專利名稱：氮化物半導體薄膜及其生長方法
技術領域：
本發明涉及氮化物半導體薄膜及其生長方法。更具體地，本發明涉及氮化物半導體薄膜及其生長方法，其中通過部分蝕刻基底而在基底上形成多個凹槽，并在該凹槽內形成用于防止氮化物半導體縱向生長的腳部(leg portion)，從而側向生長氮化物半導體薄膜，以覆蓋腳部的頂部，因此確保高質量的氮化物半導體薄膜的生長。
背景技術：
一般地，基于氮化物的半導體是直接躍遷型(direct transitiontype)半導體，并被應用于如光發射二極管(LEDs)和激光二極管(LDs)的光發射元件。此外，關于將半導體應用于高溫、高頻和高功率的電子設備的研究已積極展開。近來，由于光發射元件的需求的增加使這種半導體更受關注。
主要在高溫穩定的藍寶石基底上生長這種氮化物半導體薄膜。
然而，由于氮化物半導體薄膜和藍寶石基底的晶格常數和熱脹系數具有很大差別，因此存在著由于此巨大差別而產生了大量的如穿透位錯(threading dislocation)的缺陷的缺點。
因此，這些缺陷導致了設備性能退化的問題。
近來，為了減少在藍寶石基底和氮化物半導體薄膜上的缺陷，在藍寶石基底的頂面上AlxGayIn1-x-yN(0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1)，SiN，或這些物質疊壓的疊壓膜形成為緩沖層，然后生長氮化物半導體薄膜。
這樣，如果氮化物半導體薄膜在緩沖層的頂部上生長，則長出的氮化物半導體薄膜具有108～109cm-2的低穿透位錯密度，從而降低了缺陷密度。
用于降低此穿透位錯的方法包括以下方法1)通過在藍寶石基底上形成圖案而控制縱向生長和側向生長的方法；2)側向外延增生方法(lateral epitaxial overgrowth method)(LEO)，其中在藍寶石基底的頂面上生長氮化物半導體薄膜，在該氮化物半導體薄膜的頂部形成介電薄膜的特定圖案，并再次生長氮化物半導體薄膜；及3)Pendeo生長方法，其中在藍寶石基底的頂面上長氮化物半導體薄膜，蝕刻成一定的圖案然后再次生長。
同時，為了制備藍紫色的LDs，或制備高輸出、高效率及高穩定性的LEDs，則需要進一步降低缺陷密度，并且研制一種用于生長具有極低缺陷密度的高質量氮化物半導體薄膜的方法。
發明內容
本發明致力于解決上述問題。因此，本發明的目的是提供氮化物半導體薄膜及其生長方法，其中通過部分蝕刻基底而在基底上形成多個凹槽，在該凹槽內形成防止氮化物半導體縱向生長的腳部，從而氮化物半導體薄膜側向生長以覆蓋腳部的頂部，因此確保了高質量的氮化物半導體薄膜的生長。
根據實現此目的的本發明的優選實施方案，提供了氮化物半導體薄膜的生長方法，該方法包括以下步驟通過部分蝕刻基底而在基底的頂面上形成多個凹槽；在基底內形成的各凹槽中形成用于防止氮化物半導體縱向生長的腳部；在基底的頂面沒有形成凹槽的區域形成緩沖層；及在緩沖層上側向生長氮化物半導體薄膜，以覆蓋腳部的頂部。
根據由于實現此目的的本發明的另一優選實施方案，本發明提供了氮化物半導體薄膜，包括具有多個形成于其頂面的凹槽的基底；在各凹槽內形成的用于防止氮化物半導體縱向生長的腳部；在基底的頂面沒有形成凹槽的區域上形成的緩沖層；及在緩沖層上側向生長的氮化物半導體薄膜，以覆蓋腳部的頂部。
通過以下結合附圖來描述優選實施例使本發明的以上和其它目的、特征及優點更清楚。附圖中圖1a～1d為說明根據本發明的高質量氮化物半導體薄膜的生長方法的視圖；圖2為說明本發明中所用的腳部和凹槽之間的關系的截面圖；圖3為說明以根據本發明的高質量氮化物半導體薄膜制成的光發射元件的光發射路徑的方案視圖；圖4為說明在用于根據本發明的生長高質量氮化物半導體薄膜的基底上形成的凹槽、腳部和緩沖層之間的關系的平面圖；及圖5為顯示在根據本發明的基底上形成凹槽、腳部和緩沖層的狀態的平面圖。
具體實施例方式
以下，根據附圖詳細描述本發明的優選實施例。
圖1a～1d為說明根據本發明的高質量氮化物半導體薄膜的生長方法的視圖。首先，通過部分蝕刻藍寶石基底100而在藍寶石基底的頂面形成多個凹槽110(圖1a)。
此時，藍寶石基底100的頂面具有波紋形狀。
之后，在藍寶石基底100內形成的各凹槽110內形成用于防止氮化物半導體縱向生長的腳部120(圖1b)。
在此，腳部120由氧化物膜或氮化物膜，如SiO2、Si3N4、TiOx或ZrOx，或包括此氧化物和氮化物膜的多層膜構成。
此外，腳部120由選自包括Ag、Al、Rh、Pt和Pd的組的一種制成的薄膜或其多層膜構成。
如果按照此方式以金屬制成腳部120，且使用具有此腳部的氮化物半導體薄膜制備光發射元件，則由活化層發出的光的反射率可以被增加，從而提高了該元件的光學效率。
然后，在藍寶石基底100的頂面上未形成凹槽110的區域上形成緩沖層130(圖1c)。
此處，緩沖層由一種選自包括AlN、GaN和AlInN的組的物質制成。
最后，在緩沖層130上側向生長氮化物半導體薄膜140，以覆蓋腳部120的頂部(圖1d)。
因此，根據本發明，凹槽和腳部阻斷了在藍寶石基底和生長的氮化物半導體薄膜之間的界面處產生的位錯，從而確保了高質量氮化物半導體薄膜的生長。
其中，上述藍寶石基底僅用于說明的目的，而其內形成有凹槽的基底指各種用于制備光發射元件的基底。尤其地，優選該基底為藍寶石基底、GaN基底、碳化硅(SiC)基底和砷化鎵(GaAs)基底中的一種。
圖2為說明本發明中所用的腳部和凹槽之間的關系的截面圖。優選在藍寶石基底100的頂面形成的各凹槽110內存在的腳部120的寬度W1為各凹槽110的寬度W2的1～100％。此外，優選從各凹槽110的內底面至腳部120的頂面的高度H1為從各凹槽110的內底面至藍寶石基底100的頂面的高度H2的1～100％。
圖3為說明以根據本發明的高質量氮化物半導體薄膜制成的光發射元件的光發射路徑的方案視圖。首先，通過進行如圖1a～1d所示上述方法而制備的氮化物半導體薄膜包括具有形成于其頂面內的多個凹槽110的基底100；在各凹槽110內形成的用于防止氮化物半導體縱向生長的腳部120；在基底100的上表面中沒有形成凹槽110的區域形成的緩沖層130；及在緩沖層130上側向生長、以覆蓋腳部的頂部的氮化物半導體薄膜140。
有可能制備一種光發射元件，其中N型半導體層150、活化層160和P型半導體層170被順序疊壓于此氮化物半導體薄膜上，從P型半導體層170向部分N型半導體層150進行臺面蝕刻，在N型半導體層150的被臺面蝕刻的部分的頂部上形成N電極190，并且在P型半導體層170的頂部上形成P電極180。
如果驅動該光發射元件，從活化層160發射的光線透射P型半導體層170，然后被發射到該元件的外面。
此處，由于從活化層160向各個方向發射光線，因此在常規基底中，具有朝向基底的表面的光線發射路徑的光線在基底與N型半導體層之間的界面處被全反射，從而光線被限制在元件內部，使光輸出降低。
然而，如果用根據本發明的氮化物半導體薄膜制備光發射元件，如圖3所示在基底和N型半導體層之間的界面處形成波紋，從而被全反射的光的量可以被降低，從而提高了光輸出。
此外，當在基底的凹槽內部形成的腳部120為金屬時，則該腳部120可以反射向基底行進的光，從而提高了光輸出。
圖4為說明在用于生長根據本發明的高質量氮化物半導體薄膜的基底上形成的凹槽、腳部和緩沖層之間的關系的平面圖。腳部120在基底內被形成的多個凹槽110的內部形成，而緩沖層130在基底的表面形成。
優選緩沖層130的總面積大于凹槽110的總面積。如果緩沖層130的總面積大于凹槽110的總面積，則生長在緩沖層130上的氮化物半導體薄膜側向生長，因此有助于在腳部上方氮化物半導體薄膜的聚并。
圖5為顯示在根據本發明的基底上形成凹槽、腳部和緩沖層的狀態的平面圖。如果在基底內形成大量的凹槽110，則在這些凹槽110內存在腳部120。結果，在基底的頂面內形成許多波紋，從而使得用該基底制備的光發射元件可以進一步降低全反射，因此進一步提高光輸出。
如上所述，本發明的優點在于，通過部分蝕刻基底而在藍寶石基底上形成多個凹槽，在該凹槽內形成防止氮化物半導體縱向生長的腳部，從而側向生長氮化物半導體薄膜以覆蓋腳部的頂部，因此確保了高質量的氮化物半導體薄膜的生長。
盡管結合特定實施例描述了本發明，本領域熟練技術人員可以理解，在本發明的技術實質和范圍內可以對本發明進行各種修飾和改變。這些修飾和改變也明顯落入附加權利要求所限定的本發明的范圍內。
權利要求
1.一種氮化物半導體薄膜的生長方法，包括以下步驟通過部分蝕刻基底而在基底的上表面上形成多個凹槽；在形成在基底中的各凹槽內形成用于防止氮化物半導體縱向生長的腳部；在沒有形成凹槽的基底的上表面區域形成緩沖層；在緩沖層上側向生長氮化物半導體薄膜，以覆蓋腳部的頂部。
2.如權利要求1所述的方法，其中由一種選自包括SiO2、Si3N4、TiOx和ZrOx的組的物質制成的薄膜或其疊壓膜構成腳部。
3.如權利要求1所述的方法，其中由一種選自包括Ag、Al、Rh、Pt和Pd的組的物質制成的薄膜或其多層膜構成腳部。
4.如權利要求1所述的方法，其中緩沖層由AlN、GaN和AlInN中的任意一種物質制成。
5.如權利要求1所述的方法，其中基底為藍寶石基底、GaN基底、碳化硅(SiC)基底和砷化鎵(GaAs)基底中的一種。
6.如權利要求1、3和4中任一項所述的方法，其中存在于在藍寶石基底的上表面形成的各凹槽內的腳部的寬度(W1)為各凹槽的寬度(W2)的1～100％。
7.如權利要求1、3和4中任一項所述的方法，其中從各凹槽的內底面至腳部的項部的高度(H1)為從各凹槽的內底面至藍寶石基底的頂面的高度(H2)的1～100％。
8.一種氮化物半導體薄膜，包括具有多個形成于其頂面的凹槽的基底；在各凹槽內形成的用于防止氮化物半導體縱向生長的腳部；在基底的沒有形成凹槽的頂面區域內形成的緩沖層；及在緩沖層上側向生長以覆蓋腳部的頂部的氮化物半導體薄膜。
9.如權利要求8所述的氮化物半導體薄膜，其中腳部由一種選自包括SiO2、Si3N4、TiOx和ZrOx的組的物質制成的薄膜或其疊層膜構成。
10.如權利要求8所述的氮化物半導體薄膜，其中腳部由一種選自包括Ag、Al、Rh、Pt和Pd的組的物質制成的薄膜或其多層膜構成。
11.如權利要求8所述的氮化物半導體薄膜，其中緩沖層由AlN、GaN和AlInN中的任意一種制成。
12.如權利要求8所述的氮化物半導體薄膜，其中基底為藍寶石基底、GaN基底、碳化硅(SiC)基底和砷化鎵(GaAs)基底中的一種。
13.如權利要求8、10和11中任一項所述的氮化物半導體薄膜，其中在藍寶石基底的頂面形成的各凹槽內的腳部的寬度(W1)為各凹槽的寬度(W2)的1～100％。
14.如權利要求8、10和11中任一項所述的氮化物半導體薄膜，其中從各凹槽的內底面至腳部的頂部的高度(H1)為從各凹槽的內底面至藍寶石基底的頂面的高度(H2)的1～100％。
15.如權利要求8所述的氮化物半導體薄膜，其中緩沖層的總面積大于凹槽的總面積。
全文摘要
本發明涉及一種氮化物半導體薄膜及其生長方法。本發明的優點在于，通過部分蝕刻基底而在基底上形成多個凹槽，在該凹槽內形成防止氮化物半導體縱向生長的腳部，從而氮化物半導體薄膜側向生長以覆蓋腳部的頂部，因此確保了生長高質量的氮化物半導體薄膜。
文檔編號H01S5/323GK1649090SQ200510005040
公開日2005年8月3日 申請日期2005年1月31日 優先權日2004年1月29日
發明者徐廷勛 申請人:Lg電子有限公司