專利名稱：傾斜基底上的高質(zhì)量非極性/半極性半導(dǎo)體器件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體光學(xué)器件及其制造方法，更具體地說，涉及一種高質(zhì)量非極性/半極性半導(dǎo)體器件及其制造方法。在所述高質(zhì)量非極性/半極性半導(dǎo)體器件中，非極性/半極性氮化物半導(dǎo)體晶體形成在能夠生長非極性/半極性氮化物半導(dǎo)體層的藍(lán)寶石晶面上，從而在氮化物半導(dǎo)體層中不會發(fā)生在極性氮化物半導(dǎo)體層中產(chǎn)生的壓電效應(yīng)。另夕卜，模板層形成在沿預(yù)定方向傾斜的藍(lán)寶石晶面的相應(yīng)的軸外(off-axis)，以減小半導(dǎo)體器件的缺陷密度，并提高其內(nèi)部量子效率和光提取效率。
背景技術(shù)：
因?yàn)橹T如GaN的III-V族氮化物半導(dǎo)體(還簡稱為“氮化物半導(dǎo)體”)具有優(yōu)異的物理和化學(xué)性能，所以近來已經(jīng)將它們視為用于諸如發(fā)光二極管(LED)、激光二極管(LD) 和太陽能電池的半導(dǎo)體光學(xué)器件的必要材料。通常，III-V族氮化物半導(dǎo)體由經(jīng)驗(yàn)式為 InxAlyGa1^yN(0彡χ彡1，0彡y彡1，0彡x+y彡1)的半導(dǎo)體材料組成。這樣的氮化物半導(dǎo)體光學(xué)器件應(yīng)用為用于諸如移動(dòng)電話鍵區(qū)、電子顯示板和照明器件的各種產(chǎn)品的光源。具體地說，隨著使用LED或LD的數(shù)字產(chǎn)品已經(jīng)發(fā)展起來，對具有更高亮度和更高可靠性的氮化物半導(dǎo)體光學(xué)器件的需求日益增加。例如，隨著移動(dòng)電話趨于更加纖薄，作為移動(dòng)電話的背光的側(cè)發(fā)光LED需要更亮和更薄。然而，如果使用C面(例如，(0001)面)作為藍(lán)寶石晶面在藍(lán)寶石基底上生長諸如極性GaN的氮化物半導(dǎo)體，則內(nèi)部量子效率會由于極化場的形成所引起的壓電效應(yīng)而降低。因此，需要在藍(lán)寶石基底上形成非極性/半極性氮化物半導(dǎo)體。然而，適合于使用非極性/半極性GaN等形成模板層的藍(lán)寶石和形成在藍(lán)寶石上的非極性/半極性氮化物半導(dǎo)體模板層之間的晶格失配以及組成元件之間的熱膨脹系數(shù)的差異會引起諸如線缺陷和面缺陷的晶體缺陷。這樣的晶體缺陷對光學(xué)器件的可靠性(例如，抗靜電放電性(ESD))具有不利影響，并且還是光學(xué)器件內(nèi)的電流泄漏的原因。因此，會降低光學(xué)器件的量子效率， 從而導(dǎo)致光學(xué)器件的性能劣化。已經(jīng)做了各種努力來減少氮化物半導(dǎo)體層的晶體缺陷。這些努力之一是使用選擇性外延生長。然而，這些努力需要高成本和復(fù)雜的工藝，例如SiO2掩模沉積。另外，可以通過在藍(lán)寶石基底上形成低溫緩沖層然后在低溫緩沖層上形成GaN來減少晶體缺陷。然而， 這對于解決光學(xué)器件的晶體缺陷問題是不夠的。因此，需要解決由于晶體缺陷而使光學(xué)器件的亮度和可靠性劣化的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一方面涉及一種高質(zhì)量非極性/半極性半導(dǎo)體器件及其制造方法。在所述高質(zhì)量非極性/半極性半導(dǎo)體器件中，氮化物半導(dǎo)體晶體形成在能夠生長非極性/半極性氮化物半導(dǎo)體層的藍(lán)寶石晶面上，從而消除在極性GaN氮化物半導(dǎo)體中產(chǎn)生的壓電效
3應(yīng)。另外，模板層形成在沿預(yù)定方向傾斜的藍(lán)寶石晶面的相應(yīng)的軸外。因此，可以改進(jìn)表面輪廓，并可以減少模板層的缺陷，從而提高了晶體質(zhì)量。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，提供了一種用于制造半導(dǎo)體器件的方法，在所述半導(dǎo)體器件中，模板層和半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)形成在具有用于生長非極性或半極性氮化物半導(dǎo)體層的晶面的藍(lán)寶石基底上，所述方法包括準(zhǔn)備所述藍(lán)寶石基底，所述藍(lán)寶石基底的所述晶面沿預(yù)定方向傾斜；以及在傾斜的所述藍(lán)寶石基底上形成包括氮化物半導(dǎo)體層和GaN層的模板層。一種半導(dǎo)體器件可以通過所述制造方法制造。所述藍(lán)寶石基底的所述晶面可以包括A面、M面和R面。所述藍(lán)寶石基底的所述晶面可以為A面、M面或R面，并可以沿A方向、M方向、R 方向或C方向傾斜。所述藍(lán)寶石基底的所述晶面可以相對于水平面在0度至10度的范圍內(nèi)傾斜。所述氮化物半導(dǎo)體層可以包括h/lyGiinN層(0彡χ彡1，0彡y彡1， 0 彡 x+y 彡 1)。所述半導(dǎo)體器件可以包括發(fā)光二極管(LED)，所述發(fā)光二極管具有位于η型氮化物半導(dǎo)體層和P型氮化物半導(dǎo)體層之間的活性層。另外，所述半導(dǎo)體器件可以包括光學(xué)器件或者可以包括電子器件，所述光學(xué)器件包括發(fā)光二極管、激光二極管、光檢測器或太陽能電池，所述電子器件包括晶體管。根據(jù)上面闡述的半導(dǎo)體器件及其制造方法，模板層形成在能夠生長非極性/半極性氮化物半導(dǎo)體層并沿預(yù)定方向傾斜的藍(lán)寶石晶面的相應(yīng)的軸外，并且氮化物半導(dǎo)體光學(xué)器件形成在模板層上。因此，氮化物半導(dǎo)體層可以具有低的晶體缺陷密度，從而提高了半導(dǎo)體器件的可靠性和性能(例如，亮度)。


圖1示出了用于說明藍(lán)寶石基底的晶面的藍(lán)寶石晶體結(jié)構(gòu)。圖2示出了用于說明半極性氮化物半導(dǎo)體層的半極性GaN晶體結(jié)構(gòu)。圖3示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的藍(lán)寶石基底的傾斜方向。圖4是用于說明根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的半導(dǎo)體光學(xué)器件的結(jié)構(gòu)的剖視圖。圖5是用于比較現(xiàn)有技術(shù)的半導(dǎo)體光學(xué)器件結(jié)構(gòu)和本發(fā)明的半導(dǎo)體光學(xué)器件結(jié)構(gòu)之間的未摻雜的GaN層的表面的晶體狀態(tài)的光學(xué)顯微鏡(OM)圖像照片。圖6是用于說明現(xiàn)有技術(shù)的結(jié)構(gòu)中的未摻雜的GaN層的X射線衍射(XRD)峰的圖。圖7是用于說明本發(fā)明的結(jié)構(gòu)中的未摻雜的GaN層的XRD峰的圖。圖8是用于比較現(xiàn)有技術(shù)的半導(dǎo)體光學(xué)器件結(jié)構(gòu)和本發(fā)明的半導(dǎo)體光學(xué)器件結(jié)構(gòu)之間的光致發(fā)光(PL)強(qiáng)度的曲線圖。
具體實(shí)施例方式下面將參照附圖詳細(xì)地描述本發(fā)明的示例性實(shí)施例。提供這些實(shí)施例使本公開將是徹底的且完整的，并將把本發(fā)明的范圍充分地傳達(dá)給本領(lǐng)域的技術(shù)人員。然而，本發(fā)明可以以許多不同的形式來實(shí)施，而不應(yīng)該被理解為局限于在此提出的實(shí)施例。在整個(gè)附圖和
4說明書中，將使用相同的標(biāo)號來指示相同的元件。圖1示出了用于說明藍(lán)寶石基底的晶面的藍(lán)寶石晶體結(jié)構(gòu)。通常，如果使用C面(例如(0001)面)作為藍(lán)寶石晶面在藍(lán)寶石基底上生長諸如極性GaN的氮化物半導(dǎo)體，如圖1所示，則由極化場的形成引起的壓電效應(yīng)會降低內(nèi)部量子效率。在本發(fā)明的實(shí)施例中，在藍(lán)寶石基底上形成諸如LED、LD或太陽能電池的氮化物半導(dǎo)體光學(xué)器件結(jié)構(gòu)，并使用圖1中的A面(例如，(11-20)面)、M面(例如，(10-10)面) 或R面(例如，(1-102)面)作為藍(lán)寶石基底的晶面，從而可以在該晶面上生長非極性或半極性氮化物半導(dǎo)體層。如果需要，則可以使用C面作為藍(lán)寶石基底的晶面，并可以在該晶面上形成非極性或半極性氮化物半導(dǎo)體層。具體地說，在本發(fā)明的實(shí)施例中使用的基底是藍(lán)寶石(Al2O3)基底，其中，該藍(lán)寶石基底的晶面沿預(yù)定方向傾斜，如圖3所示。例如，在藍(lán)寶石基底的晶面為R面的情況下，可以將藍(lán)寶石基底制造為使藍(lán)寶石基底的晶體生長成沿A方向、M方向或C方向傾斜。同樣， 在藍(lán)寶石基底的晶面為A面的情況下，傾斜方向可以是R方向、M方向或C方向。在藍(lán)寶石基底的晶面為M面的情況下，傾斜方向可以是R方向、A方向或C方向。另外，如果需要，則在藍(lán)寶石基底的晶面為C面的情況下，傾斜方向可以是A方向、M方向或R方向。藍(lán)寶石基底可以相對于水平面以范圍為0度至10度的傾斜角θ傾斜。因此，在選擇M面作為藍(lán)寶石基底的晶面并且藍(lán)寶石基底如上傾斜的情況下，沿與(11-2 面垂直的方向生長的半極性氮化物半導(dǎo)體層可以形成在相應(yīng)晶面的軸外，如圖2所示。在選擇A面作為藍(lán)寶石基底的晶面的情況下，沿預(yù)定方向生長的半極性氮化物半導(dǎo)體層可以形成在相應(yīng)晶面的軸外。在選擇R面作為藍(lán)寶石基底的晶面的情況下，沿與 (11-20)面垂直的方向生長的非極性氮化物半導(dǎo)體層可以形成在相應(yīng)晶面的軸外。如上所述，可以選擇C面作為藍(lán)寶石基底的晶面，并且可以在該晶面上生長預(yù)定的非極性或半極性氮化物半導(dǎo)體層。將針對半導(dǎo)體光學(xué)器件及其制造方法給出下面的描述。為了形成非極性或半極性氮化物半導(dǎo)體層，半導(dǎo)體光學(xué)器件采用使用A面、M面或R面作為晶面并沿預(yù)定方向傾斜的藍(lán)寶石基底，如圖3所示。半導(dǎo)體光學(xué)器件是指諸如LED、LD、光檢測器或太陽能電池的氮化物半導(dǎo)體光學(xué)器件。盡管將LED描述為半導(dǎo)體光學(xué)器件的示例，但本發(fā)明不限于此。本發(fā)明還可以通過在使用A面、M面、R面或C面作為晶面并沿預(yù)定方向傾斜的藍(lán)寶石基底上形成非極性或半極性氮化物半導(dǎo)體層而類似地應(yīng)用于用于制造諸如LD、光檢測器或太陽能電池的其它氮化物半導(dǎo)體光學(xué)器件的方法。此外，根據(jù)本發(fā)明的用于制造半導(dǎo)體光學(xué)器件的方法還可以類似地應(yīng)用于用于制造諸如普通二極管或晶體管的半導(dǎo)體電子器件的方法。圖4是用于說明根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的半導(dǎo)體光學(xué)器件100的結(jié)構(gòu)的剖視圖。參照圖4，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的半導(dǎo)體光學(xué)器件100包括藍(lán)寶石基底110、模板層 120和LED層130。在藍(lán)寶石基底110中，能夠生長非極性或半極性氮化物半導(dǎo)體層的晶面 (例如，A面、M面、R面或C面)在0度至10度的范圍內(nèi)傾斜。模板層120和LED層130形成在藍(lán)寶石基底110上。準(zhǔn)備藍(lán)寶石基底110，藍(lán)寶石基底110的晶面(A面、M面或R面)在0度至10度的范圍內(nèi)傾斜?？梢酝ㄟ^諸如金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)的真空沉積工藝在藍(lán)寶石基底110上生長由非極性或半極性氮化物半導(dǎo)體層形成的模板層120。可以在模板層120上生長LED層130。模板層120包括氮化物半導(dǎo)體層和未摻雜的GaN層。例如，具有經(jīng)驗(yàn)式 InxAlyGa1^yN(0彡χ彡1，0彡y彡1，0彡x+y彡1)的低溫氮化物半導(dǎo)體層可以在400°C至 700°C的溫度范圍內(nèi)的特定溫度下形成為丨OA至20，000A的厚度，并且高溫未摻雜的GaN層可以形成在低溫氮化物半導(dǎo)體層上。高溫未摻雜的GaN層可以在高溫下(例如，在800°C至 1，100°c的溫度范圍內(nèi)的特定溫度下)生長，并可以形成為IOA至20,OOOA的厚度。此外，為了在GaN層的表面上進(jìn)一步減少諸如面缺陷和線缺陷的晶體缺陷，可以在構(gòu)成模板層120 的低溫氮化物半導(dǎo)體層和高溫未摻雜的GaN層之間進(jìn)一步形成高溫氮化物半導(dǎo)體層。高溫氮化物半導(dǎo)體層可以具有經(jīng)驗(yàn)式化/明 ！力⑴彡χ彡1，0彡y彡1，0彡x+y彡1)，并可以在700°C至1，100°C的溫度范圍內(nèi)的特定溫度下形成為IOA至20,000A的厚度。因此，如圖5的標(biāo)號510所指示的，當(dāng)使用C面作為晶面在藍(lán)寶石基底上形成極性 GaN層時(shí)，在極性GaN層的表面上存在晶體缺陷，因此，表面粗糙度大。相比之下，如圖5的標(biāo)號520所指示的，可以看出，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的未摻雜的GaN層的表面的晶體狀態(tài)是優(yōu)異的，這是因?yàn)闇p少了諸如面缺陷和線缺陷的許多晶體缺陷，并降低了表面粗糙度。這樣，晶體缺陷的減少使得晶體應(yīng)變減小。從圖6和圖7還可以證實(shí)具有減少的晶體缺陷的均勻的非極性或半極性氮化物半導(dǎo)體層。圖6示出了相對于使用C面作為晶面形成在藍(lán)寶石基底上的極性GaN層的表面的XRD強(qiáng)度，從圖6可以看出，半峰全寬(FWHM)值沿與M方向垂直的方向(軸上的U-GaN 90° )為大約2，268弧秒，并且沿與M方向平行的方向(軸上的U-GaN 0° )為大約1，302 弧秒。另一方面，圖7示出了相對于根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的未摻雜的GaN層的表面的XRD 強(qiáng)度，從圖7可以看出，F(xiàn)WHM值沿與M方向垂直的方向(軸外的U-GaN 90° )為大約1，173 弧秒，并且沿與M方向平行的方向(軸外的U-GaMT )為大約1，155弧秒。當(dāng)R面用作藍(lán)寶石晶面并沿M方向傾斜大約0.2°時(shí)，獲得圖7的結(jié)果。如上所述，在本發(fā)明的結(jié)構(gòu)中獲得的FWHM值遠(yuǎn)小于在現(xiàn)有技術(shù)的結(jié)構(gòu)中獲得的 FWHM值。這表示本發(fā)明的結(jié)構(gòu)中的結(jié)晶度高于現(xiàn)有技術(shù)的結(jié)構(gòu)中的結(jié)晶度。在形成顯著地減少了晶體缺陷并提高了結(jié)晶度的模板層120且隨后在模板層120 上形成諸如LED、LD、光檢測器或太陽能電池的半導(dǎo)體光學(xué)器件結(jié)構(gòu)的情況下，可以抑制包括在現(xiàn)有技術(shù)的結(jié)構(gòu)中的極性氮化物半導(dǎo)體層中發(fā)生的壓電效應(yīng)。此外，可以提高光學(xué)器件的電子空穴復(fù)合速率，從而提高了其量子效率。因此，可以提高光學(xué)器件的亮度。例如，在LED層130形成在模板層120上的情況下，LED層130可以具有這樣的結(jié)構(gòu)，即，活性層132和133設(shè)置在η型氮化物半導(dǎo)體層131和ρ型氮化物半導(dǎo)體層134之間， 如圖4所示。可以通過使摻雜有雜質(zhì)(例如，Si)的GaN層生長到大約2微米的厚度來形成η型氮化物半導(dǎo)體層131?；钚詫?32和133可以包括多量子阱(MQW)層132和電子阻擋層(EBL) 133。具體地說，通過將GaN勢壘層(大約7. 5納米)和^iai5Giia85N阱層(大約2. 5納米)交替地層疊若干次(例如，5次)來形成MQW層132。使用Alai2Giia88N層(大約20納米)來形成電子阻擋層133。MQff層132的InGaN阱層和GaN勢壘層可以以大約1 X IO1Vcm3的Si摻雜濃度摻雜，電子阻擋層133可以以大約5X 1019/cm3的Mg摻雜濃度摻雜。雖然已經(jīng)將Lai5Giia85N 阱層作為InGaN阱層的示例進(jìn)行了描述，但是本發(fā)明不限于此。與InxGai_xN(0 < χ < 1) — 樣，的比可以改變。另外，雖然已經(jīng)將Alai2Giia88N層作為電子阻擋層133的示例進(jìn)行了描述，但是本發(fā)明不限于此。與AlxGai_xN(0<x< 1) —樣，Al和( 的比可以改變。 此外，MQW層132的InGaN阱層和GaN勢壘層可以摻雜有0、S、C、Ge、Zn、Cd和Mg中的至少一種以及Si?？梢酝ㄟ^使以大約5X 1019/cm3的Mg摻雜濃度摻雜的GaN層生長到大約100納米的厚度來形成P型氮化物半導(dǎo)體層134。用于施加電壓的電極141和142可以分別形成在η型氮化物半導(dǎo)體層131和ρ型氮化物半導(dǎo)體層134上。完成的LED可以安裝在預(yù)定的封裝基底上，并用作相應(yīng)的光學(xué)器件。從圖8可以看出，在使用C面作為晶面在藍(lán)寶石基底上形成極性GaN層之后形成 LED的情況(軸上的U-GaN)下，PL強(qiáng)度為低。相反，如在本發(fā)明的實(shí)施例中，在R面用作藍(lán)寶石晶面并沿M方向傾斜大約0.2°的情況(軸外的U-GaN)下，證實(shí)了相應(yīng)的可見光波長處的PL強(qiáng)度為高。如上所述，在模板層120上不僅可以形成LED層130，而且可以形成其它半導(dǎo)體電子器件或其它半導(dǎo)體光學(xué)器件結(jié)構(gòu)，例如LD、光檢測器或太陽能電池，如圖4所示。可以在活性層132和133等處抑制壓電效應(yīng)。因此，可以提高電子空穴復(fù)合速率和量子效率，從而有助于器件的性能(例如，亮度)提高。盡管已經(jīng)參照具體的實(shí)施例描述了本發(fā)明的實(shí)施例，但是對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說將明顯的是，在不脫離在權(quán)利要求中限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以做出各種改變和修改。
權(quán)利要求
1.一種用于制造半導(dǎo)體器件的方法，在所述半導(dǎo)體器件中，模板層和半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)形成在具有用于生長非極性或半極性氮化物半導(dǎo)體層的晶面的藍(lán)寶石基底上，所述方法包括準(zhǔn)備所述藍(lán)寶石基底，所述藍(lán)寶石基底的所述晶面沿預(yù)定方向傾斜；以及在傾斜的所述藍(lán)寶石基底上形成包括氮化物半導(dǎo)體層和GaN層的模板層。
2.一種半導(dǎo)體器件，所述半導(dǎo)體器件由根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造方法制造。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述藍(lán)寶石基底的所述晶面包括A面、M 面或R面。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述藍(lán)寶石基底的所述晶面為A面、M面或R面，并沿A方向、M方向、R方向或C方向傾斜。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述藍(lán)寶石基底的所述晶面相對于水平面在0度至10度的范圍內(nèi)傾斜。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述氮化物半導(dǎo)體層包括hxAlyGai_x_yN 層，其中，0彡χ彡1，0彡y彡1，0彡x+y彡1。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述半導(dǎo)體器件包括發(fā)光二極管，所述發(fā)光二極管包括位于η型氮化物半導(dǎo)體層和ρ型氮化物半導(dǎo)體層之間的活性層。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述半導(dǎo)體器件包括光學(xué)器件或者包括電子器件，所述光學(xué)器件包括發(fā)光二極管、激光二極管、光檢測器或太陽能電池，所述電子器件包括晶體管。
全文摘要
提供了一種高質(zhì)量非極性/半極性半導(dǎo)體器件及其制造方法。通過在能夠生長非極性/半極性氮化物半導(dǎo)體層的藍(lán)寶石晶面上形成氮化物半導(dǎo)體晶體來消除在極性氮化物半導(dǎo)體的活性層中產(chǎn)生的壓電效應(yīng)。模板層形成在沿預(yù)定方向傾斜的藍(lán)寶石晶面的相應(yīng)的軸外，從而降低了半導(dǎo)體器件的缺陷密度，并提高了其內(nèi)部量子效率和光提取效率。在制造所述半導(dǎo)體器件的方法中，在具有用于生長非極性或半極性氮化物半導(dǎo)體層的晶面的藍(lán)寶石基底上形成模板層和半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)。所述藍(lán)寶石基底的所述晶面沿預(yù)定方向傾斜，并且模板層包括位于傾斜的藍(lán)寶石基底上的氮化物半導(dǎo)體層和GaN層。
文檔編號H01L33/02GK102549778SQ201080038305
公開日2012年7月4日 申請日期2010年8月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月27日
發(fā)明者南玉鉉, 張鐘珍 申請人:韓國產(chǎn)業(yè)技術(shù)大學(xué)校產(chǎn)學(xué)協(xié)力團(tuán), 首爾Opto儀器股份有限公司