專利名稱：Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及幾乎沒有穿透位錯(threading dislocation)的高品質(zhì)III族氮化物 半導(dǎo)體的制造方法。
背景技術(shù)：
III族氮化物半導(dǎo)體例如氮化鎵(GaN)用作用于發(fā)光二極管(LED)和半導(dǎo)體激光 元件的材料。近來，III族氮化物半導(dǎo)體作為用于高頻器件和高功率器件的材料引起了人 們的注意。為了 III族氮化物半導(dǎo)體的晶體生長，使用諸如藍(lán)寶石襯底的異質(zhì)型襯底。這類 異質(zhì)型襯底具有與III族氮化物半導(dǎo)體不同的晶格常數(shù)。這種晶格常數(shù)失配在III族氮化 物半導(dǎo)體中引起大量的穿透位錯。穿透位錯使電流泄漏增大，并且使基于III族氮化物半 導(dǎo)體的發(fā)光器件的發(fā)光效率變差。近來，已經(jīng)開發(fā)了降低穿透位錯的數(shù)量且獲得高品質(zhì)III族氮化物半導(dǎo)體的技 術(shù)。這類相關(guān)技術(shù)的一個例子是JP-A-2003-17420。JP-A-2003-17420公開了一種晶體生 長方法，其中在通過摻雜反表面活性劑硅(Si)引發(fā)的III族氮化物半導(dǎo)體的島式生長(三 維生長)之后，通過減少摻雜Si的量或停止Si摻雜來促進(jìn)III族氮化物半導(dǎo)體的島的合 并，從而引發(fā)二維生長。在III族氮化物半導(dǎo)體通過Si摻雜以三維生長的方式生長的情況下，Si摻雜的量 越大，晶體品質(zhì)改善就越多。然而，由此生長的III族氮化物半導(dǎo)體的表面平坦性因其上形 成的凹陷而變差，并且不適合用于器件。因此，有必要生長厚度大于5 μ m的非摻雜III族 氮化物半導(dǎo)體層以獲得足夠的表面平坦性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的示例性實施方案解決上述問題，并且可以解決上文未提到的問題。本發(fā) 明的示例性實施方案提供具有高表面平坦性的高品質(zhì)III族氮化物半導(dǎo)體而不增加其厚度。本發(fā)明的示例性實施方案的第一方面是一種制造III族氮化物半導(dǎo)體的方法，所 述方法包括制備包括緩沖層的襯底；在所述緩沖層上通過MOCVD由摻雜有反表面活性劑 的III族氮化物半導(dǎo)體形成第一層，其中所述第一層的厚度等于或小于2μπι ；在所述第一 層上通過MOCVD由摻雜有表面活性劑和反表面活性劑中至少其一的III族氮化物半導(dǎo)體形 成第二層；和通過在形成所述第二層期間調(diào)節(jié)所摻雜的表面活性劑和反表面活性劑的量來 控制所述第二層的結(jié)晶品質(zhì)和表面平坦性。
本發(fā)明的示例性實施方案的第二方面是所述第一方面的制造方法，其中在所述第 二層中的反表面活性劑的濃度低于所述第一層中的反表面活性劑的濃度，或者所述第二層 是未摻雜的。本發(fā)明的示例性實施方案的第三方面是所述第一方面的制造方法，其中所述第二 層用所述表面活性劑摻雜。本發(fā)明的示例性實施方案的第四方面是所述第一方面的制造方法，其中形成所述 第二層的步驟包括在所述第一層上由III族氮化物半導(dǎo)體形成未摻雜的第三層；和在所 述第三層上由III族氮化物半導(dǎo)體在摻雜表面活性劑的同時形成第四層。本發(fā)明的示例性實施方案的第五方面是所述第一方面的制造方法，其中形成所述 第二層的步驟包括在所述第一層上由III族氮化物半導(dǎo)體在摻雜表面活性劑的同時形成 第五層；和在所述第五層上由III族氮化物半導(dǎo)體形成未摻雜的第六層。本發(fā)明的示例性實施方案的第六方面是一種制造III族氮化物半導(dǎo)體的方法，所 述方法包括制備包括緩沖層的襯底；通過MOCVD由III族氮化物半導(dǎo)體形成未摻雜的第 一層，所述第一層的厚度等于或小于2μπι ；通過MOCVD由摻雜有表面活性劑的III族氮化 物半導(dǎo)體形成第二層。在本發(fā)明的示例性實施方案中，III族氮化物半導(dǎo)體是由通式AlxGayInzN(x+y+z =1,0 ^x, y, z^ 1)表示的復(fù)合材料。III族氮化物半導(dǎo)體的這種表述包括通過將一部 分的Al、Ga或In替代為XIII族元素例如B或Tl所獲得的材料和通過將一部分的N替代 為XV族元素例如P、As、Sb或Bi所獲得的材料。在本發(fā)明的示例性實施方案中，表面活性劑是通過限制垂直生長(垂直于襯底主 表面的生長)并促進(jìn)橫向生長(平行于襯底主表面的生長)來引發(fā)二維生長的雜質(zhì)。反表 面活性劑是通過限制橫向生長并促進(jìn)垂直生長來引發(fā)三維生長的雜質(zhì)。用作III族氮化物 半導(dǎo)體的表面活性劑的雜質(zhì)是P型雜質(zhì)例如Mg。用作III族氮化物半導(dǎo)體的反表面活性劑 的雜質(zhì)是η型雜質(zhì)例如Si。這些雜質(zhì)作為表面活性劑或反表面活性劑的作用通常隨雜質(zhì)濃 度增加而增強(qiáng)。表面活性劑或反表面活性劑的濃度不必保持恒定。表面活性劑或反表面活性劑的 濃度可以具有梯度。例如，可以在晶體生長進(jìn)行的同時，通過減少反表面活性劑的量來逐漸 減少三維生長趨勢。此外，可以在晶體生長進(jìn)行的同時，通過增加表面活性劑的量來逐漸增 強(qiáng)二維生長趨勢。在摻雜Mg作為表面活性劑的情況下，第二層中Mg濃度的優(yōu)選范圍是IX IO17至 1 X 102°/cm3。在摻雜Si作為反表面活性劑的情況下，第一層中Si濃度的優(yōu)選范圍是1 X IO18 至lX102°/cm3。如果Mg或Si的濃度小于這些范圍，則作為表面活性劑或反表面活性劑的 作用太小。如果Mg或Si的濃度大于這些范圍，則結(jié)晶品質(zhì)變差。在本發(fā)明的示例性實施方案中，“未摻雜”是指既不摻雜用作表面活性劑的雜質(zhì)， 也不摻雜用作反表面活性劑的雜質(zhì)。在示例性實施方案中，未摻雜并不排除摻雜既不用作 表面活性劑也不用作反表面活性劑的雜質(zhì)的可能性。此外，“調(diào)節(jié)摻雜量”的含義包括在一 定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)摻雜量，其中所述范圍可以包括以上未摻雜的含義。第一層厚度的優(yōu)選范圍是0. Ιμπι至Ιμπι。在該范圍內(nèi)，可以減少穿透位錯的數(shù) 目。第二層厚度的優(yōu)選范圍等于或大于0.1 μ m。在該范圍內(nèi)，可以增強(qiáng)第二層表面的平坦性。襯底可以是III族氮化物半導(dǎo)體襯底或異質(zhì)型襯底如藍(lán)寶石襯底、SiC襯底、尖晶 石襯底或Si襯底。襯底可具有加工為具有凹凸結(jié)構(gòu)的晶體生長表面。還可以在初始形成的第二層上一次或多次交替堆疊所述第一層和所述第二層。結(jié) 果，穿透位錯的數(shù)目減少并且可以獲得更高品質(zhì)的III族氮化物半導(dǎo)體。本發(fā)明的示例性實施方案的第七方面是根據(jù)第一方面的III族氮化物半導(dǎo)體的 制造方法，其中用于所述第一層的反表面活性劑是Si。 本發(fā)明的示例性實施方案的第八方面是根據(jù)第七方面的III族氮化物半導(dǎo)體的 制造方法，其中所述第一層中的Si濃度為1\1018至1\102°/側(cè)3。本發(fā)明的示例性實施方案的第九方面是根據(jù)第一方面的III族氮化物半導(dǎo)體的 制造方法，其中用于所述第二層的表面活性劑是Mg。本發(fā)明的示例性實施方案的第十方面是根據(jù)第九方面的III族氮化物半導(dǎo)體的 制造方法，其中所述第二層中的Mg濃度為1 X IO17至1 X 102°/cm3。本發(fā)明的示例性實施方案的第十一方面是根據(jù)第一方面的III族氮化物半導(dǎo)體 的制造方法，其中用于所述第一層的反表面活性劑是Si，用于所述第二層的表面活性劑是 Mg。本發(fā)明的示例性實施方案的第十二方面是根據(jù)第十一方面的III族氮化物半導(dǎo) 體的制造方法，其中所述第一層中的Si濃度為1 X IO18至1 X IO2Vcm3,所述第二層中的Mg 濃度為 IX IO17 至 IX IO2cVcm3。本發(fā)明的示例性實施方案的第十三方面是根據(jù)第一方面的III族氮化物半導(dǎo)體 的制造方法，其包括在首次形成的第二層上重復(fù)地交替堆疊所述第一層和所述第二層多 于一次。本發(fā)明的示例性實施方案的第十四方面是根據(jù)第六方面的III族氮化物半導(dǎo)體 的制造方法，其包括在首次形成的第二層上重復(fù)地堆疊所述第一層和所述第二層多于一 次。本發(fā)明的示例性實施方案的第十五方面是根據(jù)第一方面的III族氮化物半導(dǎo)體 的制造方法，其中其上形成有所述第一層的所述襯底的表面上具有凹凸結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的示例性實施方案的第十六方面是根據(jù)第一方面的III族氮化物半導(dǎo)體 的制造方法，其中所述第一層和所述第二層是GaN。本發(fā)明的示例性實施方案的第十七方面是根據(jù)第一方面的III族氮化物半導(dǎo)體 的制造方法，其中所述第一層和所述第二層在相同的晶體生長條件下生長。根據(jù)本發(fā)明示例性實施方案的第一至第六方面，由于高品質(zhì)的III族氮化物半導(dǎo) 體的晶體生長方式從三維生長變成二維生長，所以可以容易地獲得幾乎沒有穿透位錯的高 品質(zhì)III族氮化物半導(dǎo)體。由于以三維生長方式生長的層的厚度限制為等于或小于2 μ m， 所以可以獲得具有高表面平坦性的III族氮化物半導(dǎo)體。根據(jù)本發(fā)明示例性實施方案的第七至第十二方面，使用用作III族氮化物半導(dǎo)體 的η型摻雜劑的Si作為反表面活性劑，并且使用用作III族氮化物半導(dǎo)體的ρ型摻雜劑的 Mg作為表面活性劑。因此，所述III族氮化物半導(dǎo)體的制造方法與相關(guān)的III族氮化物半 導(dǎo)體制造方法具有高整合性。此外，通過在使用Si作為反表面活性劑時將Si濃度范圍設(shè)定為1\1018至1父102°/0113和在使用Mg作為表面活性劑時將Mg濃度范圍設(shè)定為IXlO17 至lX102°/cm3，可以改善III族氮化物半導(dǎo)體的表面平坦性和結(jié)晶品質(zhì)。根據(jù)本發(fā)明示例性實施方案的第十三方面，通過重復(fù)堆疊所述第一層和所述第二 層來改善III族氮化物半導(dǎo)體的結(jié)晶品質(zhì)。根據(jù)本發(fā)明示例性實施方案的第十四方面，在所述襯底的表面加工成具有凹凸結(jié) 構(gòu)的情況下，可以獲得具有高表面平坦性的III族氮化物半導(dǎo)體。
根據(jù)本發(fā)明示例性實施方案的第十五方面，可以使用GaN作為所述第一層和所述
弟·~ 層。根據(jù)本發(fā)明示例性實施方案的第十六方面，如果在相同條件下生長所述第一層和 所述第二層，則可以僅通過控制摻雜劑來控制所述第二層的結(jié)晶品質(zhì)和表面平坦性。因此， 可以簡化制造工藝。


圖1顯示根據(jù)第一示例性實施方案的樣品制造方法。圖2顯示根據(jù)第二示例性實施方案的樣品的結(jié)構(gòu)。圖3顯示根據(jù)第三示例性實施方案的樣品的結(jié)構(gòu)。圖4顯示根據(jù)第四示例性實施方案的樣品的結(jié)構(gòu)。圖5顯示根據(jù)第五示例性實施方案的樣品的結(jié)構(gòu)。圖6顯示根據(jù)第六示例性實施方案的樣品的結(jié)構(gòu)。圖7顯示根據(jù)第七示例性實施方案的樣品的結(jié)構(gòu)。
具體實施例方式下文參照附圖解釋本發(fā)明的示例性實施方案。本發(fā)明的實施方案不限于以下實施方案。第一示例性實施方案通過下文描述的制造方法制造根據(jù)第一示例性實施方案的樣品。首先，制備表面 平坦且未經(jīng)加工的藍(lán)寶石襯底10。藍(lán)寶石襯底10在氫氣氛中退火以除去表面吸附物。然 后，通過MOCVD在藍(lán)寶石襯底10表面上經(jīng)由AlN緩沖層(未顯示)形成Si摻雜的GaN層 11 (對應(yīng)于第一層)(圖1A)。Si摻雜的GaN層11中的Si濃度設(shè)定在1 X IO18至1 X IO20/ cm3的范圍內(nèi)，并且Si摻雜的GaN層11的厚度為1 μ m。對于MOCVD工藝，載氣是氫氣和氮 氣，氮源是氨，鎵源氣體是TMG(三甲基鎵)，摻雜劑氣體是硅烷(SiH4)。生長條件如生長溫 度和壓力是III族氮化物半導(dǎo)體晶體生長通常所采用的條件。例如，生長溫度為900至1300 攝氏度，壓力為常壓。摻雜的Si不僅用作η型摻雜劑，而且還用作引發(fā)GaN層11三維生長的反表面活 性劑。因此，在GaN層11的初始生長階段期間，在藍(lán)寶石襯底10的表面上產(chǎn)生大量的島狀 晶核。在晶核進(jìn)行三維生長的同時，晶核也相互合并。在晶核合并的過程中，在GaN層11 生長的同時，穿透位錯被彎曲并且穿透位錯的數(shù)目減少。Si摻雜的GaN層11中Si濃度的范圍設(shè)定為1 X 1018/cm3至1 X 102°/cm3的原因是， 在Si摻雜的GaN層11中Si濃度低于lX1018/cm3的情況下，作為反表面活性劑的作用太小，而在Si摻雜的GaN層11中Si濃度高于1 X IO2Vcm3的情況下，Si摻雜的GaN層11的 結(jié)晶品質(zhì)劣化。此外，還存在Si濃度越高則結(jié)晶品質(zhì)越好但表面平坦性越差的趨勢。接下來，在停止供應(yīng)硅烷之后，在供應(yīng)Cp2Mg(二(環(huán)戊二烯基)鎂)的同時，通過 MOCVD在Si摻雜的GaN層11上形成Mg摻雜的GaN層12 (對應(yīng)于第二層)(圖1B)。在形 成Mg摻雜的GaN層12的期間，生長條件如生長溫度和壓力與形成Si摻雜的GaN層11的 生長條件相同，只是摻雜劑的類型和量不同。Mg摻雜的GaN層12中的Mg濃度為7X1019/ cm3,并且Mg摻雜的GaN層12的厚度為1. 3 μ m。在Si摻雜的GaN層11上形成Mg摻雜的GaN層12的原因如下。由于Si摻雜的 GaN層11以三維生長方式生長，所以Si摻雜的GaN層11的表面平坦性不佳。因此，通過形 成GaN層12并同時摻雜用作表面活性劑的Mg，將晶體生長模式從三維生長變成二維生長。 因此，可以通過減少穿透錯位的數(shù)目提高結(jié)晶品質(zhì)以及提高表面平坦性。 雖然Si摻雜的GaN層11的厚度在第一示例性實施方案中為1 μ m，但是Si摻雜 的GaN層11的厚度只要小于2 μ m都有效。在Si摻雜的GaN層11的厚度大于2 μ m的情 況下，Si摻雜的GaN層的表面平坦性太差，因此不可能通過形成Mg摻雜的GaN層12來改 善表面平坦性。在第一示例性實施方案中，Mg摻雜的GaN層12的Mg濃度為7X 1019/cm3，Mg摻雜 的GaN層12的Mg濃度只要在1 X IO1Vcm3至1 X IO2Vcm3的濃度范圍內(nèi)都有效。在Mg濃度 低于IXlO1Vcm3的情況下，Mg作為反表面活性劑的作用太小。在Mg濃度高于lX102°/cm3 的情況下，結(jié)晶品質(zhì)變差。對第一示例性實施方案的樣品IA和對比例1、2在GaN晶體的表面平坦性和c晶 面上的結(jié)晶品質(zhì)方面相互進(jìn)行比較。在樣品IA中，Si摻雜的GaN層11中的Si濃度為 1.09X1019/Cm3。對比例1在藍(lán)寶石襯底10上具有GaN層。對比例1的GaN層的厚度為 2. 3 μ m，等于Si摻雜的GaN層11和Mg摻雜的GaN層12的厚度之和。對比例1的GaN層 的Si濃度為6X 1018/cm3。對比例1的GaN層在與樣品IA的Si摻雜的GaN層11和Mg摻 雜的GaN層12相同的生長條件下通過MOCVD生長。對比例2在藍(lán)寶石襯底10上具有GaN 層。對比例2的GaN層的厚度為2. 3 μ m。對比例2的GaN層的Si濃度為1. 09 X IO1Vcm3, 與樣品IA的Si摻雜的GaN層11的Si濃度相同。對比例2的GaN層在與樣品IA的Si摻 雜的GaN層11和Mg摻雜的GaN層12相同的生長條件下通過MOCVD生長。結(jié)晶品質(zhì)通過 X射線同步曲線的半值寬度來評價。作為比較的結(jié)果，樣品IA的Mg摻雜的GaN層12和對比例1分別具有平坦表面。 對比例2的GaN層具有粗糙表面和低表面平坦度。樣品IA的Mg摻雜的GaN層12在c晶 面上的X射線同步曲線的半值寬度為0. 66，而對比例2的GaN層在c晶面上的X射線同步 曲線的半值寬度為0. 95。換言之，樣品IA的Mg摻雜的GaN層12的結(jié)晶品質(zhì)均優(yōu)于對比例 1、2的GaN層。其中，利用對比例1的GaN層的X射線同步曲線的半值寬度，對樣品IA和對 比例2的X射線同步曲線的半值寬度進(jìn)行歸一化。還將第一示例性實施方案的樣品IB與對比例1、2在結(jié)晶品質(zhì)和表面平坦性方面 進(jìn)行比較。在樣品IB中，Si摻雜的GaN層11的Si濃度為1.41 X 1019/cm3。樣品IB也具有 平坦表面。樣品IB的Mg摻雜的GaN層在c晶面上的X射線同步曲線的半值寬度為0. 84。 因此，樣品IB的Mg摻雜的GaN層的結(jié)晶品質(zhì)均優(yōu)于對比例1、2的GaN層的結(jié)晶品質(zhì)。
為了進(jìn)一步減少穿透位錯的數(shù)目并獲得更高的表面平坦性，優(yōu)選將Si摻雜的GaN 層11的厚度設(shè)定為0. ιμπι至ιμπι，將Si摻雜的GaN層11的Si濃度設(shè)定為8 X 1018/cm3 至1 X IO2Vcm3,將Mg摻雜的GaN層12的厚度設(shè)定為0. 1 μ m至1 μ m，將Mg摻雜的GaN層 12 的 Mg 濃度設(shè)定為 1 X IO1Vcm3 至 1 X IO2Vcm30此外，Si摻雜的GaN層11的Si濃度和Mg摻雜的GaN層12的Mg濃度在GaN層 的厚度方向上不必保持恒定。例如，可以通過沿朝向Mg摻雜的GaN層12的方向連續(xù)或分 階段地減少Si摻雜的GaN層11的Si濃度和在朝向Si摻雜的GaN層11的方向連續(xù)或分 階段地減少Mg摻雜的GaN層12的Mg濃度，來使晶體生長模式從三維生長逐漸變化至二維 生長。第二示例件實施方案第二示例性實施方案的樣品示于圖2中。第二示例性實施方案的樣品與根據(jù)第一 示例性實施方案的樣品相同，只是該樣品用未摻雜GaN層22代替第一示例性實施方案中的 Mg摻雜的GaN層12。未摻雜GaN層22的生長條件如生長溫度和壓力與第一示例性實施方 案的相同。在未摻雜GaN層22的晶體生長過程中，三維生長相對占優(yōu)，但是三維生長的趨 勢低于Si摻雜的GaN層11。因此，可以通過將Si摻雜的GaN層11和未摻雜GaN層22按 此順序堆疊，從而使晶體生長模式從三維生長逐漸變化成弱的三維生長。由此，可以減少穿 透位錯的數(shù)目，并且可以獲得高表面平坦性。評價根據(jù)第二示例性實施方案的樣品2A的未摻雜GaN層22在c晶面上的結(jié)晶品 質(zhì)。在樣品2A中，Si摻雜的GaN層11中的Si濃度為1. 09X1019/cm3。作為與對比例1、 2的比較結(jié)果，樣品2A的未摻雜GaN層22的X射線同步曲線的半值寬度為0. 90 (利用對 比例1的GaN層的X射線同步曲線的半值寬度進(jìn)行歸一化)。因此，發(fā)現(xiàn)樣品2A的未摻雜 GaN層22具有比對比例1、2更佳的結(jié)晶品質(zhì)。此外，發(fā)現(xiàn)樣品2A的未摻雜GaN層22具有 與對比例1的GaN層一樣平坦的表面。評價根據(jù)第二示例性實施方案的樣品2B的未摻雜GaN層22在c晶面上的結(jié)晶品 質(zhì)。在樣品2B中，Si摻雜的GaN層11中的Si濃度為1.41 X 1019/cm3。作為與對比例1、 2的比較結(jié)果，樣品2B的未摻雜GaN層22的X射線同步曲線的半值寬度為0. 83 (利用對 比例1的GaN層的X射線同步曲線的半值寬度進(jìn)行歸一化)。因此，發(fā)現(xiàn)樣品2B的未摻雜 GaN層22具有比對比例1、2更佳的結(jié)晶品質(zhì)。此外，發(fā)現(xiàn)樣品2B的未摻雜GaN層22具有 與對比例1的GaN層一樣平坦的表面。第三示例性實施方案第三示例性實施方案的樣品示于圖3中。第三示例性實施方案的樣品與根據(jù)示例 性實施方案1的樣品相同，只是該樣品用較少Si摻雜的GaN層32代替第一示例性實施方 案中Si摻雜的GaN層12。較少Si摻雜的GaN層32中的Si濃度低于Si摻雜的GaN層11 中的Si濃度。較少Si摻雜的GaN層32與Si摻雜的GaN層11相比有利于三維生長。因 此，可以通過將Si摻雜的GaN層11和較少Si摻雜的GaN層32按此順序堆疊來將晶體生 長模式從三維生長逐漸變成弱的三維生長。結(jié)果，可以減少穿透位錯的數(shù)目和改善表面平 坦性。評價根據(jù)第三示例性實施方案的樣品3A的較少Si摻雜的GaN層32在c晶面上 的結(jié)晶品質(zhì)。在樣品3A中，Si摻雜的GaN層11中的Si濃度為1. 09X 1019/cm3，較少Si摻雜的GaN層32中的Si濃度為2. 3X1018/cm3。作為與對比例1、2的比較結(jié)果，樣品3A的較 少Si摻雜的GaN層32的X射線同步曲線的半值寬度為0. 89 (利用對比例1的GaN層的X 射線同步曲線的半值寬度進(jìn)行歸一化)。因此，發(fā)現(xiàn)樣品3A的較少Si摻雜的GaN層32具 有比對比例1、2更佳的結(jié)晶品質(zhì)。此外，發(fā)現(xiàn)樣品3A的較少Si摻雜的GaN層32具有與對 比例1的GaN層一樣平坦的表面。評價根據(jù)第三示例性實施方案的樣品3B的較少Si摻雜的GaN層32在c晶面上 的結(jié)晶品質(zhì)。在樣品3B中，Si摻雜的GaN層11中的Si濃度為1. 41 X 1019/cm3，較少Si摻 雜的GaN層32中的Si濃度為2. 3X1018/cm3。作為與對比例1、2的比較結(jié)果，樣品3B的較 少Si摻雜的GaN層32的X射線同步曲線的半值寬度為0. 74 (利用對比例1的GaN層的X 射線同步曲線的半值寬度進(jìn)行歸一化)。因此，發(fā)現(xiàn)樣品3B的較少Si摻雜的GaN層32具 有比對比例1、2更佳的結(jié)晶品質(zhì)。此外，發(fā)現(xiàn)樣品3B的較少Si摻雜的GaN層32具有與對 比例1的GaN層一樣平坦的表面。
第四示例件實施方案第四示例性實施方案的樣品示于圖4中。第四示例性實施方案的樣品具有在Si 摻雜的GaN層11上的未摻雜GaN層42 (第三層)和在未摻雜GaN層42上的Mg摻雜的GaN 層43 (第四層)。未摻雜GaN層42和Mg摻雜的GaN層43的生長條件如生長溫度和壓力與 Mg摻雜的GaN層12相同。未摻雜GaN層42和Mg摻雜的GaN層43的厚度之和為1. 3 μ m， 與Mg摻雜的GaN層12的厚度相同。Mg摻雜的GaN層43的Mg濃度為7 X IO1Vcm3,與Mg摻 雜的GaN層12的Mg濃度相同。由于未摻雜GaN層42是未摻雜的，所以未摻雜GaN層42有利于弱的三維生長。此 夕卜，由于Mg摻雜的GaN層43是Mg摻雜的，所以Mg摻雜的GaN層43有利于二維生長。因 此，可以通過將Si摻雜的GaN層11、未摻雜GaN層42和Mg摻雜的GaN層43按此順序堆 疊，來將晶體生長模式從三維生長變成弱的三維生長，并從弱的三維生長變成二維生長。結(jié) 果，可以減少Mg摻雜的GaN層43中的穿透位錯的數(shù)目和改善其表面平坦性。評價根據(jù)第四示例性實施方案的樣品4A的Mg摻雜的GaN層43在c晶面上的結(jié) 晶品質(zhì)。在樣品4A中，Si摻雜的GaN層11中的Si濃度為1. 09X 1019/cm3，未摻雜GaN層 42的厚度為0. 65 μ m，Mg摻雜的GaN層43的厚度為0. 65 μ m。作為與對比例1、2的比較結(jié) 果，樣品4A的Mg摻雜的GaN層43的X射線同步曲線的半值寬度為0. 86 (利用對比例1的 GaN層的X射線同步曲線的半值寬度進(jìn)行歸一化)。因此，發(fā)現(xiàn)樣品4A的Mg摻雜的GaN層 43具有比對比例1、2更佳的結(jié)晶品質(zhì)。此外，發(fā)現(xiàn)樣品4A的Mg摻雜的GaN層43的表面與 對比例1的GaN層的表面一樣平坦。評價根據(jù)第四示例性實施方案的樣品4B的Mg摻雜的GaN層43在c晶面上的結(jié) 晶品質(zhì)。在樣品4B中，Si摻雜的GaN層11中的Si濃度為1. 09X 1019/cm3。未摻雜GaN層 42的厚度為0.9μπι，Mg摻雜的GaN層43的厚度為0.4μπι。作為與對比例1、2的比較結(jié) 果，樣品4Β的Mg摻雜的GaN層43的X射線同步曲線的半值寬度為0. 88 (利用對比例1的 GaN層的X射線同步曲線的半值寬度進(jìn)行歸一化)。因此，發(fā)現(xiàn)樣品4Β的Mg摻雜的GaN層 43具有比對比例1、2更佳的結(jié)晶品質(zhì)。此外，發(fā)現(xiàn)樣品4Β的Mg摻雜的GaN層43的表面與 對比例1的GaN層的表面一樣平坦。評價根據(jù)第四示例性實施方案的樣品4C的Mg摻雜的GaN層43在c晶面上的結(jié)晶品質(zhì)。在樣品4C中，Si摻雜的GaN層11中的Si濃度為1. 41 X 1019/cm3。未摻雜GaN層 42的厚度為0.9μπι，Mg摻雜的GaN層43的厚度為0.4μπι。作為與對比例1、2的比較結(jié) 果，樣品4C的Mg摻雜的GaN層43的半值寬度為0. 85 (利用對比例1的GaN層的X射線同 步曲線的半值寬度進(jìn)行歸一化)。因此，發(fā)現(xiàn)樣品4C的Mg摻雜的GaN層43具有比對比例 1、2更佳的結(jié)晶品質(zhì)。此外，發(fā)現(xiàn)樣品4C的Mg摻雜的GaN層43的表面與對比例1的GaN 層的表面一樣平坦。第五示例件實施方案 第五示例性實施方案的樣品示于圖5中。第五示例性實施方案的樣品具有在Si 摻雜的GaN層11上的Mg摻雜的GaN層52 (第五層)和在Mg摻雜的GaN層52上的未摻雜 GaN層53 (第六層)。Mg摻雜的GaN層52和未摻雜GaN層53的生長條件如生長溫度和壓 力與Mg摻雜的GaN層12的生長條件相同。Mg摻雜的GaN層52的厚度為0. 4 μ m，未摻雜 GaN層53的厚度為0. 9 μ m。Mg摻雜的GaN層43的Mg濃度為7 X IO1Vcm3,與Mg摻雜的GaN 層12的Mg濃度相同。由于Mg摻雜的GaN層52摻雜有Mg，所以Mg摻雜的GaN層52有利于二維生長。 而且，由于未摻雜GaN層53是未摻雜的，所以未摻雜GaN層53有利于弱的三維生長。因此， 可以通過將Si摻雜的GaN層ll、Mg摻雜的GaN層52和未摻雜GaN層53按此順序堆疊，來 將晶體生長模式從三維生長變成二維生長和從二維生長變成弱的三維生長。結(jié)果，可以減 少未摻雜GaN層53中的穿透位錯的數(shù)目和改善其表面平坦性。評價根據(jù)第五示例性實施方案的樣品5A的未摻雜GaN層53在c晶面上的結(jié)晶品 質(zhì)。在樣品5A中，Si摻雜的GaN層11中的Si濃度為1. 09X1019/cm3。作為與對比例1、 2的比較結(jié)果，樣品5A的未摻雜GaN層53的X射線同步曲線的半值寬度為0. 97 (利用對 比例1的GaN層的X射線同步曲線的半值寬度進(jìn)行歸一化)。因此，發(fā)現(xiàn)樣品5A的未摻雜 GaN層53具有比對比例1、2更佳的結(jié)晶品質(zhì)。此外，發(fā)現(xiàn)樣品5A的未摻雜GaN層53的表 面與對比例1的GaN層的表面一樣平坦。評價根據(jù)第五示例性實施方案的樣品5B的未摻雜GaN層53在c晶面上的結(jié)晶品 質(zhì)。在樣品5B中，Si摻雜的GaN層11中的Si濃度為1.41 X 1019/cm3。作為與對比例1、 2的比較結(jié)果，樣品5B的未摻雜GaN層53的X射線同步曲線的半值寬度為0. 89 (利用對 比例1的GaN層的X射線同步曲線的半值寬度進(jìn)行歸一化)。因此，發(fā)現(xiàn)樣品5B的未摻雜 GaN層53具有比對比例1、2更佳的結(jié)晶品質(zhì)。此外，發(fā)現(xiàn)樣品5B的未摻雜GaN層53的表 面與對比例1的GaN層的表面一樣平坦。第六示例性實施方案第六示例性實施方案的樣品示于圖6中。第六示例性實施方案的樣品與根據(jù)第一 示例性實施方案的樣品相同，只是該實施例用未摻雜GaN層61替代Si摻雜的GaN層11。 未摻雜GaN層61的生長條件如生長溫度和壓力與Si摻雜的GaN層11的生長條件相同。Mg 摻雜的GaN層12比未摻雜GaN層61更有利于二維生長。因此，可以通過將未摻雜GaN層 61和Mg摻雜的GaN層12按此順序堆疊來將晶體生長模式從弱的三維生長變成二維生長。 因此，可以減少未摻雜GaN層61的位錯數(shù)目并且改善其表面平坦性。第七示例性實施方案第七示例性實施方案的樣品示于圖7中。第七示例性實施方案的樣品具有如下結(jié)構(gòu)在第一示例性實施方案的樣品的Mg摻雜的GaN層12上通過MOCVD堆疊的Si摻雜的 GaN層71和Mg摻雜的GaN層72。Si摻雜的GaN層71的厚度和Si摻雜的GaN層71中的 Si濃度與Si摻雜的GaN層11的相同。Mg摻雜的GaN層72的厚度和Mg摻雜的GaN層72 中的Mg濃度與Mg摻雜的GaN層12的相同。Si摻雜的GaN層71和Mg摻雜的GaN層72的 晶體生長條件如生長溫度和壓力與Si摻雜的GaN層11和Mg摻雜的GaN層12的生長條件 相同。由于Si摻雜的GaN層71的三維生長，所以Mg摻雜的GaN層12中剩余的穿透位錯的 數(shù)目減少。雖然表面平坦性因Si摻雜的GaN層71的三維生長而變差，但是通過在Si摻雜 的GaN層71上的Mg摻雜的GaN層72的二維生長使表面平坦性得以恢復(fù)。結(jié)果，與Mg摻 雜的GaN層12相比，在Mg摻雜的GaN層72中的穿透位錯的數(shù)目進(jìn)一步減少。因此Mg摻 雜的GaN層72獲得高結(jié)晶品質(zhì)以及高表面平坦性。
Si摻雜的GaN層71和Mg摻雜的GaN層72可以重復(fù)堆疊。根據(jù)第七示例性實施 方案的樣品的結(jié)構(gòu)可應(yīng)用于根據(jù)其它示例性實施方案(從第一示例性實施方案至第六示 例性實施方案)的樣品。例如，可以在第二示例性實施方案的樣品的未摻雜GaN層22上重 復(fù)堆疊Si摻雜的GaN層和未摻雜GaN層。例如，可以在第六示例性實施方案的Mg摻雜的 GaN層12上重復(fù)堆疊未摻雜GaN層和Mg摻雜的GaN層。在每種情況下，都進(jìn)一步減少了穿 透位錯的數(shù)目，并且可以獲得具有高結(jié)晶品質(zhì)以及高表面平坦性的晶體。在每個示例性實施方案中，采用Mg作為表面活性劑，采用Si作為反表面活性劑。 表面活性劑不限于Mg，并且可以采用任何其它的表面活性劑。反表面活性劑不限于Si，并 且可以采用任何其它的反表面活性劑。雖然每個實施方案都是用于GaN晶體的制造方法，但是本發(fā)明的示例性實施方案 可應(yīng)用于制造AlGaN、InGaN和AlGaInN晶體。即使將所述制造方法應(yīng)用于制造這些材料， 也可以制造出具有高結(jié)晶品質(zhì)以及高表面平坦性的晶體。在每個示例性實施方案中，使用表面未被加工成具有凹凸結(jié)構(gòu)的平坦藍(lán)寶石襯 底。相反，可以使用表面被加工成具有條狀或點狀的凹凸結(jié)構(gòu)的襯底。當(dāng)III族氮化物在 具有凹凸結(jié)構(gòu)的表面上生長時，對于相關(guān)技術(shù)而言已經(jīng)難以獲得III族氮化物半導(dǎo)體。然 而，根據(jù)本發(fā)明的示例性實施方案，即使襯底表面加工成具有凹凸結(jié)構(gòu)，也可以獲得具有高 結(jié)晶品質(zhì)以及高表面平坦性的III族氮化物。此外，可以使用SiC、尖晶石、Si、ZnO和GaN 襯底來代替藍(lán)寶石襯底。在每個示例性實施方案中，晶體生長條件如生長溫度和壓力相同。示例性實施方 案中描述的GaN層可在生長溫度和壓力變化的情況下形成。工業(yè)實用性通過本發(fā)明示例性實施方案獲得的III族氮化物半導(dǎo)體可用于制造半導(dǎo)體元件 例如發(fā)光元件。
權(quán)利要求
一種制造III族氮化物半導(dǎo)體的方法，所述方法包括制備包括緩沖層的襯底；在所述緩沖層上通過MOCVD由摻雜有反表面活性劑的III族氮化物半導(dǎo)體形成第一層，其中所述第一層的厚度等于或小于2μm；在所述第一層上通過MOCVD由摻雜有表面活性劑和反表面活性劑中至少其一的III族氮化物半導(dǎo)體形成第二層；和通過調(diào)節(jié)在形成所述第二層期間所摻雜的所述表面活性劑和所述反表面活性劑的量來控制所述第二層的結(jié)晶品質(zhì)和表面平坦性。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造III族氮化物半導(dǎo)體的方法，其中所述第二層中的反表 面活性劑的濃度低于所述第一層中的反表面活性劑的濃度，或者所述第二層是未摻雜的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造III族氮化物半導(dǎo)體的方法，其中所述第二層用所述表 面活性劑摻雜。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造III族氮化物半導(dǎo)體的方法，其中形成所述第二層的步 驟包括在所述第一層上由III族氮化物半導(dǎo)體形成未摻雜的第三層；和在所述第三層上由III族氮化物半導(dǎo)體在摻雜表面活性劑的同時形成第四層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造III族氮化物半導(dǎo)體的方法，其中形成所述第二層的所 述步驟包括在所述第一層上由III族氮化物半導(dǎo)體在摻雜表面活性劑的同時形成第五層；和在所述第五層上由III族氮化物半導(dǎo)體形成未摻雜的第六層。
6.一種制造III族氮化物半導(dǎo)體的方法，所述方法包括制備包括緩沖層的襯底；通過MOCVD由III族氮化物半導(dǎo)體形成未摻雜的第一層，所述第一層的厚度等于或小 于 2 μ m ；通過MOCVD由摻雜有表面活性劑的III族氮化物半導(dǎo)體形成第二層。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造III族氮化物半導(dǎo)體的方法，其中用于所述第一層的所 述反表面活性劑是Si。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的制造III族氮化物半導(dǎo)體的方法，其中所述第一層中的Si濃 度為 IX IO18 至 IX IO2cVcm3。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造III族氮化物半導(dǎo)體的方法，其中用于所述第二層的所 述表面活性劑是Mg。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的制造III族氮化物半導(dǎo)體的方法，其中所述第二層中的Mg 濃度為 IX IO17 至 IX IO2cVcm3。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造III族氮化物半導(dǎo)體的方法，其中用于所述第一層的所 述反表面活性劑是Si，用于所述第二層的所述表面活性劑是Mg。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的制造III族氮化物半導(dǎo)體的方法，其中所述第一層中的Si 濃度為1 X IO18至1 X IO2Vcm3,所述第二層中的Mg濃度為1 X IO17至1 X IO2Vcm30
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造III族氮化物半導(dǎo)體的方法，包括在首次形成的所述第二層上重復(fù)地交替堆疊所述第一層和所述第二層多于一次。
14.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制造III族氮化物半導(dǎo)體的方法，包括在首次形成的所述 第二層上重復(fù)地堆疊所述第一層和所述第二層多于一次。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造III族氮化物半導(dǎo)體的方法，其中其上形成有所述第一 層的所述襯底的表面上具有凹凸結(jié)構(gòu)。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造III族氮化物半導(dǎo)體的方法，其中所述第一層和所述第 二層是GaN0
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造III族氮化物半導(dǎo)體的方法，其中所述第一層和所述第 二層在相同的晶體生長條件下生長。
全文摘要
一種制造III族氮化物半導(dǎo)體的方法，所述方法包括制備包括緩沖層的襯底；在所述緩沖層上通過MOCVD由III族氮化物半導(dǎo)體在摻雜反表面活性劑的同時形成第一層，其中所述第一層的厚度等于或小于2μm；在所述第一層上通過MOCVD由III族氮化物半導(dǎo)體在摻雜表面活性劑和反表面活性劑中至少其一的同時形成第二層；和通過在形成所述第二層期間調(diào)節(jié)所摻雜的表面活性劑和反表面活性劑的量來控制所述第二層的結(jié)晶品質(zhì)和表面平坦性。
文檔編號H01L21/205GK101847577SQ20101013519
公開日2010年9月29日 申請日期2010年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月24日
發(fā)明者奧野浩司 申請人:豐田合成株式會社