用于生長Ⅲ族氮化物半導體層的方法

專利名稱：用于生長Ⅲ族氮化物半導體層的方法
技術領域：
本發明主要涉及一種用于生長III族氮化物半導體層的方法，更具體而言，涉及一種采用大面積的薄藍寶石襯底制造III族氮化物半導體發光器件的方法。所述III族氮化物半導體發光器件是指諸如包含由Al(X)fei(y)In(l-X-y) N(0彡χ彡1，0彡y彡1，0彡x+y彡1)構成的III族氮化物半導體層的發光二極管等發光器件，所述III族氮化物半導體發光器件還可包含由其他族的元素構成的材料(如SiC、 SiN, SiCN和CN)，或由這些材料制成的半導體層。
背景技術：
本部分提供了本發明相關的背景信息，其不一定是現有技術。圖1是示出了常規III族氮化物半導體發光器件的一個實例的視圖。所述III族氮化物半導體發光器件包括襯底100、在襯底100上生長的緩沖層200、在緩沖層200上生長的η型III族氮化物半導體層300、在η型III族氮化物半導體層300上生長的有源層400、在有源層400上生長的ρ型III族氮化物半導體層500、在ρ型III族氮化物半導體層500上形成的ρ側電極600、在ρ側電極600上形成的ρ側焊盤700、在通過臺面刻蝕 P型III族氮化物半導體層500和有源層400而露出的η型III族氮化物半導體層300上形成的η側電極800，以及保護膜900。就襯底100而言，GaN類襯底可用作同質襯底，而藍寶石襯底、SiC襯底或Si襯底可用作異質襯底。不過，可以使用在其上能夠生長有III族氮化物半導體層的任何類型的襯底。在使用SiC襯底的情況下，可在SiC襯底一側上形成η側電極800。在襯底100上生長的III族氮化物半導體層一般通過金屬有機化學氣相沉積 (MOCVD)來生長。緩沖層200用來克服異質襯底100和III族氮化物半導體之間的晶格常數和熱膨脹系數的差異。美國專利第5，122，845號描述了一種在380°C 800°C的溫度下在藍寶石襯底上生長厚度為100 A 500 A的AlN緩沖層的技術。另外，美國專利第5，290, 393號描述了一種在200°C 900°C的溫度下在藍寶石襯底上生長厚度為10 A 5000 A的Al (x)Ga(l-x) Ν(0^χ< 1)緩沖層的技術。此外，美國專利公報第2006/1M4M號描述了一種在600°C 990°C的溫度下生長SiC緩沖層(晶種層)并在其上生長^i(X) Ga (1-x) N(0<x彡1)的技術。優選的是，在η型III族氮化物半導體層300生長之前生長未摻雜的GaN層。所述GaN 層可視為緩沖層200的一部分或η型III族氮化物半導體層300的一部分。在η型III族氮化物半導體層300中，至少η側電極800區域(η型接觸層)摻雜有摻雜劑。優選的是，所述η型接觸層由GaN制成并摻雜有Si。美國專利第5，733，796號描述了一種通過調節Si和其他源材料的混合比而以目標摻雜濃度摻雜η型接觸層的技術。有源層400通過電子和空穴的復合產生光量子(光)。通常，有源層400包含h (χ) Ga(l-x)N(0 < χ彡1)并具有單量子阱或多量子阱。P型III族氮化物半導體層500摻雜有諸如Mg等合適的摻雜劑，并通過激活過程而具有P型導電性。美國專利第5，247, 533號描述了一種通過電子束輻照激活ρ型III族氮化物半導體層的技術。此外，美國專利第5，306，662號描述了一種通過至少400°C的退火來激活P型III族氮化物半導體層的技術。美國專利公報第2006/157714號描述了一種通過將氨和胼類源材料一起用作氮前體來生長P型III族氮化物半導體層，從而在無需激活過程的情況下提供具有P型導電性的P型III族氮化物半導體層的技術。提供P側電極600來促進電流供應給整個ρ型III族氮化物半導體層500。美國專利第5，563，422號描述了一種與透光性電極相關的技術，所述透光性電極由Ni和Au制成，并形成在P型III族氮化物半導體層500的幾乎整個表面上，與ρ型III族氮化物半導體層500歐姆接觸。另外，美國專利第6，515，306號描述了一種在ρ型III族氮化物半導體層上形成η型超晶格層并隨后在其上形成由ITO制成的透光性電極的技術。同時，ρ側電極600可足夠厚至不透光而使光向襯底反射。該技術稱為倒裝芯片技術。美國專利第6，194，743號描述了一種與電極結構體相關的技術，所述電極結構體包括厚度至少為20nm的Ag層、覆蓋所述Ag層的擴散阻擋層和含有Au和Al并覆蓋所述擴散阻擋層的結合層。提供ρ側焊盤700和η側電極800來用于電流供應和外部引線接合。美國專利第 5，563，422號描述了一種用Ti和Al形成η側電極的技術。保護膜900由SW2制成，其也可以被省略。同時，η型III族氮化物半導體層300或ρ型III族氮化物半導體層500可由單層或多層構成。近來，提出了一種通過采用激光或濕法刻蝕除去III族氮化物半導體層上的襯底100而制造立式發光器件的技術。圖2是示出了常規MOCVD裝置的一個實例的視圖。在反應器1中，襯底100放置在基座2的凹坑3中。反應器1的溫度由設置在基座2下的加熱器4控制，并且通過經由供應管5提供生長用原料(反應氣體)來生長III族氮化物半導體層。美國專利第5，334，277 號提出了此類MOCVD裝置的實例。對于常規III族氮化物半導體發光器件而言，主要采用作為異質襯底的藍寶石 (Al2O3)襯底。藍寶石襯底與III族氮化物半導體層在晶格常數和熱膨脹系數上存在差異。 而且，在藍寶石襯底上生長III族氮化物半導體層時，因為晶格常數和熱膨脹系數的差異而可能會出現晶體缺陷和彎曲。一種用于消除這些晶體缺陷和彎曲的常規方法是引入如上所述的緩沖層200。近年來，襯底的面積變得更大(例如，從2英寸變為4英寸)以得到更好的生產率。 因此，諸如其上生長有III族氮化物半導體層的襯底(在下文中為“晶片”)的彎曲和難以控制整個彎曲晶片的發射波長等問題越來越顯著。為了解決這些問題，已經提出的方案包括通過采用厚藍寶石襯底(例如，至少800μπι)或采用內凹的基座凹坑來向彎曲襯底均勻供熱來抑制襯底的彎曲。然而，采用厚藍寶石襯底對后續工序施加了很多限制，而采用內凹坑(concave pocket)不能構成消除襯底彎曲的根本解決方案。

發明內容
[技術問題]本發明要解決的問題將在下文實施本發明的具體實施方式
部分加以描述。
[技術方案]本部分提供了本發明的總體概要，而不是其全部范圍和全部特征的全面公開。根據本發明的一個方面，用于在襯底上生長III族氮化物半導體層的方法包括 在至少一個方向上抑制襯底內凹彎曲的抑制步驟；和當襯底處于所述抑制步驟的同時生長 III族氮化物半導體層以與襯底結合的生長步驟。[有益效果]使用本發明用于生長III族氮化物半導體層的方法，可采用大面積的薄襯底。另外，使用本發明用于生長III族氮化物半導體層的另一方法，可采用大面積的薄襯底，同時防止破損。此外，使用本發明用于生長III族氮化物半導體層的又一方法，可采用大面積的薄襯底，所述薄襯底具有窄范圍的發射波長分布。


圖1是示出了常規III族氮化物半導體發光器件的一個實例的視圖；圖2是示出了常規MOCVD裝置的一個實例的視圖；圖3是示出了根據本發明用于描述生長方法的失效例(failure)的一個實例的照片；圖4是示出了在III族氮化物半導體層生長期間晶片彎曲度的變化的一個實例的曲線圖；圖5是示出了在η型氮化物半導體層生長完成后晶片的厚度分布圖；圖6是示出了具有圖5所示輪廓的晶片的發射波長分布的一個實例圖；圖7是示出了本發明用于生長III族氮化物半導體層的MOCVD裝置的一個實例的視圖；圖8是示出了實際加熱器的一個實例的照片；圖9是示出了本發明的η型氮化物半導體層生長完成后晶片的厚度分布圖；和圖10是示出了具有圖9所示輪廓的晶片的發射波長分布的一個實例圖。
具體實施例方式現在參照附圖詳細地描述本發明。圖3是示出了根據本發明用于描述生長方法的失效例的一個實例的照片，其顯示了在約600 μ m厚的4英寸藍寶石襯底上生長III族氮化物半導體層后反應器的內部。襯底或晶片100原樣地位于基座2的凹坑3中，而襯底或晶片IOOa受到破損。晶片IOOa的破損由晶片在生長期間因藍寶石襯底和III族氮化物半導體之間的晶格常數和熱膨脹系數的差異而發生的彎曲引起。圖4是示出了在III族氮化物半導體層生長期間晶片彎曲率的變化的一個實例的曲線圖。在III族氮化物半導體層生長之前，藍寶石襯底100在加熱(例如，在IlO(TC)時發生嚴重內凹彎曲。可意識到，這種內凹彎曲由藍寶石襯底100的直接加熱底面與藍寶石襯底100的供氣頂面之間的溫度差引起。該預處理之后，降低溫度(例如，到550°C)以生長緩沖層200，這會減小晶片的彎曲。再次升高溫度以進行由GaN和GaN制成的未摻雜η型氮化物半導體層300的生長。 在此過程中，晶片彎曲增大，并且晶片的內凹彎曲量隨η型氮化物半導體層300的生長而增大。可意識到，晶片的內凹彎曲由晶片的頂面和底面之間的溫差以及藍寶石襯底100和III 族氮化物半導體層300之間的晶格常數和熱膨脹系數的差異引起。接下來，降低溫度(例如，到810°C)以進行由hGaN制成的有源層400的生長，這會減小晶片的彎曲。再次升高溫度(例如，到900°C )以進行由GaN制成的ρ型氮化物半導體層500的生長。在此過程中，在P型氮化物半導體層500的生長期間，晶片彎曲繼續增大。在III族氮化物半導體層的生長完成后，降低溫度。結果，晶片彎曲減小，并且晶片最終變得凸起。圖5是示出了 η型氮化物半導體層的生長完成后晶片的厚度分布圖。晶片整體上具有對稱內凹形狀。這是III族氮化物半導體層在C面藍寶石襯底上生長時出現的一種常見的物理現象。另一方面，如果III族氮化物半導體層在A面藍寶石襯底上生長，晶片將不對稱彎曲。在低溫下生長有源層400時會使彎曲晶片的輪廓保持平坦。在由基座下設置的加熱器加熱晶片時，這將造成晶片中心和晶片邊緣之間的溫度不均勻(因為晶片邊緣變得遠離基座)，并且最終導致最終生成的發光器件的發射波長不均勻。圖6是示出了具有圖5所示輪廓的晶片的發射波長分布的一個實例圖。該晶片具有寬范圍的發射波長分布，即420nm 457nm，因此，難以將該晶片用作批量產品(通常，發射波長分布應小于20nm)。為了解決該問題，發明人研究了用于在生長期間抑制晶片彎曲和在有源層生長期間縮小有源層的發射波長分布的方法。如上所述，盡管采用至少800 μ m的較厚襯底能夠抑制襯底的彎曲，但是難以從晶片上分離出(singulating)發光器件。此外，在采用具有內凹坑的基座的情況下，能夠使晶片得到均勻加熱，但其撓性仍然較差。在這種情況下，發明人研究了在采用較薄襯底的同時解決這些問題的方法，并通過在生長期間有力地抑制晶片的彎曲而解決該問題。圖7是示出了本發明用于生長III族氮化物半導體層的MOCVD裝置的一個實例的視圖。通過提供反應氣體來實現在放置于基座2上的襯底或晶片100上生長III族氮化物半導體層。通過設置在基座2下并向襯底或晶片100供熱的加熱器如、仙和如來控制溫度。加熱器如、413和如可以不同的溫度加熱。此類MOCVD裝置的實例可包括由Aixtron制造的Thomas Swan Crius和CCS平臺。圖8是示出了實際加熱器構造的一個實例的照片。如圖4所示，觀察到襯底或晶片100的彎曲度與MOCVD裝置的溫度成正比增加。基于此，發明人通過將加熱器4b的溫度降低到低于加熱器如和如的溫度，由此抑制襯底或晶片100中心的熱膨脹，從而消除襯底或晶片100的彎曲(在襯底或晶片100的中心相對平坦時，整個襯底或晶片100的彎曲度會減小)。圖9是示出了本發明η型氮化物半導體層的生長完成后晶片的厚度分布圖。與圖 5所示的晶片相比，觀察到基座徑向上的晶片彎曲基本上得以消除(平坦區域位于MOCVD裝置中基座中心的相對側上)。此外，可意識到下述方法通過將晶片中心的溫度降低到低于晶片邊緣的溫度來消除基座的圓周方向上的晶片彎曲。然而，目前不存在本發明人訴求范圍內的MOCVD裝置，該MOCVD裝置能夠改變基座圓周方向的溫度。因此，如果能夠實現此類 MOCVD裝置，則能夠有力地(甚至)在基座的圓周方向上消除晶片彎曲。盡管存在此類限制，但是采用薄藍寶石襯底(例如，650μπι)并不會引起如圖3所示的襯底或晶片的破損。影響LED特性和影響通過MOCVD生長此類LED結構時的晶片彎曲的要素可粗略地分為以下兩個=GaN層和有源層。在生長GaN層時MOCVD供電單元向加熱器4a、加熱器4b 和加熱器4c的供電率分別是80 %、51 %和78. 5 %。接下來，在生長有源層時該供電單元向加熱器乜、加熱器4b和加熱器如的供電率分別是77%、46%和78%。圖10是示出了具有圖9所示輪廓的晶片的發射波長分布的一個實例圖。同樣，在生長有源層時，使向加熱器4b提供的電功率保持為相對地低于向加熱器如和如提供的電功率，并由此降低晶片的彎曲。進一步地，當加熱器4a、4b和如連接在一起時，其適合于向晶片邊緣提供相對較大量的熱，從而解決在向與基座接觸的晶片中心提供較大量的熱的同時向晶片邊緣提供較小量的熱的問題(因此，提供電功率的方式可以使得加熱器如和4c 的溫度高于加熱器4b的溫度)。結果，可獲得具有窄范圍發射波長分布，即431nm 444nm 的晶片。在這種情況下，可在下述條件下生成III族氮化物半導體發光器件。將厚度為650 μ m的4英寸圓形藍寶石襯底設置在MOCVD反應器內部的基座上，并且使溫度升高到1100°c以除去襯底表面上的雜質。接下來，如美國專利公報第2006/M4454號中公開的那樣在其上生長SiC/InGaN 緩沖層。生成緩沖層之后，在1050°C的生長溫度下通過采用NH3和TMGa作為原料氣體來生成厚度約3. 5 μ m的未摻雜GaN。在保持生長溫度為1050°C的同時形成厚度約2. 5μπι的η型GaN層。GaN層的生長速度約為6A/s，并且將DTBSi用作η型GaN層的Si源。為了生長有源層，將厚度約80 A的LxGiVxN阻擋層和厚度約20 A的InyGi^yN (χ > y)阱層的層疊重復進行7個周期。生長速度設定在700°C 900°C。下面將描述本發明的多種實施方式(1) 一種采用薄襯底的用于生長III族氮化物半導體層的方法。盡管厚是一個相對概念，但是可認為厚度約800 μ m以上的襯底是較厚的。不過，本發明用于生長III族氮化物半導體層的方法當然可以用于厚度為800 μ m以上的藍寶石襯底。另外，有利的是本發明的生長方法能夠采用因破損和發射波長不均勻而不能在現有技術中利用的薄襯底。盡管厚度沒有特定的下限，但是應該注意如果厚度過小則襯底可能會破損。考慮到這種情況(破損、加工便利、成本等)，優選的是厚度為500 μ m 800 μ m的襯底。特別地，優選采用厚度約600μπι的藍寶石襯底。盡管對襯底的尺寸(或直徑)沒有特別限制，但是本發明的生長方法特別關注采用大面積襯底(超過2英寸)進行生長時出現的問題。目前，2英寸藍寶石襯底的厚度一般不超過430 μ m。因此，本發明的生長方法可以與現有技術區分開。然而，無需多言，本發明的生長方法適用于2英寸藍寶石襯底。要注意的是，襯底的薄厚可相對于襯底的尺寸(或直徑)而言。例如，可認為厚度為430μπι的2英寸藍寶石襯底較厚，而認為厚度為430 μ m的4英寸藍寶石襯底過薄而不能使用。因此，就3英寸、5英寸和6英寸襯底而言，薄厚是相對概念。應該注意，本發明的生長方法可進行改變以與襯底的薄厚相適應。 盡管通常采用圓形襯底，但是本發明的生長方法還適用于矩形和六邊形襯底。(2) 一種用于生長III族氮化物半導體層的方法，所述方法可抑制襯底或晶片中心的熱膨脹。本發明的生長方法提供了一種用于生長III族氮化物半導體層的方法，該方法考慮到襯底或晶片在低溫很少彎曲的事實而使襯底或晶片中心的溫度降低到低于襯底或晶片邊緣的溫度，并減小襯底或晶片中心的曲率半徑，從而減小整個襯底或晶片的彎曲。 隨著彎曲的減小，可以避免在生長期間襯底的破損，而且可以向襯底或晶片要與基座分離的邊緣提供足夠的熱，因而縮小了發射波長的分布。就C面藍寶石襯底而言，彎曲通常對稱地發生。在本發明的生長方法中，可在至少一個方向(例如，基座的徑向或與襯底的平坦區域垂直的方向)上抑制襯底或晶片的彎曲，并由此消除襯底或晶片的彎曲。進一步地，本發明的生長方法表明，即使在一個方向上消除了襯底或晶片的彎曲，也可以制造出具有窄范圍發射波長分布的發光器件。盡管不能在根本上(primarily)限定出加熱器4b和加熱器 4a或加熱器如之間的溫差，但是至少10°C的溫差將給4英寸藍寶石襯底帶來令人滿意的效果。本文采用的術語“效果”指避免襯底或晶片在生長η型III族氮化物半導體層時的破損，也指在生長有源層時獲得產品規格中要求的發射波長范圍(例如，20nm)。(3) 一種用于生長III族氮化物半導體層的方法，所述方法采用具有窄范圍發射波長分布的大面積襯底。使用本發明的生長方法，可通過相對地降低襯底或晶片中心的加熱溫度來減小襯底或晶片的彎曲，同時升高因彎曲而變得遠離基座的襯底或晶片邊緣的加熱溫度而制造具有窄范圍發射波長分布的發光器件。
權利要求
1.一種用于在襯底上生長III族氮化物半導體層的方法，所述方法包括 在至少一個方向上抑制所述襯底的內凹彎曲的抑制步驟；和在所述襯底處于所述抑制步驟的同時生長III族氮化物半導體層以與襯底結合的生長步驟。
2.如權利要求1所述的方法，其中，所述抑制步驟通過抑制所述襯底的中心的彎曲來進行。
3.如權利要求2所述的方法，其中，通過相對地降低所述襯底中心的加熱溫度來抑制所述襯底中心的彎曲。
4.如權利要求3所述的方法，其中，所述III族氮化物半導體層包含有源層，所述有源層通過電子和空穴的復合來發射光，而且所述生長步驟通過將所述襯底的邊緣的加熱溫度升高到高于所述襯底中心的加熱溫度來控制發射波長的分布。
5.如權利要求4所述的方法，其中，所述抑制步驟通過設置在基座下的多個加熱器來進行，所述基座上放置有所述襯底。
6.如權利要求5所述的方法，其中，所述多個加熱器沿所述基座的徑向順次排列。
7.如權利要求1 6中任一項所述的方法，其中，所述襯底是藍寶石襯底。
8.如權利要求7所述的方法，其中，所述襯底是大于2英寸的大面積C面藍寶石襯底。
9.如權利要求7所述的方法，其中，所述藍寶石襯底的厚度為500μ m以上。
10.如權利要求9所述的方法，其中，所述襯底是厚度為800μ m以下的薄藍寶石襯底。
11.如權利要求10所述的方法，其中，所述藍寶石襯底的厚度為約600μπι。
12.如權利要求9所述的方法，其中，所述襯底是4英寸藍寶石襯底。
13.如權利要求4所述的方法，其中，所述發射波長的分布小于20nm。
14.如權利要求13所述的方法，其中，所述襯底是大于2英寸的大面積C面藍寶石襯底。
15.如權利要求3所述的方法，其中，通過使所述襯底中心的加熱溫度相對地降低10°C 以上來抑制所述襯底中心的彎曲。
16.如權利要求4所述的方法，其中，所述生長步驟通過將所述襯底邊緣的加熱溫度升高到比所述襯底中心的加熱溫度高10°C以上來控制所述發射波長的分布。
全文摘要
本發明涉及一種用于在襯底上生長III族氮化物半導體層的方法，所述方法包括在至少一個方向上抑制襯底下內凹彎曲的抑制步驟；和在襯底處于抑制步驟的同時生長III族氮化物半導體層，使得該III族氮化物半導體層可與該襯底結合的生長步驟。
文檔編號H01L21/20GK102265382SQ200980148843
公開日2011年11月30日 申請日期2009年12月23日 優先權日2008年12月24日
發明者丁鐘弼, 樸仲緒, 李鎬相, 鄭泰勛 申請人:艾比維利股份有限公司