專利名稱：氮化物半導(dǎo)體器件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氮化物半導(dǎo)體器件。更具體而言，本發(fā)明涉及一種使用至少表面由氮化物半導(dǎo)體形成的半導(dǎo)體襯底的氮化物器件，以及這種氮化物半導(dǎo)體器件的制造方法。
背景技術(shù)：
氮化物半導(dǎo)體例如GaN、 AlGaN、 GalnN和AlGalnN特征在于具有比AlGalnAs基或AlGalnP基半導(dǎo)體大的帶隙Eg,還在于是直接躍遷半導(dǎo)體材料。由于這些原因，氮化物半導(dǎo)體作為用于制造半導(dǎo)體發(fā)光器件的、例如能在從光譜的紫外到綠色區(qū)的短波處發(fā)光的半導(dǎo)體激光器和覆蓋從光譜的紫外到紅色區(qū)的寬的發(fā)光波長(zhǎng)范圍的發(fā)光二極管的材料，已經(jīng)引起了很多關(guān)注。這樣，人們期望氮化物半導(dǎo)體在高密度光盤驅(qū)動(dòng)器、全彩色顯示器和其他設(shè)備中以及環(huán)境、醫(yī)學(xué)和其他領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。
此外，氮化物半導(dǎo)體具有比GaAs基或其他半導(dǎo)體高的熱導(dǎo)率，且因此可以期望應(yīng)用在工作于高溫且高輸出的器件中。此外，氮化物半導(dǎo)體不需要任何例如用在AlGaAs基半導(dǎo)體中的砷(As )或用在ZnCdSSe基半導(dǎo)體中的鎘(Cd)的材料，因此它們也不需要例如砷化三氫(AsH3)的源材料等，這樣可以期望它們是有利于環(huán)境的化合物半導(dǎo)體材料。
然而，常規(guī)地，在各種類型的氮化物半導(dǎo)體器件中，氮化物半導(dǎo)體激光器件的制造苦于極低的成品率，即，相對(duì)于在單個(gè)晶片上制造的氮化物半導(dǎo)體激光器件的總量來說，無缺陷的數(shù)量是極低的。低成品率的一個(gè)原因被認(rèn)為是裂紋的形成。引起裂紋的原因可能在于襯底本身或者在于把包括多個(gè)依次放置的氮化物半導(dǎo)體層(氮化物半導(dǎo)體膜)的氮化物半導(dǎo)體多層膜放置在村底上的過程中。本質(zhì)上優(yōu)選通過在GaN襯底上生長(zhǎng)而形成例如由GaN形成的氮化物半 導(dǎo)體多層膜，因?yàn)檫@樣有助于產(chǎn)生具有好的晶體質(zhì)量和更少缺陷的氮化物半 導(dǎo)體多層膜。然而，直到如今還沒有生產(chǎn)出與GaN具有好的晶格匹配的高 質(zhì)量的GaN單晶襯底。因此，SiC襯底因其在晶格常數(shù)上的相對(duì)小的差別而 常被取代使用。然而不利的是，SiC襯底很昂貴，難于制造為大直徑，并產(chǎn) 生拉伸應(yīng)變。結(jié)果，SiC襯底易于產(chǎn)生裂紋。此外，氮化物半導(dǎo)體的村底要 求由承受約1000°C的高生長(zhǎng)溫度并在用作源材料的氨氣環(huán)境中抗變色
(discoloration)和抗腐蝕的材料形成。
基于上述討論，通常采用藍(lán)寶石襯底作為放置氮化物半導(dǎo)體多層膜的襯 底。然而，藍(lán)寶石襯底引起大的晶格失配(約13% )。因此，在藍(lán)寶石襯底 上，首先通過低溫生長(zhǎng)形成由GaN或A1N形成的緩沖層，然后，在此緩沖 層上生長(zhǎng)氮化物半導(dǎo)體多層膜。盡管如此，還是難以完全消除應(yīng)變，因此取 決于例如膜組分和膜厚的條件導(dǎo)致了裂紋的形成。
引起這種裂紋的原因可能在于襯底以外的其他地方，下面將描述。當(dāng)制 造氮化物半導(dǎo)體激光器件時(shí)，在村底上放置氮化物半導(dǎo)體多層膜，且該氮化 物半導(dǎo)體多層膜由不同類型的膜例如GaN、 AlGaN和InGaN組成。此處， 組成氮化物半導(dǎo)體多層膜的各個(gè)膜具有不同的晶格常數(shù)，因此顯示出晶格失 配，引起裂紋的產(chǎn)生。作為抵抗其的對(duì)策，提出了用于減少裂紋的方法，根 據(jù)此方法，采用處理過的襯底，使得在氮化物半導(dǎo)體多層膜生長(zhǎng)在襯底上之 后，氮化物半導(dǎo)體多層膜的表面不是平坦的，而是具有形成于其上的凹陷區(qū)
(見日本專利申請(qǐng)7>開No. 2002-246698 )。通過采用例如7>開在日本專利申 請(qǐng)公開No. 2002-246698中的方法，可能減少由組成形成于襯底上的氮化物 半導(dǎo)體多層膜的各層之間的晶格失配所導(dǎo)致的裂紋。然而不利的是，在曰本 專利申請(qǐng)公開No. 2002-246698中所公開的方法中，形成在氮化物半導(dǎo)體多 層膜的表面上的凹陷區(qū)降低了其平整度。
作為抵抗這種降低氮化物半導(dǎo)體多層膜表面的平整度的對(duì)策，本發(fā)明的 發(fā)明人開發(fā)出了這樣的方法，根據(jù)該方法，在氮化物半導(dǎo)體襯底上形成溝槽
(trench)和脊部(ridge portion),其中溝槽為每個(gè)氮化物半導(dǎo)體激光器件中 的一個(gè)到多個(gè)條紋形凹槽的形式，脊部每個(gè)都位于兩個(gè)相鄰的溝槽之間并具 有約100 !im到1000 (im的寬度，然后，在此氮化物半導(dǎo)體村底上，設(shè)置氮 化物半導(dǎo)體多層膜。采用這種方法，可能防止裂紋，并同時(shí)在脊部表面獲得件時(shí)，氮化物半導(dǎo)體多層膜例如如圖20所示而構(gòu)造。
具體地，形成在由蝕刻過的n型GaN等形成的處理過的襯底6 (見圖 19A和19B)表面上的氮化物半導(dǎo)體多層膜4具有例如下述層，其按照命名 的順序依次層疊在處理過襯底6的表面上具有0.2 pm層厚的n型GaN層 200;具有0,75 pm層厚的n型Al,Gao.95N第一覆蓋層(clad layer) 201; 具有0.1 |im層厚的n型Ala。8Ga().92N第二覆蓋層202;具有1.5 |am層厚的n 型Al。.Q5Ga。.95N第三覆蓋層203;具有0.02 |im層厚的n型GaN引導(dǎo)層(guide layer) 204;有源層205,包括均具有4 nm層厚的三個(gè)InGaN阱層和均具有 8 nm層厚的四個(gè)GaN勢(shì)壘層；具有20 nm層厚的p型AlQ.3Ga().7N蒸發(fā)防止 層206;具有0.02 |am層厚的p型GaN引導(dǎo)層207;具有0.5 層厚的p型 Al,Gao.95N覆蓋層208;具有0.1 )im層厚的p型GaN接觸層209。有源層 205具有下述按其命名順序依次形成的層勢(shì)壘層、阱層、勢(shì)壘層、阱層、 勢(shì)壘層、阱層和勢(shì)壘層。在下面描述中，當(dāng)需要表示由摻雜有Mg的依次疊 放的層所構(gòu)成的氮化物半導(dǎo)體層，即p型AlQ.3Gao.7N蒸發(fā)防止層206、 p型 GaN引導(dǎo)層207、 p型Al0.05Gao.95N覆蓋層208和p型GaN接觸層209時(shí)， 就采用術(shù)語"p層"。
這樣，氮化物半導(dǎo)體多層膜4通過MOCVD設(shè)置在4^預(yù)先處理過的處理 過的村底6的表面上。這樣，制造了如圖19A和19B所示的在氮化物半導(dǎo) 體多層膜4的表面具有凹陷區(qū)的氮化物半導(dǎo)體晶片。在圖19A和19B中， 平面方向是標(biāo)注在一起的。
用作圖19A和19B所示的處理過的村底6的是具有通過例如RIE(反應(yīng) 離子蝕刻)的干法蝕刻技術(shù)沿<1-100>方向形成于其上的均為條紋形的溝槽2 和脊l的n型GaN襯底。溝槽形成為5iam寬、5jim深、且在兩個(gè)相鄰溝槽 之間的距離為350pm。在如此蝕刻的處理過的襯底6上，通過例如MOCVD 的生長(zhǎng)技術(shù)形成具有如圖20所示的層疊結(jié)構(gòu)的氮化物半導(dǎo)體多層膜4。
制造時(shí)，通過使用n型GaN襯底作為處理過的襯底6,并隨后在該n型GaN 襯底上通過MOCVD等外延生長(zhǎng)氮化物半導(dǎo)體多層膜4,發(fā)現(xiàn)該方法在減少 裂紋方面是有效的，但不能顯著增加成品率。具體地，通過上述方法，制造光器件，然后從其中隨機(jī)采樣100個(gè)氮化物半導(dǎo)體激
光器件并測(cè)量其水平方向和垂直方向的FFP的半極大值全寬(foil width half maximum, FWHM)。此處，實(shí)際FFP FWHM在設(shè)計(jì)值的士l范圍內(nèi)的氮化 物半導(dǎo)體激光器件認(rèn)為是無缺陷的。結(jié)果是僅30個(gè)氮化物半導(dǎo)體激光器件 滿足其FFP的FWHM的要求，這顯示出很低的成品率。
這是因?yàn)樾纬傻牡锇雽?dǎo)體多層膜4的表面不夠平整。具有不足的表 面平整度，各層的層厚在氮化物半導(dǎo)體多層膜4中是不同的，導(dǎo)致在各個(gè)氮 化物半導(dǎo)體激光器件中特性的變化。這減少了具有在要求范圍內(nèi)的特性的器 件的數(shù)目。因此，為了提高成品率，不僅需要減少裂紋的產(chǎn)生，也需要使層 厚更均勻和膜表面更平整。
還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電極焊盤形成在由于凹陷區(qū)而^f艮不平整的表面上時(shí)，通過這 些凹陷區(qū)泄漏的電流使得不可能獲得激光器的正常電流-電壓(C-V)特性。 基本上，例如Si02的絕緣膜形成在凹陷區(qū)，且電極焊盤進(jìn)一步形成在上面。 此處，如果該表面具有例如凹陷區(qū)的不平整區(qū)，則形成在其上的絕緣膜不會(huì) 均勻地形成。當(dāng)分析該絕緣膜時(shí)，證實(shí)了它具有許多這樣的區(qū)域，在該區(qū)域 中產(chǎn)生了小裂紋和凹坑且該處絕緣膜極薄。還發(fā)現(xiàn)這種不均勻絕緣膜是電流 泄漏的原因。
此外，在如圖19A、 19B和圖20所示形成的氮化物半導(dǎo)體晶片的晶片 表面內(nèi)測(cè)量了表面平整度。沿<1-100>方向的表面平整度的測(cè)量結(jié)果在圖21 中示出。該測(cè)量是在下面條件下進(jìn)行的測(cè)量長(zhǎng)度，600jim;測(cè)量時(shí)間，3s; 探針壓力，30mg;水平分辨率，1 iam/取樣。在所測(cè)量的600 |am寬度范圍內(nèi)， 表面的最高和最低部分之間的水平差是30nm,從圖21中可以了解。在該測(cè) 量中，氮化物半導(dǎo)體晶片假設(shè)為具有0.02。或更小的傾斜角。
如圖19B所示，設(shè)置在處理過的襯底6表面的氮化物半導(dǎo)體多層膜4 的各層的膜厚在晶片表面內(nèi)隨著位置而變化，因此導(dǎo)致平整度的差異。結(jié)果， 氮化物半導(dǎo)體激光器件的特性取決于它們形成在晶片表面的何處而變化，且 顯著影響氮化物半導(dǎo)體激光器件特性的摻Mg的p層厚度(相應(yīng)于如圖20 所示的p型AlQ.3Ga().7N蒸發(fā)防止層206到p型GaN接觸層209依次層疊的p 層的總厚度)在襯底表面內(nèi)不同位置變化很大。
當(dāng)作為電流限制結(jié)構(gòu)的脊結(jié)構(gòu)形成時(shí)，脊部剩余2|am寬的條紋，且其 他部分通過采用ICP (inductively coupled plasma,感應(yīng)耦合等離子體)機(jī)的干法蝕刻技術(shù)而蝕刻掉。這樣，如果在蝕刻之前p層的厚度在晶片表面的不 同位置不同的話，那么剩下的p層膜厚，即，在蝕刻后保留的且因此最影響 氮化物半導(dǎo)體激光器件特性的p層厚度在晶片表面不同位置也有很大變化。 結(jié)果，不僅在不同氮化物半導(dǎo)體激光器件中層厚不同，即使在同一氮化物半 導(dǎo)體激光器件中，剩下的p層膜厚在一些部分可以幾乎為零，而在其他部分 可以相當(dāng)大。當(dāng)剩下的p層膜厚如此變化時(shí)，其影響氮化物半導(dǎo)體激光器件
的壽命，同時(shí)如上所述，也影響其特性例如FFP( far-field pattern,遠(yuǎn)場(chǎng)圖案)。 上述在晶片表面內(nèi)存在大的層厚分布的原因是外延生長(zhǎng)在包括氮化物 半導(dǎo)體襯底的處理過的襯底的脊形部分上的膜的生長(zhǎng)速度在溝槽的影響下 變化，導(dǎo)致在晶片表面內(nèi)均勻性的降低。
具體地，如圖22A和22B所示，在具有形成于其上的溝槽2的處理過 的村底6上，當(dāng)外延生長(zhǎng)開始時(shí)，在生長(zhǎng)的初始階段，如圖22A所示，由生 長(zhǎng)在溝槽2的底部224和側(cè)部226上的氮化物半導(dǎo)體薄膜而形成的溝槽生長(zhǎng) 部分222僅填充溝槽2的部分。同時(shí)，由生長(zhǎng)在脊1的頂部223的表面上的 氮化物半導(dǎo)體薄膜形成的頂部生長(zhǎng)部分221在生長(zhǎng)的同時(shí)保持氮化物半導(dǎo)體 薄膜表面平整。
氮化物半導(dǎo)體薄膜的外延生長(zhǎng)從圖22A所示的上述狀態(tài)進(jìn)行到圖22B 所示的狀態(tài)。在此狀態(tài)下，由生長(zhǎng)在溝槽2的底部224和側(cè)部226的氮化物 半導(dǎo)體薄膜所形成的溝槽生長(zhǎng)部分222幾乎完全填充溝槽2,并通過生長(zhǎng)部 分225連接到由生長(zhǎng)在脊1的頂部223表面上的氮化物半導(dǎo)體薄膜形成的頂 部生長(zhǎng)部分221。在此狀態(tài)下，淀積在生長(zhǎng)于脊l的頂部223上的氮化物半 導(dǎo)體薄膜表面上作為源材料的原子或分子(例如Ga原子)在熱能的影響下 進(jìn)行遷移等以移動(dòng)到生長(zhǎng)部分225或溝槽生長(zhǎng)部分222。由原子或分子的遷 移導(dǎo)致的這種移動(dòng)在晶片表面內(nèi)不均勻地發(fā)生，且移動(dòng)距離在晶片表面內(nèi)不 同地方是不同的。結(jié)果，如圖22B所示，頂部生長(zhǎng)部分221的表面平整度降 低了。
在氮化物半導(dǎo)體襯底本身的不均勻性，例如在晶片表面內(nèi)傾斜角的分布
或者在襯底表面內(nèi)溝槽形成過程的不均勻的影響下，在<1-100>方向，氮化 物半導(dǎo)體薄膜的平整度也降低。具體地，填充溝槽2所需的時(shí)間隨著<1-100> 方向而變化；這樣，填充得較早的地方，氮化物半導(dǎo)體薄膜的源材料的原子或分子從脊1的頂部生長(zhǎng)部分221遷移或者移動(dòng)到生長(zhǎng)部分225或者溝槽生 長(zhǎng)部分222。在它們移走的地方，需要更長(zhǎng)時(shí)間形成氮化物半導(dǎo)體薄膜，結(jié) 果形成在溝槽2中的氮化物半導(dǎo)體薄膜具有更大的厚度。作為對(duì)比，在溝槽 2填充得較晚的地方，氮化物半導(dǎo)體薄膜的源材料的原子或分子不從脊1的 頂部生長(zhǎng)部分221遷移或移動(dòng)到溝槽2;即使它們遷移或移動(dòng)，也需要較少 時(shí)間形成氮化物半導(dǎo)體薄膜。這樣，在這些溝槽2中的氮化物半導(dǎo)體薄膜比 溝槽2被更早填充處具有更小的膜厚。
在生長(zhǎng)速率取決于供給速率的情況下，即，在氮化物半導(dǎo)體薄膜的生長(zhǎng) 速率由供應(yīng)到晶片表面的原子或分子的流量等控制的情況下，當(dāng)?shù)锇雽?dǎo) 體薄膜的源材料的原子或分子遷移或移動(dòng)到溝槽2中時(shí)，由于供應(yīng)到整個(gè)晶 片表面的源材料的原子或分子的流量為常數(shù)，在氮化物半導(dǎo)體薄膜生長(zhǎng)于脊 l的頂部223上的地方，即頂部生長(zhǎng)部分221中，膜厚4交小。作為對(duì)比，在 氮化物半導(dǎo)體薄膜的源材料的原子或分子不遷移或移動(dòng)到溝槽2中的情況 下，在氮化物薄膜生長(zhǎng)在脊1的頂部223上的地方，即頂部生長(zhǎng)部分221中， 膜厚較大。
接著，在脊l的頂部223上的頂部生長(zhǎng)部分221中的層厚在晶片表面內(nèi) 變化，結(jié)果氮化物半導(dǎo)體薄膜的表面的平整度降低。這樣，為了獲得更好的 表面平整度，需要阻止氮化物半導(dǎo)體薄膜的源材料的原子或分子從脊1上的 頂部生長(zhǎng)部分221遷移或移動(dòng)到生長(zhǎng)部分225或溝槽生長(zhǎng)部分22中，并因 此阻止它們?cè)谠撎幮纬傻锇雽?dǎo)體薄膜。
獲得更好的平整度的另 一 方法是使氮化物半導(dǎo)體薄膜的源材料的原子 或分子在其從脊l上的頂部生長(zhǎng)部分221遷移或移動(dòng)到溝槽生長(zhǎng)部分中時(shí)在 整個(gè)晶片表面均勻移動(dòng)。

發(fā)明內(nèi)容
從上述角度，本發(fā)明的目的是提供這樣的氮化物半導(dǎo)體器件，其不產(chǎn)生 裂紋、具有高度均勻的層厚、具有帶平整表面的氮化物半導(dǎo)體多層膜、能以 高成品率制造且沒有電流泄漏。本發(fā)明的另一目的是提供這種氮化物半導(dǎo)體 器件的制造方法。具體而言，本發(fā)明目的是在通過在至少表面由氮化物半導(dǎo) 體形成的襯底上設(shè)置氮化物半導(dǎo)體多層膜而制造的氮化物半導(dǎo)體激光器件 的制造中，防止裂紋的產(chǎn)生，同時(shí)通過阻止氮化物半導(dǎo)體薄膜的源材料的原子或分子從位于脊表面的頂部表面部分遷移或移動(dòng)到溝槽中并因此防止它 們?cè)谠撎幮纬傻锇雽?dǎo)體薄膜，或者通過使氮化物半導(dǎo)體薄膜的源材料的 原子或分子在整個(gè)晶片上均勻地從脊表面上的頂部表面部分遷移或移動(dòng)到 溝槽中，而形成具有好的表面平整度的氮化物半導(dǎo)體多層膜。
根據(jù)晶體學(xué)的習(xí)慣，如果表示晶體平面或方向的指數(shù)為負(fù)，則該指數(shù)由 其帶有上劃線的絕對(duì)值表示。在本說明書中，由于這種表示方法是不可能的， 因此負(fù)指數(shù)由前面帶有減號(hào)"-"的絕對(duì)值表示。
"溝槽"表示如圖2所示在氮化物半導(dǎo)體襯底上形成為條紋形的凹陷區(qū)。 圖2是具有溝槽22和通過溝槽形成工藝形成于其上的脊21的處理過的襯底 26的示意性截面圖。該溝槽22不需要一定具有矩形截面形狀，而是可以具 有三角形或梯形截面形狀，只要它們成形可以產(chǎn)生水平高度差即可。溝槽2 不需要一定形成為每個(gè)都包括單個(gè)凹陷區(qū)，而是可以形成為每個(gè)都包括多個(gè) 帶有窄的平整部分或居間部分的凹陷區(qū)。
"脊"表示形成為與條紋相似形狀的升高部分。圖2示出了溝槽22和 脊21沿同一方向形成的條紋排列。作為選擇，也可以將溝槽22和脊21形 成為格子形排列，其中它們形成在兩個(gè)互相交叉的方向。也可以在單個(gè)襯底 上將溝槽22形成為不同形狀、不同深度或不同寬度。也可以在單個(gè)襯底上 以變化的周期形成溝槽22。
"處理過的襯底"表示通過在氮化物半導(dǎo)體上、或在設(shè)置于氮化物半導(dǎo) 體襯底上的氮化物半導(dǎo)體薄膜表面上、或在表面上具有氮化物半導(dǎo)體層的非 氮化物半導(dǎo)體襯底(例如藍(lán)寶石、SiC、 Si或GaAs襯底)上形成溝槽和脊 而產(chǎn)生的襯底。
"氮化物半導(dǎo)體襯底"表示至少由AlxGayInzN (0￡xSl， (^y$l， 0^z￡l, 且x+y+z-l)形成的襯底。在氮化物半導(dǎo)體襯底中，包含其中的氮原子的約 20%或更少可以被下面一組元素中的至少一種取代As、 P和Sb。氮化物半 導(dǎo)體襯底可以摻雜有例如n型或p型摻雜劑的雜質(zhì)。這些雜質(zhì)的例子包括 Cl、 O、 S、 Se、 Te、 C、 Si、 Ge、 Zn、 Cd、 Mg和Be。優(yōu)選加入的雜質(zhì)總量 為5 x 10 cr^或以上但在5 x 10,cr^或以下。在所述雜質(zhì)中，特別優(yōu)選作 為給氮化物半導(dǎo)體襯底提供n型導(dǎo)電性的是Si、 Ge、 0、 Se或Cl。作為氮 化物半導(dǎo)體襯底的主平面方向，可以采用(3平面{0001}。層膜。此處，氮化物半導(dǎo)體多層膜是由AlxGayInzN (O^x^l, O^y^l, 0》^1, 且x+y+z二l)形成的。在氮化物半導(dǎo)體多層膜中，包含其中的氮原子的約20 %或更少可以-陂下面一組元素的至少一種取代As、 P和Sb。氮化物半導(dǎo)體 多層膜可以摻雜有例如n型或p型摻雜劑的雜質(zhì)。這些雜質(zhì)的例子包括Cl、 O、 S、 Se、 Te、 C、 Si、 Ge、 Zn、 Cd、 Mg和Be。優(yōu)選加入的雜質(zhì)總量為5 xlO"/cmS或以上但在5xlO,cn^以下。在所述雜質(zhì)中，特別優(yōu)選作為給氮 化物半導(dǎo)體多層膜提供n型導(dǎo)電性的是Si、 Ge、 O、 Se或Te,并特別優(yōu)選 提供給其p型導(dǎo)電性的是Mg、 Cd或Be。
在半導(dǎo)體多層膜中，首先設(shè)置在處理過的襯底上的氮化物半導(dǎo)體層被稱 為氮化物半導(dǎo)體初始層(primer layer )。氮化物半導(dǎo)體初始層可以由例如 GaN、 AlGaN、 AlInGaN、 AlGaNP或AlGaNAs形成。
有源層統(tǒng)指任何包括阱層或者包括一個(gè)或多個(gè)阱層及勢(shì)壘層的層。例 如，具有單量子阱結(jié)構(gòu)的有源層由單阱層或者由勢(shì)壘層、阱層和勢(shì)壘層構(gòu)成。 另一方面，具有多量子阱結(jié)構(gòu)的有源層由多個(gè)阱層和多個(gè)勢(shì)壘層構(gòu)成。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，氮化物半導(dǎo)體器件設(shè)置有 處理過的襯底，其通過在至少表面由氮化物半導(dǎo)體形成的氮化物半導(dǎo)體襯底 的表面上形成溝槽作為至少一個(gè)凹陷區(qū)并形成脊部作為非溝槽而形成；和氮 化物半導(dǎo)體生長(zhǎng)層，其包括多個(gè)設(shè)置在該處理過的襯底上的氮化物半導(dǎo)體薄
脊的表面部分沿其法線方向延伸的第一矢量與平行于晶體方向<0001>延伸 的第二矢量在假^沒第 一矢量和第二矢量開始于同 一點(diǎn)時(shí)兩者之間的角度，即 傾斜角，為0.05。或以上但在4。或以下。
在上述氮化物半導(dǎo)體器件中，優(yōu)選地，處理過的襯底的傾斜角包括第 一傾斜角，該角是第 一矢量與通過將第二矢量投影到由互相垂直的晶體方向 <0001>、 <11-20>和<1-100>中的晶體方向<0001>和<1-100>所形成的第一平 面上而獲得的第三矢量之間當(dāng)布i設(shè)第一和第三矢量開始于同 一點(diǎn)時(shí)的角度； 和第二傾斜角，該角是第一矢量與通過將第二矢量投影到由互相垂直的晶體 方向<0001>、 <11-20>和<1-100>中的晶體方向<0001>和<11-20〉所形成的第 二平面上而獲得的第四矢量之間當(dāng)假設(shè)第一和第四矢量開始于同一點(diǎn)時(shí)的 角度。
在上述氮化物半導(dǎo)體器件中，優(yōu)選地，令第一傾斜角為6a且第二傾斜角為eb,則leaUbl。
在上述氮化物半導(dǎo)體器件中，優(yōu)選地，0.09°^eal。。
在上述氮化物半導(dǎo)體器件中，優(yōu)選地，3 x |ebl。<leal。<0.09。，同時(shí) 0Ual。。
在上述氮化物半導(dǎo)體器件中，優(yōu)選地，令第一傾斜角為ea且第二傾斜角 為eb,則ieaUbi。
在上述氮化物半導(dǎo)體器件中，優(yōu)選地，o.2°siebi°。 在上述氮化物半導(dǎo)體器件中，優(yōu)選地，形成為溝槽的凹陷區(qū)以條紋形延
伸，且凹陷區(qū)的延伸方向平行于或基本平行于晶體方向<1-100>。
在上述氮化物半導(dǎo)體器件中，形成為溝槽的凹陷區(qū)以條紋形延伸，且凹
陷區(qū)的延伸方向平行于或基本平行于晶體方向<11-20>。
在上述氮化物半導(dǎo)體器件中，優(yōu)選地，形成為溝槽的凹陷區(qū)形成為格子 形，且在格子延伸的兩個(gè)相互垂直的方向中， 一個(gè)平行或基本平行于晶體方
向<11-20〉，另一個(gè)平行或基本平行于晶體方向<1-100>。
在上述氮化物半導(dǎo)體器件中，優(yōu)選地，令第一傾斜角為ea且第二傾斜角 為eb,則平行于脊的長(zhǎng)側(cè)邊的方向平行或基本平行于晶體方向<1-100>,且
在上述氮化物半導(dǎo)體器件中，優(yōu)選地，令第一傾斜角為ea且第二傾斜角
為eb,則平行于脊的長(zhǎng)側(cè)邊的方向平行或基本平行于晶體方向<11-20>,且
iea匕iebi。
在上述氮化物半導(dǎo)體器件中，優(yōu)選地，第一傾斜角的平方與第二傾斜角
的平方之和的平方根為0.2?；蛞陨稀?br> 在上述氮化物半導(dǎo)體器件中，優(yōu)選地，設(shè)置在溝槽的兩個(gè)相鄰部分之間
的脊的寬度為100 pm或更大但在2000 pm或以下。
在上述氮化物半導(dǎo)體器件中，優(yōu)選地，與處理過的襯底表面接觸的氮化
物半導(dǎo)體薄膜為具有0.5 或更小厚度的GaN或AlGaN。
在上述氮化物半導(dǎo)體器件中，優(yōu)選地，形成為溝槽的凹陷區(qū)的深度為1.5 ,或以上。
在上述氮化物半導(dǎo)體器件中，優(yōu)選地，令形成在脊上的氮化物半導(dǎo)體生 長(zhǎng)層的總厚度為T,則形成為溝槽的凹陷區(qū)的深度為T/2或更大。
在上述氮化物半導(dǎo)體器件中，優(yōu)選地，形成為溝槽的凹陷區(qū)的開口為3,或更大。
在上述氮化物半導(dǎo)體器件中，優(yōu)選地，當(dāng)包括多個(gè)氮化物半導(dǎo)體薄膜的 氮化物半導(dǎo)體生長(zhǎng)層形成時(shí)，至少一個(gè)氮化物半導(dǎo)體薄膜是在這樣的條件下
生長(zhǎng)的處理過的襯底表面溫度為1050°C或更低，供應(yīng)包含V族原子的源 材料的單位時(shí)間的摩爾流速與供應(yīng)包含III族原子的源材料的單位時(shí)間的摩 爾流速之比是2250或更大。
根據(jù)上述本發(fā)明，當(dāng)?shù)锇雽?dǎo)體器件例如氮化物半導(dǎo)體激光器件通過 在至少表面由氮化物半導(dǎo)體形成的襯底上設(shè)置氮化物半導(dǎo)體生長(zhǎng)層而制造 時(shí)，防止了裂紋的產(chǎn)生，此外阻礙了氮化物半導(dǎo)體薄膜的源材料的原子或分 子從脊表面上的頂部生長(zhǎng)部分遷移或擴(kuò)散或移動(dòng)到溝槽中，并因此阻礙了在 該處形成氮化物半導(dǎo)體薄膜。這樣，可能形成具有好的表面平整度的氮化物 半導(dǎo)體生長(zhǎng)層，且因此獲得具有滿意特性的氮化物半導(dǎo)體器件。
作為選擇，根據(jù)上述本發(fā)明，有意識(shí)地促進(jìn)氮化物半導(dǎo)體薄膜的源材料 的原子或分子從脊表面上的頂部生長(zhǎng)部分遷移或擴(kuò)散或移動(dòng)到溝槽，使得氮 化物半導(dǎo)體薄膜的源材料的原子或分子在晶片整個(gè)表面均勻擴(kuò)散或移動(dòng)。這 樣，可能形成具有好的表面平整度的氮化物半導(dǎo)體生長(zhǎng)層，且因此獲得具有 滿意特性的氮化物半導(dǎo)體器件。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明的另一方面，首先形成在具有形成于其 上的溝槽的處理過的襯底上的氮化物半導(dǎo)體初始層由包括GaN的化合物形成。
采用此結(jié)構(gòu)，防止了裂紋的產(chǎn)生，此后形成的氮化物半導(dǎo)體多層膜具有 高度均勻的層厚，并獲得平整表面。
此處，優(yōu)選地，氮化物半導(dǎo)體初始層的層厚為0.51im或以下。優(yōu)選地， 氮化物半導(dǎo)體初始層的層厚與氮化物半導(dǎo)體多層膜的總層厚之比為15 %或 以下。優(yōu)選地，垂直于溝槽側(cè)壁表面的頂端部分的線與垂直于溝槽以外的表 面的線之間的角度為60?；蚋?。優(yōu)選地，溝槽的寬度為lpm或更多，且溝 槽的周期是O.l mm或更大但在4 mm或以下。
在上述氮化物半導(dǎo)體初始層由包括GaN的化合物形成的情況下，當(dāng)?shù)?化物半導(dǎo)體多層膜的總層厚為4pm或更小時(shí)，優(yōu)選地，溝槽的深度為liim 或更大但不大于20pm,且溝槽的寬度為1 nm或更大。
這樣，可能獲得可接受的表面粗糙度(300A或以下)，且因此獲得提供穩(wěn)定特性和長(zhǎng)壽命的器件。
根據(jù)上述本發(fā)明，通過制造具有形成于其上的溝槽的處理過的襯底，然 后在該處理過的襯底上首先設(shè)置氮化物半導(dǎo)體層，可能防止裂紋的產(chǎn)生，并 同時(shí)在襯底表面獲得高度均勻的層厚和好的表面平整度。即，可能提高具有 滿足無缺陷要求特性的器件的數(shù)目，由此提高成品率。


圖i是示意性地示出用在本發(fā)明第一實(shí)施例中的具有ea。傾斜角的處理
過的襯底的示意圖2是示意性地示出具有形成于其上的各種形狀的溝槽的處理過的襯底 的截面圖3是示意性地示出用在本發(fā)明第一實(shí)施例中的具有eb。傾斜角的處理
過的襯底的示意圖4是示意性地示出沒有傾斜角的處理過的襯底的示意圖5是示出p層厚度的標(biāo)準(zhǔn)偏差cj與成品率之間關(guān)系的示意圖6是示出傾斜角9a與p層厚度的標(biāo)準(zhǔn)偏差a之間關(guān)系的示意圖7是示出傾斜角eb與p層厚度的標(biāo)準(zhǔn)偏差cj之間關(guān)系的示意圖8是具有設(shè)置在本發(fā)明第一實(shí)施例中所采用的、具有6b。傾斜角的處
理過的村底上的氮化物半導(dǎo)體生長(zhǎng)層的晶片表面的水平高度偏差的繪圖； 圖9A和9B是示意性地示出用在本發(fā)明的實(shí)例1到4中的處理過的襯
底的示意圖IO是具有設(shè)置在本發(fā)明實(shí)例1到4中所采用的處理過的襯底上的氮 化物半導(dǎo)體生長(zhǎng)層的晶片表面的水平高度偏差的繪圖IIA和11B是示意性地示出本發(fā)明實(shí)例1到4中的氮化物半導(dǎo)體激 光器件的示意圖12A是示意性地示出具有形成于其上的氮化物半導(dǎo)體多層膜的處理 過的襯底圍繞溝槽的一部分的透視圖，圖12B是沿圖12A所示的線A-A所 耳又的截面圖13A是氮化物半導(dǎo)體器件的前視圖，且圖13B是圖13A的俯視圖； 圖14是圖2所示的部分B的截面圖15是示出沿[1-100]方向的氮化物半導(dǎo)體多層膜的表面平整度的測(cè)量
18結(jié)果的示意圖16是示出當(dāng)初始GaN層厚度變化時(shí)測(cè)量到的氮化物半導(dǎo)體多層膜表 面粗糙度的示意圖17A是具有形成于其上的具有好的表面平整度的氮化物半導(dǎo)體多層 膜的處理過的襯底的截面圖17B是具有形成于其上的具有差的表面平整度的氮化物半導(dǎo)體多層 膜的處理過的襯底的截面圖18是具有形成于其上的包括具有0.5 pm或更小厚度的初始GaN層的 氮化物半導(dǎo)體多層膜的處理過的襯底的截面圖19A和19B是示意性地示出具有形成在常規(guī)處理過的襯底上的氮化 物半導(dǎo)體生長(zhǎng)層的晶片的示意圖20是示意性地示出常規(guī)氮化物半導(dǎo)體生長(zhǎng)層的截面圖； 圖21是具有設(shè)置在常規(guī)處理過的襯底上的氮化物半導(dǎo)體生長(zhǎng)層的晶片 表面的水平高度變化的繪圖；以及
圖22A和22B是示出常規(guī)情況下降低的平整度如何發(fā)生的模型的示意圖。
具體實(shí)施方式
第一實(shí)施例
下面將參照附圖描述本發(fā)明的第 一 實(shí)施例。下面對(duì)于實(shí)施例的描述將氮 化物半導(dǎo)體層作為氮化物半導(dǎo)體器件的例子，但應(yīng)該理解，本發(fā)明可以實(shí)施 為任何其他類型的氮化物半導(dǎo)體器件。圖l和3是示意性地示出用在此實(shí)施 例中的處理過的襯底16和36的示意圖，如當(dāng)?shù)锇雽?dǎo)體多層膜4生長(zhǎng)于 其上時(shí)所觀察到的。如圖l和3所示，處理過的襯底16和36每個(gè)都具有固 定的傾斜角。圖4是示意性地示出從通常使用的具有0.02?；蚋A斜角的 襯底產(chǎn)生的處理過的襯底的示意圖。在圖1、 3和4中，平面方向是一起表 示的。在此實(shí)施例中，通過在具有與處理過的村底16和36相似的傾斜角的 處理過的襯底上生長(zhǎng)氮化物半導(dǎo)體多層膜4而制造氮化物半導(dǎo)體激光器件。
首先，將給出如何從具有0.02?；蚋A斜角即，幾乎零度的襯底制造 處理過的襯底46的描述，如圖4所示。在此實(shí)施例中，假設(shè)采用GaN襯底 為作處理過的襯底16、 36和46。首先，在n型GaN襯底的整個(gè)表面上通過濺射法，Si02等被氣相淀積 為lpm膜厚。接著，通過通常的光刻工藝，條紋形抗蝕劑圖案沿<1-100>方 向形成使得當(dāng)沿平行于<11-20>方向從一條紋的中心線向另 一條紋中心線測(cè) 量時(shí)，抗蝕劑開口具有5 pim寬度，且條紋位于350 |Lim間隔內(nèi)(此后稱為"周 期")。接著，通過干法刻蝕技術(shù)例如RIE (反應(yīng)離子刻蝕)，Si02膜和n型 GaN襯底^皮蝕刻以形成具有5 pm溝槽深度和5 pm開口寬度的溝槽42。然 后，通過使用刻蝕劑例如HF (氟化氫)，除去Si02。這樣，形成了具有形成 于其上的溝槽42和脊41的處理過的襯底46。
在此實(shí)施例中，Si02被氣相淀積以在GaN襯底表面上形成SiOJ莫。取 代地，另一種電介質(zhì)材料膜等可以形成在GaN襯底表面上。上述SK)2膜可 以通過'減射氣相淀積以外的方法形成；例如可以通過例如電子束氣相淀積或 等離子CVD方法形成?？刮g劑圖案的周期不限于上面具體提到的350 |Lmi， 而是可以根據(jù)將制造的氮化物半導(dǎo)體激光器件的寬度而變化。在此實(shí)施例 中，溝槽42通過干法刻蝕技術(shù)而形成；然而，也可以通過濕法刻蝕技術(shù)等 形成它們。
處理過的村底46可以通過直接在上述n型GaN襯底表面上形成溝槽42 而制造，或者可以通過在n型GaN襯底或者在除了 n型氮化物半導(dǎo)體襯底 以外的氮化物半導(dǎo)體村底上首先生長(zhǎng)GaN、 InGaN、 AlGaN、 InAlGaN等氮 化物半導(dǎo)體薄膜，然后在其上形成溝槽而形成。
處理過的襯底16和36基本上通過與處理過的襯底46相同的方法形成。 差異如下。用于生產(chǎn)處理過的襯底16的襯底具有關(guān)于作為旋轉(zhuǎn)軸的晶體方 向< 11 -20>旋轉(zhuǎn)或傾斜6a。的晶體方向< 1 -100>和<0001 >,且因此在晶體方向 <0001>與垂直于襯底上的生長(zhǎng)表面的方向之間具有6&的傾斜角。另一方面， 用于產(chǎn)生處理過的村底36的襯底具有關(guān)于作為旋轉(zhuǎn)軸的晶體方向<1-100>旋 轉(zhuǎn)或傾斜6b。的晶體方向<11 -20>和<0001 >，且因此在晶體方向<0001 >與垂直
于襯底上的生長(zhǎng)表面的方向之間具有eb的傾斜角。在分別具有ea和eb傾斜
角的這些襯底的每個(gè)上，溝槽12及32和脊11及31以與上述相同的方式形 成。此處，假設(shè)每個(gè)襯底具有零傾斜角而進(jìn)行光致抗蝕劑圖案形成、蝕刻和 其他工藝。
傾斜角不^f又可以在一個(gè)方向傾存牛，例如上述單獨(dú)的ea或eb，也可以同時(shí)
在不同方向以不同角度(0a和eb)傾斜。具體地，假設(shè)關(guān)于旋轉(zhuǎn)軸<11-20>方向晶體方向< 1 -100>和<0001 >均旋轉(zhuǎn)或傾斜ea。，使得在晶體方向<0001 >與 垂直于襯底的生長(zhǎng)表面的方向之間存在ea的傾斜角。那么，令位移矢量A 作為開始于旋轉(zhuǎn)之前沿晶體方向<0001>的單位矢量(長(zhǎng)度為1)且結(jié)束于旋 轉(zhuǎn)之后沿晶體方向<0001>的單位矢量的位移矢量。此外，假設(shè)關(guān)于旋轉(zhuǎn)軸 < 1 -100>方向晶體方向< 11 -20>和<0001 >均旋轉(zhuǎn)或傾斜eb。，使得在晶體方向
0001〉與垂直于襯底的生長(zhǎng)表面的方向之間存在eb的傾斜角。那么，令位
移矢量B成為開始于旋轉(zhuǎn)之前沿晶體方向<0001>的單位矢量且結(jié)束于旋轉(zhuǎn) 之后沿晶體方向<0001>的單位矢量的位移矢量。然后，令位移矢量c為位移 矢量A和B之和，并使合成矢量D為旋轉(zhuǎn)之前沿晶體方向<0001>的單位矢 量與位移矢量C之和。然后，此合成矢量D的端點(diǎn)方向可以成為傾斜角傾 斜的方向。在本說明書中，在襯底由于晶體方向O00lM頃斜位移矢量C而具
有傾斜角的情況中，通過表述上述傾斜角ea和eb 二者而表示。 傾斜角的確定
作為本實(shí)施例說明的一部分，首先將參照相關(guān)附圖，給出襯底的傾斜角 如何影響設(shè)置在具有形成于其上的溝槽和脊的處理過的襯底上的氮化物半 導(dǎo)體薄膜的生長(zhǎng)。
如圖4所示，當(dāng)采用具有0.02?；蚋A斜角，即幾乎零度的處理過的 村底46時(shí)，垂直于脊41的頂部43并垂直于溝槽42的底部44的方向平行 于晶體方向<0001>。此外，分別與晶體方向<0001>、 <1-100>和<11-20>對(duì)準(zhǔn) 的三個(gè)軸彼此垂直。在這種情況下，淀積在脊41頂部43的氮化物半導(dǎo)體薄 膜材料的原子和分子15不是以高概率沿特定方向擴(kuò)散，而是各向同性地從 其被淀積的位置擴(kuò)散。結(jié)果，氮化物半導(dǎo)體薄膜材料的原子或分子15各向 同性地遷移或者擴(kuò)散，且它們的一部分移動(dòng)到溝槽42中并形成氮化物半導(dǎo) 體薄膜。
通常，當(dāng)溝槽12、 32和42形成時(shí)，它們并不是在整個(gè)晶片表面完全均 勻地形成的，而是在用于形成光致抗蝕劑圖案的光刻工藝中和在用于進(jìn)行干 法刻蝕等的刻蝕工藝中，會(huì)發(fā)生可歸因于工藝的波動(dòng)。結(jié)果，不直的波動(dòng)邊 界部分17、 37和47可能形成在溝槽12、 32和42與脊11、 31和41之間的 邊界，且在溝槽12、 31和42的側(cè)部19、 39和49與底部14、 34和44不垂 直處，可能形成波動(dòng)方形部分18、 38和48。當(dāng)溝槽12、 32和42與脊11、 31和41由于上述可歸因于工藝的波動(dòng)而 在晶片整個(gè)表面不均勻形成時(shí)，淀積在脊ll、 31和41頂部13、 33和43的 氮化物半導(dǎo)體薄膜源材料的原子和分子15遷移或擴(kuò)散或移動(dòng)到溝槽12、 31 和42的程度在整個(gè)晶片上不是均勻的，而是不同區(qū)域是不同的。即，在晶 片上的一些區(qū)域，淀積在脊ll、 31和41頂部13、 33和43的氮化物半導(dǎo)體 薄膜源材料的原子和分子15更傾向于遷移或擴(kuò)散或移動(dòng)到溝槽12、32和42, 且在晶片上的其他區(qū)域，淀積在脊ll、 31和41頂部13、 33和43的氮化物 半導(dǎo)體薄膜源材料的原子和分子15不那么傾向于遷移或擴(kuò)散或移動(dòng)到溝槽 12、 32和42。
如上所述，如果淀積在脊11、 31和41頂部13、 33和43的氮化物半導(dǎo) 體薄膜源材料的原子和分子15遷移或擴(kuò)散或移動(dòng)到溝槽12、 31和42的程 度在整個(gè)晶片上不是均勻的，其影響生長(zhǎng)在脊ll、 31和41上的氮化物半導(dǎo) 體薄膜的平整度，結(jié)果生長(zhǎng)在脊11、 31和41上的氮化物半導(dǎo)體薄膜的膜厚 度在整個(gè)晶片上變化， 一個(gè)區(qū)與另一個(gè)區(qū)顯示不同的值。
如果生長(zhǎng)在脊11、 31和41上的氮化物半導(dǎo)體薄膜的厚度如此變化，其 對(duì)形成在脊11、 31和41上的氮化物半導(dǎo)體激光器件有不利影響。圖5示出 了表示脊上的p層厚度的偏差程度(相應(yīng)于圖20所示的依次設(shè)置的p型 Alo.3GaG.7N蒸發(fā)防止層206到到p型GaN接觸層209的p層的總厚度)的標(biāo) 準(zhǔn)偏差cj與成品率之間的關(guān)系。圖5中的圖表示出了當(dāng)p層厚度的標(biāo)準(zhǔn)偏差ci 為0.03 iim或以下時(shí)，實(shí)現(xiàn)了卯％或以上的高成品率，但是當(dāng)p層厚度的標(biāo) 準(zhǔn)偏差cj為0.03 iLim或以上時(shí)，成品率急劇下降。
上述當(dāng)p層厚度的標(biāo)準(zhǔn)偏差cj為0.03 pm或以上時(shí)成品率急劇下降的原 因是，如果p型GaN引導(dǎo)層207、 p型Al0.05Ga0.95N覆蓋層208等的厚度變 化太大，則當(dāng)制造氮化物半導(dǎo)體襯底器件結(jié)構(gòu)時(shí)，它們的電學(xué)和光學(xué)特性有 變化。此外，如果氮化物半導(dǎo)體激光器件在p層厚度顯示大的標(biāo)準(zhǔn)偏差C7的 區(qū)域中制造時(shí)，在通電(energization)過程中會(huì)發(fā)生電流泄漏。這也導(dǎo)致低 成品率。
如上所述，當(dāng)制造氮化物半導(dǎo)體激光器件時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)高成品率，需要 提高生長(zhǎng)在脊上的氮化物半導(dǎo)體薄膜的平整度，包括氮化物半導(dǎo)體激光器件 將被制造的區(qū)域的p層的厚度。為此，本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)明了下面兩種方法 通過一種方法阻礙氮化物半導(dǎo)體薄膜的源材料的原子或分子15遷移或擴(kuò)散或移動(dòng)到溝槽；且通過一種方法有意識(shí)地促進(jìn)氮化物半導(dǎo)體薄膜的源材料的 原子或分子15遷移或擴(kuò)散或移動(dòng)到溝槽。
在上述兩種方法中，阻礙氮化物半導(dǎo)體薄膜的源材料的原子或分子15 遷移或擴(kuò)散或移動(dòng)到溝槽的方法涉及通過使用如圖3所示的其中晶體方向 <0001 >和< 1 -100>均以晶體方向< 11 -20>為旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)或傾斜0a。的襯底而產(chǎn) 生處理過的村底16，即，旋轉(zhuǎn)之后的晶體方向<0001>關(guān)于旋轉(zhuǎn)之前的晶體 方向oooi〉具有ea的傾斜角的襯底，然后在該處理過的襯底上生長(zhǎng)氮化物 半導(dǎo)體薄膜。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)锇雽?dǎo)體薄膜生長(zhǎng)在這種處理過的襯底16 上時(shí)，淀積在脊11的頂部13上的氮化物半導(dǎo)體薄膜的源材料的原子或分子 15更顯著的沿基本平行于<1-100>方向，即，沿平行于溝槽2延伸方向而不 是沿<11-20>方向的方向遷移或擴(kuò)散或移動(dòng)。結(jié)果，淀積在脊11頂部13上 的氮化物半導(dǎo)體薄膜的源材料的原子或分子15被阻礙遷移或擴(kuò)散或移動(dòng)到 溝槽12。這樣，在脊11的頂部13上，氮化物半導(dǎo)體薄膜形成有好的表面平 整度。
另一方面，上述兩種方法中，其中有意識(shí)地促進(jìn)氮化物半導(dǎo)體薄膜的源 材料的原子或分子15遷移或擴(kuò)散或移動(dòng)到溝槽的方法涉及通過使用如圖3 所示、晶體方向<0001 >和< 11 -20>均以晶體方向< 1 -100>為旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)或傾斜 eb。的襯底，即旋轉(zhuǎn)之后的晶體方向<0001>關(guān)于旋轉(zhuǎn)之前的晶體方向<0001>
具有eb傾斜角的襯底而產(chǎn)生處理過的襯底16,然后在該處理過的襯底上生 長(zhǎng)氮化物半導(dǎo)體薄膜。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)锇雽?dǎo)體薄膜生長(zhǎng)在這種處理過的
襯底36上時(shí)，淀積在脊31的頂部33上的氮化物半導(dǎo)體薄膜的源材料的原 子或分子15更顯著地沿基本平行于<11-20>方向的方向，即，沿垂直于溝槽 延伸方向并平行于脊31頂部33的表面的方向而不是沿<1-100>方向的方向 遷移或擴(kuò)散或移動(dòng)。結(jié)果，淀積在脊ll頂部13上的氮化物半導(dǎo)體薄膜的源 材料的原子或分子15被大量促進(jìn)以遷移或擴(kuò)散或移動(dòng)到溝槽12。這樣，盡 管存在波動(dòng)邊界部分37和波動(dòng)方形部分38,淀積在脊31的頂部33上的氮 化物半導(dǎo)體薄膜的源材料的原子或分子15在整個(gè)晶片表面均勻地遷移或擴(kuò) 散或移動(dòng)到溝槽32。這樣，在脊11的頂部13,氮化物半導(dǎo)體薄膜形成有好 的表面平整度。
公知氮化物半導(dǎo)體薄膜例如GaN基半導(dǎo)體薄膜在<11-20>方向比在 <1-100>方向生長(zhǎng)得快。因此，當(dāng)處理過的襯底16通過使用其中晶體方向
23<0001 >和<1 -100>均以晶體方向<11 -20>為旋轉(zhuǎn)軸以ea。旋轉(zhuǎn)的襯底而產(chǎn)生， 然后氮化物半導(dǎo)體薄膜生長(zhǎng)在該處理過的村底16上時(shí)，上述值9a需要足夠 大以促進(jìn)淀積在脊11的頂部13上的氮化物半導(dǎo)體薄膜的源材料的原子或分 子15,使之沿基本平行于<1-100〉方向即沿溝槽12延伸方向遷移或擴(kuò)散或移 動(dòng)，并防止淀積在脊11頂部13的氮化物半導(dǎo)體薄膜的源材料的原子或分子 15沿平行于<11-20>方向即沿垂直于溝槽2延伸方向的方向遷移或擴(kuò)散或移 動(dòng)到溝槽12中。
上述傾斜角6a和eb與p層厚度的標(biāo)準(zhǔn)偏差a之間的關(guān)系在圖6和7中示 出。圖6示出了當(dāng)?shù)锇雽?dǎo)體激光器件通過使用傾斜角ea的絕對(duì)值大于或
等于傾斜角eb的絕對(duì)值的處理過的襯底而制造時(shí)所測(cè)量到的傾斜龜ea與脊
上的p層厚度的標(biāo)準(zhǔn)偏差(7之間的關(guān)系。圖7示出了當(dāng)?shù)锇雽?dǎo)體激光器
件通過使用傾斜角ea的絕對(duì)值小于或等于傾斜角eb的絕對(duì)值的處理過的村 底而制造時(shí)所測(cè)量到的傾斜角eb與脊上的p層厚度的標(biāo)準(zhǔn)偏差cj之間的關(guān)
系。沿圖6和7的水平軸的符號(hào)(+或-)通過任意把與實(shí)際采用的晶片相 交叉的一個(gè)方向當(dāng)作正而確定；這樣，在晶體學(xué)術(shù)語中，符號(hào)+和-是等價(jià)
的，僅傾斜角ea和eb的絕對(duì)值有意義。
圖6示出了下列內(nèi)容。在釆用傾斜角ea的絕對(duì)值大于或等于傾斜角eb
的絕對(duì)值的處理過的襯底的情況下，當(dāng)傾斜角6a的絕對(duì)值為0.09?；蚋髸r(shí)， p層厚度的標(biāo)準(zhǔn)偏差a是0.03 |_im或以下，這樣氮化物半導(dǎo)體激光器件可以以 高成品率制造(見圖5)。即使當(dāng)傾斜角ea的絕對(duì)值小于0.09。時(shí)，只要傾斜
角ea的絕對(duì)值大于傾斜角eb絕對(duì)值的三倍，且此外傾斜角ea的絕對(duì)值大于
0.05。，則p層厚度的標(biāo)準(zhǔn)偏差d是0.03 iim或更小。否則，p層厚度的標(biāo)準(zhǔn) 偏差ct大于0.03 這樣，在生長(zhǎng)表面不可能獲得好的表面平整度，且因此 不可能實(shí)現(xiàn)高成品率。
圖7示出了如下內(nèi)容。在采用傾斜角6a的絕對(duì)值小于或等于傾斜角eb
的絕對(duì)值的處理過的襯底的情況下，當(dāng)傾斜角eb的絕對(duì)值為0.2?；蚋髸r(shí)， p層厚度的標(biāo)準(zhǔn)偏差cy是0.03 pm或以下，并且，當(dāng)傾斜角eb的絕對(duì)值小于 0.2°時(shí)，p層厚度的標(biāo)準(zhǔn)偏差cj大于0.03 nm。即，當(dāng)傾斜角eb的絕對(duì)值為0.2° 或更大時(shí)，可以在生長(zhǎng)表面獲得好的表面平整度，且氮化物半導(dǎo)體激光器件 能以高成品率制造。
在通過為傾斜角eb賦予大絕對(duì)值而獲得好的表面質(zhì)量的方法中，采用晶體方向<0001>和<11-20>均以晶體方向<1- 100>為旋轉(zhuǎn)軸以eb。旋轉(zhuǎn)或傾斜的 處理過的襯底36，這樣晶體方向<0001>關(guān)于垂直于脊31的頂部33的方向以 eb。傾斜。這樣，原子或分子15沿一個(gè)方向遷移或擴(kuò)散或移動(dòng)到溝槽32。這 樣，如圖8所示，生長(zhǎng)在處理過的襯底36上的氮化物半導(dǎo)體薄膜的表面是 傾斜的。圖8示出了采用表面水平高度差檢測(cè)器沿垂直于溝槽32延伸方向 的方向(基本上平行于<11-20>方向)跨越生長(zhǎng)在處理過的襯底36上的氮化 物半導(dǎo)體薄膜表面掃描的結(jié)果。圖8示出了形成在脊31的頂部33上的氮化 物半導(dǎo)體薄膜32表面沿晶體方向傾斜的方向傾斜。然而，脊31的中心部分 的高度，即其上形成氮化物半導(dǎo)體激光器件的脊部的提高部分基本上是均勻 的，且p層厚度也是均勻的。這樣，這些在氮化物半導(dǎo)體激光器件的制造中 不會(huì)引起問題。順便提及，在采用晶體方向<0001>和<1-100>均以晶體方向 <11-20>為旋轉(zhuǎn)軸以03°旋轉(zhuǎn)或傾斜的處理過的村底16時(shí)，氮化物半導(dǎo)體薄膜 的源材料的原子或分子15被阻礙移動(dòng)或擴(kuò)散到溝槽12中，且這樣，當(dāng)?shù)?物半導(dǎo)體薄膜如上所述生長(zhǎng)在處理過的襯底16上時(shí)，形成在脊11頂部13 上的氮化物半導(dǎo)體薄膜的表面不是傾斜的，而是表面是平坦的。這樣，更優(yōu) 選采用晶體方向<0001>和<1-100>均以晶體方向<11-20>為旋轉(zhuǎn)軸以0&°旋轉(zhuǎn)
或傾斜的襯底16。
在襯底的晶體方向被上述位移矢量C偏移的情況下，即，在襯底的晶體
方向以傾斜角ea和eb傾斜的情況下，當(dāng)傾斜角ea的平方與傾斜角eb的平方
之和的平方根為0.2?；蛞陨蠒r(shí)，生長(zhǎng)在處理過的襯底上的氮化物半導(dǎo)體薄膜
具有好的表面平整度。
上述描述涉及溝槽12、 32或42沿平行或基本平行于<1-100>方向延伸 的情況，但在溝槽12、 32或42沿平行或基本平行于<11-20〉方向延伸的情 況下也可以得到類似的優(yōu)點(diǎn)。即使在凹陷區(qū)不但沿平行或基本平行于 <1-100>方向形成，如溝槽12、 32或42,而且沿平行或基本平行于<11-20> 方向形成，使得溝槽形成為格子形的情況下，也可能在脊上形成具有好的表
面平整度的氮化物半導(dǎo)體薄膜。在這種情況下，優(yōu)選設(shè)置傾斜角ea和eb使 得淀積在脊上的氮化物半導(dǎo)體薄膜的源材料的原子或分子沿被溝槽彼此分 隔的脊的長(zhǎng)邊擴(kuò)散或移動(dòng)。
通過如上所述改變襯底的晶體方向的傾斜角，可能在生長(zhǎng)于脊上的氮化 物半導(dǎo)體薄膜上獲得好的表面平整度。當(dāng)上述襯底的晶體方向的傾斜僅包含傾斜角ea或eb或者同時(shí)包含傾斜
角ea和eb時(shí)，即使當(dāng)每個(gè)傾斜角都設(shè)置為小于0.05°時(shí)，在實(shí)際上也難以將 每個(gè)襯底都制造具有小于0.05。的傾角。通常，采用解理(cleavage)來制造 激光發(fā)射端表面。然而，解理發(fā)生在例如沿垂直于{0001}平面的矢量方向的 {11-20}或{1-100}平面內(nèi)，且這樣端部表面是傾斜的。這樣，將傾斜角設(shè)置 為4?；蛞陨鲜沟眯酒y以裂開。因此，優(yōu)選傾斜角即襯底的晶體方向的傾斜 角為0.05。或以上，但在4°或以下。
范例1
接著，將參照相關(guān)附圖描述第一實(shí)施例的實(shí)際范例。應(yīng)該理解，雖然下 面提出的范例涉及作為氮化物半導(dǎo)體器件范例的氮化物半導(dǎo)體激光器件，但 本發(fā)明適用于任何其他類型的氮化物半導(dǎo)體器件。圖IIA是示意性地示出本 范例的氮化物半導(dǎo)體激光器件的截面圖，且圖IIB是圖IIA的俯視圖。圖 9B是示意性地示出在第一實(shí)施例的范例中在氮化物半導(dǎo)體薄膜生長(zhǎng)于其上 之前的處理過的襯底90，且圖9A是圖9B的俯視圖。在圖9A、 9B和IIA、 IIB中，平面方向一起示出，并假設(shè)傾斜角等于零。在圖9A和9B所示的處 理過的襯底卯上，設(shè)置例如如圖20所示構(gòu)造的氮化物半導(dǎo)體多層膜4，以 制造如圖11所示的氮化物半導(dǎo)體激光器件。
首先，處理過的襯底90通過與上述處理過的襯底16、 36和46相同的 方式制造。然而，此處用于制造處理過的襯底90的是具有-0.35。傾斜角ea 和-0.02。傾斜角eb的襯底。溝槽91形成有5 iam的開口寬度W， 5 jim的深 度Y以及相鄰溝槽91之間350 jam的周期。
在如此制造的處理過的村底90上，通過適當(dāng)使用常規(guī)公知技術(shù)例如 MOCVD,設(shè)置了由如圖20所示的多個(gè)氮化物半導(dǎo)體薄膜構(gòu)成的氮化物半導(dǎo) 體多層膜4。此處，首先，n型GaN層200在1075。C生長(zhǎng)溫度和1200的源 材料V/III比(即，包含V族原子的源材料的單位時(shí)間摩爾數(shù)供應(yīng)流速與包 含III族原子的源材料的單位時(shí)間摩爾數(shù)供應(yīng)流速之比)條件下生長(zhǎng)。接著， 在1075。C生長(zhǎng)溫度下，依次設(shè)置下述層n型Al,Ga。.95N的第一覆蓋層201、 n型AlQ.o8GaQ.92N的第二覆蓋層202、n型Al,Gao.95N的第三覆蓋層203和n 型GaN引導(dǎo)層204。接著在頂上，下述層按其命名順序依次設(shè)置有源層 205、 p型Al0.3Ga0.7N蒸發(fā)防止層206、 p型GaN引導(dǎo)層207、 p型Al,Gao.95N覆蓋層208和p型GaN接觸層209。此處，有源層205在約800°C生長(zhǎng)溫度 下生長(zhǎng)，且p型Alo.3Gao.7N蒸發(fā)防止層206、 p型GaN引導(dǎo)層207、 p型 Al0.Q5GaQ.95N覆蓋層208和p型GaN接觸層209在約1030。C生長(zhǎng)溫度下生長(zhǎng)。
這樣，在具有形成于其上的溝槽91和脊92的處理過的襯底90上，設(shè) 置包括多個(gè)氮化物半導(dǎo)體薄膜的氮化物半導(dǎo)體多層膜4。此處，溝槽91的開 口寬度等不限于上述提出的具體值。然而，如果溝槽91的開口寬度X小于 3^irn，當(dāng)?shù)锇雽?dǎo)體多層膜4形成時(shí)，溝槽91容易被填充。這不僅阻礙 出現(xiàn)在氮化物半導(dǎo)體多層膜4內(nèi)部的應(yīng)變的釋放，而且引起淀積在脊92上 的氮化物半導(dǎo)體薄膜的源材料的原子或分子遷移或擴(kuò)散或移動(dòng)到溝槽91中。 這樣，設(shè)置在脊92上的氮化物半導(dǎo)體多層膜4不期望地具有差的表面平整 度。類似地，如果溝槽91的深度Y小于1.5 jim,當(dāng)?shù)锇雽?dǎo)體多層膜4 形成時(shí)，溝槽91不期望地容易被填滿。這樣，優(yōu)選溝槽91的開口寬度X為 3lim或以上，且溝槽91的開口深度Y為1.5iLim或以上。此外，如果形成在 處理過的襯底90上的氮化物半導(dǎo)體多層膜4的總層厚大于溝槽91深度Y的 兩倍，當(dāng)?shù)锇雽?dǎo)體多層膜4設(shè)置在處理過的襯底90上時(shí)，溝槽91不期 望地容易被填滿。這樣，優(yōu)選溝槽91的深度Y大于形成在處理過的襯底90 上的氮化物半導(dǎo)體多層膜4的總厚度的一半。
此外，如果沿基本平行于<11-20>方向的方向上，即沿垂直于溝槽91的 延伸方向且平行于脊92表面的方向上所測(cè)的位于相鄰溝槽91之間的脊92 的寬度小于100pm,則出現(xiàn)在氮化物半導(dǎo)體多層膜4中的應(yīng)變不被釋放，導(dǎo) 致裂紋的產(chǎn)生，而且還難于在脊92上制造氮化物半導(dǎo)體激光器件。另一方 面，如果脊92的寬度大于2000 nm,它們不再防止在氮化物半導(dǎo)體多層膜4 中的裂紋的產(chǎn)生。這樣，優(yōu)選脊92的寬度為100 jim或以上但在2000 pm或 以下。
在氮化物半導(dǎo)體多層膜4中，n型GaN層200 (見圖20 )與AlGaN或其 他層相比，更容易遷移或擴(kuò)散或移動(dòng)。因此，如果n型GaN層200的層厚 大于0.5 生長(zhǎng)在脊92上的n型GaN層200更容易流入溝槽91中。而 且，隨后氮化物半導(dǎo)體多層膜4的總層厚更大，結(jié)果溝槽91容易被氮化物 半導(dǎo)體多層膜4填充。這樣，優(yōu)選n型GaN層200的層厚為0.5 jam或以下。 考慮到遷移，優(yōu)選n型GaN層200的層厚為0 !im,即，生長(zhǎng)/人n型AlQ.Q5GaQ.95N第一覆蓋層201開始。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)設(shè)置由多個(gè)氮化物半導(dǎo)體薄膜組成的氮化物半導(dǎo)體多層膜 4時(shí)，氮化物半導(dǎo)體薄膜的源材料的原子或分子遷移或擴(kuò)散或移動(dòng)的難易隨
著各個(gè)氮化物半導(dǎo)體薄膜生長(zhǎng)所處的生長(zhǎng)條件而變化。為了獲得生長(zhǎng)在脊92 上的氮化物半導(dǎo)體多層膜4的表面的好的平整度，各個(gè)氮化物半導(dǎo)體薄膜需
選作為這種生長(zhǎng)條件的是處理過的襯底的表面溫度為1050°C或以下，且
v/ni比(包含v族原子的源材料的單位時(shí)間的摩爾供應(yīng)流速與包含m族原
子的源材料的單位時(shí)間的摩爾供應(yīng)流速之比)為2250或以上。
測(cè)量了上述具有形成在其上的氮化物半導(dǎo)體多層膜4的處理過的襯底 90的表面的表面平整度。沿基本上平行于<1-100>方向即沿平行于溝槽91 延伸方向的方向所測(cè)量的表面平整度的測(cè)量結(jié)果在圖10中示出。測(cè)量是在 脊92的中心部分進(jìn)行的。此處，如同將從圖IO的圖表中理解的，在所測(cè)量 的600 nm寬度區(qū)域范圍內(nèi)，表面的最高和最低部分的水平高度差為約20 nm,且因此與在處理過的襯底6通過使用具有幾乎零(0.02?；蚋?傾斜 角的晶片而制造然后在其上生長(zhǎng)氮化物半導(dǎo)體多層膜4的情況下獲得的測(cè)量 結(jié)果(300nm)相比是非常小的。這樣，獲得了好的表面平整度。
此外，通過如上所述在處理過的襯底90上形成氮化物半導(dǎo)體多層膜4, 制造了圖IIA和11B所示的氮化物半導(dǎo)體激光器件。該氮化物半導(dǎo)體激光 器件具有用作激光波導(dǎo)的激光條93和設(shè)置成將激光條93夾在中間的用于電 流限制(current constriction)的Si02膜94，它們位于在處理過的襯底90的 脊92上所形成的氮化物半導(dǎo)體多層膜4的表面上，其中該處理過的襯底90 具有形成于其上的溝槽91。然后，在激光條93和Si02膜94的表面上，形 成p側(cè)電極95,且在處理過的襯底90的底表面上形成n型電極96。形成在 p側(cè)電極95表面上的直接位于激光條93上的升高部分稱為條紋97。
理過的襯底90上設(shè)置氮化物半導(dǎo)體多層膜4然后適當(dāng)使用常規(guī)公知技術(shù)而 制造，因此將不給出其制造方法等的詳細(xì)描述。然后，通過在處理過的襯底 90 (晶片)上設(shè)置氮化物半導(dǎo)體多層膜4而如此制造的多個(gè)氮化物半導(dǎo)體激 光器件可以被分為單個(gè)器件。此處，首先， 一部分處理過的襯底卯被除去 使得晶片具有約100pm厚度。然后，作為n型電極96,在處理過的襯底90
28底表面上，Hf/Al層從處理過的襯底卯一側(cè)按此序形成。接著，晶片被沿著
基本平行于<11-20>方向即垂直于溝槽91延伸方向且平行于脊92表面的方 向解理以形成諧振腔端面。這樣，制造了每個(gè)都設(shè)置有多個(gè)氮化物半導(dǎo)體激 光器件的條(bar)(未示出)。在此范例中，氮化物半導(dǎo)體的解理面是{11-20} 平面，并以9a。傾斜角傾斜。這引起晶片將難于解理且難于獲得好的解理表 面的擔(dān)心。然而，實(shí)際證明，只要傾斜角為4。或以下，就可以獲得好到足以 用作氮化物半導(dǎo)體激光器件解理面的解理表面。此處，優(yōu)選氮化物半導(dǎo)體激 光器件的諧振腔長(zhǎng)度為300 |Lim或以上但在1200 )um或以下。在此范例中， 諧振腔長(zhǎng)度為600 iLim。此外，在如上所述通過解理晶片形成的諧振腔端面 上，Si02和Ti02電介質(zhì)膜通過電子束淀積等交替氣相淀積以形成電介質(zhì)多 層膜。這些電介質(zhì)多層膜的材料不限于Si02/Ti02,而是可以為Si02/Al203 等。n型電極96的材料不限于那些上面具體提到的，而是可以為 Hf/Al/Mo/Au、 Hf/Al/Pt/Au、 Hf/Al/W/Au、 Hf/Au、 Hf/Mo/Au等。
在與圖11所示的類似的氮化物半導(dǎo)體激光器件中，p側(cè)電極95從氮化 物半導(dǎo)體多層膜4 一側(cè)由例如Mo/Au或Mo/Pt/Au形成，或者由單層Au形 成。在此范例中，SiOJ莫94用作用于電流限制的絕緣層；取代地，可以采 用任何其他的絕緣材料例如ZrO、 7102或Si3N4。
然后如此制造的條被分割成芯片以獲得單個(gè)的氮化物半導(dǎo)體激光器件。 由于此分割是通過常規(guī)公知技術(shù)進(jìn)行的，因此將不給出其詳細(xì)描述。
在如此制造的氮化物半導(dǎo)體激光器件中，沒有觀察到裂紋的發(fā)生。此外， 從制造的本范例的多個(gè)氮化物半導(dǎo)體激光器件中，隨機(jī)抽取100個(gè)氮化物半 導(dǎo)體激光器件，并測(cè)量了沿水平和垂直方向的它們的FFP(遠(yuǎn)場(chǎng)圖案，far-field pattern)的FWHM (半極大值全寬，fUll width at half maximum )。此處，其 實(shí)際FFP FWHM在設(shè)計(jì)值的士l度范圍的氮化物半導(dǎo)體激光器件被算作是無 缺陷的。結(jié)果是94個(gè)氮化物半導(dǎo)體激光器件滿足其FFP的FWHM的要求， 顯示了很高的成品率。
如上所述，通過在具有ea和eb傾斜角的處理過的村底90上生長(zhǎng)多個(gè)氮 化物半導(dǎo)體薄膜而形成氮化物半導(dǎo)體多層膜4，可能減少p層厚度的變化并 因此在氮化物半導(dǎo)體薄膜上獲得好的平整度，也可能抑制裂紋的產(chǎn)生且因此 以高成品率制造具有滿意特性的氮化物半導(dǎo)體激光器件。范例2
在此范例中，處理過的襯底以與范例l相同的方法制造。不同之處在于 用于制造處理過的襯底的襯底具有-0.05的傾斜角ea和-O.39。的傾斜角0b;溝 槽的開口寬度為80pm;且相鄰溝槽之間的間距為300pm。在其他方面，氮 化物半導(dǎo)體激光器件以與范例l相同的方式制造。
在此范例中，如范例1一樣，在氮化物半導(dǎo)體多層膜4設(shè)置在處理過的 襯底上以后，測(cè)量了形成在脊上的氮化物半導(dǎo)體多層膜4的表面的表面平整 度。在所測(cè)量的600pm寬度區(qū)域中，表面的最高和最低部分之間的水平高 度差為24nm,且這樣獲得了好的表面平整度。
此外，從本范例制造的多個(gè)氮化物半導(dǎo)體激光器件中，隨機(jī)抽取100個(gè) 氮化物半導(dǎo)體激光器件，并測(cè)量了它們沿水平和垂直方向的FFP(遠(yuǎn)場(chǎng)圖案) 的FWHM (半極大值全寬)。此處，其實(shí)際FFP FWHM在設(shè)計(jì)值的士l度范 圍的氮化物半導(dǎo)體激光器件被算作是無缺陷的。結(jié)果是91個(gè)氮化物半導(dǎo)體 激光器件滿足其FFP的FWHM的要求，顯示了很高的成品率。
范例3
在此范例中，處理過的襯底以與范例1相同的方法制造。不同之處在于 用于制造處理過的襯底的襯底具有0.21。的傾斜角0a和-O.21。的傾斜角eb。在 其他方面，氮化物半導(dǎo)體激光器件以與范例l相同的方式制造。
在此范例中，如范例l一樣，在氮化物半導(dǎo)體多層膜4設(shè)置在處理過的 襯底上以后，測(cè)量了形成在脊上的氮化物半導(dǎo)體多層膜4的表面的表面平整 度。在所測(cè)量的600!im寬度區(qū)域中，表面的最高和最低部分之間的水平高 度差為10nm,因而獲得了好的表面平整度。
此外，從本范例制造的多個(gè)氮化物半導(dǎo)體激光器件中，隨機(jī)抽取100個(gè) 氮化物半導(dǎo)體激光器件，并測(cè)量了它們沿水平和垂直方向的FFP(遠(yuǎn)場(chǎng)圖案) 的FWHM (半極大值全寬)。此處，其實(shí)際FFP FWHM在設(shè)計(jì)值的士i度范 圍的氮化物半導(dǎo)體激光器件被算作是無缺陷的。結(jié)果是97個(gè)氮化物半導(dǎo)體 激光器件滿足其FFP的FWHM的要求，顯示了很高的成品率。
范例4
在此范例中，處理過的襯底以與范例l相同的方法制造。不同之處在于用于制造處理過的襯底的村底具有0.10。的傾斜角ea和-0.02。的傾斜角eb;在 構(gòu)成氮化物半導(dǎo)體多層膜4的各層中，n型GaN層200、 n型Alo.o5Gao.95N第 —覆蓋層201、 n型Alo.Q8Gao.92N第二覆蓋層202、 n型Alo.Q5Ga。.95N第三覆蓋 層203和n型GaN引導(dǎo)層204在1030。C的生長(zhǎng)溫度下生長(zhǎng)；且n型GaN 層200和n型GaN引導(dǎo)層204在源材料的V/III比為4500的條件下生長(zhǎng)。 在其他方面，氮化物半導(dǎo)體激光器件以與范例l相同的方式制造。
在此范例中，如范例l一樣，在氮化物半導(dǎo)體多層膜4設(shè)置在處理過的 襯底上以后，測(cè)量了形成在脊上的氮化物半導(dǎo)體多層膜4的表面的表面平整 度。在所測(cè)量的600pm寬的區(qū)域中，表面的最高和最低部分之間的水平高 度差為28nm,且這樣獲得了好的表面平整度。
此外，從本范例制造的多個(gè)氮化物半導(dǎo)體激光器件中，隨機(jī)抽取100個(gè) 氮化物半導(dǎo)體激光器件，并測(cè)量了它們沿水平和垂直反向的FFP(遠(yuǎn)場(chǎng)圖案) 的FWHM (半極大值全寬)。此處，其實(shí)際FFP FWHM在設(shè)計(jì)值的士l度范 圍的氮化物半導(dǎo)體激光器件被算作是無缺陷的。結(jié)果是90個(gè)氮化物半導(dǎo)體 激光器件滿足其FFP的FWHM的要求，顯示了很高的成品率。
如上所述，在此范例中，襯底的傾斜角比范例1到3中的小。然而，在 構(gòu)成氮化物半導(dǎo)體多層膜4的各層中，n型GaN層200、 n型Alo.05Gao.95N第 一覆蓋層201 、 n型Alo.Q8Gao.92N第二覆蓋層202、 n型Alo.05Gao.95N第三覆蓋 層203和n型GaN引導(dǎo)層204在阻礙遷移的條件下生長(zhǎng)。這有助于以高成 品率制造具有滿意特性的氮化物半導(dǎo)體激光器件。
第二實(shí)施例 溝槽的形成
圖12A是示意性地示出圍繞具有設(shè)置于其上的氮化物半導(dǎo)體多層膜的 處理過的襯底的溝槽的部分的透視圖，且圖12B是沿圖12A所示的線A-A 所取的截面圖。參考標(biāo)號(hào)120表示處理過的襯底，參考標(biāo)號(hào)121表示氮化物 半導(dǎo)體多層膜，且參考標(biāo)號(hào)122表示溝槽。
在此實(shí)施例中，采用表面為C平面(OOOl)的氮化物半導(dǎo)體村底。首先， 在氮化物半導(dǎo)體襯底的整個(gè)表面上，Si02等(未示出)通過濺射而氣相淀積 為具有l(wèi) iam的膜厚。Si02等的膜可以通過其他方法例如電子束氣相淀積或 等離子體CVD而形成。接著，通過通常的光刻工藝，抗蝕劑設(shè)置為沿[1-100]方向具有5jLim寬 度(在圖12中以W表示)的條形窗口和250 ^m周期(在圖12B中以T表 示)的圖案。此周期T依賴于半導(dǎo)體激光芯片的寬度；具體地，當(dāng)芯片具有 200)im寬度時(shí)，周期T設(shè)為200jim。然后，通過ICP (感應(yīng)耦合等離子， inductively coupled plasma )、 RIE(反應(yīng)離子刻蝕，reactive ion etching )等， Si02被蝕刻從而以5pm寬度暴露氮化物半導(dǎo)體襯底的表面，且因此形成用 于在氮化物半導(dǎo)體襯底上形成溝槽的Si02掩模。然后，氮化物半導(dǎo)體村底被 刻蝕以形成溝槽122。這樣，具有形成在其上的溝槽的氮化物半導(dǎo)體襯底被 稱為處理過的襯底120。
溝槽122的深度(在圖12B中以D表示)為例如5^im。此處，優(yōu)選溝 槽122的深度D為2|am或以上但在20nm或以下。如果深度D小于2^m, 溝槽122可能被氮化物半導(dǎo)體多層膜121填充。如果溝槽122被填充，裂紋 可能產(chǎn)生，在表面內(nèi)層厚可能變得不均勻，而且產(chǎn)生其他問題。然而，如果 氮化物半導(dǎo)體多層膜121的總層厚為4pm或以下，只要包括兩端的深度D 在從l(im到2pm范圍內(nèi)，就可能防止裂紋并保持平整。在另一方面，如果 深度D大于20pm,在光刻和拋光工藝中會(huì)產(chǎn)生問題。例如，在光刻工藝中， 在處理過的襯底120表面上的抗蝕劑的厚度傾向于不均勻，且這樣抗蝕劑在 未被充分曝光處可以保持，另一方面，在拋光工藝中，當(dāng)晶片為芯片分割準(zhǔn) 備被拋光來減薄為約100|im時(shí)，晶片可能;皮裂。
優(yōu)選溝槽122的寬度W為lpm或以上。如果寬度W小于lfim，當(dāng)?shù)?化物半導(dǎo)體多層膜121生長(zhǎng)時(shí)，溝槽122被完全填充。這是因?yàn)閺臏喜?22 兩邊緣生長(zhǎng)的氮化物半導(dǎo)體多層膜121在溝槽頂端形成橋，并在溝槽122上 相接。當(dāng)溝槽122被填充時(shí)，裂紋可能產(chǎn)生，在表面內(nèi)層厚可能變得欠均勻， 而且產(chǎn)生其他問題。
此處，溝槽122完全不同于為了減少?gòu)谋砻鏀U(kuò)展到晶體生長(zhǎng)膜的缺陷密 度而利用橫向(水平)生長(zhǎng)效應(yīng)以在襯底上形成溝槽的技術(shù)。在橫向生長(zhǎng)中， 為了獲得水平生長(zhǎng)效應(yīng)，溝槽通常以約等于或小于形成的層的膜厚的間距而 形成，而且即使在溝槽到溝槽間距最大的情況下，以約三倍于該膜厚的間距 形成。
作為對(duì)比，在此實(shí)施例中，溝槽122不是為了上述目的而形成，而是為 了防止裂紋的目的。此處的間距與氮化物半導(dǎo)體激光器件的寬度處于相同量級(jí)，具體地，最小約為O.lmm。此外，筒單地形成溝槽22導(dǎo)致顯著降低的 平整度。這樣，優(yōu)選間距(周期)為4mm或更小。如果間距(周期)大于 4mm,不可能有效地釋放出現(xiàn)在膜中的晶格應(yīng)變和熱膨脹系數(shù)差異導(dǎo)致的應(yīng) 變，因此產(chǎn)生裂紋。這樣，優(yōu)選溝槽122的間距(周期)為O.lmm或更大 {旦在4mm或以下。
然后，在蝕刻之后，Si02被例如HF的蝕刻劑完全除去，以完成在氮化 物半導(dǎo)體多層膜121生長(zhǎng)之前的襯底處理。
在上述描述中，通過氣相蝕刻來蝕刻Si02和氮化物半導(dǎo)體襯底；作為選 擇，它們可以用處于液相的蝕刻劑而蝕刻。采用蝕刻的溝槽形成可以在首先 生長(zhǎng)氮化物半導(dǎo)體層GaN、 InGaN、 AlGaN、 InAlGaN等之后進(jìn)行。即,也 可能首先生長(zhǎng)氮化物半導(dǎo)體層，然后形成溝槽122,然后生長(zhǎng)氮化物半導(dǎo)體 多層膜121。
在采用氮化物半導(dǎo)體襯底以外的襯底(例如藍(lán)寶石、SiC、 Si或GaAs 襯底)的情況下，首先形成GaN、 InGaN、 AlGaN、 InAlGaN等氮化物半導(dǎo) 體層，然后生長(zhǎng)氮化物半導(dǎo)體多層膜121。
氮化物半導(dǎo)體多層膜的外延生長(zhǎng)
圖13A是氮化物半導(dǎo)體器件的前視圖，且圖13B是圖13A的俯視圖。 圖14是圖13所示的部分B的截面圖。現(xiàn)在，參照?qǐng)D14,將描述氮化物半 導(dǎo)體器件如何制造。
首先，在MOCVD機(jī)上，使用藍(lán)3作為V族源材料且TMGa (三曱基 鎵)或TEGa (三乙基鎵)作為m族源材料，硅烷(SiH4)作為添加于其中 摻雜源材料，在1100。C襯底溫度下，具有0.2|im膜厚的n型初始GaN層 123形成于處理過的襯底120上。初始GaN層123是氮化物半導(dǎo)體初始層的 例子；取代地，可以采用任何其他的氮化物半導(dǎo)體初始層，例如AlGaN、 AlInGaN、 AlGaNP或AlGaNAs。
接著，在1050。C襯底溫度下，通過使用V族源材料例如TMA1 (三曱 基鋁)或TEA1 (三乙基鋁)，生長(zhǎng)三層n型覆蓋層，從初始GaN層123 — 側(cè)其包括具有2.3nm層厚的n型Alo^Gao.^N覆蓋層124、具有0.2|im層 厚的n型AlQ.o8Gao.92N覆蓋層125和具有1.0|im層厚的n型AlQ.Q5Gao.95N覆 蓋層126。作為n型雜質(zhì)，添加了 5x 1017到1 x 10力cm3的硅。接著，n型GaN光導(dǎo)層(具有1 x 1016到1 x l018/cm3的Si雜質(zhì)濃度) 127生長(zhǎng)到具有0.2ium厚度。
然后，襯底溫度P爭(zhēng)低到800°C,且按下面順序生長(zhǎng)包括三個(gè)周期的均具 有4nm厚度的IncuGao.gN阱層與均具有8nm厚度的InQ.G1GaQ.99N勢(shì)壘層組合 的有源層(具有多量子阱結(jié)構(gòu))128:勢(shì)壘層、阱層、勢(shì)壘層、阱層、勢(shì)壘 層、阱層和勢(shì)壘層。優(yōu)選在勢(shì)壘層和阱層之間或在阱層和勢(shì)壘層之間生長(zhǎng)中 斷1秒或以上但在180秒或以下，因?yàn)檫@樣做有助于提高各層的平整度且因 此減少光發(fā)射FWHM。此處，可以任意避免添加SiH4到勢(shì)壘層或勢(shì)壘層和 阱層。
在As添加到有源層128的情況下，AsH3 (砷化三氫)或TBAs (三丁 基砷)用作源材料。在P添加到有源層128的情況下，PH3 (磷化氬)或TBP (三丁基磷)用作源材料。在Sb添加到有源層128的情況下，TMSb (三曱 基銻)或TESb (三乙基銻)用作源材料。當(dāng)有源層128形成時(shí)，作為N的 源材料，取代NH"可以釆用任何其他源材料，例如N2H"聯(lián)氨，hydrazine )、 C2N2H8 ( 二曱肼，dimethylhydrazine )或任何其他含N的源材料。
接著，襯底溫度升高到1000。C,且下面的層依次生長(zhǎng)具有0.02pm厚 度的p型AlQ.2Ga。.8N載流子阻隔層129、具有0.02)_im厚度的p型GaN光導(dǎo) 層130、具有5lam厚度的p型Alo.o5Gao.9sN覆蓋層131和具有O.liam厚度的 p型GaN接觸層132。作為用于p型雜質(zhì)的源材料，采用EtCP2Mg (二乙基 環(huán)戊二烯基鎮(zhèn),bisethylcyclopentadienylmagnesium), 且Mg以1 x 1018到2 x 102Q/cm3的濃度添加。優(yōu)選p型GaN接觸層132朝向p電極133具有越來 越高的p型雜質(zhì)濃度。這有助于減少由p電極133引起的接觸電阻。為了除 去阻礙用作p型雜質(zhì)的Mg的激活的在p型層中剩余的氫，在p型層的生長(zhǎng) 中可以混合微量的氧。
如上所述制造的各個(gè)氮化物半導(dǎo)體多層膜121的厚度之和約為3.58|^m。 氮化物半導(dǎo)體多層膜121由初始GaN層123、 n型Alo.05Gao.95N覆蓋層124、 n型AlQ.()8Gao.92N覆蓋層125、 n型Alo.05Gao.95N覆蓋層126、 n型GaN光導(dǎo) 層127、有源層128、 p型AlQ.2Gao.8N載流子阻隔層129、 p型GaN光導(dǎo)層 130、 p型Alao5Ga().95N覆蓋層131和p型GaN接觸層132組成。
在p型GaN接觸層132生長(zhǎng)之后，在MOCVD機(jī)的反應(yīng)器內(nèi)的所有氣 體被氮載氣和NH3取代，且溫度以60。C/min的速度降低。當(dāng)襯底溫度變?yōu)榈扔?0°C時(shí)，NH3的供應(yīng)停止，然后該襯底溫度保持5分鐘，然后襯底溫 度降低到室溫。此處，優(yōu)選襯底所保持的溫度在650。C到900。C之間，且在 該溫度處所保持的時(shí)間為3分鐘或以上但在IO分鐘或以下。此外，優(yōu)選溫 度降低的速度為30。C/min或以上。
如上所制造的氮化物半導(dǎo)體多層膜121通過拉曼(Raman )測(cè)量而評(píng)價(jià)。 結(jié)果是，在晶片從MOCVD機(jī)中取出后，即使沒有進(jìn)行p型化的退火，仍然 在生長(zhǎng)之后立刻觀察到了 p型特征(Mg被激活了 )。此外，由于p電極133 的形成所導(dǎo)致的接觸電阻更低。上述方法可以與常規(guī)p型化的退火相結(jié)合以 實(shí)現(xiàn)更高的Mg激活速率。
在上述實(shí)施例中，有源層128被如此構(gòu)建使得以勢(shì)壘層開始并以勢(shì)壘層 結(jié)束；取代地，它也可以被如此構(gòu)建使得以阱層開始并以阱層結(jié)束。阱層的 數(shù)目不限于上述具體提出的三個(gè)，而是可以為十個(gè)或以下，因?yàn)檫@種情況下 它們提供低的域值電流密度并能在室溫持續(xù)振蕩。阱層數(shù)目的特別優(yōu)選范圍 是從兩個(gè)到六個(gè)，因?yàn)榇藭r(shí)它們提供特別低的域值電流密度。上述有源層128 可以額外地包含A1。此處，沒有作為雜質(zhì)的Si添加到組成有源層的阱層和 勢(shì)壘層128;然而，可以添加雜質(zhì)。添加例如Si的雜質(zhì)到有源層128傾向于 提高光發(fā)射密度。除了 Si，這樣的雜質(zhì)包括O、 C、 Ge、 Zn和Mg，且這些 可以單獨(dú)使用或者其中的兩個(gè)或多個(gè)組合使用。優(yōu)選添加的雜質(zhì)的總量為約 lxio"到8xl018/cm3。雜質(zhì)可以添加到阱層和勢(shì)壘層或者只添加到阱層或 勢(shì)壘層。
p型Al(uGao.8N載流子阻隔層129可以具有除了上述具體提出的以外的 任何其他組分。具有添加于其中的In的AlGaN即使在低溫下生長(zhǎng)時(shí)也發(fā)生 p型化(p-typification)。這有助于減少有源層128在晶體生長(zhǎng)過程中受到的損 壞，因此是優(yōu)選的。載流子阻隔層129本身可以被省略，但設(shè)置它則有助于 低的域值電流密度。這是因?yàn)檩d流子阻隔層129用于封住有源層128中的載 流子。p型Alo.2Gao.sN載流子阻隔層129中的Al組分越高，就有越高密度的 載流子被封住，因此就更好。在另一方面，優(yōu)選減少Al組分，只要能保持 載流子被封住(enclosure),因?yàn)檫@樣做有助于提高在載流子阻隔層129中 的載流子遷移率，因此有助于減少那里的電阻。
在上述實(shí)施例中，n型覆蓋層124到126和p型覆蓋層131每個(gè)都是由 Al0.o5GaQ.95N或Alo.osGao.92N晶體形成的。取代地，可以采用具有除了 0.05
35或0.08之外的Al組分的AlGaN晶體。在這些層中的Al組分越高，它們的 能隙和折射率與有源層128的差就越大。這有助于有效地封住(enclose)有 源層128中的載流子和光，并有助于減少激光振蕩的域值電流密度。在另一 方面，只要保持載流子和光被封住，減少Al組分有助于提高在覆蓋層124 到126中的載流子遷移率，并有助于降低器件的工作電壓。
在上迷實(shí)施例中，n型AlGaN覆蓋層124到126具有三層結(jié)構(gòu)。這允許 垂直橫向模式具有單峰，提高了光阻隔效率，并有助于提高激光的光學(xué)特性 并減少激光域值電流密度。n型AlGaN覆蓋層的數(shù)目可以為三以外的其他數(shù) 目；即，可以采用一個(gè)或多個(gè)而不引起任何問題。在上述描述中，覆蓋層由 三元素混合晶體形成，即AlGaN;取代地，可以采用四元素混合晶體，例如 AlInGaN、 AlGaNP或AlGaNAs。為了低的電阻，p型覆蓋層130可以具有 包括p型AlGaN層和p型GaN層的超晶格結(jié)構(gòu)，或者包括p型AlGaN層和 p型AlGaN層的超晶格層，或者包括p型AlGaN和p型InGaN層的超晶格 結(jié)構(gòu)。
氮化物半導(dǎo)體多層膜的特性
在本實(shí)施例所制造的氮化物半導(dǎo)體多層膜121中，沒有觀察到裂紋。此 外，表面內(nèi)的表面平整度在觸摸探針型水平高度差檢測(cè)計(jì)(touch-probe-type level difference tester)上進(jìn)行測(cè)量。圖15示出了氮化物半導(dǎo)體多層膜121在 [l-100]方向的表面平整度的測(cè)量結(jié)果。結(jié)果顯示，在所測(cè)量的600|am范圍 內(nèi)，表面粗糙度(Ra)為100A或以下，且顯示獲得了具有很小的表面不規(guī) 則性的平整表面。還在襯底的整個(gè)表面詳細(xì)測(cè)量了 Ra,且結(jié)果顯示獲得了 平整表面。
此外，在SEM (掃描電子顯微鏡)下，測(cè)量了氮化物半導(dǎo)體多層膜121 的各層厚度在襯底表面內(nèi)的分布。結(jié)果顯示，表明變化程度的標(biāo)準(zhǔn)偏差的數(shù) 值小至最大為5%。即，發(fā)現(xiàn)多層膜的各層的厚度是均勻的。
器件分割工藝
接著，將給出把具有設(shè)置在脊12上的氮化物半導(dǎo)體多層膜121的晶片 從MOCVD機(jī)中取出然后將晶片處理為氮化物半導(dǎo)體器件芯片的工藝描述。 首先，形成充當(dāng)激光波導(dǎo)區(qū)的脊條紋部分134。這是通過從外延晶片表面?zhèn)鹊絧型覆蓋層131的中間或底端而蝕刻外延晶片使得剩下條紋形部分而
形成的。此處，條紋寬度為1到3(im且優(yōu)選1.3到2!im。然后，絕緣膜135 形成在脊條紋部分134以外的地方。此處，絕緣膜135可以由AlGaN形成。 由于p形GaN接觸層132的保持未蝕刻的部分是暴露的，在此部分上以及 在絕緣膜135上，通過依次氣相淀積Pd/Mo/Au而形成p電極133。
此處，絕緣膜135可以由除了上述具體提到的以外的材料形成，例如鈦、 鋯、鉭、鋁等的氧化物或氮化物。p電極(216 )可以取代地由Pd/Pt/Au、 Pd/Au 或Ni/Au形成。
此外，外延晶片的底表面(氮化物半導(dǎo)體襯底的表面)被拋光以使晶片 為80到200pm厚，從而利于后面進(jìn)行的晶片的分割。n電極136通過在底 表面120上依次設(shè)置Hf/Al而形成。n電極136可以取代地由Hf/Al/Mo/Au、 Hf/Al/Pt/Au、 HPA1/W/Au、 HfAu、 HfMo/Au或者在這些之一中用Ti或Zr 取代Hf的改進(jìn)組合。
最后，外延晶片沿垂直于脊條紋方向的方向被解理以產(chǎn)生具有600|am 諧振腔長(zhǎng)度的法布理-玻羅(Fabry-P6rot)諧振腔。優(yōu)選諧振腔長(zhǎng)度為250jim 到1000nm。通過此工藝，晶片被分割成條，每條都具有橫向延伸的連接在 一起的氮化物半導(dǎo)體器件陣列。具有沿<1-100>方向形成的脊條紋部分134 的氮化物半導(dǎo)體器件的諧振腔端面是氮化物半導(dǎo)體晶體的{1-100}平面。取代 在端面反饋，可以采用通過設(shè)置在內(nèi)部的折射光柵(diffraction gratings)實(shí) 現(xiàn)反饋的DFB (分布式反饋)，或者通過設(shè)置在外部的折射光柵實(shí)現(xiàn)反饋的 DBR (分布式布拉格反射器)。
在Fabry-P6rot的諧振腔端面形成后，具有約80 %的反射率的Si02和Ti02 電介質(zhì)膜交替氣相淀積在這些端面以形成電介質(zhì)多層反射膜(未示出)。電 介質(zhì)多層反射膜可以由任何其他電介質(zhì)材料形成。此后，條被分割成單個(gè)的 器件以獲得圖13所示的氮化物半導(dǎo)體器件。該器件具有設(shè)置在其中間的激 光波導(dǎo)區(qū)(脊條紋部分134),并具有250pm的橫向?qū)挾取?br> 氮化物半導(dǎo)體器件的特性
在整個(gè)實(shí)驗(yàn)中，證實(shí)氮化物半導(dǎo)體器件在下面條件下實(shí)現(xiàn)了 5000小時(shí) 或以上的激光振蕩壽命振蕩波長(zhǎng)405士2nm;激光輸出60mW;環(huán)境溫度 70。C。此外，獲得了具有小的表面不規(guī)則性的平坦表面，且在村底表面內(nèi)氮化物半導(dǎo)體多層膜121的各層厚度是高度均勻的。這樣，在各個(gè)器件中具有 很小的特性的變化，從而提供了高可靠性。結(jié)果，減少了具有不滿足無缺陷 器件要求特性的器件的數(shù)目，提高了成品率。
表面平整度與裂紋產(chǎn)生之間的關(guān)系
現(xiàn)在，將給出觀察到的當(dāng)初始GaN層123隨溝槽122的深度D和寬度 W而變化時(shí)表面平整度與裂紋產(chǎn)生之間的關(guān)系。圖16示出了當(dāng)初始GaN層 123的厚度從0變化到2.0pm時(shí)觀測(cè)到的氮化物半導(dǎo)體多層膜121的表面粗 糙度的測(cè)量結(jié)果。
在先前進(jìn)行的整個(gè)實(shí)驗(yàn)中，公知對(duì)于器件特性和器件壽命的變化允許的 表面粗糙度的范圍是300A或以下。該厚度300A相當(dāng)于當(dāng)p型層具有0.62jim 厚度時(shí)器件總厚度的約5%。此外，如果表面粗糙度為5%,表明可比較的 (comparable)變化存在于各層厚度中(此處，p型層的厚度)。p型層厚度 的變化最影響激光特性。當(dāng)作為電流限制結(jié)構(gòu)的脊條紋部分134形成時(shí)，p 層的2|am寬的部分被剩余作為脊條紋部分134,且剩余部分被通過氣相蝕刻 例如ICP而蝕刻。由于公知最顯著影響激光特性的是脊條紋部分134的高度， 即從有源層128到被蝕刻區(qū)的距離，如果p型層厚度在襯底表面內(nèi)不同位置 處是變化的，激光特性隨著變化。這樣，大的表面粗糙度不僅導(dǎo)致低的成品 率，而且不利地影響器件壽命。
圖16示出當(dāng)初始GaN層123的厚度為0.5nm或以下時(shí)，表面粗糙度為 300A或以下。這樣，優(yōu)選用在此實(shí)施例中的初始GaN層123的厚度為0.5|am 或以下。在氮化物半導(dǎo)體多層膜121包括初始GaN層123以外的GaN的情 況下，優(yōu)選在氮化物半導(dǎo)體多層膜121中的GaN層的總厚度為氮化物半導(dǎo) 體多層膜121的總層厚的15%或以下。
這樣，進(jìn)行了充分地研究以發(fā)現(xiàn)為什么當(dāng)初始GaN層123的厚度大于 0.5mm時(shí)，導(dǎo)致如圖16所示的大的表面粗糙度，換句話說，在表面內(nèi)出現(xiàn) 大的層厚分布。通過該研究，發(fā)現(xiàn)氮化物半導(dǎo)體多層膜121的各層厚度變化 是因?yàn)楫?dāng)?shù)锇雽?dǎo)體多層膜121外延生長(zhǎng)時(shí)，初始GaN層123受到其影 響。
圖17A是帶有具有好的平整度的氮化物半導(dǎo)體多層膜121的處理過的村 底120的截面圖，且圖17B是帶有具有差的平整度的氮化物半導(dǎo)體多層膜121的處理過的村底120的截面圖?，F(xiàn)在，將參照?qǐng)D12和17A、 17B給出產(chǎn) 生氮化物半導(dǎo)體多層膜121的各層的厚度變化的生長(zhǎng)機(jī)制模型的詳細(xì)描述。
發(fā)現(xiàn)當(dāng)垂直于氮化物半導(dǎo)體多層膜121在圖12所示的溝槽122以外的 表面137的線
與垂直于在溝槽122頂端的側(cè)壁表面122a的線R之間的 角e小于60。時(shí)，出現(xiàn)大的氮化物半導(dǎo)體多層膜121的各層厚度的變化。在這 種情況下，如圖17B所示，氮化物半導(dǎo)體多層膜121流入溝槽122。發(fā)生該 流入是因?yàn)樵诘锇雽?dǎo)體多層膜121外延生長(zhǎng)時(shí)已經(jīng)到達(dá)表面13 7的源材 料(主要是Ga)通過表面遷移來促進(jìn)從而流入溝槽122。
如圖21所示，當(dāng)初始GaN層123的厚度為1.0|Lim時(shí)，氮化物半導(dǎo)體多 層膜121的表面平整度是這樣的其最高和最低部分的水平高度差為300nm, 顯示出表面具有大的表面不規(guī)則性。
此外，在襯底表面內(nèi)氮化物半導(dǎo)體多層膜121的層厚變化在反射膜厚探 測(cè)器上進(jìn)行了評(píng)價(jià)。此處，對(duì)從反射膜厚探測(cè)器獲得的反射峰輪廓進(jìn)行了快 速傅立葉變換處理(FFT),并基于其間具有各層之中最大的折射率差的p 型載流子阻隔層129與p型GaN光導(dǎo)層130之間界面的反射峰，評(píng)價(jià)了在 襯底表面內(nèi)的p型層厚度分布。此處，p層的厚度表示下面三層的總厚度p 型GaN光導(dǎo)層130、 p型AlGaN覆蓋層131和p型GaN接觸層132。結(jié)果 發(fā)現(xiàn)，當(dāng)初始GaN層123的厚度為0.5|im或更大時(shí)，在襯底表面內(nèi)層厚度 的變化程度(標(biāo)準(zhǔn)偏差)為5 %或更大。
此外，在SEM下詳細(xì)觀察了在溝槽122中的生長(zhǎng)。下面將參照?qǐng)D12和 18詳細(xì)描述所觀測(cè)到的。圖18是具有其中初始GaN層123具有0.5pm或以 下厚度的氮化物半導(dǎo)體多層膜121的處理過的襯底的截面圖。圖18示出了 當(dāng)初始GaN層123具有0.5nm或以下厚度時(shí)，在溝槽122上端的厚度比在 表面137上的平坦區(qū)E的厚度大H。厚度差H為0.2到1.5|am。
此外，在這種情況下，垂直于圖12所示的氮化物半導(dǎo)體多層膜121除 了溝槽122以外的表面137的線
與垂直于溝槽122頂端的側(cè)壁表面 122a的線R之間的角e大于60°。具有角0等于6O。的表面被認(rèn)為是相應(yīng)于 (11-22)平面。在此實(shí)施例中，角0為80°。角e應(yīng)該大于60。，并優(yōu)選80?；?以上。這是因?yàn)?，角e越大于60。，其上容易發(fā)生流入的(11-22)平面越不容 易出現(xiàn)。生長(zhǎng)模型
基于到此為止所給出的結(jié)果，將給出使用具有形成于其上的溝槽122的 處理過的襯底120的生長(zhǎng)模式模型的描述。當(dāng)源材料氣體的供應(yīng)開始且生長(zhǎng)
開始時(shí)，Ga源材料到達(dá)表面。然后，Ga在表面上遷移(表面擴(kuò)散)，且當(dāng) 它到達(dá)能量穩(wěn)定的位置時(shí)，它被膜吸收。隨著此過程的重復(fù)，膜逐漸生長(zhǎng)。 同時(shí)，當(dāng)初始GaN層123的厚度變?yōu)?.5jim或以上時(shí)，如圖17B所示，Ga 原子從表面137朝溝槽122遷移。在此流入過程中，由于各種原因例如在溝 槽形成過程中的不均勻性，Ga原子沿[ll-22]方向的流入是極度不均勻的。 這樣，盡管在一些區(qū)域中發(fā)生流入，但在其他區(qū)域不容易發(fā)生流入。
流入溝槽122發(fā)生的地方，表面137由于和源材料效率有關(guān)的原因而變 薄。流入不容易發(fā)生的地方，表面137變厚。這樣，導(dǎo)致了差的平整度。因 此，通過抑制此流入，可能獲得好的平整度。抑制流入的一種生長(zhǎng)方法是在 溝槽122頂端以高于其他地方的生長(zhǎng)速率生長(zhǎng)初始GaN層123,使得形成防 止Ga源材料流入溝槽122的阻隔壁(圖18中的厚度差H)。這對(duì)于使層厚 均勻是有效的。如先前所述，當(dāng)初始GaN層123具有0.5nm或以下層厚時(shí) 形成這樣的阻隔壁。
此外，如先前所述，優(yōu)選溝槽122之間的間距為O.lmm或以上但為4mm 或以下。優(yōu)選初始GaN層123的層厚為0.5|am或以下。優(yōu)選初始GaN層123 的層厚為氮化物半導(dǎo)體多層膜121的總層厚的15%或以下。角e應(yīng)大于60。， 優(yōu)選80。或以上。優(yōu)選溝槽122的深度D為2lam或以上^(旦為20j^m或以下， 且溝槽122的寬度W為lpm或以上。
根據(jù)本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體器件在激光器件、光發(fā)射器件、光接收器件 等中發(fā)現(xiàn)了廣泛的應(yīng)用，且因此能適合用在光盤存儲(chǔ)/再現(xiàn)設(shè)備、激光打印機(jī)、 條形碼讀出器、投影儀、顯示設(shè)備等中。
權(quán)利要求
1、一種氮化物半導(dǎo)體器件，包括處理過的襯底，通過在至少一個(gè)表面由氮化物半導(dǎo)體形成的氮化物半導(dǎo)體襯底的表面上形成作為至少一個(gè)凹陷區(qū)的溝槽和作為非溝槽的脊部而形成，和氮化物半導(dǎo)體生長(zhǎng)層，包括生長(zhǎng)在所述處理過的襯底上的多個(gè)氮化物半導(dǎo)體薄膜，所設(shè)置的所述氮化物半導(dǎo)體生長(zhǎng)層的主平面方向與{0001}平面對(duì)準(zhǔn)，其中傾斜角，即從脊部的表面部分沿與其垂直的方向延伸的第一矢量與平行于晶體方向<0001>延伸的第二矢量之間、在假設(shè)所述第一矢量和所述第二矢量開始于同一點(diǎn)時(shí)所成的角度，為0.05°以上但在4°以下，其中所述處理過的襯底的傾斜角包括第一傾斜角，其為所述第二矢量與通過將所述第一矢量投影到由彼此垂直的晶體方向<0001>、晶體方向<11-20>和晶體方向<1-100>中的晶體方向<0001>和晶體方向<1-100>所形成的第一平面上而獲得的第三矢量之間、當(dāng)假設(shè)所述第二矢量和所述第三矢量開始于同一點(diǎn)時(shí)所成的角度，和第二傾斜角，其為所述第二矢量與通過將所述第一矢量投影到由彼此垂直的晶體方向<0001>、晶體方向<11-20>和晶體方向<1-100>中的晶體方向<0001>和晶體方向<11-20>所形成的第二平面上而獲得的第四矢量之間、當(dāng)假設(shè)所述第二矢量和所述第四矢量開始于同一點(diǎn)時(shí)所成的角度，其中令所述第一傾斜角為θa且所述第二傾斜角為θb，則|θa|≥|θb|，同時(shí)3×|θb|＜|θa|＜0.09°且同時(shí)0.05°＜|θa|。
2、 一種氮化物半導(dǎo)體器件，包括處理過的襯底，通過在至少一個(gè)表面由氮化物半導(dǎo)體形成的氮化物半導(dǎo) 體襯底的表面上形成作為至少一個(gè)凹陷區(qū)的溝槽和作為非溝槽的脊部而形 成5 和氮化物半導(dǎo)體生長(zhǎng)層，包括生長(zhǎng)在所述處理過的村底上的多個(gè)氮化物半 導(dǎo)體薄膜，所設(shè)置的所述氮化物半導(dǎo)體生長(zhǎng)層的主平面方向與{0001}平面對(duì)準(zhǔn)，其中傾斜角，即從脊部的表面部分沿與其垂直的方向延伸的第一矢量與平行于晶體方向O001〉延伸的第二矢量之間、在假設(shè)所述第一矢量和所述第二矢量開始于同一點(diǎn)時(shí)所成的角度，為0.05。以上但在4。以下，其中所述處理過的襯底的傾斜角包括第一傾斜角，其為所述第二矢量與通過將所述第一矢量投影到由彼此垂直的晶體方向<0001 > 、晶體方向< 11 -2 0>和晶體方向< 1 -10 0>中的晶體方向<0001>和晶體方向<1-100>所形成的第一平面上而獲得的第三矢量之間、當(dāng)假設(shè)所述第二矢量和所述第三矢量開始于同一點(diǎn)時(shí)所成^角度，和第二傾斜角，其為所述第二矢量與通過將所述第一矢量投影到由彼此垂直的晶體方向<0001>、晶體方向<11-20>和晶體方向<1-100>中的晶體方向<0001>和晶體方向<11-20〉所形成的第二平面上而獲得的第四矢量之間、當(dāng)假設(shè)所述第二矢量和所述第四矢量開始于同一點(diǎn)時(shí)所成的角度，以及其中令所述第一傾斜角為ea且所述第二傾斜角為eb,則ieaisiebi,且同時(shí)0.2。S iebi。
3、 一種氮化物半導(dǎo)體器件，包括處理過的襯底，通過在至少一個(gè)表面由氮化物半導(dǎo)體形成的氮化物半導(dǎo)體村底的表面上形成作為至少一個(gè)凹陷區(qū)的溝槽和作為非溝槽的脊部而形成，和氮化物半導(dǎo)體生長(zhǎng)層，包括生長(zhǎng)在所述處理過的襯底上的多個(gè)氮化物半導(dǎo)體薄膜，所設(shè)置的所述氮化物半導(dǎo)體生長(zhǎng)層的主平面方向與{0001}平面對(duì)準(zhǔn)，其中傾斜角，即從脊部的表面部分沿與其垂直的方向延伸的第一矢量與平行于晶體方向<0001>延伸的第二矢量之間、在假設(shè)所述第一矢量和所述第二矢量開始于同一點(diǎn)時(shí)所成的角度，為0.05。以上但在4。以下，其中所述處理過的襯底的傾斜角包括第一傾斜角，其為所述第二矢量與通過將所述第一矢量投影到由彼此垂直的晶體方向<0001>、晶體方向<11-20>和晶體方向<1-100〉中的晶體方向<0001>和晶體方向<1-100>所形成的第一平面上而獲得的第三矢量之間、當(dāng)假設(shè)所述第二矢量和所述第三矢量開始于同一點(diǎn)時(shí)所成的角度，和第二傾斜角，其為所述第二矢量與通過將所述第一矢量投影到由彼此垂直的晶體方向<0001>、晶體方向<11-20>和晶體方向<1-100>中的晶體方向<0001>和晶體方向<11-20>所形成的第二平面上而獲得的第四矢量之間、當(dāng)假設(shè)所述第二矢量和所述第四矢量開始于同 一點(diǎn)時(shí)所成的角度，其中形成為所述溝槽的所述凹陷區(qū)形成為格子形，且在格子延伸的兩個(gè)相互垂直的方向中， 一個(gè)平行或基本平行于晶體方向<11-20>,且另一個(gè)平行或基本平行于晶體方向<1-100>，以及其中令所述第一傾斜角為ea且所述第二傾斜角為eb,平行于脊部的長(zhǎng)邊的方向平行或基本平行于晶體方向<1-100>,且ieak iebi。
4、 一種氮化物半導(dǎo)體器件，包括處理過的襯底，通過在至少一個(gè)表面由氮化物半導(dǎo)體形成的氮化物半導(dǎo)體村底的表面上形成作為至少一個(gè)凹陷區(qū)的溝槽和作為非溝槽的脊部而形成，和氮化物半導(dǎo)體生長(zhǎng)層，包括生長(zhǎng)在所述處理過的襯底上的多個(gè)氮化物半導(dǎo)體薄膜，所設(shè)置的所述氮化物半導(dǎo)體生長(zhǎng)層的主平面方向與{0001}平面對(duì)準(zhǔn)，其中傾斜角，即從脊部的表面部分沿與其垂直的方向延伸的第一矢量與平行于晶體方向<0001>延伸的第二矢量之間、在假設(shè)所述第一矢量和所述第二矢量開始于同一點(diǎn)時(shí)所成的角度，為0.05。以上但在4。以下，其中所述處理過的襯底的傾斜角包括第一傾斜角，其為所述第二矢量與通過將所述第一矢量投影到由彼此垂直的晶體方向<0001>、晶體方向<11-20>和晶體方向<1-100>中的晶體方向<0001>和晶體方向<1-100>所形成的第一平面上而獲得的第三矢量之間、當(dāng)假設(shè)所述第二矢量和所述第三矢量開始于同一點(diǎn)時(shí)所成的角度，和第二傾斜角，其為所述第二矢量與通過將所述第一矢量投影到由彼此垂直的晶體方向<0001>、晶體方向<11-20>和晶體方向<1-100>中的晶體方向<0001>和晶體方向<11-20>所形成的第二平面上而獲得的第四矢量之間、當(dāng)假設(shè)所述第二矢量和所述第四矢量開始于同 一點(diǎn)時(shí)所成的角度，其中形成為所述溝槽的所述凹陷區(qū)形成為格子形，且在格子延伸的兩個(gè)相互垂直的方向中， 一個(gè)平行或基本平行于晶體方向<11-20>,且另一個(gè)平行或基本平行于晶體方向<1-100>，以及其中令所述第一傾斜角為ea且所述第二傾斜角為eb,平行于脊部的長(zhǎng)邊的方向平行或基本平行于晶體方向<11-20>，且l0a匕iebi。
5、 一種氮化物半導(dǎo)體器件，包括處理過的襯底，通過在至少一個(gè)表面由氮化物半導(dǎo)體形成的氮化物半導(dǎo)體襯底的表面上形成作為至少 一個(gè)凹陷區(qū)的溝槽和作為非溝槽的脊部而形成5和氮化物半導(dǎo)體生長(zhǎng)層，包括生長(zhǎng)在所述處理過的襯底上的多個(gè)氮化物半導(dǎo)體薄膜，所設(shè)置的所述氮化物半導(dǎo)體生長(zhǎng)層的主平面方向與{0001}平面對(duì)準(zhǔn)，該脊部的寬度為100 pm或更大但在2000 |am以下，該氮化物半導(dǎo)體生長(zhǎng)層具有該溝槽上方的凹陷區(qū)，其中傾斜角，即從脊部的表面部分沿與其垂直的方向延伸的第一矢量與平行于晶體方向<0001>延伸的第二矢量之間、在假設(shè)所述第一矢量和所述第二矢量開始于同一點(diǎn)時(shí)所成的角度，為0.05。以上但在4。以下，其中所述處理過的襯底的傾斜角包括第一傾斜角，其為所述第二矢量與通過將所述第一矢量投影到由彼此垂直的晶體方向<0001>、晶體方向<11-20>和晶體方向<1-100>中的晶體方向<0001>和晶體方向<1-100>所形成的第一平面上而獲得的第三矢量之間、當(dāng)假設(shè)所述第二矢量和所述第三矢量開始于同一點(diǎn)時(shí)所成的角度，和第二傾斜角，其為所述第二矢量與通過將所述第一矢量投影到由彼此垂直的晶體方向<0001>、晶體方向<11-20>和晶體方向<1-100>中的晶體方向<0001>和晶體方向<11-20>所形成的第二平面上而獲得的第四矢量之間、當(dāng)假設(shè)所述第二矢量和所述第四矢量開始于同一點(diǎn)時(shí)所成的角度，其中所述第 一傾斜角的平方與所述第二傾斜角的平方之和的平方根是0.2°以上。
6、 一種氮化物半導(dǎo)體器件，包括處理過的襯底，通過在至少一個(gè)表面由氮化物半導(dǎo)體形成的氮化物半導(dǎo)體襯底的表面上形成作為至少一個(gè)凹陷區(qū)的溝槽和作為非溝槽的脊部而形成，'和氮化物半導(dǎo)體生長(zhǎng)層，包括生長(zhǎng)在所述處理過的村底上的多個(gè)氮化物半導(dǎo)體薄膜，所設(shè)置的所述氮化物半導(dǎo)體生長(zhǎng)層的主平面方向與{0001}平面對(duì)準(zhǔn)，其中傾斜角，即從脊部的表面部分沿與其垂直的方向延伸的第一矢量與平行于晶體方向<0001>延伸的第二矢量之間、在假設(shè)所述第一矢量和所述第二矢量開始于同一點(diǎn)時(shí)所成的角度，為0.05。以上^f旦在4。以下，當(dāng)包括多個(gè)氮化物半導(dǎo)體薄膜的所述氮化物半導(dǎo)體生長(zhǎng)層形成時(shí)，至少一個(gè)所述氮化物半導(dǎo)體薄膜在這樣的條件下生長(zhǎng)所述處理過的村底表面溫度為1050。C以下，且供應(yīng)包含V族原子的源材料的單位時(shí)間摩爾數(shù)的流速與供應(yīng)包含III族原子的源材料的單位時(shí)間摩爾數(shù)的流速之比是2250或更大。
7、 一種氮化物半導(dǎo)體器件，包括處理過的村底，通過在氮化物半導(dǎo)體襯底表面上或在形成于氮化物半導(dǎo)體村底以外的襯底上的氮化物半導(dǎo)體層表面上形成凹槽作為凹陷區(qū)而形成，和氮化物半導(dǎo)體多層膜，由包括首先形成在所述處理過的襯底表面上的氮化物半導(dǎo)體初始層的氮化物半導(dǎo)體多層膜構(gòu)成，其中所述氮化物半導(dǎo)體初始層是含GaN的化合物，以及所述氮化物半導(dǎo)體初始層的層厚為0.5nm以下。
8、 如權(quán)利要求7所述的氮化物半導(dǎo)體器件，其中所述凹槽的深度為2(im以上^f旦在20pm以下。
9、 如權(quán)利要求7所述的氮化物半導(dǎo)體器件，其中所述凹槽的寬度為l|am以上。
10、 如權(quán)利要求7所述的氮化物半導(dǎo)體器件，其中所述凹槽的周期為0.1 mm以上4旦在4mm以下。
11、 一種氮化物半導(dǎo)體器件，包括處理過的襯底，通過在氮化物半導(dǎo)體襯底表面上或在形成于氮化物半導(dǎo)體村底以外的襯底上的氮化物半導(dǎo)體層表面上形成凹槽作為凹陷區(qū)而形成，和氮化物半導(dǎo)體多層膜，由包括首先形成在所述處理過的襯底表面上的氮化物半導(dǎo)體初始層的氮化物半導(dǎo)體多層膜構(gòu)成，其中所述氮化物半導(dǎo)體初始層是含GaN的化合物，以及其中所述氮化物半導(dǎo)體初始層的層厚與所述氮化物半導(dǎo)體多層膜的總層厚之比為15%或更小。
12、 一種氮化物半導(dǎo)體器件，包括處理過的襯底，通過在氮化物半導(dǎo)體襯底表面上或在形成于氮化物半導(dǎo)體村底以外的襯底上的氮化物半導(dǎo)體層表面上形成凹槽作為凹陷區(qū)而形成，和氮化物半導(dǎo)體多層膜，由包括首先形成在所述處理過的襯底表面上的氮化物半導(dǎo)體初始層的氮化物半導(dǎo)體多層膜構(gòu)成，其中所述氮化物半導(dǎo)體初始層是含GaN的化合物，以及其中，在該氮化物半導(dǎo)體多層膜的表面上，垂直于所述凹槽側(cè)壁表面的頂端部分的線與垂直于凹槽以外的表面的線之間的角度為60?；蚋?。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種氮化物半導(dǎo)體器件及其制造方法。所述器件防止裂紋產(chǎn)生、帶有具有均勻厚度和好的生長(zhǎng)表面平整度的氮化物半導(dǎo)體薄膜，且因此特性穩(wěn)定，而且能以滿意的成品率制造。在此氮化物半導(dǎo)體器件中，氮化物半導(dǎo)體薄膜生長(zhǎng)于在垂直于脊表面的方向與晶體方向<0001>之間具有傾斜角的襯底上。這有助于減小或有意加速在其整個(gè)遷移中氮化物半導(dǎo)體薄膜的源材料的原子或分子的擴(kuò)散或移動(dòng)。結(jié)果，能形成具有好的表面平整度的氮化物半導(dǎo)體生長(zhǎng)層，且因此能獲得具有滿意特性的氮化物半導(dǎo)體器件。
文檔編號(hào)B82Y20/00GK101540477SQ20091013813
公開日2009年9月23日 申請(qǐng)日期2005年11月2日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月2日
發(fā)明者山田英司, 神川剛, 荒木正浩 申請(qǐng)人:夏普株式會(huì)社