第iii族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種其中在設(shè)置有不平整形狀的藍(lán)寶石襯底上生長有平坦半導(dǎo)體層的第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件及其制造方法。當(dāng)藍(lán)寶石襯底的主表面上的平坦表面面積S與藍(lán)寶石襯底的總面積K的面積比R為0.1以上至小于0.5時(shí)，在其主表面上具有不平整形狀的藍(lán)寶石襯底上形成半導(dǎo)體層時(shí)，供應(yīng)包含第III族元素的原料氣體和包含第V族元素的原料氣體的至少兩種氣體使得滿足公式1000≤Y/(2×R)≤1200。在公式中，Y為包含第V族元素的原料氣體與包含第III族元素的原料氣體的分壓比。
【專利說明】第M I族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件及其制造方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件及其制造方法。更具體地，本發(fā)明涉及其中在具有不平整形狀的藍(lán)寶石襯底上形成有平坦半導(dǎo)體層的第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件及其制造方法。

【背景技術(shù)】
[0002]在第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件中，光可以反射到半導(dǎo)體層與大氣層之間的界面處的半導(dǎo)體層一側(cè)。GaN的折射率為2.3 (藍(lán)光LED)，而空氣的折射率為1，存在大的差距。為了提高光提取效率，可以將在主表面上具有不平整形狀的藍(lán)寶石襯底用于第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件。在這樣的半導(dǎo)體發(fā)光器件中，光通過不平整形狀散射，并且光提取效率高。
[0003]日本公開特許公報(bào)(特開)第2011-129718號公開了襯底設(shè)置有凸起的第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件。在襯底與η型半導(dǎo)體層之間的界面或P電極與大氣層之間的界面處全反射并且橫向傳播的光通過凸起散射，從而提高了光提取效率。
[0004]本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)當(dāng)半導(dǎo)體層通過氣相外延例如金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)形成時(shí)，可能引起以下問題。
[0005]當(dāng)藍(lán)寶石襯底不具有不平整形狀時(shí)，如圖1所示，原料氣體幾乎均勻地噴到藍(lán)寶石襯底的整個(gè)表面。相反，當(dāng)藍(lán)寶石襯底具有不平整形狀時(shí)，如圖2所示，原料氣體進(jìn)入不平整形狀的凹部中。因此，在每個(gè)凹部的區(qū)域Rl中，原料氣體的濃度比藍(lán)寶石襯底不具有不平整形狀時(shí)更高。
[0006]當(dāng)原料氣體的濃度高時(shí)，半導(dǎo)體層容易傾斜地生長在不平整形狀的傾斜表面上的緩沖層上。特別地當(dāng)傾向于藍(lán)寶石的a面{l，l，-2，x}出現(xiàn)在傾斜表面上時(shí)，半導(dǎo)體層容易生長在該傾斜表面上。這是因?yàn)镚aN容易生長在{1，1，-2,0}面上。半導(dǎo)體在襯底的傾斜表面上的生長程度有時(shí)高于在襯底的主表面上的生長程度。特別地當(dāng)藍(lán)寶石襯底上的底面積較小時(shí)，半導(dǎo)體在傾斜表面上的生長程度非常高。生長在傾斜表面上的半導(dǎo)體層的晶體取向不同于生長在底表面上的半導(dǎo)體層的晶體取向。當(dāng)具有不同生長模式的這些半導(dǎo)體層融合(merge )時(shí)，融合之后的生長層的表面難以處于平坦?fàn)顟B(tài)。此外，融合之后的生長層的結(jié)晶度劣化。
[0007]當(dāng)不平整形狀高密度地形成時(shí)(就是說，相鄰臺面的頂部的間距寬度小)，光提取效率提高。然而，間距寬度越小，基底層的表面越難以處于平坦?fàn)顟B(tài)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]已實(shí)現(xiàn)本發(fā)明用于解決本發(fā)明人自己發(fā)現(xiàn)的上述問題。因此，本發(fā)明的目的是提供一種其中在設(shè)置有不平整形狀的襯底上生長平坦半導(dǎo)體層的第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件及其制造方法。
[0009]在本發(fā)明的第一方面中，提供了一種用于制造第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的方法，包括:
[0010]制備在主表面上具有不平整形狀的藍(lán)寶石襯底的藍(lán)寶石襯底制備步驟；
[0011]在藍(lán)寶石襯底的不平整形狀上形成低溫緩沖層的緩沖層形成步驟；以及
[0012]在低溫緩沖層上生長由第III族氮化物半導(dǎo)體形成的半導(dǎo)體層的半導(dǎo)體層形成步驟。半導(dǎo)體層形成步驟包括通過供應(yīng)至少兩種類型的氣體:包含第III族元素的原料氣體和包含第V族元素的原料氣體，以滿足下列公式從而在低溫緩沖層上形成第一半導(dǎo)體層:
[0013]1000 ≤ Y/(2 XR) ( 1200
[0014]R=S/K
[0015]0.1 ^ R<0.5
[0016]Y:包含第V族元素的原料氣體與包含第III族元素的原料氣體的分壓比
[0017]R:藍(lán)寶石襯底的平坦表面與藍(lán)寶石襯底的總面積的面積比
[0018]S:藍(lán)寶石襯底的主表面一側(cè)上的平坦表面的面積
[0019]K:藍(lán)寶石襯底的總面積。
[0020]在用于制造第III 族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的方法中，抑制供應(yīng)到藍(lán)寶石襯底的不平整形狀的包含第V族元素的原料氣體的供應(yīng)量。因而，可以抑制在形成在藍(lán)寶石襯底的傾斜表面上的低溫緩沖層上的半導(dǎo)體層的生長。因此，可以在具有不平整形狀的藍(lán)寶石襯底上形成平坦半導(dǎo)體層。
[0021]本發(fā)明的第二方面涉及用于第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造方法的具體實(shí)施方案，其中，在形成第一半導(dǎo)體層時(shí)，形成至少部分地填充藍(lán)寶石襯底的不平整形狀的高度的層作為第一半導(dǎo)體層。
[0022]本發(fā)明的第三方面涉及用于第III族半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造方法的具體實(shí)施方案，其中，第一半導(dǎo)體層部分地覆蓋藍(lán)寶石襯底的不平整形狀的高度，并且未覆蓋不平整形狀的高度的剩余部分。
[0023]本發(fā)明的第四方面涉及用于第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造方法的具體實(shí)施方案，其中第一半導(dǎo)體層覆蓋藍(lán)寶石襯底的不平整形狀的整個(gè)高度。
[0024]本發(fā)明的第五方面涉及用于第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造方法的具體實(shí)施方案，其中半導(dǎo)體層形成步驟包括:在第一半導(dǎo)體層上形成η型半導(dǎo)體層，在η型半導(dǎo)體層上形成發(fā)光層；以及在發(fā)光層上形成P型半導(dǎo)體層。
[0025]本發(fā)明的第六方面涉及用于第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造方法的具體實(shí)施方案，其中，在形成第一半導(dǎo)體層時(shí)，第一半導(dǎo)體層的生長溫度比η型半導(dǎo)體層的生長溫度低20°C至80°C的范圍內(nèi)。
[0026]本發(fā)明的第七方面涉及用于第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造方法的具體實(shí)施方案，其中在形成η型半導(dǎo)體層時(shí)，η型半導(dǎo)體層的生長溫度為1000°C至1200°C。
[0027]本發(fā)明的第八方面涉及用于第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造方法的具體實(shí)施方案，其中藍(lán)寶石襯底的不平整形狀具有0.5 μ m至3.0 μ m的高度。
[0028]本發(fā)明的第九方面涉及用于第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造方法的具體實(shí)施方案，其中藍(lán)寶石的不平整形狀的底表面與不平整形狀的傾斜最大的表面之間的角度為 40。至 60。。
[0029]本發(fā)明的第十方面涉及用于第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造方法的具體實(shí)施方案,其中在第一半導(dǎo)體層的形成中，第一半導(dǎo)體層的生長速率為200 Λ/分鐘至
2000 A / 分鐘。
[0030]本發(fā)明的第十一方面涉及用于第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造方法的具體實(shí)施方案，其中藍(lán)寶石襯底的不平整形狀具有多個(gè)臺面，臺面以蜂窩結(jié)構(gòu)布置在不平整形狀的整個(gè)表面之上。
[0031]本發(fā)明的第十二方面涉及用于第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造方法的具體實(shí)施方案，其中臺面具有選自截頂圓錐形、截頂六棱椎形、圓椎形以及六棱椎形中的至少一種形狀。
[0032]本發(fā)明的第十三方面涉及用于第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造方法的具體實(shí)施方案，其中連接相鄰臺面的線為沿a軸方向。
[0033]本發(fā)明的第十四方面涉及用于第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造方法的具體實(shí)施方案，其中藍(lán)寶石襯底具有c面主表面。
[0034]本發(fā)明的第十五方面涉及用于第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造方法的具體實(shí)施方案，其中使用氨作為包含第III族元素的原料氣體并且使用至少三甲基鎵作為包含第V族元素的原料氣體。
[0035]在本發(fā)明的第十六方面中，提供了一種第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，包括:設(shè)置有具有至少一個(gè)傾斜表面的不平整形狀的藍(lán)寶石襯底；在藍(lán)寶石襯底上沿著不平整形狀形成的低溫緩沖層；形成在低溫緩沖層上并且至少部分地填充不平整形狀的高度的第一半導(dǎo)體層；形成在第一半導(dǎo)體層上的η型半導(dǎo)體層；形成在η型半導(dǎo)體層上的發(fā)光層；以及形成在發(fā)光層上的P型半導(dǎo)體層，其中藍(lán)寶石襯底的主表面一側(cè)上的平坦表面面積S與藍(lán)寶石襯底的總面積K的面積比R為10%以上至小于50%。第一半導(dǎo)體層具有生長在不平整形狀的傾斜表面上的傾斜表面生長層。傾斜表面生長層具有0.05 μ m至0.5 μ m的厚度。
[0036]第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件包括具有較好的不平整形狀的藍(lán)寶石襯底以及第一半導(dǎo)體層。光通過不平整形狀的臺面和凹部良好地散射，并且光提取效率高。半導(dǎo)體層的生長速率在藍(lán)寶石襯底的不平整形狀的傾斜表面上是緩慢的。因此，半導(dǎo)體層在藍(lán)寶石襯底的主表面上的生長不受半導(dǎo)體層在藍(lán)寶石襯底的不平整形狀的傾斜表面上的生長抑制。半導(dǎo)體層在第一半導(dǎo)體層之上的生長模式是穩(wěn)定的。因而，在第一半導(dǎo)體層之上的半導(dǎo)體層具有良好的晶體質(zhì)量。
[0037]本發(fā)明的第十七方面涉及第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的具體實(shí)施方案，其中，形成與η型半導(dǎo)體層接觸的η電極，并且η型半導(dǎo)體層包括與η電極接觸的η型接觸層。
[0038]本發(fā)明的第十八方面涉及第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的具體實(shí)施方案，其中，形成與η型半導(dǎo)體層接觸的η電極，并且第一半導(dǎo)體層包括與η電極接觸的η型接觸層。
[0039]本發(fā)明能夠提供一種第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件及其制造方法，在第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件中在具有不平整形狀的藍(lán)寶石襯底上生長有平坦的半導(dǎo)體層。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0040]由于在結(jié)合附圖考慮時(shí)參照優(yōu)選實(shí)施方案的以下詳細(xì)描述，本發(fā)明的各種其他目的、特征以及許多附帶優(yōu)點(diǎn)變得更好理解，所以將容易領(lǐng)會本發(fā)明的各種其他目的、特征以及許多附帶優(yōu)點(diǎn)，其中:
[0041]圖1為示出將原料氣體噴在不具有不平整形狀的平坦藍(lán)寶石襯底上的情況的簡圖；
[0042]圖2為示出將原料氣體噴在具有不平整形狀的藍(lán)寶石襯底上的情況的簡圖；
[0043]圖3示出根據(jù)實(shí)施方案的半導(dǎo)體發(fā)光器件的示意性結(jié)構(gòu)；
[0044]圖4示出根據(jù)實(shí)施方案的半導(dǎo)體發(fā)光器件的藍(lán)寶石襯底；
[0045]圖5為根據(jù)實(shí)施方案的半導(dǎo)體發(fā)光器件的基底層周圍的示意性橫截面圖；
[0046]圖6為示出用于制造根據(jù)實(shí)施方案的發(fā)光器件的過程的簡圖(部分I)；
[0047]圖7為示出用于制造根據(jù)實(shí)施方案的發(fā)光器件的過程的簡圖(部分2)；
[0048]圖8為示出用于制造根據(jù)實(shí)施方案的發(fā)光器件的過程的簡圖(部分3)；
[0049]圖9為示出用于制造根據(jù)實(shí)施方案的發(fā)光器件的過程的簡圖(部分4)；
[0050]圖10為示出用于制造根據(jù)實(shí)施方案的發(fā)光器件的過程的簡圖(部分5)；
[0051]圖11為示出根據(jù)實(shí)施例的在藍(lán)寶石襯底上的半導(dǎo)體層的生長的顯微照片；
[0052]圖12為示出根據(jù)對比例的在藍(lán)寶石襯底上的半導(dǎo)體層的生長的顯微照片；
[0053]圖13示出根據(jù)變形例的半導(dǎo)體發(fā)光器件的示意性結(jié)構(gòu)(部分I)；
[0054]圖14示出根據(jù)變形例的半導(dǎo)體發(fā)光器件的示意性結(jié)構(gòu)(部分2)。

【具體實(shí)施方式】
[0055]接下來將通過選取制造半導(dǎo)體發(fā)光器件的情況作為實(shí)施例參照附圖描述本發(fā)明的具體實(shí)施方案。然而，本發(fā)明不限于實(shí)施方案。
[0056]不必說，形成下述發(fā)光器件的層和電極的結(jié)構(gòu)僅為示例，并且層和電極的結(jié)構(gòu)可以與下述實(shí)施方案中例示的那些不同。在附圖中示意性示出的各層的厚度不對應(yīng)于其實(shí)際值。
[0057]1.半導(dǎo)體發(fā)光器件
[0058]圖3示出根據(jù)本實(shí)施方案的發(fā)光器件100的示意性結(jié)構(gòu)。發(fā)光器件100為面朝上型半導(dǎo)體發(fā)光器件。發(fā)光器件100包括由第III族氮化物半導(dǎo)體形成的多個(gè)半導(dǎo)體層。如圖3所示，發(fā)光器件100包括藍(lán)寶石襯底110、低溫緩沖層120、基底層130、η型半導(dǎo)體層140、發(fā)光層150、P型半導(dǎo)體層160、透明電極170、η焊盤電極NI以及P焊盤電極Ρ1。
[0059]藍(lán)寶石襯底110為用于通過MOCVD在其主表面上形成半導(dǎo)體層的生長襯底。在藍(lán)寶石襯底110的主表面上形成不平整形狀111。不平整形狀111將稍后描述。
[0060]低溫緩沖層120形成在藍(lán)寶石襯底110的不平整形狀111上。低溫緩沖層120沿著不平整形狀111形成在不平整形狀中。應(yīng)用低溫緩沖層120以在藍(lán)寶石襯底110中高密度地形成結(jié)晶核。低溫緩沖層120由例如AlN或GaN的材料制成。低溫緩沖層120具有
?ο A至woo A的厚度。
[0061]基底層130形成在低溫緩沖層120上?；讓?30為部分地填充藍(lán)寶石襯底110的不平整形狀111的高度的第一半導(dǎo)體層。因此，基底層130覆蓋不平整形狀111的傾斜表面的一部分和底表面?；讓?30未覆蓋不平整形狀111的傾斜表面的剩余部分以及不平整形狀111的頂部。實(shí)際上，在基底層130與藍(lán)寶石襯底110之間存在低溫緩沖層120?；讓?30的η型半導(dǎo)體層140 —側(cè)上的與藍(lán)寶石襯底110相對的表面131a的至少一部分是平坦的?；讓?30為GaN層。
[0062]η型半導(dǎo)體層140形成在基底層130上。η型半導(dǎo)體層140包括依次形成在基底層130上的η型接觸層、η型ESD層和η型超晶格層。η型半導(dǎo)體層140的藍(lán)寶石襯底110側(cè)上的表面具有一定程度的不平整形狀。就是說，η型半導(dǎo)體層140在一定程度上填充基底層130的表面上的不平整形狀。相反，η型半導(dǎo)體層140的與藍(lán)寶石襯底110側(cè)相對的表面，即，在發(fā)光層150側(cè)上的表面是平坦的。η型接觸層與η電極NI接觸。這些僅為示例，并且可以應(yīng)用其他沉積結(jié)構(gòu)。
[0063]發(fā)光層150形成在η型半導(dǎo)體層上。發(fā)光層150通過電子和空穴的復(fù)合來發(fā)射光。發(fā)光層150形成在η型半導(dǎo)體層140上。發(fā)光層包括阱層和勢壘層。
[0064]P型半導(dǎo)體層160形成在發(fā)光層150上。ρ型半導(dǎo)體層160包括依次沉積在發(fā)光層150上的ρ型蓋層和ρ型接觸層。這些僅為示例，并且可以使用其他沉積結(jié)構(gòu)。
[0065]透明電極170形成在ρ型半導(dǎo)體層160上。透明電極170與ρ型半導(dǎo)體層160的P型接觸層歐姆接觸。透明電極170由ITO制成。可以使用除ITO之外的透明導(dǎo)電氧化物例如 ICO、IZO、Zn。、Ti02、NbTi02 和 TaTi02。
[0066]P電極Pl為形成在透明電極170上的ρ焊盤電極。P電極Pl通過在透明電極170上依次形成V膜和Al膜來形成?？商娲?，ρ電極Pl可以通過依次形成Ti膜和Al膜或者Ti膜和Au膜來形成。
[0067]η電極NI為形成在η型半導(dǎo)體層140的η型接觸層上的η焊盤電極。η電極NI與η型接觸層歐姆接觸。η電極NI通過在η型接觸層上依次形成V膜和Al膜來形成?？商娲?，η電極NI可以通過依次形成Ti膜和Al膜或者Ti膜和Au膜來形成。
[0068]2.藍(lán)寶石襯底上的不平整形狀
[0069]圖4示出藍(lán)寶石襯底110的放大的橫截面圖。如圖4所示，藍(lán)寶石襯底110的主表面具有不平整形狀111。藍(lán)寶石襯底I1具有底表面Illa和臺面112。每個(gè)臺面112具有包括頂表面112a和傾斜表面112b的截頂圓錐形狀。臺面112以蜂窩結(jié)構(gòu)布置在藍(lán)寶石襯底110的不平整形狀111的整個(gè)表面之上。
[0070]臺面112的高度h(即底表面Illa與頂表面112a之間的距離)為0.5 μ m至3.0 μ m。傾斜表面112b與底表面Illa之間的角度Θ為40°至60°。相鄰臺面112的中心間的距離(即，間距寬度Wl)為1.(^111至3.(^111。臺面112在底表面Illa的水平面處的寬度W2為2μπι至4μπι。相鄰臺面112在底表面Illa的水平面處的間隔W3為為0.1ym至I μ m。
[0071]形成在藍(lán)寶石襯底110上的低溫緩沖層120覆蓋底表面11 la、頂表面112a以及傾斜表面112b?；讓?30在形成在底表面111a、頂表面112a以及傾斜表面112b上的低溫緩沖層120上生長。因而，在形成在底表面Illa和頂表面112a上的低溫緩沖層120上形成平坦半導(dǎo)體層。相反，在形成在傾斜表面112b上的低溫緩沖層120上傾斜地生長有半導(dǎo)體層。因而，生長在傾斜表面112b上的半導(dǎo)體層是不平坦的。
[0072]因此，優(yōu)選的是，抑制在傾斜表面112b上的半導(dǎo)體層的生長并且促進(jìn)在底表面Illa和頂表面112a上的半導(dǎo)體層的生長。
[0073]3.原料氣體的分壓
[0074]本實(shí)施方案特征在于根據(jù)藍(lán)寶石襯底110的平坦部分的面積比對所供應(yīng)的原料氣體的分壓進(jìn)行調(diào)整?？梢岳缤ㄟ^使用質(zhì)量流量控制器來調(diào)整原料氣體的供應(yīng)量。氣體分壓可以通過氣體的供應(yīng)量容易地計(jì)算。在描述本實(shí)施方案中的原料氣體的分壓之前，描述用于不具有不平整形狀的常規(guī)襯底的原料氣體的分壓。
[0075]3-1.不具有不平整形狀的襯底(常規(guī)的)
[0076]首先，描述使用不具有不平整形狀的襯底的情況。在該情況中，以滿足下列公式的分壓比Y將原料氣體供應(yīng)到MOCVD爐。
[0077]1000 ≤ Y ≤ 1200......(I)
[0078]Y=PR1/PR2
[0079]Y:包含第V族元素的原料氣體與包含第III族元素的原料氣體的分壓比
[0080]PRl:氨氣(包含第V族元素的原料氣體)的分壓
[0081]PR2:三甲基鎵(包含第III族元素的原料氣體)的分壓
[0082]分壓比通過在將氣體供應(yīng)到MOCVD爐的供應(yīng)閥處的氣體供應(yīng)量的測量值來計(jì)算。
[0083]在半導(dǎo)體層形成在不具有不平整形狀的襯底上時(shí)可以使用公式(I)的條件。公式(I)也可以用于具有不平整形狀并且具有大的藍(lán)寶石襯底的底表面和頂表面的總和與藍(lán)寶石襯底的總面積的面積比(R>0.5)的襯底。
[0084]3-2.具有不平整形狀的襯底(本實(shí)施方案)
[0085]在本實(shí)施方案中，以滿足下列公式的分壓比Y將原料氣體供應(yīng)到MOCVD爐。
[0086]1000 ≤ Y/(2 XR) ( 1200......(2)
[0087]Y=PR1/PR2
[0088]0.1 ( R〈0.5
[0089]R=S/K
[0090]Y:包含第V族元素的原料氣體與包含第III族元素的原料氣體的分壓比
[0091]R:藍(lán)寶石襯底的平坦表面與總面積的面積比
[0092]S:藍(lán)寶石襯底的主表面一側(cè)上的平坦表面的面積
[0093]K:藍(lán)寶石襯底的總面積
[0094]PRl:氨氣(包含第V族元素的原料氣體)的分壓
[0095]PR2:三甲基鎵(包含第III族元素的原料氣體)的分壓
[0096]在此,面積K為藍(lán)寶石襯底110的總表面面積,就是說,面積K與不具有不平整形狀的藍(lán)寶石襯底110的主表面面積相同。面積S為藍(lán)寶石襯底110的平坦表面的面積。在此，平坦表面包括藍(lán)寶石襯底110的主表面以及與主表面具有10°或更小的角度的表面。就是說，面積S為主表面、與主表面平行的表面和與主表面輕微傾斜的表面的總面積。因而,如圖4所示，藍(lán)寶石襯底110的平坦表面面積S為底表面Illa的面積和頂表面112a的面積的總和。面積比R為藍(lán)寶石襯底110的底表面Illa和頂表面112a的總面積與藍(lán)寶石襯底110的總面積K的面積比。
[0097]當(dāng)在公式(2)中R為0.5時(shí)，公式(2)與公式(I) 一致。例如，當(dāng)R為0.25時(shí)，公式(2)如下:
[0098]500 ≤ Y ≤ 600
[0099]氨氣與三甲基鎵的分壓比Y為通常條件中的公式(I)的氨氣與三甲基鎵的分壓比Y的約一半，就是說，氨氣的供應(yīng)量相對小。
[0100]4.基底層
[0101]4-1.基底層的平坦度
[0102]在本實(shí)施方案中，當(dāng)在低溫緩沖層120上形成基底層130時(shí)包含第V族元素的原料氣體與包含第III族元素的原料氣體的分壓比Y根據(jù)藍(lán)寶石襯底110的平坦表面(底表面Illa和頂表面112a)與藍(lán)寶石襯底110的總面積的面積比下降。因而,如稍后所述,基底層130可以主要形成在藍(lán)寶石襯底110的底表面Illa上。
[0103]4-2.橫截面形狀
[0104]圖5為根據(jù)實(shí)施方案的半導(dǎo)體發(fā)光器件100的藍(lán)寶石襯底110和基底層130周圍的示意性橫截面圖。這樣的橫截面可以例如通過透射電子顯微鏡(TEM)以及在某些情況下通過掃描電子顯微鏡(SEM)來觀察。
[0105]如圖5所示，基底層130包括平坦表面生長層131和132和傾斜表面生長層133。平坦表面生長層131為生長在低溫緩沖層120的平坦表面121上的半導(dǎo)體層。平坦表面生長層132為生長在低溫緩沖層120的頂表面122上的半導(dǎo)體層。傾斜表面生長層133為生長在低溫緩沖層120的傾斜表面123上的半導(dǎo)體層。生長在平坦表面121上的平坦表面生長層131與生長在頂表面122上的平坦表面生長層132具有相同的晶體取向。因此，當(dāng)在這些半導(dǎo)體層上形成η型半導(dǎo)體層時(shí)，半導(dǎo)體層容易融合為平坦層。當(dāng)不存在頂表面122時(shí)，不必說，在頂表面上沒有生長半導(dǎo)體層。
[0106]如圖5所示，平坦表面生長層131的生長占優(yōu)勢，并且傾斜表面生長層133的厚度被抑制。在本實(shí)施方案中，傾斜表面生長層133的厚度tl十分薄。在此，傾斜表面生長層133的厚度tl為傾斜表面生長層133的最厚部分的厚度。如圖5所示，厚度tl沿垂直于傾斜表面112b的方向測量。傾斜表面生長層133的厚度tl為0.05 μ m至0.5 μ m。
[0107]4-3.在傾斜表面上的半導(dǎo)體層的生長
[0108]在本實(shí)施方案中，平坦表面生長層131的生長占優(yōu)勢，并且傾斜表面生長層133的厚度被抑制。這是因?yàn)樵蠚怏w供應(yīng)滿足上述公式(2)的條件。
[0109]當(dāng)使用公式(I)代替公式(2)時(shí)，如圖2所示，達(dá)到包含N原子(第V族元素)的氨大量供應(yīng)的過飽和狀態(tài)。氨的這樣的過供應(yīng)促進(jìn)了低溫緩沖層120的傾斜表面123上的AlN和藍(lán)寶石的氮化。因而，在傾斜表面123上形成用于使半導(dǎo)體層容易生長的生長核。當(dāng)氨的分壓高時(shí)，就是說，當(dāng)包含第V族元素的原料氣體與包含第III族元素的原料氣體的分壓比Y高時(shí)，促進(jìn)了原料的遷移。因此，在傾斜表面123上容易生長半導(dǎo)體。因此，認(rèn)為通過抑制氨的供應(yīng)量可以抑制在傾斜表面123上的半導(dǎo)體層的生長。
[0110]5.用于制造半導(dǎo)體發(fā)光器件的方法
[0111]將描述用于制造根據(jù)本實(shí)施方案的發(fā)光器件100的方法。上述各半導(dǎo)體層經(jīng)由通過金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)的外延晶體生長形成。用于制造發(fā)光器件100的方法包括以下步驟:形成η型半導(dǎo)體層；在η型半導(dǎo)體層上形成發(fā)光層；和在發(fā)光層上形成ρ型半導(dǎo)體層。
[0112]5-1.藍(lán)寶石襯底制備步驟
[0113]首先，處理藍(lán)寶石襯底的c面以形成不平整形狀111。具體地，形成光刻膠作為掩模。然后，執(zhí)行干法刻蝕以制備在其主表面上具有不平整形狀111的藍(lán)寶石襯底110?？梢再徺I其上已經(jīng)形成有不平整形狀111的藍(lán)寶石襯底110。
[0114]5-2.低溫緩沖層形成步驟
[0115]隨后，將藍(lán)寶石襯底110放入MOCVD爐內(nèi)部。此后，通過MOCVD形成半導(dǎo)體層。在用H2清洗之后，低溫緩沖層120形成在藍(lán)寶石襯底110的不平整形狀111上。因而，如圖6所示，低溫緩沖層120形成在藍(lán)寶石襯底110的底表面11 la、頂表面112a和傾斜表面112b上。低溫緩沖層120足夠薄以不填充藍(lán)寶石襯底110的不平整形狀111。
[0116]在MOCVD中使用的載氣為氫氣(H2)、氮?dú)?N2)、或者氫氣和氮?dú)獾臍怏w混合物(H2+N2)。氨氣(NH3)用作氮源。三甲基鎵(Ga(CH3)3:在下文中稱為“TMG”)用作Ga源。三甲基銦(In(CH3)3:在下文中稱為“TMI”)用作In源。三甲基鋁(Al (CH3)3:在下文中稱為“TMA”)用作Al源。硅烷(SiH4)用作η型摻雜劑氣體。環(huán)戊二烯基鎂(Mg(C5H5)2)用作ρ型摻雜劑氣體。
[0117]5-3.基底層形成步驟(第一半導(dǎo)體層形成步驟)
[0118]隨后，如圖7所示，在低溫緩沖層120上形成基底層130。氣體供應(yīng)為使得包含第V族元素的原料氣體與包含第III族元素的原料氣體的分壓比Y滿足上述公式(2)?；讓有纬刹襟E中的生長溫度比在η型半導(dǎo)體層形成步驟中的生長溫度低20°C至80°C范圍內(nèi)的任何溫度?；讓拥纳L速率為200 A/分鐘至2000 A/分鐘。因而，藍(lán)寶石襯底110
的不平整形狀111被部分地填充，由此形成具有表面131a的基底層130。
[0119]5-4.η型半導(dǎo)體層形成步驟
[0120]接下來，在平坦基底層130上形成η型半導(dǎo)體層140，并且然后形成η型接觸層。在該步驟中的襯底溫度為1000°C至1200°C。Si濃度為I X 11Vcm3或更高。如上所述，η型半導(dǎo)體層140的生長溫度高于基底層130的生長溫度。在該步驟中橫向生長速率較高。因此，由基底層130部分地填充的不平整形狀的剩余部分容易由η型半導(dǎo)體層140填充。這樣，基底層130中部分剩余的不平整形狀被填滿。因此，η型半導(dǎo)體層140的頂表面是平坦的?？梢栽讦切徒佑|層上形成η型ESD層或η側(cè)超晶格層。即使在該步驟之后的半導(dǎo)體層形成步驟中，也使用公式(2)。
[0121]5-5.發(fā)光層形成步驟
[0122]然后，在η型半導(dǎo)體層140上形成發(fā)光層150。襯底溫度調(diào)整到700°C至950°C。
[0123]5-6.ρ型半導(dǎo)體層形成步驟
[0124]然后，在發(fā)光層150上形成ρ型半導(dǎo)體層160。例如，在發(fā)光層150上形成ρ側(cè)超晶格層，并且在P側(cè)超晶格層上形成P型接觸層。在形成P型接觸層時(shí)將襯底溫度調(diào)整到900°C至1050°C。因而，如圖8所示將上述半導(dǎo)體層沉積在藍(lán)寶石襯底110上。如圖9所示，形成凹槽141以形成η電極NI。
[0125]5-7.透明電極形成步驟
[0126]如圖10所示，在P型半導(dǎo)體層160的ρ型接觸層上形成透明電極170。
[0127]5-8.電極形成步驟
[0128]然后，在透明電極170上形成ρ電極Ρ1。通過激光輻射或蝕刻從P型接觸層部分地移除半導(dǎo)體層沉積結(jié)構(gòu)，以由此露出η型接觸層。在η型接觸層的露出區(qū)域上形成η電極NI?？梢砸匀我獯涡驁?zhí)行ρ電極Pl的形成和η電極NI的形成。當(dāng)電極材料相同時(shí)，ρ電極Pl的形成和η電極NI的形成可以同時(shí)執(zhí)行。
[0129]5-9.其他步驟
[0130]除上述步驟之外，可以執(zhí)行用于覆蓋器件的絕緣膜形成、熱處理和其他步驟。通過執(zhí)行這些步驟，完成圖3中所示的發(fā)光器件100的制造。
[0131 ] 從基底層形成步驟到ρ型半導(dǎo)體層形成步驟的過程為在低溫緩沖層120上形成由第III族氮化物半導(dǎo)體制成的半導(dǎo)體層的半導(dǎo)體層形成步驟。
[0132]6.實(shí)驗(yàn)
[0133]6-1.實(shí)驗(yàn)條件
[0134]在實(shí)驗(yàn)中，使用以下藍(lán)寶石襯底:
[0135]間距寬度(Wl)4.0 μ m
[0136]頂表面(I12a)寬度 0.0 μ m
[0137]深度(h)2.1ym
[0138]角度(Θ)48°
[0139]臺面的寬度(W2)3.9μπι
[0140]間隔(W3)0.1ym
[0141]臺面的布置 蜂窩結(jié)構(gòu)
[0142]臺面形狀截頂圓錐
[0143]藍(lán)寶石襯底的平坦表面與總面積的面積比(R)為14%。
[0144]低溫緩沖層的材料為AlN0厚度為100 Α.分壓Y在實(shí)施例中為400并且在對比例中為1200。
[0145]6-2.實(shí)施例
[0146]圖11為示出根據(jù)本實(shí)施方案的實(shí)施例的顯微照片。
[0147]在圖11中，抑制了在臺面或凹部的側(cè)表面(B卩，形成在傾斜表面112b上的低溫緩沖層120)上的半導(dǎo)體層的生長。促進(jìn)了在形成在底表面Illa上的低溫緩沖層120上的半導(dǎo)體層的生長。換言之，在平坦表面上的半導(dǎo)體層生長占優(yōu)勢，并且抑制了在臺面或凹部的側(cè)表面上的半導(dǎo)體層的生長。
[0148]如上所述，例如在通過透射電子顯微鏡(TEM)所拍攝的橫截面照片中可以觀察到生長在底表面Illa上的半導(dǎo)體層與生長在傾斜表面112b上的半導(dǎo)體層之間的界面。
[0149]因而，在形成在傾斜表面112b上的低溫緩沖層120上未太多地生長半導(dǎo)體層。這意味著通過降低包含第V族元素的原料氣體的供應(yīng)量可以抑制在傾斜表面112b上半導(dǎo)體層的生長。
[0150]6-3.對比例
[0151]圖12為示出對比例的顯微照片。在圖12中，半導(dǎo)體層在臺面112的傾斜表面112b(即，形成在傾斜表面112b上的低溫緩沖層120)上生長良好。因?yàn)樵谂_面112的側(cè)表面上的半導(dǎo)體層的生長占優(yōu)勢，所以生長在臺面112的側(cè)表面上的半導(dǎo)體層(即，基底層130之上的層)(即，在與藍(lán)寶石襯底110相對的一側(cè)上的半導(dǎo)體層)難于具有平坦表面。沒有實(shí)現(xiàn)平坦基底層130，并且難以在基底層上形成在結(jié)晶度上優(yōu)異的半導(dǎo)體層。
[0152]7.修改
[0153]7-1.基底層
[0154]7-1-1.基底層的材料
[0155]基底層130可以由η型GaN代替GaN來形成?？商娲兀淇梢杂葾lGaN或InGaN代替GaN形成。其可以由AlxInYGa(1_x_Y)N (O ( X，0 ( Y，X+Y〈l)形成。然而，在該情況下，Al組成比為0.2或更小，并且In組成比為0.2或更小。
[0156]7-1-2.用于基底層的原料氣體
[0157]三甲基銦或三甲基鋁供應(yīng)為原料氣體。在公式(I)或(2)中的包含第III族元素的原料氣體的分壓為這些TMI氣體、TMA氣體和TMG氣體的總分壓。
[0158]7-2.在半導(dǎo)體層形成步驟中的原料氣體的分壓
[0159]公式(I)的條件可以用作在η型半導(dǎo)體層140、發(fā)光層150和ρ型半導(dǎo)體層160的形成步驟中的原料氣體的分壓。在形成基底層130之后，在傾斜表面上幾乎沒有生長半導(dǎo)體層。
[0160]7-3.倒裝芯片型
[0161]本實(shí)施方案應(yīng)用于面朝上型半導(dǎo)體發(fā)光器件。不必說，其可以應(yīng)用于其他類型的半導(dǎo)體發(fā)光器件，例如，如圖13所示的在襯底上具有光提取表面的倒裝芯片型半導(dǎo)體發(fā)光器件200。因此，光提取表面201在藍(lán)寶石襯底210上。其它結(jié)構(gòu)與圖3中相同。
[0162]7-4.臺面形狀
[0163]在本實(shí)施方案中，臺面112具有截頂圓錐形狀。其可以具有圓椎形狀、六棱錐形狀或截頂六棱錐形狀。不必說，其可以具有其他錐體形狀或其他截頂錐體形狀。即使在該情況下，傾斜最大的表面與底表面之間的角度為40°至60°。
[0164]7-5.臺面的布置
[0165]連接臺面112的頂部的線優(yōu)選地為沿基底層130的a軸方向。臺面合適地生長在底表面Illa上。
[0166]7-6.填充層
[0167]如圖14所示，在半導(dǎo)體發(fā)光器件300中，形成在低溫緩沖層120上的基底層可以填充不平整形狀111的整個(gè)高度。在該情況下，填充層330形成在低溫緩沖層120上。填充層330可以為η型GaN層。在該情況下，填充層330為第一 η型半導(dǎo)體層，并且η型半導(dǎo)體層340為第二 η型半導(dǎo)體層。這樣，基底層130和填充層330為至少部分地填充導(dǎo)藍(lán)寶石襯底110的不平整形狀111的高度的第一半導(dǎo)體層。填充層330為對抑制在傾斜表面123上的半導(dǎo)體層的生長發(fā)揮作用的層。其他結(jié)構(gòu)與圖3中相同。
[0168]7-7.襯底中平坦表面的面積比
[0169]在公式(2)中，面積比R為10%以上至小于50%。如圖2所示，面積比R越小，供應(yīng)氣體越容易在區(qū)Rl中積累。因此，面積比R越小，本實(shí)施方案的效果越好。通過改變所供應(yīng)的氣體的分壓比而產(chǎn)生的效果較大，就是說，當(dāng)面積比R滿足下列公式時(shí)，得到更好的效果O
[0170]0.1 ^ R ^ 0.3
[0171]R:藍(lán)寶石襯底的平坦表面與總面積的面積比
[0172]這為面積比為10%至30%的情況。
[0173]7-8.凹部的形成
[0174]在本實(shí)施方案中，使用其中臺面112以蜂窩結(jié)構(gòu)布置在不平整形狀111中的藍(lán)寶石襯底110。然而，可以使用具有以蜂窩結(jié)構(gòu)布置在不平整形狀中的凹部的藍(lán)寶石襯底。
[0175]7-9.藍(lán)寶石襯底
[0176]在本實(shí)施方案中，不平整形狀形成在具有c面主表面的藍(lán)寶石襯底上。然而，可以使用除具有c面主表面的藍(lán)寶石襯底之外的藍(lán)寶石襯底，例如，具有a面主表面的藍(lán)寶石襯
。
[0177]8.本實(shí)施方案的總結(jié)
[0178]如在上文中所述，在本實(shí)施方案的發(fā)光器件100中，對供應(yīng)到藍(lán)寶石襯底110的不平整形狀111的氨和三甲基鎵的分壓進(jìn)行調(diào)整。就是說，當(dāng)藍(lán)寶石襯底110的底表面或與底表面平行的表面的面積十分小時(shí)降低向不平整形狀111的氨的供應(yīng)量。這抑制了在藍(lán)寶石襯底110的傾斜表面上的半導(dǎo)體層的生長，填充了藍(lán)寶石襯底110的不平整形狀111，由此形成平坦的基底層。因而，實(shí)現(xiàn)了具有優(yōu)異晶體質(zhì)量以及高光提取效率的發(fā)光器件100。
[0179]因?yàn)樯鲜鰧?shí)施方案僅為示例，所以應(yīng)理解，在未脫離本發(fā)明的范圍的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以進(jìn)行各種變化和修改。沉積的體的沉積結(jié)構(gòu)不一定限于所示出的那些?？梢源_定沉積結(jié)構(gòu)等。層形成方法不限于金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(M0CVD)?？梢允褂萌魏纹渌椒?，例如，氫化物氣相外延，只要半導(dǎo)體晶體生長通過使用載氣執(zhí)行即可。
【權(quán)利要求】
1.一種用于制造第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的方法，所述方法包括: 制備在主表面上具有不平整的形狀的藍(lán)寶石襯底； 在所述藍(lán)寶石襯底的所述不平整的形狀上形成低溫緩沖層；和 在所述低溫緩沖層上生長包含第III族氮化物半導(dǎo)體的半導(dǎo)體層， 其中生長所述半導(dǎo)體層包括通過供應(yīng)至少兩種類型的氣體:包含第III族元素的原料氣體和包含第V族元素的原料氣體，以滿足下列公式從而在所述低溫緩沖層上形成第一半導(dǎo)體層:
1000 ≤ Y/(2 XR) ( 1200
R=S/K
0.1 ( R〈0.5 Y:所述包含第V族元素的原料氣體與所述包含第III族元素的原料氣體的分壓比 R:所述藍(lán)寶石襯底的平坦表面與所述藍(lán)寶石襯底的總面積的面積比 S:所述藍(lán)寶石襯底的主表面一側(cè)上的所述平坦表面的面積 K:所述藍(lán)寶石襯底的總面積。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于制造第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的方法，其中，在形成所述第一半導(dǎo)體層時(shí)，形成至少部分地填充所述藍(lán)寶石襯底的所述不平整的形狀的高度的填充層作為所述第一半導(dǎo)體層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于制造第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的方法，其中，所述第一半導(dǎo)體層部分地覆蓋所述藍(lán)寶石襯底的所述不平整的形狀的高度，并且未覆蓋所述不平整的形狀的高度中的剩余部分。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于制造第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的方法，其中所述第一半導(dǎo)體層覆蓋所述藍(lán)寶石襯底的所述不平整的形狀的整個(gè)高度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于制造第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的方法，其中所述生長所述半導(dǎo)體層包括: 在所述第一半導(dǎo)體層上形成η型半導(dǎo)體層； 在所述η型半導(dǎo)體層上形成發(fā)光層；以及 在所述發(fā)光層上形成P型半導(dǎo)體層。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于制造第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的方法，其中所述第一半導(dǎo)體層的生長溫度比除所述第一半導(dǎo)體層之外的所述η型半導(dǎo)體層的生長溫度低20°C至80°C范圍內(nèi)的任意溫度。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的用于制造第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的方法，其中除所述第一半導(dǎo)體層之外的所述η型半導(dǎo)體層的生長溫度為1000°C至1200°C。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的用于制造第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的方法，其中所述藍(lán)寶石襯底的所述不平整的形狀具有0.5 μ m至3.0 μ m的高度。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的用于制造第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的方法，其中所述藍(lán)寶石襯底的所述不平整的形狀的底表面與所述不平整的形狀的傾斜最大的表面之間的角度為40°至60°。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的用于制造第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的方法，其中，在所述第一半導(dǎo)體層的形成中，所述第一半導(dǎo)體層的生長速率為200 A /分鐘至2000 A /分鐘。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的用于制造第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的方法，其中，所述藍(lán)寶石襯底的所述不平整的形狀具有多個(gè)臺面，所述臺面以蜂窩結(jié)構(gòu)布置在所述不平整的形狀的整個(gè)表面之上。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的用于制造第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的方法，其中所述臺面具有選自截頂圓錐形、截頂六棱椎形、圓椎形以及六棱椎形中的至少一種形狀。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的用于制造第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的方法，其中連接相鄰臺面的線為沿a軸方向。
14.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的用于制造第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的方法，其中所述藍(lán)寶 石襯底具有c面主表面。
15.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的用于制造第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的方法，其中使用氨作為所述包含第III族元素的原料氣體并且使用至少三甲基鎵作為所述包含第V族元素的原料氣體。
16.—種第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，包括: 在主表面上設(shè)置有不平整的形狀的藍(lán)寶石襯底，所述不平整的表面具有至少一個(gè)傾斜表面； 在所述藍(lán)寶石襯底上沿著所述不平整的形狀形成的低溫緩沖層； 形成在所述低溫緩沖層上并且至少部分地填充所述不平整的形狀的高度的第一半導(dǎo)體層； 形成在所述第一半導(dǎo)體層上的η型半導(dǎo)體層； 形成在所述η型半導(dǎo)體層上的發(fā)光層；以及 形成在所述發(fā)光層上的P型半導(dǎo)體層， 其中所述主表面一側(cè)上的平坦表面面積S與所述藍(lán)寶石襯底的總面積K的面積比R為10%以上至小于50%。 所述第一半導(dǎo)體層具有生長在所述不平整的形狀的所述傾斜表面上的傾斜表面生長層；并且 所述傾斜表面生長層具有0.05 μ m至0.5 μ m的厚度。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中，形成與所述η型半導(dǎo)體層接觸的η電極，并且所述η型半導(dǎo)體層包括與所述η電極接觸的η型接觸層。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中，形成與所述η型半導(dǎo)體層接觸的η電極，并且所述第一半導(dǎo)體層包括與所述η電極接觸的η型接觸層。
【文檔編號】H01L33/00GK104051590SQ201410085710
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年3月10日 優(yōu)先權(quán)日:2013年3月12日
【發(fā)明者】奧野浩司, 佐村洋平 申請人:豐田合成株式會社