專利名稱：制造半導(dǎo)體發(fā)光裝置的方法及其制造的半導(dǎo)體發(fā)光裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于制造半導(dǎo)體發(fā)光裝置的方法，特別是一種用于制造包括位于硅襯底上的作為發(fā)光層的氮化物半導(dǎo)體層的半導(dǎo)體發(fā)光裝置；和利用該方法制造的半導(dǎo)體發(fā)光裝置。
背景技術(shù)：
利用氮化物半導(dǎo)體材料，例如GaN、InN、AlN或它們的混合晶體的發(fā)光裝置通常包括作為藍寶石襯底上的發(fā)光層的氮化物半導(dǎo)體層，該半導(dǎo)體層例如由InxGa1-xN晶體形成。
最近，已經(jīng)生產(chǎn)出比藍寶石襯底更便宜、面積更大的硅(Si)襯底。通過用這種Si襯底代替藍寶石襯底可以制造成本更低的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光裝置。
利用Si襯底制造的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光裝置具有下述問題。氮化物半導(dǎo)體層的熱膨脹系數(shù)比Si襯底的大。當溫度一旦升高到外延生長的溫度然后降低到室溫時，由于該Si襯底和氮化物半導(dǎo)體層之間熱膨脹系數(shù)的差異，所以氮化物半導(dǎo)體層將比Si襯底更顯著地收縮。
圖13為利用Si襯底91的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光裝置500的示意性透視圖。如圖13所示，當溫度升高從而通過外延生長在Si襯底91上形成氮化物半導(dǎo)體層92，然后降到室溫時，氮化物半導(dǎo)體層92顯著地收縮。其結(jié)果是，在Si襯底91和氮化物半導(dǎo)體層92之間的接觸面受到張力作用，從而可能導(dǎo)致裂紋93。
在氮化物半導(dǎo)體發(fā)光裝置具有雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)的情況下，當產(chǎn)生裂紋93時，對發(fā)光沒有貢獻的無效漏電量將增加。這妨礙了強光的輸出。為了制造壽命較長和發(fā)射強光的氮化物半導(dǎo)體裝置，必須防止這種裂紋93的產(chǎn)生。
圖14為截面視圖，示出另一傳統(tǒng)的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光裝置600的制造步驟。
該氮化物半導(dǎo)體發(fā)光裝置600的制造如下。利用氧化物層等在Si襯底91A上形成具有多個開孔(窗口)42B的掩膜層41B，然后通過外延生長在掩膜層41B的各開孔42B中形成氮化物半導(dǎo)體層92B。由于這一步驟，作用于Si襯底91A和氮化物半導(dǎo)體層92A之間的接觸面的張力減小，從而防止了裂紋的產(chǎn)生。
該傳統(tǒng)方法具有以下問題。根據(jù)掩膜層41B的尺寸、掩膜層41B的寬度和材料以及生長溫度和流速，用于外延生長的材料保持在掩膜層41B上。這增加了開口42B中的氮化物半導(dǎo)體層92A的位于掩膜層41B附近的周圍部分中的材料濃度，使該濃度過高。因此，如圖14所示，由于被稱為“邊緣生長”的生長，開孔42B中的氮化物半導(dǎo)體層92A的周圍部分的厚度大約為其中心處厚度的三倍。
如上所述，通過在開孔42B中的外延生長形成氮化物半導(dǎo)體層92A的方法可防止其中心部分裂開，但由于作用于較厚部分的局部變形，氮化物半導(dǎo)體層92A的周圍部分中仍然可能出現(xiàn)裂紋。
當襯底由熱膨脹系數(shù)小于氮化物半導(dǎo)體材料的材料，如Si形成時，很難在防止裂紋產(chǎn)生的同時，生產(chǎn)出一種壽命較長和亮度較強的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光裝置。通過外延生長在開孔中形成氮化物半導(dǎo)體層還不夠。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種用于制造半導(dǎo)體發(fā)光裝置的方法，該裝置包括至少一個位于襯底上的第一柱狀多層結(jié)構(gòu)，并包含以鎵氮化物為基的半導(dǎo)體化合物半導(dǎo)體層，該化合物可由化學式InxGayAlzN(其中x+y+z＝1，0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1)表示。該方法包括在襯底中形成多個凹槽的第一步驟；和在襯底上形成多個第一柱狀多層結(jié)構(gòu)，從而由該凹槽分離的第二步驟。
在本發(fā)明的一個實施例中，該方法還包括第二步驟之后的第三步驟，去除包括沉淀在凹槽中的外延層的物質(zhì)；和第三步驟之后的第四步驟，在凹槽中形成絕緣層，該絕緣層可將多個第一柱狀多層結(jié)構(gòu)彼此電隔離。
在本發(fā)明的一個實施例中，該方法還包括在第四步驟之后形成用于將多個第一柱狀多層結(jié)構(gòu)彼此電連接的透明電極的步驟。
在本發(fā)明的一個實施例中，該方法還包括第四步驟之后的以下步驟形成用于連接各第一柱狀多層結(jié)構(gòu)的透明電極；將形成的層板分割為多片，并使每片包括一個第一柱狀多層結(jié)構(gòu)。
在本發(fā)明的一個實施例中，凹槽形成為格狀圖案。襯底包括多個第一區(qū)域和多個第二區(qū)域，每個區(qū)域都由凹槽包圍。該多個第一區(qū)域和多個第二區(qū)域形成為棋盤圖案。該方法還包括在第一步驟之前的以下步驟形成覆蓋襯底的掩膜層，去除對應(yīng)于形成在襯底上的凹槽的掩膜層部分。第二步驟包括以下步驟去除掩膜層的位于多個第一區(qū)域上的部分，在各第一區(qū)域上形成第一柱狀多層結(jié)構(gòu)，去除掩膜層的位于多個第二區(qū)域上的部分，在各第二區(qū)域上形成第二柱狀多層結(jié)構(gòu)。
在本發(fā)明的一個實施例中，該多個第一柱狀多層結(jié)構(gòu)的熱膨脹系數(shù)都大于襯底的熱膨脹系數(shù)。
在本發(fā)明的一個實施例中，襯底由硅形成。
在本發(fā)明的一個實施例中，凹槽的深度至少為各第一柱狀多層結(jié)構(gòu)在垂直于襯底表面的方向上的厚度的50％，大約為10μm或更小。各槽的寬度為大于等于2μm并小于等于10μm。
在本發(fā)明的一個實施例中，凹槽彼此交叉。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種由上述方法制造的半導(dǎo)體發(fā)光裝置。
因此，這里描述的本發(fā)明的優(yōu)點是可以提供一種用于利用Si襯底制造半導(dǎo)體發(fā)光裝置，并仍能防止Si襯底和氮化物半導(dǎo)體層之間的接觸面產(chǎn)生裂紋的方法；和由該方法制造的半導(dǎo)體發(fā)光裝置。
本領(lǐng)域技術(shù)人員在閱讀并理解下面結(jié)合附圖的說明以后，將明白本發(fā)明的這些和其他優(yōu)點。


圖1為根據(jù)本發(fā)明第一實施例的半導(dǎo)體發(fā)光裝置的截面示意圖；圖2為圖1所示的半導(dǎo)體發(fā)光裝置的平面視圖；圖3為在圖1所示的半導(dǎo)體發(fā)光裝置的制造過程中獲得的具有凹槽的Si襯底的截面圖；圖4為在圖1所示的半導(dǎo)體發(fā)光裝置的制造過程中獲得的層板截面圖；圖5為在圖1所示的半導(dǎo)體發(fā)光裝置的制造過程中獲得的另一層板的截面圖；
圖6為根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的另一半導(dǎo)體發(fā)光裝置的平面視圖；圖7為根據(jù)本發(fā)明第二實施例的半導(dǎo)體發(fā)光裝置的截面示意圖；圖8為圖7所示的半導(dǎo)體發(fā)光裝置的平面視圖；圖9為在圖7所示的半導(dǎo)體發(fā)光裝置的制造過程中獲得的層板截面圖；圖10為在圖7所示的半導(dǎo)體發(fā)光裝置的制造過程中獲得的另一層板的截面圖；圖11為根據(jù)本發(fā)明第三實施例的半導(dǎo)體發(fā)光裝置的截面示意圖；圖12為在圖11所示的半導(dǎo)體發(fā)光裝置的制造過程中獲得的層板截面圖；圖13為傳統(tǒng)半導(dǎo)體發(fā)光裝置的等角視圖；以及圖14為另一傳統(tǒng)半導(dǎo)體發(fā)光裝置的界面視圖。
具體實施例方式
下面將通過結(jié)合附圖的說明性實施例說明本發(fā)明。在說明書中，“柱狀多層結(jié)構(gòu)”指包括通過外延生長在Si襯底的一部分上形成的氮化物半導(dǎo)體層的層板?！鞍雽?dǎo)體發(fā)光裝置”指包括位于Si襯底上的至少一個柱狀多層結(jié)構(gòu)的發(fā)光裝置。
圖1為根據(jù)本發(fā)明第一實施例的半導(dǎo)體發(fā)光裝置的截面示意圖。圖2為氮化物半導(dǎo)體發(fā)光裝置100的示意性平面圖。
該氮化物半導(dǎo)體發(fā)光裝置100包括具有一個水平板(111)的Si襯底11和位于該Si襯底11上的絕緣層31。該絕緣層31具有多個開孔32，氮化物半導(dǎo)體層通過它生長。絕緣層31例如包含SiO2。在各開孔32中，具有柱狀多層結(jié)構(gòu)20。該柱狀多層結(jié)構(gòu)20包括基于鎵氮化物的化合物半導(dǎo)體層，化學式表示為InxGayAlzN(其中x+y+z＝1，0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1)。
絕緣層31精確的定位在Si襯底11的一個表面中形成的多個凹槽12的底表面上。凹槽12位于Si襯底11上除了四個角中的至少一個所處的位置外的整個表面。凹槽12排列為格狀圖案，從而彼此垂直交叉。開孔32都由凹槽12包圍，且位于Si襯底11上除了四個角中的至少一個所處的位置外的整個表面上(見圖2)。開孔32通過絕緣層31從而使Si襯底11的表面暴露。開孔32為正方形，并位于Si<11-2>方向和Si<1-10>方向的矩陣中，氮化物半導(dǎo)體材料在該開孔32中晶體生長。<11-2>方向和<1-10>方向彼此垂直。
柱狀多層結(jié)構(gòu)20包括位于Si襯底11的表面上的緩沖層21。該緩沖層21包含摻雜Si的n-AlInN。柱狀多層結(jié)構(gòu)20還包括包含n-GaInN的第一覆蓋層22和包含InxGa1-xN的發(fā)光層23，包含p-AlGaInN的載體塊層24和包含p-GaInN的第二覆蓋層25。層22、23、24和25在緩沖層21上順序?qū)盈B。柱狀多層結(jié)構(gòu)20具有一所需的厚度26。所需的厚度26為在垂直于Si襯底11的水平方向的方向上的厚度。
柱狀多層結(jié)構(gòu)20掩閉在絕緣層31中。絕緣層31的頂表面基本上完全被透明電極16覆蓋，以使各柱狀多層結(jié)構(gòu)20的頂表面，即第二覆蓋層25，與透明電極16接觸。這樣，所有的柱狀多層結(jié)構(gòu)20彼此電連接。
在透明電極16的一個角上，具有一個柱狀焊接電極17，其用于向透明電極16提供外部電源電流。在Si襯底11的底表面上，具有一個背部電極19。
發(fā)光層23可通過改變InxGa1-xN中的x的比率，提供從紫外線光范圍到紅外光范圍的不同波段的發(fā)光。在該實施例中，In的比率x被設(shè)定為所有的柱狀多層結(jié)構(gòu)20的發(fā)光層23都發(fā)射藍光。
連接到第二覆蓋層25的透明電極16包含厚度小于等于20nm的金屬層或ITO層。該ITO層最好包含Ta、Co、Rh、Ni、Pd、Pt、Cu、Ag和Au中的至少一種金屬。
背部電極19包含金屬，最好為Al、Ti、Zr、Hf、V和Nb中的至少一種。
具有上述結(jié)構(gòu)的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光裝置100以下述方式生產(chǎn)。
圖3為具有凹槽12的Si襯底11的截面圖。Si襯底11被清洗后，凹槽12形成為預(yù)定的格形圖案，從而不會與對應(yīng)于開孔32的位置相互干涉，其中柱狀多層結(jié)構(gòu)20生長在該開口中。各槽12都具有大約為5μm的寬度W1，和大約5μm的深度H1。各開孔32的寬度W3大約為100μm。
開孔32的寬度W3最好在50μm-150μm的范圍內(nèi)。當開孔32的寬度W3超過200μm時，由于Si襯底11和柱狀多層結(jié)構(gòu)20之間的熱膨脹系數(shù)不同，將會產(chǎn)生裂紋。
凹槽12可通過活性離子蝕刻(RIE)或通過利用例如包括HF、HNO3和醋酸的混合物的酸對Si進行蝕刻而形成。
各凹槽12的寬度W1最好在2μm-10μm之間。當寬度W1小于2μm時，氮化物半導(dǎo)體材料的生長中的選擇性降低，從而兩個相鄰的柱狀多層結(jié)構(gòu)20結(jié)合到一起，這更可能產(chǎn)生裂紋。各凹槽12的深度H1最好大于寬度W1，這是因為在這種情況下，兩個相鄰柱狀多層結(jié)構(gòu)20沒有合并在一起，因此不會發(fā)生裂紋。
深度H1最好為柱狀多層結(jié)構(gòu)20的所設(shè)計厚度26的50％或更多(圖1)。當深度HI小于所設(shè)計厚度26的50％時，將發(fā)生下面的問題。當在下一生產(chǎn)步驟中在各開孔32中生長柱狀多層結(jié)構(gòu)20時，半導(dǎo)體材料從開孔32中出來，并落入凹槽12中。該半導(dǎo)體材料與形成柱狀多層結(jié)構(gòu)20的半導(dǎo)體材料結(jié)合，從而增加了產(chǎn)生裂紋的可能性。深度H1最好為10μm或其以下。當深度H1大于10μm時，用于形成柱狀多層結(jié)構(gòu)20的半導(dǎo)體材料以多晶體狀態(tài)沉積于各凹槽12的側(cè)壁上。因此，氮化物半導(dǎo)體發(fā)光裝置100出現(xiàn)漏電流，該電流使氮化物半導(dǎo)體發(fā)光裝置100的特性變壞，從而降低了發(fā)光效率?？梢酝ㄟ^在各凹槽12的側(cè)壁上形成氧化物層等掩膜，防止半導(dǎo)體材料沉積在各凹槽12的側(cè)壁上。
凹槽12用于分離在兩個相鄰開孔32中生長的氮化物半導(dǎo)體層。因此，凹槽12可以為兩級或多級。凹槽12例如可利用雕刻或各向異性的蝕刻，將截面形成為V形。
如上所述在Si襯底11中形成凹槽12以后，對Si襯底11的表面進行清洗。然后，將具有凹槽12的Si襯底送入MOCVD裝置。該Si襯底11在氫氣(H2)環(huán)境中在1100℃溫度下被清洗。
圖4為制造半導(dǎo)體發(fā)光裝置100的一個步驟的截面圖。圖4所示的柱狀多層結(jié)構(gòu)20是如下這樣生長的。
當把流速為10L/min的N2作為運載氣體提供給MOCVD裝置時，在800℃下分別提供流速為5L/min、20μmol/min和137μmol/min的NH3、三甲基色氨酸鋁(TMA)和三甲基色氨酸銦(TMI)。若干秒后，將SiH4氣體引入MOCDV裝置中，從而執(zhí)行Si摻雜。這樣，Al0.85In0.15N的緩沖層21在對應(yīng)于開孔32的位置生長為30nm的厚度。
在上述MOVPE的晶體生長中，作為III組氣體的有機金屬(TMA和TMI)在V組的NH3氣體之前幾秒被提供。從而修平了緩沖層21，這基于下述可能出現(xiàn)的原因。當NH3在有機金屬之前被提供時，Si襯底11的表面被氮化。相反，當在NH3氣體之前供應(yīng)有機金屬時，Si襯底11的表面應(yīng)防止被氮化，在Si襯底11的表面上提供III組元素。在NH3氣體之前用于提供有機金屬的精確計時根據(jù)MOCDV裝置的具體情況而改變。
在提供緩沖層21之前，最好提供Al0.95In0.05N層，它比Si襯底11上的緩沖層21具有更多的Al，厚度達到20nm。通過這種結(jié)構(gòu)，Si襯底11和柱狀多層結(jié)構(gòu)20之間的接觸面的狀態(tài)得到改進。
當緩沖層21形成之后，終止供應(yīng)TMA。仍然在800℃，以大約20μmol/min的流速引入TMG，以大約為100μmol/min的流速引入TMI，從而，摻Si的Ga0.92In0.08N晶體生長，從而形成厚度大約為300nm的n型第一覆蓋層22。
第一覆蓋層22可由GaN形成，它可在緩沖層21形成后通過增加溫度而得到。該第一覆蓋層22還可由GaInN形成，它包括In而不包括Al。GaInN層可在較低溫度下生長，這對抑制Si襯底11中出現(xiàn)裂紋有益。
第一覆蓋層22形成后，終止供應(yīng)TMA、TMI和TMG，襯底溫度降低到760℃。然后，分別以6.5μmol/min和2.8μmol/min的流速供應(yīng)TMI和TMG，從而生長出厚度為3nm的包含In0.18Ga0.82N的阱層。然后，溫度升高到850℃，以14μmol/min的樣率提供TMG，從而生長包含GaN的阻擋層。阱層和阻擋層的生長以這種方式重復(fù)進行，從而形成包括交替提供的五個阱層和五個阻擋層的多級量子阱(MQW)層。該多級量子阱(MQW)層可作為發(fā)光層23。
發(fā)光層23形成后，在基本上與用于生長最上層阻擋層的溫度相似的溫度下，分別以11μmol/min、1.1μmol/min和40μmol/min的流速提供TMG、TMA和TMI。同時，以10μmol/min的流速提供作為p型摻雜氣體的二茂化鎂(biscyclopentadienyl magnesium Cp2Mg)。由此，包含摻Mg的Al0.20Ga0.75In0.05N的p類型載體塊層24生長為50nm的厚度。
載體塊層24形成后，TMA的供應(yīng)終止。這樣，在基本上相似的溫度下?lián)組g的GaN進行結(jié)晶生長，從而形成厚度為1O0nm的p類型Ga0.9In0.1N的第二覆蓋層25。
這樣，在Si襯底11上形成柱狀多層結(jié)構(gòu)20。然后，終止TMG、TMI和Cp2Mg的供應(yīng)，將溫度降到室溫。然后，將產(chǎn)生的層板從MOCVD裝置中取出。所以，如圖4所示，在Si襯底11上外延生長柱狀多層結(jié)構(gòu)20。
在本實施例中，如上所述，在Si襯底11中形成凹槽12。由于這些凹槽12，柱狀多層結(jié)構(gòu)20的各層在平行于Si襯底11的表面方向上具有相同的厚度，邊緣沒有生長。因此，抑制了裂紋的產(chǎn)生。
在這一點上，在柱狀多層結(jié)構(gòu)20形成過程中從開孔32種出來的半導(dǎo)體材料在開孔12中作為包括無意沉積的外延層的物質(zhì)226。物質(zhì)226可如下所述方法去除。通過濺射或CVD在形成的層板上形成氧化硅層，然后利用光刻蝕進行蝕刻以形成掩膜層227。利用掩膜層227，通過RIE將凹槽12中的物質(zhì)226去除。然后，掩膜層227也被去除，這如圖5所示。
然后，如圖1所示，在凹槽12中形成絕緣層31。該絕緣層31形成得應(yīng)使后面生產(chǎn)步驟中提供透明電極16時，柱狀多層結(jié)構(gòu)20不被短路。
在絕緣層31的整個表面上，透明電極16形成得覆蓋所有的柱狀多層結(jié)構(gòu)20的第二覆蓋層25(p類型Ga0.9In0.1N)。通過該步驟，利用絕緣層31彼此絕緣的柱狀多層結(jié)構(gòu)20可通過透明電極16彼此電連接。
然后，在透明電極16的沒有柱狀多層結(jié)構(gòu)的一個角上形成焊接電極17。背部電極19形成在Si襯底11的底部。這樣，就制造出了圖1和2所示的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光裝置100。
在根據(jù)第一實施例的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光裝置100中，柱狀多層結(jié)構(gòu)20通過位于形成在Si襯底11中的凹槽12中的絕緣層31而彼此絕緣，以達到抑制裂紋產(chǎn)生的目的。因此，需要提供用于連接所有柱狀多層結(jié)構(gòu)20的透明電極16。在各切片中提供一個用于透明電極16的焊接電極17。
氮化物半導(dǎo)體發(fā)光裝置100的操作如下所述。外部電壓通過焊接電極17施加給透明電極16，這樣，電壓被提供給通過絕緣層31彼此絕緣的各柱狀層結(jié)構(gòu)20。通過各柱狀多層結(jié)構(gòu)20和Si襯底11的底表面上的背部電極19之間的電壓差，從各柱狀多層結(jié)構(gòu)20的發(fā)光層23發(fā)射光。發(fā)光層23發(fā)射的光通過透明電極16從各柱狀多層結(jié)構(gòu)20的頂表面向上射出。
如上所述，在第一實施例中，凹槽12形成在Si襯底11上，從而將各柱狀多層結(jié)構(gòu)20彼此分離。因此，柱狀多層結(jié)構(gòu)20的各層在整個開孔32中在平行于Si襯底11表面方向上以均勻的厚度外延生長，而沒有邊緣生長。因此，可以抑制裂紋的產(chǎn)生。結(jié)果是，雖然使用了Si襯底11，但氮化物半導(dǎo)體發(fā)光裝置100仍然具有壽命長并能強光發(fā)射。
圖6為根據(jù)本發(fā)明第一實施例的另一氮化物半導(dǎo)體發(fā)光裝置100A的示意性平面圖。
在該氮化物半導(dǎo)體發(fā)光裝置100A中，凹槽形成在Si襯底11上，從而使Si襯底11上的絕緣層31具有多個等邊三角形開孔32A。如上所述，Si襯底11上的氮化物半導(dǎo)體材料的晶體生長方向為Si<11-2>方向和Si<1-10>方向，這兩個方向彼此正交。開孔32A這樣排列三角形的一邊在沿<1-10>方向的直線上，三角形的頂點在<11-2>方向上并距離所述邊的中心一定距離。每兩個相鄰的這樣排列的三角形都與另一個一邊平行于<1-10>方向的三角形交錯。另一個三角形的頂點在與<11-2>方向相反的方向上并距離所述邊一定距離。
該氮化物半導(dǎo)體發(fā)光裝置100A包括位于各三角形開孔32A中的柱狀多層結(jié)構(gòu)20和透明電極16，焊接電極17和背部電極19。
在柱狀多層結(jié)構(gòu)20由六邊形的鎵氮化合物半導(dǎo)體材料形成時，裂紋可能會在沿平行于GaN層的<11-20>軸的方向上發(fā)生。為了避免裂紋的產(chǎn)生，凹槽形成得使GaN層的<11-20>軸平行于三角形開孔32A的一邊。當Si襯底11具有一個(111)平面時，凹槽形成得使GaN層的<11-20>軸平行于Si襯底11的Si<1-10>軸。
圖7為根據(jù)本發(fā)明第二實施例的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光裝置200的截面示意圖。圖8為該氮化物半導(dǎo)體發(fā)光裝置200的示意性平面圖。與參照圖1-6描述的第一實施例相同的元件具有相同的附圖標記，其說明也將省略。
氮化物半導(dǎo)體發(fā)光裝置200包括具有一個(111)平面的Si襯底11和位于該Si襯底11上的絕緣層31。該絕緣層31具有兩種類型的開孔32B和32C。在各開孔32B中，具有柱狀多層結(jié)構(gòu)20。在各開孔32C中，具有柱狀多層結(jié)構(gòu)40。絕緣層31包含例如SiO2。
絕緣層31精確的位于形成在Si襯底11上的一個表面中的多個凹槽12A的底表面上。該凹槽12A位于Si襯底11中除了四個角中的至少一個所處的位置外的整個表面上(見圖8)。槽12A為格子圖案，以彼此正交交叉。開孔32B和32C都由凹槽12A包圍，并位于除了四個角的至少一個的所處的位置外的所有地方。開孔32B和32C通過絕緣層31，以暴露出Si襯底11。開孔32B和32C為正方形，并位于Si<11-2>方向和Si<1-10>方向的矩陣中，氮化物半導(dǎo)體材料在開孔32B和32C中進行晶體生長。<11-2>方向和<1-10>方向彼此正交。開孔32B和32C在<11-2>方向和<1-10>方向上交替排列。開孔32B和32C都以棋盤圖案排列。
各開孔32B中的柱狀多層結(jié)構(gòu)20包括位于Si襯底11的表面上的緩沖層21。該緩沖層21包含摻雜Si的n-AlInN。柱狀多層結(jié)構(gòu)20還包括含有n-GaInN的第一覆蓋層22和含有InxGa1-xN的發(fā)光層23，含有p-AlGaInN的載體塊層24和含有p-GaInN的第二覆蓋層25。層22、23、24和25在緩沖層21上順序?qū)盈B。
各開孔32C中的柱狀多層結(jié)構(gòu)40包括位于Si襯底11的表面上的厚度為500nm的GaAs低溫緩沖層41。該柱狀多層結(jié)構(gòu)40還包括厚度為1μm的GaAs基礎(chǔ)層42，厚度為200nm的n-A1GaAs覆蓋層43，AlGaAs有源層44，p-A1GaAs覆蓋層45和p-GaAs接觸層46。層42、43、44、45和46在緩沖層41上順序?qū)盈B。
柱狀多層結(jié)構(gòu)20和40被埋藏在絕緣層31以下。絕緣層31的頂表面基本上完全被一透明電極16覆蓋，從而使各柱狀多層結(jié)構(gòu)20和40的頂表面，即所有柱狀多層結(jié)構(gòu)20的第二覆蓋層25和所有柱狀多層結(jié)構(gòu)40的接觸層46都與透明電極16接觸。以這種方式，所有的柱狀多層結(jié)構(gòu)20和40彼此電連接。
在透明電極16的一角上，具有用于向透明電極16提供外部電流的圓柱狀焊接電極17。在Si襯底11的底表面具有背部電極19。
具有上述結(jié)構(gòu)的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光裝置200以下述方式制造。
圖9示出具有凹槽12A和柱狀多層結(jié)構(gòu)20的Si襯底11的截面示意圖。凹槽12A和柱狀多層結(jié)構(gòu)20以下述方式形成。
首先，在Si襯底11的整個表面上形成100nm厚的掩膜51。掩膜51由氧化物材料，如Si02或氮化物材料，如SiN等形成。掩膜51的厚度最好為50nm或更大。當掩膜51的厚度小于50nm時，掩膜51很容易剝離，用于培養(yǎng)柱狀多層結(jié)構(gòu)20的氨氣很容易滲透到掩膜層51中，從而趨于氮化Si襯底11的表面。這些現(xiàn)象對后面的生產(chǎn)步驟有不利的影響。在掩膜51形成后，可通過光刻蝕或蝕刻去除寬度為5μm的掩膜51的部分。然后，利用包括HF、HNO3和醋酸的混合酸對Si襯底11進行蝕刻。從而在Si襯底11中形成凹槽12A。然后，去除在Si襯底11上的將要形成柱狀多層結(jié)構(gòu)20的區(qū)域的掩膜51部分。柱狀多層結(jié)構(gòu)20可通過第一實施例所述的方法在這些區(qū)域生長。
然后，如圖10所示，去除在Si襯底11的區(qū)域(圖10中只示出一個)上的掩膜51的剩余部分，這些部分上不會形成柱狀多層結(jié)構(gòu)40。柱狀多層結(jié)構(gòu)20可由氧化層保護，然后生成柱狀多層結(jié)構(gòu)40。該柱狀多層結(jié)構(gòu)40以GaAs為基，并發(fā)射長波長的光。
然后，去除用于保護柱狀多層結(jié)構(gòu)20的氧化層。形成絕緣層31，從而使其覆蓋柱狀多層表面20和40的側(cè)表面和柱狀多層結(jié)構(gòu)20和40的部分表面。如圖7所示，各柱狀多層結(jié)構(gòu)20位于開孔32B中，柱狀多層結(jié)構(gòu)40都位于開孔32C中。形成絕緣層31，這樣，在下一步驟中提供透明電極16時，柱狀多層結(jié)構(gòu)20和40不會短路。
在絕緣層31的整個表面上，形成透明電極16，從而覆蓋所有柱狀多層結(jié)構(gòu)20的第二覆蓋層25(p類型Ga0.9In0.1N)和所有柱狀多層結(jié)構(gòu)40的p-GaAs接觸層46。通過該步驟，由絕緣層31彼此絕緣的柱狀多層結(jié)構(gòu)20和40通過透明電極16彼此電連接。
然后，在透明電極16的一角上，或在對應(yīng)于沒有柱狀多層結(jié)構(gòu)20或40的透明電極16的一個區(qū)域上形成焊接電極17。在Si襯底11的底表面上形成背部電極19。這樣，可制造出圖7和8所示的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光裝置200。
可以為各柱狀多層結(jié)構(gòu)20和40提供透明電極16、焊接電極17和背部電極19。
圖11為根據(jù)本發(fā)明第三實施例的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光裝置300的截面示意圖。與參照圖1-6描述的第一實施例相同的元件具有相同的附圖標記，其說明也將省略。
在氮化物半導(dǎo)體發(fā)光裝置300中，絕緣層31中的開孔32的寬度大于第一實施例中的寬度。即使當?shù)锇雽?dǎo)體發(fā)光裝置300的各切片包括一個柱狀多層結(jié)構(gòu)20時，也能產(chǎn)生所需的半導(dǎo)體發(fā)光裝置。
氮化物半導(dǎo)體發(fā)光裝置300包括具有一個(111)平面的Si襯底11和位于該Si襯底11上的絕緣層31。該絕緣層31具有一開孔32，柱狀多層結(jié)構(gòu)20在該開孔中生長。絕緣層31例如包含SiO2。
絕緣層31精確的位于在Si襯底11上形成的一個表面中的多個凹槽12的底表面上。該凹槽12包圍開孔32。開孔32通過絕緣層31從而暴露出Si襯底11。
各開孔32中的柱狀多層結(jié)構(gòu)20包括位于Si襯底11的表面上的緩沖層21。該緩沖層21包含摻雜Si的n-AlInN。柱狀多層結(jié)構(gòu)20還包括包含有n-GaInN的第一覆蓋層22和含有InxGa1-xN的發(fā)光層23，含有p-AlGaInN的載體塊層24和含有p-GaInN的第二覆蓋層25。層22、23、24和25在緩沖層21上順序?qū)盈B。
柱狀多層結(jié)構(gòu)20被埋藏在絕緣層31以下。絕緣層31的頂表面基本上完全被透明電極16覆蓋，從而使柱狀多層結(jié)構(gòu)20的頂表面，即所有柱狀多層結(jié)構(gòu)20的第二覆蓋層25與透明電極16接觸。
在透明電極16的一角上，具有用于向透明電極16提供外部電流的焊接電極17。在Si襯底11的底表面具有背部電極19。
具有上述結(jié)構(gòu)的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光裝置200以下述方式制造。
圖12示出具有凹槽12的Si襯底11的截面示意圖。Si襯底11被清洗后，凹槽12形成為上述的格形圖案，從而不會與對應(yīng)于多個開孔32的位置相互干涉，其中柱狀多層結(jié)構(gòu)20生長在該開口中。各槽12都具有大約為5μm的寬度W1，和大約5μm的深度H1。各開孔32的寬度W3大約為200μm，大于第一實施例的。開孔32的寬度W3最好在200μm-400μm的范圍內(nèi)。
如上所述在Si襯底11中形成凹槽12以后，對Si襯底11的表面進行清洗。因此，將具有凹槽12的Si襯底11送入MOCVD裝置。該Si襯底11在氫氣(H2)環(huán)境中在1100℃溫度下被清洗。
當使用流速為10L/min的N2作為運載氣體提供給MOCVD裝置時，在800℃下分別提供流速為5L/min、20μmol/min和137μmol/min的NH3、三甲基色氨酸鋁(TMA)和三甲基色氨酸銦(TMI)。若干秒后，將SiH4氣體引入MOCDV裝置中，以執(zhí)行Si摻雜。這樣，Al0.85In0.15N的緩沖層21在對應(yīng)于開孔32的各位置生長為30nm的厚度。
在上述MOVPE的晶體生長中，作為III組氣體的有機金屬(TMA和TMI)在V組的NH3氣體之前幾秒被提供。為了下述的可能原因，它修平緩沖層21。當在有機金屬之前提供NH3時，Si襯底11的表面被氮化。相反，當在NH3之前提供有機金屬時，Si襯底11的表面可防止被氮化，在Si襯底11的表面上提供有一III組元素。在NH3氣體之前提供有機金屬的精確計時根據(jù)MOCDV裝置的具體情況而改變。
在提供緩沖層21之前，最好提供Al0.95In0.05N層，它比Si襯底11上的緩沖層21具有更高多的Al，厚度達到20nm。通過這種結(jié)構(gòu)，Si襯底11和柱狀多層結(jié)構(gòu)20之間的接觸面的狀態(tài)得到改進。
當緩沖層21形成之后，TMA的提供被終止。仍然在800℃，以大約20μmol/min的流動率引入TMG，以大約為100μmol/min的流動率引入TMI，這樣，摻Si的Ga0.92In0.08N晶體生長，從而形成厚度大約為300nm的n型第一覆蓋層22。
第一覆蓋層22可由GaN形成，它可在緩沖層21形成后通過增加溫度而得到。該第一覆蓋層22還可由GaInN形成，它包括In而不包括Al。GaInN層可在較低溫度下生長，這對抑制Si襯底11中出現(xiàn)裂紋有好處。
第一覆蓋層22形成后，TMA、TMI和TMG的供應(yīng)終止，襯底溫度降低到760℃。然后，分別以6.5μmol/min和2.8μmol/min的流速提供TMI和TMG，從而生長出厚度為3nm的包含In0.18Ga0.82N的阱層。然后，溫度升高到850℃，以14μmol/min的流速提供TMG，從而生長包含GaN的阻擋層。阱層和阻擋層的生長以這種方式重復(fù)進行，從而形成包括交替提供的五個阱層和五個阻擋層的多級量子阱(MQW)層。該多級量子阱(MQW)層可作為發(fā)光層23。
發(fā)光層23形成后，在基本上與用于生長最上層阻擋層的溫度相似的溫度下，分別以11μmol/min、1.1μmol/min和40μmol/min的流速提供TMG、TMA和TMI?；就瑫r，以10μmol/min的流速提供作為p型摻雜氣體的二茂化鎂(Cp2Mg)。然后，包含摻Mg的Al0.20Ga0.75In0.05N的p類型載體塊層24生長為50nm的厚度。
載體塊層24形成后，TMA的供應(yīng)終止。這樣，在基本上相似的溫度下?lián)組g的GaN進行晶體生長，從而形成厚度為100nm的p類型Ga0.9In0.1N的第二覆蓋層25。
這樣，在Si襯底11上形成柱狀多層結(jié)構(gòu)20。然后，終止TMG、TMI和Cp2Mg的供應(yīng)，將溫度降到室溫。然后，將產(chǎn)生的層板從MOCVD裝置中取出。
在絕緣層的整個表面上，形成透明電極16，使其覆蓋位于各開孔32中的柱狀多層結(jié)構(gòu)20的第二覆蓋層25。然后，在各透明電極16上形成焊接電極17。背部電極19形成在Si襯底11的底部表面對應(yīng)于各透明電極16的位置。形成的層板被分為多個切片，每個切片包括一個柱狀多層結(jié)構(gòu)20。這樣，就制造出了圖11所示的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光裝置300。
氮化物半導(dǎo)體發(fā)光裝置300外形上與Si襯底上沒有形成任何凹槽的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光裝置相似。但是，在氮化物半導(dǎo)體發(fā)光裝置300的制造過程中，在Si襯底11中形成凹槽12抑制了邊緣生長，而這種邊緣生長是在柱狀多層結(jié)構(gòu)20形成中出現(xiàn)的。這種對邊緣生長的抑制對避免裂紋的產(chǎn)生是必需的。
在所有上述的實施例中，柱狀多層結(jié)構(gòu)20可具有大于Si襯底11的熱膨脹系數(shù)。
根據(jù)本發(fā)明，為了將多個柱狀多層結(jié)構(gòu)彼此分離，在Si襯底中形成槽。槽的形成阻止了邊緣生長，即柱狀多層結(jié)構(gòu)的層的厚度的局部增加。結(jié)果，柱狀多層結(jié)構(gòu)的各層變得平整，從而抑制了裂紋的產(chǎn)生。
結(jié)果，實現(xiàn)了在使用Si襯底的情況下的具有壽命長和強光發(fā)射的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光裝置。
本發(fā)明提供了一種用于制造具有Si襯底并同時可防止Si襯底和氮化物半導(dǎo)體層之間的接觸面發(fā)生裂紋的半導(dǎo)體發(fā)光裝置的方法，和通過這種方法制造的半導(dǎo)體發(fā)光裝置。
本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的范圍和精神的情況下，很容易進行其它修改。因此，附加權(quán)利要求的范圍并不會局限于前述說明書的范圍，而是作為擴展解釋。
權(quán)利要求
1.一種用于制造半導(dǎo)體發(fā)光裝置的方法，該裝置包括至少一個位于襯底上的第一柱狀多層結(jié)構(gòu)，并包含以鎵氮化物為基的半導(dǎo)體化合物半導(dǎo)體層，該化合物由化學式InxGayAlzN(其中x+y+z＝1，0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1)表示，該方法包括在襯底中形成多個凹槽的第一步驟；和在襯底上形成多個第一柱狀多層結(jié)構(gòu)，從而由該凹槽分離的第二步驟。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括第二步驟之后的第三步驟，去除包括沉積在凹槽中的外延層的襯底；和第三步驟之后的第四步驟，在凹槽中形成絕緣層，該絕緣層可將多個第一柱狀多層結(jié)構(gòu)彼此電隔離。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，還包括在第四步驟之后形成用于將多個第一柱狀多層結(jié)構(gòu)彼此電連接的透明電極的步驟。
4.如權(quán)利要求2所述的方法，還包括第四步驟之后的以下步驟形成用于連接各第一柱狀多層結(jié)構(gòu)的透明電極；將形成的層板分成多片，每片包括一個第一柱狀多層結(jié)構(gòu)。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中凹槽形成為格狀圖案，襯底包括多個第一區(qū)域和多個第二區(qū)域，每個區(qū)域都由凹槽包圍，該多個第一區(qū)域和多個第二區(qū)域以棋盤圖案布置，和該方法還包括在第一步驟之前的以下步驟形成覆蓋襯底的掩膜層，去除對應(yīng)于形成在襯底上的凹槽的掩膜層部分，和第二步驟包括以下步驟去除位于多個第一區(qū)域上的掩膜層部分，在各第一區(qū)域上形成第一柱狀多層結(jié)構(gòu)，和去除位于多個第二區(qū)域上的掩膜層部分，在各第二區(qū)域上形成第二柱狀多層結(jié)構(gòu)。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，多個第一柱狀多層結(jié)構(gòu)的每一個的熱膨脹系數(shù)都大于襯底的熱膨脹系數(shù)。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，襯底由硅形成。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其中各凹槽的深度至少為多個第一柱狀多層結(jié)構(gòu)的每一個在垂直于襯底表面的方向上的厚度的50％，并為10μm或更小，且各凹槽的寬度為大于等于2μm并小于等于10μm。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，凹槽彼此交叉。
10.一種由權(quán)利要求1所述的方法制造的半導(dǎo)體發(fā)光裝置。
全文摘要
一種用于制造半導(dǎo)體發(fā)光裝置的方法，該裝置包括至少一個位于襯底上的第一柱狀多層結(jié)構(gòu)，并包含以鎵氮化物為基的半導(dǎo)體化合物半導(dǎo)體層，該化合物可由化學式In
文檔編號H01L21/02GK1420571SQ0215751
公開日2003年5月28日 申請日期2002年11月15日 優(yōu)先權(quán)日2001年11月15日
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