利用中性粒子束的發(fā)光元件制造方法及其裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種利用中性粒子束制作半導(dǎo)體發(fā)光元件的方法及其裝置。根據(jù)本發(fā)明，由于在形成在基板上形成的氮化物半導(dǎo)體單晶薄膜時，不像現(xiàn)有技術(shù)那樣通過加熱基板而用熱能提供反應(yīng)能量，而是用中性粒子束的動能提供一部分反應(yīng)能量，因此可在基板溫度較低的條件下進行。而且，摻雜所需的固體元素Si、Mg等元素時，也可以借助于固體元素產(chǎn)生源而與中性粒子束一同噴射于基板上，從而可以在低溫下高效地進行摻雜。根據(jù)本發(fā)明，可通過基板溫度的低溫化來防止基板和薄膜的劣化以及摻雜元素的不利的擴散，從而可以比較簡便地制作出具有優(yōu)良發(fā)光特性的半導(dǎo)體發(fā)光元件。
【專利說明】利用中性粒子束的發(fā)光元件制造方法及其裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種發(fā)光元件的制造方法及制造裝置，尤其涉及一種利用中性粒子束而降低了薄膜蒸鍍溫度的氮化物半導(dǎo)體單晶的形成裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]通常,氮化物半導(dǎo)體單晶薄膜被廣泛應(yīng)用于LED (Light Emitting Diode)或激光二極管的制作，而為了使氮化物半導(dǎo)體單晶形成于基板上，需要將基板保持在高溫。
[0003]S卩，現(xiàn)有技術(shù)中形成薄膜需要1000°C以上的結(jié)晶生長高溫，而這種高溫處理使制作的單晶體的應(yīng)用領(lǐng)域非常受限。
[0004]現(xiàn)有技術(shù)中用于形成氮化物半導(dǎo)體單晶的代表性技術(shù)有MOCVD (Metal OrganicCVD:有機金屬化學(xué)蒸鍍)法、MBE (Molecular Beam Epitaxy:分子束外延)法等,而為了通過這種方法來獲得氮化物半導(dǎo)體薄膜，需將基板維持在加熱到1050?1100°C左右溫度的狀態(tài)。由此，可能帶來形成氮化物半導(dǎo)體薄膜的基板(例如藍寶石基板)的熱膨脹所導(dǎo)致的基板自身扭轉(zhuǎn)等劣化問題，進而可能由于形成于基板上的氮化物半導(dǎo)體薄膜和基板的晶格常數(shù)(lattice constant)的差異以及熱膨脹系數(shù)的差異而導(dǎo)致薄膜損壞的問題。
[0005]而且，作為發(fā)光元件的制作例，可在藍寶石基板上形成η型GaN層、InGaN活性層、以及P型GaN層，而為了形成η型GaN層和P形GaN層，在單晶GaN層上摻入Mg、Si等雜質(zhì)。在這種情況下，如果基板的加熱溫度為1000°C以上的高溫，則摻入的雜質(zhì)原子在高溫下的擴散被激活，從而導(dǎo)致為了形成P型GaN膜而摻入的Mg原子擴散到作為LED發(fā)光元件的活性層的多量子講層(mult1-quantum well)而損壞發(fā)光元件的發(fā)光特性,而這種現(xiàn)象在η型GaN膜中也同樣可能發(fā)生。由此，最終只能導(dǎo)致發(fā)光元件的發(fā)光特性劣化。
[0006]關(guān)于如上所述的現(xiàn)有技術(shù)，韓國授權(quán)專利公報第10-0251035號提供了一種利用等離子CVD而在基板上制作非晶態(tài)(amorphus)薄膜或多晶薄膜之后使用中性粒子束實現(xiàn)所述薄膜的單晶化的方法。
[0007]然而，采用上述公報中公開的方法時，為了獲得所需單晶薄膜，需要用等離子CVD法預(yù)先制作非晶態(tài)(armophus)或多晶態(tài)薄膜，而為了以預(yù)定角度照射中性粒子束而實現(xiàn)薄膜的單晶化，需提供多種結(jié)構(gòu)的反射器，因此制作工序中需要大量的努力和復(fù)雜的裝備，故增加半導(dǎo)體發(fā)光元件的生產(chǎn)成本，從而使LED的普及率和市場占有率下降。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]技術(shù)問題
[0009]為了解決上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種在制作半導(dǎo)體發(fā)光元件時，用具有適當能量的中性粒子束代替施加于基板的較高處理溫度，從而在維持遠低于以往處理溫度的低處理溫度的同時生成高品質(zhì)的氮化物半導(dǎo)體單晶薄膜的利用中性粒子束的發(fā)光元件制造方法及制造裝置。
[0010]而且，本發(fā)明的另一目的在于通過簡單的裝備和精力制作高品質(zhì)的氮化物半導(dǎo)體單晶薄膜，以提高半導(dǎo)體發(fā)光元件的價格競爭力。
[0011]并且，本發(fā)明的又一目的在于提供一種在制作發(fā)光元件時，考慮構(gòu)成發(fā)光元件的每一層所要求的工藝特點而提供最為高效的制造工藝和裝置。
[0012]技術(shù)方案
[0013]本發(fā)明可提供一種氮化物半導(dǎo)體單晶薄膜形成方法，其特征在于，包括如下步驟:由采用借助于電子回旋共振(ECR:Electron Cyclotron Resonance)的等離子產(chǎn)生方式并具有中和反射板的中性粒子束產(chǎn)生源釋放包含氮(N)原子和惰性元素的中性粒子束；在所述中性粒子束到達所述基板的前后時刻釋放IIIA族固體元素，所述中性粒子束和所述IIIA族固體元素在所述基板上被蒸鍍?yōu)榈锇雽?dǎo)體單晶薄膜。
[0014]并且，本發(fā)明可提供一種氮化物半導(dǎo)體單晶薄膜形成方法，其特征在于，包括所述釋放IIIA族固體元素的步驟的同時，還包括不用前驅(qū)體噴射氣體而直接釋放所要摻入的固體元素而提供給正通過所述氮化物半導(dǎo)體單晶薄膜的形成方法形成的氮化物半導(dǎo)體單晶薄膜的步驟。
[0015]而且，本發(fā)明 可提供一種氮化物半導(dǎo)體單晶薄膜形成方法，其特征在于，在釋放包含氮(N)原子和惰性元素的中性粒子束的同時釋放IIIA族固體元素，并同時向形成的氮化物半導(dǎo)體單晶薄膜釋放所要摻入的固體元素。
[0016]并且，本發(fā)明可提供一種氮化物半導(dǎo)體單晶薄膜形成方法，其特征在于，所述惰性元素為Ar、He、Ne、Kr、Xe中的一種或者其中的兩種以上元素的組合。
[0017]而且，本發(fā)明提供的所述氮化物半導(dǎo)體單晶薄膜形成方法，其特征在于，將所述基板的溫度維持在200-800°C。
[0018]并且，本發(fā)明提供的所述氮化物半導(dǎo)體單晶薄膜形成方法，其特征在于，將所述基板的溫度維持在600-700°C。
[0019]而且，本發(fā)明可提供一種氮化物半導(dǎo)體單晶薄膜形成方法，其特征在于，上述釋放IIIA族固體元素的步驟是以周期性重復(fù)發(fā)射與停止的調(diào)制(modulation)模式進行。
[0020]并且，本發(fā)明可提供一種氮化物半導(dǎo)體單晶薄膜形成方法，其特征在于，發(fā)射時間T on與停止時間T。?之比滿足以下關(guān)系:
[0021]—>—-1
[0022]其中，rni為IIIA族固體元素的流量(atoms/cm2 ? s)，rn為中性粒子束流量，y為中性粒子束中的氮原子比率，Tm為發(fā)射時間，Ttff為停止時間。
[0023]而且，本發(fā)明提供的所述氮化物半導(dǎo)體單晶薄膜形成方法，其特征在于，所述中性粒子束的動能取2-lOOeV。
[0024]并且，本發(fā)明提供的所述氮化物半導(dǎo)體單晶薄膜形成方法，其特征在于，所述中性粒子束的動能取10-30eV。
[0025]而且，本發(fā)明提供的所述氮化物半導(dǎo)體單晶薄膜形成方法，其特征在于，為了生成所述中性粒子束并提供中性粒子束的動能而要施加于中性粒子束產(chǎn)生源的電位V滿足如下關(guān)系:
[0026]V = - ----Vp

Te <1[0027]其中，En表示中性粒子束的能量，Vp表示等離子體電位，q表示等離子體帶電粒子的電荷量，Y E表不等尚子體帶電粒子與反射板碰撞之后變成中性粒子出射時保持的能量效率，可根據(jù)反射板物質(zhì)及入射角而具有0.3~0.9的值。
[0028]并且，本發(fā)明可提供一種氮化物半導(dǎo)體單晶薄膜形成方法，其特征在于，Ga原子通過碰撞而從中性粒子束的動能En中獲得的能量Eea如下:
[0029]
【權(quán)利要求】
1.一種氮化物半導(dǎo)體單晶薄膜形成方法，其特征在于，包括如下步驟: 由采用借助于電子回旋共振的等離子產(chǎn)生方式并具有中和反射板的中性粒子束產(chǎn)生源釋放包含氮原子和惰性元素的中性粒子束； 在所述中性粒子束到達所述基板的前后時刻釋放IIIA族固體元素， 所述中性粒子束和所述IIIA族固體元素在所述基板上被蒸鍍?yōu)榈锇雽?dǎo)體單晶薄膜。
2.如權(quán)利要求1所述的氮化物半導(dǎo)體單晶薄膜形成方法，其特征在于，包括所述釋放IIIA族固體元素的步驟的同時，還包括不用前驅(qū)體噴射氣體而直接釋放所要摻入的固體元素而提供給正通過所述氮化物半導(dǎo)體單晶薄膜的形成方法形成的氮化物半導(dǎo)體單晶薄膜的步驟。
3.一種氮化物半導(dǎo)體單晶薄膜形成方法，其特征在于，在釋放包含氮原子和惰性元素的中性粒子束的同時釋放IIIA族固體元素，并同時向形成的氮化物半導(dǎo)體單晶薄膜釋放所要摻入的固體元素。
4.如權(quán)利要求2或3所述的氮化物半導(dǎo)體單晶薄膜形成方法，其特征在于，所述惰性元素為Ar、He、Ne、Kr、Xe中的一種或者其中的兩種以上元素的組合。
5.如權(quán)利要求4所述的氮化物半導(dǎo)體單晶薄膜形成方法，其特征在于，所述IIIA族固體元素為Al、Ga、In中的一種或者其中的兩種以上元素的組合。
6.如權(quán)利要求5所述的氮化物半導(dǎo)體單晶薄膜形成方法，其特征在于，將所述基板的溫度維持在200°C至800°C。
7.如權(quán)利要求6所述的氮化物半導(dǎo)體單晶薄膜形成方法，其特征在于，所述中性粒子束的動能取2eV至lOOeV。
8.如權(quán)利要求7所述的氮化物半導(dǎo)體單晶薄膜形成方法，其特征在于，上述釋放IIIA族固體元素的步驟是以周期性重復(fù)發(fā)射與停止的調(diào)制模式進行。
9.如權(quán)利要求8所述的氮化物半導(dǎo)體單晶薄膜形成方法，其特征在于，發(fā)射時間?停止時間τ。?之比滿足以下關(guān)系:
其中， ΠΙ為IIIA族固體元素的流量， 為中性粒子束流量，Y為中性粒子束中的氮原子比率，Tm為發(fā)射時間，Ttjff為停止時間。
10.如權(quán)利要求9所述的氮化物半導(dǎo)體單晶薄膜形成方法，其特征在于，所述IIIA族固體元素的釋放過程和所要摻入的固體元素的釋放過程同步地周期性重復(fù)發(fā)射和停止。
11.如權(quán)利要求9所述的氮化物半導(dǎo)體單晶薄膜形成方法，其特征在于，所述IIIA族固體元素的釋放過程和所要摻入的固體元素的釋放過程交替地周期性重復(fù)發(fā)射和停止。
12.—種氮化物半導(dǎo)體單晶薄膜形成裝置，其特征在于，包括: 中性粒子束產(chǎn)生裝置，將氮和惰性元素生成為中性粒子而發(fā)射到基板上； 固體元素產(chǎn)生裝置，與所述中性粒子束產(chǎn)生裝置的動作一同將IIIA族固體元素噴射于基板上； 摻雜用固體元素產(chǎn)生裝置，在不用前驅(qū)體噴射氣體的情況下直接將摻雜元素提供給所形成的氮化物半導(dǎo)體單晶薄膜。
13.一種發(fā)光元件制造方法，包括如下步驟: 利用有機金屬化學(xué)蒸鍍法摻入n型元素而形成n型半導(dǎo)體層； 利用中性粒子束形成活性層； 利用中性粒子束摻入P型元素而形成P型半導(dǎo)體層。
14.一種發(fā)光元件制造裝置，其特征在于，包括: 第一處理室，通過有機金屬化學(xué)蒸鍍法摻入n型元素而形成n型半導(dǎo)體層； 第二處理室，具有中性粒子束產(chǎn)生裝置，通過中性粒子束形成活性層； 第三處理室，通過中性粒子束摻入p型元素而形成p型半導(dǎo)體層， 其中，所述第三處理室包括: 中性粒子束產(chǎn)生裝置； 固體元素產(chǎn)生裝置，與 所述中性粒子束產(chǎn)生裝置的動作一同將IIIA族固體元素噴射于基板上； P型摻雜用固體元素產(chǎn)生裝置，在不用前驅(qū)體噴射氣體的情況下直接將P型摻雜元素提供給所形成的氮化物半導(dǎo)體單晶薄膜。
15.一種發(fā)光元件制造裝置，其特征在于，包括: 第一處理室，通過有機金屬化學(xué)蒸鍍法摻入n型元素而形成n型半導(dǎo)體層； 第二處理室，具有中性粒子束產(chǎn)生裝置，通過中性粒子束形成活性層和p型半導(dǎo)體層， 其中，所述第二處理室包括: 中性粒子束產(chǎn)生裝置； 固體元素產(chǎn)生裝置，與所述中性粒子束產(chǎn)生裝置的動作一同將IIIA族固體元素噴射于基板上； P型摻雜用固體元素產(chǎn)生裝置，在不用前驅(qū)體噴射氣體的情況下直接將P型摻雜元素提供給所形成的氮化物半導(dǎo)體單晶薄膜。
【文檔編號】H01L33/32GK103460341SQ201180069512
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2011年5月30日 優(yōu)先權(quán)日:2011年3月23日
【發(fā)明者】俞席在, 金圣鳳 申請人:韓國基礎(chǔ)科學(xué)支援研究院