[发明专利]用于沉积第III族氮化物半导体膜的方法

说明书

在此描述一种用于沉积第III族氮化物半导体膜的方法。

第三族氮化物半导体用在诸如发光二极管、激光二极管、光伏太阳能电池以及诸如高电子迁移率晶体管的功率器件的各种装置中。

发光二极管(LED)的基本结构对应于pn半导体二极管，使得发光二极管和pn半导体二极管呈现出类似的特性。其差异在于用于LED的半导体材料。在非发光二极管由硅或者有时由锗或硒制造的同时，用于LED的半导体材料是第III-V族半导体，通常为镓化合物。

如果沿正向施加电压，则电子从LED的n掺杂侧向p掺杂侧迁移，并且发射光。发射的光的波长和由此其颜色取决于形成pn结的材料的带隙能量。在硅二极管或锗二极管中，由于它们是间接带隙材料，因此电子和空穴通过不产生光发射的非辐射跃迁而复合。用于LED的材料具有带有与近红外光、可见光或近紫外光的对应的能量的直接带隙。

LED通常以电极附着到沉积在n型基底的表面上的p型层的方式设置在n型基底上。虽然不常见，也使用p型基底。一些商业LED，尤其是GaN/InGaN，使用蓝宝石基底。

在GaN与诸如蓝宝石、硅、SiC和石英的基底之间的大的晶格失配能够通过使用多个生长步骤来匹配，以适应晶格应变并能够使高质量的GaN膜生长。

由于AlN与各种基底之间的较小的晶格失配，因此中间外延生长AlN层可以沉积在基底上并用作GaN能够在其上生长的模板。因此，AlN缓冲层的使用可以用于避开MOCVD工艺所需的挑战性的成核步骤，以在诸如蓝宝石的各种基底上生长GaN。

不仅可以调整外延的质量，而且可以调整第III族氮化物膜的极性。

US 2013/0049065 A1公开了一种能够通过溅射制造由第III族氮化物半导体制成的第III族极性膜(诸如具有Al面极性的AlN膜)的外延膜形成方法。将AlN膜溅射在被加热器加热至溅射温度的蓝宝石或α-Al₂O₃基底上，该蓝宝石或α-Al₂O₃基底与加热器分离预定距离。

然而，期望进一步的方法，用该方法能够制造具有期望的面极性的第III族氮化物半导体膜。

提供了一种用于在基底上沉积第III族氮化物半导体膜的方法，该方法包括：提供诸如<0001>c平面蓝宝石基底的蓝宝石基底；将基底放置在真空室中；通过蚀刻来修整基底的表面并提供经修整的表面；保持基底与加热器的基底面对表面分离预定距离；在保持基底与加热器的基底面对表面分离的同时，通过使用加热器将基底加热至温度T₁；在保持基底与加热器的基底面对表面分离的同时，通过物理气相沉积方法在基底的经修整的表面上沉积第III族氮化物半导体膜；并且在基底的经修整的表面上形成具有N面极性的外延第III族氮化物半导体膜。

已经发现了将用于提供经修整的表面的蚀刻工艺与在基底不与加热器直接接触的同时在该经修整的表面上沉积第III族氮化物半导体膜的组合，以促进第III族氮化物半导体膜中N面极性的形成。一种可能的机制(通过该机制可以提供这种特征)可以在于，在蚀刻步骤之后形成了Al终结(或终端)的经修整的结构，促进了沉积在这种Al终结的经修整的表面上的第III族氮化物半导体膜中N面极性的形成。

例如，对于一些装置，因为具有Ga面极性的GaN膜呈现出比N面极性层更光滑的表面，因此期望具有Ga表面极性的GaN膜。一种用于获得Ga面极性GaN膜的方式是在基底上生长具有N面极性的外延AlN膜。这种具有N面极性的AlN膜促进沉积在N面极性AlN膜上的GaN膜中Ga面极性的形成。

在实施例中，基底表面的修整包括在真空下对该表面进行等离子体软蚀刻。等离子体软蚀刻可以包括将基底加热至温度T₂、将Ar气体引入真空室中以及使基底的所述表面经受等离子体。温度T₂可以处于35℃至70℃的范围内，例如为50℃。在实施例中，利用包括Ar⁺离子的RF等离子体在2×10^-4mbar至8×10^-4mbar的压力下执行等离子体软蚀刻。例如可以使用50W的RF功率。

执行等离子体软蚀刻时的温度T₂可以比沉积第III族氮化物膜时的基底的温度T₁小。T₁可以处于650℃至800℃的范围内。

在实施例中，在等离子体软蚀刻过程中，保持基底远离加热器的基底面对表面。