專利名稱：Ⅲ族氮化物系化合物半導(dǎo)體器件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制造III族氮化物系化合物半導(dǎo)體的方法。更具體的說，本發(fā)明涉及一種采用外延橫向附晶生長(epitaxial lateral overgrowth)(ELO)制造III族氮化物系化合物半導(dǎo)體的方法、III族氮化物系化合物半導(dǎo)體器件以及III族氮化物系化合物半導(dǎo)體襯底。III族氮化物系化合物半導(dǎo)體一般由AlxGayIn1-x-yN(其中，0≤x≤1，0≤y≤1，且0≤x+y≤1)表示，其示例包括諸如AlN、GaN的二元半導(dǎo)體；諸如AlxGa1-xN、AlxIn1-xN、以及GaxIn1-xN(其中0＜x＜1)的三元化合物半導(dǎo)體；以及諸如AlxGayIn1-x-yN(其中，0＜x＜1，0＜y＜1，且0＜x+y＜1)的四元化合物半導(dǎo)體。
在本說明書中，除非另外指定，“III族氮化物系化合物半導(dǎo)體”包括摻雜有雜質(zhì)以呈現(xiàn)出p型或n型導(dǎo)電性的III族氮化物系化合物半導(dǎo)體。
背景技術(shù)：
III族氮化物系化合物半導(dǎo)體為當用于諸如發(fā)光器件的器件中呈現(xiàn)出從UV到紅光的大范圍發(fā)射光譜的直接遷移型半導(dǎo)體，并且已經(jīng)在諸如發(fā)光二極管(LED)和激光二極管(LD)之類的器件中得以應(yīng)用。另外，由于他們的較寬的帶隙，認為采用上述半導(dǎo)體的器件與采用其他類型半導(dǎo)體的器件相比在高溫下呈現(xiàn)出可靠的工作特性，并因此積極地對他們在諸如FET的晶體管中的應(yīng)用加以研究。此外，由于III族氮化物系化合物半導(dǎo)體不包含砷(As)作為主要元素，從環(huán)境方面上已經(jīng)期望III族氮化物系化合物半導(dǎo)體應(yīng)用于各種半導(dǎo)體器件中。這些III族氮化物系化合物半導(dǎo)體一般形成在藍寶石襯底上。

發(fā)明內(nèi)容
然而，當III族氮化物系化合物半導(dǎo)體形成在藍寶石襯底上時，由于藍寶石的晶格常數(shù)與半導(dǎo)體晶格常數(shù)之間的差異而發(fā)生失配誘發(fā)的位錯，導(dǎo)致器件特性較差。失配誘發(fā)的位錯為在縱向(即，在垂直于襯底表面的方向)穿透半導(dǎo)體層的線位錯(threading dislocation)，且III族氮化物系化合物半導(dǎo)體伴隨有如下問題，即，大約109cm-2大小的位錯通過其擴散。上述位錯通過由不同成份的III族氮化物系化合物半導(dǎo)體所形成的層擴散，直到他們到達最上層。當這種半導(dǎo)體植入例如一種發(fā)光器件中時，該器件呈現(xiàn)出在LD閾值電流、LED或LD壽命等方面的器件特性不令人滿意的問題。另一方面，當III族氮化物系半導(dǎo)體植入任何其他類型的半導(dǎo)體器件中時，由于電子因III族氮化物系化合物半導(dǎo)體中的缺陷而擴散，因此，半導(dǎo)體器件成為具有較低的遷移率。這些問題即使在采用其他類型的襯底情況下也未解決。
下面，將參照圖18的示意圖描述上述位錯。圖18示出了襯底91、其上形成的緩沖層92、以及進一步形成于其上的III族氮化物系化合物半導(dǎo)體層93。傳統(tǒng)上，襯底91由藍寶石或類似的物質(zhì)形成，而緩沖層92由氮化鋁(AlN)或類似物質(zhì)形成。設(shè)置氮化鋁(AlN)形成的緩沖層92以緩和藍寶石襯底91和III族氮化物系化合物半導(dǎo)體層93之間的失配。然而，位錯的產(chǎn)生不能減小到零。線位錯901從位錯初始點900向上(在相對于襯底表面的垂直方向上)移動，穿透緩沖層92和III族氮化物系化合物半導(dǎo)體層93。當半導(dǎo)體器件是通過將所關(guān)注的各種類型的III族氮化物系化合物半導(dǎo)體層疊置在III族氮化物系化合物半導(dǎo)體層93上而制造時，線位錯從III族氮化物系化合物半導(dǎo)體層93表面上的位錯抵達點902經(jīng)過半導(dǎo)體器件進一步向上擴散。由此，根據(jù)傳統(tǒng)技術(shù)，在形成III族氮化物系化合物半導(dǎo)體層過程中不能防止位錯的成問題的移動。
本發(fā)明已經(jīng)本著試圖解決上述問題而完成，本發(fā)明的目的是在抑制線位錯產(chǎn)生的情況下制造III族氮化物系化合物半導(dǎo)體。
為了實現(xiàn)上述目的，呈現(xiàn)第一特征的本發(fā)明提供了一種在襯底上制造III族氮化物系化合物半導(dǎo)體的方法，該方法包括去除襯底表面的至少一部分，以在襯底表面上提供一個溝槽/立柱(trench/post)或溝槽/臺地(trench/mesa)，以及以襯底未被去除的表面的頂面作用為籽晶，在所述襯底的未被去除表面上垂直且橫向地外延生長所需的III族氮化物系化合物半導(dǎo)體，從而覆蓋所述襯底溝槽之上的上部，襯底未去除的表面通過去除襯底的一部分而形成，從而形成島狀結(jié)構(gòu)，如點狀、帶形或網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)。
呈現(xiàn)第二特征的本發(fā)明提供了一種制造III族氮化物系化合物半導(dǎo)體的方法，其中，III族氮化物系化合物半導(dǎo)體在襯底上形成的緩沖層上生長，該方法包括去除襯底表面的至少一部分，從而在襯底表面上提供一個溝槽/立柱，以及以形成在襯底剩余表面上的緩沖層作用為用于晶體生長的籽晶或晶核，垂直且橫向地外延生長所需的III族氮化物系化合物半導(dǎo)體，從而覆蓋襯底的溝槽/立柱中的溝槽的上部，緩沖層形成為島狀結(jié)構(gòu)，如點狀、帶形、或網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)。
呈現(xiàn)第三特征的本發(fā)明提供了一種制造III族氮化物系化合物半導(dǎo)體的方法，其中，III族氮化物系化合物半導(dǎo)體生長于襯底上形成的緩沖層之上，該方法包括去除襯底表面的至少一部分，以在襯底表面上提供一個溝槽/立柱，在襯底上形成緩沖層，在緩沖層上垂直地外延生長III族氮化物系化合物半導(dǎo)體，從而形成單晶層，以及以形成在襯底剩余表面上的緩沖層上的III族氮化物系化合物半導(dǎo)體的單晶層作用為晶體生長的籽晶，垂直且橫向外延生長所需的III族氮化物系化合物半導(dǎo)體，從而覆蓋襯底的溝槽/立柱中的溝槽的上部，該單晶層形成為島狀結(jié)構(gòu)，諸如點狀、帶形、或網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)。
呈現(xiàn)第四特征的本發(fā)明提供了一種制造III族氮化物系化合物半導(dǎo)體的方法，其中，III族氮化物系化合物半導(dǎo)體生長于襯底上形成的緩沖層之上，該方法包括在襯底上形成緩沖層；去除緩沖層和襯底表面的至少一部分，從而提供溝槽/立柱，該溝槽/立柱具有其上在襯底表面上形成緩沖層的立柱或臺地、以及其上不形成緩沖層的溝槽；以及以形成在襯底剩余表面上的緩沖層作用為用于晶體生長的籽晶，垂直并橫向外延生長所需的III族氮化物系化合物半導(dǎo)體，從而覆蓋襯底的溝槽/立柱中的溝槽的上部，緩沖層形成為島狀結(jié)構(gòu)，如點狀、帶形、或網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)。
呈現(xiàn)第五特征的本發(fā)明提供了一種制造III族氮化物系化合物半導(dǎo)體的方法，其中，III族氮化物系化合物半導(dǎo)體生長于襯底上形成的緩沖層上，該方法包括在襯底上形成緩沖層；在緩沖層上垂直外延生長III族氮化物系化合物半導(dǎo)體，從而形成單晶層；去除III族氮化物系化合物半導(dǎo)體的單晶層、緩沖層和襯底表面的至少一部分，從而提供一溝槽/立柱，該溝槽/立柱具有其上在襯底表面上形成III族氮化物系化合物半導(dǎo)體的單晶層和緩沖層的立柱、以及其上不形成III族氮化物系化合物半導(dǎo)體的單晶層和緩沖層的溝槽；以及以形成在襯底剩余表面上的緩沖層上的III族氮化物系化合物半導(dǎo)體的單晶層作用為用于晶體生長的籽晶，垂直且橫向外延生長所需的III族氮化物系化合物半導(dǎo)體，從而覆蓋襯底的溝槽/立柱中的溝槽的上部，單晶層形成為島狀結(jié)構(gòu)，如點狀、帶形、或網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)。
呈現(xiàn)第六特征的本發(fā)明提供了一種制造III族氮化物系化合物半導(dǎo)體的方法，其中，III族氮化物系化合物半導(dǎo)體生長于襯底上，該方法包括降低襯底表面至少一部分的光潔度并在襯底表面上形成其上將不充分形成III族氮化物系化合物半導(dǎo)體層的一部分的表面處理過程，在所述經(jīng)處理的襯底上生長III族氮化物系化合物半導(dǎo)體并形成其上充分形成III族氮化物系化合物半導(dǎo)體的單晶層的一部分和其上不充分形成III族氮化物系化合物半導(dǎo)體單晶層的一部分的過程，以及以形成在襯底的其表面光潔度未降低的部分上的III族氮化物系化合物半導(dǎo)體的單晶層作用為晶體生長的籽晶，垂直并橫向外延生長III族氮化物系化合物半導(dǎo)體，從而覆蓋其上III族氮化物系化合物半導(dǎo)體單晶層未充分形成的部分的過程，該單晶層形成為島狀結(jié)構(gòu)，如點狀、帶形、或網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)。
呈現(xiàn)第七特征的本發(fā)明提供了一種制造III族氮化物系化合物半導(dǎo)體的方法，其中III族氮化物系化合物半導(dǎo)體生長于襯底上形成的緩沖層上，該方法包括降低襯底表面的至少一部分的光潔度并于襯底表面上形成其上將充分形成緩沖層的一部分的表面處理過程，在經(jīng)處理的襯底上生長緩沖層并形成其上充分形成緩沖層的一部分和其上未充分形成緩沖層的一部分的過程，以及以形成在襯底的其表面光潔度未降低的部分上的緩沖層作用為晶體生長的籽晶，垂直并橫向外延生長所需的III族氮化物系化合物半導(dǎo)體，從而覆蓋其上緩沖層未充分形成的部分的過程，緩沖層形成為島狀結(jié)構(gòu)，如點狀、帶形或網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)。
呈現(xiàn)第八特征的本發(fā)明提供了一種制造III族氮化物系化合物半導(dǎo)體的方法，其中III族氮化物系化合物半導(dǎo)體生長于襯底上形成的緩沖層上，該方法包括降低襯底表面的至少一部分的光潔度并在襯底表面上形成其上將充分形成緩沖層的一部分的表面處理過程，在經(jīng)處理的襯底上生長緩沖層并形成其上充分形成緩沖層的一部分和其上未充分形成緩沖層的一部分的過程，在其上充分形成緩沖層的部分上形成III族氮化物系化合物半導(dǎo)體的單晶層的過程，以及以形成在襯底的其表面光潔度未降低的部分上形成的緩沖層上的III族氮化物系化合物半導(dǎo)體的單晶層作用為晶體生長的籽晶，垂直并橫向外延生長所需的III族氮化物系化合物半導(dǎo)體，從而覆蓋其上未充分形成緩沖層的部分的過程，III族氮化物系化合物半導(dǎo)體的單晶層形成為島狀結(jié)構(gòu)，如點狀、帶形、或網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)。
呈現(xiàn)第九特征的本發(fā)明提供了一種制造III族氮化物系化合物半導(dǎo)體的方法，其中III族氮化物系化合物半導(dǎo)體生長于襯底上形成的緩沖層上，該方法包括在襯底上形成緩沖層的過程，降低緩沖層表面至少一部分的光潔度并形成其上將不充分形成III族氮化物系化合物半導(dǎo)體的單晶層的一部分的表面處理過程，以緩沖層的其表面光潔度未降低的部分作用為晶體生長的籽晶，垂直并橫向外延生長所需III族氮化物系化合物半導(dǎo)體，從而覆蓋緩沖層的光潔度降低的部分的過程，緩沖層的該部分形成為島狀結(jié)構(gòu)，如點狀、帶形、或網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)。
在呈現(xiàn)第十特征的本發(fā)明中提供了一種制造III族氮化物系化合物半導(dǎo)體的方法，其中III族氮化物系化合物半導(dǎo)體生長于襯底上形成的緩沖層上，該方法包括在襯底上形成緩沖層的過程，在緩沖層上形成第一III族氮化物系化合物半導(dǎo)體的過程，降低第一III族氮化物系化合物半導(dǎo)體至少一部分的光潔度并形成其上將不充分形成第二III族氮化物系化合物半導(dǎo)體的單晶層的一部分的表面處理過程，以及以第一III族氮化物系化合物半導(dǎo)體的其表面光潔度未降低的部分作為晶體生長的籽晶，垂直并橫向外延生長第二III族氮化物系化合物半導(dǎo)體，從而覆蓋第一III族氮化物系化合物半導(dǎo)體的光潔度降低的部分的過程，第一III族氮化物系化合物半導(dǎo)體的該部分形成為島狀結(jié)構(gòu)，如點狀、帶形、或網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)。
呈現(xiàn)第十一特征的本發(fā)明提供了一種III族氮化物系化合物半導(dǎo)體器件，其形成為III族氮化物系化合物半導(dǎo)體層的橫向外延生長部分上設(shè)置的上層，該III族氮化物系化合物半導(dǎo)體層通過參照第一到第十特征中任一項所述的制造III族氮化物系化合物半導(dǎo)體的方法所制造。
呈現(xiàn)第十二特征的本發(fā)明提供了一種III族氮化物系化合物半導(dǎo)體發(fā)光器件，其通過在III族氮化物系化合物半導(dǎo)體層的橫向外延生長部分上層疊作為上層的不同的III族氮化物系化合物半導(dǎo)體層而制造，前者III族氮化物系化合物半導(dǎo)體層通過根據(jù)第一到第十特征中任一項所述的制造III族氮化物系化合物半導(dǎo)體的方法制造。
呈現(xiàn)第十三特征的本發(fā)明提供了一種制造III族氮化物系化合物半導(dǎo)體襯底的方法，其包括如第一到第十特征中任一項所述的制造III族氮化物系化合物半導(dǎo)體的方法，以及去除除了形成在通過橫向外延生長所提供的一部分之上的上層之外的基本整個部分，由此獲得III族氮化物系化合物半導(dǎo)體襯底。
下面，將參照圖1到11描述本發(fā)明制造III族氮化物系化合物半導(dǎo)體方法的示例的概要。
如圖1a所示，去除襯底1，由此形成諸如帶形、或網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)的島狀結(jié)構(gòu)，從而提供一個溝槽/立柱。接著，形成緩沖層2。下面將參照圖1b描述包括主要形成在襯底1上的立柱上表面上的部分21和形成在溝槽底面上的部分22的緩沖層2的示例。
如圖1b所示，以包括形成在立柱上表面上的部分21和形成在襯底1的溝槽底面上的部分22的緩沖層2作為晶體生長的籽晶，III族氮化物系化合物半導(dǎo)體3垂直并橫向外延生長，襯底1具有諸如帶形或網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)的島狀結(jié)構(gòu)的溝槽。然后，如圖1c所示，以形成在立柱上表面上的緩沖層21作用為晶體生長的籽晶或晶核，III族氮化物系化合物半導(dǎo)體31可以在從溝槽底面上形成的緩沖層22上生長的III族氮化物系化合物半導(dǎo)體32填埋溝槽之前覆蓋溝槽的上部。此外，通過垂直或橫向的外延生長III族氮化物系化合物半導(dǎo)體3，襯底溝槽的上部被如圖1d所示的外延生長所覆蓋，且在垂直方向擴散的線位錯的密度被顯著降低。
當自立柱或臺地上表面上形成的緩沖層21橫向外延生長的III族氮化物系化合物半導(dǎo)體31會合到從立柱的彼此面對的上表面起始的橫向外延生長層的速率快于自溝槽底面上形成的緩沖層22沿垂直方向外延生長的III族氮化物系化合物半導(dǎo)體32生長到立柱上層的速率時，從溝槽底層上形成的緩沖層22擴散的線位錯在如此填埋的III族氮化物系化合物半導(dǎo)體31的上部內(nèi)得以顯著抑制，由此提供了明顯高質(zhì)量的結(jié)晶區(qū)。在這種情況下，如圖1d所示，自作為晶體生長的籽晶的形成在溝槽底部上的緩沖層22生長的III族氮化物系化合物半導(dǎo)體32的生長前沿未暴露在表面上，而作為空腔保留。并且，在空腔上方，自兩側(cè)的立柱的上層上形成的并作用為晶體生長的籽晶的緩沖層生長的III族氮化物系化合物半導(dǎo)體31的生長前沿會合。線位錯自緩沖層22的擴散可以在空腔處得以防止。
在圖1b中，緩沖層難于形成在襯底1的溝槽側(cè)壁上。接著，下面將描述當緩沖層如圖2a～2d所示形成在襯底1的溝槽側(cè)壁上的情況。如圖1a所示，溝槽/立柱通過蝕刻襯底1(圖2a)而形成。然后，如圖2b所示，以緩沖層2作為晶體生長的籽晶，III族氮化物系化合物半導(dǎo)體3垂直并橫向外延生長，該緩沖層形成在襯底1的立柱上表面、溝槽下表面和溝槽側(cè)壁上，該溝槽形成為具有島狀結(jié)構(gòu)，如點狀、帶形或網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)。如圖2c所示，自溝槽底面和側(cè)壁處的緩沖層2沿垂直方向外延生長的III族氮化物系化合物半導(dǎo)體3填埋溝槽，并且自緩沖層2的立柱上表面生長的III族氮化物系化合物半導(dǎo)體3沿著橫向生長，從而覆蓋溝槽。在此，自溝槽側(cè)壁的“在垂直方向生長”意味著在垂直于溝槽側(cè)壁的方向上生長。然后，如圖1d所示，襯底的溝槽上部由自溝槽側(cè)壁上形成的緩沖層2垂直生長并填埋溝槽的III族氮化物系化合物半導(dǎo)體3，和自形成在立柱上表面的緩沖層2橫向生長的III族氮化物系化合物半導(dǎo)體3占據(jù)。在溝槽側(cè)壁上形成的緩沖層2上垂直生長的在垂直方向的III族氮化物系化合物半導(dǎo)體3中的線位錯處于溝槽側(cè)壁的法向上，而從襯底表面(立柱上表面和溝槽底面)沿著垂直方向擴散的線位錯的密度得以極度減弱。
當自立柱上表面上形成的緩沖層橫向外延生長的III族氮化物系化合物半導(dǎo)體3與從溝槽底面上形成的緩沖層2沿垂直方向外延生長的III族氮化物系化合物半導(dǎo)體3向立柱上層生長相比更快速會合時，在如此填埋的III族氮化物系化合物半導(dǎo)體3的上部內(nèi)自緩沖層2的線位錯擴散得以顯著抑制，由此提供了明顯高質(zhì)量的結(jié)晶區(qū)。在這種情況下，如圖2d所示，自用作晶體生長籽晶的溝槽底面上的緩沖層2生長的III族氮化物系化合物半導(dǎo)體3的生長前沿不從表面上出來，而是繼續(xù)保持為空腔。并且在該空腔上方，自作用為晶體生長的籽晶的立柱上的緩沖層2生長的III族氮化物系化合物半導(dǎo)體3的生長前沿會合，且通過這個空腔防止了自溝槽底面上的緩沖層2擴散的線位錯。
當III族氮化物系化合物半導(dǎo)體31采取{11-20}面作為溝槽側(cè)壁的生長前沿時，上述的快速橫向外延生長可以輕易實現(xiàn)。在橫向外延生長過程中，至少生長前沿的上部可以優(yōu)選地保持一個{11-20}面。當然，橫向外延生長前沿不能局限于III族氮化物系化合物半導(dǎo)體的{11-20}面。
上述過程可以應(yīng)用于不是在緩沖層上，而是直接在襯底上外延生長的III族氮化物系化合物半導(dǎo)體。圖3a～3c圖示了如下過程，即，去除襯底1的一部分從而形成溝槽(圖3a)，垂直并橫向生長III族氮化物系化合物半導(dǎo)體3(圖3b)，以及以III族氮化物系化合物半導(dǎo)體3作用為晶體生長的籽晶，通過形成于立柱上表面上的一部分的橫向生長覆蓋溝槽(圖3c)。且如圖4a～4d所示，III族氮化物系化合物半導(dǎo)體的單晶層3(作為立柱上層的單晶層31和作為溝槽底層的單晶層32)可以形成在緩沖層2(作為立柱上層的緩沖層21和作為溝槽底層的緩沖層22)上(圖4b)，由此，以立柱上層的單晶層31作用為晶體生長的籽晶，通過橫向生長覆蓋溝槽(圖4c和圖4d)。
如圖5a所示，緩沖層2形成在襯底1上。然后，如圖5b所示，去除緩沖層2和襯底1的部分，從而提供溝槽/立柱。如圖5c所示，主要以緩沖層2作用為晶體生長的籽晶，III族氮化物系化合物層31垂直并橫向外延生長。圖5c示出了自立柱/溝槽的底面和側(cè)壁外延生長的III族氮化物系化合物半導(dǎo)體32。當自立柱上表面上形成的緩沖層2沿著橫向外延生長的III族氮化物系化合物半導(dǎo)體31會合到起始于立柱的彼此面對的上表面的橫向外延生長前沿的速率快于自溝槽底面和側(cè)壁上形成的緩沖層2沿垂直方向外延生長的III族氮化物系化合物半導(dǎo)體32生長到立柱上層的速率時，自溝槽底層擴散的線位錯在如此填埋的III族氮化物系化合物半導(dǎo)體31的上部內(nèi)得以顯著抑制，由此提供了明顯高質(zhì)量的結(jié)晶區(qū)。在這種情況下，如圖5d所示，自作用為晶體生長的籽晶的溝槽底部上所形成的緩沖層2生長的III族氮化物系化合物半導(dǎo)體32的生長層不暴露在表面處，而是繼續(xù)作為空腔。并且在該空腔上方，自形成在兩側(cè)立柱上層上并作用為晶體生長的籽晶的緩沖層2生長的III族氮化物系化合物半導(dǎo)體31的生長前沿會合。在空腔處可以防止線位錯從緩沖層2擴散。
當平行于溝槽側(cè)壁的III族氮化物系化合物半導(dǎo)體層31的生長前沿呈現(xiàn){11-20}面時，上述快速橫向外延生長可以輕易實現(xiàn)。在橫向外延生長過程中，至少生長前沿的上部可以優(yōu)選地保持{11-20}面。當然，橫向外延生長前沿不能局限于III族氮化物系化合物半導(dǎo)體的{11-20}面。
如圖6a～6d所示，形成了緩沖層2和III族氮化物系化合物半導(dǎo)體31的單晶層31(圖6a)，形成了溝槽(圖6b)，由此以立柱上層的單晶層31作為晶體生長的籽晶，通過橫向生長覆蓋溝槽(圖6c和圖6d)。
如圖7a所示，例如通過蝕刻或刮擦粗糙化的粗糙部分A形成在襯底1的表面上，從而襯底表面的不粗糙的其他部分變成島狀結(jié)構(gòu)，如帶形或網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)。然后，緩沖層2形成在襯底1上。與形成在表面不粗糙部分上的緩沖層21相比，形成在襯底表面粗糙部分A上的緩沖層22的表面層不能成為均勻的單晶層，且此外其生長速度非常緩慢(圖7b)。當III族氮化物系化合物半導(dǎo)體3在其上垂直并橫向外延生長時，以主要形成在襯底1的表面未粗糙化的部分上的緩沖層21作為晶體生長的籽晶，快速形成單晶層，且形成在粗糙部分A上的緩沖層22也通過橫向生長而得以覆蓋(圖7c)。通過進一步在垂直和橫向上外延生長III族氮化物系化合物半導(dǎo)體3，形成在粗糙部分A上的緩沖層22被以主要形成在表面上未粗糙化部分上的緩沖層21作為晶體生長的籽晶而橫向外延生長的III族氮化物系化合物半導(dǎo)體3完全覆蓋。在這種情況下，自粗糙部分A上形成的緩沖層22產(chǎn)生的垂直方向上的線位錯不會擴散到沿著橫向外延生長的III族氮化物系化合物半導(dǎo)體3上。
如圖8a所示，例如通過蝕刻和蝕刻或刮擦粗糙化的粗糙部分A形成在襯底1的表面上，從而不粗糙的襯底表面的其他部分變成島狀結(jié)構(gòu)，如帶形或網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)。然后，在襯底1上外延生長的III族氮化物系化合物半導(dǎo)體3形成于其上。與形成在表面不粗糙部分上的III族氮化物系化合物半導(dǎo)體3 1相比，形成在襯底表面粗糙部分A上的III族氮化物系化合物半導(dǎo)體32內(nèi)的表面層不能成為均勻的單晶層，且其生長速度相當緩慢(圖8b)。通過垂直和橫向進一步外延生長III族氮化物系化合物半導(dǎo)體3，形成在粗糙部分A上的III族氮化物系化合物半導(dǎo)體32的上部完全由橫向外延生長的III族氮化物系化合物半導(dǎo)體31覆蓋。在這種情況下，自形成在粗糙部分A上的III族氮化物系化合物半導(dǎo)體32產(chǎn)生的垂直方向上的線位錯不會擴散到其上橫向外延生長的III族氮化物系化合物半導(dǎo)體31上。
在圖7a～7d中，在襯底1上只有單獨一個III族氮化物系化合物半導(dǎo)體3垂直并橫向外延生長。此外，如圖9a～9d所示，緩沖層21形成在表面未粗糙化的部分上，III族氮化物系化合物半導(dǎo)體31在緩沖層21上沿垂直方向生長，作用為單晶層，而III族氮化物系化合物半導(dǎo)體32可以以III族氮化物系化合物半導(dǎo)體的單晶層31作為晶體生長的籽晶而沿垂直和橫向方向在其上生長。
如圖10a～10d所示，在襯底1上形成緩沖層2(圖10a)和通過蝕刻或刮擦損壞其表面(圖10b)之后，III族氮化物系化合物半導(dǎo)體3可以沿垂直和橫向方向在其上生長(圖10c和10d)。如圖11a～11d所示，在襯底1上形成緩沖層2和III族氮化物系化合物半導(dǎo)體31(圖11a)并通過蝕刻或刮擦損壞其表面(圖11b)之后，III族氮化物系化合物半導(dǎo)體層33可以沿垂直和橫向方向生長于其上(圖11c和11d)。形成在表面未粗糙化部分上的III族氮化物系化合物半導(dǎo)體層比形成在襯底粗糙部分上的生長更快，如圖10c和11c所示。通過其以形成在表面未粗糙化部分上的部分作為晶體生長的籽晶沿橫向生長III族氮化物系化合物半導(dǎo)體層，該層生長成覆蓋帶有粗糙表面的部分。
通過如上所述的過程，可以提供其中線位錯在垂直方向擴散的III族氮化物系化合物半導(dǎo)體。
通過在III族氮化物系化合物半導(dǎo)體層的一部分上形成作為上層的器件元件，可以提供一種具有包含較少缺陷的層并被賦予了較高遷移率的半導(dǎo)體器件，其中III族氮化物系化合物半導(dǎo)體層是通過上述步驟橫向外延生長而形成的(第十一特征)。
通過將作為上層的發(fā)光元件疊置在通過上述步驟形成的III族氮化物系化合物半導(dǎo)體層上，可以提供一種壽命得以提高且LD閾值得以改善的發(fā)光器件(第十二特征)。
通過從其他層選擇性地分離形成在通過上述步驟橫向外延生長而提供的III族氮化物系化合物半導(dǎo)體層一部分上的上層，可以產(chǎn)生一種高結(jié)晶度的III族氮化物系化合物半導(dǎo)體，其中，諸如位錯之類的晶體缺陷得以明顯抑制(第十三特征)。在這方面，為了制造方便的緣故，“基本上去除整個部分”的表達方式并未排除包含線位錯的部分在一定程度上存在的情況。


圖1是一系列剖面圖，示出了制造根據(jù)本發(fā)明第一實施例的III族氮化物系化合物半導(dǎo)體的步驟；
圖2是一系列剖面圖，示出了制造本發(fā)明的另一種III族氮化物系化合物半導(dǎo)體的步驟；圖3是一系列剖面圖，示出了制造根據(jù)本發(fā)明第七實施例的III族氮化物系化合物半導(dǎo)體的步驟；圖4是一系列剖面圖，示出了制造本發(fā)明的另一種III族氮化物系化合物半導(dǎo)體的步驟；圖5是一系列剖面圖，示出了制造根據(jù)本發(fā)明第二實施例的III族氮化物系化合物半導(dǎo)體發(fā)光器件的步驟；圖6是一系列剖面圖，示出了制造本發(fā)明的另一種III族氮化物系化合物半導(dǎo)體的步驟；圖7是一系列剖面圖，示出了制造根據(jù)本發(fā)明第三實施例的III族氮化物系化合物半導(dǎo)體的步驟；圖8是一系列剖面圖，示出了制造本發(fā)明的另一種III族氮化物系化合物半導(dǎo)體的步驟；圖9是一系列剖面圖，示出了制造本發(fā)明另一種不同的III族氮化物系化合物半導(dǎo)體的步驟；圖10是一系列剖面圖，示出了制造本發(fā)明另一種不同的III族氮化物系化合物半導(dǎo)體的步驟；圖11是是一系列剖面圖，示出了制造本發(fā)明另一種不同的III族氮化物系化合物半導(dǎo)體的步驟；圖12是一系列剖面圖，示出了制造根據(jù)本發(fā)明第四實施例的III族氮化物系化合物半導(dǎo)體的步驟；圖13是一系列剖面圖，示出了制造根據(jù)本發(fā)明第五實施例的III族氮化物系化合物半導(dǎo)體發(fā)光器件的步驟；圖14是示出根據(jù)本發(fā)明第六實施例的一種III族氮化物系化合物半導(dǎo)體發(fā)光器件的剖面圖；圖15是示出根據(jù)本發(fā)明第七實施例的一種III族氮化物系化合物半導(dǎo)體發(fā)光器件的剖面圖；圖16是示出根據(jù)本發(fā)明第八實施例的一種III族氮化物系化合物半導(dǎo)體發(fā)光器件的剖面圖；圖17是示出蝕刻第一III族氮化物系化合物半導(dǎo)體的另一示例的示意圖；以及圖18是示出在III族氮化物系化合物半導(dǎo)體中擴散的線位錯的剖面圖。
具體實施例方式
下面將參照附圖描述本發(fā)明各實施例。本發(fā)明具有上述特征，且不局限于將具體描述的各實施例。
圖1～8中每幅圖示出了實施本發(fā)明的制造III族氮化物系化合物半導(dǎo)體的方法的模式。圖1示出其中襯底1的切割的側(cè)壁上不形成緩沖層2的示例。通過切割襯底1形成溝槽(圖1a)，形成緩沖層(圖1b)，且III族氮化物系化合物半導(dǎo)體層3沿橫向外延生長(圖1c)。圖1a中所示的切割的寬度和深度確定成使得III族氮化物系化合物半導(dǎo)體層31在III族氮化物系化合物半導(dǎo)體層32如上所述填埋溝槽之前覆蓋溝槽的上部，其中，III族氮化物系化合物半導(dǎo)體層31是以形成在立柱或臺地上表面上的緩沖層21作為晶體生長的籽晶或晶核而垂直并橫向生長的，而III族氮化物系化合物半導(dǎo)體層32是以形成在溝槽底面上的緩沖層2作為晶體生長的籽晶而垂直生長的。在圖1c中，橫向外延生長前沿例如采取{11-20}面。但是在本發(fā)明中，其不限制生長前沿表面的取向。于是，切割的形式和橫向外延生長條件確定為使得III族氮化物系化合物半導(dǎo)體層31以形成在立柱上表面上的緩沖層21作為晶體生長的籽晶的橫向生長在自溝槽底面的垂直生長填埋切割部分之前在通過切割形成的溝槽上部會合，由此線位錯在通過切割獲得的溝槽上部上形成的III族氮化物系化合物半導(dǎo)體層31的區(qū)域內(nèi)被抑制(圖1d)。
圖2示出當緩沖層2也形成在溝槽每個側(cè)壁上時的結(jié)構(gòu)。其他將產(chǎn)生的效果與參照圖1的情況在前面描述的效果相同。
圖5示出在襯底1上形成緩沖層2之后進行切割的實施例。沒有緩沖層2，形成在襯底1上的溝槽的底面和側(cè)壁不會垂直生長，或以極其緩慢的速度生長。以形成在立柱上表面上的緩沖層2作為晶體生長的籽晶的橫向生長覆蓋通過切割形成的溝槽(圖5c和5d)。如上所述，圖2a所示的切割的寬度和深度確定為使得以形成在立柱上表面上的緩沖層21作為晶體生長的籽晶的III族氮化物系化合物半導(dǎo)體層31的橫向生長在III族氮化物系化合物半導(dǎo)體層32自溝槽底面的垂直生長填埋切割部分之前覆蓋溝槽的上部。在圖2c中，橫向外延生長前沿例如采取{11-20}面。但是在本發(fā)明中，其并不限制生長前沿表面的取向。
圖7示出在使襯底1表面粗糙后形成緩沖層2的方式。粗糙部分A的面積確定為使得III族氮化物系化合物半導(dǎo)體層3以形成在襯底1表面未粗糙化部分上的緩沖層21作為晶體生長的籽晶在垂直和橫向外延生長，并覆蓋形成在粗糙部分A上的緩沖層22，該緩沖層的表面層不能成為均勻的單晶層，且該緩沖層生長速度較低。
圖8示出在使襯底1的表面粗糙之后直接形成III族氮化物系化合物半導(dǎo)體的方式。粗糙部分A的面積確定為使得形成在襯底1的表面的未粗糙化部分上的III族氮化物系化合物半導(dǎo)體層31在垂直方向和橫向外延生長，并覆蓋形成在粗糙部分A上的III族氮化物系化合物半導(dǎo)體層32，后者的表面層不能成為均勻的單晶層，且后者生長速度較低。
實施本發(fā)明的上述方式允許如下面所述進行選擇。
當要形成包括襯底和III族氮化物系化合物半導(dǎo)體的疊片時，襯底可以為藍寶石、硅(Si)、碳化硅(SiC)、尖晶石(MgAl2O4)、ZnO、MgO等的無機晶體襯底，且可以使用III-V族化合物半導(dǎo)體，如磷化鎵或砷化鎵半導(dǎo)體，或III族氮化物系化合物半導(dǎo)體，如氮化鎵(GaN)半導(dǎo)體。
形成III族氮化物系化合物半導(dǎo)體層的優(yōu)選方法為金屬有機化學(xué)氣相沉積(MOCVD)或金屬有機氣相外延生長(MOVPE)。然而，可以使用分子束外延(MBE)、鹵化物氣相外延(halide VPE)、液相外延(LPE)等。并且，可以通過不同的生長方法形成各層。
當III族氮化物系化合物半導(dǎo)體層要形成在例如藍寶石襯底上時，為了給該層賦予較好的結(jié)晶度，為了校正與藍寶石襯底的晶格失配的目的，優(yōu)選地形成緩沖層。當使用另一種材料的襯底時，采用緩沖層也是優(yōu)選的。緩沖層優(yōu)選的為低溫形成的III族氮化物系化合物半導(dǎo)體AlxGayIn1-x-yN(0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1)，更優(yōu)選地為AlxGa1-xN(0≤x≤1)。這種緩沖層可以為單層或包括不同成份的多成份層。緩沖層可以在380～420℃的低溫下形成，或在1000～1180℃下通過MOCVD形成。另外，AlN緩沖層可以通過利用DC磁控濺射裝置的反應(yīng)濺射方法形成，作為材料，可以使用高純度的鋁和氮氣。類似地，可以形成由分子式AlxGayIn1-x-yN(0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1，任意組成)表示的緩沖層。此外，可以采用氣相沉積、離子鍍、激光磨蝕或ECR。當緩沖層要通過物理氣相沉積形成時，物理氣相沉積優(yōu)選地在200～600℃，更優(yōu)選地在300～500℃，最優(yōu)選地在350～450℃下進行。當采用諸如濺射的物理氣相沉積時，緩沖層的厚度優(yōu)選地為100～3000埃，更優(yōu)選地為100～500埃，最優(yōu)選地為100～300埃。作為橫向外延生長的籽晶的III族氮化物系化合物半導(dǎo)體層和/或III族氮化物系化合物半導(dǎo)體的上層可以為包括重復(fù)的緩沖層單元的層(底層)，并可以形成單晶III族氮化物系化合物半導(dǎo)體層。底層最優(yōu)選地可以包括作為最上層的單晶層，其可以作用為橫向外延生長的籽晶。
即使在緩沖層、作用為橫向外延生長的籽晶的III族氮化物系化合物半導(dǎo)體層、橫向外延生長的層、以及/或位于上表面的III族氮化物系化合物半導(dǎo)體的組成成為使得一部分III族元素由硼(B)或鉈(Tl)替代或者一部分氮(N)原子由磷(P)、砷(As)、銻(Sb)、或鉍(Bi)替代時，本發(fā)明也可以充分得以應(yīng)用。同樣，緩沖層和III族氮化物系化合物半導(dǎo)體可以摻雜這些元素中任一種到不在其組成中呈現(xiàn)的程度。例如，由AlxGa1-xN(0≤x≤1)表示且不包含銦(In)和砷(As)的III族氮化物系化合物半導(dǎo)體可以摻雜有銦(In)或砷(As)，銦的原子半徑大于鋁(Al)和鎵(Ga)，而砷(As)的原子半徑大于氮(N)，從而通過借助于壓縮應(yīng)變的對由氮原子散去而導(dǎo)致的晶體膨脹應(yīng)變的補償而獲得改善的結(jié)晶度。在這種情況下，由于受主雜質(zhì)容易占據(jù)III族原子的位置，可以隨著生長獲得p型晶體。通過結(jié)晶度的如此實現(xiàn)的改進與本發(fā)明的特征相結(jié)合，可以進一步將線位錯降低到大約1/100到1/1000。在發(fā)光器件為目標產(chǎn)品的情況下，使用二元或三元的III族氮化物系化合物半導(dǎo)體是優(yōu)選的。
當形成n型III族氮化物化合物半導(dǎo)體層時，可以加入作為n型雜質(zhì)的IV族或VI族元素，如Si、Ge、Se、Te或C。II族或IV族元素，如Zn、Mg、Be、Ca、Sr或Ba可以作為p型雜質(zhì)加入。相同的層可以摻雜多種n型或p型雜質(zhì)，或摻雜n型和p型雜質(zhì)二者。
優(yōu)選地是，橫向外延生長前沿垂直于襯底。然而，橫向外延生長可以在保持相對于襯底的傾斜小面(facet)的同時進行。
優(yōu)選地是，橫向外延生長進行為至少橫向外延生長前沿的上部垂直于襯底表面。更優(yōu)選的是，生長前沿為III族氮化物系化合物半導(dǎo)體的{11-20}面。
要蝕刻的溝槽的深度和寬度確定為使得橫向外延生長填充溝槽。在利用至少在生長初始階段不發(fā)生自襯底表面或自不同層的垂直生長或生長非常緩慢的現(xiàn)象的同時確定蝕刻的條件。
當要形成在襯底上的III族氮化物系化合物半導(dǎo)體層的晶體取向可以預(yù)測時，掩蔽或切割以平行于III族氮化物系化合物半導(dǎo)體層的a面({11-20}面)或m面({1-100}面)的條帶形式形成在襯底上的溝槽的側(cè)壁是有利的。上述條帶或掩模圖案可以為島狀或網(wǎng)格狀，或者可以呈現(xiàn)其他形式。橫向外延生長的前沿可以垂直于或傾斜于襯底表面。為了使III族氮化物系化合物半導(dǎo)體層的a面，即{11-20}面變成橫向外延生長前沿，條帶的縱向例如必須垂直于III族氮化物系化合物半導(dǎo)體層的m面，即{1-100}面。例如，當襯底表面為藍寶石的a面或c面時，藍寶石的m面通常匹配襯底上形成的III族氮化物系化合物半導(dǎo)體層的a面。從而，切割按照各面的排列予以進行。在點狀、網(wǎng)格狀或島狀蝕刻情況下，限定外廓(側(cè)壁)的面優(yōu)選地為形成為上層的III族氮化物系化合物半導(dǎo)體層的{11-20}面。
蝕刻掩?？梢园ㄑ趸锘虻铮缪趸?SiO2)、氮化硅(Si3N4)、氧化鈦(TiOx)、或氧化鋯(ZrOx)；或可以呈現(xiàn)其多層薄膜的形式。蝕刻掩?？梢酝ㄟ^如氣相沉積、濺射或CVD的氣相生長方法或其他方法形成。
反應(yīng)粒子束蝕刻(RIE)是優(yōu)選的，但是可以采用任何其他的蝕刻方法。替換蝕刻的是，溝槽可以通過利用機械加工形成，如可以利用刮擦。其他任意方法，例如利用金剛石刀具的刮擦也可以用于使襯底粗糙化。
諸如FET或發(fā)光器件的半導(dǎo)體器件可以在上述具有抑制線位錯的區(qū)域的III族氮化物化合物半導(dǎo)體上遍及整個區(qū)域或主要在線位錯得以抑制的區(qū)域上形成。在發(fā)光器件情況下，發(fā)光層采取多量子阱(MQW)結(jié)構(gòu)、單量子阱(SQW)結(jié)構(gòu)、同質(zhì)結(jié)構(gòu)、單異質(zhì)結(jié)構(gòu)、或雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)，或者可以例如借助于pin節(jié)或pn節(jié)形成。
上述具有抑制線位錯區(qū)域的III族氮化物系化合物半導(dǎo)體可以例如通過去除襯底1、緩沖層2和III族氮化物系化合物半導(dǎo)體的未抑制線位錯部分而形成為III族氮化物系化合物襯底。如此形成的襯底可以允許III族氮化物系化合物半導(dǎo)體器件在其上形成，或者可以用作用于形成更大的III族氮化物系化合物半導(dǎo)體晶體的襯底。所述去除可以通過機械化學(xué)拋光或者任何其他適當?shù)姆椒ㄟM行。
在處理襯底并形成帶有較少線位錯的區(qū)域之后，帶有較少線位錯的區(qū)域形成在具有較多線位錯的區(qū)域的上部上。這作為可選示例也包括在本發(fā)明中。例如，根據(jù)本發(fā)明第一到第四特征，掩模形成在具有較多線位錯的區(qū)域上，這些位錯形成在包括具有較少線位錯的區(qū)域和具有較多線位錯的區(qū)域的III族氮化物系化合物半導(dǎo)體層中。然后以其上未形成掩模的具有較少線位錯區(qū)域的表面作為晶體生長的籽晶，沿橫向外延生長III族氮化物系化合物半導(dǎo)體層，并覆蓋掩模的上部，由此獲得具有普遍較少線位錯的III族氮化物系化合物半導(dǎo)體層。作為另一種替換，可以進行在帶有較多線位錯的區(qū)域的上部上的第二橫向外延生長。
下面將參照具體實施例描述本發(fā)明。各實施例將在描述制造發(fā)光器件的方法的同時予以說明。然而，本發(fā)明不局限于下面描述的實施例。本發(fā)明公開了一種制造III族氮化物系化合物半導(dǎo)體的方法，該方法可以應(yīng)用于任何器件的制造中。
在下面描述的所有實施例中，本發(fā)明的III族氮化物系化合物半導(dǎo)體通過金屬有機氣相外延(以下稱為MOVPE)制造。所使用的典型氣體包括氨氣(NH3)、載氣(H2或N2)、三甲基鎵(Ga(CH3)3，以下稱為TMG)、三甲基鋁(Al(CH3)3，以下稱為TMA)、三甲基銦(In(CH3)3，以下稱為TMI)、以及環(huán)戊二烯基鎂((Mg(C5H5)2，以下稱為Cp2Mg)。
制備單晶藍寶石襯底1，使得通過有機凈化和熱處理而凈化的其a面作用為其主表面。通過進行切割，分別為寬度10μm且深度10μm的溝槽以10μm的間隔形成為條帶圖案。接著，溫度設(shè)定為400℃，且提供H2(10L/min)、NH3(5L/min)、和TMA(20μmol/min)大約3分鐘，從而在藍寶石襯底1上形成AlN的緩沖層2，該緩沖層2厚度大約為40nm。緩沖層2主要形成在襯底1的溝槽的上表面和底面上。
接著，在藍寶石襯底1的溫度保持在1150℃的同時，引入H2(20L/min)、NH3(10L/min)、和TMA(5μmol/min)，由此通過垂直和橫向外延生長形成GaN層3。此時，自主要形成在立柱上表面上的緩沖層21的橫向外延生長填充溝槽，并由此形成平坦的頂面(圖1c)。隨后，引入H2(20L/min)、NH3(10L/min)、和TMG(300μmol/min)，由此生長GaN層3，使得GaN層3的厚度變成10μm。與形成在立柱頂面上的GaN層3的各部分相反，形成在通過襯底1延伸至10μm深的溝槽底部上的GaN層32的各部分具有對線位錯的顯著抑制。
制備單晶藍寶石襯底1，使得通過有機凈化和熱處理而凈化的其a面作用為其主表面。溫度下降到400℃，并供給H2(10L/min)、NH3(5L/min)、和TMA(20μmol/min)大約3分鐘，由此在藍寶石襯底1上形成厚度大約為40nm的AlN層(第一緩沖層)2。接著，通過進行切割，分別為寬度10μm、深度10μm的溝槽以10μm的間隔形成為條帶圖案。緩沖層2僅保留在襯底1的立柱上表面上(圖5b)。
接著，在藍寶石襯底1的溫度保持在1150℃的同時，引入H2(20L/min)、NH3(10L/min)、和TMG(5μmol/min)，由此，通過垂直和橫向外延生長形成GaN層3。此時，自主要形成在立柱上表面上的緩沖層21的橫向外延生長填充溝槽，并由此形成平坦的頂面(圖5c和5d)。隨后，引入H2(20L/min)、NH3(10L/min)、和TMG(300μmol/min)，由此GaN層3生長來使得GaN層3的厚度為10μm。與GaN層3的形成在立柱頂面上的部分相比，形成在通過襯底1延伸至10μm深的溝槽底部上的部分具有對線位錯的顯著抑制。
制備單晶藍寶石襯底1，使得通過有機凈化和熱處理而凈化的其a面作用為其主表面。然后，襯底1的表面通過反應(yīng)粒子束蝕刻(RIE)選擇性干式蝕刻較短時間，從而具有間隔10μm的帶形粗糙部分，該部分寬度為10μm。接著，在藍寶石襯底1的溫度保持在400℃的同時，引入H2(10L/min)、NH3(5L/min)、和TMA(20μmol/min)3分鐘，由此形成厚度大約為40nm的AlN緩沖層2。粗糙部分22的表面形態(tài)不同于緩沖層2光滑部分21的表面形態(tài)(圖7b)。
接著，在襯底1的溫度保持在1150℃的同時，引入H2(20L/min)、NH3(10L/min)、和TMA(5μmol/min)，由此通過垂直和橫向外延生長形成GaN層3。此時，主要自光滑部分21的橫向外延生長覆蓋緩沖層2的粗糙部分22，由此獲得平坦表面(圖7c和7d)。然后，引入H2(20L/min)、NH3(10L/min)、和TMG(300μmol/min)，由此形成厚度為3μm的GaN層3。與GaN層3的形成在立柱頂面上的部分相反，GaN層3的形成在通過襯底1延伸至10μm深的溝槽的底部上的部分呈現(xiàn)出對線位錯的顯著抑制。
如圖12所示，本實施例利用一底層，該底層包括重復(fù)的緩沖層和單晶III族氮化物系化合物半導(dǎo)體層。制備單晶藍寶石襯底1，使得通過有機凈化和熱處理而凈化的其a面作用為其主表面。溫度下降到400℃，并供給H2(10L/min)、NH3(5L/min)、和TMA(20μmol/min)大約3分鐘，由此在藍寶石襯底1上形成厚度大約為40nm的第一AlN層2。接著，在藍寶石襯底1的溫度保持在1000℃的同時，引入H2(20L/min)、NH3(10L/min)、和TMG(300μmol/min)，由此形成厚度大約為0.3μm的GaN層212。接著，溫度下降到400℃，并供給H2(10L/min)、NH3(5L/min)、和TMA(20μmol/min)大約3分鐘，由此形成厚度大約為40nm的第二AlN層213。如此形成包括厚度大約為40nm的第一AlN層211、厚度大約為0.3μm的GaN層212和厚度大約為40nm的第二AlN層213的底層20。
接著，以與第二實施例類似的方式，通過切割形成溝槽。使得溝槽延伸到藍寶石襯底1中10μm深。接著，在藍寶石襯底1的溫度保持在1150℃的同時，引入H2(20L/min)、NH3(10L/min)、和TMG(5μmol/min)，由此通過橫向外延生長形成GaN層3。橫向外延生長是在形成在立柱頂部的底層20作用為晶體生長的籽晶的同時進行的，從而填充溝槽，并因而形成平坦的頂面。隨后，引入H2(20L/min)、NH3(10L/min)、和TMG(300μmol/min)，由此GaN層3生長來使得GaN層3厚度為10μm。與GaN層3的形成在立柱頂面上的部分相反，GaN層3的形成在溝槽10μm深部分上的部分呈現(xiàn)出對線位錯的顯著抑制，其中溝槽形成在藍寶石襯底1中。
在以與第一實施例類似的方式形成的晶片上，圖13所示的激光二極管(LD)100以如下方式形成。特別是，在GaN層3的形成過程中，引入硅烷(SiH4)，從而形成作用為GaN層的硅(Si)摻雜的n型GaN層。為了簡化描述的目的，附圖僅僅示出晶片1000，以總體上表示帶溝槽的藍寶石襯底1、形成在立柱上表面和溝槽底面上的緩沖層2、以及填充溝槽的GaN，以及示出GaN層103，以表示GaN層3的其余部分。
在晶片層1000上形成的n型GaN層103上，形成了硅(Si)摻雜的Al0.08Ga0.92N的n包層104、硅(Si)摻雜的GaN的n導(dǎo)引層105、MQW結(jié)構(gòu)的發(fā)光層106、鎂(Mg)摻雜的GaN的p導(dǎo)引層107、鎂(Mg)摻雜的Al0.08Ga0.92N的p包層108、以及鎂(Mg)摻雜的GaN的p接觸層109，其中晶片層1000包括帶溝槽的藍寶石襯底1、AlN緩沖層2和GaN層3。接著金(Au)電極110A形成在p接觸層109上。局部進行蝕刻，直到由兩層GaN層和n型GaN層構(gòu)成的三層GaN層103暴露出來為止。在暴露的GaN層103上，形成鋁(Al)電極110B。如此形成的激光二極管(LD)呈現(xiàn)出器件壽命和發(fā)光效率的明顯提高。
在以與第一實施例類似的方式形成的晶片上，圖14所示的發(fā)光二極管(LED)200以如下方式形成。在形成GaN層3時，引入硅烷(SiH4)，從而GaN層3包括Si摻雜的n型GaN。為了簡化說明的緣故，附圖僅僅示出了晶片2000，以總體表示帶溝槽的藍寶石襯底1、形成在立柱上表面和溝槽底面上的緩沖層2、以及填充溝槽的GaN層，并且示出了GaN層203，以表示GaN層3的其余部分。
在形成于晶片層2000上的n型GaN層203上，形成有硅(Si)摻雜的Al0.08Ga0.92N的n包層204、發(fā)光層205、鎂(Mg)摻雜的Al0.08Ga0.92N的p包層206、以及鎂(Mg)摻雜的GaN的p接觸層207，其中，晶片層2000包括帶溝槽的藍寶石襯底1、AlN緩沖層2以及填充溝槽的GaN層3。接著，金(Au)電極208A形成在p接觸層207上。局部進行蝕刻，直到由GaN層和n型GaN層構(gòu)成的雙層GaN層203暴露出來為止。在暴露的GaN層203上，形成鋁(Al)電極208B。如此形成的發(fā)光二極管(LED)呈現(xiàn)出器件壽命和發(fā)光效率的顯著提高。
本實施例利用硅(Si)襯底。Si襯底301蝕刻成條帶圖案，并且分別為寬10μm、深10μm的溝槽以10μm的間隔形成為條帶圖案。接著，在硅襯底301的溫度保持在1150℃的同時，引入H2(20L/min)、NH3(10L/min)、TMG(5μmol/min)、TMA(0.5μmol/min)和用氫氣稀釋的硅烷(SiH4)(0.01μmol/min)，由此自硅襯底上的溝槽的底面垂直生長n-Al0.15Ga0.85N層，并自硅襯底內(nèi)立柱的頂面和溝槽的側(cè)壁橫向生長n-Al0.15Ga0.85N層。橫向外延生長在立柱上部的表面主要用作籽晶的同時進行，由此填充襯底內(nèi)形成的溝槽，并從而形成平坦的頂面。隨后，引入H2(10L/min)、NH3(10L/min)、TMG(100μmol/min)、TMA(10μmol/min)和用氫氣稀釋的硅烷(SiH4)(0.2μmol/min)，由此生長厚度為3μm的n-Al0.15Ga0.85N層。此后，帶溝槽的硅襯底301和n-Al0.15Ga0.85N層302由晶片3000概括地表示。
在晶片3000(帶溝槽的硅襯底301和形成在襯底301上的n-Al0.15Ga0.85N層302)上，形成硅(Si)摻雜的GaN的n-導(dǎo)引層303、MQW結(jié)構(gòu)的發(fā)光層304、鎂(Mg)摻雜的GaN的p-導(dǎo)引層305、鎂(Mg)摻雜的Al0.08Ga0.92N的p包層306、以及鎂(Mg)摻雜的GaN的p接觸層307。接著，金(Au)電極308A形成在p接觸層307上，而鋁(Al)電極308B形成在硅襯底301的背面上。圖15中的如此形成的激光二極管(LD)300呈現(xiàn)出器件壽命和發(fā)光效率的顯著提高。
本實施例利用硅(Si)襯底。如利用包括帶溝槽的硅襯底301和其上形成的n-Al0.15Ga0.85N層302的晶片的第七實施例一樣，本實施例利用包括帶溝槽的硅襯底401和襯底401上形成的Al0.15Ga0.85N層402的晶片4000。在晶片4000上，形成發(fā)光層403和鎂(Mg)摻雜的Al0.15Ga0.85N的p包層404。接著，金(Au)電極405A形成在p包層404上，而鋁(Al)電極405B形成在硅襯底401的背面。圖16中的如此形成的發(fā)光二極管(LED)400呈現(xiàn)出器件壽命和發(fā)光效率的明顯提高。
本實施例允許形成島狀立柱或形成如圖17所示的粗糙部分B和光滑部分。為了便于理解，圖17a的示意圖包括周邊區(qū)域。實際上，每個晶片可以形成好幾千萬個島狀立柱，在圖17a中，溝槽B底部的面積是島狀立柱頂面的面積的三倍。在圖17b中，溝槽B底部的面積是島狀立柱頂面的面積的八倍。
雖然本發(fā)明已經(jīng)參照上述實施例加以描述，本發(fā)明不局限于此，而是在不背離本發(fā)明精髓前提下可以按需要進行改進。
本發(fā)明所要求優(yōu)先權(quán)的日本專利申請第2000-71350的全部公開物和內(nèi)容合并于此作為參考。
權(quán)利要求
1.一種在襯底上制造III族氮化物系化合物半導(dǎo)體的方法，包括如下步驟去除所述襯底表面的至少一部分，以在所述襯底表面上提供一溝槽/立柱；以及以所述襯底未去除的頂面作為晶體生長的籽晶，垂直且橫向地外延生長所需的III族氮化物系化合物半導(dǎo)體，從而覆蓋所述襯底的所述溝槽/立柱中的溝槽的上部，其中，所述襯底的剩余表面通過去除所述襯底的表面而形成，從而形成島狀結(jié)構(gòu)，如點狀、帶形或網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)。
2.一種制造III族氮化物系化合物半導(dǎo)體的方法，其中，III族氮化物系化合物半導(dǎo)體在襯底上形成的緩沖層上形成，該方法包括如下步驟去除所述襯底表面的至少一部分，從而在所述襯底表面上提供一溝槽/立柱；在所述襯底上形成所述緩沖層；以及以形成在所述襯底的剩余表面上的所述緩沖層作用為用于晶體生長的籽晶，垂直且橫向地外延生長所需的III族氮化物系化合物半導(dǎo)體，從而覆蓋所述襯底的所述溝槽/立柱中的溝槽的上部，其中，所述緩沖層形成為島狀結(jié)構(gòu)，如點狀、帶形、或網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)。
3.一種制造III族氮化物系化合物半導(dǎo)體的方法，其中，III族氮化物系化合物半導(dǎo)體形成于襯底上形成的緩沖層之上，該方法包括如下步驟去除所述襯底表面的至少一部分，以在所述襯底的表面上提供一溝槽/立柱；在所述襯底上形成緩沖層；在所述緩沖層上垂直地外延生長III族氮化物系化合物半導(dǎo)體，從而形成單晶層；以及以形成在所述襯底的剩余表面上的所述緩沖層上的所述III族氮化物系化合物半導(dǎo)體的所述單晶層作用為晶體生長的籽晶，垂直且橫向外延生長所需的III族氮化物系化合物半導(dǎo)體，從而覆蓋所述襯底的所述溝槽/立柱中的溝槽的上部，其中，所述單晶層形成為島狀結(jié)構(gòu)，如點狀、帶形、或網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)。
4.一種制造III族氮化物系化合物半導(dǎo)體的方法，其中，III族氮化物系化合物半導(dǎo)體形成于襯底上形成的緩沖層之上，該方法包括如下步驟在所述襯底上形成所述緩沖層；去除所述緩沖層和所述襯底表面的至少一部分，從而提供溝槽/立柱，該溝槽/立柱具有其上在所述襯底表面上形成所述緩沖層的立柱、以及其上不形成所述緩沖層的溝槽；以及以形成在所述襯底剩余表面上的所述緩沖層作用為用于晶體生長的籽晶，垂直并橫向外延生長所需的III族氮化物系化合物半導(dǎo)體，從而覆蓋所述襯底的所述溝槽/立柱中的溝槽的上部，其中，所述緩沖層形成為島狀結(jié)構(gòu)，如點狀、帶形、或網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)。
5.一種制造III族氮化物系化合物半導(dǎo)體的方法，其中，III族氮化物系化合物半導(dǎo)體形成于襯底上形成的緩沖層上，該方法包括如下步驟在所述襯底上形成所述緩沖層；在所述緩沖層上垂直外延生長III族氮化物系化合物半導(dǎo)體，從而形成單晶層；去除所述III族氮化物系化合物半導(dǎo)體的所述單晶層、所述緩沖層和所述襯底表面的至少一部分，從而提供一溝槽/立柱，該溝槽/立柱具有其上在所述襯底的所述表面上形成所述III族氮化物系化合物半導(dǎo)體的所述單晶層和所述緩沖層的立柱、以及其上不形成所述III族氮化物系化合物半導(dǎo)體的所述單晶層和所述緩沖層的溝槽；以及以形成在所述襯底剩余表面上的所述緩沖層上的III族氮化物系化合物半導(dǎo)體的所述單晶層作用為用于晶體生長的籽晶，垂直且橫向外延生長所需的III族氮化物系化合物半導(dǎo)體，從而覆蓋所述襯底的所述溝槽/立柱中的溝槽的上部，其中，所述單晶層形成為島狀結(jié)構(gòu)，如點狀、帶形、或網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)。
6.一種制造III族氮化物系化合物半導(dǎo)體的方法，其中，III族氮化物系化合物半導(dǎo)體生長于襯底上，該方法包括如下步驟降低所述襯底表面至少一部分的光潔度并在所述襯底表面上形成其上將不充分形成III族氮化物系化合物半導(dǎo)體層的一部分的表面處理過程；在所述經(jīng)處理的襯底上生長所述III族氮化物系化合物半導(dǎo)體并形成其上充分形成所述III族氮化物系化合物半導(dǎo)體的單晶層的一部分和其上不充分形成所述III族氮化物系化合物半導(dǎo)體單晶層的一部分的過程；以及以形成在所述襯底的其表面光潔度未降低的部分上的所述III族氮化物系化合物半導(dǎo)體的所述單晶層作用為晶體生長的籽晶，垂直并橫向外延生長III族氮化物系化合物半導(dǎo)體，從而覆蓋其上所述III族氮化物系化合物半導(dǎo)體的所述單晶層未充分形成的部分的過程，其中，所述單晶層形成為島狀結(jié)構(gòu)，如點狀、帶形、或網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)。
7.一種制造III族氮化物系化合物半導(dǎo)體的方法，其中III族氮化物系化合物半導(dǎo)體生長于襯底上形成的緩沖層上，該方法包括如下步驟降低所述襯底表面的至少一部分的光潔度并在所述襯底表面上形成其上將充分形成所述緩沖層的一部分的表面處理過程；在所述經(jīng)處理的襯底上生長所述緩沖層并形成其上充分形成所述緩沖層的一部分和其上未充分形成所述緩沖層的一部分的過程；以及以形成在所述襯底的其表面光潔度未降低的部分上的所述緩沖層作用為晶體生長的籽晶，垂直并橫向外延生長所需的III族氮化物系化合物半導(dǎo)體，從而覆蓋其上未充分形成所述緩沖層的部分的過程，其中，所述緩沖層形成為島狀結(jié)構(gòu)，如點狀、帶形或網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)。
8.一種制造III族氮化物系化合物半導(dǎo)體的方法，其中III族氮化物系化合物半導(dǎo)體生長于襯底上形成的緩沖層上，該方法包括以下步驟降低所述襯底表面的至少一部分的光潔度并在所述襯底的表面上形成其上將充分形成所述緩沖層的一部分的表面處理過程；在所述經(jīng)處理的襯底上生長所述緩沖層并形成其上充分形成所述緩沖層的一部分和其上未充分形成所述緩沖層的一部分的過程；在其上充分形成所述緩沖層的部分上形成III族氮化物系化合物半導(dǎo)體的單晶層的過程；以及以在所述襯底的其表面光潔度未降低的部分上形成的所述緩沖層上的所述III族氮化物系化合物半導(dǎo)體的所述單晶層作用為晶體生長的籽晶，垂直并橫向外延生長所需的III族氮化物系化合物半導(dǎo)體，從而覆蓋其上未充分形成所述緩沖層的部分的過程，其中，所述III族氮化物系化合物半導(dǎo)體的所述單晶層形成為島狀結(jié)構(gòu)，如點狀、帶形、或網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)。
9.一種制造III族氮化物系化合物半導(dǎo)體的方法，其中III族氮化物系化合物半導(dǎo)體生長于襯底上形成的緩沖層上，該方法包括如下步驟在襯底上形成緩沖層的過程；降低所述緩沖層表面至少一部分的光潔度并形成其上將不充分形成III族氮化物系化合物半導(dǎo)體的單晶層的一部分的表面處理過程；以所述緩沖層的其表面光潔度未降低的部分作用為晶體生長的籽晶，垂直并橫向外延生長所需III族氮化物系化合物半導(dǎo)體，從而覆蓋所述緩沖層的光潔度降低的部分的過程，其中，所述緩沖層的該部分形成為島狀結(jié)構(gòu)，如點狀、帶形、或網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)。
10.一種制造III族氮化物系化合物半導(dǎo)體的方法，其中III族氮化物系化合物半導(dǎo)體生長于襯底上形成的緩沖層上，該方法包括如下步驟在襯底上形成緩沖層的過程；在所述緩沖層上形成第一III族氮化物系化合物半導(dǎo)體的過程；降低所述第一III族氮化物系化合物半導(dǎo)體的至少一部分的光潔度并形成其上將不充分形成第二III族氮化物系化合物半導(dǎo)體的單晶層的一部分的表面處理過程；以及以所述第一III族氮化物系化合物半導(dǎo)體的其表面光潔度未降低的部分作為晶體生長的籽晶，垂直并橫向外延生長所述第二III族氮化物系化合物半導(dǎo)體，從而覆蓋該處所述第一III族氮化物系化合物半導(dǎo)體的光潔度降低的部分的過程，其中，所述第一III族氮化物系化合物半導(dǎo)體的該部分形成為島狀結(jié)構(gòu)，如點狀、帶形、或網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)。
11.一種III族氮化物系化合物半導(dǎo)體器件，其形成為III族氮化物系化合物半導(dǎo)體層的橫向外延生長部分上提供的上層，該III族氮化物系化合物半導(dǎo)體層是通過如權(quán)利要求1到10中任一項所述的制造III族氮化物系化合物半導(dǎo)體的方法制造的。
12.一種III族氮化物系化合物半導(dǎo)體發(fā)光器件，其通過在III族氮化物系化合物半導(dǎo)體層的橫向外延生長部分上層疊作為上層的不同的III族氮化物系化合物半導(dǎo)體層制造，前者III族氮化物系化合物半導(dǎo)體層通過如權(quán)利要求1到10中任一項所述的制造III族氮化物系化合物半導(dǎo)體的方法制造。
13.一種制造III族氮化物系化合物半導(dǎo)體襯底的方法，包括如權(quán)利要求1到10中任一項所述的制造III族氮化物系化合物半導(dǎo)體的方法，以及去除除了形成在通過橫向外延生長所提供的一部分之上的上層之外的基本上整個部分，由此獲得III族氮化物系化合物半導(dǎo)體襯底。
全文摘要
藍寶石襯底(1)蝕刻成10μm寬、10μm間隔、且10μm深的條帶圖案。厚度大約為40nm的AlN緩沖層(2)主要形成在襯底(1)上臺階的頂面和底面上。GaN層(3)通過垂直和水平外延生長形成。從而，臺階由臺階頂面上水平外延生長的緩沖層(21)覆蓋，因此，該表面變得平坦。在GaN層(3)的在臺階底部之上的部分中的線位錯與其在臺階頂部之上的部分相比被明顯抑制。
文檔編號H01S5/02GK1429402SQ01809479
公開日2003年7月9日 申請日期2001年2月23日 優(yōu)先權(quán)日2000年3月14日
發(fā)明者手錢雄太 申請人:豐田合成株式會社