TWI671800B - 獲得平面的半極性氮化鎵表面的方法 - Google Patents

獲得平面的半極性氮化鎵表面的方法 Download PDF

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Abstract

本發明描述的是在圖案化的藍寶石基板上形成半極性III族氮化物材料之平坦、連續、平面磊晶層的方法和結構。半極性GaN可以從圖案化的藍寶石基板上之傾斜的c面來生長，並且聚結而在藍寶石基板上形成半極性III族氮化物半導體的連續層。該層平坦化之後則使用氮載體氣體來做晶體再生長，以產生的半極性III族氮化物半導體之平坦、微製造等級的製程表面。良好品質的多重量子井可以製造於再生長的半極性材料中。

Description

獲得平面的半極性氮化鎵表面的方法 相關申請案
本申請案主張2014年4月16日所提申之名稱為「獲得平面的半極性氮化鎵表面的方法」的美國臨時申請案第61/980,304號的權益。前述申請案的整體揭露內容藉由參考方式併入於於本文中。
本技術有關在圖案化的藍寶石基板上形成平面的、單面的半極性III族氮化物層和裝置的方法和結構。
廣泛認為氮化鎵(GaN)和其他III族氮化物材料是製造整合裝置所想要的材料。這些材料典型而言具有比矽基半導體還寬的能帶間隙，並且可以用於製作發出可見光譜之綠和藍光區域輻射的電光裝置，譬如發光二極體(light-emitting diode，LED)和二極體雷射。而且，因為其寬廣的能帶間隙，所以當用於製造整合電晶體時，III族氮化物材料可以展現更高的崩潰電壓。據此，III族氮化物材料可以是光電器件和高功率電子器件應用所想要的。
像矽一樣，III族氮化物材料可以生長成高純度的結晶材料。但不像矽，III族氮化物材料的生長典型而言要比矽更困難和更昂貴，如此則III族氮化物材料之大於幾英吋的整塊基板目前在商業上的可行性不 如整塊矽基板。結果，研究人員已經發展並且持續發展在矽或其他結晶基板上磊晶生長積體電路等級之III族氮化物層的方法。一旦生長，則整合裝置可以使用平面的微製造技術而製造於III族氮化物磊晶層中。
描述的是關於在圖案化的藍寶石基板(patterned sapphire substrate，PSS)上形成平面的半極性氮化鎵(GaN)層和其他III族氮化物層的方法和結構。藍寶石基板可以圖案化成具有表面格柵結構以曝露c面或傾斜的c表面，並且半極性III族氮化物半導體可以從這些晶體生長表面來生長。可以在半導體生長之前進行遮罩製製程，以避免成核和生長在圖案化之藍寶石基板的其他表面。半極性材料的生長可以持續，如此則材料在圖案化的藍寶石基板上聚結並且形成連續的III族氮化物層。半導體層可加以平坦化，並且III族氮化物材料可以於平坦化層上再生長。於再生長期間，氮載體氣體而非氫載體氣體可以用於提供平坦的、半極性、原子等級平滑的製程表面，其上可以製造整合裝置。
根據某些具體實施例，平面的半極性III族氮化物基板包括圖案化的藍寶石基板，其具有在不同定向的多個表面和形成在某些表面上的遮罩層，而晶體生長表面則是多個表面的一部分並且不被遮罩層所覆蓋，並且平面的半極性氮化鎵磊晶層形成在圖案化的藍寶石基板上。
於某些態樣，圖案化的藍寶石基板具有大約平行於基板之製程表面的(2243)面和大約平行於晶體生長表面的c面。於某些情形，圖案化的藍寶石基板包括溝槽的陣列，而晶體生長表面形成溝槽的傾斜壁。溝槽的間距可以在大約0.25微米和大約10微米之間，並且溝槽的深度可以在大 約50奈米和大約2微米之間。
根據某些實施例，磊晶氮化鎵聚結在溝槽上以形成遍佈基板之連續和平面的半導體層。平面的半導體層在15微米×15微米區域上所測量的表面粗糙度於某些情形可以小於5奈米方均根(root-mean-square，RMS)，並且於某些情況小於3奈米RMS。於某些態樣，平面的半極性氮化鎵磊晶層具有遍佈基板之單一且連續之平面的表面，其大約平行於半極性氮化鎵的(2021)面。
根據某些態樣，平面的半極性III族氮化物基板可以包括在晶體生長表面和磊晶氮化鎵之間的緩衝層。緩衝層可以包括氮化鋁，並且可以具有在大約10奈米和大約50奈米之間的厚度。
以上的態樣、實施例和特色可以採取任何適合的組合而包括於具有形成在圖案化藍寶石上的半極性氮化鎵磊晶層之基板的具體實施例，並且可以採取任何適合的組合而包括於以下製作具有形成在圖案化藍寶石上的半極性氮化鎵磊晶層之基板的一或更多個方法具體實施例。
根據某些具體實施例，形成平面之半極性III族氮化物磊晶層的方法包括：相鄰於圖案化的藍寶石基板之晶體生長表面來生長半極性氮化鎵、將生長的半極性氮化鎵平坦化、使用氮載體氣體來再生長半極性氮化鎵。
於某些態樣，再生長半極性氮化鎵所包括的再生長條件不包括氫載體氣體。於某些實施例，氮載體氣體是N2。再生長半極性氮化鎵可以包括使用金屬有機化學氣相沉積來生長半極性氮化鎵。於某些態樣，將生長的半極性氮化鎵平坦化包括藉由化學機械拋光來平坦化。
根據某些實施例，再生長期間的溫度是在大約980℃和大約1070℃之間。於某些實施例，再生長期間的壓力是在大約100毫巴和大約300毫巴之間。於某些情形，再生長期間之NH3氣體的流動速率是在大約0.5slm和大約4slm之間。於某些情形，再生長期間之三甲基鎵或三乙基鎵的流動速率是在大約30sccm和大約50sccm之間。根據某些實施例，再生長期間的生長速率是在每小時1微米和大約每小時2微米之間。於某些態樣，生長半極性氮化鎵和再生長半極性氮化鎵包括生長氮化鎵而具有大約平行於基板之製程表面的(2021)面。
根據某些實施例，形成平面之半極性III族氮化物磊晶層的方法可以進一步包括在晶體生長表面形成低溫氮化鋁或低溫氮化鎵緩衝層。任一低溫緩衝層可以在低於大約600℃的溫度下形成。
形成平面之半極性III族氮化物磊晶層的方法可以進一步包括在生長半極性氮化鎵之前先形成遮罩層以覆蓋圖案化的藍寶石基板之表面。於某些態樣，形成遮罩層包括藉由氣相沉積製程而保形地沉積材料。本方法可以進一步包括從晶體生長表面移除保形沉積的材料。
從下面配合伴隨圖式的敘述可以更完整理解本教導之前面和其他的態樣、具體實施例、特徵。
100‧‧‧基板
105‧‧‧藍寶石基板
107‧‧‧溝槽
108‧‧‧頂部表面
110‧‧‧表面結構
112‧‧‧側壁
115‧‧‧晶體生長表面
120‧‧‧磊晶半導體層
120a‧‧‧再生長層
122‧‧‧製程表面
130‧‧‧c面
140‧‧‧遮罩層
202‧‧‧軸
210‧‧‧光阻劑
215‧‧‧傾斜側壁
220‧‧‧披覆
225‧‧‧被遮蔽表面
228‧‧‧蒸鍍物
230‧‧‧光阻劑
250‧‧‧III族氮化物晶體
310‧‧‧曲線
312‧‧‧曲線
630‧‧‧曲線
635‧‧‧曲線
D‧‧‧深度
P‧‧‧間隔或間距
熟練人士將了解在此所述的圖只是為了示範而已。要了解於某些情況，具體實施例的多樣態樣可以被誇張或放大顯示以利於理解具體實施例。圖式未必按照比例，反而是強調示範本教導的原理。於圖式，相同的參考字符一般而言在全篇多樣的圖中是指相同的特徵、功能類似的和 /或結構類似的元件。在圖式有關微製造的地方，可以僅顯示一個裝置和/或部分的基板以簡化圖式。實務上，許多裝置或結構可以平行製造而遍佈基板的大面積或整個基板。圖式不打算以任何方式來限制本教導的範圍。
圖1是顯示根據某些具體實施例之部分基板的正視圖，其包括磊晶生長在圖案化的藍寶石基板上之III族氮化物材料；圖2A~2B顯示根據某些具體實施例而關於將藍寶石基板圖案化之製程的結構；圖2C~2F顯示根據某些具體實施例而關於將圖案化的藍寶石基板之選擇表面加以遮罩的製程的結構；圖2G顯示根據某些具體實施例而在圖案化的藍寶石基板上形成半極性GaN；圖2H顯示根據某些具體實施例而在圖案化的藍寶石基板上形成聚結的半極性GaN；圖2I顯示根據某些具體實施例而在圖案化的藍寶石基板上之半極性GaN的平坦化磊晶層；圖2J顯示根據某些具體實施例而在圖案化的藍寶石基板上再生長半極性GaN；圖3A是以正視圖顯示根據某些具體實施例而形成在圖案化的藍寶石基板上之聚結的半鎵極性GaN的掃描式電子顯微照片；圖3B是形成在圖案化的藍寶石基板上之半極性GaN的一區域之穿透式電子顯微鏡(transmission electron microscope，TEM)影像；圖3C是顯示具有平行於藍寶石基板平面之(2021)面的單一定向GaN的 X光繞射(X-ray diffraction，XRD)掃描；圖3D顯示針對平行(曲線312)於和垂直(曲線310)於藍寶石基板中之圖案化溝槽的搖動軸(rocking axis)而攝於同軸(2021)的高解析X光繞射搖動曲線；圖3E顯示磊晶生長之半極性GaN的低溫光致發光(low-temperature photoluminescence，LT-PL)光譜，而標示出的波峰位置指定到GaN能帶邊緣發射(3.49電子伏特)、侷限於堆疊錯誤的激子(3.44電子伏特)、侷限於部分差排的雜質(3.33電子伏特)；圖4A是以平面圖顯示根據某些具體實施例而於再生長期間使用氫載體氣體來再生長半極性GaN的掃描式電子顯微鏡(scanning electron microscopy，SEM)影像；圖4B是顯示根據某些具體實施例之再生長的半極性GaN之多面形貌的原子力顯微鏡(atomic force microscope，AFM)影像；圖4C是顯示形成在(2021)GaN之再生長表面上的微面的AFM影像；圖5A是以正視圖顯示根據某些具體實施例而形成在圖案化的藍寶石基板上之半極性GaN的平面再生長的SEM影像；圖5B是以平面圖顯示根據某些具體實施例而形成在圖案化的藍寶石基板上之半極性GaN的平面再生長的SEM影像；圖6A是以正視圖顯示根據某些具體實施例而形成在(2021)GaN上的多重量子井(multiple quantum wells，MQWs)的SEM影像；圖6B是根據某些具體實施例之MQWs的XRD 2 θ-ω掃描，並且顯示強而明確區分的較高階衛星波峰，其指出均勻性和明顯平面的介面；以 及圖6C是形成在半極性GaN磊晶層上而沒有平坦化(曲線630)和有平坦化(曲線635)之10對InGaN/GaN MQW結構的光致發光光譜圖。
當下面的【實施方式】指稱圖式時，可能使用「頂部」、「底部」、「上部」、「下部」、「垂直」、「水平」和類似的空間參考。舉例而言，當指稱圖式時，「垂直」可以用於指稱垂直於基板表面的方向，並且「水平」可以用於指稱平行於基板表面的方向。「上部」、「頂部」或「之上」可以用於指稱離開基板的垂直方向，而「下部」、「底部」或「之下」可以用於指稱朝向基板的垂直方向。此種參考是為了教導而使用，並不打算作為對於具體化之裝置的絕對參考。具體化的裝置可以採取任何適合的方式做空間上的定向，其可以不同於圖式所示的定向。
從下面配合圖式所列出的【實施方式】，具體實施例的特徵和優點將變得更明顯。
因為能帶間隙數值為寬，所以III族氮化物材料(例如GaN)是製造綠波長或藍波長發光裝置和製作高功率或高電壓電晶體所想要的材料。本發明人已經認出和體會III族氮化物材料的某些晶體定向可以提供優於其他晶體定向的改善裝置效能。舉例而言，自從起初在2009年示範了綠光雷射二極體(laser diode，LD)，半極性(2021)定向最近已顯得是用於高效率、長波長的LED和LD的領先候選者。相較於極性或非極性定向而言，半極性氮化鎵材料對於高效率的發光二極體可以是有利的，並且有可能提供效率萎縮的解決方案而在發光二極體中達成高效率、長波長發射。以減 少或沒有極化場而言，裝置的作用區域體積可以增加而不被量子侷限的斯塔克(Stark)效應造成效率劣化。這可以允許減少引起效率萎縮的載子密度。
雖然GaN的極性定向(鎵極性和氮極性二者)已經形成在平面的藍寶石基板上，但是微製造等級之平面的半極性GaN尚未成功的形成在藍寶石基板上。本發明人已經認出和體會圖案化的藍寶石基板(PSS)可以提供適合的模板來在上面形成半極性GaN，並且已經構想和發展出在圖案化的藍寶石基板上形成單晶、平面的半極性III族氮化物材料(例如GaN)的結構和製程。
適合用於積體電路製造的基板範例顯示於圖1。基板100可以包括圖案化的藍寶石基板105，其具有經圖案化而遍佈藍寶石基板的表面之表面結構110(例如溝槽和條紋)的陣列。表面結構110可以包括多個大約平面的表面，而至少某些表面是由避免晶體從藍寶石生長的遮罩層140所覆蓋。於某些具體實施例，某些表面可以是稍微彎曲的。該等表面可以定向於不同的方向。某些表面可以不被遮罩材料所覆蓋，並且包括晶體生長表面115。根據某些具體實施例，晶體生長表面可以大約平行(譬如在10毫弧度內)於藍寶石的c面130，其具有箭號所示的定向。諸如III族氮化物半導體的磊晶半導體層120可以在明確區分的位置而從晶體生長表面115生長，並且可以持續生長，直到磊晶半導體層120聚結在藍寶石基板上的圖案化特徵之上而形成連續的磊晶層為止，如圖式所示。於某些具體實施例，可以有至少一薄的緩衝層(未顯示)形成在晶體生長表面115和磊晶半導體層120之間。III族氮化物半導體可以部分或整個延伸而遍佈藍寶石基板，並且在基板上形成平面的「製程表面」(process surface)122。整合裝置可以製造在 製程表面122上。
根據某些具體實施例，圖2A~2B顯示有關形成圖案化的藍寶石基板之方法的結構。起初未蝕刻的藍寶石基板105可以切割成使得其(2243)面大約平行於基板的頂部表面108。光阻劑210可以沉積和圖案化在藍寶石基板105的表面上。根據某些具體實施例，光阻劑可以經由光微影術或干涉微影術而圖案化，雖然可以使用任何適合的圖案化製程。根據某些具體實施例，光阻劑可以圖案化成周期性格柵，如此則棒狀光阻劑210沿著基板的表面而延伸。光阻劑圖案可以對齊於藍寶石基板的結晶學定向，如此則棒狀光阻劑210所延伸的方向大約垂直於藍寶石基板105的(1100)面。根據某些具體實施例，光阻劑210可以是軟光阻劑(譬如聚合性光阻劑)，或者於某些實施例可以是硬光阻劑(譬如圖案化的無機材料)。於某些情形，光阻劑可加以圖案化而具有傾斜側壁215，如圖式所示。
乾式蝕刻製程(譬如反應性離子蝕刻(reactive ion etching，RIE)製程)可以用於蝕刻藍寶石基板105，如圖2B所示。蝕刻製程可以是異向性的或半異向性的。根據某些具體實施例，蝕刻製程可以是半選擇性的，亦即它在主要蝕刻藍寶石基板105的同時還蝕刻某些光阻劑210。於半選擇性蝕刻，隨著藍寶石基板105的蝕刻進行，除了溝槽107被蝕刻到基板裡以外，光阻劑210還可以被回蝕。於某些具體實施例，氯基蝕刻劑可以用於蝕刻藍寶石。於某些實施例，可以包括小量的光阻劑蝕刻劑(譬如用於聚合性光阻劑的O2)而作為蝕刻劑氣體以回蝕某些光阻劑210。可以使用其他的蝕刻劑，此視用於光阻劑的材料而定。於某些實施例，用於藍寶石基板的蝕刻劑可以部分蝕刻光阻劑210。
當溝槽正被蝕刻而部分回蝕光阻劑的結果可以沿著藍寶石基板105中的溝槽產生傾斜的側壁112，如圖2B所示範。側壁相對於藍寶石基板105的未蝕刻表面並不定向於90°，側壁反而可以定向在大約60°和大約80°之間。於某些情形，側壁可以定向在60°和80°之間。於某些具體實施例，側壁可以定向在大約65°和大約75°之間。於某些情形，側壁可以定向在65°和75°之間。根據某些具體實施例，選擇藍寶石基板的定向，使得當(2021)GaN平面平行於基板表面時，(0001)藍寶石c面的定向相對於藍寶石基板表面而是大約對齊於(0001)GaN面。由於(0001)GaN和(2021)之間的角度是75.09°，並且考慮c-GaN在c藍寶石上有30°平面上旋轉的磊晶關係([1120]GaN//[1010]藍寶石)，故可以使用c面邊料(offcut)大約75.09°朝向a方向的藍寶石定向，亦即藍寶石(2243)邊料大約0.45°。於某些實施例，蝕刻之藍寶石側壁112的斜率可以藉由調整光阻劑210的蝕刻速率(譬如調整用於光阻劑之蝕刻劑的濃度)和/或調整光阻劑210之傾斜側壁215的斜率(譬如調整使光阻劑圖案化的曝露和顯影條件)而控制。
根據某些具體實施例，蝕刻到藍寶石裡之溝槽的間隔或間距P可以在大約0.25微米(μm)和大約10微米之間。於某些情形，間距P可以在0.25微米和10微米之間。於某些具體實施例，溝槽之間的間距可以不是周期性的。根據某些具體實施例，溝槽的蝕刻深度D可以在大約50奈米(nm)和大約2微米之間。於某些情形，蝕刻深度D可以在50奈米和2微米之間。於某些具體實施例，溝槽的寬度可以大約等於或就等於間距P的一半。於其他具體實施例，溝槽的寬度可以大於或小於間距P的一半。在蝕刻溝槽之後，可以使用乾式蝕刻、溶劑或溶解光阻劑210的基板清潔製程而從藍 寶石基板105移除任何剩餘的光阻劑。
在移除光阻劑之後，遮罩層140可以形成在藍寶石基板上之某些圖案化的表面上。本發明人已經發現包括蒸鍍之氧化物(譬如以電子束蒸鍍製程所沉積的氧化矽)的遮罩層140可以導致在後續高溫(high-temperature，HT)III族氮化物生長條件下沒有再現性的晶體生長結果。這些結果相信是歸因於小於一單位的黏著係數、表面擴散、電子束蒸鍍之氧化矽的再次蒸發。為了克服有關蒸鍍之氧化物遮罩層的問題，本發明人已經構思和發展出形成高溫保形披覆的製程以將藍寶石基板的選擇表面加以遮罩。
根據某些具體實施例，高溫保形的披覆220可以形成在圖案化的藍寶石基板105之表面上，如圖2C所示。根據某些具體實施例，HT保形的披覆可以包括氧化物(譬如氧化矽)或氮化物(譬如氮化矽)，其可以藉由HT保形沉積製程而形成。舉例而言，氧化物可以藉由化學氣相沉積(chemical vapor deposition，CVD)製程(例如電漿增進的化學氣相沉積(plasma enhanced chemical vapor deposition，PECVD))而沉積。於某些實施例，氧化物或氮化物的披覆220可以藉由原子層沉積(atomic layer deposition，ALD)製程而沉積。根據某些具體實施例，保形披覆的厚度可以在大約10奈米和大約50奈米之間，並且可以覆蓋藍寶石基板105的所有圖案化表面，如圖式所示。於某些情形，保形披覆的厚度可以在10奈米和50奈米之間。
根據某些具體實施例，可以進行遮蔽式蒸鍍以在部分的氧化物的披覆220上形成光阻劑230，如圖2D、2E所示。舉例而言，藍寶石基板105可以在電子束蒸鍍系統中相對於標靶而傾斜成一角度。於蒸鍍期間， 蒸鍍物228可以入射在氧化物的披覆220的曝露表面上。披覆220的某些「被遮蔽表面」225可以藉由覆蓋表面或材料而隱藏或篩選成免於入射的蒸鍍物228。這些被遮蔽表面225可以不被蒸鍍物228所披覆。於某些具體實施例，蒸鍍物包括金屬(譬如Cr、Ni、Al、Ti、Au、Ag當中任一者或組合)，雖然其他材料可以用於某些具體實施例。遮蔽式蒸鍍雖然可以使光阻劑230形成在披覆220的選擇表面上，但被遮蔽表面仍維持曝露的。
於某些具體實施例，光微影術可以用於在保形的披覆220的選擇表面上形成光阻劑。然而，光微影術會需要幾個製程步驟(譬如光阻劑沉積、曝光、顯影)，並且須要將光罩對齊於圖案化的基板特色。
遮蔽式蒸鍍可以用於以一個步驟來在披覆220的選擇表面上形成硬光阻劑230，而不須將遮罩對齊於基板，這導致如圖2E所示的結構。篩選而免於蒸鍍物的被遮蔽表面225可以具有曝露的氧化物的披覆220，其覆蓋圖案化的藍寶石基板之c面，但是不包括金屬或其他保護性光阻劑230做的外層。然後可以進行選擇性異向乾式蝕刻，以從被遮蔽表面225移除氧化物的披覆220並且曝露底下的藍寶石。根據某些具體實施例，乾式蝕刻可以包括用於蝕刻氧化物的披覆220的氟基蝕刻劑。蝕刻可以曝露圖案化的藍寶石基板之底下的晶體生長表面115，如圖2F所示。於某些具體實施例，溼式蝕刻(譬如緩衝的氧化物蝕刻)可以用於從被遮蔽表面225移除氧化物的披覆220。於某些實施例，溼式或乾式蝕刻可以不是選擇性的，並且可以是定時蝕刻。於某些情形，移除披覆220的蝕刻可以在移除披覆之後還部分蝕刻藍寶石。
根據某些具體實施例，光阻劑230可以用乾式或溼式蝕刻製 程或基板清潔製程來移除。舉例而言，金屬(譬如Cr)做的硬披覆可以用適合的金屬蝕刻劑來移除。於某些實施例，基板可以在製備時加以清潔以供磊晶生長III族氮化物材料。舉例而言，基板可以在載入金屬有機化學氣相沉積反應器裡做後續晶體生長之前先在丙酮、甲醇、皮拉那(piranha)溶液中清潔。
本發明人已經發覺和體會到須要在圖案化的藍寶石基板105之曝露的晶體生長表面115小心製備緩衝層以形成積體電路等級的半極性GaN。根據某些具體實施例，圖案化的藍寶石基板105可以接受清潔製程，接著是低溫GaN或低溫AlN緩衝層生長製程。根據某些具體實施例，低溫緩衝層可以形成在低於大約600℃的溫度。於某些情形，低溫緩衝層可以形成在低於600℃的溫度。清潔製程和緩衝層生長可以在相同的生長反應器中進行。清潔製程可以包括在氫(H2)周遭環境中將基板加熱到大約1000℃和大約1200℃之間。於某些情形，清潔製程可以在氫(H2)周遭環境中、1000℃和1200℃之間的溫度來執行。
根據某些具體實施例，低溫(low-temperature，LT)AlN緩衝層可以形成在基板上。雖然LT AlN緩衝層可以不選擇性生長在晶體生長表面115(譬如它可以形成在所有表面上)，但是後續的III族氮化物生長可以偏好成核和生長成偏離形成在c面藍寶石晶體生長表面115上之c面定向的AlN。於某些實施例，AlN緩衝層可以生長在大約450℃和大約600℃之間的溫度。於某些情形，緩衝層可以在溫度於450℃和600℃之間的AlN磊晶生長條件下形成。根據某些具體實施例，LT AlN緩衝層形成在大約500℃的溫度。於某些情況，LT AlN緩衝層形成在500℃的溫度。於某些情形， 腔室壓力可以維持在大約100毫巴和大約250毫巴之間。於某些情況，腔室壓力可以維持在100毫巴和250毫巴之間。NH3的流動速率可以在大約1slm和大約4slm之間，並且三甲基鋁(TMA)的流動速率可以在大約30sccm和大約50sccm之間。於某些情形，NH3的流動速率可以在1slm和4slm之間，並且三甲基鎵(TMGa)的流動速率可以在30sccm和50sccm之間。根據某些具體實施例，緩衝層可以生長到大約10奈米和大約40奈米之間的厚度。於某些情形，緩衝層可以生長到10奈米和40奈米之間的厚度。於某些情形，LT AlN緩衝層使用在大約每秒0.1奈米和大約每秒0.2奈米之間的沉積速率而形成，並且緩衝層的厚度可以是大約20奈米。於某些情況，LT AlN緩衝層使用在每秒0.1奈米和每秒0.2奈米之間的沉積速率而形成。「在(多個)溫度」等詞可以用於指稱溫度範圍裡的一或更多個溫度。
根據其他具體實施例，LT GaN緩衝層可以形成在基板上。GaN緩衝層可以於溫度在大約450℃和大約600℃之間的磊晶生長條件下形成。於某些情形，GaN緩衝層可以在450℃和600℃之間的溫度形成。根據某些具體實施例，LT GaN緩衝層在大約500℃的溫度下形成。於某些情形，腔室壓力可以維持在大約100毫巴和大約250毫巴之間。於某些情況，腔室壓力可以維持在100毫巴和250毫巴之間。NH3的流動速率可以在大約1slm和大約4slm之間，並且三甲基鎵(TMGa)的流動速率可以在大約30sccm和大約50sccm之間。於某些情形，NH3的流動速率可以在1slm和4slm之間，並且三甲基鎵(TMGa)的流動速率可以在30sccm和50sccm之間。根據某些具體實施例，緩衝層可以生長到大約10奈米和大約40奈米之間的厚度。於某些情形，緩衝層可以生長到10奈米和40奈米之間的厚度。
根據某些具體實施例，緩衝層可以從不同於後續生長材料的材料來形成。舉例而言，緩衝層可以由任何適合的III族氮化物合金所形成，譬如AlN、InN、AlGaN、InGaN、InAlGaN，而後續生長的磊晶層可以包括GaN。於某些實施例，緩衝層可以由GaN所形成，並且後續生長的半極性磊晶層可以包括任何其他適合的III族氮化物合金。其他半極性材料的形成可以須要添加或取代其他的反應物，例如三甲基鋁(TMA)或三乙基鋁(TEA)作為鋁的來源，以及三甲基銦(TMI)或三乙基銦(TEI)作為銦的來源。於生長或再生長半極性III族氮化物磊晶層期間，這些氣體的流動速率可以在大約10sccm和大約60sccm之間。於某些情形，於生長或再生長半極性III族氮化物磊晶層期間，這些氣體的流動速率可以在10sccm和60sccm之間。
在形成緩衝層之後，反應腔室的溫度可以滑升到較高溫度，以在開始生長半極性GaN之前先將緩衝層退火達一段時間。於某些具體實施例，溫度可以滑升到大約1000℃和大約1100℃之間的數值。退火時間可以在大約1分鐘和大約10分鐘之間。於某些情形，溫度可以滑升到1000℃和1100℃之間的數值，並且退火時間可以在大約1分鐘和大約10分鐘之間。
然後可以進行半極性GaN的磊晶生長。根據某些具體實施例，磊晶生長製程可以包括金屬有機化學氣相沉積(metal-organic chemical vapor deposition，MOCVD)。於某些具體實施例，可以使用分子束磊晶(molecular beam epitaxy，MBE)或氣相磊晶(vapor phase epitaxy，VPE)製程。於某些實施例，可以使用原子層沉積。於某些實施例，半極性GaN的生長可以在大約1000℃和大約1100℃之間的溫度下進行。於某些情況，半極性GaN可以生長在1000℃和1100℃之間的溫度。於某些情形，GaN的生長可 以在大約1030℃的溫度下進行。於某些情形，在半極性GaN的生長期間，腔室壓力可以維持在大約100毫巴和大約250毫巴之間。於某些情況，在半極性GaN的生長期間，腔室壓力可以維持在100毫巴和250毫巴之間。NH3的流動速率可以在大約1slm和大約4slm之間，並且三甲基鎵(TMGa)的流動速率可以在大約30sccm和大約50sccm之間。於某些情形，NH3的流動速率可以在1slm和4slm之間，並且三甲基鎵(TMGa)的流動速率可以在30sccm和50sccm之間。
隨著半極性GaN材料的生長從晶體生長表面115所進行，可以首先形成遍佈圖案化的藍寶石基板105之表面的III族氮化物晶體250的島狀物，如圖2G所示。因為圖案化的藍寶石基板105上有傾斜的晶體生長表面115，所以如氮化鎵晶體的III族氮化物晶體250可以採取(2021)結晶學平面來生長，其大約平行於藍寶石基板105之原始平面的表面。如半鎵極性GaN晶體的III族氮化物晶體250的結晶學定向在圖2G中是以軸202所顯示。
磊晶生長可以持續，如此則III族氮化物晶體250聚結形成連續磊晶半導體層120而遍佈藍寶石基板105的一區域或整個基板，如圖2H所示。根據某些具體實施例，磊晶層的厚度可以在大約一微米和大約10微米之間。於某些情形，磊晶層的厚度可以在一微米和10微米之間。於某些情形，如果藍寶石基板具有較小的周期性(譬如小於一微米)，則磊晶層的厚度可以小於一微米。於某些實施例，磊晶半導體層120的製程表面122可以是皺折的並且具有平行於晶體生長表面115的隆脊，其可以源自偏好之結晶學生長平面(譬如半鎵極性GaN的(1010)和(1011)平面)的交叉。
於某些具體實施例，可以持續磊晶生長以減少在聚結的磊晶半導體層120之製程表面的缺陷數目。根據某些具體實施例，半極性GaN的基底的磊晶半導體層120所可以生長的厚度使得缺陷的密度減少到在製程表面的程度是積體電路裝置所可接受的。舉例而言，在磊晶半導體層120之頂面的缺陷密度可以在某些具體實施例中小於每平方公分約109個缺陷、在某些具體實施例中小於每平方公分約106個缺陷、在某些具體實施例中小於每平方公分約104個缺陷、在某些具體實施例中小於每平方公分約102個缺陷、在某些具體實施例中更小於每平方公分約10個缺陷。於某些情形，在磊晶半導體層120之頂面的缺陷密度可以在某些具體實施例中小於每平方公分109個缺陷、在某些具體實施例中小於每平方公分106個缺陷、在某些具體實施例中小於每平方公分104個缺陷、在某些具體實施例中小於每平方公分102個缺陷、在某些具體實施例中更小於每平方公分10個缺陷。
根據某些具體實施例，磊晶半導體層120可加以平坦化，如圖2I所示。舉例而言，化學機械拋光(chemical mechanical polishing，CMP)可以用於將磊晶半導體層120的製程表面122平坦化。平坦化可以移除在大約20%和大約60%之間的磊晶半導體層120。於某些情形，平坦化可以移除在20%和60%之間的磊晶生長層。舉例而言，磊晶半導體層120可以生長到大約10微米的厚度，並且CMP製程可以移除大約2微米到大約6微米。於某些應用，可以生長和移除較少的材料。
於某些具體實施例，具有形成在圖案化藍寶石上之磊晶層的基板可以在CMP之前彎曲。基板的彎曲可以源自藍寶石和III族氮化物材料之間不匹配的熱膨脹係數。在彎曲基板上做CMP製程可以由於遍佈基板 的非均勻壓力而導致從基板所移除的材料量有差異。於某些情形，差異性壓力可以藉由CMP襯墊而遍佈基板來施加以減少非均勻的材料移除。於某些具體實施例，可以在基板上實施平衡應變的措施(譬如沉積材料在基板的背側上以補償GaN層所賦予的應變)。
雖然磊晶層之源自CMP的厚度變化可以在裝置層中是不想要的(譬如可能引起遍佈基板而有非均勻的裝置效能)，但不清楚的是需要怎樣的精確度以獲得遍佈基板之合理一致的裝置特徵。並不預期缺陷密度將隨著歸因於晶圓彎曲和CMP期間有不均勻之材料移除的厚度差異而有顯著改變。某些具體實施例，如果發生了非均勻的裝置效能，則可以應用改善厚度均勻性的可能性，例如使CMP製程最佳化和平衡應變的方法以移除晶圓彎曲。
當採用CMP平坦化時所要考慮的另一因素是源自拋光製程之可能的次表面損傷。然而，來自文獻的實驗證據指出GaN在典型CMP製程中的拋光損傷深度範圍是從低於約1.5微米到約2.6微米。因此，根據某些具體實施例，約10微米的起初磊晶層厚度和大約2微米到大約6微米的CMP移除可以在GaN的製程表面提供適合的材料品質。
可以在平坦化的製程表面122上進行半極性III族氮化物材料的再生長以形成再生長層120a，如圖2J所示。根據某些具體實施例，再生長條件可以包括：生長溫度在大約980℃和大約1070℃之間、壓力在大約100毫巴和大約300毫巴之間、NH3的流動速率在大約0.5slm和大約4slm之間、TMGa的流動速率在大約30sccm和大約50sccm之間、III族氮化物生長速率在大約每小時1微米和大約每小時2.2微米之間。於某些情形，再 生長條件可以包括：生長溫度在980℃和1070℃之間、壓力在100毫巴和300毫巴之間、NH3的流動速率在0.5slm和4slim之間、TMGa的流動速率在30sccm和50sccm之間、III族氮化物的生長速率在每小時1微米和每小時2.2微米之間。於某些實施例，可以在相同的流動速率範圍來使用三乙基鎵(TEG)氣體。再生長層的厚度可以在大約200奈米和大約10微米之間，雖然更薄的再生長層可以用於某些具體實施例。於某些情形，再生長層的厚度可以在200奈米和10微米之間。
於多樣的具體實施例，再生長可以使用氮載體氣體(譬如N2)而非氫載體氣體(譬如H2)來進行。載體氣體(譬如N2)可以是隨著反應物或前驅氣體(譬如NH3和TMGa)所包括的氣體而不打算貢獻物種給半導體的生長。N2載體氣體的流動速率可以在大約3slm和大約10slm之間。於某些情況，N2載體氣體的流動速率可以在3slm和10slm之間。本發明人已經揭露和體會在再生長期間使用氮載體氣體則提供微製造等級之平面的製程表面給半極性GaN磊晶層，而氫載體氣體導致多面化的製程表面而具有相當大的粗糙度。當使用氮載體氣體時，在15微米×15微米區域上所獲得之單一平面的表面粗糙度小於3奈米方均根。根據某些具體實施例，再生長可以進行在大約980℃、200毫巴、4slm的NH3流動和40sccm的TMGa流動。
雖然已經描述了半極性GaN的磊晶生長，但是其他III族氮化物材料(譬如(Al,In,Ga)N)的半極性定向可以根據某些具體實施例來生長。本結構和方法也可以用於形成多樣的半極性III族氮化物合金，譬如AlGaN、InGaN、InAlGaN。於某些實施例，部分或所有的磊晶生長層可加以摻雜以具有n型或p型導電性，如此則積體電路裝置(例如電晶體、二極體、 閘流體、LED和雷射二極體)可以製造於磊晶層中。於某些情形，摻雜可以在磊晶生長期間來做，以及/或者在生長之後來為之(譬如使用對磊晶層的離子佈植)。微製造等級的基板可以使用某些標準技術(例如MOCVD、蝕刻、化學機械拋光……)而大量生產，並且基板可以縮放成不同的尺寸(譬如直徑大於2英吋)。上述的製程可以避免有關生長整塊GaN晶體和從此種精品來產生晶圓的花費。上述的結構和方法可以在比較不昂貴的藍寶石基板上做到製造半極性GaN磊晶層，該基板在商業上是成熟的並且是廣泛可得的。
雖然上述的結構和方法主要關於形成半鎵極性(2021)GaN磊晶層，但是該等方法可以用於形成其他的半極性面定向。舉例而言，非極性(1120)、(1010)以及半極性(1011)、(1122)可以使用具有不同結晶學定向之圖案化的藍寶石基板而生長。藉由使用正確切片的藍寶石基板並且蝕刻藍寶石以曝露c面晶體生長表面，則磊晶層中大約任何的GaN定向都可以是可能的。
<範例>
1.平面的半極性GaN磊晶層之形成
遵循上述方法而在圖案化的藍寶石基板上進行半極性(2021)GaN的磊晶生長、平坦化、再生長。於這些範例性製程，藍寶石基板的直徑為2英吋，雖然遵循相同的製程可以使用其他的直徑。
具有平行於其表面之(2243)面的藍寶石基板遵循有關圖2A~2B所述的步驟來圖案化，並且包括隔開大約6微米的晶體生長表面115，而藍寶石基板中之溝槽的蝕刻深度D是大約0.5微米。晶體生長表面的定向從基板的製程表面是大約75°。PSS基板上的其他表面則以PECVD 氧化物加以遮罩，如上面關於圖2C~2F所述。
在清潔之後，將PSS載入MOCVD反應器來做III族氮化物生長。在1100℃、H2周圍氣氛下執行熱清潔和脫附步驟。接下來，低溫AlN緩衝層(大約20奈米厚)在大約500℃、200毫巴壓力、大約1slm的NH3流動速率、大約40sccm的三甲基鋁(TMA)流動速率下形成。緩衝層的沉積速率是大約每秒0.15奈米。在生長之後，緩衝層在NH3和H2的混合物中、大約1030℃退火大約4分鐘。NH3的流動速率是在大約0.5slm到大約4slim之間，並且H2的流動速率是在大約4slim到大約8slm之間。
接下來，從在晶體生長表面的緩衝層生長半極性(2021)GaN。GaN的生長條件是大約1030℃、大約200毫巴、大約1slm的NH3流動速率、大約40sccm的三甲基鎵(TMGa)流動速率。進行生長的生長速率是大約每小時0.6微米，並且V/III的比例是大約500。如半極性GaN磊晶層的磊晶半導體層120的起初生長厚度是大約10.5微米。
圖3A是掃描式電子顯微照片，其以正視圖顯示從遮罩和圖案化的藍寶石基板所生長之聚結的半極性GaN層。該結構對應於圖2H所示者。SEM影像顯示生長在圖案化的藍寶石基板105上之部分的如半極性GaN磊晶層的磊晶半導體層120。材料展現單一的(2021)GaN定向而平行於藍寶石(2243)面，如所設計的。SEM影像顯示皺折的製程表面，其由(1011)和(1010)面所組成。
半極性GaN磊晶層的缺陷結構則使用穿透式電子顯微鏡(TEM)來調查。TEM截面影像顯示於圖3B，而區軸為[1120]、g=1010。影像顯露a型差排對比，並且也顯露關於基面堆疊錯誤的部分差排。TEM影 像(未顯示)也攝於[1120]區軸和g=0002，其顯露c型差排對比。於g=1010的影像，源自與垂直呈大約15°角之生長側壁的直線對比係侷限於基面，並且歸因於存在了I1型堆疊錯誤。其餘的晶體顯示較低密度的缺陷而出現短的交織區段，這指出差排在平面外的方向上傳播。於g=0002的繞射影像(未顯示)，錯誤區域的對比則消失了(其與關於I1型堆疊錯誤之部分差排的不可見標準一致)，並且出現增加密度的差排對比，尤其在聚結前緣。
當中形成基面堆疊錯誤的區域對應於來自起初生長前緣的區域，並且延伸朝向生長的氮極性方向。這些堆疊錯誤在作用層中是不想要的。這區域中形成的堆疊錯誤則與稍早報導在副面c藍寶石基板上的一致。如果圖案化的藍寶石基板之蝕刻側壁不恰好形成c藍寶石側壁(譬如高達大約10°離軸)，則可以引起堆疊錯誤。而且，如已經在半極性和非極性GaN的磊晶側向過度生長中所見的，在介電遮罩上的氮極性方向生長所展現的錯誤密度遠高於在鎵極性方向者。
X光繞射掃描(2 θ-ω)攝於磊晶半極性GaN，並且結果顯示於圖3C。掃描顯示二個明確區分的波峰。在大約70.2°的第一波峰指出存在了定向平行於基板的製程平面之(2021)GaN。在大約84.4°的第二波峰對應於(2243)藍寶石面。這些結果確認具有(2021)定向的半鎵極性GaN可以形成在圖案化的藍寶石基板上。
半極性GaN模板的材料品質也以具有開放式偵測器組態的XRD搖動曲線分析來找出特徵。這些測量的結果顯示於圖3D。測量的同軸(2021)搖動曲線寬度範圍是在198弧秒和320弧秒之間的半高寬(full-width half-maximum，FWHM)數值，而搖動軸分別垂直或平行於圖案化的條紋。由 於晶體沿著條紋的傾斜和與聚結相關的缺陷，搖動曲線寬度的異向性是最小的。更完整的繞射分析，包括所有低指數離軸繞射，包含(000 2n)、(n0n0)、(112 2n)(n=1到3)，導致所有的測量線寬度皆小於約800弧秒的FWHM。這些結果指出微結構品質可以用上述生長方法來達成，其等同於藍寶石上之商用等級的極性(0001)GaN，並且也指出改良的品質遠優於以習用方法在平面的藍寶石基板上所生長的非極性和半極性GaN。
缺陷結構也以低溫光致發光(LT-PL)來調查。在10K所測量的LT-PL光譜(圖3E)顯示除了在大約3.49電子伏特之強很多的能帶邊緣發射以外，還有在大約3.44電子伏特之與基面堆疊錯誤(BSF)有關的發射波峰。也看到在大約3.32電子伏特的低強度波峰，其可以指出低密度的稜柱堆疊錯誤。然而，能帶邊緣對BSF相關發射的高相對強度以及GaN能帶邊緣發射的窄線寬度(測量為大約14毫電子伏特)則指出相較於傳統生長的半極性或非極性GaN而有高微結構品質。
皺折的磊晶層表面使用可得自法國Saint-Baldoph之Novasic的商用化學機械拋光製程來平坦化。將藍寶石上之(2021)GaN的2英吋基板拋光以得到遍佈整個GaN磊晶層的鏡面反射性表面。反射度用於測量GaN材料的剩餘厚度，並且指出遍佈基板而從原始的10.5微米GaN磊晶層移除了範圍在3到5微米的GaN材料。材料移除量的差異達到剩餘平坦化之GaN層的大約20%厚度變化。雖然厚度變化或許可能導致來自(2021)表面的編料(offcut)，但是它對此例而言只達到小於5×10-3度。據此，(2021)面保持大約平行於基板的製程表面。平坦化之GaN基板在CMP製程之後的表面是以原子力顯微鏡(AFM)測量來找出特徵。在尺寸15微米×15微米的區域測得方均 根(RMS)粗糙度小於大約0.5奈米，並且在基板的中央和邊緣之間的RMS粗糙度和形貌都是無法區分的。AFM影像也顯示直線表面變化具有6微米的周期性和小於1奈米的高度，其對應於圖案化的藍寶石基板之底下圖案。不清楚為何在CMP之後仍有圖案。
然後進行磊晶層的再生長。第一組再生長條件包括使用氫載體氣體。其他的再生長參數變化如下：生長速率在大約每小時1微米和大約每小時2微米之間、溫度在大約980℃和大約1070℃之間、壓力在大約100毫巴和大約300毫巴之間、NH3流動速率在大約0.5slm和大約4slm之間。TMGa的流動速率是大約40sccm。即使在再生長之後達成(2021)定向的半極性GaN層，再生長表面變成有面的，如圖4A所示。令人訝異而言，即使在以CMP做平坦化之後，在基板上的再生長開始再產生原始基板的(1010)和(1011)面，而有與底下圖案化的藍寶石基板相同的6微米周期性。在這些大的再現面之間，(2021)表面顯示較細微尺度的微面化。圖4A是SEM平面圖的顯微照片，其顯示連同(1011)和(1010)面的微面化之(2021)表面。(1011)和(1010)面的傾斜在圖4B的較大面積AFM影像中看得更清楚。圖4C顯示在再生長GaN之(2021)表面上之微面化的細節。面化的表面形貌與在整塊(2021)基板上的生長一致，並且反映了(1011)和(1010)面在(2021)表面上的穩定性。
於第二次再生長，使用氮(N2)載體氣體來取代氫載體氣體。其他的再生長參數的變化則如同當使用H2作為載體氣體的情形。在N2載體氣體下的再生長顯示再生長層有完全不同的表面形貌，如圖5A、5B所示。對於這些再生長條件而言，GaN之(2021)定向的製程表面是平面的，並且沒 有顯示面化。圖5A是如GaN磊晶層的磊晶半導體層120的SEM正視圖影像，並且圖5B是磊晶層之(2021)表面的SEM平面圖影像。在CMP之後，大約500奈米的GaN再生長在GaN上。SEM影像和AFM測量都沒有顯示(2021)表面有面化。
再生長參數的變化則指出在藉由磊晶再生長來形成非面化之(2021)GaN的幾個趨勢。溫度減少和生長速率增加則導致更平滑和更為平面的(2021)GaN。壓力減少和V/III比例增加則導致更平滑和更為平面的(2021)GaN。AFM測量顯示在N2載體氣體條件下再生長之(2021)GaN的表面平滑度小於3奈米RMS。這些結果示範了微製造等級之平面的(2021)GaN層可以生長在低成本之圖案化的藍寶石基板上。
這些結果也克服了關於使用氫化物氣相磊晶(hydride vapor phase epitaxy，HVPE)生長來在基板上形成毫米厚層的GaN之習用方法的困難和複雜性。此種習用的技術可以導致GaN層中有高的本質應力、龜裂、夾雜物。附帶而言，這些製程由於高純度前驅物材料的成本和冗長的生長時間而可以是昂貴的。
2.在半極性GaN中製造多重量子井
已經建立在半極性GaN上的再生長製程以維持平面的(2021)表面，故進行InGaN作用層的生長。舉例來說，InGaN/GaN多重量子井(MQW)結構是在N2載體氣體、標準的c面MQW生長條件下所生長。選擇井/阻障寬度為大約3奈米/8奈米，而QW的生長溫度在740℃和770℃之間，生長速率為大約每小時0.1微米。阻障生長溫度為70℃或更高。MQW結構在GaN層的再生長期間形成。
三對MQW結構的SEM正視圖影像顯示於圖6A。影像顯示良好界定的量子井，其在整個區域上的成像解析度裡是平面的。也形成了具有更多層對的其他量子井結構。
10對MQW結構的XRD 2 θ-ω掃描顯示於圖6B。存在了清楚的高階超晶格波峰則指出在大的長度上有突然的QW介面和平面的井。從二個10對MQW結構來測量光致發光光譜，並且顯示於圖6C。第一MQW形成在面化的半極性(2021)GaN磊晶層，其生長沒有平坦化步驟(譬如沒有做CMP和再生長)。此MQW結構的光譜(曲線630)顯示在大約420奈米的藍位移波峰，而FWHM頻帶寬度大約62奈米。
第二MQW結構形成在平面的半極性(2021)GaN磊晶層上，其再生長在平坦化的半極性GaN層上。此MQW結構的光譜(曲線635)顯示在大約420奈米的藍位移波峰，而FWHM頻帶寬度大約39奈米，這指出平坦化的基板有改善的效能。於此二情形，光致發光波峰是來自相同生長條件下所生長的c面GaN MQW而在40奈米以上。藍位移可以歸因於極化場減少、併入的銦減少、或QW厚度的變化。QW結構的同軸和離軸倒空間圖顯示有同調的生長，而InGaN QW的波峰界定良好。這些結果指出圖案化的藍寶石基板上所再生長的GaN適合半極性GaN裝置。
<結論>
「大約」和「約」等詞可以用於意謂在某些具體實施例中之目標尺度的±20%裡、在某些具體實施例中之目標尺度的±10%裡、在某些具體實施例中之目標尺度的±5%裡、更在某些具體實施例中之目標尺度的±2%裡。「大約」和「約」等詞可以包括目標尺度。
如在此所用的選擇性蝕刻包括使基板接受蝕刻劑，其優選蝕刻至少一材料的速率要比第二材料來得快。於某些情形，第二材料可以形成為硬遮罩(譬如無機材料，例如氧化物、氮化物、金屬或類似者)或軟遮罩(譬如光阻或聚合物)。於某些具體實施例，第二材料可以是裝置結構之具有不同於第一材料的材料特徵(譬如摻雜密度、材料組成或晶體結構)的部分。蝕刻可以是乾式蝕刻或溼式蝕刻。
在此所述的科技可以具體為方法，而已經提供其至少一範例。進行成部分方法的動作可以採取任何適合的方式來排序。據此，具體實施例可以建構成以不同於示範的次序來進行動作，其可以包括同時進行某些動作，即使在示範性具體實施例中顯示成依序的動作。附帶而言，方法於某些具體實施例中可以包括多於所示範的動作，並且於其他具體實施例中包括少於所示範的動作。
雖然圖式典型而言顯示小部分的磊晶生長之GaN層，但是將體會大面積或整個基板可以覆蓋了此種磊晶生長層。此外，積體電路裝置(譬如電晶體、二極體、閘流體、發光二極體、雷射二極體、光二極體和類似者)可以使用磊晶生長的材料來製造。於某些具體實施例，積體電路裝置可以用於消費性電子裝置，例如智慧型電話、平板、個人數位助理(PDA)、電腦、電視、感測器、照明器材、顯示器、以及特用積體電路。
因此已經描述了本發明的至少一示範性具體實施例，故熟於此技藝者將輕易想到多樣的更動、修改和改進。此種更動、修改和改進打算是在本發明的精神和範圍裡。據此，前面的敘述只是舉例而已並且不打算是限制性的。本發明僅受限於如下面申請專利範圍及其等同者所界定的。

Claims (26)

  1. 一種在基板上形成半極性氮化鎵磊晶層的方法，該方法包括：相鄰於圖案化的藍寶石基板之晶體生長表面來生長半極性氮化鎵，其中該晶體生長表面包括形成在該圖案化的藍寶石基板上不同定向之多個表面的第一部分，所述多個表面的第一部分並未以遮罩材料進行遮蔽，該遮罩材料遮蔽所述多個表面的剩餘的第二部分，並且其中該晶體生長表面具有該不同定向中的一個選擇定向。
  2. 如申請專利範圍第1項的方法，其進一步包括在所述晶體生長表面形成低溫氮化鋁或低溫氮化鎵緩衝層。
  3. 如申請專利範圍第2項的方法，其中所述低溫緩衝層的任一者是在低於大約600℃的溫度下形成。
  4. 如申請專利範圍第1項的方法，其進一步包括：將生長的該半極性氮化鎵平坦化；以及使用氮載體氣體來再生長該半極性氮化鎵。
  5. 如申請專利範圍第4項的方法，其中再生長該半極性氮化鎵所包括的再生長條件不包括氫載體氣體。
  6. 如申請專利範圍第4項的方法，其中該氮載體氣體是N2。
  7. 如申請專利範圍第4項的方法，其中再生長該半極性氮化鎵包括使用金屬有機化學氣相沉積來生長該半極性氮化鎵。
  8. 如申請專利範圍第7項的方法，其中再生長期間的溫度是在大約980℃和大約1070℃之間。
  9. 如申請專利範圍第7項的方法，其中再生長期間的壓力是在大約100毫巴和大約300毫巴之間。
  10. 如申請專利範圍第7項的方法，其中再生長期間之NH3氣體的流動速率是在大約每分鐘0.5標準公升(slm)和大約4slm之間。
  11. 如申請專利範圍第7項的方法，其中再生長期間之三甲基鎵或三乙基鎵的流動速率是在大約每分鐘30標準立方公分(sccm)和大約50sccm之間。
  12. 如申請專利範圍第7項的方法，其中再生長期間的生長速率是在每小時1微米和大約每小時2微米之間。
  13. 如申請專利範圍第4項的方法，其中生長該半極性氮化鎵和再生長該半極性氮化鎵包括生長具有大約平行於該基板之製程表面的(2021)面之該氮化鎵。
  14. 如申請專利範圍第4項的方法，其中將生長的該半極性氮化鎵平坦化包括藉由化學機械拋光而平坦化。
  15. 如申請專利範圍第4項的方法，其進一步包括：在生長該半極性氮化鎵之前，形成該遮罩層以覆蓋該圖案化的藍寶石基板之所述多個表面。
  16. 如申請專利範圍第15項的方法，其中形成該遮罩層包括藉由氣相沉積製程而保形地沉積材料。
  17. 如申請專利範圍第16項的方法，其進一步包括從所述晶體生長表面移除經保形沉積的該材料。
  18. 一種基板，其包括：圖案化的藍寶石基板，其具有在不同定向的多個表面和形成在該多個表面的除了晶體生長表面之外的所有表面上的遮罩層，所述晶體生長表面是所述多個表面的第一部分，其具有該不同定向中的一個選擇定向；以及半極性氮化鎵磊晶層，其形成在該圖案化的藍寶石基板上。
  19. 如申請專利範圍第18項的基板，其中該圖案化的藍寶石基板具有大約平行於該基板之製程表面的(2243)面和大約平行於所述晶體生長表面的c面。
  20. 如申請專利範圍第18項的基板，其中該圖案化的藍寶石基板包括溝槽的陣列，而所述晶體生長表面形成所述溝槽的傾斜壁。
  21. 如申請專利範圍第20項的基板，其中所述溝槽的間距是在大約0.25微米和大約10微米之間，並且所述溝槽的深度是在大約50奈米和大約2微米之間。
  22. 如申請專利範圍第20項的基板，其中該氮化鎵磊晶層聚結在所述溝槽上以形成遍佈該基板之連續和平面的半導體層。
  23. 如申請專利範圍第22項的基板，其中該平面的半導體層在15微米×15微米區域上所測量的表面粗糙度小於5奈米方均根。
  24. 如申請專利範圍第18項的基板，其進一步包括在所述晶體生長表面和該磊晶氮化鎵之間的緩衝層。
  25. 如申請專利範圍第24項的基板，其中該緩衝層包括氮化鋁。
  26. 如申請專利範圍第22項的基板，其中平面的該半極性氮化鎵磊晶層具有遍佈該基板之單一且連續之平面的表面，其大約平行於該半極性氮化鎵的(2021)面。
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