指且包括任何CVD工藝，在所述任何CVD工藝中基材被暴露在一種或多種試劑蒸氣中,所述一種或多種試劑蒸氣以在基材的表面上產生固體材料的外延沉積的方式反應、分解或者反應和分解兩者。本文所使用的術語“鹵化物汽相外延”和“HVPE”是同義的，并且意指且包括其中在VPE工藝中使用的至少一種試劑蒸氣包括鹵化物蒸氣的任何VPE工藝。本文所使用的術語“金屬有機”意指且包括包含至少一種金屬元素和有機化學物質的任何化合物。金 屬有機物在本領域通常被稱為“有機金屬化合物”，并且為了本公開的目的此類術語是同義的。金屬有機物包括，但不限于，三甲基鎵(TMG)、三乙基鎵(TEG)、三甲基鋁(TMA)、三乙基鋁(TEA)、四(二乙基氨基)鈦(TDEAT)和四(二甲基氨基)鈦(TDMAT)。本文所使用的術語“金屬有機汽相外延”和“M0VPE”是同義的，并且意指且包括其中在VPE工藝中使用的至少一個試劑蒸氣包括金屬有機物蒸氣的任何VPE工藝。本文所使用的術語“非金屬有機化學汽相沉積工藝”和“非MOCVD工藝”是同義的，并且意指且包括不是MOCVD工藝的任何沉積工藝。本文所使用的術語“非金屬有機汽相外延工藝”和“非MOVPE工藝”是同義的，并且意指且包括不是MOVPE工藝的任何沉積工藝。本文所使用的術語“氣體”包括氣體(既無獨立的形狀，也無體積的流體)和蒸氣(包括擴散的液體或懸浮在其中的固體物質的氣體)，并且術語“氣體”和“蒸氣”在本文中同義地使用。本發明的方法的實施例可包括在利用HVPE系統進行的HVPE工藝中沉積成核模板層和III族氮化物半導體材料的過生長層。雖然可在本發明的方法的實施例中使用HVPE系統的各種配置，但在描述本發明的方法的實施例之前，將參照圖1A、IB和2至4如下描述可在本發明的實施例中使用的示例HVPE系統。圖1A和IB為示意性地示出了如本文所描述的可在本發明的方法的實施例中使用的HVPE沉積系統100的一個實施例的簡化圖。作為非限制性示例，沉積系統100可包括在2009年9月10日以Arena等人的名義公開的美國專利申請公布N0.US2009/0223442A1、2009年3月3日以Arena等人的名義提交的臨時美國專利申請N0.61/157，112，以及2010年9月30日以Bertran的名義提交的美國申請系列N0.12/894，724中的任意個中所描述的沉積系統。圖1A和IB所示的沉積系統100包括反應室102和一個或多個氣體噴射器，以下將參照圖2至4描述該一個或多個氣體噴射器。在對沉積系統100，以及更特別地，沉積系統100的反應室102的以下描述中，術語“縱向”和“橫向”用于指從圖1A和IB的角度相對于反應室102的方向，其中縱向方向為從圖1A的角度的豎直方向和延伸到圖1B的平面中的方向，且橫向或側向方向為從圖1A和IB中的每一個的角度水平地延伸的那些方向。橫向方向也稱為“橫跨反應器”延伸的方向。
沉積系統100包括反應室102、配置成支承一個或多個工件基材106的基材支承結構104 (例如，基座)，需要在工作基材106上沉積或者提供沉積系統100中的材料。作為非限制性示例，反應室102可具有約2英寸的高度、約12英寸的寬度和約20英寸的長度，且基材支承結構104可配置成支承一個8英寸工件基材106、一個6英寸工件基材106、三個4英寸工件基材106或八個2英寸工件基材106。沉積系統100進一步包括加熱元件108(圖1B)，該加熱元件108可用于選擇性加熱沉積系統100，使得在沉積工藝期間反應室102中的平均溫度可被控制在理想的高溫內。加熱元件108可包括例如電阻加熱元件或輻射加熱元件。如圖1B所示，基材支承結構104可安裝在主軸110上，主軸110可與驅動設備112(例如配置成驅動主軸Iio的旋轉的電機)聯接(例如，直接地結構聯接、磁性聯接等)，因此，基材支承結構104在反應室102中。在某些實施例中，反應室102、基材支承結構104、主軸110以及反應室102中的任何其他部件中的一個或多個可至少基本上由例如陶瓷氧化物(例如，二氧化硅(石英)、氧化鋁、氧化鋯等)、碳化物(例如，碳化硅、硼化硅等)或氮化物(例如，氮化硅、氮化硼等)的耐火陶瓷材料構成。沉積系統100進一步包括用于將一種或多種氣體噴射到反應室102中并且從反應室102中排出氣體的氣流系統。參照圖1A，沉積系統100可包括從各自的氣體源128A、128B、128C輸送氣體的三個氣體流入導管114A、114B、114C。任選地，可包括閥、背壓調節器和質量流量控制器中的一個或多個的設備117A、117B、117C可分別用于選擇性地控制氣體通過氣體流入導管114A、114B、114C的流動。在某些實施例中，如在美國專利申請公開N0.US2009/0223442A1中所描述的，氣體源128A、128B中的至少一個可包括金屬三氯化物(例如，GaCl3、InCl3或AlCl3)和金屬四氯化物(例如，TiCl4)中的至少一個的外部源。GaCl3、InCl3和AlCl3可分別以例如，Ga2Cl6、In2Clf^PAl2Cl6的二聚 體形式存在。因此，氣體源128A、128B中的至少一個可包括例如Ga2Cl6, In2Cl6或Al2Cl6的二聚體。作為非限制性示例，氣體源128AU28B中的一個或多個可提供GaCl3蒸氣的質量流作為IIIA族前體成分。氣體源128C可包括VA族前體的外部源，例如氨(NH3)。在其中氣體源128AU28B中的一個或多個為6&(:13源或包括6&(:13源的實施例中，GaCl3源包括保持在至少120° C (例如，大約130° C)的溫度下的液態GaCl3的貯存器，并且可包括用于提高液態GaCl3的蒸發速率的物理裝置。這種物理裝置可包括，例如，配置成攪動液態GaCl3的設備、配置成噴霧液態GaCl3的設備、配置成使載氣在液態GaCl3上快速流動的設備、配置成使載氣鼓泡通過液態GaCl3的設備、配置成超聲分散GaCl3的設備(例如，壓電設備)等。作為非限制性示例，載氣(例如，He、N2、H2或Ar，或它們的混合(例如N2和H2的混合物))可鼓泡通過液態GaCl3,同時液態GaCl3保持在至少120° C的溫度下，使得源氣體可包括一種或多種載氣。在本發明的某些實施例中，可控制進入氣體噴射器150A、150B中的一個或多個的GaCl3蒸氣的通量。例如，在其中載氣鼓泡通過液態GaCl3的實施例中，來自氣體源128A、128B、128C的GaCl3通量取決于包括例如GaCl3的溫度、GaCl3上的壓力和鼓泡通過GaCl3的載氣的流動的一個或多個因素。雖然原則上可通過這些參數中的任意個來控制GaCl3的質量通量，但是在某些實施例中，可通過利用質量流量控制器改變載氣的流動來控制GaCl3的
質量通量。在某些實施例中，可在氣體源128A、128B和氣體噴射器150A、150B之間控制氣體流入導管114AU14B的溫度。氣體流入導管114AU14B和相關的質量流量傳感器、控制器等的溫度可從在從各自氣體源128A、128B出口處的第一溫度(例如，約120° C或更高)逐漸上升到在氣體噴射器150AU50B處的第二溫度(例如，約160° C或更低)以防止氣體(例如，GaCl3蒸氣)在氣體流入導管114A、114B中冷凝等。任選地，在各自氣體源128AU28B和氣體噴射器150AU50B之間的氣體流入導管114AU14B的長度可大約三英尺或更小、約兩英尺或更小，或甚至約一英尺或更小。可利用一個或多個壓力控制系統來控制源氣體的壓力。
兩個氣體流入導管114A、114B中的每一個可任選地延伸至兩個氣體噴射器150A、150B中的各自的一個，這將在下文中進一步詳細描述。在另外的實施例中，沉積系統100可包括少于兩個(即，一個)氣體流入導管和各自的氣體噴射器，或者沉積系統100可包括超過兩個(例如，三個、四個、五個等)氣體流入導管和各自的氣體噴射器。在圖1A和IB的實施例中，氣體噴射器150AU50B全部位于反應室102的外部。然而，在其他實施例中，氣體噴射器150AU50B可全部設置在反應室102中，或氣體噴射器150AU50B的至少一部分可至少部分地延伸通過反應室102。沉積系統100可進一步包括提供反應室102的外部和內部之間的流體連通的三個氣體端口 116A、116B、116C。氣體端口 116A、116B、116C中的每一個可提供通過氣體噴射器150A、150B中的各自的一個和反應室102內的各自的氣體分散導管118A、118B、118C之間的反應室102的壁、頂壁或底板中的一個或多個的流體連通。反應室102內的氣體分散導管118A、118B、118C可用于將氣體輸送至密封體內的理想的位置。氣體分散導管118A、118B、118C可設置并配置成將氣體以相對于基材支承結構104上承載的工件基材106選擇的方向噴射到反應室102的內部中。通過氣體分散導管118A、118B、118C輸送的氣體(例如，前體氣體和載氣)可在縱向方向上流動通過反應室102(從圖1A的角度的豎直方向)并可以在反應室102中向工件基材106縱向延伸的方向從反應室102噴出，所述方向至少基本平行于工件基材106的上暴露主表面而取向。可利用導管支承夾具將氣體分散導管118A、118B、118C支承并保持在反應室102中的適當位置。氣體分散導管118A、118B、118C的特定布局和配置僅僅是可用于本發明的實施例的許多布局和配置中的一種，并且反應室102的另外的實施例可具有在反應室102中的氣體分散多個的不同的配置和布局。氣體分散導管118A、118B、118C可被主動加熱、被動加熱或者被動加熱和主動加熱兩者。例如，產熱元件(未示出)可毗鄰氣體分散導管118A、118B、118C的至少一部分設置。在某些實施例中，可通過發熱元件108(圖1B)加熱氣體分散導管118A、118B、118C。任選地，被動傳熱結構(例如，包括表現類似于黑體的材料的結構)可毗鄰或接近反應室102中的氣體分散導管118A、118B、118C的至少一部分設置，以改善向氣體分散導管118A、118B、118C的熱傳遞。被動傳熱結構(例如，包括表現類似于黑體的材料的結構)可設置在反應室102中，例如，如2009年8月27日以Arena等人的名義公開的美國專利申請公開N0.US2009/0214785A1中所公開的。例如，傳熱板124 (在圖1A和IB中由虛線表示)可設置在反應室102中，使得傳熱板124在基材支承結構104和通過基材支承結構104支承的工件基材106上橫跨反應室102延伸。傳熱板124可通過吸收來自加熱元件(例如，加熱元件108)的輻射并將吸收的熱量重新輻射到工藝氣體中而有助于熱化工藝氣體接近傳熱板124流動。這種被動傳熱結構可改善反應室102的內部中的熱傳遞，并可改善反應室102中的溫度的均勻性和一致性。所述被動傳熱結構可包括具有高輻射率值(接近于I)的材料(黑體材料)，該材料還能夠承受可能在沉積系統100中遇到的高溫腐蝕性環境。這種材料可包括，例如，分別具有0.98,0.92和0.92的輻射率值的氮化鋁(A1N)、碳化硅(SiC)和碳化硼(B4C)。氣態副產品、載氣和任何過量的前體氣體可通過室出口 126從反應室102排出。如上所述，圖1A和IB的沉積系統100的氣體噴射器150A、150B中的一個或多個可為或者包括以下參照圖2至4所進一步詳細描述的氣體噴射器。在某些實施例中，氣體噴射器150A、150B可包括如在2010年9月10日以Arena等人的名義公開的國際公開號W 02010/101715A1中所公開的氣體噴射器。例如，圖2為熱化氣體噴射器160的透視圖，該熱化氣體噴射器160可用于圖1A中所示的氣體噴射器150A、150B中的一者或兩者。如圖2所示，氣體噴射器160包括導管162，所述導管162包括入口部分164、螺旋中央部分166和出口部分168。源氣體(例如，GaCl3)、載氣(例如，H2, N2等)或源氣體和載氣的混合物可被提供至入口部分164。一種或多種氣體從入口部分164、通過螺旋中央部分166、通過出口部分168流出并流入反應室102 (圖1A)。如以下僅進一步詳細討論的，導管162的至少螺旋中央部分166可被加熱。通過盤繞導管162，導管162所占據的物理空間的長度顯著小于通過導管162的流路的實際長度。換句話說，導管162的長度可比入口部分164和出口部分168之間的最短距離更長。導管162可具有其他配置。例如，導管162可具有蛇形配置，所述蛇形配置包括多個由延伸通過180°的角度的彎曲部分以端對端的方式連接在一起的大致平行的直線部分。導管162可配置成加熱流動通過導管162的氣體達到理想的時間量(即，停留時間)，該時間量可以隨著導管162中的流路的橫截面積、通過導管162的源氣體的流速和導管162的總長度而變化。如以下進一步詳細討論的，導管162可成形并配置成接近一個或多個主動或被動加熱元件設置。如圖2所示，導管162的至少螺旋中央部分166可包含在外部殼體170中。外部殼體170還可充當氣體(例如，凈化氣體)的另外的導氣導管，雖然在圖中未示出，所述另外的導氣導管還可被導入到反應室102中。例如，如圖2所示，外部殼體170可包括可延伸進入反應室102的殼體入口 172和殼體出口 174。可使凈化氣體從殼體入口 172通過外部殼體170流動至殼體出口 174，并且隨后流入反應室102。當凈化氣體經過外部殼體170時，可通過熱化氣體噴射器160加熱該凈化氣體。導管162和外部殼體170可包括在使用期間它們所經受的高溫下穩定且惰性的耐火材料。例如，導管162和外部殼體170可由石英形成并至少基本上由石英構成。可利用接近(例如，Btt鄰)外部殼體170和導管172的螺旋中央部分166中的一個或多個設置的主動產熱元件加熱熱化氣體噴射器160。主動加熱元件包括輻射發射元件(例如，加熱燈)、感應加熱元件、電加熱元件(例如，電阻加熱元件)等。熱化氣體噴射器160還可包括被動加熱元件，所述被動加熱元件自身不產生熱量，但用于的重新分配、反射或者影響熱化氣體噴射器160中和周圍的熱傳遞。例如，如圖2所示，熱化氣體噴射器160可包括主動加熱元件180，所述主動加熱元件180可包括至少部分圍繞外部殼體170的外部的電阻加熱的蛤殼式加熱器。因此,可通過主動加熱元件180加熱流動通過導管162和/或外部殼體170的氣體。如圖2所示，任選的加熱元件182 (其可以是主動或被動的)可被設置在外部殼體170中。如圖2所示，加熱元件182可具有細長圓柱形狀，且螺旋162的螺旋中央部分166可圍繞加熱元件182盤繞。作為示例而非限制，加熱元件182可包括桿，所述桿包括用于重新分配由主動加熱元件180所產生的熱量的黑體材料。加熱元件182的存在可改進由主動加熱元件180加熱螺旋162的螺旋中央部分166中的氣體和外部殼體170中的氣體的效率。在其中通過氣體源128AU28B中的一個提供至熱化氣體噴射器160的源氣體包括金屬三氯化物(例如，GaCl3)和氫載氣H2的本發明的實施例中，金屬三氯化物和氫氣可分解以形成金屬一氯化物蒸氣(例如，GaCl和HCl蒸氣)，所述蒸氣可穿出導管162的出口部分168并進入反應室102。在另外的實施例中，氣體噴射器150A、150B可包括如美國專利申請系列N0.12/894，724中所公開的氣體噴射器。例如，氣體噴射器150A、150B可包括配置成容納液態金屬或其他元素(例如，液態鎵(Ga)、液態鋁(Al)或液態銦(In))的貯存器。在另外的實施例中，所述貯存器可配置成容納用于與源氣體(或源氣體的分解或反應產物)反應的固態試劑。例如，忙存器可配置成容納一種或多種材料(例如，固態娃(Si )、固態鎂(Mg))的固體體積。圖3為氣體噴射器 200的立體圖，所述氣體噴射器200可用于圖1A中所示的氣體噴射器150A、150B中的一者或兩者。如圖3所示，氣體噴射器200包括入口 202、出口 204、熱化導管206和容器210。容器210配置成在其中容納液態試劑。例如，液態金屬(例如，液態鎵、液態銦、液態鋁等)或液態有機物質可被設置在容器210中。源氣體(例如，GaCl3)、載氣(例如，H2、N2等)或源氣體和載氣的混合物可被提供至入口 202。一種或多種氣體可從入口 202流入熱化導管206。熱化導管206可配置成加熱流動通過熱化導管206的氣體達到理想的時間(即，停留時間)，該時間可以隨著熱化導管206中的流路的橫截面積、通過熱化導管206的源氣體的流速和熱化導管206的總長度而變化。如以下進一步詳細討論的，熱化導管206可成形并配置成接近一個或多個主動或被動加熱元件而設置。此外，熱化導管206可包括一個或多個彎曲的部分或轉彎，使得熱化導管206所占據的物理空間的長度顯著地小于通過熱化導管206的流路的實際長度。換句話說，熱化導管206的長度可比入口 202和液體容器210之間的最短距離更長。在某些實施例中，熱化導管206的長度可至少約為入口 202和液體容器210之間的最短距離的兩倍、至少約為入口 202和液體容器210之間的最短距離的三倍，或甚至至少約為入口 202和液體容器210之間的最短距離的四倍。例如，熱化導管206可具有如圖3所示的蛇形配置，所述蛇形配置包括多個由延伸通過180°的角度的彎曲部分以端對端的方式連接在一起的大致平行的直線部分。
熱化導管206可包括至少基本上由耐火材料(例如，石英)構成的管。在某些實施例中，氣體可包括在熱化導管206中至少部分地分解的源氣體。例如，在其中氣體包括GaCl3的源氣體和包含H2的載氣的實施例中，所述源氣體可分解以形成氣態GaCl和氯化氫(HCl)。氣體從熱化導管206流入容器210。圖4為容器210的放大局部剖視圖。如圖4所示，容器210包括底壁212、頂壁214和至少一個側壁216。在圖6和7的實施例中，容器具有大致圓柱形狀，使得底壁212和頂壁214中的每一個具有圓形并且為至少基本上平面的，并使得側壁216至少基本上為圓柱形(例如，管狀)。在本發明的另外的實施例中，貯存器可以以替代的幾何配置進行配置。底壁212、頂壁214和至少一個側壁216 —起限定空心體，所述空心體的內部限定用于容納液態試劑(例如，液態鎵或有機金屬物質)的貯存器。空心容器210的內部空間可用液態試劑部分地填充。例如，容器210可用液態試劑填充至由圖4中的虛線220所表示的水平，使得在容器210中的液態試劑上存在空隙或空間222。從熱化導管206流出的氣體可被噴射到容器210中液態試劑上的空間222中。作為非限制性示例，從熱化導管206流出的該氣體可流動通過底壁212進入管224中。在某些實施例中，管224可包括延伸進入容器210的熱化導管206的一體部分。管224可延伸通過設置在液體容器中的液態試劑至液態試劑上的空間222。管224可包括90度彎折，使得管224的端部在液態試劑上水平地延伸。如圖4所示，可在面向液態試劑的表面的管224的一側上設置通過管224的圓柱形側壁的孔，使得流動通過管224的氣體將通過孔226離開管224。離開孔226的氣體可在朝向液態試劑的表面取向的方向上從所述孔導出，以促進氣體的一種或多種成分和液態試劑之間的反應。例如，在其中源氣體包含在載氣(例如，H2)中攜帶的GaCl3，且源氣體已分解而包含氣態GaCl和氯化物種(例如,在熱化導管206中的氯化氫(HCl))的實施例中，液體容器中的液態試劑可包括液態鎵，所述液態鎵可與在熱化導管206中產生的氯化氣體(例如，HCl)反應以形成另外的氣態GaCl。容器210中的液態試劑上的空間222中的氣體可通過出口端口 228從容器中流出。例如，出口端口 228可位于管224的水平延伸部分上的容器的頂壁214中。出口端口 228可通向出口導管230，所述出口導管230的端部可限定氣體噴射器200的出口 204。在另外的實施例中，從熱化導管206流出的氣體可被噴射到容器210中的液態試劑中，使得該氣體向上鼓泡通過液態試劑進入液態試劑上的空間222中。容器210的各個部件可至少基本上由耐火材料(例如，石英)構成。GaCl可以為用于形成GaN的理想前體氣體。因此，通過將過量的氯化物種(例如，由GaCl3和H2(在使用包括GaCl3和H2的源氣體的系統中)熱分解產生的氯化氫氣體(HCl))轉化為另外的GaCl，由于可降低進入反應室102的氯化物種的量，因此可避免過量的氯化物種對沉積的GaN材料的不利影響。這種不利影響可包括，例如，氯原子摻入氮化鎵晶格中以及沉積的GaN膜的裂紋或分層。將過量的氯化氫氣體(HCl)引入到反應室中可產生在反應室中用作GaN的蝕刻劑的氯化氫，從而降低了生長速率或甚至阻止GaN的生長。而且，通過使過量的氯化物種與液態鎵反應以形成另外的GaCl，可改進沉積系統100的效率。以上參照圖1A和IB描述的HVPE沉積系統100可用于根據以下描述的本發明的方法的實施例在基材 上沉積成核層、將成核層退火以形成成核材料的島，以及在成核材料的島上沉積III族氮化物半導體材料的過生長層。圖5至10示出了根據本發明的方法的實施例在基材上沉積成核層、將成核層退火以形成成核材料的島，以及在成核材料的島上沉積III族氮化物半導體材料的過生長層。參照圖5，提供基材240。基材240可以是大致平面的盤狀主體，并且可以是大致圓形、矩形等。基材240可包括在本領域中被稱為“管芯(die)”或“晶片”的基材。基材240可至少基本上由均質材料242構成。材料242可包括，例如，例如氧化物(例如，二氧化硅(SiO2)或三氧化二鋁(Al2O3)(例如，藍寶石，其為Q-Al2O3))或氮化物(例如，氮化硅(Si3N4)或氮化硼(BN))的陶瓷。作為另外的示例，材料242可包括半導體材料，例如硅(Si )、鍺(Ge)、II1-V型半導體材料，等。在某些實施例中，基材240的材料242可至少基本上由材料242的單晶構成。而且，在這種實施例中，單晶可具有選擇的晶體取向，使得材料242的暴露的主表面244包括材料242的單晶的選擇晶面。暴露的主表面244包括生長表面，需要在所述生長表面上生長或者沉積III族氮化物半導體材料。作為非限制性示例，基材240可被選擇成包括(0001)藍寶石基材。這種藍寶石基材是市售的。參照圖6，可在暴露的主表面244上形成(例如,沉積)成核層250。根據本發明的方法的實施例，成核層250可包括金屬氮化物材料(例如，GaN)，并且可利用如上所述的HVPE工藝和HVPE系統100形成。作為示例而非限制，可在暴露的主表面244上沉積成核層250，使得成核層250具有在約2納米(2nm)和約5微米(5 μ m)之間、約10納米(IOnm)和約100納米(IOOnm)之間，或甚至約20納米(20nm)和約50納米(50nm)之間的平均厚度Tl。此夕卜，可在例如在約400° C和約700° C之間(例如，約570° C)的相對較低的溫度下和在約50Torr和約760Torr (I大氣壓)之間(例如，約200Torr)的壓力下沉積成核層250。一旦沉積，成核層250可包括在其納米結構中包括非晶區域和結晶區域。例如，圖11為示意性地示出了成核層250在放大下可能呈現的橫截面圖的簡化圖。如圖11所示，成核層250的微結構可包括嵌 入基本上非晶金屬氮化物材料254中并被基本上非晶金屬氮化物材料254包圍的結晶金屬氮化物材料252的晶粒(即，晶體或微晶)。如本領域已知的，“非晶”意指在材料的原子排列中基本上不存在長程有序。換句話說，非晶材料的原子在材料中通常隨機排列，與在材料中以原子平面的有序陣列排列相反。應當注意，圖11的圖是簡化的，并且，雖然圖11中在結晶金屬氮化物材料252的晶粒和非晶金屬氮化物材料254之間易于看見可識別的離散邊界，但在實際中，當在放大下觀察微結構時，可能相對難以識別圍繞結晶金屬氮化物材料252的晶粒的周邊延伸的這種離散邊界。即便如此，當在適當的放大下和/或利用其他技術(例如，X-射線衍射(XRD))觀察微結構時，可識別結晶金屬氮化物材料252的晶粒和非晶金屬氮化物材料254的存在。結晶金屬氮化物材料252的某些晶粒可直接設置在下方的基材240的表面244的晶格上，并且與所述晶格外延對準(圖5)。例如，在其中基材240包括(0001)藍寶石基材且成核層250包括氮化鎵(GaN)的實施例中，表面244可包括藍寶石晶格的(0001)平面，并且可使直接設置在基材240的表面244上的結晶GaN材料252的晶粒取向，使得結晶GaN材料252的那些晶粒的晶格中的
方向基本上垂直于表面244延伸。圖11中的結晶金屬氮化物材料252的晶粒中的每一個晶粒中的
方向由晶粒中的方向箭頭表示。在結晶GaN材料252的那些晶粒的晶格中的其他方向還可基本上平行于在表面244處在下方監寶石基材240的晶格中的對應方向，從而相對于在表面244處在下方監寶石基材240的晶格，在水平平面(即，延伸到附圖的平面中的平面)中的那些晶粒的旋轉取向存在極少到不存在不匹配。還如圖11所示，不直接設置在下方的基材240 (圖5)的表面244上的結晶金屬氮化物材料252的晶粒可能不與下方的基材240的表面244的晶格外延對準，并且可在空間中無規取向，如表示晶格中的
方向的結晶金屬氮化物材料252的晶粒中的每一個晶粒中的方向箭頭所表示。當然，
方向中的某些可成角度地延伸進入和離開圖11的平面，但這些方向未在該圖中表不。在其中結晶金屬氮化物材料252的晶粒包括氮化鎵(GaN)的實施例中，結晶金屬氮化物材料252的晶粒中的一些或全部可以是或者包括至少基本上由纖鋅礦晶體結構構成的晶粒，和/或結晶金屬氮化物材料252的晶粒中的一些或全部可以是或者包括至少基本上由鋅共混晶體結構構成的晶粒。而且，在某些實施例中，結晶金屬氮化物材料252的晶粒可具有一種晶體結構(例如，鋅共混晶體結構)的內核，以及至少部分地圍繞具有另一晶體結構(例如，纖鋅礦晶體結構)的內核的外殼。再次參照圖6，在基材240的表面244上形成成核層250之后，可在退火工藝中熱處理成核層250，以在基材240的表面244上形成金屬氮化物成核材料的島260，如圖7所示。成核層250可在其中在基材240上沉積成核層250的相同的反應室102中經受退火工藝，并且所述退火工藝可作為用于在基材240上形成III族氮化物半導體材料的整體HVPE工藝的一體部分在所述沉積工藝之后進行。作為示例而非限制，退火工藝可包括使成核層250經受在約900° C和約1300° C之間(例如，約1050° C)的一個或多個溫度以及在約50Torr和約760Torr (I大氣壓)之間(例如，約200Torr)的壓力達到約10秒(IOsec)和約10分鐘(IOmin)之間(例如，約3.5分鐘)的時間。在某些實施例中，金屬氮化物成核材料的島260中的每一個可至少基本上為結晶，并且可直接設置在下方的基材240的表面244的晶格上并且與所述晶格外延對準。例如，在其中基材240包括(0001)藍寶石基材且島260包括氮化鎵(GaN)的實施例中，表面244可包括藍寶石晶格的(0001) 平面，并且GaN的島206的晶體結構可取向，使得晶格中的方向基本上垂直于表面244延伸。此外，在GaN的島206的晶格中的其他方向還可基本上平行于在表面244處在下方藍寶石基材240的晶格中的對應方向，從而相對于在表面244處在下方藍寶石基材240的晶格，在水平平面(S卩，延伸到附圖的平面中的平面)中的那些晶粒的旋轉取向存在極少到不存在不匹配。在某些實施例中，金屬氮化物成核材料的島260中的一些或全部與相鄰的島260空間間隔開，使得基材240的表面244的至少一部分暴露在島260之間。應當注意，島260中的至少一些的底部可直接接觸一個或多個其他相鄰的島260的底部，使得島不完全與所有其他島260隔離。此外，在某些實施例中，島260可至少基本上由纖鋅礦成核材料構成。而且，雖然在圖7中島260看起來均勻地彼此間隔并且以有序陣列設置，但應當理解，附圖是為了說明目的而簡化，并且島260在實際中可在基材240的整個表面244上無規設置和分布。在其中島260包括氮化鎵(GaN)的實施例中，晶島260的晶粒中的一些或全部可以是或者包括纖鋅礦晶體結構的晶粒，和/或晶島260的晶粒中的一些或全部可包括鋅共混晶體結構的晶粒。而且，在某些實施例中，島260的晶粒可具有一種晶體結構(例如，鋅共混晶體結構)的內核，以及至少部分地圍繞具有另一晶體結構(例如，纖鋅礦晶體結構)的內核的外殼。不受理論束縛，據信在退火工藝期間金屬氮化物成核層250轉化成金屬氮化物成核材料的島260的機制涉及金屬氮化物成核層250的至少一部分的分解和再沉積。圖12示意性地示出了這種工藝。如圖12所示，在退火和結晶工藝期間，成核層250的至少一部分分解并汽化。作為示例，對于GaN材料，實心黑圈可表示氮原子和自由基，且空心圓圈可表示鎵原子和自由基。氮原子和鎵原子和自由基中的一些正在分解和汽化，如圖12中遠離基材240 (圖2)的表面244指向的虛線方向箭頭所表示。由于非晶金屬氮化物材料254和不設置在基材240的生長表面244上并且不與基材240的生長表面244外延對準的結晶金屬氮化物材料252的晶粒被認為是相對于設置在基材240的生長表面244上并且與基材240的生長表面244外延對準的結晶金屬氮化物材料252的晶粒能量穩定性更低，非晶材料254和結晶金屬氮化物材料252的非外延對準的晶粒可分解，同時結晶金屬氮化物材料252的外延對準的晶粒可保留在基材240的表面244上。而且，在退火和重結晶工藝期間，被分解和汽化的氮原子和鎵原子和自由基可在保留在基材240的表面244上的結晶金屬氮化物材料252的外延對準的晶粒的表面上重新組合并沉積，如圖12中的實線方向箭頭所表示。而且，被分解和汽化的氮原子和鎵原子和自由基中的一些可使結晶金屬氮化物材料252的另外的外延對準的晶粒重新組合并成核，如發生在圖12中的位置258處所顯示。隨著退火和重結晶工藝的繼續，結晶金屬氮化物材料252的外延對準的晶粒繼續生長直到形成圖7所示的島260。在退火和重結晶工藝之后，可能存在極少到不存在保留在基材240的表面244上的非晶金屬氮化物材料254 (圖11)。而且，島260中的大多數可與基材240的表面244外延對準，雖然可能存在少許基本上不與基材240的表面244外延對準的島260。如以下進一步詳細討論的，根據本發明的一些實施例，可選擇用于形成圖6的成核層250的HVPE沉積工藝的參數，和用于退火和重結晶成核層250以形成圖7中所示的島260的熱處理工藝的參數，使得島260中的大多數(如果不是基本上全部的島260)為如圖7所示的尖銳峰形島260，而不是平臺形島。圖13示意性地示出一個峰形島260和兩個平臺形島260'。如圖13所示，峰形島具有以相對于基材240的表面244以大于O度的銳角(例如，在約40度和約85度之間)取向的成角度的面262。成角度的面262延伸至在峰形島260的頂部處相對尖銳的點264處，并在所述點264處會聚。平臺形島26(V具有與峰形島260的成角度的面262類似的成角度的面262'，但是平臺形島260'的成角度的面262'延伸至平行于基材240的平坦生長表面244取向的平坦表面266'，并與所述平坦表面266'相交。在用于將圖6的成核層250轉化為晶島的退火和重結晶工藝期間，可在基材240的表面244上形成峰形島260和平臺形島260'兩者。可能需要引起或促進峰形島260的形成和/或抑制平臺形島260'的形成，因為在峰形島260上形成的III族氮化物材料的過生長層相對于在平臺形島260'上形成的III族氮化物材料的過生長層可具有相對較低的穿透缺陷密度。圖14為如在 圖14中示出的那些的峰形島260和平臺形島26(V的放大圖。一旦通過退火和重結晶成核層250 (圖2)形成島，島中的至少一些將包括其晶體結構中的缺陷。例如，穿透位錯270可從基材240(圖2)的表面244和島260、260'之間的界面延伸通過島260、260'和沉積在島260、260'上的上方III族氮化物材料之間的界面，并進入上方III族氮化物材料，如圖14所示。如圖14所示，與島260、26(V的成角度的面262、262,相交的穿透位錯270具有向大致平行于基材240的表面244 (圖2)的橫向方向彎折或彎曲并在大致平行于基材240的表面244的橫向方向延伸的傾向。這些彎折或彎曲的穿透位錯中的至少一些具有彼此重新組合或者湮沒的傾向，使得它們不在豎直方向上向上延伸到上方的III族氮化物材料的暴露的主表面。然而，與峰形島260的點264或平臺形島260'的平坦平面表面相交的穿透位錯270具有豎直向上延伸到上方的III族氮化物材料的暴露的主表面的傾向。這種缺陷是不期望的，并且可不利地影響利用上方的III族氮化物材料所形成的有源器件。平臺形島260'的平坦平面表面264'的面積與平臺形島260'和基材240(圖2)的表面244之間的界面的面積之比可小于峰形島260的點264的面積與峰形島260和基材240 (圖2)的表面244之間的界面的面積之比。因此，延伸至平坦平面表面26^并因此延伸至上方的III族氮化物材料的暴露的主表面的在平臺形島26(V中的穿透位錯270的百分比可高于延伸至點264并繼續延伸至上方的III族氮化物材料的暴露的主表面的在峰形島260中的穿透位錯270的百分比。換句話說，由于點264的最小面積，在峰形島260中的穿透位錯270比峰形島260的點264更有可能與成角度的面262相交，因此，與平臺形島262;中的穿透位錯270相比，在峰形島260中的穿透位錯270不太可能向上傳播至上方的III族氮化物材料的暴露的主表面。因此，至少在某些實施例中，本發明的方法可包括選擇和調整用于形成圖6的成核層250的HVPE沉積工藝的參數，以及用于退火和重結晶成核層250的熱處理工藝的參數，以優先形成如圖7所示的峰形島260，而不是如圖13和14所示的那些的平臺形島260'。申請人:已經研究了用于形成圖6的成核層250的HVPE沉積工藝的某些參數以及用于退火和重結晶成核層2 50的熱處理工藝的參數如何影響所得的成核材料的島的高度、密度和形狀中的每一個。圖15為示出了研究結果的圖表。如圖15所示，已發現，在用于形成圖6的成核層250的HVPE沉積工藝(該工藝在圖15中被標識為“成核”工藝)期間，平臺形島260'具有在約450° C的沉積溫度下形成的傾向，而峰形島260具有在約570° C的沉積溫度下形成的傾向。因此，根據本發明的某些實施例，可在至少約500° C的溫度下進行用于形成圖6的成核層250的HVPE沉積工藝，并且可在約500° C和約700° C之間、在約550° C和約600° C之間，或甚至在約560° C和約580° C之間(例如約570° C)的溫度下進行用于形成圖6的成核層250的HVPE沉積工藝。還發現，在用于形成圖6的成核層250的HVPE沉積工藝期間，平臺形島260'具有在約54sec的沉積(即，成核)時間時形成的傾向，而峰形島260具有在約ISsec的沉積時間時形成的傾向。因此，根據本發明的某些實施例，可在小于約45sec的時間周期內進行用于形成圖6的成核層250的HVPE沉積工藝,并且可在約5sec和約45sec之間、在約IOsec和約30sec之間，或甚至在約15sec和約25sec之間(例如,約18sec)的時間周期內進行用于形成圖6的成核層250的HVPE沉積工藝。如圖15所示，已發現，在用于從圖6的成核層250形成圖7的島260的退火和重結晶工藝(該工藝在圖15中被標識為“退火”工藝)期間，平臺形島260'具有在約950° C的退火溫度下形成的傾向，而峰形島260具有在約1050° C的退火溫度下形成的傾向。因此，根據本發明的某些實施例，可在至少約1000° C的溫度下進行用于形成圖7的島260的退火和重結晶工藝，并且可在約1000° C和約1300° C之間、在約1025° C和約1100° C之間，或甚至在約1040° C和約1070° C之間(例如，約1050° C)的溫度下進行用于形成圖7的島260的退火和重結晶工藝。還發現，在用于形成圖7的島260的退火和重結晶工藝期間，平臺形島260'具有在約Imin的退火時間周期中形成的傾向，而峰形島260具有在約9min的退火時間周期中形成的傾向。因此，根據本發明的某些實施例，可在大于約3min的時間周期內進行用于形成圖7的島260的退火和重結晶工藝,并且可在約3min和約IOmin之間、在約5min和約IOmin之間，或甚至在約7min和約IOmin之間(例如,約9min)的時間周期內進行用于形成圖7的島260的退火和重結晶工藝。圖15的圖表中還示出了以上所討論的工藝參數中的每一個對所得到的島260的高度和所得到的島260的密度的影響。從圖15可看出，對于形成峰形島260理想的更高的成核溫度和更少的成核時間可產生具有更低平均高度和相對較高的密度的島260，這對于改進從島260最終形成的成核模板層的特性也可能是優選的。再次參照圖7，示出了金屬氮化物成核材料的峰形島260中的穿透缺陷270。在如上所述形成峰形島260之后，可生長并聚結峰形島260以形成如圖8所示的金屬氮化物成核模板層280。可在如上所述的HPVE系統100中利用HPVE沉積工藝生長島260。可生長島260，直到至少島260的底部已彼此聚集，使得金屬氮化物成核模板層280為至少基本上連續的。成核模板層280可包括峰282，峰282中的每一個可對應于圖7的之前形成的島260中的一個。金屬氮化物成核模板層280可至少基本上覆蓋基材240的表面244，使得表面244不在成核模板層280的峰282之間暴露。由于基本上全部的島260可至少基本上與下方的基材240的表面244外延對準，當島260生長并彼此聚集時，島260中的每一個的晶格可基本上彼此匹配和對準，使得成核模板層280基本上由單晶材料構成，并且使得相對較少的缺陷在聚結的島260之間的合并界面處形成。據信相對于在如圖13和14所示的那些的聚結的平臺形島260'之間的合并界面，相對較少的缺陷在如圖6所示的那些的聚結的峰形島260之間的合并界面處形成。此外，在某些實施例中，金屬氮化物成核模板層280可至少基本上由纖鋅礦成核材料構成。作為示例而非限制，可在反應室102中在例如約900° C和約1100° C之間(例如，約1000° C)的溫度下和在約50Torr和約760Torr (I大氣壓)之間(例如，約200Torr)的壓力下在HPVE工藝中生長和聚結島260。在生長島260以形成圖8中所示的金屬氮化物成核模板層280之后，可熱處理成核模板層280，以使成核模板層280經受退火工藝，從而改善成核模板層280的晶格的特性并降低成核模板層280中缺陷的數量。在形成成核模板層280之后，成核模板層可在其中已進行如上討論的在先處理步驟的相同的反應室102中經受退火工藝，所述退火工藝作為用于在基材240上形成III型氮化物半導體材料的整體HVPE工藝的一體部分。 作為示例而非限制，成核模板層280所經受的退火工藝可包括在約5分鐘(5min)和約15分鐘(15min)之間(例如，約IOmin)的時間周期內使成核模板層280經受在約900° C和約1100° C之間(例如，約1000° C)的一個或多個溫度和在約50Torr和約760Torr (I大氣壓)之間(例如，約150Torr)的壓力。此夕卜，在成核模板層280的退火期間，可使V族前體氣體(例如，氨(NH3))流動通過反應室102(而沒有任何III族前體氣體流動通過反應室102)。申請人:已經研究用于從圖7的島260形成圖8的成核模板層280的HVPE沉積工藝的某些參數，以及用于將成核模板層280退火的熱處理工藝的參數如何影響成核模板層280的暴露的主表面284的表面粗糙度、成核模板層280中的缺陷的數量，以及成核模板層280的所得到的平均厚度中的每一個。圖16的圖表中示出了這些研究的結果。如圖16所示，已發現，在形成成核模板層280期間的相對較高的生長和退火溫度產生成核模板層280的暴露的主表面284的更低的均方根(RMS)表面粗糙度。因此，根據本發明的某些實施例，可在至少約950° C的溫度下進行用于形成圖8的成核模板層280的HVPE沉積和退火工藝，并且可在約950° C和約1100° C之間、在約975° C和約1050° C之間，或甚至在約985° C和約1015° C之間(例如，約1000° C)的溫度下進行用于形成圖8的成核模板層280的HVPE沉積和退火工藝。已發現，在形成成核模板層280期間通過反應室102的相對較高流量的V族前體氣體(例如，氨(NH3))產生成核模板層280的暴露的主表面284的更低的RMS表面粗糙度。因此，根據本發明的一些實施例，可進行用于形成圖8的成核模板層280的HVPE沉積和退火工藝，同時使V族前體氣體(例如，氨(NH3))以至少約IOslm的流速流動通過反應室102。例如,V族前體氣體的流速可在約IOslm和約30slm之間、在約15slm和約25slm之間，或甚至在約18slm和約22slm之間(例如,約20slm)。而且，根據本發明的 某些實施例，成核模板層280的暴露的主表面284的RMS表面粗糙度可以為約5.0nm或更低,或甚至低于約2.0nm或更低。在如本文描述所制造的各種樣品的成核模板層280上進行X-射線衍射(XRD)。特別地，測量(105)反射，以及測量所得到的峰的半峰全寬(FWHM)值。更低的FWHM值表示更陡的峰，以及因此表示產生反射的晶體晶格中的各自晶格參數的更小變化，這表明晶格中更少的缺陷。如圖16所示，已經發現，在用于形成圖8的成核模板層280的HVPE沉積和退火工藝期間的更高溫度和更低壓力可產生更小的FWHM值，以及因此產生成核模板層280的晶格中的改進的結晶度和/或更少的缺陷。因此，除本文以上提供的溫度范圍之外，可在約235Torr或更小的壓力下進行用于形成圖8的成核模板層280的HVPE沉積和退火工藝，并且可在約50Torr和約235Torr之間、在約120Torr和約170Torr之間，或甚至在約140Torr和約160Torr之間(例如，約150Torr)的壓力下進行用于形成圖8的成核模板層280的HVPE沉積和退火工藝。進一步參照圖16中的XRD數據，已發現，在形成成核模板層280期間通過反應室102的相對較低流量的氫氣凈化氣體(H2)可產生成核模板層280的晶格的改進的結晶度和/或更少的缺陷。因此，根據本發明的某些實施例，可進行用于形成圖8的成核模板層280的HVPE沉積和退火工藝，同時使氫氣凈化氣體(H2)以約15slm或更低的流速流動通過反應室102。例如,氫氣凈化氣體的流速可在約2slm和約15slm之間、在約4slm和約12slm之間，或甚至在約6slm和約IOslm之間(例如,約8slm)。繼續參考圖16，進一步發現，上述相對較低的氫氣凈化氣體(H2)的流速和相對較低的壓力(其據信產生成核模板層280的晶格的改進的結晶度和/或更少的缺陷)還產生所得到的成核模板層280的增加的平均總厚度。據信這至少部分是由于反應室102中氫自由基的濃度降低而導致的成核模板層280的刻蝕減少，以及由于更低的壓力而導致的在反應室102中發生的氣相反應減少。圖17為示意性地表示可用于利用圖1A和IB的沉積系統100沉積如圖6所示的成核層250、結晶成核層250以形成如圖7所示的成核材料的島260，以及生長和聚結所述島以形成如圖8所示的結晶成核模板層280的HVPE沉積工藝的一個非限制示例。提供圖17所示的沉積工藝作為示例，并且其他HVPE沉積工藝和系統也可用于進行本發明的方法的實施例。參照圖17，通過描繪隨時間t而變化的反應室102中的溫度T來表示示例沉積工藝。如圖所示，沉積工藝包括依次標記為SI至S13的十三(10)個階段。下表I中提供了全部13個階段SI至S13中的每一個的沉積工藝的非限制示例的工藝參數。
權利要求
1.一種利用金屬三氯化物前體和金屬四氯化物前體中的至少一個在基材上沉積III族氮化物半導體材料的方法，包括 在成核HVPE工藝階段中利用金屬三氯化物前體和金屬四氯化物前體中的至少一個在基材表面上沉積III族氮化物半導體材料的層，以形成具有納米結構的成核層，所述成核層包括至少一些纖鋅礦微晶和一些非晶III族氮化物半導體材料； 將所述成核層退火，以在所述基材表面上形成至少基本上纖鋅礦成核材料的晶島； 在聚結HVPE工藝階段中生長和聚結所述至少基本上纖鋅礦成核材料的島，以形成至少基本上覆蓋所述基材表面的至少基本上纖鋅礦成核材料的成核模板層；以及 在另外的HVPE工藝階段中在所述至少基本上纖鋅礦成核材料的成核模板層上沉積另外的III族半導體材料。
2.根據權利要求I所述的方法，其進一步包括在所述基材表面上形成外延成核材料的晶島以具有峰形。
3.根據權利要求I或權利要求2所述的方法，其中將所述成核層退火以在所述基材表面上形成外延成核材料的晶島包括在約900° C和約1300° C之間的溫度下將所述成核層退火。
4.根據權利要求3所述的方法，其中在約900°C和約1300° C之間的溫度下將所述成核層退火包括在約1025° C和約1100° C之間的溫度下將所述成核層退火。
5.根據權利要求4所述的方法，其中在約1025°C和約1100° C之間的溫度下將所述成核層退火包括在約1040° C和約1070° C之間的溫度下將所述成核層退火。
6.根據權利要求5所述的方法，其中在約1040°C和約1070° C之間的溫度下將所述成核層退火包括在約1050° C的溫度下將所述成核層退火。
7.根據權利要求I至6中任一項所述的方法，其中將所述成核層退火以在所述基材表面上形成外延成核材料的晶島包括在約IOOTorr和約760Torr (I大氣壓)之間的壓力下將所述成核層退火。
8.根據權利要求7所述的方法，其中在約100Torr和約760 Torr (I大氣壓)之間的壓力下將所述成核層退火包括在約200 Torr的壓力下將所述成核層退火。
9.根據權利要求I至7中任一項所述的方法，其進一步包括在成核HVPE工藝階段中在約400° C和約700° C之間的溫度下在所述基材表面上沉積所述III族氮化物半導體材料的層。
10.根據權利要求9所述的方法，其中在成核HVPE工藝階段中在約400°C和約700° C之間的溫度下在所述基材表面上沉積所述III族氮化物半導體材料的層包括在成核HVPE工藝階段中在約570° C的溫度下在所述基材表面上沉積所述III族氮化物半導體材料的層。
11.根據權利要求I至10中任一項所述的方法，其進一步包括在成核HVPE工藝階段中在約50 Torr和約760 Torr (I大氣壓)之間的壓力下在所述基材表面上沉積所述III族氮化物半導體材料的層。
12.根據權利要求11所述的方法，其中在成核HVPE工藝階段中在約50Torr和約760Torr (I大氣壓)之間的壓力下在所述基材表面上沉積所述III族氮化物半導體材料的層包括在成核HVPE工藝階段中在約200 Torr的壓力下在所述基材表面上沉積所述III族氮化物半導體材料的層。
13.根據權利要求I至12中任一項所述的方法，其進一步包括在聚結HVPE工藝階段中在約900° C和約1100° C之間的溫度下生長和聚結所述外延成核材料的島。
14.根據權利要求13所述的方法，其進一步包括在聚結HVPE工藝階段中在約975°C和約1050° C之間的溫度下生長和聚結所述外延成核材料的島。
15.根據權利要求14所述的方法，其進一步包括在聚結HVPE工藝階段中在約985°C和約1015° C之間的溫度下生長和聚結所述外延成核材料的島。
16.根據權利要求I至15中任一項所述的方法，其進一步包括在聚結HVPE工藝階段中在約100 Torr和約760 Torr (I大氣壓)之間的壓力下生長和聚結所述外延成核材料的島O
17.根據權利要求16所述的方法，其進一步包括在聚結HVPE工藝階段中在約200Torr的壓力下生長和聚結所述外延成核材料的島。
18.根據權利要求I至17中任一項所述的方法，其進一步包括在生長和聚結所述外延成核材料的島之后，將所述外延成核材料的成核模板層退火。
19.根據權利要求I至18中任一項所述的方法，其進一步包括選擇III族氮化物半導體材料以包括氮化鎵。
20.根據權利要求I至19中任一項所述的方法，其進一步包括選擇基材以包括藍寶石。
21.一種包括根據權利要求I至20中任一項所述的方法所形成的III族氮化物成核材料的成核模板層的結構。
22.根據權利要求21所述的結構，其進一步包括在所述III族氮化物半導體材料的成核模板層上的主體III族氮化物半導體材料。
23.根據權利要求22所述的結構，其中所述主體III族氮化物半導體材料至少基本上沒有結構裂紋。
24.根據權利要求22或權利要求23所述的結構，其中所述主體III族氮化物半導體材料至少基本上沒有分層區域。
25.—種通過在權利要求I至20中任一項所述的方法所形成的中間結構。
全文摘要
在基材上沉積III族氮化物半導體材料的方法包括在成核HVPE工藝階段中在基材表面上沉積III族氮化物半導體材料的層，以形成具有包括至少一些非晶III族氮化物半導體材料的微結構的成核層。所述成核層可進行退火以在基材表面上形成外延成核材料的晶島。所述外延成核材料的島可在聚結HVPE工藝階段中生長和聚結以形成外延成核材料的成核模板層。所述成核模板層可至少基本上覆蓋基材的表面。可在另外的HVPE工藝階段中在所述外延成核材料的成核模板層上沉積另外的III族氮化物半導體材料。通過這種方法形成包括III族氮化物半導體材料的最終結構和中間結構。
文檔編號H01L21/02GK103238203SQ201180056302
公開日2013年8月7日 申請日期2011年11月23日 優先權日2010年11月23日
發明者C·阿里納, R·T·小伯特倫, E·林多, S·馬哈詹, I·韓 申請人:Soitec公司, 代理并代表亞利桑那州立大學的亞利桑那董事會