用于形成第Ⅲ主族氮化物半導(dǎo)體層的方法以及半導(dǎo)體器件的制作方法

專利名稱：用于形成第Ⅲ主族氮化物半導(dǎo)體層的方法以及半導(dǎo)體器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于形成第III主族氮化物半導(dǎo)體層的方法以及一種第III主族半導(dǎo)體器件。
為了更全面的描述與本發(fā)明有關(guān)的現(xiàn)有技術(shù)的狀況，此后本發(fā)明中將引用和指認(rèn)了專利，專利申請(qǐng)，專利公開(kāi)，科學(xué)文章等等，因而，在此可以結(jié)合參考它們的全部?jī)?nèi)容。
背景技術(shù)：
第III主族氮化物半導(dǎo)體具有相當(dāng)大的禁止帶隙并允許在傳導(dǎo)和價(jià)電子帶之間的直接躍遷，為此，應(yīng)用于短波長(zhǎng)發(fā)光器件的第III主族氮化物半導(dǎo)體的應(yīng)用已經(jīng)正在積極地探究。此外，第III主族氮化物半導(dǎo)體具有相當(dāng)大的飽和的電子漂移速度且還允許一個(gè)異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)以產(chǎn)生一種二維的運(yùn)載氣體。這些期望的特性將會(huì)吸引各種電子器件的應(yīng)用。
然而，第III主族氮化物半導(dǎo)體不適于微處理性或蝕刻控制性，盡管改進(jìn)和增加第III主族氮化物半導(dǎo)體的微處理性或蝕刻控制性是實(shí)現(xiàn)第III主族氮化物半導(dǎo)體器件所期望的高性能不可缺少的。在此情況下，用于改進(jìn)微處理的控制性或微蝕刻的重要性已經(jīng)被增加。
上面所提到的技術(shù)中需要解決的問(wèn)題將在后面結(jié)合一些典型的光學(xué)器件的例子而進(jìn)行詳細(xì)描述，比如半導(dǎo)體激光器。
第III主族氮化物半導(dǎo)體的一個(gè)典型的例子是氮化鎵。第III主族氮化物半導(dǎo)體注重于發(fā)光二極管或用于發(fā)出一個(gè)藍(lán)色激光的一種激光二極管。作為用于大容量的光盤的一個(gè)光源來(lái)說(shuō)激光二極管光受到重視。近年來(lái)，已經(jīng)作出了作為寫目的光源的高輸出激光二極管的積極開(kāi)發(fā)。為應(yīng)用于光盤，需要一種精密的或高控制的束點(diǎn)，其中橫向模式的控制是重要的。此外，當(dāng)光盤的傳送速度被增加時(shí)高頻率性能也是重要的。為了改善高頻性能，不僅要盡可能地減少阻抗還要減少器件的寄生電容，這是非常重要的。
圖1是一個(gè)片段的截面正視圖，示例了針對(duì)電流限制的帶有一個(gè)隆起結(jié)構(gòu)的氮化物半導(dǎo)體的一種常規(guī)結(jié)構(gòu)的典型例子。常規(guī)結(jié)構(gòu)包括一個(gè)n-GaN襯底501，在n-GaN襯底501上的一個(gè)n-AlGaN鍍層502，在n-AlGaN鍍層502上的一個(gè)n-GaN引導(dǎo)層503，在n-GaN引導(dǎo)層503上的一個(gè)InGaN多層量子阱結(jié)構(gòu)504，在InGaN多層量子阱結(jié)構(gòu)504上的一個(gè)p-GaN引導(dǎo)層505，和在p-GaN引導(dǎo)層505上的一個(gè)p-AlGaN鍍層506。該p-AlGaN鍍層506具有可以通過(guò)各向同性蝕刻形成的一個(gè)隆起結(jié)構(gòu)508。在隆起結(jié)構(gòu)508的頂端上提供的p-AlGaN層507。在p-AlGaN鍍層506上提供的一個(gè)絕緣層510，其中在隆起結(jié)構(gòu)508的頂部的p-GaN層上，絕緣層510具有一個(gè)條紋形狀的開(kāi)口。提供一個(gè)p-電極509，它在p-GaN層和絕緣層510上延伸。隆起結(jié)構(gòu)508造成電流限制。通過(guò)調(diào)整隆起結(jié)構(gòu)508的寬度和高度可以進(jìn)行橫向模式的控制。隆起結(jié)構(gòu)的激光二極管由于它的低的寄生電容在高頻性能上是優(yōu)異的或優(yōu)良的。
另一方面，由于比上面的隆起結(jié)構(gòu)的激光二極管實(shí)現(xiàn)較高的電流限制更為有效，建議一種具有埋入的電流限制層的另一類型的激光二極管。日本特開(kāi)平專利公開(kāi)號(hào)No.10-093192公開(kāi)了埋入結(jié)構(gòu)的激光二極管。圖2是一個(gè)片段的截面正視圖，示例了帶有一個(gè)埋入的電流限制結(jié)構(gòu)的氮化物半導(dǎo)體激光二極管的常規(guī)結(jié)構(gòu)的一個(gè)典型例子。
其他的常規(guī)器件包括一個(gè)n-GaN襯底401，在n-GaN襯底401上的一個(gè)n-AlGaN鍍層402，在n-AlGaN鍍層402上的一個(gè)n-GaN引導(dǎo)層403，在n-GaN引導(dǎo)層403上的一個(gè)激活層404，在激活層404上的一個(gè)p-GaN引導(dǎo)層405，和在p-GaN引導(dǎo)層405上的一個(gè)p-AlGaN鍍層406。此外，在p-AlGaN鍍層406上提供帶有一個(gè)條紋形狀開(kāi)口的一個(gè)埋入的電流限制層407。埋入的電流限制層407可以包括GaN或AlN。p-AlGaN鍍層406的部分頂面通過(guò)埋入的電流限制層407的條紋形狀的開(kāi)口被暴露出來(lái)。在埋入的電流限制層407上和條紋狀開(kāi)口內(nèi)提供一個(gè)p-GaN接觸層408。在p-GaN接觸層408上提供一個(gè)p-電極409。通過(guò)帶有埋入的電流限制層407的一個(gè)電流限制的條紋狀開(kāi)口進(jìn)行載流子注入。埋入的電流限制層407提高了載流子注入效率。
日本特開(kāi)平專利公開(kāi)號(hào)No.2001-15860還公開(kāi)了另一個(gè)常規(guī)結(jié)構(gòu)，包括帶有一個(gè)條紋狀開(kāi)口的AlN埋入的電流限制層，用于電流限制和橫向模式控制，其中在鍍層中或在鍍層和發(fā)光層之間提供AlN埋入的電流限制層。
上面的兩個(gè)常規(guī)技術(shù)利用了帶有開(kāi)口的埋入的電流限制層，允許帶有電流限制的載流子注入。橫向模式取決于層的各自的厚度，其在增大的處理中是可控制的。出于這些原因，用帶有開(kāi)口的埋入的電流限制層的激光二極管在再生產(chǎn)方面具有更大的優(yōu)點(diǎn)，并且成品率高于上述的隆起結(jié)構(gòu)的激光二極管。
通過(guò)一種平版印刷技術(shù)和一種隨后的一種各向同性蝕刻技術(shù)可以形成圖1所示的上面的隆起結(jié)構(gòu)。應(yīng)該注意的是，由于氮化物半導(dǎo)體的特性，一種化學(xué)蝕刻對(duì)氮化物半導(dǎo)體是不可用的，盡管對(duì)氮化物半導(dǎo)體可以使用一種基于鹵素的干蝕刻。隆起結(jié)構(gòu)的橫向模式特性取決于p-電極條紋寬度，作為主要參數(shù)的隆起和隆起深度?？煽匦曰蛘哒f(shuō)p-電極條紋寬度和隆起寬度中的精確度取決于平版印刷技術(shù)的精確性。另一方面，可控性或隆起深度中的精確度取決于進(jìn)一步依靠各種參數(shù)的蝕刻的可控性，例如，等離子條件，蝕刻氣體流速，以及在蝕刻處理中的襯底溫度。為此原因，大范圍的實(shí)現(xiàn)該器件的高產(chǎn)量是困難的。此外，在蝕刻處理中產(chǎn)生的電荷粒子可會(huì)對(duì)器件的激活層造成危害。
對(duì)于圖2所示的包括帶有開(kāi)口的埋入的電流限制層的激光二極管來(lái)說(shuō)，如果電流限制層包括一個(gè)n-GaN層或一個(gè)n-AlGaN層，則在n-型電流限制層和p-型鍍層或p-型接觸層之間形成p-n結(jié)。這種p-n結(jié)引起一個(gè)結(jié)電容，它可以進(jìn)一步引起對(duì)高頻性能的損害。為了避免這種問(wèn)題，埋入的包括一個(gè)無(wú)摻雜的氮化物半導(dǎo)體的電流限制層是有效的，例如，無(wú)摻雜的GaN或無(wú)摻雜的AlGaN。然而，無(wú)摻雜的氮化物半導(dǎo)體比摻雜的氮化物半導(dǎo)體具有較高的電阻率。此外，無(wú)摻雜的AlGaN或無(wú)摻雜的GaN在n-型氮化物半導(dǎo)體層上的增長(zhǎng)與具有n-型導(dǎo)電率的器件是類似的。這意味著在n-摻雜的氮化物半導(dǎo)體層上的用于增長(zhǎng)無(wú)摻雜的氮化物半導(dǎo)體層的晶體增長(zhǎng)處理是有困難的。
此外，應(yīng)該注意的是，單個(gè)晶體AlN的使用對(duì)電流限制層可以改善高頻性能，但會(huì)出現(xiàn)下列問(wèn)題。
第一個(gè)問(wèn)題是有關(guān)可能形成的裂紋，它可能會(huì)通過(guò)AlN和其他的氮化物半導(dǎo)體之間的晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)的不同來(lái)形成，比如氮化物AlGaN，GaN和InGaN。其他的諸如AlGaN，GaN和InGaN的氮化物半導(dǎo)體可以用于鍍層，光引導(dǎo)層和激光二極管中的接觸層。結(jié)合圖2所示的激光二極管結(jié)構(gòu)的形成，在三種類型的處理中可能形成一個(gè)不期望的裂紋或多個(gè)裂紋。第一類型的處理是一種AlN沉積。第二類型的處理是GaN，AlGaN，或在AlN上的InGaN沉積。第三類型處理是襯底溫度上升或下降。
與第一或第二類型處理相關(guān)的裂紋是由于晶格常數(shù)的不同而形成的，并因此當(dāng)在GaN，AlGaN，或InGaN層上的AlN層的厚度超過(guò)臨界厚度時(shí)，該臨界厚度取決于晶格常數(shù)的不同，或當(dāng)在AlN層上的GaN，AlGaN，或InGaN層的厚度也超過(guò)臨界厚度時(shí)，可以引起裂紋。相反，與第三類型相關(guān)的裂紋是由晶格常數(shù)的變化或改變引起的，而晶格常數(shù)的變化是由于在AlN和GaN，AlGaN，或InGaN之間的熱膨脹系數(shù)的不同引起的。即使在AlN層中沒(méi)有引起裂紋，在上面的第二或第三類型處理中無(wú)裂紋AlN層上的一個(gè)頂部鍍層中引起一個(gè)裂紋或多個(gè)裂紋也是很可能的。因而，完全抑制裂紋是困難的。AlN層中的裂紋不僅反映了電流限制中的電流限制層的功能缺陷，也會(huì)引起激光二極管芯片的破裂。
帶有AlN電流限制層的第二個(gè)問(wèn)題是關(guān)于選擇移去AlN電流限制層的困難。上述的圖1和2的結(jié)構(gòu)需要選擇性地移去AlN電流限制層和用于p-型接觸層和p-型鍍層的再生長(zhǎng)處理。一種基于氯元素的干蝕刻處理通常用于蝕刻氮化物材料。因?yàn)樵诟晌g刻處理中的物理噴涂效應(yīng)，通過(guò)利用基于氯元素的干蝕刻處理來(lái)實(shí)現(xiàn)一種期望的選擇的蝕刻AlN和GaN，AlGaN，或GaN是困難的。此外，由于蝕刻條件的變化，采用基于氯元素干蝕刻處理的抑制氮化物材料的蝕刻深度中的不期望的變化也是困難的。換句話說(shuō)，采用基于氯元素干蝕刻處理來(lái)實(shí)現(xiàn)氮化物材料的一種期望的高蝕刻控制性是困難的。因此，基于氯元素的干蝕刻處理難于實(shí)現(xiàn)一種期望的高產(chǎn)量，并同樣的會(huì)引起一種蝕刻損害的問(wèn)題。
日本特開(kāi)平專利公開(kāi)號(hào)No.9-232680公開(kāi)了一種選擇性的帶有堿性溶液比如KOH的AlN蝕刻。
在應(yīng)用物理學(xué)68(1996)309中由M.S.Minsky也公開(kāi)了這些堿性蝕刻劑的蝕刻不僅是AlN還有具有不完善的蝕刻選擇性的GaN，并進(jìn)一步在所蝕刻部分的后蝕刻形態(tài)(after-etching-morphology)引起一種不期望的損害。在結(jié)構(gòu)中的損害引起晶體質(zhì)量的損害或再生層的晶體不完善。這是最主要的問(wèn)題。
日本特開(kāi)平專利公開(kāi)號(hào)No.2001-15860公開(kāi)了形成的可以被蝕刻的條紋形狀的SiO2掩模，通過(guò)一個(gè)不用的方法在選擇性地移去沉積的AlN層之前用于隨后的AlN層的沉積。就該方法而言，經(jīng)過(guò)AlN層的掩模的側(cè)壁的覆蓋使它難于實(shí)現(xiàn)想要的不用的方法。為了避免該問(wèn)題，需要限制AlN層的厚度以便掩模的側(cè)壁不被沉積的AlN層所覆蓋。沉積的AlN層的厚度的限制對(duì)器件的承受電壓所期望的增加提供了一個(gè)限制，且還允許泄漏電流不期望的增加，導(dǎo)致非足夠的電流限制。
另一個(gè)問(wèn)題是，所除去掩模的殘余雜質(zhì)可以引起器件的損害。特別是如果掩模材料是氧化硅，例如SiO2或SiOX，則它難于完全的去除殘余的Si，由此原因很容易在鍍層的一個(gè)再生接觸面上形成一個(gè)堆積的Si。堆積的Si可以引起器件的電特性的損害。
上述的由在處理和蝕刻第III主族氮化物半導(dǎo)體層中的困難引起的技術(shù)問(wèn)題不僅會(huì)在激光二極管中出現(xiàn)，而且在利用第III主族氮化物半導(dǎo)體層的任何其他的電子器件中也會(huì)出現(xiàn)。
目前，一個(gè)典型的包括基于GaN的化合物半導(dǎo)體的場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)是平面型。盡管如此，為了實(shí)現(xiàn)所需的這樣一種高級(jí)性能，不僅應(yīng)該優(yōu)化多層結(jié)構(gòu)的材料，而且還要作出氮化物半導(dǎo)體層的結(jié)構(gòu)修改，比如一個(gè)針對(duì)氮化物半導(dǎo)體層的蝕刻處理的凹口。
在上述的情況中，迫切期望一種新技術(shù)的開(kāi)發(fā)，以便對(duì)第III主族氮化物半導(dǎo)體層實(shí)現(xiàn)一種高處理性或一種高蝕刻-控制性而解決上面的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是解決上述問(wèn)題，提供一種形成第III主族氮化物半導(dǎo)體層的新的方法。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種具有高處理性或高蝕刻-控制性的形成第III主族氮化物半導(dǎo)體層的新的方法。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種克服上述問(wèn)題的包括一個(gè)第III主族氮化物半導(dǎo)體層的新的器件結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種包括以高精度來(lái)處理或蝕刻的第III主族氮化物半導(dǎo)體層的新的器件結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種新的方法，用于克服上述問(wèn)題，形成包括以高精度來(lái)處理或蝕刻的第III主族氮化物半導(dǎo)體層的一個(gè)半導(dǎo)體器件。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種新的方法，用于形成包括以高精度來(lái)處理或蝕刻的第III主族氮化物半導(dǎo)體層的半導(dǎo)體激光器件，以便該激光器件具有優(yōu)異載流子注入效率。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種新方法，形成包括以高精度處理或蝕刻的第III主族氮化物半導(dǎo)體層的半導(dǎo)體激光器件，以便該激光器件在橫向模式可控性方面具有顯著的優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種新方法，形成包括以高精度處理或蝕刻的第III主族氮化物半導(dǎo)體層的半導(dǎo)體激光器件，以便該激光器件在生產(chǎn)率上具有顯著的優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種克服了上述問(wèn)題的包括以高精度處理或蝕刻的第III主族氮化物半導(dǎo)體層的新的半導(dǎo)體器件。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供包括以高精度處理或蝕刻的第III主族氮化物半導(dǎo)體層的一種新的半導(dǎo)體激光器件，以便該激光器件在載流子注入效率方面具有顯著的優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供包括以高精度處理或蝕刻的第III主族氮化物半導(dǎo)體層的一種新的半導(dǎo)體激光器件，以便該激光器件在橫向模式可控性方面具有顯著優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供包括以高精度處理或蝕刻的第III主族氮化物半導(dǎo)體層的一種新的半導(dǎo)體激光器件，以便該激光器件在生產(chǎn)率上具有顯著優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種新的方法，以形成包括以高精度處理或蝕刻的第III主族氮化物半導(dǎo)體層的一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管，以便該場(chǎng)效應(yīng)晶體管與諸如源/漏電極之類的一個(gè)電極或多個(gè)電極的接觸電阻被減少。
本發(fā)明的另一個(gè)目的提供一種新的方法，形成包括以高精度處理或蝕刻的第III主族氮化物半導(dǎo)體層的一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管，以便該場(chǎng)效應(yīng)晶體管在承受電壓特性上具有優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供包括以高精度處理或蝕刻的第III主族氮化物半導(dǎo)體層的一種新的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，以便該場(chǎng)效應(yīng)晶體管與諸如源/漏電極之類的一個(gè)電極或多個(gè)電極的接觸電阻被減少。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供包括以高精度處理或蝕刻的第III主族氮化物半導(dǎo)體層的一種新的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，以便該場(chǎng)效應(yīng)晶體管在承受電壓特性上具有優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明提供了一種方法，形成以部分蝕刻的基于氮的化合物半導(dǎo)體層，包括以下步驟形成一個(gè)基于氮的化合物半導(dǎo)體的一個(gè)非晶體層，接著蝕刻至少一部分非晶體層以在部分的蝕刻的非晶體層被結(jié)晶之前形成一部分蝕刻的非晶體層，以便形成以部分蝕刻的基于氮的化合物半導(dǎo)體晶體層。
根據(jù)下面的描述，本發(fā)明的上述和其他的目的、特征和優(yōu)點(diǎn)，將變得更加顯而易見(jiàn)。


下面將結(jié)合參考附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例圖1是一個(gè)片段的截面正視圖，示例了具有用于電流限制隆起結(jié)構(gòu)的氮化物半導(dǎo)體激光二極管的常規(guī)結(jié)構(gòu)的典型例子；圖2是一個(gè)片段的截面正視圖，示例了具有埋入的電流限制結(jié)構(gòu)的氮化物半導(dǎo)體激光二極管的常規(guī)結(jié)構(gòu)的典型例子；圖3是一個(gè)片段的截面正視圖，給出了包括由本發(fā)明一種新方法形成的電流限制層的半導(dǎo)體激光二極管。
圖4是顯示θ-2θX-射線衍射測(cè)量結(jié)果的圖，其中縱軸代表X-射線強(qiáng)度，同時(shí)水平軸代表一個(gè)生長(zhǎng)溫度；圖5是一個(gè)片段的截面正視圖，給出了包括由本發(fā)明的新方法形成接觸層的半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管。
具體實(shí)施例方式
在本發(fā)明的一個(gè)主要方面，形成以部分蝕刻的基于氮的化合物半導(dǎo)體晶體層的方法包括以下步驟形成一個(gè)基于氮的化合物半導(dǎo)體的非晶體層，接著蝕刻至少一部分非晶體層以在部分蝕刻的非晶體層被結(jié)晶之前形成一部分蝕刻的非晶體層，以便形成部分蝕刻的基于氮的化合物半導(dǎo)體晶體層。該部分蝕刻的基于氮化物半導(dǎo)體晶體層包括一個(gè)單晶體結(jié)構(gòu)和一個(gè)多晶結(jié)構(gòu)的其中之一。非晶體層包括一種非晶結(jié)構(gòu)或局部的微-結(jié)晶的非晶結(jié)構(gòu)。換句話說(shuō)，在本發(fā)明的說(shuō)明書(shū)中，術(shù)語(yǔ)“非晶體”意思是非晶狀態(tài)或一種局部微結(jié)晶的非晶狀態(tài)，它包括大多數(shù)的非晶狀態(tài)和少數(shù)的微結(jié)晶狀態(tài)，同時(shí)術(shù)語(yǔ)“晶體狀態(tài)”意思是單晶狀態(tài)或多晶狀態(tài)。此外，在本發(fā)明說(shuō)明書(shū)中，處于表達(dá)簡(jiǎn)便，術(shù)語(yǔ)“非晶狀態(tài)”包括“局部微結(jié)晶的非晶狀態(tài)”或?qū)嵸|(zhì)上意味著“非晶體狀態(tài)”，除非給出了對(duì)這方面的特別注意。
本發(fā)明應(yīng)用于所有的氮化物半導(dǎo)體。一個(gè)典型例子的氮化物半導(dǎo)體可以包括各類的第III主族氮化物半導(dǎo)體，它可以由InxGayAl1-x-yN(0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1)表示，例如，AlN，GaN，InGaN，AlGaN，和InAlGaN。
通過(guò)提供熱能到部分蝕刻的非晶體層來(lái)引起部分蝕刻的非晶體層的結(jié)晶。例如，可以利用對(duì)部分蝕刻的非晶體層的一種熱處理?？商鎿Q的，可在部分蝕刻的非晶體層上在高溫下可以形成一個(gè)附加的化合物半導(dǎo)體晶體層，引起部分蝕刻的非晶體層被結(jié)晶。在此情況下，沒(méi)有必要僅為結(jié)晶的目的，來(lái)執(zhí)行附加的熱處理步驟。
本發(fā)明者發(fā)現(xiàn)，在基于氮的化合物半導(dǎo)體的非晶狀態(tài)或局部微結(jié)晶的非晶狀態(tài)中的蝕刻率明顯高于它的晶體狀態(tài)的蝕刻率。在晶體狀態(tài)和包括非晶狀態(tài)以及局部微結(jié)晶的非晶狀態(tài)的非晶體狀態(tài)之間存在一個(gè)明顯的差別。通過(guò)非晶體狀態(tài)提供的高蝕刻率意味著在非晶體狀態(tài)中的蝕刻可控性高于晶體狀態(tài)中的。換言之，基于氮化物的半導(dǎo)體晶體在蝕刻可控性或微處理性方面高于或優(yōu)于基于氮化物的半導(dǎo)體非晶體。本發(fā)明利用了通過(guò)非晶體狀態(tài)提供的較高的蝕刻可控性或微處理性，非晶體狀態(tài)包括非晶狀態(tài)和局部微結(jié)晶的非晶狀態(tài)。在此觀點(diǎn)中，以非晶體狀態(tài)中初始形成基于氮化物的半導(dǎo)體層，在部分蝕刻的基于氮化物半導(dǎo)體非晶體被結(jié)晶之前，在具有高蝕刻可控性或微處理性的非晶體狀態(tài)中進(jìn)行隨后的高精度蝕刻處理，從而獲得精確的和精密地處理過(guò)的或蝕刻的基于氮化物的半導(dǎo)體晶體。典型的，在具有較高蝕刻可控性或微處理性的非晶體狀態(tài)中的高精度蝕刻處理可以形成一個(gè)或多個(gè)開(kāi)口，它們是精確的以尺寸和形狀來(lái)定義的。
典型的蝕刻處理可以通過(guò)各向同性蝕刻來(lái)完成，比如，通過(guò)使用任何可用的蝕刻劑的一種濕蝕刻。一種典型可用的蝕刻劑的例子可以是一種包含磷酸鹽的蝕刻劑。考慮到盡可能高的蝕刻可控性，最好是含磷酸鹽的熱蝕刻劑具有一個(gè)溫度范圍50-200℃。并且更好的溫度范圍是80-120℃。在此情況下，一個(gè)典型例子的基于氮化物的半導(dǎo)體可以包括非晶AlN。雖然，還可以利用至少具有80℃溫度的一種含硝酸鹽的熱蝕刻劑。使用包含磷酸鹽的熱蝕刻劑可以獲得非晶AlN的1-30nm/分的蝕刻率。
包括非晶狀態(tài)的非晶體狀態(tài)擺脫了任何基于晶體取向或晶體平面的蝕刻率依從，同時(shí)晶體狀態(tài)具有蝕刻率依從。為此，包括非晶狀態(tài)的非晶體狀態(tài)允許對(duì)基于氮化物的半導(dǎo)體非晶體進(jìn)行各向同性蝕刻。
第一基于氮化物半導(dǎo)體的非晶體層在與第一基于氮化物半導(dǎo)體的晶格常數(shù)不同的第二化合物半導(dǎo)體的晶體基極層上生長(zhǎng)。這樣，非晶體狀態(tài)或非晶狀態(tài)可以避免由于晶格常數(shù)的不同所引起的任何裂紋。隨后的在晶體基極層上的基于氮化物半導(dǎo)體的非晶體的結(jié)晶在保持晶體取向或晶體基極層的晶體平面的固相中被引起。在結(jié)晶處理中，一個(gè)相對(duì)高密度的位錯(cuò)被引入放在結(jié)晶中的基于氮化物半導(dǎo)體層中。這種引入的相當(dāng)高密度的位錯(cuò)減輕了晶格常數(shù)的不同，從而導(dǎo)致在基于氮化物半導(dǎo)體層的真正的無(wú)裂紋。擺脫裂紋的基于氮化物的半導(dǎo)體晶體層的相當(dāng)高密度的位錯(cuò)也允許在擺脫裂紋的基于氮化物半導(dǎo)體晶體層上的附加化合物半導(dǎo)體層的進(jìn)一步的免除裂紋的生長(zhǎng)，這是因?yàn)橄喈?dāng)高密度的位錯(cuò)從擺脫裂紋的基于氮化物半導(dǎo)體晶體層進(jìn)一步傳播到附加的化合物半導(dǎo)體層中，并且在附加的化合物半導(dǎo)體層中的相當(dāng)高密度傳播的位錯(cuò)也減輕了基于氮化物半導(dǎo)體晶體層和附加化合物半導(dǎo)體層之間的晶格常數(shù)差別。該位錯(cuò)一般是通過(guò)基于氮化物半導(dǎo)體層的一個(gè)低角度晶粒界限導(dǎo)致的邊緣位錯(cuò)。邊緣位錯(cuò)的傳播直接垂直于增長(zhǎng)面的平面。如上所述，基于氮化物的半導(dǎo)體晶體層具有一個(gè)或多個(gè)蝕刻的部分，例如，一個(gè)或多個(gè)開(kāi)口。在開(kāi)口中，不出現(xiàn)邊緣位錯(cuò)。為此，在開(kāi)口內(nèi)和在開(kāi)口上的附加的化合物半導(dǎo)體層具有完整地?zé)o位錯(cuò)晶體，同時(shí)在引入位錯(cuò)的基于氮化物半導(dǎo)體晶體層上的附加的化合物半導(dǎo)體層還具有引入位錯(cuò)的晶體不完整性。
因此，在非晶體狀態(tài)中或在晶體狀態(tài)基極層上的基于氮化物半導(dǎo)體的非晶狀態(tài)中的生長(zhǎng)是具有優(yōu)點(diǎn)的，這是考慮到防止和抑制有關(guān)晶格常數(shù)的不同所形成的任何裂紋。
在一個(gè)典型例子中，部分蝕刻的基于氮化物的半導(dǎo)體晶體層可以具有至少1E10cm-2的一個(gè)位錯(cuò)密度。在另一個(gè)典型的例子中，部分蝕刻的基于氮化物的半導(dǎo)體晶體層和在部分蝕刻的基于氮化物的半導(dǎo)體晶體層上的附加的化合物半導(dǎo)體晶體層具有至少1E10cm-2的位錯(cuò)密度。
如上所述，本發(fā)明利用了晶體狀態(tài)和非晶體狀態(tài)之間的蝕刻率的明顯的不同。在一個(gè)晶體基極層上形成基于氮化物半導(dǎo)體非晶體層是優(yōu)異的，以致于隨后的用于形成一個(gè)或多個(gè)開(kāi)口的蝕刻處理可以，通過(guò)使用晶體基極層作為一個(gè)蝕刻停止器來(lái)完成，其是通過(guò)利用這樣的事實(shí)，即晶體狀態(tài)的蝕刻率低于非晶體狀態(tài)或非晶狀態(tài)的。在一個(gè)典型的例子中，晶體基極層可以包括一個(gè)GaN層，且基于氮化物的半導(dǎo)體層可以包括用AlαGa1-αN(0≤α≤1)表示的第III主族氮化物半導(dǎo)體。在另一個(gè)典型的例子中，晶體基極層可以包括用AlβGa1-βN(0≤β≤1)表示的一個(gè)第III主族氮化物半導(dǎo)體，且基于氮化物的半導(dǎo)體層可以包括一個(gè)GaN層。
基于氮化物半導(dǎo)體層的非晶體生長(zhǎng)可以在一個(gè)低溫上來(lái)進(jìn)行，典型的是處于范圍200-700℃，并最好是在范圍200-500℃。在蝕刻處理之后的上述結(jié)晶可以在高溫上來(lái)進(jìn)行，典型的是在700-1300℃的范圍，最好是在900-1300℃的范圍。
此外，在結(jié)晶處理之前，最好是可選擇的在基于氮化物半導(dǎo)體非晶體層中引入氧原子。在一個(gè)典型的例子中，可以用氧化非晶體層的一個(gè)表面。在基于氮化物半導(dǎo)體非晶層的至少一個(gè)上表面區(qū)域引入氧是可用的。在另一個(gè)典型的例子中，可以這樣利用，即最遲在部分蝕刻的非晶體層被結(jié)晶之前，在部分蝕刻的非晶體層上出現(xiàn)一個(gè)氧化層，以至于在部分蝕刻的非晶體層上的氧化層抑制至少一種類型的基于氮化物半導(dǎo)體原子的質(zhì)量交換。在一個(gè)優(yōu)選例子中，氧化層最好包括一個(gè)氧化掩模，在具有剩余的氧化掩模的部分蝕刻的非晶體層的結(jié)晶步驟之前，在蝕刻非晶體層的蝕刻過(guò)程中使用，以便該氧化掩模抑制至少一種基于氮化物半導(dǎo)體的原子的質(zhì)量交換。
有意地引入氧化物可以提供下列兩個(gè)有益效果。第一個(gè)有益效果是實(shí)現(xiàn)了所希望的高平面表面形態(tài)。如上所述，在部分蝕刻的基于氮非晶層的結(jié)晶之前，基于氮的非晶層被部分的蝕刻。在表面區(qū)域上或在部分蝕刻的基于氮非晶層的上部區(qū)域中出現(xiàn)氧原子有助于抑制不期望的一種或多種類型的部分蝕刻的基于氮非晶層的原子的質(zhì)量交換。抑制不期望的質(zhì)量交換防止了結(jié)晶的基于氮化物半導(dǎo)體層的表面的不平整。換言之，抑制不期望的質(zhì)量交換實(shí)現(xiàn)了結(jié)晶的基于氮化物半導(dǎo)體層的一種無(wú)島嶼的平坦表面。結(jié)晶的基于氮化物半導(dǎo)體層的所期望的無(wú)島嶼的平坦表面可以經(jīng)結(jié)晶的基于氮化物的半導(dǎo)體層被交換到附加晶體層的表面，借此可以獲得一種所期望的高平坦表面形態(tài)。
在表面區(qū)域上或在部分蝕刻的基于氮非晶層的上部區(qū)域中缺少氧原子可能允許一種不期望的部分蝕刻的基于氮非晶層的一個(gè)或多個(gè)類型的原子的質(zhì)量交換。這種允許的不期望的質(zhì)量交換可以導(dǎo)致結(jié)晶的基于氮化物半導(dǎo)體層的非平整性。換言之，這種允許的不期望的質(zhì)量交換可以導(dǎo)致一種不期望的結(jié)晶的基于氮化物半導(dǎo)體層的類似島嶼的非平坦表面。結(jié)晶的基于氮化物半導(dǎo)體層的不期望的類似島嶼的非平坦的表面可以經(jīng)結(jié)晶的基于氮化物半導(dǎo)體層被傳送到附加晶體層的表面，因而可以獲得任何不期望的非平坦表面形態(tài)。
第二個(gè)良好效果是實(shí)現(xiàn)了漏電流的減少。如上所述，結(jié)晶的基于氮化物的半導(dǎo)體層具有相當(dāng)高密度的位錯(cuò)，比如根據(jù)結(jié)晶處理的邊緣位錯(cuò)。相當(dāng)高密度的位錯(cuò)允許漏電流沿著位錯(cuò)流過(guò)。然而，在表面區(qū)域上或在部分蝕刻的基于氮非晶層的上部區(qū)域中出現(xiàn)的氧原子很可能選擇性的定位于結(jié)晶處理中的位錯(cuò)上，因而該位錯(cuò)變成電性的不活動(dòng)的，減少了沿著位錯(cuò)的漏電流。這就使得該基于氮化物的半導(dǎo)體晶體層適合作為電流限制層。
在一個(gè)典型的例子中，部分蝕刻的基于氮化物半導(dǎo)體晶體層的引入氧的區(qū)域可以具有至少1E18cm-3的氧濃度。
在一個(gè)典型的例子中，帶有開(kāi)口的部分蝕刻的基于氮化物的半導(dǎo)體晶體層可以應(yīng)用于激光二極管中的電流限制層。換言之，本發(fā)明的第一個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)是，可以應(yīng)用于具有電流限制層的任何電子器件的形成，例如，激光二極管。
在另一個(gè)典型的例子中，帶有開(kāi)口的部分蝕刻的基于氮化物半導(dǎo)體晶體層可以應(yīng)用于電極接觸層，例如，源/漏接觸層，在其上源極和漏極被提供在一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管中。換言之，本發(fā)明的第一個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)是，可應(yīng)用于形成任何場(chǎng)效應(yīng)管。
本發(fā)明的上述內(nèi)容可應(yīng)用于各種電子器件，它包括一種基于氮化物的半導(dǎo)體晶體層，它被部分蝕刻或具有一個(gè)或多個(gè)開(kāi)口。
本發(fā)明的第二個(gè)主要方面是一種方法，形成一個(gè)基于氮化物半導(dǎo)體的多層結(jié)構(gòu)。該方法包括以下步驟在一個(gè)基極層上形成一個(gè)基于氮化物半導(dǎo)體的一個(gè)非晶體層，在非晶體層的至少一個(gè)上部區(qū)域中或在非晶體層上將氧原子引入，非晶體層被選擇的蝕刻以形成至少一個(gè)開(kāi)口，借此形成一個(gè)部分蝕刻的非晶體層。該部分蝕刻的非晶體層接著被結(jié)晶以便形成部分蝕刻的基于氮化物的半導(dǎo)體晶體層，以及允許引入的氧原子抑制基于氮化物半導(dǎo)體的至少一個(gè)種類的原子的質(zhì)量交換。
如上所述，結(jié)合本發(fā)明的第一個(gè)主要方面，在非晶狀態(tài)或基于氮化物半導(dǎo)體的微結(jié)晶非晶狀態(tài)中的蝕刻率明顯高于晶體狀態(tài)中的蝕刻率。在晶體狀態(tài)和包括非晶狀態(tài)以及局部微結(jié)晶的非晶狀態(tài)的非晶體狀態(tài)之間的蝕刻率具有一個(gè)明顯的差別。由非晶體狀態(tài)提供的高蝕刻率意味著在非晶體狀態(tài)中的蝕刻可控性高于晶體狀態(tài)中的。換言之，基于氮化物的半導(dǎo)體晶體在蝕刻可控性或微處理性方面高于或更優(yōu)于氮化物的半導(dǎo)體非晶體。本發(fā)明利用了由非晶體狀態(tài)提供的較高的蝕刻可控性或微處理性，其非晶體狀態(tài)包括非晶狀態(tài)和局部微結(jié)晶的非晶狀態(tài)。在此觀點(diǎn)下，在非晶體狀態(tài)中初始形成基于氮化物的半導(dǎo)體層，在部分蝕刻的基于氮化物半導(dǎo)體非晶體被結(jié)晶之前，在具有高蝕刻可控性或微處理性的非晶體狀態(tài)中進(jìn)行隨后的高精度蝕刻處理，從而獲得精確的和精密的處理或蝕刻的基于氮化物的半導(dǎo)體晶體。典型的，在具有較高蝕刻可控性或微處理性的非晶體狀態(tài)中的高精度蝕刻處理可以形成一個(gè)或多個(gè)開(kāi)口，它們?cè)诔叽绾托螤罘矫婢哂芯芎途_的定義。
結(jié)合本發(fā)明的上述的第一個(gè)方面所作出的進(jìn)一步的詳細(xì)描述將也應(yīng)用于本發(fā)明的該第二個(gè)方面。結(jié)合本發(fā)明的第二個(gè)方面所作出的下列描述將著重于固有的主題而不是相關(guān)的技術(shù)詳述，以避免多余的重復(fù)。
結(jié)晶部分蝕刻的非晶體層的步驟可以最好包括一個(gè)步驟，即在導(dǎo)致部分蝕刻的非晶體層結(jié)晶的溫度上，在部分蝕刻的非晶體層上形成一個(gè)附加的化合物半導(dǎo)體晶體層。
蝕刻至少一部分非晶體層的步驟最好可以包括實(shí)現(xiàn)各向同性蝕刻的步驟。這種各向同性蝕刻通過(guò)使用任何可用的蝕刻劑來(lái)完成?？色@得的蝕刻劑的一個(gè)典型的例子是包含磷酸鹽的熱蝕刻劑。
基于氮化物半導(dǎo)體可以最好包括由InxGayAl1-x-yN(0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1)表示的一個(gè)第III主族氮化物半導(dǎo)體。
非晶體層最好可以形成在一個(gè)晶體基極層上，它在蝕刻處理中被用作蝕刻停止器。如上所述，非晶體層或非晶層的蝕刻率明顯高于晶體層，為此，晶體基極層可以作為蝕刻處理中的一個(gè)蝕刻停止器層，以便選擇的或部分的蝕刻非晶體層。
在一個(gè)典型的例子中，晶體基極層最好可以包括一個(gè)GaN層，且基于氮化物的半導(dǎo)體非晶體層最好可以包括由AlαGa1-αN(0≤α≤1)表示的一個(gè)第III主族氮化物半導(dǎo)體。
在另一個(gè)典型的實(shí)施例中，晶體基極層可以最好包括由AlβGa1-βN(0≤β≤1)表示的一個(gè)第III主族氮化物半導(dǎo)體，且基于氮化物的半導(dǎo)體可以最好包括一個(gè)GaN層。
在一個(gè)典型例子中，非晶體層可以在溫度范圍200-700℃上形成，并最好是在范圍200-500℃之間形成。
在一個(gè)典型例子中，結(jié)晶部分蝕刻的非晶體層的步驟可以在溫度范圍700-1300℃上完成，并最好在范圍900-1300℃上完成。
在一個(gè)典型例子中，部分蝕刻的基于氮化物的半導(dǎo)體晶體層可以最好當(dāng)作一個(gè)電流限制層。換言之，本發(fā)明的第二個(gè)方面最好是應(yīng)用于形成具有一個(gè)電流限制層的任何的電子器件，例如，激光二極管。
在另一個(gè)典型例子中，部分蝕刻的基于氮化物的半導(dǎo)體晶體層可以最好當(dāng)作電極接觸層，例如源/漏接觸層，在其上源極和漏極被提供在一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管中。換言之，本發(fā)明的第二個(gè)方面最好是應(yīng)用于任何場(chǎng)效應(yīng)管的形成。
部分蝕刻的基于氮化物半導(dǎo)體晶體層的引入氧的區(qū)域最好具有至少1E18cm-3的氧濃度。
部分蝕刻的基于氮化物的半導(dǎo)體晶體層最好具有至少1E10cm-2的一個(gè)位錯(cuò)密度。
部分蝕刻的基于氮化物的半導(dǎo)體晶體層和在部分蝕刻的基于氮化物的半導(dǎo)體晶體層上的附加的化合物半導(dǎo)體晶體層最好具有至少1E10cm-2的一個(gè)位錯(cuò)密度。
本發(fā)明的第三個(gè)方面是一種方法，形成一部分蝕刻的基于氮化物的半導(dǎo)體晶體層。該方法包括以下步驟。在該第一溫度上形成一個(gè)基于氮化物半導(dǎo)體的一個(gè)非晶體層，非晶體層包括一種非晶結(jié)構(gòu)或一種局部微結(jié)晶的非晶結(jié)構(gòu)。至少一部分的非晶體層被蝕刻以形成以部分蝕刻的非晶體層。接著在高于第一溫度的第二溫度上，在部分蝕刻的非晶體層上形成一個(gè)附加的化合物半導(dǎo)體晶體層，其中第二溫度引起部分蝕刻的非晶體層被結(jié)晶，以形成一部分蝕刻的基于氮化物的半導(dǎo)體晶體層，它包括一種單晶結(jié)構(gòu)和一種多晶結(jié)構(gòu)的至少其中之一。
如上所述，結(jié)合本發(fā)明的一個(gè)主要方面，在基于氮的化合物半導(dǎo)體的非晶狀態(tài)或局部微結(jié)晶的非晶狀態(tài)中的一個(gè)蝕刻率明顯高于它的晶體狀態(tài)的蝕刻率。在晶體狀態(tài)和包括非晶狀態(tài)以及局部微結(jié)晶的非晶狀態(tài)的非晶體狀態(tài)之間的蝕刻率具有一個(gè)明顯的差別。由非晶體狀態(tài)提供的高蝕刻率意味著在非晶體狀態(tài)中的蝕刻可控性高于晶體狀態(tài)中的。換言之，基于氮化物的半導(dǎo)體晶體在蝕刻可控性或微處理性方面高于或更優(yōu)于氮化物的半導(dǎo)體非晶體。本發(fā)明利用了通過(guò)非晶體狀態(tài)提供的較高的蝕刻可控性或微處理性，而非晶體狀態(tài)包括非晶狀態(tài)和局部微結(jié)晶的非晶狀態(tài)。在此觀點(diǎn)中，在非晶體狀態(tài)中初始形成基于氮化物的半導(dǎo)體層，在部分蝕刻的基于氮化物半導(dǎo)體非晶體被結(jié)晶之前，在具有高蝕刻可控性或微處理性的非晶體狀態(tài)中進(jìn)行隨后的高精度蝕刻處理，從而獲得精確的和精密的處理或蝕刻的基于氮化物的半導(dǎo)體晶體。典型的，在具有較高蝕刻可控性或微處理性的非晶體狀態(tài)中的高精度蝕刻處理可以形成一個(gè)或多個(gè)開(kāi)口，它們精密的和精確的以尺寸和形狀來(lái)定義。
結(jié)合本發(fā)明的上述的第一個(gè)方面所作出的進(jìn)一步的詳細(xì)描述也將應(yīng)用于本發(fā)明的該第三個(gè)方面。結(jié)合本發(fā)明的第三個(gè)方面所作出的下列描述將著重于固有的主題而不是相關(guān)的技術(shù)詳述，以避免多余的重復(fù)。
在一個(gè)典型例子中，蝕刻至少一部分非晶體層的步驟最好可以包括通過(guò)使用包含磷酸鹽的蝕刻劑完成各向同性蝕刻的步驟。
在一個(gè)典型例子中，基于氮化物半導(dǎo)體最好可以包括由InxGayAl1-x-yN(0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1)表示的第III主族氮化物半導(dǎo)體。
在一個(gè)典型例子中，非晶體層最好可以形成在一個(gè)晶體基極層上，它當(dāng)作是蝕刻處理中的一個(gè)蝕刻停止器，以便部分的和選擇的蝕刻非晶體層。如上所述，非晶體層或非晶層的蝕刻率明顯高于晶體層，為此，晶體基極層可以作為蝕刻處理中的一個(gè)蝕刻停止器層，以便選擇的或部分的蝕刻非晶體層。
在一個(gè)典型的例子中，晶體基極層可以最好包括一個(gè)GaN層，和基于氮化物的半導(dǎo)體非晶體層最好包括由AlαGa1-αN(0≤α≤1)表示的第III主族氮化物半導(dǎo)體。
在另一個(gè)典型的實(shí)施例中，晶體基極層最好可以包括由AlβGa1-βN(0≤β≤1)表示的一個(gè)第III主族氮化物半導(dǎo)體，且基于氮化物的半導(dǎo)體最好可以包括一個(gè)GaN層。
上述第一溫度典型的可以是范圍200-700℃，并最好是在范圍200-500℃。上述第二溫度可以是范圍700-1300℃，并最好是在范圍900-1300℃。
在一個(gè)優(yōu)選例子中，最好但可選的是進(jìn)一步包括一個(gè)步驟，在部分蝕刻的非晶體層結(jié)晶之前氧化非晶體層的表面。如上所述，結(jié)合本發(fā)明的第一個(gè)方面，描述了在部分蝕刻的非晶體層上或其中的出現(xiàn)氧化物的有益效果。
在另一個(gè)例子中，最好是但可選的是進(jìn)一步包括一個(gè)步驟，在基于氮化物半導(dǎo)體非晶層的至少一個(gè)上部表面區(qū)域中引入氧。如上所述，結(jié)合本發(fā)明的第一個(gè)方面，也描述了在部分蝕刻的非晶體層上或其中的出現(xiàn)氧化物的有益效果。在此情況下，部分蝕刻的基于氮化物半導(dǎo)體晶體層的一個(gè)引入氧的區(qū)域最好具有至少1E18cm-3的氧濃度。
在另一個(gè)優(yōu)選的例子中，最好但可選擇的是進(jìn)一步包括在部分蝕刻的非晶體層上提供一個(gè)氧化物層直至該部分蝕刻的非晶體層被結(jié)晶的步驟，使得該氧化物層抑制基于氮化物的化合物半導(dǎo)體的至少一種微粒的質(zhì)量交換。在這種情況下，給出該氧化物層的步驟可以有利地和選擇性地包括一個(gè)在具有留存的氧化物掩模的結(jié)晶步驟之前，在使用氧化物掩模蝕刻步驟之前形成氧化物掩模的步驟。
在一個(gè)優(yōu)選的例子中，該部分蝕刻的基于氮化物的化合物半導(dǎo)體晶體層最好地和選擇性地具有至少1E10cm-2的位錯(cuò)密度。
在一個(gè)優(yōu)選的例子中，該部分蝕刻的基于氮化物的化合物半導(dǎo)體晶體層和在該部分蝕刻的基于氮化物的化合物半導(dǎo)體晶體層之上的化合物半導(dǎo)體晶體層可以最好地和選擇性地具有至少1E10cm-2的位錯(cuò)密度。
在一個(gè)典型的實(shí)例中，該部分蝕刻的基于氮化物的化合物半導(dǎo)體晶體層最好可以用作電流限制層。即，本發(fā)明的第二個(gè)方面可以有利地適用于構(gòu)成具有電流限制層的任何一種電子器件，例如，激光二極管。
在另一個(gè)典型的實(shí)例中，該部分蝕刻的基于氮化物的化合物半導(dǎo)體晶體層最好可以用作電極接觸層，例如，源極/漏極接觸層，在場(chǎng)效應(yīng)晶體管中提供的源極和漏極。即，本發(fā)明的第二個(gè)方面可以有利地適用于構(gòu)成任何一種場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
在本發(fā)明的第四個(gè)方面，半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)包括第一層第III主族氮化物半導(dǎo)體層，在第一層第III主族氮化物半導(dǎo)體層之上的第二層第III主族氮化物半導(dǎo)體層，以及具有至少一個(gè)開(kāi)口的第二層第III主族氮化物半導(dǎo)體層，和在至少一個(gè)開(kāi)口內(nèi)并且在第二層第III主族氮化物半導(dǎo)體層之上的第三層第III主族氮化物半導(dǎo)體層，其中該至少一個(gè)開(kāi)口具有一個(gè)通過(guò)各向同性不依賴方向的蝕刻率的蝕刻而形成的蝕刻的壁。
優(yōu)選的是該第二層第III主族氮化物半導(dǎo)體層包括AlαGa1-αN(0≤α≤1)。
優(yōu)選的是該第二層第III主族氮化物半導(dǎo)體層包括一個(gè)具有至少1E18cm-3氧濃度的引入氧區(qū)域。
此外，優(yōu)選的是該第二層第III主族氮化物半導(dǎo)體層具有至少1E10cm-2的位錯(cuò)密度。
此外，優(yōu)選的是該第二層第III主族氮化物半導(dǎo)體層和該第三層第III主族氮化物半導(dǎo)體層具有至少1E10cm-2的位錯(cuò)密度。
此外，優(yōu)選的是該第二層第III主族氮化物半導(dǎo)體層用作頂端鍍層，以及該第二層第III主族氮化物半導(dǎo)體層用作電流限制層。
如上所述，本發(fā)明可以適用于各種各樣的半導(dǎo)體器件，其每個(gè)包括至少一個(gè)帶有至少一個(gè)開(kāi)口的基于氮化物的化合物半導(dǎo)體晶體層。一個(gè)典型的實(shí)例是半導(dǎo)體激光二極管。圖3是一個(gè)包括由本發(fā)明的新的方法形成的電流限制層的半導(dǎo)體激光二極管的片斷截面主視圖。
一個(gè)半導(dǎo)體激光二極管是在N型GaN襯底301之上形成的。在N型GaN襯底301上提供一個(gè)Si摻雜的N型GaN層302。該硅摻雜的N型GaN層302可以具有1微米的厚度，以及4E17cm-3的硅濃度。在硅摻雜的N型GaN層302之上提供一個(gè)Si摻雜的N型Al0.1Ga0.9N鍍層303。該硅摻雜的N型Al0.1Ga0.9N鍍層303可以具有2微米的厚度，以及4E17cm-3的硅濃度。在Si摻雜的N型Al0.1Ga0.9N鍍層303之上提供一個(gè)Si摻雜的N型GaN光學(xué)限制層304。該Si摻雜的N型GaN光學(xué)限制層304可以具有0.1微米的厚度，以及4E17cm-3的硅濃度。三個(gè)循環(huán)交替的阱和阻擋層的多層量子阱層305在Si摻雜的N型GaN光學(xué)限制層304之上提供。每個(gè)阱層可以包括一個(gè)未摻雜的In0.15Ga0.85N阱層，它具有3納米的厚度。每個(gè)阻擋層可以包括一個(gè)Si摻雜的N型In0.01Ga0.99N阻擋層，它具有4納米的厚度以及1E18cm-3的Si濃度。在多層量子阱層305之上提供一個(gè)Mg摻雜的p型Al0.2Ga0.8N帽層306。在Mg摻雜的p型Al0.2Ga0.8N帽層306之上提供一個(gè)Mg摻雜的p型GaN引導(dǎo)層307。該Mg摻雜的p型GaN引導(dǎo)層307具有0.1微米的厚度，以及2E19cm-3的Mg濃度。
在Mg摻雜的p型GaN引導(dǎo)層307之上提供一個(gè)帶有開(kāi)口的電流限制層308。這個(gè)帶有開(kāi)口的電流限制層308是按照本發(fā)明的新的方法形成的。稍后將進(jìn)行關(guān)于該電流限制層308的詳細(xì)說(shuō)明。
在電流限制層308之上以及在該電流限制層308的開(kāi)口之內(nèi)提供一個(gè)Mg摻雜的p型Al0.1Ga0.9N鍍層309。即，該Mg摻雜的p型Al0.1Ga0.9N鍍層309生長(zhǎng)在電流限制層308以及通過(guò)該開(kāi)口的Mg摻雜的p型GaN引導(dǎo)層307的暴露表面之上。該Mg摻雜的p型Al0.1Ga0.9N鍍層309具有0.5微米的厚度，以及1E19cm-3的Mg濃度。在Mg摻雜的p型Al0.1Ga0.9N鍍層309之上提供一個(gè)Mg摻雜的p型GaN接觸層310。該Mg摻雜的p型GaN接觸層310可以具有0.02微米的厚度，以及1E20cm-3的Mg濃度。在Mg摻雜的p型GaN接觸層310之上提供一個(gè)p型電極311。在襯底301的底面上提供一個(gè)N型電極312。
在上面描述的電流限制層308是如下形成的。第III主族氮化物半導(dǎo)體非晶體的層是在低溫下完全地形成的，且在Mg摻雜的P型GaN引導(dǎo)層307之上形成。一個(gè)SiO2掩?？梢栽谠摰贗II主族氮化物半導(dǎo)體非晶體的層之上形成。可以選擇的，該第III主族氮化物半導(dǎo)體非晶體層的表面可以被氧化以在該第III主族氮化物半導(dǎo)體非晶體層之上形成薄的氧化膜。進(jìn)一步，作為選擇，最遲在該第III主族氮化物半導(dǎo)體非晶體層結(jié)晶化之前可以將氧原子引入該第III主族氮化物半導(dǎo)體非晶體層的至少一個(gè)上部區(qū)域。然后該第III主族氮化物半導(dǎo)體非晶體層被有選擇地和部分地蝕刻，從而在該第III主族氮化物半導(dǎo)體非晶體的層中形成上述的開(kāi)口。
然后，上述的Mg摻雜的p型Al0.1Ga0.9N鍍層309在高溫下，在該第III主族氮化物半導(dǎo)體非晶體層之上，以及在Mg摻雜的P型GaN引導(dǎo)層307的暴露表面之上形成。為了使該第III主族氮化物半導(dǎo)體非晶體層結(jié)晶化，該高溫是足夠地高的，借此該第III主族氮化物半導(dǎo)體非晶體層變?yōu)榈贗II主族氮化物半導(dǎo)體晶體層，其用作以上描述的電流限制層。
該第III主族氮化物半導(dǎo)體非晶層可以包括任何一種可利用的第III主族氮化物半導(dǎo)體，諸如非晶的AlN。該第III主族氮化物半導(dǎo)體非晶體層，諸如非晶體的AlN可以通過(guò)任何可用的方法在p-GaN引導(dǎo)晶體層307上形成，例如在最高600℃的低襯底溫度上的有機(jī)金屬汽相取向附生方法。與本發(fā)明相反，假若單個(gè)晶體AlN在p-GaN引導(dǎo)晶體層307上形成，那么由于在AlN單晶和GaN單晶之間的晶格常數(shù)中的差異，在單晶體AlN中可能形成一個(gè)裂縫或多個(gè)裂縫。按照本發(fā)明，假若該非晶AlN是在GaN晶體層307上以最高600℃的低襯底溫度形成的，那么該非結(jié)晶可以防止在非晶的AlN中的任何形式的裂縫。
此外，與第III主族氮化物半導(dǎo)體晶體，諸如晶體GaN或者晶體AlGaN相比較，該非晶第III主族氮化物半導(dǎo)體，諸如非晶的AlN具有非常低的蝕刻速率。這種在晶體和非晶態(tài)之間的蝕刻速率的大的差異提供了好的或者期望的蝕刻選擇性。
用于有選擇地蝕刻非晶的第III主族氮化物半導(dǎo)體，諸如非結(jié)晶AlN的優(yōu)選的刻蝕過(guò)程般地可以通過(guò)各向同性的蝕刻，諸如使用任何可利用的腐蝕劑的濕蝕刻來(lái)完成。一種有用的腐蝕劑的典型的實(shí)例是包括磷酸鹽的腐蝕劑?？紤]到可能的高蝕刻的可控制性，該包括磷酸鹽的熱的腐蝕劑在50-200℃范圍內(nèi)的溫度是優(yōu)選的。并且最好是該溫度在80-120℃范圍之內(nèi)。盡管如此，具有至少80℃溫度的包括硝酸鹽的熱腐蝕劑也是可用的。包括磷酸鹽的熱腐蝕劑的使用可以獲得非結(jié)晶AlN的1-30nm/分鐘的蝕刻速度。而該晶體GaN或者晶體AlGaN不利用這些腐蝕劑來(lái)蝕刻。這些腐蝕劑的任何一個(gè)的使用提供了期望的或者好的蝕刻選擇性。
雖然該晶體狀態(tài)具有蝕刻速率依賴性，而該非結(jié)晶AlN免于所有的依據(jù)晶體取向或者晶體平面的蝕刻速度依賴性。由于這個(gè)緣故，該非晶態(tài)允許對(duì)于該非晶AlN進(jìn)行各向同性的蝕刻該非結(jié)晶AlN的溫度升高，例如高達(dá)900℃或者更高使保持該基極層的晶體取向的非晶AlN結(jié)晶化。在該結(jié)晶過(guò)程中，一個(gè)比較高的位錯(cuò)密度被引入放置在結(jié)晶化中的AlN層。這種比較高的位錯(cuò)密度的引入因而緩和在網(wǎng)格常數(shù)中的差異，使得實(shí)質(zhì)上在AlN層中沒(méi)有裂縫。無(wú)裂縫AlN晶體層的相對(duì)高密度的位錯(cuò)也允許在無(wú)裂縫AlN晶體層上覆蓋化合物半導(dǎo)體的另一個(gè)無(wú)裂縫的生長(zhǎng)，這是由于從無(wú)裂縫基于氮化物的化合物半導(dǎo)體晶體層進(jìn)一步擴(kuò)散比較高的位錯(cuò)密度進(jìn)入覆蓋的化合物半導(dǎo)體層的緣故，并且在覆蓋的化合物半導(dǎo)體層中擴(kuò)展的該相對(duì)高密度的位錯(cuò)也緩和了在AlN晶體層和覆蓋的化合物半導(dǎo)體層之間網(wǎng)格常數(shù)的差異。該位錯(cuò)來(lái)源于由AlN晶體層的小角晶粒間界所引起的邊緣位錯(cuò)。該邊緣位錯(cuò)的擴(kuò)散徑直垂直于生長(zhǎng)面的平面。在該開(kāi)口中，沒(méi)有邊緣位錯(cuò)存在。由于這個(gè)緣故，在該開(kāi)口之內(nèi)和之上的該覆蓋化合物半導(dǎo)體具有無(wú)位錯(cuò)晶體完整性，同時(shí)在該插入位錯(cuò)的AlN晶體層之上的該覆蓋化合物半導(dǎo)體層也具有插入的位錯(cuò)晶體不完整性。
從而，在晶體狀態(tài)GaN基極層上的AlN的非晶狀態(tài)的生長(zhǎng)考慮到是有利于阻止或者抑制關(guān)于在網(wǎng)格常數(shù)中差異的任何形式的裂縫。
此外，在其結(jié)晶過(guò)程之前，氧原子被引入AlN非結(jié)晶層。在一個(gè)典型的實(shí)例中，其可以用于氧化該非結(jié)晶體層的表面。可以將氧引入到該AlN非晶層的至少一個(gè)上表面區(qū)域。在另一個(gè)典型的實(shí)例中，最遲在該AlN非結(jié)晶層被結(jié)晶之前，可以采用在該AlN非結(jié)晶層上出現(xiàn)一個(gè)氧化層，使得在AlN非晶層上的該氧化層抑制AlN非結(jié)晶層的Al原子的質(zhì)量交換。在一個(gè)優(yōu)選的例子中，該氧化層最好包括一個(gè)氧化物掩模，用于在部分的蝕刻的具有剩余的氧化物掩模AlN非晶層的結(jié)晶過(guò)程之前，用于蝕刻AlN非結(jié)晶層的刻蝕過(guò)程，使得該氧化物掩模抑制在結(jié)晶過(guò)程中的AlN非結(jié)晶層的Al原子的質(zhì)量交換。
有意引入的氧可以提供以下二個(gè)有益的效果。第一個(gè)有益的效果是實(shí)現(xiàn)期望的很好的平面表面形態(tài)。如上所述，在該部分地蝕刻的AlN非結(jié)晶層被結(jié)晶化之前，該AlN非結(jié)晶層部分被蝕刻。在部分蝕刻的AlN非結(jié)晶層的表層區(qū)或者在上部區(qū)域中出現(xiàn)的氧原子有助于抑制不想要的部分蝕刻的AlN非結(jié)晶層的Al原子的質(zhì)量交換。對(duì)于不需要的質(zhì)量交換的抑制防止結(jié)晶的AlN層表面的不平坦。即，對(duì)于不需要的質(zhì)量交換的抑制實(shí)現(xiàn)結(jié)晶的AlN層的無(wú)島狀物平坦的表面。該期望的結(jié)晶AlN層的無(wú)島狀物平坦的表面可以傳送給在該結(jié)晶的AlN層之上的覆蓋晶體層的表面，借此可以獲得期望的非常平坦的表面形態(tài)。
在部分蝕刻的AlN非結(jié)晶層的表層區(qū)之上或者在上部區(qū)域中氧原子的缺乏可以允許不需要的部分蝕刻的AlN非結(jié)晶層的Al原子的質(zhì)量交換。不需要的質(zhì)量交換的許可使得結(jié)晶的AlN層表面不平坦。即，不需要的質(zhì)量交換的許可導(dǎo)致一個(gè)不想要的島狀物，使該結(jié)晶的AlN層的表面不平坦。該不需要的結(jié)晶AlN層的類似于島狀物的不平坦的表面可以傳送給在該結(jié)晶的AlN層之上的覆蓋晶體層的表面，借此可以獲得任何不想要的不平坦的表面形態(tài)。
第二個(gè)有益的效果是實(shí)現(xiàn)電流漏泄的降低。如上所述，在結(jié)晶過(guò)程中，該結(jié)晶的AlN層具有相對(duì)高的位錯(cuò)密度，諸如邊緣位錯(cuò)。該相對(duì)高的位錯(cuò)密度允許泄漏電流去沿著該位錯(cuò)流動(dòng)。但是，在部分蝕刻的AlN非結(jié)晶層的表層區(qū)域上或者上部區(qū)域中存在的氧原子很可能在結(jié)晶過(guò)程中有選擇地定位該位錯(cuò)，借此該位錯(cuò)變?yōu)殡娦缘牟换顒?dòng)的，它減低了沿著該位錯(cuò)的電流泄漏。這使得該AlN晶體層適宜于作為電流限制層。
下面的實(shí)施例是用于實(shí)踐本發(fā)明的前述方面的典型的實(shí)例。雖然已經(jīng)詳細(xì)描述了本發(fā)明的主題，下面將參考附圖以一個(gè)或多個(gè)具有代表性的優(yōu)選實(shí)施例或者例子進(jìn)行附加的描述，以便使其容易明白用于實(shí)踐本發(fā)明上述方面的典型模式。
如上所述，本發(fā)明可以很好地應(yīng)用于各種各樣的半導(dǎo)體器件，其每個(gè)包括至少一個(gè)帶有至少一個(gè)開(kāi)口的基于氮化物的化合物半導(dǎo)體晶體層。另一個(gè)典型的實(shí)例是一個(gè)半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管。圖5是一個(gè)包括由本發(fā)明的新的方法形成的接觸層的半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管的片斷的截面正視圖。
在藍(lán)寶石襯底101的(0001)平面或者c表面之上提供一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管。在藍(lán)寶石襯底101的(0001)平面之上提供一個(gè)AlN緩沖層102。該AlN緩沖層102包括一個(gè)以低生長(zhǎng)溫度生長(zhǎng)的AlN層。該AlN緩沖層102具有20納米的厚度。在AlN緩沖層102之上提供一個(gè)GaN信道層103。該GaN信道層103具有1500納米的厚度。在GaN信道層103之上提供一個(gè)AlGaN隔板層104。該AlGaN隔板層104具有5納米的厚度。在AlGaN隔板層104之上提供一個(gè)Si摻雜的Al0.2Ga0.8N載流子施主層105。該Si摻雜的Al0.2Ga0.8N載流子施主層105具有20納米的厚度。該Si摻雜的Al0.2Ga0.8N載流子施主層105具有5E18cm-3的Si濃度。在Si摻雜的Al0.2Ga0.8N載流子施主層105之上有選擇地提供一個(gè)In0.05Ga0.95N肖特基層106。該In0.05Ga0.95N肖特基層106具有10納米的厚度。在Si摻雜的Al0.2Ga0.8N載流子施主層105之上有選擇地提供GaN接觸層110，其中該GaN接觸層110被In0.05Ga0.95N肖特基層106隔開(kāi)。該GaN接觸層110具有20納米的厚度。在GaN接觸層110上提供源極和漏極107和108。在In0.05Ga0.95N肖特基層106上提供一個(gè)柵電極109。該晶體管具有一個(gè)寬的凹口結(jié)構(gòu)，其中該GaN接觸層110被柵電極109之下的In0.05Ga0.95N肖特基層106隔開(kāi)。
按照常規(guī)的場(chǎng)效應(yīng)晶體管的平面結(jié)構(gòu)，該接觸層不僅在源極/漏極之下，而且在柵電極之下延伸。為了降低接觸電阻，增大接觸層的載流子濃度是有效的。但是，這種在接觸層的載流子濃度方面的增加，不僅在源極/漏極之下，而且也在柵電極之下增加載流子濃度。在柵電極之下的載流子濃度的增大使其不可能獲得想要的或者設(shè)計(jì)的晶體管特性。
與上述常規(guī)的場(chǎng)效應(yīng)晶體管的平面結(jié)構(gòu)對(duì)比，按照本發(fā)明的新的場(chǎng)效應(yīng)晶體管的寬的凹口結(jié)構(gòu)提供了下面的優(yōu)點(diǎn)。在該源極和漏極之下的接觸層在柵電極之下不延伸。即，在柵電極之下的接觸層與在源極和漏極之下的接觸層是隔開(kāi)的，使得其可能分別地和獨(dú)立地根據(jù)在柵電極之下的載流子濃度來(lái)確定在源極和漏極之下的接觸層的載流子濃度。由于這個(gè)緣故，設(shè)置在源極和漏極之下的接觸層的載流子濃度的靈活性或者自由度將會(huì)很高。這種設(shè)置在源極和漏極之下接觸層的載流子濃度的所期望的高靈活性允許充分提高接觸層的傳導(dǎo)率，并且也充分降低在接觸層和源極以及漏極之間的接觸電阻。
此外，該寬的凹口結(jié)構(gòu)提供了在柵電極之下場(chǎng)集中充足的緩和。這種緩和改善了場(chǎng)效應(yīng)晶體管的耐壓特性。
盡管該寬的凹口結(jié)構(gòu)提供了以上描述的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)閷?duì)于現(xiàn)有技術(shù)來(lái)說(shuō)難于實(shí)現(xiàn)所要求的非常精確的對(duì)于基于氮化物的化合物半導(dǎo)體諸如GaN用于形成接觸層的蝕刻，很難實(shí)現(xiàn)該寬的凹口結(jié)構(gòu)。
但是，本發(fā)明建立確定的有效的技術(shù)，用于實(shí)現(xiàn)所要求的對(duì)于基于氮化物的化合物半導(dǎo)體諸如GaN的非常精確的蝕刻，用于形成該寬的凹口結(jié)構(gòu)。
在圖5示出的上述分層結(jié)構(gòu)可以通過(guò)利用有機(jī)金屬的汽相取向附生獲得。例如，該緩沖層101一般可以在400-500℃范圍內(nèi)例如450℃的生長(zhǎng)溫度生長(zhǎng)。該隔板層104一般可以在1040-1100℃范圍內(nèi)，例如1080℃的生長(zhǎng)溫度生長(zhǎng)。該載流子供體層105一般可以在1040-1100℃范圍內(nèi)，例如1080℃的生長(zhǎng)溫度生長(zhǎng)。該肖特基層106一般可以在800-900℃范圍內(nèi)，例如840℃的生長(zhǎng)溫度生長(zhǎng)。用于接觸層110的該非結(jié)晶氮化物半導(dǎo)體層一般可以在200-500℃范圍內(nèi)，例如350℃的生長(zhǎng)溫度生長(zhǎng)。這樣的低溫生長(zhǎng)使得生長(zhǎng)的氮化物半導(dǎo)體層具有一個(gè)非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。
在一個(gè)典型的實(shí)例中，該GaN接觸層110可以如下獲得。GaN層在200-500℃范圍內(nèi)，最好是在300-400℃范圍內(nèi)的生長(zhǎng)溫度上生長(zhǎng)，使得該GaN層具有一個(gè)非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。然后該非晶體的GaN層通過(guò)利用任何有效的腐蝕劑進(jìn)行濕蝕刻，該腐蝕劑最好是包括磷酸鹽的腐蝕劑，甚至也許可能選擇性地和有利地混合其他的諸如硫酸的酸。磷酸鹽的含量最好是在腐蝕劑的總?cè)萘康捏w積百分比10-90的范圍之內(nèi)。在濕蝕刻處理之后，然后該部分或者有選擇地蝕刻的非晶體的GaN層優(yōu)選地經(jīng)歷在700-1300℃范圍內(nèi)的熱處理，并且最好進(jìn)一步是在900-1200℃范圍內(nèi)，以便使該部分或者有選擇地蝕刻的非晶體的GaN層結(jié)晶化以形成該晶體GaN接觸層110。
在該晶體GaN接觸層110已經(jīng)形成之后，然后形成該肖特基層106。將抗蝕膜施加在該肖特基層106上。該抗蝕膜然后經(jīng)歷一個(gè)暴光和后續(xù)的沖洗，以在肖特基層106之上形成光致抗蝕圖形。該肖特基層106受到選擇性的干蝕刻處理，例如，通過(guò)利用任何可用氣體，例如，Cl2氣的電子回旋共振等離子蝕刻處理，以在寬的凹口處形成該肖特基層106，其中該肖特基層106與該晶體GaN接觸層110在空間上隔開(kāi)。
第一金屬層的分層結(jié)構(gòu)根據(jù)所使用的電子槍蒸發(fā)的發(fā)射方法有選擇地沉積在該晶體GaN接觸層110上，其中第一金屬層的分層結(jié)構(gòu)包括具有10納米厚度的Ti層和具有200納米厚度的Al層。該第一金屬層的分層結(jié)構(gòu)然后經(jīng)歷在650℃溫度下的燈照亮熱處理30秒，借此在該晶體GaN接觸層110之上形成源極和漏極107和108。
此外，施加一個(gè)抗蝕膜，然后經(jīng)歷暴光和后續(xù)的沖洗以形成光致抗蝕圖形。第二金屬層的分層結(jié)構(gòu)根據(jù)所用電子槍蒸發(fā)的發(fā)射方法有選擇地沉積在該肖特基層106上，其中第二金屬層的分層結(jié)構(gòu)包括具有10納米厚度的Ni層和具有200納米厚度的Au層，從而在該肖特基層106之上形成該肖特基柵電極109。
從而，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)以上描述的期望的場(chǎng)效應(yīng)晶體管寬的凹口結(jié)構(gòu)，其中該寬的凹口結(jié)構(gòu)包括源極和漏極接觸層110，其源極和漏極具有提高的傳導(dǎo)率和降低的接觸電阻。該源極和漏極接觸層110被空間分開(kāi)或者遠(yuǎn)離肖特基柵電極109和肖特基層106，以提供在肖特基柵電極109之下所希望的場(chǎng)濃度的緩和。
例子1下面的例子1涉及在圖3示出的以上描述的實(shí)施例。一個(gè)具有(0001)平面和250微米厚度的N型GaN層通過(guò)利用小平面啟動(dòng)外延側(cè)面生長(zhǎng)過(guò)度方法在藍(lán)寶石襯底之上生長(zhǎng)，該方法被A.Usui等等在日本期刊應(yīng)用物理36(1997)L899公開(kāi)。在生長(zhǎng)該N型GaN層之后，然后該襯底經(jīng)歷冷卻過(guò)程，其中由于在GaN晶體和藍(lán)寶石晶體之間熱膨脹系數(shù)的顯著差異，該N型GaN層被從藍(lán)寶石襯底剝落，借此該襯底是一個(gè)具有200微米厚度的自由的GaN襯底。
為了形成器件結(jié)構(gòu)，使用一個(gè)低氣壓有機(jī)金屬汽相取向附生系統(tǒng)用于在300hPa的低氣壓之下的外延生長(zhǎng)。氫氣和氮?dú)獾幕旌蠚怏w被用作運(yùn)載氣體。三甲基鎵氣體(TMG)、三甲基鋁氣體(TMA)以及三甲基銦氣體(TMI)被分別用作對(duì)于Ga、Al以及In的源氣體。硅烷氣體(SiH4)被用作N型摻雜氣體。二環(huán)戊二烯基鎂(CP2Mg)被用作p型摻雜氣體。
然后進(jìn)行″多層構(gòu)造生長(zhǎng)處理″以形成一個(gè)N型鍍層、一個(gè)有源層、一個(gè)p型鍍層以及一個(gè)用于電流限制層的非晶AlN層。
多個(gè)N型GaN襯底301被放置在低氣壓有機(jī)金屬汽相取向附生系統(tǒng)的生長(zhǎng)腔中。襯底的溫度被提高直至生長(zhǎng)溫度，通過(guò)連續(xù)提供NH3進(jìn)入生長(zhǎng)腔，用于起動(dòng)一連串的″多層構(gòu)造生長(zhǎng)處理″。
一個(gè)帶有4E17cm-3Si濃度和1微米厚度的Si摻雜的N型GaN層302在襯底的溫度是1080℃的條件下在N型GaN襯底301之上生長(zhǎng)，TMG供應(yīng)速度是58微摩爾/分鐘，以及NH3供應(yīng)速度是0.36摩爾/分鐘。
一個(gè)帶有4E17cm-3Si濃度和2微米厚度的Si摻雜的N型Al0.1Ga0.9N鍍層303在襯底的溫度是1080℃的條件下在Si摻雜的N型GaN層302之上生長(zhǎng)，TMA供應(yīng)速度是36微摩爾/分鐘，TMG供應(yīng)速度是58微摩爾/分鐘，以及NH3供應(yīng)速度是0.36摩爾/分鐘。
一個(gè)帶有4E17cm-3的Si濃度和0.1微米厚度的Si摻雜的N型GaN光學(xué)限制層304在襯底的溫度是1080℃的條件下在Si摻雜的N型Al0.1Ga0.9N鍍層303之上生長(zhǎng)，TMG供應(yīng)速度是58微摩爾/分鐘，以及NH3供應(yīng)速度是0.36摩爾/分鐘。
三個(gè)循環(huán)交替的阱和阻擋層的分層的多量子阱層305在Si摻雜的N型GaN光學(xué)限制層304之上生長(zhǎng)。每個(gè)阱層包括一個(gè)未摻雜的In0.15Ga0.85N阱層，它具有3納米的厚度。每個(gè)阻擋層包括一個(gè)Si摻雜的N型In0.01Ga0.99N阻擋層，它具有4納米的厚度以及1E18cm-3的Si濃度。每個(gè)未摻雜的In0.15Ga0.85N阱層是在襯底的溫度是800℃的條件下生長(zhǎng)的，TMG供應(yīng)速度是8微摩爾/分鐘，NH3供應(yīng)速度是0.36摩爾/分鐘，以及TMI供應(yīng)速度是48微摩爾/分鐘。每個(gè)Si摻雜的N型In0.01Ga0.99N阻擋層是在襯底的溫度是800℃的條件下生長(zhǎng)的，TMG供應(yīng)速度是8微摩爾/分鐘，NH3供應(yīng)速度是0.36摩爾/分鐘，以及TMI供應(yīng)速度是3微摩爾/分鐘。
Mg摻雜的p型Al0.2Ga0.8N帽層306是在多量子阱層305之上，在襯底的溫度是1080℃的情況下生長(zhǎng)的，TMA供應(yīng)速度是36微摩爾/分鐘，TMG供應(yīng)速度是58微摩爾/分鐘，以及NH3供應(yīng)速度是0.36摩爾/分鐘。此外，具有0.1微米厚度和2E19cm-3的Mg濃度的Mg摻雜的p型GaN引導(dǎo)層307是在Mg摻雜的p型Al0.2Ga0.8N帽層306之上在襯底的溫度是1080℃的情況下生長(zhǎng)的，TMG供應(yīng)速度是58微摩爾/分鐘，以及NH3供應(yīng)速度是0.36摩爾/分鐘。
然后，將上面描述的多組的襯底經(jīng)歷多種的襯底溫度的降低處理，使得多個(gè)襯底具有200℃、300℃、400℃、500℃、600℃、700℃和1000℃的不同的溫度。在這些不同的襯底的溫度下，以36微摩爾/分鐘的TMA供應(yīng)速度，以及NH3供應(yīng)速度是0.36摩爾/分鐘，具有0.1微米均勻厚度的AlN層在多個(gè)襯底之上生長(zhǎng)。
然后通過(guò)掃描電子顯微鏡仔細(xì)觀察這些襯底之上的AlN層的表面。在600℃、700℃以及1000℃高溫生長(zhǎng)的在AlN層表面之上的某些裂縫能被觀察到。在200℃、300℃、400℃以及500℃低溫生長(zhǎng)的AlN層表面之上觀察到平面組織無(wú)任何裂縫。
然后將這些樣品經(jīng)歷θ-2θX射線衍射測(cè)量。圖4是一個(gè)示出θ-2θX射線衍射測(cè)量結(jié)果的示意圖，其中縱軸代表X射線輻射強(qiáng)度，同時(shí)橫軸代表生長(zhǎng)溫度。在(0002)衍射之后對(duì)應(yīng)的測(cè)量X射線強(qiáng)度并且繪制在圖4中。被證實(shí)在200℃溫度生長(zhǎng)的該AlN層示出(0002)大約5(cps)的衍射的X射線輻射強(qiáng)度。被證實(shí)在300℃溫度生長(zhǎng)的該AlN層示出(0002)大約5(cps)的衍射的X射線輻射強(qiáng)度。也被證實(shí)在400℃溫度生長(zhǎng)的該AlN層示出(0002)大約5(cps)的衍射的X射線輻射強(qiáng)度。也被證實(shí)在500℃溫度生長(zhǎng)的該AlN層示出(0002)大約10(cps)的衍射的X射線輻射強(qiáng)度。也被證實(shí)在600℃溫度生長(zhǎng)的該AlN層示出(0002)大約200(cps)的衍射的X射線輻射強(qiáng)度。也被證實(shí)在700℃溫度生長(zhǎng)的該AlN層示出(0002)超過(guò)1000(cps)的衍射的X射線輻射強(qiáng)度。也被證實(shí)在1000℃溫度生長(zhǎng)的該AlN層示出(0002)超過(guò)4000(cps)的衍射的X射線輻射強(qiáng)度。在低溫范圍200-500℃中生長(zhǎng)的AlN層的(0002)衍射的X射線強(qiáng)度是低于在1000℃高溫生長(zhǎng)的AlN層的(0002)衍射的X射線輻射強(qiáng)度的1/100。上述結(jié)果表明在低溫范圍200-500℃中生長(zhǎng)的該AlN層是處于非晶相之中。在生長(zhǎng)溫度從600℃增加時(shí)引起AlN層的晶體相增加。由于在AlN晶體和GaN晶體之間晶格常數(shù)的顯著差異，AlN層的晶體相的增加引起不需要的AlN層晶格結(jié)構(gòu)的應(yīng)變的增加。AlN層的晶格結(jié)構(gòu)的應(yīng)變的增加導(dǎo)致某些裂縫。因此，被證實(shí)在非晶相的狀態(tài)中用于生長(zhǎng)無(wú)裂縫AlN層的更可取的生長(zhǎng)溫度將是在200-500℃范圍內(nèi)。
在以上所述的″多層構(gòu)造生長(zhǎng)處理″之后，一個(gè)用于在非晶體的AlN層中形成一個(gè)條形開(kāi)口的″條形開(kāi)口形成處理″被執(zhí)行，但是僅對(duì)于包括在低溫200℃、300℃、400℃和500℃生長(zhǎng)的非晶體的AlN層的樣品。將一個(gè)具有100納米厚度的SiO2薄膜沉積在這些樣品的每一個(gè)的非晶體的AlN層上。然后在該SiO2薄膜上施加一個(gè)保護(hù)層。執(zhí)行光刻技術(shù)處理以在該SiO2薄膜之上形成光致抗蝕圖形。該光致抗蝕圖形具有一個(gè)2微米寬度的條形開(kāi)口。然后將該SiO2薄膜通過(guò)利用緩沖的氟酸性溶液作為腐蝕劑經(jīng)歷選擇性的濕蝕刻，并且該光致抗蝕圖形作為一個(gè)掩模。然后將該使用的光致抗蝕圖形通過(guò)有機(jī)溶劑從有選擇的蝕刻的SiO2薄膜的表面除去，繼之以水潔凈處理。在使用緩沖的氟酸性溶液、有機(jī)溶劑以及水清洗過(guò)程的以上所述過(guò)程期間，該非晶的AlN層免于任何損壞或者任何蝕刻。然后該非晶的AlN層通過(guò)利用有選擇地蝕刻作為掩模的SiO2薄膜經(jīng)歷選擇性的濕蝕刻，及80℃的具有1∶1體積比的磷酸鹽和硫酸鹽的混合物溶液熱腐蝕劑。該非晶的AlN層的一部分通過(guò)有選擇地蝕刻的SiO2薄膜的條形開(kāi)口對(duì)于熱腐蝕劑暴露10分鐘，借此在非晶體的AlN層中形成一個(gè)具有2微米寬度的條形開(kāi)口。在濕蝕刻過(guò)程中，位于非晶的AlN層之下的該晶體GaN層起蝕刻限制器的作用。然后將使用的有選擇地蝕刻的SiO2薄膜除去。由此，獲得具有想要的精細(xì)定義的條形開(kāi)口的該非晶體的AlN層。
為了比較，以上描述的對(duì)于在AlN層中形成該條形開(kāi)口的″條形開(kāi)口形成處理″被進(jìn)一步對(duì)于另一個(gè)包括在600℃和700℃高溫生長(zhǎng)的包含裂縫的AlN層的樣品進(jìn)行。包含磷酸鹽和硫酸鹽的混合腐蝕劑不僅通過(guò)有選擇地蝕刻SiO2薄膜的條形開(kāi)口進(jìn)行與包含裂縫的AlN層的暴露表面接觸，而且通過(guò)裂絕注入有選擇地蝕刻作為掩模的SiO2薄膜覆蓋的包含裂縫AlN層的未曝光的部分。因此，獲得具有不想要的粗糙劃定的條形開(kāi)口的該非晶體的AlN層。
因此，被證實(shí)在非晶體的狀態(tài)中用于允許要求精細(xì)地劃定條形開(kāi)口無(wú)裂縫AlN層的更可取的生長(zhǎng)溫度將是在200-500℃范圍內(nèi)。
如上所述，使用了包括磷酸鹽和硫酸鹽的混合物的80℃熱腐蝕劑。硫酸鹽被混合以調(diào)節(jié)蝕刻速度。該有選擇地作為掩模蝕刻的SiO2薄膜，以及位于無(wú)裂縫非晶體的AlN層之下的GaN層沒(méi)有被腐蝕劑蝕刻。因此證明一個(gè)期望的蝕刻選擇性。
為了比較，被證實(shí)假若腐蝕劑的溫度是低于50℃，那么不能獲得該AlN層任何有效的蝕刻速度。也被證實(shí)假若腐蝕劑的溫度是高于200℃，那么位于無(wú)裂縫非晶體的AlN層之下的該GaN層可能被蝕刻。因此，證實(shí)腐蝕劑的最好的溫度是在50-200℃范圍之內(nèi)。
雖然，在以上所述的典型實(shí)例中，該SiO2蝕刻掩膜被用于選擇性的濕蝕刻過(guò)程，假如該掩模材料不能被該腐蝕劑蝕刻，則SiNx或者包括抗蝕劑材料的有機(jī)材料是可用的。
在以上描述的″條形開(kāi)口形成處理″之后，然后執(zhí)行該″多層構(gòu)造重新生長(zhǎng)處理″用于在非晶的AlN層之上生長(zhǎng)p型AlGaN鍍層并且在非晶的AlN層的條形開(kāi)口之內(nèi)，以及進(jìn)一步在p型AlGaN鍍層之上生長(zhǎng)p型GaN接觸層。該襯底被再次放置在有機(jī)金屬的汽相取向附生系統(tǒng)的生長(zhǎng)腔中。襯底的溫度被提高直至1100℃生長(zhǎng)溫度，以及繼續(xù)以NH30.36摩爾/分鐘的供應(yīng)速度提供NH3進(jìn)入生長(zhǎng)腔，用于起動(dòng)一連串的″多層構(gòu)造重新生長(zhǎng)處理″。
一個(gè)帶有1E19cm-3的Mg濃度和0.5微米厚度的Mg摻雜的p型Al0.1Ga0.9N鍍層309在非晶的AlN層308之上和在非晶的AlN層308的條形開(kāi)口之內(nèi)，在襯底的溫度是1100℃的情況下生長(zhǎng)。TMA供應(yīng)速度是36微摩爾/分鐘，TMG供應(yīng)速度是58微摩爾/分鐘，以及NH3供應(yīng)速度是0.36摩爾/分鐘。
在該襯底的溫度被從1100℃降低至1080℃之后，然后具有1E20cm-3的Mg濃度和0.02微米厚度的Mg摻雜的p型GaN接觸層310在襯底的溫度是1080℃，TMG供應(yīng)速度是58微摩爾/分鐘和NH3供應(yīng)速度是0.36摩爾/分鐘的情況下，在Mg摻雜的p型Al0.1Ga0.9N鍍層309之上生長(zhǎng)。
然后通過(guò)掃描電子顯微鏡仔細(xì)觀察在這些襯底之上的該GaN接觸層的表面。被證實(shí)在這些襯底之上的GaN接觸層的表面無(wú)任何裂縫或者諸如凹點(diǎn)的缺陷。也被證實(shí)上述的具有條形開(kāi)口的AlN層被Mg摻雜的p型Al0.1Ga0.9N鍍層309和Mg摻雜的p型GaN接觸層310的疊層填蓋。也注意到Mg摻雜的p型GaN接觸層310具有大略平坦的表面，為此觀察到類似形狀的稍微波動(dòng)。
進(jìn)一步，通過(guò)透射電子顯微鏡觀察接近于AlN層308的條形開(kāi)口的樣品橫截面。被證實(shí)該AlN層308具有在5E10cm-2至1E12cm-2范圍內(nèi)的高密度的位錯(cuò)。也被證實(shí)覆蓋在AlN層308上的該Mg摻雜的p型AlGaN鍍層309除在AlN層308的條形開(kāi)口之上之外大體上具有在5E10cm-2至1E12cm-2范圍內(nèi)相同的高密度位錯(cuò)。即，被證實(shí)在該AlN層308的條形開(kāi)口之上的該Mg摻雜的p型AlGaN鍍層309無(wú)位錯(cuò)。進(jìn)一步被證實(shí)在到襯底表面的垂直方向中貫穿位錯(cuò)擴(kuò)散，但是僅僅從AlN層380向上。沒(méi)有觀察到貫穿位錯(cuò)從AlN層308向下的擴(kuò)散。作為以上觀察的結(jié)果，引入AlN層的高密度的位錯(cuò)緩和了AlN層的晶格變形，借此實(shí)現(xiàn)在AlN層之上無(wú)裂縫重新生長(zhǎng)。作為上述過(guò)程的結(jié)果，獲得用于激光二極管的晶片。
隨后，執(zhí)行″電極形成處理″以用于在獲得的激光二極管晶片上形成一個(gè)p電極和一個(gè)N電極。具有5納米厚度的Ti層通過(guò)真空噴鍍沉積在N型GaN襯底301的底面上。隨后，具有20納米厚度的Al層通過(guò)真空噴鍍沉積在Ti層上。進(jìn)一步，具有10納米厚度的Ni層通過(guò)真空噴鍍沉積在Mg摻雜的p型GaN接觸層310上。隨后，具有10納米厚度的Al層通過(guò)真空噴鍍沉積在Ni層上。
然后將該樣品晶片裝填進(jìn)一個(gè)快速熱退火系統(tǒng)，用于使該樣品晶片承受在600℃溫度下快速熱退火30秒，以便熔合Ti層和Al層，從而形成一個(gè)Ti-Al合金的電阻性接點(diǎn)以及Ni層和Al層混合物，從而形成另一個(gè)Ni-Al合金的電阻性接點(diǎn)。此外，具有500納米厚度的Au層通過(guò)真空噴鍍沉積在Ti-Al合金的電阻性接點(diǎn)上，以在該襯底301的底面上形成N電極312。此外，具有500納米厚度的另一個(gè)Au層也通過(guò)真空噴鍍沉積在Ni-Al合金電阻接點(diǎn)上，以在Mg摻雜的p型GaN接觸層310上形成p電極311。
該激光二極管晶片被在垂直于條形開(kāi)口縱向的平面劈開(kāi)，以形成無(wú)涂層的激光二極管碼片，它具有典型的500微米的空穴長(zhǎng)度。
然后將該獲得的無(wú)涂層的激光二極管碼片熔接接頭以散熱并觀察發(fā)光特性。在2.8kA/cm2的注入電流密度和4.7V的激勵(lì)電壓下產(chǎn)生激光發(fā)射。此外，在激光二極管碼片的20mW的輸出下可以觀察到遠(yuǎn)場(chǎng)圖形。證實(shí)遠(yuǎn)場(chǎng)圖形在垂直的和水平方向兩者中具有一個(gè)波峰，這證明實(shí)現(xiàn)了好的橫向模式控制。進(jìn)一步證實(shí)在水平方向的輻射角是12度，同時(shí)在垂直方向另一個(gè)輻射角是23度。這些關(guān)于輻射角的結(jié)果幾乎與通過(guò)假定該條形寬度是2微米獲得的模擬結(jié)果相吻合。這些表明該AlN層實(shí)際上起電流限制層的作用，它實(shí)現(xiàn)很高效率的載流子注入。
通過(guò)透射電子顯微鏡觀察上述獲得的激光二極管晶片剩余的橫截面部分。證實(shí)該AlN層具有單一晶體結(jié)構(gòu)。這表明當(dāng)執(zhí)行熱處理用于在該AlN層之上形成晶體層時(shí)，該AlN層的非晶狀態(tài)被轉(zhuǎn)換為單晶體狀態(tài)。
在這個(gè)第一個(gè)例子中，該非晶的AlN層在該光波導(dǎo)層上生長(zhǎng)。但是，本發(fā)明利用了在非晶體的基于氮化物的化合物半導(dǎo)體諸如非晶體的AlN，非晶體的GaN或者非晶體的InN和基于氮化物半導(dǎo)體晶體諸如GaN晶體或者AlGaN晶體之間材料參數(shù)的差異。因此，該非晶體的AlN層生長(zhǎng)在p型鍍層中或者之上是可能的。
該AlN層起電流限制層的作用，據(jù)此理由該AlN層具有絕緣性。但是，假如該電流限制層具有充分的絕緣性以允許該電流限制層顯示出要求的性能，作為修改該電流限制層的化合物半導(dǎo)體除了Al和N之外可以包括任何附加的成分諸如Ga、In以及B是可能的。
作為進(jìn)一步的修改，該電流限制層可以包括AlN層和GaN或者InN層的交替疊層也是可能的。
例子2以與例子1同樣的方法執(zhí)行該″多層狀結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)處理″，以形成上述的N型GaN緩沖層、上述的N型AlGaN鍍層、上述的N型GaN引導(dǎo)層、以及上述的InGaN多量子阱活動(dòng)層、上述的p型GaN引導(dǎo)層以及用于電流限制層的非晶的AlN層的疊層結(jié)構(gòu)。該非晶的AlN層的生長(zhǎng)在400℃的襯底溫度進(jìn)行。然后將該晶片裝載進(jìn)正常壓力的退火反應(yīng)器，并且提供1SLM的氧氣和4SLM的氮?dú)?，使該晶片的表面?00℃時(shí)氧化20分鐘。
隨后，以和例子1同樣的方法進(jìn)行該″條形開(kāi)口形成處理″方法，以在該非晶的AlN層中形成上述的條形開(kāi)口。
隨后，以和例子1同樣的方法執(zhí)行該″多層狀結(jié)構(gòu)重新生長(zhǎng)處理″，用于在表面氧化的非晶的AlN層之上和在非晶體的AlN層的該條形開(kāi)口之內(nèi)生長(zhǎng)上述的p型AlGaN鍍層，以及進(jìn)一步在p型AlGaN鍍層之上生長(zhǎng)上述的p型GaN接觸層。
隨后，以和例子1同樣的方法執(zhí)行該″電極形成處理″，用于在獲得的激光二極管晶片上形成上述的p電極和上述的N電極。
該獲得的激光二極管晶片通過(guò)該優(yōu)選的選擇蝕刻具有精細(xì)定形的開(kāi)口。因此，將這個(gè)激光二極管晶片在下文中稱為″樣品A″。在執(zhí)行濕蝕刻處理以用于在該表面氧化的非晶體的AlN層中形成條形開(kāi)口之前，除了非晶體的AlN層的表面被氧化之外，該″樣品A″是與例子1中優(yōu)選的激光二極管晶片相同的。
為了比較，形成另一個(gè)激光二極管晶片，其中該非晶體的AlN層是由一個(gè)未摻雜的GaN帽層覆蓋，而不是非晶體的AlN層的氧化表面。
以與例子1同樣的方法執(zhí)行該″多層狀結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)處理″，以形成上述的N型GaN緩沖層、上述的N型AlGaN鍍層、上述的N型GaN引導(dǎo)層、以及上述的InGaN多量子阱活動(dòng)層、上述的p型GaN引導(dǎo)層以及用于電流限制層的非晶的AlN層的疊層結(jié)構(gòu)。該非晶的AlN層的生長(zhǎng)在400℃的襯底溫度上執(zhí)行。隨后，一個(gè)具有0.1微米厚度的未摻雜的GaN帽層進(jìn)一步在非晶的AlN層上在400℃的襯底溫度上生長(zhǎng)。在未摻雜的GaN帽層的生長(zhǎng)過(guò)程期間，TMG和NH3被分別以7微摩爾/分鐘和0.36摩爾/分鐘的供應(yīng)速度提供。
隨后，以和例子1同樣的方法被執(zhí)行該″條形開(kāi)口形成處理″，以在該非晶體的AlN層中和在覆蓋非晶體的AlN層的未摻雜的GaN層中形成上述的條形開(kāi)口。
隨后，以和例子1同樣的方法執(zhí)行該″多層狀結(jié)構(gòu)重新生長(zhǎng)處理″，以在覆蓋非晶體的AlN層的未摻雜的GaN帽層之上和在該條形開(kāi)口之內(nèi)生長(zhǎng)上述的p型AlGaN鍍層，以及進(jìn)一步在p型AlGaN鍍層之上生長(zhǎng)上述的p型GaN接觸層。
隨后，以和例子1同樣的方法執(zhí)行該″電極形成處理″，以在獲得的激光二極管晶片上形成上述的p電極和上述的N電極。
所獲得的激光二極管晶片通過(guò)該優(yōu)選的選擇蝕刻具有精細(xì)定形的開(kāi)口。將這個(gè)激光二極管晶片在下文中稱為″樣品B″。在執(zhí)行濕刻蝕過(guò)程以在該表面氧化的非晶的AlN層中形成條形開(kāi)口之前，除了該非晶的AlN層的表面被未摻雜的GaN帽層覆蓋之外，該″樣品B″與例子1中優(yōu)選的激光二極管晶片是相同的。
為了進(jìn)一步比較，再形成一個(gè)激光二極管晶片，其中該非晶體的AlN層既不氧化也不被未摻雜的GaN帽層覆蓋。即，該激光二極管晶片是與在例子1中的晶片相同的，其中該AlN非晶體的層是在400℃的溫度下生長(zhǎng)的。
因此，以與例子1同樣的方法執(zhí)行該″多層狀結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)處理″，以形成上述的N型GaN緩沖層、上述的N型AlGaN鍍層、上述的N型GaN引導(dǎo)層、以及上述的InGaN多量子阱活動(dòng)層、上述的p型GaN引導(dǎo)層以及用于電流限制層的非晶的AlN層的疊層結(jié)構(gòu)。該非晶的AlN層的生長(zhǎng)是在400℃的襯底溫度下進(jìn)行。
隨后，以和例子1同樣的方法執(zhí)行該″條形開(kāi)口形成處理″，以在該非晶的AlN層中形成上述的條形開(kāi)口。
隨后，以和例子1同樣的方法執(zhí)行該″多層狀結(jié)構(gòu)重新生長(zhǎng)處理″，用于在非晶的AlN層之上和在該條形開(kāi)口之內(nèi)生長(zhǎng)上述的p型AlGaN鍍層，并進(jìn)一步在p型AlGaN鍍層之上生長(zhǎng)上述的p型GaN接觸層。
隨后，以和例子1同樣的方法執(zhí)行該″電極形成處理″，以在獲得的激光二極管晶片上形成上述的p電極和上述的N電極。
所獲得的激光二極管晶片通過(guò)優(yōu)選的選擇蝕刻具有精細(xì)定形的開(kāi)口。將這個(gè)激光二極管晶片在下文中稱為″樣品C″。該″樣品C″是與在例子1中優(yōu)選的激光二極管半導(dǎo)體薄片相同的，假如該AlN非晶體的層是在400℃的溫度下生長(zhǎng)的。
然后對(duì)各個(gè)樣品″樣品A″、″樣品B″以及″樣品C″進(jìn)行SIMS測(cè)量。證實(shí)″樣品A″和″樣品C″在AlN層的氧濃度是較高的，例如，″樣品A″具有4E19cm-3的氧濃度峰值，以及″樣品C″具有8E18cm-3的氧濃度峰值。也證實(shí)″樣品B″在AlN層和未摻雜的GaN帽層之間的界面上具有一個(gè)2E17cm-3的氧濃度峰值。
雖然一系列上述的用于形成″樣品C″的處理不包括任何氧化處理，但″樣品C″的AlN層具有比較高的氧濃度峰值。這表明在用于選擇性的濕蝕刻處理的AlN層之上形成作為掩模的SiO2薄膜的過(guò)程期間，氧氣被引入AlN層或者該AlN層的表面而被氧化。
如上所述，即使對(duì)″樣品B″和樣品C″兩者的處理不包括任何氧化過(guò)程與″樣品C″相比較″樣品B″的AlN層具有較低的氧濃度峰值。這表明在用于在未摻雜的GaN帽層之上形成作為掩模的SiO2薄膜期間，對(duì)于選擇性的濕蝕刻過(guò)程，以有選擇地蝕刻位于該未摻雜的GaN帽層之下的AlN層，引入覆蓋AlN層的未摻雜的GaN帽層或者該未摻雜的GaN帽層的表面以氧被氧化。進(jìn)一步，其證實(shí)該未摻雜的GaN帽層的氧化表面消失，使得顯現(xiàn)出AlN層的清潔表面。
觀察所獲得的晶片的表面形態(tài)。對(duì)于″樣品C″觀察到在該AlN層之上類似的波動(dòng)組織。對(duì)于″樣品A″觀察到一個(gè)非常平的表面。對(duì)于″樣品B″觀察到一個(gè)包括類似疵點(diǎn)的坑粗糙的表面。如上所述，在AlN層的頂端界面上，該″樣品A″具有最高的氧濃度。在AlN層的頂端界面上，該″樣品C″具有次高的氧濃度。在AlN層的頂端界面上，該″樣品B″具有最低的氧濃度。上述觀察的表面形態(tài)的結(jié)果表明對(duì)表面平面化的改善，在ALN層的頂端界面上的氧濃度高時(shí)是有效的。在ALN層的頂端界面上或者上表面上存在氧氣將有助于抑制在非晶的AlN層的結(jié)晶過(guò)程中Al原子的質(zhì)量交換。對(duì)于質(zhì)量交換的有效抑制將抑制表面的粗糙性。
此外，對(duì)上述激光二極管碼片″樣品A″、″樣品B″以及″樣品C″進(jìn)行下列電流漏泄的附加研究。將一個(gè)200微米乘200微米的無(wú)條形開(kāi)口區(qū)域的正方形從每個(gè)上述的激光二極管碼片″樣品A″、″樣品B″以及″樣品C″上剪下。對(duì)從″樣品A″、″樣品B″以及″樣品C″部位切割的相應(yīng)的正方形測(cè)量泄漏電流。證實(shí)在施加+5V電壓給p型電極時(shí)，從″樣品B″部位切割的正方形示出2.1mA的漏電流。但是，證實(shí)當(dāng)施加+30V的高電壓給p型電極時(shí)，從″樣品A″部位切割的正方形示出低得多的1.0微A的漏電流。也證實(shí)當(dāng)施加+30V的高電壓給p型電極時(shí)，從″樣品C″部位切割的正方形示出低得多的3.0微A的漏電流。上述測(cè)量的泄漏電流的結(jié)果表明對(duì)于抑制泄漏電流，在ALN層的頂端界面上高的氧濃度是有效的。在ALN層的頂端界面上或者上表面上存在氧氣將有效地幫助抑制貫穿AlN層的頂端表面的所有的電流泄漏。
在這個(gè)第二個(gè)例子中，該非晶的AlN層是在光波導(dǎo)層上生長(zhǎng)。但是，本發(fā)明可以利用基于氮化物半導(dǎo)體的非晶的諸如非晶的AlN，非晶的GaN或者非晶體的InN和基于氮化物的化合物半導(dǎo)體晶體諸如GaN晶體或者AlGaN晶體之間材料參數(shù)的差異。因此，該非晶體的AlN層可能生長(zhǎng)在p型鍍層中或者之上。
該AlN層用作電流限制層，據(jù)此理由，該AlN層具有一個(gè)絕緣性。但是，假如該電流限制層可以具有充分的絕緣性以允許該電流限制層表示出要求的性能，作為修改該電流限制層的化合物半導(dǎo)體除了Al和N之外可以包括任何附加的成分諸如Ga、In以及B是可能的。
作為進(jìn)一步的修改，該電流限制層可以包括AlN層和GaN或者InN層的交替疊層也是可能的。
在第二個(gè)實(shí)施例中，對(duì)于AlN層可能通過(guò)或者在含氧的大氣中退火或者沉積一個(gè)SiO2薄膜執(zhí)行氧化處理。作為修改去暴露非晶的AlN層的表面到大氣或者空中也是可利用的。
例子3在非晶的GaN層受到選擇性的濕蝕刻之前，通過(guò)利用單晶體GaN層作為一個(gè)蝕刻限制器，以及通過(guò)利用以1∶1比率包含磷酸鹽和硫酸鹽的95℃熱的腐蝕劑，在單一晶體GaN層上在350℃溫度下生長(zhǎng)一個(gè)非晶的GaN層。蝕刻速度是在20-40分鐘時(shí)間范圍內(nèi)蝕刻0.1微米深度。當(dāng)單晶體GaN層的表面位于非晶體的GaN層之下的時(shí)候，該濕板蝕刻處理被終止，借此獲得一個(gè)″樣品D″。
類似地，在非晶體的GaN層受到選擇性的濕蝕刻之前，通過(guò)利用單晶體GaN層作為一個(gè)蝕刻限制器，以及通過(guò)利用以1∶1比率包含磷酸鹽和硫酸鹽的95℃相同的熱的腐蝕劑，在另一個(gè)單一晶體GaN層上在400℃不同溫度下生長(zhǎng)另一個(gè)非晶體的GaN層。侵蝕速度是在20-40分鐘的時(shí)間范圍內(nèi)蝕刻0.1微米深度。當(dāng)單晶體GaN層的表面位于非晶的GaN層之下的時(shí)候，該濕刻蝕過(guò)程被終止，借此獲得一個(gè)″樣品E″。
類似地，在非晶體的GaN層受到選擇性的濕蝕刻之前，通過(guò)利用單晶體GaN層作為一個(gè)蝕刻限制器，以及通過(guò)利用以1∶1比率包含磷酸鹽和硫酸鹽的95℃相同的熱的腐蝕劑，在另一個(gè)單晶體GaN層上在不同的450 ℃溫度下生長(zhǎng)另一個(gè)非晶體的GaN層。與″樣品D″和″樣品E″相比較蝕刻速度是非常緩慢的。當(dāng)單晶體GaN層的表面位于非晶體的GaN層之下的時(shí)候，該濕刻蝕過(guò)程被終止，借此獲得一個(gè)″樣品F″。
然后將該獲得的″樣品D″和″樣品E″在1100℃溫度下進(jìn)行熱處理。該熱處理過(guò)的″樣品D″和″樣品E″通過(guò)透射電子顯微鏡觀察。證實(shí)對(duì)于每個(gè)熱處理過(guò)的″樣品D″和″樣品E″，覆蓋GaN層的非晶相被轉(zhuǎn)換為單晶體相狀態(tài)。
因此，這個(gè)例子表明在位于非晶體的GaN層之下的晶體GaN蝕刻限制器層之上有選擇地蝕刻未摻雜的非晶的GaN層是可能的。
此外，觀察摻雜進(jìn)入非晶的GaN層摻雜的所有影響。在非晶態(tài)的Si摻雜的GaN層進(jìn)行選擇性的濕蝕刻之前，通過(guò)利用單晶體GaN層作為一個(gè)蝕刻限制器，以及通過(guò)利用以1∶1比率包含磷酸鹽和硫酸鹽的95℃熱的腐蝕劑，在單個(gè)晶體GaN層上在350℃溫度下生長(zhǎng)具有大約1E19cm-3的Si濃度的一個(gè)非晶體的Si摻雜的GaN層。侵蝕速度是在20-40分鐘時(shí)間范圍內(nèi)蝕刻0.1微米深度。當(dāng)單晶體GaN層的表面位于非晶體的Si摻雜的GaN層之下的時(shí)候，該濕刻蝕過(guò)程被終止，借此獲得一個(gè)″樣品G″。
類似地，在非晶的Si摻雜的GaN層進(jìn)行選擇性的濕蝕刻之前，通過(guò)利用單晶體GaN層作為一個(gè)蝕刻限制器，以及通過(guò)利用以1∶1比率包含磷酸鹽和硫酸鹽的95℃相同的熱的腐蝕劑，在另一個(gè)單晶體GaN層上在400℃溫度不同溫度下生長(zhǎng)另一個(gè)具有大約1E19cm-3的Si濃度的非晶體的Si摻雜的GaN層。侵蝕速度是在20-40分鐘范圍內(nèi)蝕刻0.1微米深度。當(dāng)單晶體GaN層的表面位于非晶體的Si摻雜的GaN層之下的時(shí)候，該濕刻蝕過(guò)程被終止，借此獲得一個(gè)″樣品H″。
類似地，在非晶體的Si摻雜的GaN層進(jìn)行選擇性的濕蝕刻之前，通過(guò)利用單晶體GaN層作為一個(gè)蝕刻限制器，以及通過(guò)利用以1∶1比率包含磷酸鹽和硫酸鹽的95℃相同的熱的腐蝕劑，在再一個(gè)單晶體GaN層上在450℃的不同溫度下生長(zhǎng)另一個(gè)具有大約1E19cm-3的Si濃度的Si摻雜的的非晶的GaN層。與″樣品G″和″樣品H″相比較該蝕刻速度是非常緩慢的。當(dāng)單晶體GaN層的表面位于非晶體的Si摻雜的GaN層之下的時(shí)候，該濕刻蝕過(guò)程被終止，借此獲得一個(gè)″樣品I″。
然后對(duì)該獲得的″樣品G″和″樣品H″在1100 ℃溫度下進(jìn)行熱處理。該熱處理過(guò)的″樣品G″和″樣品H″通過(guò)透射電子顯微鏡觀察，證實(shí)對(duì)于每個(gè)熱處理過(guò)的″樣品G″和″樣品H″，覆蓋Si摻雜的GaN層的非晶態(tài)被轉(zhuǎn)換為單晶體狀態(tài)。
因此，這個(gè)研究表明在位于非晶體的GaN層之下的晶體GaN蝕刻限制器層之上有選擇地蝕刻高度摻雜非晶體的GaN層是可能的。
雖然結(jié)合幾個(gè)優(yōu)選實(shí)施例已經(jīng)如上所述了本發(fā)明，應(yīng)該理解這些實(shí)施例僅僅是提供舉例說(shuō)明本發(fā)明，而不具有限制意義。在閱讀了本申請(qǐng)之后，等效材料和技術(shù)的眾多的修改和替換對(duì)于那些本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)將是非常顯而易見(jiàn)的，并且所有的諸如此類的修改和替換明顯地應(yīng)理解為落在所附權(quán)利要求的精神和范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種形成基于氮化合物的半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)的方法，該方法包括步驟在一個(gè)基底層上形成基于氮化合物半導(dǎo)體的非晶體層；至少在所述非晶體層上或在所述非晶體層中有氧氣存在；選擇地蝕刻所述非晶體層以形成至少一個(gè)開(kāi)口，借此形成部分蝕刻的非晶體層；和在存在氧氣時(shí)結(jié)晶所述部分蝕刻的非晶體層，以便形成部分蝕刻的基于氮化合物的半導(dǎo)體晶體層，以及允許氧氣的存在來(lái)抑制所述基于氮化合物半導(dǎo)體的至少一種類型的原子的質(zhì)量交換；其中，所述部分蝕刻的基于氮化合物的半導(dǎo)體晶體層的一氧引入?yún)^(qū)域具有至少為8E18cm-3的氧濃度。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述結(jié)晶所述部分蝕刻的非晶體層的步驟包括在一定溫度下，在所述部分蝕刻的非晶體層上形成一個(gè)附加的化合物半導(dǎo)體晶體層的步驟，該溫度引起所述部分蝕刻的非晶體層被結(jié)晶。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述蝕刻至少一部分所述非晶體層的步驟包括通過(guò)使用一種包含磷酸鹽的蝕刻劑來(lái)完成一種各向同性蝕刻的步驟。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述基于氮化合物的半導(dǎo)體包括由InxGayAl1-x-yN(0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1)表示的一個(gè)第III主族氮化合物半導(dǎo)體。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中在一個(gè)晶體基底層上形成的所述非晶體層，當(dāng)所述至少一部分所述非晶體層被蝕刻時(shí)它作為一個(gè)蝕刻停止器。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其中所述晶體基底層包括一個(gè)GaN層，以及，所述基于氮化合物的半導(dǎo)體晶體層包括由AlαGa1-αN(0≤α≤1)表示的一個(gè)第III主族氮化合物半導(dǎo)體。
7.如權(quán)利要求5所述的方法，其中所述晶體基底層包括由AlβGa1-βN(0≤β≤1)表示的一個(gè)第III主族氮化合物半導(dǎo)體層，且所述基于氮化合物的半導(dǎo)體晶體層包括一個(gè)GaN層。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其中在溫度范圍200-700℃中形成所述非晶體層。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述結(jié)晶所述部分蝕刻的非晶體層的步驟是在溫度范圍700-1300℃中完成的。
10.如權(quán)利要求2所述的方法，其中所述部分蝕刻的基于氮化合物的半導(dǎo)體晶體層和在所述部分蝕刻的基于氮化合物的半導(dǎo)體晶體層上的所述附加的化合物半導(dǎo)體晶體層具有至少1E10cm-2的位錯(cuò)密度。
11.一種半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)，包括基底層；形成在所述基底層上的基于氮化合物的半導(dǎo)體層；以及形成在所述基于氮化合物的半導(dǎo)體層上的至少一個(gè)開(kāi)口，由此形成部分蝕刻的基于氮化合物的半導(dǎo)體層；其中所述至少一個(gè)開(kāi)口具有一個(gè)蝕刻的墻壁；其中，所述部分蝕刻的基于氮化合物的半導(dǎo)體晶體層的一氧引入?yún)^(qū)域具有至少為8E18cm-3的氧濃度。
12.如權(quán)利要求11所述的半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)，其中所述基于氮化合物的半導(dǎo)體層包括AlαGa1-αN(0≤α≤1)。
13.如權(quán)利要求11所述的半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)，其中所述基于氮化合物的半導(dǎo)體層具有至少1E10cm-2的位錯(cuò)密度。
14.如權(quán)利要求11所述的半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)，其中所述基于氮化合物的半導(dǎo)體層作為一個(gè)頂部鍍層，以及所述基于氮化合物的半導(dǎo)體層作為一個(gè)電流限制層。
全文摘要
一種形成部分蝕刻的基于氮化物半導(dǎo)體晶體層的方法，包括以下步驟，形成一個(gè)基于氮化物半導(dǎo)體的非晶體層。在部分蝕刻的非晶體層被結(jié)晶之前，蝕刻至少一部分非晶體層以形成一部分蝕刻的非晶體層，從而形成部分蝕刻的基于氮化物的半導(dǎo)體晶體層。
文檔編號(hào)H01L21/20GK1870221SQ200610091279
公開(kāi)日2006年11月29日 申請(qǐng)日期2002年9月3日 優(yōu)先權(quán)日2001年9月3日
發(fā)明者笹岡千秋 申請(qǐng)人:日本電氣株式會(huì)社