專利名稱：：GaN襯底以及采用該襯底的外延襯底和半導(dǎo)體發(fā)光器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及GaN襯底以及采用GaN襯底的外延襯底和半導(dǎo)體發(fā)光器件。
背景技術(shù)：
：在晶態(tài)的GaN襯底的生長中，通常采用c-面。由于c-面是極性面，它產(chǎn)生壓電場，這已成為采用GaN襯底的發(fā)光器件的發(fā)射效率降低的一個原因。特別在采用含銦的發(fā)射層的器件中，為了實現(xiàn)綠色區(qū)域中的發(fā)光，因此在該層和GaN之間放大的的晶格失配進一步降低器件發(fā)射效率。(參考A.E.Romanov等人的"Strain-InducedPolarizationinWurtziteIll-NitrideSemipolarLayers,"JournalofAppliedPhysics,vol.100，article023522，2006;MathewC.Schmidt等人的"DemonstrationofNonpolarm-PlaneInGaN/GaNLaserDiodes,"JapaneseJournalofAppliedPhysics,Vol.46，No.9,2007,pp.Ll卯-L191;以及KuniyoshiOkamoto等人的"Continuous-WaveOperationofm-PlaneInGaNMultipleQuantumWellLaserDiodes,"JapaneseJournalofAppliedPhysics,Vol.46，No.9，2007，pp.L187-L189.)
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明人根據(jù)最新披露的技術(shù)中得到的研究成就，特別有效地提高應(yīng)用于綠色區(qū)域的半導(dǎo)體發(fā)光器件的發(fā)射效率。為了解決上面的問題，本發(fā)明的目的是制造可用的GaN襯底以及利用該襯底的外延襯底和半導(dǎo)體發(fā)光器件，以使得設(shè)計能夠提高發(fā)射效率的半導(dǎo)體發(fā)光器件。在本發(fā)明所涉及的GaN襯底中，生長面根據(jù)m-面或a-面離軸定向。在該GaN襯底中，該生長面是m-面或a-面，兩者之任一都被偏離定向(misorient)。由于m-面和a-面是非極性面，利用GaN襯底制造半導(dǎo)體發(fā)光器件，避免壓電場的影響，使之可以實現(xiàn)高發(fā)射效率。然后本發(fā)明人最新發(fā)現(xiàn)根據(jù)m-面或a-面提供離軸角，可以實現(xiàn)高質(zhì)量晶體結(jié)構(gòu)。這些優(yōu)點的結(jié)果是利用GaN襯底制造半導(dǎo)體發(fā)光器件能夠進一步提高發(fā)射效率。在一個方面中，離軸角可以在1.0度以內(nèi)。該實施方式允許實現(xiàn)更高質(zhì)量的晶體結(jié)構(gòu)，能夠進一步提高半導(dǎo)體發(fā)光器件的發(fā)射效率。在另一方面中，離軸角在0.03至0.5度的范圍內(nèi)。該實施方式使得能夠?qū)崿F(xiàn)更高的發(fā)射效率。在另一方面中，偏離定向軸可以在<0001>方向上傾斜。在再一方面中，該生長面是相對于m-面離軸定向的平面，其中偏離定向軸可以在<11-20>方向上傾斜。在另一方面中，該生長面是相對于a-面離軸定向的平面，其中該偏離定向軸可以在<1-100>方向上傾斜。本發(fā)明所涉及的外延襯底，在生長面上淀積外延層，該生長面是相對于m-面或a-面離軸定向的GaN襯底面。在該外延襯底中，在GaN襯底上淀積InGaN層，其中生長面是m-面或a-面，兩者之任一均被偏離定向。由于m-面和a-面是非極性面，利用該外延襯底制造半導(dǎo)體發(fā)光器件，避免壓電場的影響，使之可以實現(xiàn)高發(fā)射效率。然后本發(fā)明人最新發(fā)現(xiàn)，相對于m-面或a-面提供離軸角，可以實現(xiàn)高質(zhì)量晶體結(jié)構(gòu)。這些優(yōu)點的結(jié)果是利用外延襯底制造半導(dǎo)體發(fā)光器件，能夠進一步提高發(fā)射效率。本發(fā)明涉及的半導(dǎo)體發(fā)光器件，在生長面上形成包含InGaN的發(fā)射層，該生長面是相對于m-面或a-面離軸定向的GaN襯底面。在該半導(dǎo)體發(fā)光器件中，在GaN襯底上淀積發(fā)射層，其中該生長面是m-面或a-面，兩者之任一均被偏離定向。由于m-面和a-面是非極性面，利用該半導(dǎo)體發(fā)光器件，避免壓電場的影響，且因此實現(xiàn)高發(fā)射效率。然后本發(fā)明人最新發(fā)現(xiàn)，根據(jù)m-面或a-面提供離軸角，可以實現(xiàn)高質(zhì)量晶體結(jié)構(gòu)。這些優(yōu)點的結(jié)果是半導(dǎo)體發(fā)光器件進一步提高發(fā)射效率。本發(fā)明制造可用的GaN襯底以及利用該襯底的外延襯底和半導(dǎo)體發(fā)光器件，能夠設(shè)計提高發(fā)射效率的半導(dǎo)體發(fā)光器件。從結(jié)合附圖的以下詳細描述，所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將容易明白本發(fā)明根據(jù)上述及其他目的、特點、方面和優(yōu)點。圖l是表示實施本發(fā)明中所采用的汽相淀積反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)輪廓圖；圖2是描繪使用圖l的汽相淀積反應(yīng)器制備的GaN錠塊的視圖；圖3是說明GaN中的晶面取向的示意圖；圖4和5是表示本發(fā)明的實施例所涉及的GaN襯底的傾斜視圖；圖6是表示本發(fā)明的實施例所涉及的外延襯底的斜視圖；圖7是表示本發(fā)明的實施例所涉及的半導(dǎo)體發(fā)光器件的層狀結(jié)構(gòu)的視圖；以及圖8A-8C示出了本發(fā)明實施例所涉及的表面形態(tài)的顯微照片。具體實施方式下面，參考附圖，將詳細說明實施本發(fā)明的最佳模式。應(yīng)當(dāng)理解，相同或等同的元件用相同的參考標記來標注，如果該描述是多余的，那么描述被省略。下面將說明用于制備本發(fā)明所涉及的制造半導(dǎo)體發(fā)光器件中利用的GaN襯底的過程。該GaN襯底通過圖l所示的HVPE反應(yīng)器制備。然后參考圖l，表示大氣壓HVPE反應(yīng)器10的視圖。該反應(yīng)器包括具有第一氣體引入端口ll、第二氣體引入端口12、第三氣體引入端口13和排氣端口14的反應(yīng)室15;以及用于加熱反應(yīng)室15的電阻加熱器16。此外，在反應(yīng)室15內(nèi)部設(shè)置Ga金屬源舟17和支撐GaAs襯底18的旋轉(zhuǎn)支柱19。然后，采用約50至150mm(2至6英寸)直徑的GaAs(111)A襯底作為GaAs襯底18，通過電阻加熱器16，GaAs襯底18的溫度被增加到并保持約450。C至530。C，其中通過第二氣體引入端口12引入4xl0、tm至4xl(T、tm壓力的氣態(tài)氯化氫(HC1)到Ga金屬源舟17。該工序通過Ga金屬和氯化氫的反應(yīng)，產(chǎn)生氯化鎵(GaCl)。接著，通過第一氣體引入端口ll，引入0.1atm至0.3atm壓力的氨氣(NH3)，以使NH3和GaCl在GaAs襯底18附近反應(yīng)，產(chǎn)生氮化鎵(GaN)。應(yīng)當(dāng)理解，氫氣(H2)被引入第一氣體引入端口ll和第二氣體引入端口12，作為載體氣體，同時氫氣(H2)被單獨引入第三氣體引入端口13。在類似這樣的條件下生長GaN約20至約40分鐘間隔，在GaAs襯底頂上厚膜淀積5mm厚的GaN層，形成如圖2所示的GaN錠塊20。然后，相對于作為生長面的c-面，以剛才描述的方式獲得的GaN錠塊20被近似垂直地切片，以切割本實施例的半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造中利用的GaN襯底30。在該工序中，進行切片，以便露出m-面(亦即，(1-100)面)，如圖3表示，該m-面是垂直于c-面的平面，使之可以獲得m-面為生長面的GaN襯底。同樣，進行切片，以便a-面(亦即，(11-20)面)被露出，a-面是垂直于c-面的平面，使之可以獲得a-面為生長面的GaN襯底。由于m-面和a-面是非極性的，在利用m-面或a-面為生長面的GaN襯底來制造半導(dǎo)體發(fā)光器件的實施方式中，可以避免壓電場的影響，從而能夠?qū)崿F(xiàn)高發(fā)射效率。但是，在從GaN錠塊20切割GaN襯底中，以此方式切割錠塊，以便制造具有大于0度的預(yù)定的偏離定向角的GaN襯底30(30A，30B)。在此，GaN襯底30A是生長面為相對于m-面離軸定向(〉0度)的平面的襯底，GaN襯底30B是生長面為相對于a-面離軸定向(〉0度)的平面的襯底。GaN襯底30A是，如圖4所示，5mmx20mm矩形的形狀。然后，其生長面30a是相對于m-面離軸定向的平面。應(yīng)當(dāng)理解，偏離定向軸在彼此垂直的<0001>方向或<1l-20〉方向上傾斜。GaN襯底30B是，如圖5所示，5mmx20mm的矩形形狀，如GaN襯底30A。然后，其生長面30a，是相對于a-面離軸定向的平面。應(yīng)當(dāng)理解，偏離定向軸在彼此垂直的<0001>方向或<1-100〉方向上傾斜。接下來，在用上述方式獲得的GaN襯底30的生長面30a上淀積外延層32，形成如圖6表示的外延襯底。外延層32由AlGaN構(gòu)成，以及使用眾所周知的薄膜淀積設(shè)備(例如，MOCVD反應(yīng)器)淀積。此外，如圖7所示，在外延襯底40上依次淀積n-GaN緩沖層42、InGaN/InGan-MQW(多量子阱)發(fā)射層44、p-AlGaN層以及p-GaN層48，然后制備n-電極50A和p-電極50b,以完成本發(fā)明所涉及的半導(dǎo)體發(fā)光器件60(LED)的制造。因為該半導(dǎo)體發(fā)光器件60具有包含InGaN的發(fā)射層44，它發(fā)射比藍色區(qū)域更長波長的綠色區(qū)域的光。進行廣泛的研究，本發(fā)明人通過以下實施例證實，通過在這種半導(dǎo)體發(fā)光器件60的制造中利用上述GaN襯底30可以有效地設(shè)計提高的發(fā)射效率。實施例下面，將根據(jù)其實施例進一步詳細說明本發(fā)明，但是本發(fā)明不局限于這些實施例。實施例l首先，根據(jù)與上面所述的實施例模式相同的工序制備GaN襯底樣品1至14，與上述GaN襯底30A—GaN襯底5mmx20mm相同或等同，不同點在于，如下面的表I，相對于m-面的離軸角。特別地，在樣品1-14當(dāng)中，樣品1-7的偏離定向軸是<11-20>方向，在樣品8-14中，偏離定向軸是O001〉方向。應(yīng)當(dāng)注意，通過X射線衍射表征GaN襯底的晶面取向(離軸角)，離軸角測量精度是土0.01度。表I<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>然后，采用MOCVD反應(yīng)器，以在每個上述樣品1-14的生長面上形成外延層，由此制造具有圖7所示的層狀結(jié)構(gòu)的LED。然后采用原子力顯微鏡(AFM)，在50/mix50/xm測量區(qū)中測量樣品的表面粗糙度，于是在下面的表II中列出測量結(jié)果。表n<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>如由表II列出的測量結(jié)果明顯看出，樣品1和樣品8的表面粗糙度是相當(dāng)大的，超過15nm。因此，很清楚，在偏離定向0度的生長面(m-面)上生長外延層的實施方式中，表面的平面度被證明是差的。當(dāng)實際檢查樣品1和樣品8的表面時，觀察到圖8A所示的起伏形態(tài)。此外由表n的測量結(jié)果明顯看出，除了樣品1和8以外，粗糙度是輕微的，小于15nm。特別，據(jù)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)在具有0.03至1.0度范圍內(nèi)的離軸角的生長面上生長外延層時，如樣品2-6和樣品9-13的情況，表面平面度被證明是極其滿意的。當(dāng)實際檢查樣品2-6和樣品9-13的表面時，觀察到如圖8B所示的極其平坦的形態(tài)或相反較淺的階梯狀形態(tài)。其間，在具有2.0度的離軸角的生長面上生長外延層的實施方式中，如樣品7和樣品14的情況，盡管表面平面度是滿意的，當(dāng)實際檢查樣品7和樣品14的表面時，觀察到如圖8C所示的深階梯狀形態(tài)。形成該階梯狀形態(tài)的原因被認為是GaN襯底生長面的不均勻(劃痕)?？偠灾?，由表II中的測量結(jié)果明顯看出當(dāng)離軸角從其中該角度是O度的情況增加時，表面平面度變得越來越好，以及利用約0.3度的離軸角獲得最好的平面度。然后當(dāng)離軸角從0.3度進一步增加時，表面平面度降低(中間臺階間隔減少，臺階斜率放大)。因為增大離軸角使得不能保持半導(dǎo)體發(fā)光器件需要的平面度級別，所以1.0度或更低的離軸角是比較適合的。此外，在450nm峰值波長下，測量利用上述樣品l-14制造的LED的發(fā)射-波譜電致發(fā)光(EL)強度，于是測量結(jié)果如下面的表III所示。應(yīng)當(dāng)理解，表III中的EL強度測量給出的是相對強度，使0.3度離軸角樣品4和11的EL強度為1。表III<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>如由表III中的測量結(jié)果明顯看出，利用樣品2-7和樣品9-14，可以獲得高EL強度，而利用樣品1和8不能獲得足夠高的EL強度。參考表II測量結(jié)果，該結(jié)果被認為源于樣品的結(jié)晶性能。亦即，樣品2-7和樣品9-14，由于可以進行良好的晶體生長，外延層的結(jié)晶性被證明是優(yōu)越的，因此認為表面平面度被證明是優(yōu)越的，獲得高電平EL強度。具有0.03至0.5度離軸角的樣品特別得到高級別EL強度。相反，樣品1和8，由于不能進行滿意的晶體生長，外延層的結(jié)晶性被證明是較差的，因此認為表面平面度被證明是差的，其降低了EL強度。由上述測試，證實在半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造中，采用與m-面偏離定向一預(yù)定角(優(yōu)選1.0度或更低，更優(yōu)選0.03至0.5度)的平面作為其生長面的GaN襯底，能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)越的發(fā)射效率。實施例2以類似于實施例l的方式，根據(jù)與先前闡述的實施例模式相同的工序，制備GaN襯底樣品15至28，與上述GaN襯底30B—GaN襯底5mmx20mm相同或等同，如下面的表IV，不同點在于相對于a-面的離軸角。特別，在樣品15-28當(dāng)中，樣品15-21的偏離定向軸是<1-100>，以及在樣品22-28中，偏離定向軸是<0001>方向。應(yīng)當(dāng)注意，通過X射線衍射表征GaN襯底的晶面定向(離軸角)，離軸角測量精度是土O.Ol度。表IV<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>然后，采用MOCVD反應(yīng)器，在每個上述樣品15-28的生長面上形成外延層，由此制造具有圖7所示的層狀結(jié)構(gòu)的LED。然后采用原子力顯微鏡(AFM)在50/mix50/mi測量區(qū)中測量樣品的表面粗糙度，于是在下面的表V中列出測量結(jié)果。表V<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>如由表V列出的測量結(jié)果明顯看出，樣品15和樣品22的表面粗糙度是大的，超過15nm。因此，很清楚，在其中在偏離定向O度的生長面(a-面)上生長外延層的實施方式中，表面的平面度被證明是差的。當(dāng)實際檢查樣品15和樣品22的表面時，觀察到圖8A所示的起伏形態(tài)。如由表V列出的測量結(jié)果明顯看出，除了樣品15和樣品22以外，粗糙度是輕微的，小于15nm。特別，應(yīng)該認識到，當(dāng)在具有0.03至1.0度范圍內(nèi)的離軸角的生長面上生長外延層時，如樣品16-20和樣品23-27的情況，表面平面度被證明是極其良好的。當(dāng)實際檢查樣品16-20和樣品23-27的表面時，觀察到如圖8B所示的極其平坦的形態(tài)或較淺階梯狀形態(tài)。其間，在具有2.0度的離軸角的生長面上生長外延層的實施方式中，如樣品21和樣品28的情況，盡管表面平面度是滿意的，當(dāng)實際檢查樣品21和樣品28的表面時，觀察到如圖8C所示的深階梯狀形態(tài)。該階梯狀形態(tài)被認為源于GaN襯底生長面的不均勻(劃痕)?？偠灾?，由表V中的測量結(jié)果明顯看出當(dāng)離軸角從其中該角度是O度的情況增加時，表面平面度變得越來越好，以及利用約0.3度的離軸角獲得最好的平面度。然后當(dāng)離軸角從0.3度進一步增加時，表面平面度降低(臺階之間的間距減小和臺階的斜率放大)。由于擴大離軸角意味著不能保持半導(dǎo)體發(fā)光器件需要的平面度級別，l.O度或更低的離軸角最適合于該情況。此外，在450nm峰值波長下，測量利用上述樣品15-28制造的LED的發(fā)射-波譜電致發(fā)光(EL)強度，且測量結(jié)果如下面的表VI所示。應(yīng)當(dāng)注意，表VI中的EL強度測量給出的是相對強度，使0.3度離軸角樣品18和25的EL強度為1。表VI<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>如由表VI中的測量結(jié)果明顯看出，利用樣品16-21和樣品23-28，可以獲得高EL強度，而利用樣品15和22，不能獲得足夠高的EL強度。參考表V測量結(jié)果，該結(jié)果被認為源于樣品的結(jié)晶性能。亦即，利用樣品16-21和樣品23-28，由于可以進行良好的晶體生長，所以外延層的結(jié)晶性被證明是優(yōu)越的，其中可以認為，作為結(jié)果，表面平面度被證'明是優(yōu)越的，以及能夠獲得高電平EL強度。特別地，具有0.03至0.5度離軸角的樣品得到高水平EL強度。相反，利用樣品15和22，由于不能進行滿意的晶體生長，外延層的結(jié)晶性被證明是較差的，其中可以認為，作為結(jié)果，表面平面度被證明是差的，因此降低了EL強度。從上述測試，證實在半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造中，采用具有與a-面偏離定向一預(yù)定角(優(yōu)選1.0度或更低，更優(yōu)選0.03至0.5度)的平面作為其生長面的GaN襯底，使之可以實現(xiàn)優(yōu)越的發(fā)射效率。本發(fā)明不局限于上述實施例，其中可以進行各種改進。例如，半導(dǎo)體發(fā)光器件不局限于具有MQW發(fā)射層的LED，而是可以是LED、激光二極管和具有不同的發(fā)光結(jié)構(gòu)的類似器件。1權(quán)利要求1.一種GaN襯底，其生長面是相對于m-面或a-面離軸定向的平面。2.如權(quán)利要求l所述的GaN襯底，其中離軸角在1.0度以內(nèi)。3.如權(quán)利要求l所述的GaN襯底，其中離軸角在0.03至0.5度的范圍內(nèi)。4.如權(quán)利要求l所述的GaN襯底，其中偏離定向軸在<0001>方向上傾斜。5.如權(quán)利要求l所述的GaN襯底，其中生長面相對于m-面離軸定向，以及偏離定向軸在<11-20〉方向上傾斜。6.如權(quán)利要求l所述的GaN襯底，其中生長面相對于a-面離軸定向，以及偏離定向軸在<1-100〉方向上傾斜。7.—種具有在生長面上淀積的外延層的外延襯底，其中該生長面是相對于m-面或a-面離軸定向的GaN襯底面。8.—種具有在生長面上形成的含InGaN的發(fā)射層的半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中該生長面是相對于m-面或a-面離軸定向的GaN襯底面。全文摘要GaN襯底以及采用該襯底的外延襯底和半導(dǎo)體發(fā)光器件。GaN襯底(30)的生長面(30a)是相對于m-面或a-面離軸定向的平面。亦即，在GaN襯底(30)中，生長面(30a)是已被偏離定向的m-面或a-面。由于，m-面和a-面是非極性面，利用該GaN襯底(30)，制造半導(dǎo)體發(fā)光器件，避免壓電場的影響，使之可以實現(xiàn)優(yōu)越的發(fā)射效率。根據(jù)m-面或a-面來對生長面施加離軸角，在襯底上生長晶體中實現(xiàn)高質(zhì)量形態(tài)。利用該GaN襯底制造半導(dǎo)體發(fā)光器件，能夠進一步提高發(fā)射效率。文檔編號H01L33/16GK101308896SQ20081009718公開日2008年11月19日申請日期2008年5月19日優(yōu)先權(quán)日2007年5月17日發(fā)明者秋田勝史申請人:住友電氣工業(yè)株式會社