TW200423397A - Growth of planar, non-polar A-plane gallium nitride by hydride vapor phase epitaxy - Google Patents

Description

200423397 玖、發明說明： 相關申請案對照 本申請案主張下列共同申請案及共同受讓之美國臨時專 利申請案： 序號60/433，844，標題為「藉由氫化物汽相取向生長作用 以進行平面、非極性A-平面氮化鎵生長之技術」，其在2002 年 12 月 1 6 日由 Benjamin A· Haskell、Paul T. Fini、Shigemasa

Matsuda、Michael D. Craven、Steven P. DenBaars、James S. Speck及Shuji Nakamura申請，律師事務所槽案號 30794.94-US-P1 ;及 序號60/433，843，標題為「藉由氫化物汽相取向生長作用 以進行減少位錯密度之非極性氮化鎵之生長」，其在2002年 12 月 16 日由 Benjamin A. Haskell、Michael D. Craven、 Paul T. Fini、Steven P. DenBaars、James S. Speck 及 Shuji Nakamura申請，律師事務所檔案號30794.93-US-P1 ; 此二申請案皆以引用之方式併入本文。 本申請案與共同申請且共同受讓之國際申請案編號 PCT/US03/2/9/8，標題為「藉由氫化物汽相取向生長作用 以進行減少位錯密度非極性氮化鎵之生長」相關，其在2003 年 7 月 15 日由 Benjamin A. Haskell、Michael D. Craven、Paul T. Fini 、Steven P. DenBaars、James S. Speck 及 Shuji Nakamura申請，律師事務所檔案號30794.93-WO-U1，此申 請案主張共同申請專利且共同受讓之美國臨時專利申請案 O:\89\89786.DOC 4 200423397 序號60/433,843，標題為「藉由氫化物汽相取向生長作用以 進行減少位錯密度之非極性氮化鎵之生長」之優先權，其 在 2002 年 12 月 16 日由 Benjamin A. Haskell、Michael D.

Craven、 Paul Τ· Fini、Steven P. DenBaars、James S. Speck 及Shuji Nakamura申請，律師事務所檔案號30794.93-US-P1 ，以及美國臨時專利申請案序號60/433，844，標題為「藉由 氫化物汽相取向生長作用以進行平面、非極性A-平面氮化 鎵生長之技術」相關，其在2002年12月16日由Benjamin A. Haskell、Paul T. Fini、Shigemasa Matsuda、Michael D. Craven、Steven P. DenBaars、James S · Speck 及 Shuji Nakamura申請，律師事務所檔案號30794 _94-US-Pl ;這些 申請案以引用的方式併入本文。 【發明所屬之技術領域】

本發明係關於半導體材料、方法、及裝置，且特別是藉 氫化物汽相取向生長作用（HVPE)進行平面、非極性、a-平 面氮化嫁（GaN)之生長。 【先前技術】 (注意：本申請案參照在整個說明書中以一或多個參考文 獻編號指示的一些不同之專利、申請案及/或公開案。根據 這些參考文獻編號排列的這些不同公開案之表列在後面的 「參考文獻」章節中。每一個公開案以引用的方式併入本 文。) 氮化鎵（GaN)及其結合鋁或銦之三或四價化合物（AlGaN 、InGaN、AlInGaN)的用途已在可見光及紫外光光電裝置與 O:\89\89786.DOC 4 200423397 高功率電子裝置的製造中建立了地位。(參考文獻1-3。)這 些裝置典型上藉由包括分子束取向生長作用⑽幻、金屬 有機化學氣相沉積_CVD)或氫化物氣相生長作用 (HVPE)之生長技術取向生長。

GaN及其合金在六邊形纖辞確（她晶體結構中為最 安定的，在這結構中晶體藉互相轉動12〇。之二（或三）個等效 底平面軸（a-axes)敘述，所有轴皆垂直唯一的c_axis。圖u 一般六邊形纖鋅礦晶體結構1〇〇及與11〇、ιΐ2、ιΐ4、ιΐ6這 些軸相關的102、1〇4、1〇6、1〇8平面之圖。 因鎵及氮原子位置在纖鋅礦晶體結構中的結果，當沿著c 軸由-平面前進到另一平面時，每一平面將只含有一種形 式的原子，不是Ga就是N。為了維持電中性，_晶體以一 個只含有氮原子的c-面(N_面)及一個只含有鎵原子的面 (Ga-面）結束。結果，GaN晶體沿著卜軸極化。這些晶體的 自發極化為重大資產且視晶體的結構及組成而定。 由於生長平面Ga-面c-平面比較容易，實際上所有⑽基 裝置為平行極性之c-軸生長。此外’在相鄰不相似之相 界面上之應變升高壓電極化。總極化為為自發及壓電^獻 之，，其淨效應在量子異質結構中造成進_步之電荷^離 。里子井内之電荷分離減少電子_電子洞再結合之效率及紅 移發射波長[4-8]，此二者在發光光電裳置工作之操作中階 為不適當的。咸信GaN發光裝置的效率在除去 '、玄不"貝上對c- 軸取向裝置之極化效應為可行時將提高。 -種去除GaN光電裝置中壓電極化效應之可行方法為在 O:\89\89786.DOC 4 200423397 晶體的非極性平面上生長裝置。〔目会 瓦衣置（見參考文獻9-U。）這樣的 平面含有相同數目的Ga及Ν原子且為電中性。此外，隨後 的非極性層彼此為等效的，故整個晶體將不沿著生長方向 極化。這樣在GaN中等效對稱非極化平面之族之一為 {1120}族’共同地稱為a_平面。在電子裝置⑽高電子移動 性電晶體）或光電裝置（如可見光及紫外光雷射二極體與發 光二極體）上、在a-平面基板上生長可產生比在c_平面_ 上生長之等效裝置明顯加強之裝置性能。

GaN之大晶體不可得，故不可能簡單切割晶體以呈現供 隨後裝置再生長之表面。通常地，GaN膜為最初異質取向（ 即在提供符合GaN之合理晶格之外來基板上）生長。在最近 幾年中，一些研究群已發現可以利為異質取向生 長沉積厚度足夠（>200 μιη)之GaN膜之方法以移除外來基板 ，產生之後可用於以MBE及MOCVD之均質取向生長之裝置 再生長之不需支撐之GaN基板。（見參考文獻12-13。）HvpE 有成長速率大於MOCVD十的一至二次方之大小且比Mbe 大至十的三次方之優點，為使其對基板製造成為有吸引力 技術的優點。 然而，到目前為止，只有藉由HVPE生長平面c-平面GaN 膜為可行的。在a-平面GaN之情況中，實際上由每一種技術 生長之膜展現「鋸齒狀」或高度琢磨之小平面形態（見來考 文獻13 -15)，如圖2所示，其為傳統生長a-平面GaN膜之刊 面掃描式電子顯微鏡（SEM)之影像。這樣之平面結構對作為 基板或裝置層材料之用途為明顯不可接受的。 O:\89\89786.DOC 4 200423397 如此，技藝界對生長適合作為均質取向生長裝置層再生 長之基板之用途之平面GaN之高品質膜之方法有需求。 明確地’技藝界對生長高度平面、反光之a-平面GaN膜之: 法有需求。本發明滿足此需求。 【發明内容】 本發明揭示一種在基板上形成平面、非極性、心平面氮 化鎵（GaN)膜之方法，其包括··（勾將基板負載至反應器中% (b)將反應器清空並以純氮（No氣體再充滿反應器以降低其 中之氧水平；（c)將反應器加熱至约104(TC之生長溫度，同 時虱（HO及氮（N2)混合物流經反應器中所有通道；（旬藉添加 無水氨（NH3)至反應器中之氣體流中氮化基板；（匀降低反應 裔之壓力至所需之沉積壓力’其中所需壓力為約％托耳； ⑴起始氣態氯化氫（HC1)流至鎵（Ga)源以開始直接在基板 上之a_平面GaN膜生長，其中氣態HC1與Ga在超過600°C之 溫度下反應以形成單氣化鎵（GaC1); (g)使用包括至少一部 分之氫（HO之輸送氣體將GaC1輸送至基板，其中丨與氨 (nh3)在基板上反應以形成GaN膜；及⑻在經歷所需之生長 日寸間後’中斷氣態肥流，將反應器之壓力回復到大氣壓力 降低反應為之溫度至室溫及將無水氨包括在氣體流 中以防止GaN膜在降低反應器溫度時分解。 【實施方式] 在下面之較佳具體實施例敘述中，提及的附圖為其一部 分且藉由描述本發明可實施的特定具體實施例之方式顯示 應了解可利用其他具體實施例且可做結構之改變而不偏 O:\89\89786.DOC 4 -10- 200423397 離本發明的範圍。 總論 本發明使用氫化物汽相取向生長作用（ΗνρΕ)以生長平面 、非極性、a-平面氮化鎵（GaN)膜。更明確地，本發明依靠 使用幾種生長參數之結合以得到這些平面、非極性、心平 面氮化鎵（GaN)膜： 1·使用適當之基板，如（但不限於）r_平面藍寶石（入12 基板。 2·使用-部分之氫（h2)作為在反應器中一或多種氣體流 中最後生長階段之輸送氣體。 3.膜沉積步驟之降低的反應器壓力（低於大氣壓力⑽ 托耳））。 方法之步驟 圖3為描述根據本發明較佳具體實施例方法之步驟的流 程圖。這些步驟包括使用傳統三區水平指引流動之Η·系 統產生高品質、平面、非極性、a_平面⑽膜之典^生長順 序0 區塊300代表將沒有任何異地清洗之基板負載至反應器中 之步驟。在較佳具體實施例中，基板為卜平面⑴藍寶石 (Al2〇3)基板，雖然同樣可使用其他材料（如碳化矽（队)）。 區塊302代表清空反應器並以純氮(N2)氣體再充滿反應 器以在加熱反應器前降低其中之氧及水蒸氣水平之步驟。 典型上重複此步驟以進一步降低系統中氧及水蒸氣之存在 O:\89\89786.DOC 4 -11 - 200423397 -死叫代表將反應器加熱至約1()4(rc之生長溫度之步 驟同％以h2及％之混合物流經系統中之所有通道。 區塊306代表-旦反應器達到生長溫度時氮化藍寶石基 板之步驟’其中氮化步驟包括添加無水氨（丽3)至反應器中 之氣體流以氮化藍寶石基板表面。氮化基板之步驟在超過 900°C之溫度下進行。 區塊308代表減少反應器壓力至適當沉積壓力之步驟。在 一較佳具體實施例中，所需沉積壓力低於大氣Μ力（760把 耳），且更明確地，所需沉積壓力之範圍為5_1〇〇托耳。在具 體實施例中，所需沉積壓力為約％托耳。 區塊3 10代表起始氣態氯化氫（HC1)流至鎵（Ga)源以開始 直接在藍寶石基板上生長a_平面GaN膜而不使用任何低溫 緩衝或成核層之步驟。傳統金屬源HvpE包括函素化合物在 該處之反應，如（但不限於）氣態HC1與金屬Ga在超過6〇〇它 之溫度下形成金屬_化物（如單氯化鎵（GaCl))。 -區塊312代表藉由在反應器中至少一部分在一或多種氣 流中之氫（H2)之輸送氣體將GaC1輸送至基板之步驟。輸送 乳體亦可包括氮、氦或氬。在輸送至基板中、基板上或排 出氣體中，GaCl與NH3反應形成〇心膜。在基板上發生之反 應有潛力產生基板上之GaN膜，藉以進行晶體生長。此方 法之典型V/IIUt^,j(NH3對GaC1之莫爾比例）為。注意 nhvhci比例不需要等於V/III比例，因Ga源之補充11〇1注入 順向氣流或HC1與Ga源之不完全反應之故。 區塊314代表在經歷所需成長時間後中斷氣態HC1流、將 O:\89\89786.DOC 4 •12- 200423397 反應器壓力回復至大氣壓力及降低反應器之溫度至室溫之 步驟。中斷步驟尚包括將>^3包括在氣體流中以防止在降低 反應器溫度時GaN膜分解。反應器壓力可降至大氣壓或更 低之壓力，如其中冷卻在5及760托耳之間進行。 藉由此方法之GaN膜之典型生長速率範圍為每小時1至 50 μχη。這些生長速率視一些生長參數而定，其包括但不限 於金屬源及基板之溫度、進入系統之種種氣體之流動速率 、反應器幾何形狀等，且可在合理之寬度範圍下變化而仍 然產生平面a-平面GaN膜。大部分這些參數之較佳值對該生 長反應器幾何形狀為特定的。 上面方法步驟中提及「最後生長階段」指藉由使用上述 條件結束具適當期間之步驟之生長階段可以平面化粗糙或 鋸齒狀之膜之觀察結果。生長之較早階段可結合產生名義 上之a平面取向材料，不論膜之形態為何。 上面方法步驟產生平面、非極性、平面氮化鎵（GaN)膜 -較佳。此外，使用此法製造之裝置包括雷射二極體，發光 二極體及電晶體。 試驗結果 在發明人之試驗中，上面之方法前後一致地產生反光、 平面、a-平SGaN膜。圖4為使用本發明敘述之技術生長之 平面GaN膜之剖面SEM影像。注意圖4中顯示高度平面之上 開放表面。（亦注意有條紋之剖面表面為裂開加工的。） 圖5(a)顯示藉由HPVE生長之代表性^平面_膜之諾馬 司基（NomarskiTM)光對比顯微鏡相片。（η 膜為反光 O:\89\89786.DOC 4 -13- 200423397 為光透明的，表面之小細節在傳統之穿透或反射光學 ”、、頁微鏡下為明顯的。表面之特徵為具有在75+ μχη之橫向範 ^下波峰至波谷高度為500 nm等級（以表面輪廓儀測量）之 机動」圖案。光散射及折射率對比允許觀察幾乎垂直GaN 之c-轴取向之次表面。 圖5(b)詳細顯示兩個這類裂縫之剖面掃描式電子顯微鏡 )相片在一些預期之下，與在c-平面GaN膜中所觀察 到者（見參考文獻17)相似之這些内部裂縫在生長中未達到 開放表面。然而，5〇+ 厚之膜展現傳播至表面之裂縫。 故些裂縫由可能由晶粒結合產生之張應變之塑性釋放產生 (見參考文獻18。）裂縫隨後透過區域橫向生長作用處理以 減少表面能。 使用 Digital Instrument D31〇〇TM原子力顯微鏡（afm)以 分流模式在平面a_GaN表面上操作原子力顯微鏡。圖6顯示 a·平面GaN膜之代表性原子力顯微鏡相片。在2χ2/πη之取樣 -區之區域均方根（RMS)粗糙度典型上為<〇8 nm。在較大取 樣區（10-20 Mm)之RMS粗糙度維持低於2 nm。表面主要為 3-7 nm深度之高密度奈米級小孔。這些小孔很像裝飾在開 放表面結束之穿透位錯。一般觀察到之表面小孔密度之範 圍為2xl〇9至9xl09cnT2。此外，大致垂直GaN_c軸取向之〜 nm高台階在AFM影像中為明顯的。 平面a-平面GaN膜之結構特徵由χ_線繞射（XRD)及平視之 牙透式電子顯微鏡（TEM)評價。使用在接收傾斜模式中操作 之PhiHps MRD Pr〇™四循環χ_線繞射儀之& h輻射進行 O:\89\89786.DOC 4 -14- 200423397 XRD。a-GaN膜之ω -2 0掃描展現r-平面藍寶石（丨ι〇2)、 (2504)及（3§06)反射及（lhO)GaN反射之指標峰。未觀察到 任何GaN(0002)反射，這證實在此技術之偵測限制内膜為均 一之a-平面取向。在GaN[ilOO]及[〇〇〇1]方向共平面之幾何 圖形之幾何圖形之軸（1130)反射上測量⑴振動曲線。在這 些或何形狀中（11 3 〇)反射之典型半波高寬（FWHM)為 1040-1045角秒（arcsec)。30。非軸（loi〇)反射藉相對繞射平面 (彎曲幾何圖形）傾斜樣品測量，產生3〇〇〇角秒等級之fwhm 。軸上峰之寬度與平面MOCVD生長之a-平面GaN膜（見參考 文獻19)所觀察到者相當，同時非軸峰之寬度大約為二倍大 ，k私出在HVPE生長膜中一個較細之晶胞結構及較高之鑲 提含量。（見參考文獻2〇。） 圖7顯示a-平面GaN膜之平面穿透式電子顯微鏡相片。圖 7(a)在g 〇〇〇2之繞射條件下成像，揭露具有平行〇&Ν[〇⑻ 方向之伯格向量（Burgers vect〇r)元件之穿透位錯。如此， 這一為邊元件位錯。在這些樣品中c_元件位錯密度之範圍 為 9x10 Cm 至2><1〇1%111-2,與 AFM 小孔密度測量&m〇cvd 生長之a平面GaN臈之TEM一致。（見參考文獻心⑷⑻

0\89\89786.DOC 中在g==l100繞射條件下得到之TEM影像顯示〜4xl〇5 cnTi之 堆疊錯誤密度，再次與平面職VD生長之a_平面㈣膜觀 相錳。（見參考文獻19。）這些基礎平面 生長之較早階段時暴露氮面（〇〇〇ί)表面 1100繞射條件中具各種樣品傾斜度之額 cm 2具有伯格向量〖〇〇>之蕭克萊 -15- 200423397 (Shockley)部分位錯。 參考文獻 下列參考文獻以引用的方式併入本文。 1. T· Nishida及N. Kobayashi，Phys· Stat· Sol. (a)，188 (1)，1 13 (2001)。 2. S. Nakamura，G. Fasol及 S. J. Pearton，The Blue Laser Diode，New York: Springer，2000 o 3. L. F. Eastman及 U.K. Mishra，IEEE Spectrum，39 (5)， 28 (2002) 〇 4. T.Takeuchi、C.Wetzel、S.Yamaguchi、H.Sakai、H· Amano、I. Akasaki、Y. Kaneko、S. Nakagawa、Y. Yamaoka 及 N. Yamada，Appl· Phys· Lett. 73 (12) 1691 (1998) o 5. I. Jin Seo、H. Kollmer、J. Off、A· Sohmer、F. Scholz 及 A. Hangleiter，Phys. Rev· B，57 (16) R9435 (1998) o 6. R.Langer、LSimon、V.Ortiz、N.T.Pelekanos、A. •Bar ski、R. Andre及 M. Go die wski，Appl· Phys. Lett·，74 (25) 3827 (1999)。 7. P. Lefebvre、J. Allegre、B. Gil、H. Mathieu、Ν· Grandjean、M. Leroux、J. Massies、及 R Bigenwald，Phys. Rev· B，59 (23) 15363 (1999)。 8. P.Lefebvre、A.Morel、M.Gallart、T.Taliercio、J· Allegre、B. Gil、H. Mathieu 、B.Damilano、N. Grandjean 及 J. Massies，Appl. Phys. Lett·，78 (9) 1252 (2001)。 9· Ρ· Waltereit、0· Brandt、A. Trampert、Η· ΊΓ· Grahn、 O:\89\89786.DOC 4 -16- 200423397 L Menniger、M. Ramsteiner、M. Reiche及 K. H. Ploog， Nature (London)，406，865，（2000) ο 10.M. D. Craven、P. Waltereit、F. Wu、J.S. Speck及 S. Ρ· DenBaars，投稿待出版。 11·Η· M. Ng，Appl. Phys. Lett·，80 (23) 4369 (2002)。 12·Κ· Motoki、Τ· Okahisa、Ν· Matsumoto、M. Matsushima 、H. Kimura、H. Kasai、K. Takemoto、K. Uematsu、T. Hirano 、M· Nakayama、S. Nakahata、M.Ueno、D. Hara、Y. Kumagai 、A. Koukitu及 H. Seki，Jpn. J. Appl· Phys. Part 2，40 (2B)， L140 (2001)。 13·Τ· Paskova、P. P. Paskov、V. Darakchieva、S. Tungasmita、J. Birch及 B. Monemar，Phys. Stat· Sol· (a) 183 (1) 197 (2001)。 14. A. Shintani及 S. Minagawa，J. Electrochem. Soc. 123 (10) 1575 (1976)。 1 5. B. Monemar、O. Lagerstedt及 Η. P. Gislason，J. Appl. Phys. 51 (1) 625 (1980) 〇 16.M. Sano^M. Aoki ^ Jpn. J. Appl. Phys. 15 (10) 1943 (1976)。 17·Ε· V· Etzkorn及 D· R· Clarke，J· Appl. Phys·，82 (2) 1025 (2001)。 18.T. B0ttcher、S. Einfeldt、S. Figge、R. Chierchia、H. Heinke、D. Hommel 及 J. S. Speck，Appl· Phys. Lett·，78 (14) 1976 (2001)。 O:\89\89786.DOC 4 -17- 200423397 19·Μ· D. Craven、S. H. Lim、F· Wu、J. S. Speck及 S.P. DenBaars，Appl. Phys· Lett·，81 (3) 469 (2002)。 20.B.Heying、X. H. Wu、 A. S. Keller ^ Y. Li、D_ Kapolnek、B. P. Keller、S. P. DenBaars及 J.S. Speck，Appl· Phys. Lett·，68, 643 (1996)。 結言备 這結束本發明較佳具體實施例之敘述。下面敘述一些完 成本發明之其他具體實施例。 較佳具體實施例敘述直接生長方法，其中a-平面GaN直接 離開藍寶石基板生長。可使用其他適當之基板材料（包括但 不限於a-平面碳化矽或特別之沒食子酸（gallate)或鋁酸陶 瓷晶體）實施本發明。 c-平面GaN之HVPE生長常藉由使用薄GaN「模板」層進 行，此模板層由另一生長技術（如MOCVD、MBE或HVPE) 在適當基板上預沉積。隨後再成長之模板之使用已建立為 -實施本發明之可見到之技術。 可使用本發明製造不需支撐之a-平面GaN膜或基板。在一 些情況中，使用這類不需支撐之GaN膜或基板作為本發明 之「模板」層為適當的。 較佳具體實施例敘述利用金屬鎵（Ga)及作為第III族來源 之氣態氣化氫（GaCl)間反應之HVPE基生長方法。可使用其 他之第III族來源（如但不限於三氯化鎵（GaCl3))或其他反應 性氣體（如但不限於溴化氫（HBr))實施本發明而基本上不改 變此方法。 O:\89\89786.DOC 4 -18- 200423397 在低溫或在生長溫度或上生長溫度之上藉種種生長技術 沉積之成核層亦可用於使用本發明HVPE之隨後在生長中。 熟諳此藝者可能偏好改變在加熱時之輸送氣體組成或修 正/省略上述之氮化步驟。這樣之修正基本上不影響本發明 之實施。 反應器幾何及設計可影響本發明之實施。通常，種種組 成氣體之正確流速在上敘述中已省略因為最佳流速受反應 器設計影響报大。 〜 用於較佳具底實施例中之典型生長速率為^0 小時 。然而，發明人證實超過200 Mm/小時之a-平面GaN生長速 率為可能的。使用在較佳範圍之外之生長速率基本上不改 變本發明之實施。 貫施本發明之重要參數為生長壓力、輸送氣體流中氫之 存在、在800〜13〇〇t之範圍内之生長溫度、在基板上之氣 體運動（仍與反應器有關）及適當基板之使用。其他因素（包 -括但不限於V/III比例、精確之輸送氣體組成及前驅物分壓） 可明顯地改變同時仍得到所需之平面a-平面GaN膜。 最後，本文之方法可調整配合多重晶圓生長。更明確地 ’本發明可透過同時在多重晶圓上生長膜實施。 總而言之，本發明敘述利用在輸送氣體流中之氫使藉由 HVPE可以生長完全平面a_平面GaN膜之低壓生長之應用。 產生之膜適合藉由種種生長技術之隨後裝置之再生長。 上面敘述之一或多個本發明以描述或敘述之目的呈現。 不認為其為徹底的或將本發明限制在所揭示的精確形式中 O:\89\89786.DOC 4 -19- 200423397

【圖式簡單說明】

的流程圖；及 平面之圖形； 之a-平面GaN膜 之步驟 a-平面氮化鎵膜之剖 圖4使用本發明敘述之技術生長之 面掃描式電子顯微鏡（SEM)影像。 圖5(a)顯不藉由氫化物汽相取向生長作用（HVpE)生長之 代表性a-平面GaN膜之光學對比顯微鏡相片； 圖5(b)顯示次表面、内裂縫之的剖面掃描式電子顯微鏡 SEM相片。 圖6顯示a-平面GaN膜之代表性原子力顯微鏡（afm)相片 圖7(a)及（b)顯示a-平面GaN膜之平面穿透式電子顯微鏡 (TEM)相片。 【圖式代表符號說明】 300 裝入基板 302 清空並再充滿反應器 304 加熱反應器 306 加無水氨 O:\89\89786.DOC 4 -20- 200423397 308 310 312 314 降低反應器壓力 起始HC1流至Ga源 使用包括H2之輸送氣體輸送GaCl 中斷氣流並冷卻基板 O:\89\89786.DOC 4 -21 -

Claims (1)

1. 200423397 拾、申請專利範圍： 1· 一種在基板上形成平®、非極性、a•平面氮化鎵（GaN)膜 之方法，其包括： (过）將基板負載至反應器中； (b)加熱該反應器至生長溫度； (C)降低該反應器壓力至所需之沉積壓力，其中該所需之 沉積壓力低於大氣壓力； (d) 起始氣態氯化氫（HC1)流至鎵（Ga)源以開始直接在該 基板上之a-平面GaN膜生長，其中該氣態11(：1與（^反 應形成單氯化鎵（GaCl); (e) 使用包括至少一部分之氫（仏）之輸送氣體將Gaa輸 送至該基板，其中該〇3(：:1與氨（NH3)在該基板上反應 以形成該GaN膜；及 (f) 在經歷所需之生長時間後，中斷該氣態HCh^，將該 反應器之壓力回復到大氣壓力及降低該反應器之溫 - 度至室溫。 2·如申請專利範圍第1項之方法，其中該基板為藍寶石基板 〇 3·如申請專利範圍第1項之方法，其中該基板以GaN、氮化 銘（A1N)或氮化鎵銘（AlGaN)之薄膜塗佈。 4·如申请專利範圍第2項之方法，其中該基板在低溫或生長 溫度下以沉積之成核層塗佈。 5 ·如申請專利範圍第1項之方法，其中該基板為不需支撐之 GaN、氮化鋁（A1N)或氮化鎵鋁（A1GaN)膜。 O:\89\89786.DOC 5 200423397 6·如申請專利範圍第丨項之方法，其尚包括清空該反應器及 以純氣（NO氣體再充滿該反應器以在加熱該反應器之前 減少其中氧及水蒸氣之水平。 7·如申研專利範圍第1項之方法，其尚包括在超過9〇〇。〇之 溫度下氮化該基板。。 8·如巾4專利$巳圍第7項之方法，其中該氮化步驟包括添加 無水氨（ΝΗ3)至該反應器中氣體流以氮化該基板。 9·如申明專利範圍第丨項之方法，其中該加熱步驟（b)包括加 熱該反應器至約；K)40。。之生長溫度，同時以氫㈤及氮 (NO之混合物流經該反應物中之所有通道。 1〇·如申請專利範圍第！項之方法，其中該氣態HC1與該仏在 超過600°C之溫度下形成GaC]l。 11 ·如申凊專利範圍第1項之方法，#中該所需沉積壓力之範 圍為5至1〇〇托耳。 12·如申凊專利範圍第!項之方法，#中該所需沉積壓力為約 • 76托耳。 13·如:請專利範圍第丄項之方法，其中典型⑽膜生長速率 之範圍為每小時1至5 〇 。 14.如申請專利範圍第旧之方法，其中該中斷步驟⑴尚包括 在氣體流中包括無水氨（贿3)以防止⑽膜在降低該反應 器溫度時分解。 ’ 15·如申請專利範圍第旧之方法’其中該中斷步驟⑺尚包括 在5至760托耳之降低壓力下冷卻該基板。 16. 一種使用如申請專利範圍第1項之方法製造之裝置。 O:\89\89786.DOC 5 200423397 其中該裝置為雷射二極 17.如申請專利範圍第16項之裝置 體、發光二極體或電晶體。 18. 一種在基板上形成平面、非極性、a•平面氮化鎵⑽聊 ’其中該GaN膜使用-種包括下面步驟之方法進行： (a) 將基板負載至反應器中； (b) 加熱該反應器至生長溫度； (c) 降低該反應器壓力至所需之沉積壓力，其中該所需之 沉積壓力低於大氣壓力； (d) 起始氣態氣化氫（HC1)流至鎵（Ga)源以開始直接在該 基板上之a-平面GaN膜生長，其中該氣態^(:丨與^反 應形成單氯化鎵（GaCl); (e) 使用包括至少一部分之氫旧2)之輸送氣體將^^輸 送至該基板，其中該GaCl與氨（NH3)在該基板上反應 以形成該GaN膜；及 ⑴在經歷所需之生長時間後，中斷該氣態HC1流，將該 反應器之壓力回復到大氣壓力及降低該反應器之溫 度至室溫。 O:\89\89786.DOC 5