[发明专利]生成Ⅲ－N层的方法，和Ⅲ－N层或Ⅲ－N衬底，以及其上的器件

说明书

本发明涉及一种生成厚III-N层和III-N衬底的方法，其中，N是氮，III是来自元素周期表第III族的至少一种元素，特别是选自铝、镓和铟中的一种或多种元素(下面简称III-N)，本发明还涉及具有改进的表面形态的厚III-N层和III-N衬底。特别地，所述III-N材料是晶体、特别是单晶体。

III-N材料系在当今的半导体材料中发挥着重要的作用。它用于许多重要的光电和电子器件。这些器件是基于外延生长在适合衬底晶体上的半导体层结构。如果用同相外延通常得到最好的外延生长结果，也就是层在相同成分的衬底上生长。因此同相外延的III-N是所需要的。然而，这类III-N在商业上几乎是得不到的，因为其生产具有巨大的挑战性[I.Grzegory和S.Porowski，in Gallium Nitride and Related Semiconductors，1999，INSPEC，B 1.1，359-366]。

一种提供III-N衬底的方法是沉积厚III-N层。近年来，一些研究组[S.S.Park，I.Park和S.H.Choh，Jpn.J.Appl.Phys.39，L1141(2000)；和X.Xu，R.P.Vaudo，C.Loria，A.Salant，G.R.Brandes，和J.Chaudhuri，J.Cryst.Growth 246，223(2002)]研发了采用氢化物气相外延(HVPE)法同相外延生长厚GaN层。这些研发的目的是代替GaN基技术的像蓝宝石(Al₂O₃)和SiC的异质衬底，因为这类异质衬底的应用限制了器件的性能。这些限制的主要原因是高缺陷密度，所述高缺陷密度源于在晶格常数和热膨胀系数失配下在异质衬底上的同相外延生长。当生长不是直接发生在异质衬底上，而是发生在生长在异质衬底上的薄III-N层上，这样生长得到的厚层更好[T.Paskova等，phys.stat.sol.(a)，1999，176，415-419]。在此文献和下面的描述中，包括有至少一个异质衬底和至少一层薄III-N层的组合被称为模板。

使用这种由HVPE生长的模板来生产电子和光电器件，特别是GaN激光二极管[S.Nagahama，T.Yanamoto，M.Sano，和T.Mukai，Jpn.J.Appl.Phys.40，3075(2001)；和M.Kuramoto，C.Sasaoka，Y.Hisanaga，A.Kimura，A.Yamaguchi，H.Sunakawa，N.Kuroda，M.Nido，A.Usui，和M.Mizuta，Jpn.J.Appl.Phys.38，L184(1999)]和带有紫外光谱区域发射的光发射二极管(LEDs)[X.A.Cao，S.F.LeBoeuf，M.P.DEvelyn，S.D.Arthur，J.Kretchmer，C.H.Yan，和Z.H.Yang，Appl.Phys.Lett.84，4313(2004)]。但是这些模板仍有一些问题。它们通常表现出强的弯曲和明显的断裂形成倾向。这两种负面效应都是由于GaN和异质衬底(通常是蓝宝石)的不同的热膨胀而导致的。此外，通过HVPE生长的GaN层经常有粗糙的表面，在其可以被用作进一步外延生长的模板之前，需要对其进一步抛光[S.S.Park等，supra；和L.Liu和J.H.Edgar，Mat.Sci.Engin.R37，61(2002)]。

除了所选择的异质衬底外，断裂形成的敏感度还强烈依赖于分别用于HVPE生长的形成于异质衬底和层或模板之间的成核层或缓冲层。通常我们采用1.5微米厚的GaN模板，它们是在2英寸的蓝宝石晶片上通过金属有机汽相外延(MOVPE)生成的。我们注意到，如果在MOVPE处理中采用低温下由AlN生长得到的成核层[B.Kuhn和F.Scholz，phys.stat.sol.(a)188，629(2001)]替代常规的GaN成核层，来制造模板[F.Habel，P.Bruckner，和F.Scholz，J.Cryst.Growth 272，515(2004)]，则可以通过HVPE生长没有断裂的较厚的层。很明显，此改善是由于在室温下成核层的更高的压缩应变，因为其减轻或消除了在大约1000℃的典型HVPE生长温度下的净拉伸应变。甚至可以在图案化模板(例如，选择性生长的GaN条纹)上生长无断裂的较厚的层[P.Bruckner，F.Habel，和F.Scholz(2005)，Contribution to ICNS 6，Bremen，Germany，August 2005]。