СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОБОСОБЛЕННЫХ КРИСТАЛЛОВ НИТРИДОВ ЭЛЕМЕНТОВ III ГРУППЫ
METHOD AND DEVICE FOR PRODUCTION OF SEPARATE NITRIDES CRYSTALS OF III GROUP

Область техники
Настоящее изобретение относится к способу и устройству для изготовления обособленных кристаллов нитридов элементов III группы периодической системы. Предложенный способ включает послойное эпитаксиальное осаждение монокристаллических слоев нитридов элементов III группы слоев на инородной подложке, лазерную обработку для снятия ростовых напряжений и отделение слоя нитридов элементов III группы слоя нитрида от стартовой подложки. Вся последовательность технологических операций в способе выполняется в одном устройстве (реакторе) при температуре в пределах ±50°С от температуры эпитаксиального роста кристаллических слоев нитридов элементов III группы.
Уровень техники
В силу их множественных преимущественных свойств, нитриды металлов III группы, то есть так называемые III-нитриды, которые также можно обозначить с помощью общей формулы «A3N», образуют важную группу полупроводниковых материалов для электронных и оптоэлектронных применений. В качестве примера, нитрид галлия (GaN) в его многочисленных вариациях стал одним из наиболее важных полупроводниковых материалов для оптоэлектронных устройств, таких как светодиоды высокой яркости для осветительных применений.
Устройства на основе III-нитридов обычно выращивают путем эпитаксии в виде слоистых структур на подложках. В случае гетероэпитаксии, то есть когда подложка состоит из материала, отличного от выращиваемого путем эпитаксии слоя, различие коэффициентов теплового расширения и постоянных решеток слоя и подложки ведет к образованию высоких механических напряжений на поверхности раздела слоя, особенно при изменении температуры выращивания и охлаждении выращенной структуры от температуры выращивания до комнатной. Эти напряжения, достигая предела прочности материала, могут мгновенно релаксировать с образованием трещин, либо приводить к образованию большого числа дефектов, чаще всего в виде ямок на поверхности. Таким образом, как хорошо известно в уровне техники, для избежания нежелательных эффектов, обусловленных различием постоянных кристаллических
решеток и коэффициентов теплового расширения подложки и выращиваемых на ней эпитаксиальных слоев приборной структуры, предпочтительнее производить рост слоев на подложках из того же материала, что и слои приборной структуры. Однако недоступность III-нитридных кристаллов высокого качества является хорошо известной проблемой в этой области, что заставляет использовать инородные подложки. Примером инородной подложки для устройств на основе GaN являются сапфир, карбид кремния, кремний.
2
3
Был предложен ряд методов изготовления обособленных подложек из нитридов элементов III группы. Эти методы обычно включают выращивание операции эпитаксиального осаждения на подложку, нанесение маски и последующее удаление исходной подложки. Для эпитаксии, как правило, используют стандартные реакторы химического осаждения из паровой фазы (ХОПФ), обычно толщина осаждаемого слоя имеет толщину несколько сотен микрометров, используются такие подложечные кристаллы как сапфир, AlO, SiC, Si и т.п. Удаление подложки можно выполнять различными способами, включающими механическую шлифовку, химическое и плазмо-химическое травление, лазерное отслаивание и т.п. Однако все эти подходы обладают рядом ограничений. Осаждение толстых эпитаксиальных слоев III-нитридов требует высоких температур (обычно от 1000 до 1100°С). При охлаждении от температуры выращивания до комнатной температуры в слое развиваются значительные механические напряжения, вызванные большой разницей коэффициентов теплового расширения III-нитридов и материала подложки. Эти напряжения приводят к растрескиванию, изгибанию, образованию дефектов на поверхности и внутри слоев, что препятствует использованию таких слоев для роста высококачественных приборных структур.
В US 2006/0148186 А1 описывается способ, позволяющий избежать накапливания напряжений при охлаждении слоя. Выращенный слой облучается лазером со стороны прозрачной для лазерного излучения подложки. Лазерная обработка производится непосредственно в реакторе при ростовой температуре, энергия лазерного излучения которого поглощается в части слоя, примыкающего к границе интерфейса слой-подложка, что приводит к отделению слоя от подложки в ростовой камере перед охлаждением образца (т.н. "laser lift-off). Несомненно, что это дает положительный эффект, однако не устраняет фундаментальную проблему возникновения напряжений в нитридном слое в процессе его осаждения.
Помимо технологии лазерного отделения толстого слоя, осажденного непосредственного на подложку, также известны и другие способы, в которых перед ростом толстого слоя на подложке осаждается промежуточный или буферный слой. Окончательное отделение толстого нитридного слоя от подложки происходит по промежуточному слою. Например, в US 2002/0182889 А1 описывают способ получения обособленных подложек, в котором после осаждения промежуточного тонкого нитридного слоя используют лазерный луч, чтобы вызвать механическое ослабление (разупрочнение) интерфейса между первым промежуточным нитридным слоем и стартовой подложкой. После этого выращивают толстый нитридный слой на промежуточном нитридном слое. Ослабление интерфейса между подложкой и первым слоем облегчает отделение выращенного слоя от стартовой подложки при охлаждении слоя. Однако и этот способ не снимает проблемы напряжений в растущем слое. Из-за указанных проблем предшествующего уровня техники и, несмотря на наличие ряда подходов, предложенных для их решения, есть острая потребность в эффективных и хорошо контролируемых способах для изготовления обособленных, т.е. отдельно стоящих кристаллов нитридов элементов III группы высокого качества, и в устройствах, обеспечивающих их реализацию.
Цель изобретения
Целью настоящего изобретения является предоставление решений указанных выше проблем.
Краткое описание изобретения
Настоящее изобретение направлено на способ и устройство изготовления обособленной пластины нитридов элементов III группы, то есть кристалла в форме пластины с низкими напряжениями и низкой плотностью дефектов.
Способ включает следующие стадии: эпитаксиальное выращивание слоя первого слоя нитридов элементов III группы на инородной подложке, его лазерную обработку внутри реактора при температурах роста, выращивание второго слоя нитридов элементов III группы на первом слое нитридов элементов III группы, и отделения путем лазерного отслаивания второго слоя нитридов элементов III группы от подложки выращивания так, чтобы образовать обособленную пластину нитридов элементов III группы.
Указанные стадии выращивания можно выполнять, используя любой известный способ химического осаждения из паровой фазы (ХОПФ), включая, но не ограничиваясь перечисленным, ХОПФ металлоорганических элементов и эпитаксия из хлорид-гидридной паровой фазы (ХГПФ).
Инородная подложка может состоять из любого материала, подходящего для ХОПФ нитридов элементов III группы, и отличного от выращиваемого нитрида. Одним из широко используемых материалов является сапфир.
Начальный, то есть первый слой нитридов элементов III группы, является буферным слоем, предпочтительно тонким слоем, толщина должна быть настолько малой, чтобы в этом слое не развивались напряжения, уровень которых может привести к дефектам на поверхности кристалла, заметному искривлению, т.е. отклонению от плоскостности слоя и подложки. Как правило, толщина этого слоя 0,3-10 мкм. Для его выращивания можно использовать известные в уровне техники способы и принципы.
Второй слой нитридов элементов III группы является слоем, образующим фактическую обособленную пластину. Поэтому его толщина должна обеспечивать достаточную механическую прочность. Например, для пластины с размером 5 см (2 дюйма) подходящая толщина может составлять, например, около 500 мкм. Если выращивают большую толщину, возможно разделение изготовленной пластины на две или более тонких пластинки.
По настоящему изобретению реактор обеспечивает при температуре выращивания как рост 1-го и 2-го слоя, так их лазерную обработку для снятия механических напряжений и конечное отделение второго слоя нитридов элементов III группы от подложки путем лазерного отслаивания внутри реактора.
Под температурой выращивания здесь понимают температурный диапазон, используемый на стадиях выращивания первого и второго слоев нитридов элементов III группы. Обычно он находится примерно при 1000°С. Температура, при которой выполняют лазерное отслаивание, не обязательно точно должна находиться в пределах диапазона температуры выращивания, но может немного отклоняться от указанного диапазона насколько, настолько температура является достаточно низкой для того, чтобы избежать указанного образования причиняющего вред напряжения. Предпочтительно стадию отделения путем лазерного отслаивания второго слоя нитридов элементов III группы от подложки для выращивания выполняют при температуре, которая находится в пределах ±50°С от температуры выращивания, то есть находится ниже или выше температуры выращивания не более чем на 50°С.
По настоящему изобретению способ включает стадию обработки первого слоя нитридов элементов III группы лазером при температуре выращивания внутри реактора до осаждения второго слоя нитридов элементов III группы так, чтобы создать области снятия напряжения в первом слое нитридов элементов III группы.
На этой стадии получают первый слой нитридов элементов III группы, то есть буферный слой, со снятыми внутренними напряжениями. В результате этого уровень напряжения второго слоя нитридов элементов III группы, выращенного на этом первом слое и в конечном итоге образующего обособленную пластину нитридов элементов III группы, дополнительно понижается. Начальный, то есть первый слой нитридов элементов III группы, выращенный на инородной стартовой подложке, обязательно обладает некоторыми напряжениями. Путем подходящей обработки напряженного нитридного слоя лазером возможно создать в этом слое области, в которых начальный уровень напряжений понижается. В настоящем изобретении это приводит к снижению напряжений также и во втором слое нитридов элементов III группы, выращенном на этом первом слое. Предпочтительно стадия обработки первого слоя нитридов элементов III группы путем лазера включает, по меньшей мере, одно из следующего: отрезание, сверление или травление.
Предпочтительно в течение этой обработки в первом слое нитридов элементов III группы образуются канавки, отверстия или другие полости. Области снятия напряжения, то есть области пониженных напряжений, образуются между такими полостями, из которых удален нитридный материал. Полости предпочтительно являются глубокими; простираясь даже вплоть до границы раздела между нитридом и подложкой для выращивания. В случае канавок их глубина по существу должна быть равна их ширине.
В способе по настоящему изобретению стадия осаждения первого слоя нитридов элементов III группы на инородной стартовой подложке также включает возможность образования первого слоя нитридов элементов III группы, состоящего из множества подслоев. Многослойная внутренняя структура первого нитридного слоя может способствовать достижению гладкой с низкой плотностью дефектов поверхности этого слоя, действующей как затравка для выращивания второго слоя нитридов элементов III группы.
Ростовой реактор по настоящему изобретению содержит первую зону для указанного выращивания слоев нитридов элементов III группы путем ХОПФ.
По настоящему изобретению ростовой реактор также содержит вторую зону с системой лазерного отслаивания для отделения выращенного слоя нитридов элементов III группы от стартовой подложки с помощью лазерного отслаивания.
Таким образом, в конструкцию реактора по настоящему изобретению помимо стандартной зоны (зон) для выращивания добавляют специальную дополнительную зону для лазерной обработки. Эта вторая зона и система лазерного отслаивания позволяют производить отделение второго слоя нитридов элементов III группы от стартовой подложки при температуре выращивания внутри реактора без удаления выращенных на подложке слоев из реактора.
Под обратной стороной здесь подразумевается сторона подложки. Лазерный луч, используемый в отслаивании, направляют на выращенный первый слой через свободную от осаждений обратную поверхность подложки для выращивания. Соответственно, лазерный луч для обработки слоя и снятия в нем напряжений направлен на слой со стороны ростовой поверхности (лицевой стороны).
Дополнительно по настоящему изобретению реактор также включает систему лазерной обработки нитридных слоев, выращенных в первой зоне реактора. Лазерная обработка выполняется с лицевой стороны во второй зоне реактора и имеет целью создание областей снятия напряжения в слоях нитридов элементов III группы. Система лазерной обработки предпочтительно обеспечивает обработку слоя нитридов элементов III группы путем хотя бы одной из следующих операций: лазерное отрезание, сверление и травление.
Преимущества, достигаемые с помощью второй зоны с системами лазерной обработки и лазерного отслаивания, приведены выше в описании аспекта изобретения, относящемуся к способу.
Суммируя, способ и реактор по настоящему изобретению обладают следующими признаками:
1) Способ включает следующие стадии: (1) выращивание тонкого первого/начального/буферного слоя поверх гетеро-подложки; (2) лазерная обработка указанного первого/начального/буферного слоя (возможно многократное повторение последовательности стадий (1) и (2) и получение многослойного первого слоя); (3) выращивание второго, относительно толстого слоя поверх указанного первого/начального/буферного слоя, (4) отслаивание пластины от гетеро-подложки на любом этапе роста слоев.
2) Все стадии способа выполняют внутри одного и того же реактора выращивания при температурах, близких к ростовым.
3) Способ не требует какой-либо литографии.
4) Реактор имеет две основные рабочие зоны. Первая является стандартной зоной выращивания методом ХОПФ, а вторая является зоной для лазерных обработок.
5) В данном способе в зонах обработки выполняют по существу при той же температуре, что и выращивание нитридных слоев.
6) Вторую зону можно использовать для обработки выращенных слоев как с лицевой стороны, так и с обратной стороны.
7) Механические напряжения в слоях снижаются путем их разрезания, сверления или травления лазером с лицевой стороны.
8) Действия с обратной стороны включают, но не ограничиваются, лазерное отслаивание выращенной пластины от подложки.
Краткое описание чертежей
На Фиг. 1 схематически изображена последовательность процессов в способе изготовления высококачественных монокристаллических A3N пластин по настоящему изобретению внутри реактора.
На Фиг. 2 схематически изображена схема ростового реактора и обработки по настоящему изобретению.
Подробное описание изобретения
Процессы в реакторе для образования обособленных кристаллов показаны на Фиг. 1, подложка 1 (рис. A)) для выращивания является гетеро-подложкой, то есть она изготовлена из любого материала, подходящего для выращивания нитридов элементов III группы, однако не из такого же материала, как сам эпитаксиальный слой.
Сначала начальный A3N слой (2) осаждают посредством ХОПФ (стадия B)). Этот слой является тонким (0,3-10 мкм) во избежание образования дефектов на поверхности, потери плоскостности ростовой поверхности и развития в слое высоких механических напряжений. Этот слой также может быть многослойным, т.е. содержать множество слоев, предназначенных для обеспечения гладкой ростовой поверхности и снижения дефектов внутри слоя.
Снижение дефектности слоя и снижение уровня напряжений в нем достигается в зоне лазерной обработки (2 на рис. 2). Температуру в зоне обработки 2 поддерживают по существу на том же уровне, как и в зоне выращивания 1. На стадии C) выполняют лазерную обработку слоя 2, такую как отрезание, сверление,
травление и т.п. с лицевой стороны структуры слой/подложка. В течение этой лазерной обработки образуются бороздки, отверстия или другие полости 3 в начальном A3N слое, что обеспечивает области 4 снятых напряжений между полостями. После обработки в зоне 2 слой на подложке перемещают обратно в зону выращивания реактора.
Затем на стадии D) выполняют выращивание поверх начального слоя 2 толстого (вплоть до нескольких сотен мкм) слоя 5 нитридов элементов III группы, способного сохранять плоскую поверхность после удаления гетеро-подложки. Этот толстый A3N слой может также содержать множество подслоев.
Затем выращенную структуру (толстый слой/тонкий слой/подложка) снова перемещают в зону обработки ростового реактора. Температуру в зоне обработки снова поддерживают по существу на том же уровне, как и в ростовой зоне. Гетеро-подложку 1 отделяют от нитридных слоев путем лазерного отслаивания так, чтобы образовать обособленную пластину 6 нитридов элементов III группы. Окончательно пластину 6 охлаждают до комнатной температуры.
На Фиг. 2 описывают схематический вид предлагаемой конструкции реактора (устройства). Реактор 7 имеет две основные рабочие зоны. Первая представляет собой стандартную зону 8 выращивания в ХОПФ. Вторая зона 9 представляет собой зону обработки для лазерных обработок. В процессе эксплуатации зону 9 обработки можно поддерживать при той же температуре, что и зону 8 выращивания. Зона 9 обработки содержит систему 11 лазерной обработки и систему 10 лазерного отслаивания для выполнения лазерной обработки на выращенных нитридных слоях 2, 5 и отделения выращенных нитридных слоев от подложки 1 для выращивания, соответственно. Систему 11 лазерной обработки можно использовать для обработки передней стороны выращенных нитридных слоев 2, 5. Эта обработка может включать, например, отрезание, сверление или травление слоев. Система лазерного отслаивания 10 используются главным образом для отделения выращенного слоя путем отслаивания. Однако использование лазерного отслаивания не ограничивается только этой целью, но его также можно использовать для других действий со слоями, воздействуя с тыльной (обратной) стороны. Например, лазерный луч с обратной стороны можно использовать для создания пустот на границе раздела между подложкой и слоем нитридов элементов III группы или для нарезания инородной подложки.
Изобретение не ограничено только приведенными выше примерами. Напротив, воплощения настоящего изобретения можно свободно изменять в пределах области защиты формулы изобретения.