GaN基底和其制備方法、氮化物半導體器件和其制備方法

專利名稱：GaN基底和其制備方法、氮化物半導體器件和其制備方法
技術領域：
本發明涉及一種GaN外延基底和其制備方法以及一種氮化物半導體器件和其制備方法。
背景技術：
氮化鎵(GaN)是發光器件的引人注目的基底材料。例如，日本專利申請公開第2001-102307號公開了GaN基底的形成。在這個GaN基底的形成中，用側向生長方法在半導體單晶基底例如砷化鎵(GaAs)基底上生長GaN厚層。然后從GaN厚層上除去GaAs基底，在那兒形成一個或多個GaN基底。
在其上加工半導體器件之前，在這樣的GaN基底上生長外延層以形成GaN外延基底。如日本專利申請公開第2000-340509號公布中公開的，在其上生長和基底組成相同的GaN均相外延層作為外延層，因為研究人員認為均相外延層的生長可減少缺陷例如穿透位錯(threading dislocation)的數目。特別地，因為在激光二極管的半導體層中的螺紋錯位影響其壽命，均相外延層用于GaN為基礎的半導體激光二極管。

發明內容
但是，以這種方式制備的GaN基底有下列問題如果部分表面被污染，GaN均相外延層不正常地在GaN基底的該部分表面上生長。參照

圖13解釋這一點。在GaN單晶基底40上生長GaN均相外延層42制備GaN外延基底44的情況中，GaN均相外延層42不正常地在基底40的表面40a的一些區域例如區域40b和下陷區域例如形成凹痕的那些區域上生長。它們嚴重地損壞了GaN外延基底44的表面平整度。發生凹痕的原因之一可能是生產基底40過程中附著在基底表面40a上并保留在基底40上直到生長GaN均相外延層42的步驟的污點。
如在該文獻中描述的那樣制備的GaN基底的表面有穿透位錯密度很高的區域。它的另外一個原因可能是這樣的晶體質量差的密集位錯區域。將參考圖14A-14D解釋這個。如圖14A所示，GaN基底40有許多以Z方向延伸的高位錯區域40c。低位錯區域40d圍繞著具有其穿透位錯密度遠遠高于低位錯區域40d的穿透位錯密度的每一個高位錯區域40c。高位錯區域40c的頂部是島狀，分布在基底表面。如果GaN均相外延層42生長在表面40a上，如圖4C所示，GaN半導體主要生長在低位錯區域40d，GaN半導體層不能在高位錯區域40c上良好地生長，導致如圖4D所示的在GaN均相外延層42的表面上發生凹痕42a。這些凹痕嚴重地損壞GaN外延基底44的表面的平整度。發明人在其上進行了詳細的研究，結果發現一種能降低發生在外延層表面中的凹痕的技術。
本發明的一個目的是提供一種有平整表面的外延GaN基底和一種其制備方法，提供一種氮化物半導體器件和一種其制備方法。
根據本發明的一個方面，GaN基底包括GaN單晶基底、第一AlxGa1-xN中間外延層(0＜x≤1)和GaN外延層。GaN單晶基底包括一個低位錯區域和多個高位錯區域。低位錯區域有穿透位錯的第一個密度。每一個高位錯區域都有穿透位錯的第二個密度。低位錯區域圍繞著每個高位錯區域。在高位錯區域中的穿透位錯的第二個密度高于低位錯區域中的穿透位錯的第一個密度。低位錯區域和高位錯區域出現在GaN單晶基底的表面。第一AlxGa1-xN中間外延層(0＜x≤1)配置在表面上。GaN外延層配置在第一AlxGa1-xN中間外延層。
根據本發明的另一個方面，GaN基底包括GaN單晶基底、在GaN單晶基底上生長的第一中間AlxGa1-xN外延層(0＜x≤1)和在中間層上生長的GaN外延層。
在GaN外延基底中，中間層配置在GaN基底和上層之間。中間層由AlGaN制成，發明人發現AlGaN可以生長在GaN基底的整個表面上，即甚至生長在其上有污點和其中有密集穿透位錯的區域上。中間層正常地生長在基底上形成它的平整生長表面(即上表面)。有中間層的平整生長表面時，在中間層上外延生長的上層的生長表面也是平整的。
在本發明的GaN基底中，優選地，高位錯區域分布在低位錯區域，表面上高位錯區域的密度等于或大于100cm-2。即使高位錯區域的密度如上述相當地高，也可使中間層和上層的生長表面平整。
在本發明的GaN外延基底中，優選第一AlxGa1-xN中間外延層包含碳，中間層中碳濃度不大于1×1018cm-3。中間層的電特性可以被改進。
在本發明的GaN外延基底中，第一AlxGa1-xN中間外延層用摻雜劑摻雜，摻雜的第一AlxGa1-xN中間外延層有n型導電和p型導電中的一種。由于摻雜降低了中間層的電阻率，使用GaN外延基底可以改進發光二極管(LEDs)、異質結雙極晶體管(HBTs)等的器件特性。
本發明的GaN基底進一步包括第二AlyGa1-yN中間層(0≤y≤1，y≠x)和第三AlzGa1-zN中間層(0≤z≤1，z≠y)。第一AlxGa1-xN中間外延層和第三AlzGa1-zN中間外延層在組成上不同于第二AlyGa1-yN中間層。安排第一AlxGa1-xN中間層、第二AlyGa1-yN中間層和第三AlzGa1-zN中間層以形成超晶格結構。超晶格結構阻止GaN基底的穿透位錯穿過其延伸。
本發明的GaN基底進一步包括第四AluGa1-uN外延中間層(0＜u≤1)；和配置在第一中間AlxGa1-xN外延層和第四AluGa1-uN外延中間層之間的InvGa1-vN外延層(0＜v≤1)。InvGa1-vN外延層可使其平整度更好。
在本發明的GaN基底中，第一中間AlxGa1-xN層由厚度小于(-5x+1.2)微米的AlxGa1-xN(0＜x＜0.24)制成。上述厚度的中間層防止缺陷例如其中裂紋的發生。
根據本發明的另一方面，一種制備GaN基底的方法包括如下步驟在GaN單晶基底的表面上外延生長第一AlxGa1-xN中間層(0＜x≤1)、在中間層上外延生長GaN層。GaN單晶基底包括一個低位錯區域和多個高位錯區域。低位錯區域圍繞著每個高位錯區域。低位錯區域有穿透位錯的第一個密度。每一個高位錯區域有穿透位錯的第二個密度。在高位錯區域中穿透位錯的第二個密度高于低位錯區域中穿透位錯的第一個密度。低位錯區域和高位錯區域出現在GaN單晶基底的表面。
根據本發明的另一方面，一種制備GaN基底的方法包括如下步驟在GaN單晶基底上外延生長第一AlxGa1-xN中間層(0＜x≤1)，和在中間層上外延生長GaN層。
在上述方法中，在基底上沉積GaN上層之前，在基底上沉積AlGaN中間層。發明人發現AlGaN中間層生長在GaN基底的整個表面上，即甚至在其上有污點的和其中有穿透位錯的密集密度的區域上也能生長。沉積在GaN基底上的中間層的表面(即上表面)是平整的，這樣在中間層上外延生長的上層表面也是平整的。
在本發明的方法中，表面上高位錯區域的密度等于或大于100cm-2。即使高位錯區域的密度如上述那樣相當地高，也可以使中間層和上層的生長表面平整。
在本發明的方法中，優選第一AlxGa1-xN中間層包含碳，第一中間AlxGa1-xN層中的碳濃度不大于1×1018cm-3。中間層的電特性得以改進。
在本發明的方法中，在生長第一AlxGa1-xN中間層的步驟中用摻雜劑摻雜第一AlxGa1-xN中間層，第一中間AlxGa1-xN層有n型或p型導電。由于摻雜降低了中間層的電阻率，GaN外延基底可以改進發光二極管(LEDs)、異質結雙極晶體管(HBTs)等的器件特性。
本發明的方法進一步包括如下步驟形成第二AlyGa1-yN中間層(0≤y≤1，y≠x)和形成第三AlzGa1-zN中間層(0≤z≤1，z≠y)。第二AlyGa1-yN中間層在組成上不同于第一AlxGa1-xN中間層。第三AlzGa1-zN中間層在組成上不同于第二中間AlyGa1-yN層。安排第一AlxGa1-xN中間層、第二AlyGa1-yN中間層和第三AlzGa1-zN中間層以形成超晶格結構。超晶格結構阻止GaN基底的穿透位錯穿過其延伸。
本發明的方法進一步包括如下步驟形成InuGa1-uN外延層(0＜u≤1)；和形成第四AlvGa1-vN中間層(0＜v≤1)。InuGa1-uN(0＜u≤1)外延層配置在第一AlxGa1-xN中間層和第四AlvGa1-vN中間層之間。InzGa1-zN外延層獲得GaN外延基底的更好的平整度。
在本發明的方法中，第一AlxGa1-xN中間層(0＜x＜0.24)有小于(-5x+1.2)微米的厚度。上述厚度的中間層防止其裂紋等發生。
在本發明的方法中，第一AlxGa1-xN中間層和GaN層在不小于80kPa的壓力下生長在GaN基底的整個表面即甚至在其上有污點和其中有穿透位錯密集密度的區域上。沉積在GaN基底上的中間層的表面(即上表面)是平整的，這樣在不小于80kPa的高壓下生長的中間層的生長表面(上表面)可以變得平整。因此，可以獲得有優異晶體質量的中間層和上層。
根據本發明的還一個方面，氮化物半導體器件包括GaN單晶基底、第一AlxGa1-xN中間外延層(0＜x≤1)，n型氮化物半導體區域和p型氮化物半導體區域。GaN單晶基底包括一個低位錯區域和多個高位錯區域。低位錯區域有穿透位錯的第一個密度。每一個高位錯區域有穿透位錯的第二個密度。低位錯區域圍繞著每一個高位錯區域。穿透位錯的第二個密度高于穿透位錯的第一個密度。低位錯區域有穿透位錯的第一個密度。每一個高位錯區域有穿透位錯的第二個密度。低位錯區域和高位錯區域出現在GaN單晶基底的表面。第一AlxGa1-xN中間外延層(0＜x≤1)配置在表面上。n型氮化物半導體區域和p型氮化物半導體區域都配置在中間層上。
在氮化物半導體器件中，中間層配置在基底上。發明人發現，AlGaN生長在GaN基底的整個表面上，即甚至在其上有污點的和其中有高密度的穿透位錯的區域上也能生長。由于AlGaN中間外延層正常地生長在GaN基底上并且它的生長表面(即上表面)是平整的，在中間層上形成的n型氮化物半導體區域和p型氮化物半導體區域的界面的平整度被改進。這樣，氮化物半導體器件的器件特性(例如發射量等)也被改進。
在本發明的氮化物半導體器件中，表面上高位錯區域的密度等于或大于100cm-2。即使高位錯區域的密度如上述那樣相當地高，也可以使中間層和上層的生長表面平整。
在本發明的氮化物半導體器件中，n型氮化物半導體區域和p型氮化物半導體區域中的一個包括在第一AlxGa1-xN外延中間層上外延生長的GaN上層。在這個氮化物半導體器件中，甚至當基底表面有小的不平整度時，通過在中間層上外延生長上層也可以使上層的生長表面平整。因此，可以得到有優異晶體質量的n型氮化物半導體區域和p型氮化物半導體區域。
本發明的氮化物半導體器件進一步包括配置在n型氮化物半導體區域和p型氮化物半導體區域之間的發光層。n型氮化物半導體區域和p型氮化物半導體區域的每一個都包括包覆層。由于發光層、n型包覆層和p型包覆層都生長在上層的平整表面上，它們的界面的平整度被改進，由此改進了器件的發光特性。
本發明的氮化物半導體器件進一步包括陰極電極和陽極電極。GaN單晶基底配置在陰極電極和陽極電極之間。發光層包括產生光的區域。產生光的區域配置在一個或多個高位錯區域上。產生光的區域配置在陰極電極和陽極電極之間。在這個氮化物半導體器件中，甚至在高位錯區域上也可以使發光層的生長平整，這樣甚至在高位錯區域上也可以使產生光的區域的晶體質量優異。
在本發明的氮化物半導體器件中，第一AlxGa1-xN中間外延層包含碳，摻雜的第一AlxGa1-xN中間外延層有不大于1×1018cm-3的碳濃度。這樣，中間層的電特性被改進。
在本發明的氮化物半導體器件中，第一AlxGa1-xN中間外延層用摻雜劑摻雜，摻雜的第一AlxGa1-xN中間層有n型導電和p型導電中的一種。由于摻雜的中間層的電阻率降低，氮化物半導體器件的器件特性得到改進。
本發明的氮化物半導體器件進一步包括第二AlyGa1-yN中間外延層(0≤y≤1，y≠x)和第三AlzGa1-zN中間外延層(0≤z≤1，z≠y)。第一AlxGa1-xN中間外延層和第三AlzGa1-zN中間外延層在組成上不同于第二AlyGa1-vN中間層。安排第一AlxGa1-xN中間層、第二AlyGa1-yN中間外延層和第三AlzGa1-zN中間外延層以形成超晶格結構。超晶格結構防止穿透位錯穿過其延伸，由此形成有優異的晶體質量的n型氮化物半導體區域和p型半導體區域。
本發明的氮化物半導體器件進一步包括第四AluGa1-uN外延中間層(0＜u≤1)；和配置在第一中間AlxGa1-xN外延層和第四AluGa1-uN外延中間層之間的InvGa1-vN外延層(0＜v≤1)。這個InzGa1-zN外延層使第四AluGa1-uN中間層平整。
在本發明的氮化物半導體器件中，第一AlxGa1-xN中間層(0＜x＜0.24)有小于(-5x+1.2)微米的厚度。厚度小于(-5x+1.2)微米的第一AlxGa1-xN中間層防止缺陷例如裂紋的發生。
本發明的還一個方面是一種制備氮化物半導體器件的方法。該方法包括如下步驟在不低于80kPa的壓力下在GaN單晶基底的表面上外延生長AlxGa1-xN中間層(0＜x≤1)、在不低于80kPa的壓力下在中間層上外延生長n型氮化物半導體區域和p型氮化物半導體區域。GaN單晶基底包括一個低位錯區域和多個高位錯區域。低位錯區域圍繞著每個高位錯區域。每一個高位錯區域有穿透位錯的第二個密度。低位錯區域有穿透位錯的第一個密度。在高位錯區域中的穿透位錯的第二個密度高于低位錯區域中的穿透位錯的第一個密度。低位錯區域和高位錯區域出現在基底的表面。
在氮化物半導體器件中，在GaN基底上生長AlxGa1-xN中間層。由于AlGaN生長在具有其上有污點的和高密度穿透位錯的區域的GaN基底表面，甚至當在不低于80KPa的壓力下生長中間層時，也可以使中間層的生長表面平整。
在本發明的方法中，表面上高位錯區域的xa密度等于或大于100cm-2。即使高位錯區域的密度如上述那樣相當地高，也可使中間層和n型和p型氮化物區域的生長表面平整。
在本發明的方法中，第一AlxGa1-xN中間層(0＜x＜0.24)有小于(-5x+1.2)微米的厚度。即使在不低于80kPa的相當高的壓力下生長中間層，也可使中間層的生長表面(即上表面)平整。因此，通過在這樣相當高的壓力下生長每一層，得到有良好的結晶度的中間層、n型氮化物半導體區域和p型氮化物半導體區域，從而改進氮化物半導體器件的器件特性。
如上述，提供了一種有平整表面的GaN基底、其制備方法、一種氮化物半導體器件和其制備方法。
附圖的簡要說明圖1是表示在根據本發明的第一種方案的外延基底的制備中使用的氣相生長設備的圖。
圖2A是表示GaN基底的部分表面的頂視圖。圖2B是表示GaN基底的沿圖2A的I-I線得到的橫截面圖。
圖3A、3B和3C是表示制備GaN外延基底步驟的圖。
圖4A、4B、4C、4D和4E是表示制備GaN外延基底步驟的圖。
圖5A、5B、5C、5D和5E是表示制備GaN外延基底步驟的圖。
圖6是表示根據本發明的第二種方案的發光器件的截面圖。
圖7A、7B、7C、7D和7E是表示制備GaN外延基底步驟的圖。
圖8是表示發光器件的橫截面圖。
圖9是表示發光器件的橫截面圖。
圖10是表示在第一個例子制備的發光器件中的p型接觸層表面的用微分干擾顯微鏡(differential interference microscope)得到的圖。
圖11A是表示13種中間層的有/沒有裂縫的中間層的鋁組成和其厚度之間關系的概要圖。
圖11B是表示圖11A中列出的13種中間層的有/沒有裂縫的中間層的鋁組成和其厚度之間的關系圖。
圖12是表示另一個例子制備的發光器件中的p型接觸層表面的用微分干擾顯微鏡得到的圖。
圖13是表示傳統的GaN基底的表面狀態的示意截面圖。
圖14A是表示相關GaN基底的橫截面圖。圖14B、14C和14D是表示在GaN基底上均相外延層生長的橫截面圖。
具體實施例方式
下面參照附圖詳細地描述本發明的GaN外延基底、制備GaN外延基底的方法、氮化物半導體器件和其制備方法的方案。為了便于理解，在可能的地方使用相同的附圖標記表示圖中共同的相同部件。
(第一種方案)圖1是表示在制備根據本發明的第一種方案的GaN外延基底中使用的氣相生長設備的圖。這個氣相生長設備10可以是例如有以水平方向提供氣體流體通道的石英流體通道12的水平型有機金屬化學氣相沉積設備(MOCVD)。制備GaN外延基底的基底14例如GaN晶片放置在其中有加熱器16的基座18上的盤子20中，基座18可旋轉地支撐基底14。
流體通道12包括上游流體通道部分12A、中間流體通道部分12B和下游流體通道部分12C。通過上游流體通道部分12A中的三排(three-tiered)噴嘴22供應沉積GaN晶體的氣體，這些氣體立即在中間流體通道部分12B中的基底14前面混合。反應產物和殘余氣體通過下游流體通道部分12C排出。
使用三甲基鎵(TMG)和/或三甲基鋁(TMA)和/或三甲基銦(TMI)作為第III族源氣體。使用NH3作為第V族源氣體。使用甲硅烷(SiH4)作為n型摻雜劑氣體。使用環戊二烯基鎂(Cp2Mg)作為p型摻雜劑氣體。這些氣體的一部分通過噴嘴22按需供應到基底上。例如，使用氫氣氣體(H2)和/或氮氣氣體(N2)作為載氣。分別通過供應管線將第III族源氣體供應給噴嘴22。開關閥門(未表示出)放置在噴嘴22和各個供應管線之間。通過控制開關閥門調節各個第III族源氣體的流速。具體地，使用每個開關閥門來切換通過到噴嘴22的主管線和用于廢氣的虛設管線中的一個或兩個進料的第III族源氣體流，由此切斷每個第III族源氣體和流速的穩定化。
下面描述本方案使用的基底14。圖2A是表示GaN基底的部分表面的頂視圖。圖2B是表示GaN基底的沿圖2A的I-I線得到的橫截面圖。如下制備這個基底14在GaAs基底上形成有多個開孔窗口的掩膜層，在掩膜層的開孔窗口里邊的GaAs基底上側向生長GaN材料。在側向生長后，用水性regalis蝕刻劑除去GaAs基底。機械磨光前和后表面14a、14b，形成GaN基底14。
GaN基底14的表面有和其周圍區域相比穿透位錯密度很高的部分。如圖2B所示，GaN基底14有以Z方向延伸的高位錯區域14c。低位錯區域14d圍繞著穿過其位錯密度遠比低位錯區域14d的位錯密度高的高位錯區域14c的每一個。GaN基底的表面點綴著高位錯區域14c的頂部。高位錯區域14c中的穿透位錯的平均密度是低位錯區域14d的十倍高。由側向生長形成的厚GaN層制得本方案的GaN基底；在側向生長中，許多凹痕區域例如每個都由多個面組成的凹痕，形成在厚GaN層的表面上。在本發明的正生長的GaN層中的穿透位錯和其它缺陷隨著厚GaN層的生長趨于聚集在一起，結果形成其中上述位錯密度高的高位錯區域。在高位錯區域中的穿透位錯在GaN基底表面形成凹痕。凹痕出現在表面的島狀區域中。島狀區域不規則地或任意地分布在基底的表面。在GaN基底表面上高位錯區域14c的平均密度不低于100個每平方厘米(cm-2)。如上述，高位錯區域14c和低位錯區域14d出現在GaN基底表面以分別形成多個高位錯區域和一個低位錯區域。所述多個高位錯區域的總大小和基底的整個表面的大小之比等于或小于1％。高位錯區域的穿透位錯的平均密度等于或小于3×107個每平方厘米(cm-2)和等于或大于1×106個每平方厘米(cm-2)，低位錯區域中的穿透位錯的平均密度等于或小于5×106個每平方厘米(cm-2)。高位錯區域的穿透位錯的平均密度大于低位錯區域的穿透位錯的平均密度。在一個例子中，GaN基底的大小不小于1英寸。
參照圖3A、3B和3C下面描述本方案的制備GaN外延基底的過程。圖3A-3C是表示制備GaN外延基底過程的橫截面圖。
首先，將GaN單晶基底14放置在如圖3A所示的流體通道12中的基座18上的盤子20上。GaN基底14有(0001)面的上表面14a。在GaN基底14上生長外延層之前，通過噴嘴22供應含有NH3氣的氣體混合物以用氣體混合物氣氛填充流體通道12。然后，用加熱器16加熱基座18和基底14至約攝氏1100度(℃)進行清潔基底14的前表面14a的過程(熱清潔)。具體地，以5slm的流速流通NH3和以6slm的流速流通H2來制備氣體混合物。熱清潔從基底的表面14a上除去污點，改進基底表面14a的平整度。
接著，將基底14的溫度(基底溫度)保持在攝氏1100度(℃)和中間流體通道內的壓力保持在80KPa或更高，第III族源氣體、第V族源氣體和摻雜氣體和載氣一起通過噴嘴22供應到基底14上以生長AlxGa1-xN中間層24(中間層形成步驟，圖3B)。在一個例子中，TMG和TMA氣體分別以24.42微摩爾每分鐘(μmol/min)和2.02微摩爾每分鐘(μmol/min)的條件供應23分鐘，NH3和H2氣體的流量分別為6slm和8slm。這導致在基底14上生長厚度為200納米(nm)的AlxGa1-xN(x＝0.08)的中間層24。鋁的組成比x在0＜x≤1的范圍內。優選地，中間層24的厚度在自10納米(nm)至500納米(nm)的范圍內，可以由中間層的生長條件改變。在上述范圍的中間層24的厚度增大了缺陷例如裂縫的發生可能性。如在后面一個例子中描述的，發明人發現如果中間層24的厚度小于(-5x+1.2)微米(μm)和鋁的組成比x在(0＜x＜0.24)的范圍內，可以成功地抑制缺陷例如裂縫。
AlGaN中間層24形成在GaN單晶基底14上以形成外延基底，AlGaN中間層24生長在整個表面14a上，即高位錯區域和低位錯區域這兩者上。另一方面，如果GaN層直接生長在基底14上，在基底表面14a的多個部分上不發生正常的外延生長以形成凹痕(如圖13和14所示)，這必定會嚴重損壞GaN外延基底表面的平整度。
發明人認為后一種GaN外延基底的表面的不理想的平整度是由下列原因引起的基底14的表面14a上的污點；高位錯區域14c的不太好的晶體質量。發明人已經進行了詳細的研究，發現在基底14上沉積AlGaN層(中間層24)對得到其需要的平整度是有效的。換句話說，AlGaN的中間層24生長在基底表面的污點區域和高位錯區域14c上，將中間層24的表面24a變得平整，表現出良好的形態。在形成中間層24的過程中，將碳引入到中間層24中，但是碳的濃度是低的，大約不高于1×1018cm-3。碳的濃度可能大致不低于1×1013cm-3。
在基底14上形成中間層24后，基底溫度升高到攝氏1150度(℃)，在不低于80KPa的壓力下外延生長GaN上層26(上層形成步驟)，由此完成GaN外延基底28，即GaN外延晶片的制備(如圖3C所示)。中間層24的表面24a如上述變得平整，因此，由于上層26外延生長在有良好結晶度的中間層24上，這樣上層26的表面26a(即GaN外延基底28的表面)也變得平整。
使用GaN外延基底28制備的發光器件包括配置在基底14的底表面14b上和上層26的表面26a上的多個電極30。
如上述，在GaN外延基底28中，中間層24配置在基底14和上層26之間。這個中間層24由AlxGa1-xN(0＜x≤1，本例子中x＝0.08)制成，AlGaN材料外延生長在整個表面14a，即有污點的表面14a和高位錯區域14c的頂部這兩部分上。這樣，AlxGa1-xN中間層24正常地生長在基底14上，生長出的表面24a變平整。由于上層26外延地生長在中間層24的平整表面24a上，也使表面26a平整。
給中間層24提供導電性從而減少中間層24的電阻率，SiH4氣體用氫氣稀釋為10ppm，在形成中間層24的步驟中稀釋的SiH4氣體作為摻雜劑以2.5sccm的流速流動，由此中間層24有載流子密度為5×1018cm-3的n型導電性。如果在形成中間層24的步驟中Cp2Mg作為摻雜劑以0.0539微摩爾每分鐘(μmol/min)的條件流動，中間層24有載流子密度為5×1017cm-3的p型導電性。為了增加p型載流子密度，需要將中間層24進行另一個活化過程。如果GaN外延基底28包括降低電阻率的中間層24，GaN外延基底28對制備垂直結構器件例如發光二極管(LED)或異質結雙極晶體管(HBT)(兩者都有改進的器件特性)是很有用的。
在本方案中，優選在不低于80KPa的壓力下生長中間層24和上層26。由于如上所述，AlGaN材料可生長在基底14的整個表面14a上，即使中間層24在不低于80KPa的相當高的壓力下生長，中間層24的生長表面24a也變得平整。因此，通過在這樣相當高的壓力下生長中間層24和上層26，獲得都有良好的結晶度的中間層24和上層26是可行的。
高位錯區域14c的平均密度可以等于或大于100個每平方厘米(cm-2)。甚至當在表面14a的高位錯區域14c的平均密度和上述值一樣高時，AlGaN中間層改進了其表面的平整度，進一步改進了上層26的表面的平整度。
(第一種改進)參照圖4A、4B、4C、4D和4E，下面描述另一個GaN外延基底和其制備方法。其它的GaN基底不同于上述的外延基底。圖4A-4E是表示制備其它GaN外延基底過程的圖。
首先，用類似于制備上述GaN外延基底28的方法在基底14上沉積中間層24。具體地，將基底14放置在設備10的的盤子20中。基底14有(0001)面的頂表面14a。對基底14進行清潔過程(圖4A)，在類似或等同于前述條件的條件下供應TMG和TMA氣體，并使NH3和H2氣體流動，從而在基底14上生長厚度約為幾個納米(nm)的AlxGa1-xN(x＝0.16)的中間層24A(圖4B)。
接著，控制噴嘴22的上游的開關閥門以僅僅截斷TMA供應，其它條件沒有任何變化，在中間層24A上沉積厚度約為幾個納米(nm)的GaN(即AlyGa1-yN(y＝0))的外延薄膜(第二中間層)32(圖4C)。重復開關閥門的上述控制以在第一外延薄膜32上交替地沉積其它中間層24A和外延薄膜32(圖4D)，從而形成有例如五層的超晶格結構。此后，在最上面的中間層24A上外延地生長上層26以制備不同于上面提及的GaN外延基底28的GaN外延基底28A。
在包括中間層24A和組成不同于中間層24A的AlyGa1-yN(0≤y≤1)的外延薄膜32的有超晶格結構(緊張的超晶格結構(strained superlatticestructure))的GaN外延基底28A中，超晶格結構防止穿透位錯從基底14延伸到其上層。外延基底28A中的超晶格結構對減少GaN外延基底28A中的位錯密度是有效的，改進了GaN外延基底28A的結晶度，這樣基底28A對制備有優異特性的半導體器件是有用的。外延薄膜32的材料不局限于GaN材料，可以選自組成不同于中間層24A的AlyGa1-yN(0≤y≤1)。包括中間層24A和外延薄膜32的超晶格結構中的層的數目不局限于5，層的數目可以根據需要增加或降低。
(第二種改進)參照圖5A、5B、5C、5D和5E，下面描述另一種GaN外延基底和其制備方法。這種改進的其它GaN外延基底不同于上述的GaN外延基底和制備GaN外延基底的方法。圖5A-5E是表示制備其它GaN外延基底過程的圖。
用類似制備GaN外延基底28的上述方法的方法在基底14上沉積中間層24。在一個例子中，將基底14放置在設備10的的盤子20中，基底14有(0001)面的頂表面14a。對基底14進行清潔過程(圖5A)。在基底溫度為攝氏1100度(℃)和不低于80KPa的壓力的條件下以24.42微摩爾每分鐘(μmol/min)供應TMG 11.5分鐘，以2.02微摩爾每分鐘(μmol/min)供應TMA。分別以6slm和8slm的條件使NH3和H2氣體流動。使用這個條件，在基底14上生長厚度為100納米(nm)的AlxGa1-xN(x＝0.08)的中間層24B(圖5B)。
甚至當AlGaN用于中間層時，因為各種原因，例如異常的外延生長，如圖5B所示用作中間層的AlGaN可能異常地生長在基底14上，AlGaN中間層沒有所需要的表面平整度。在這種情況中，InGaN外延層生長在中間層24B上。在一個例子中，在基底溫度為攝氏830度(℃)和不低于80KPa的壓力的條件下向中間層24B上以24.42微摩爾每分鐘(μmol/min)供應TMG 5分鐘并以11.16微摩爾每分鐘(μmol/min)供應TMI，分別以6slm和8slm的流速流過NH3和H2氣體，由此在中間層24B上生長厚度為50納米(nm)的InzGa1-zN(例如z＝0.10)的外延層34(圖5C)。發明人發現，甚至當基底表面14a被嚴重污染和高位錯區域34的密度高到足以引起中間層24B的異常生長和不能獲得中間層24B的滿意平整度時，在中間層24B上生長的InGaN層34也能提供平整度優異于中間層24B的平整度的表面34a。
在有平整頂表面34a的InGaN外延層34生長后，在類似于或等于中間層24B的條件下在InGaN外延層34上可以生長中間層24C(圖5D)，在類似上述上層的條件下在中間層24C上可外延生長上層26以完成GaN外延基底28B(圖4E)。由于中間層24C生長在InGaN外延層34上，中間層24C防止InGaN外延層34的表面在上層26的形成期間在升高的基底溫度下分解成組成原子。
如上述，在這個有配置在中間層24B和24C之間的InGaN外延層34的GaN外延基底28B中，甚至當因為中間層24B的異常生長不能獲得滿意的表面平整度時，InGaN外延層34和中間層24C的組合也使得GaN外延基底28B的頂表面26a的平整度更好。改變中間層24B和24C的鋁濃度和InGaN外延層34的銦濃度也可以形成上述的超晶格結構。根據需要，GaN薄膜可以配置在中間層24B和24C和InGaN外延層34之間。這些GaN薄膜在下列方面是有效的消除由AlGaN和InGaN之間的晶格錯配引起的應變。
(第二種方案)將參照圖6描述本發明的第二種方案的氮化物半導體器件和制備氮化物半導體器件的方法。圖6是表示本方案的氮化物半導體發光器件1A的截面圖。在本方案中，用藍光LED作為發光器件1A的例子。
發光器件1A包括由GaN單晶制成并具有原始表面46a和背表面46b的導電基底46例如支撐體。GaN基底46有如GaN基底14中的以Z方向延伸的高位錯區域14c。GaN基底46的表面有高位錯區域14c出現的并且與其鄰近區域相比穿透位錯密度很高的區域。GaN基底的表面點綴著多個高位錯區域14c。在高位錯區域14c中穿透位錯的平均密度是低位錯區域14d的十倍高。低位錯區域14d圍繞著其穿透位錯密度比低位錯區域14d高得多的高位錯區域14c中的每一個。高位錯區域14c出現在表面46a的島狀區域內，不規則地或任意地分布在基底46的表面46a上。上面描述了高位錯區域的密度、高位錯區域14c和低位錯區域14d的穿透位錯密度、高位錯區域的總大小和基底46的整個表面的大小的比。發光器件1A也有在基底46的原始表面46a上依次外延生長的中間層48、n型氮化物半導體區域53、發光層52和p型氮化物半導體區域55。發光器件1A有配置在基底46的背表面46b上的陰極電極58A和配置在p型氮化物半導體區域55上的陽極電極58B。陰極電極58A配置在高位錯區域14c和低位錯區域14d兩者上以向其供應第一種載流子，陽極電極58B配置在高位錯區域14c和低位錯區域14d兩者上以向其供應第二種載流子。高位錯區域14c中的一些配置在陰極電極58A和陽極電極58B之間。第一種和第二種載流子在區域52a重新組合。
在本方案中，中間層48包括在基底46的原始表面46a(例如(0001)面)上外延生長的AlxGa1-xN(0＜x≤1)層。中間層48用n型摻雜劑摻雜。中間層48有50納米(nm)的厚度。中間層48的厚度落在不低于10納米(nm)和不高于500納米(nm)的范圍內，改變中間層48的生長條件可以實現這個范圍內的所需要厚度。在這個范圍的中間層48的厚度增大了發生缺陷例如裂縫的可能性。如在后面描述的例子中，如果中間層48的厚度低于(-5x+1.2)微米(μm)，其中鋁的組成比x為0＜x＜0.24，缺陷例如裂縫的發生可以被良好地抑制。中間層48不可避免地包含其形成過程中引入的碳，但是碳濃度處于不降低發光器件1A的電特性的水平(1×1018cm3或更低)。
n型氮化物半導體區域53包括n型氮化物半導體的層例如n型緩沖層50。在本方案中，n型緩沖層50用作上層。將第一種方案中的GaN基底28切割成半導體模子(dies)形成本方案中的基底46、中間層48和n型緩沖層50。在中間層48上外延生長GaN以形成n型緩沖層50，用n型摻雜劑例如硅(Si)摻雜，以具有n型導電性。n型緩沖層50具有使折射指數小于發光層52的折射指數和能帶隙大于發光層52的能帶隙的組成。n型緩沖層50起到發光層52的下包覆層的作用。在本方案中，n型緩沖層50有2微米(μm)的厚度。
在n型氮化物半導體區域53(在本方案中的n型緩沖層50上)上形成發光層52。從n型氮化物半導體區域53和p型氮化物半導體區域55向其供應載流子(電子和空穴)，并重新組合以在其中產生光。在本方案中的發光層52具有包括交替層疊的阻擋層和阱層的多級量子阱結構。在一個例子中，每一個阱層都有3納米(nm)的的厚度，三個阻擋層中的每一個都有15納米(nm)的厚度。在本例子中阻擋層和阱層每個都由InGaN制成。由于阻擋層和阱層中的銦(In)的組成比相互不同，阻擋層的能帶隙大于阱層的能帶隙。
p型氮化物半導體區域55包括p型氮化物半導體層，例如p型包覆層54和p型接觸層56。在發光層52上外延生長AlGaN形成p型包覆層54，p型包覆層54用p型摻雜劑例如Mg摻雜，并有p型導電性。p型包覆層54具有使折射指數小于發光層52的折射指數和能帶隙大于發光層52的能帶隙的組成，起到發光層52的上包覆層的作用。在本方案中，p型包覆層54有20納米(nm)的厚度。
p型接觸層56將p型包覆層54電連接到陽極電極58B。在p型包覆層54上外延生長GaN以形成p型接觸層56，并將p型接觸層56用p型摻雜劑例如Mg摻雜，p型接觸層56具有p型導電性。在本方案中，p型接觸層56有150納米(nm)的厚度。
陰極電極58A由能實現和基底46的歐姆接觸的導電材料制成。陽極電極58B由能實現和p型氮化物半導體區域55(具體地，本方案的p型接觸層56)的歐姆接觸的導電材料制成。陽極電極58B傳播由發光層52產生的光。陽極電極58B的至少一部分可以得到歐姆接觸。
參照圖7A、7B、7C、7D和7E，描述本方案的制備發光器件1A的過程。圖7A-7E是表示制備發光器件1A過程的圖。
首先，制備第一種方案的GaN外延基底28。具體地，將GaN單晶基底14放置在如圖1所示的流體通道12中的基座18上的盤子20中(圖7A)。然后，以與第一種方案中相同的方式對基底14的原始表面14a進行清潔過程(熱清潔)。
接著，基底14的溫度(基底溫度)保持在攝氏1050度(℃)和在中間流體通道中的壓力保持在101KPa。第III族源氣體、第V族源氣體和摻雜氣體和前面提及的載氣一起通過噴嘴22供應到基底14上。具體地，將TMG、TMA、NH3和SiH4氣體供應到基底14上，在基底14的原始表面14a上生長n型AlGaN的中間層24(中間層形成步驟，圖7B)。優選地調整生長條件使得中間層24的組成為AlxGa1-xN(0＜x＜0.24)。選擇生長時限使得中間層24的厚度為低于(-5x+1.2)微米(μm)。
然后，將TMG、NH3和SiH4氣體供應到中間層24上以在中間層24上外延地生長n型緩沖層例如n型GaN上層26，基底溫度和中間流體通道中的壓力分別維持在攝氏1050度(℃)和101 KPa(圖7C)。得到包括基底14、中間層24和上層26的GaN外延基底28。
接著，基底溫度降低到攝氏800度(℃)，將TMG、TMI和NH3氣體供應到上層26上以在其上外延地生長InGaN的發光層66。在這個例子中，周期地改變TMG、TMI和NH3等的流速以形成阻擋層和阱層而形成了量子阱結構。基底溫度增加到攝氏1000度(℃)，將TMG、TMA、NH3和Cp2Mg氣體供應到發光層66上，在發光層66上外延地生長AlGaN的p型包覆層68。然后，基底溫度保持在攝氏1000度(℃)，將TMG、NH3和Cp2Mg氣體供應到p型包覆層68，以在p型包覆層68上外延地生長GaN的p型接觸層70(半導體區域形成步驟，如圖7D所示)。
接著，從流體通道12中取出包括發光層66、p型包覆層68和p型接觸層70的GaN外延基底28。用氣相沉積等在GaN基底28的背表面上形成陰極電極的膜58A，用氣相沉積等在p型接觸層70上形成陽極電極的膜58B。然后，將GaN外延基底28分成芯片形狀的器件單元，即半導體模子，完成有基底46、中間層48、n型緩沖層50、發光層52、p型包覆層54和p型接觸層56的發光器件1A(圖7E)。
下面描述上面本方案的發光器件1A和其生產方法的效果。如在第一種方案描述中討論的，如果GaN層直接生長在GaN單晶基底上，在基底表面的一些部分上不發生GaN層的均勻外延生長，在表面上形成凹痕(圖14和1 5)，導致中間層表面的平整度差。相比之下，本方案的發光器件1A包括基底14(46)上的中間AlGaN層24(48)和其制備方法包括在基底14(46)上形成AlGaN的中間層24(48)的步驟。即使污點保留在基底46表面的那些部分上和高位錯區域14c出現在基底14(46)的表面上，AlGaN生長在基底46的整個表面上，這樣可以使得中間層48的表面48a變平整。因此，如果一層或多層沉積在中間層48上，可以使得這些層的界面(生長表面)平整，由此發光器件1A的器件特性例如發射量可以得到改進。
即使在不低于80KPa的相當高的壓力下生長中間層24(48)，因為AlGaN生長在整個表面14a(46a)即高位錯區域的頂部和得到污點的區域上，所以也可以使中間層48的表面48a平整。這樣，在這樣相當高的壓力下n型緩沖層50、發光層52、p型包覆層54和p型接觸層56生長在中間層48上，可以使得它們的界面平整。由于這些層可以在相當高的壓力下生長，其結晶度可以變得更好。因此，氮化物半導體器件的器件特性得到改進。
優選在本方案中n型氮化物半導體區域53包括在中間層48上外延生長的GaN的n型緩沖層50。在包括n型緩沖層50的n型氮化物半導體區域53中，即使由于例如一定的處理等在基底46的表面46a中存在小的不平整和這些小的不平整引起在中間層48的表面48a上小的不平整，也可通過在中間層48上外延地生長n型緩沖層50而使得生長表面(n型緩沖層50的表面)平整。因此，在n型緩沖層50上外延生長的一層或多層的結晶度也得以改進，使發光器件1A中的器件特性例如發射量變優異。
在本方案中，優選中間層48用n型摻雜劑摻雜以具有n型導電性。摻雜降低了中間層48的電阻率，從而在發光器件1A例如在其中的基底46配置在陰極電極58A和陽極電極58B之間的垂直型發光器件中的器件特性例如發射量優異。在本方案的另一個例子中，中間層48用n型摻雜劑摻雜，但是它可以根據發光器件的結構用p型摻雜劑摻雜。
如在基底14中那樣在基底46的表面處的高位錯區域的密度等于或大于100cm-2。根據本發明的發光器件1A和制備方法，可使中間層48和在其上形成的半導體層的表面變平整。
在本方案中，發光層52中的光生成區域52a配置在多個高位錯區域46c中的一個上。在發光器件1A中，優選發光層52(特別對于光生成區域52a)的結晶度應該變得優異。沒有本方案，在高位錯區域14c上生長有優異結晶度的發光層是困難的，由此阻止了高強度發光器件的制備。相反，由于發光器件1A的發光層52的表面不依賴于基底46中的高位錯區域14c的安排而可以變得平整，光生成區域52a的結晶度變優異。光生成區域52a配置在陰極電極58A和陽極電極58B之間，相應于通過陰極電極58A和陽極電極58B的供應表面的載流子供應而產生光。陰極電極58A和陽極電極58B的供應表面接觸發光器件1A的半導體區域。高位錯區域14c的一些位于陰極電極58A和陽極電極58B之間。
請注意本方案中的中間層48不同于所謂的包覆層。在象本方案的氮化物半導體器件的發光二極管(LEDs)中，為了將光封閉在發光層，包覆層的厚度應該相當地大。例如，本方案中的n型緩沖層50有2微米(μm)的厚度。另一方面，在本方案的一個例子中的中間層48有50納米(nm)的厚度。甚至在這樣相當小的厚度中，中間層48也可以有如上所述的技術效果。
接著，參照圖8描述不同于上述發光器件1A的發光器件1B。圖8是表示發光器件1B的橫截面圖。發光器件1B在中間層49的結構上不同于發光器件1A。發光器件1B的結構類似于上述發光器件1A的結構，不同的是在發光器件1B中的中間層49，這樣只對中間層49進行詳細描述。
發光器件1B有配置在基底46的表面46a上的中間層49。中間層49由第一層49A和第二層49B組成，第一層49A和第二層49B交替地沉積。第一層49A由摻雜n型摻雜劑的AlxGa1-xN(0＜x≤1)制成，第二層49B由摻雜n型摻雜劑的AlyGa1-yN(0≤y≤1，y≠x)制成。在本方案中，第一層49A和第二層49B交替地安排在基底46的表面46a上以組成超晶格結構(緊張的超晶格結構)，超晶格結構中的第一和第二層49A和49B的數目例如為10。第一層49A和第二層49B中的每個有例如10納米(nm)的厚度。
制備發光器件1B的方法類似于發光器件1A的制備方法，不同之處在于在制備發光器件1B的方法中形成中間層49的步驟中，例如在第一層49A形成之后轉換位于噴嘴22(如圖1所示)上游的轉換閥門以停止TMA的供應，并將GaN(即AlyGa1-yN(y＝0))的第二層49B沉積在第一層49A上。在許多輪的開/關轉換閥門后，例如10層，第一層49A和第二層49B交替地沉積以形成包括10層的超晶格結構。
在有包括第一層49A和第二層49B的超晶格結構(緊張的超晶格結構)的中間層49的上面的發光器件1B中，超晶格結構防止穿透位錯從基底46延伸。超晶格結構減少n型氮化物半導體區域53、發光層52和p型氮化物半導體區域55的位錯密度以改進它們的結晶度，由此可以使得器件特性例如發射亮度優異。包括第一層49A和第二層49B的超晶格結構不應該局限于上述的十層結構，即層的數目可以根據需要改變。
參照圖9，下面描述不同于上述發光器件1A和1B的發光器件1C。圖9是表示發光器件1C的橫截面圖。發光器件1C不同于發光器件1A和1B，區別在于發光器件1C在中間層51A和51B之間有InGaN外延層57。發光器件1C的結構類似于上述發光器件1A和1B的結構，不同的是，發光器件1C有InGaN外延層57，因此只詳細描述InGaN外延層57。
發光器件1C有配置在基底46的表面46a上的中間層51。中間層51由第一層51A和第二層51B組成。發光器件1C有配置在中間層51的第一層51A和第二層51B之間的InGaN外延層57。第一層51A和第二層51B的每一個都由摻雜n型摻雜劑的AlxGa1-xN(0＜x≤1)制成，InGaN外延層57由摻雜n型摻雜劑的InzGa1-zN(0＜z≤1)制成。
制備發光器件1C的方法類似于發光器件1A的制備方法，不同之處在于在形成發光器件1C的中間層51的步驟中，在形成n型AlGaN的第一層51A之后，將TMG、TMI、NH3和SiH4氣體供應到第一層51A上以生長n型InzGa1-zN(0＜z≤1)的InGaN外延層57。然后在InGaN外延層57上生長n型AlGaN以形成第二層51B。
如圖9所示，作為異常生長的結果形成了第一層51A。即使在其上沉積AlGaN層，因為各種原因在基底46上可能發生半導體層的異常生長。在發光器件1C中，InzGa1-zN(0＜z≤1)的外延層57生長在第一層51A上。甚至當基底46的表面46a被嚴重污染和高位錯區域14c的結晶度非常地低以致引起第一層51A的異常生長和不能獲得第一層51A的滿意的平整度時，InGaN的層也能沉積在第一層51A上以得到比第一層51A平整的平整表面57a。
下面描述第二種方案的例子。
(第一個例子)
首先，制備藍光發光器件1A作為第一個例子。
首先將象晶片的GaN單晶的基底14放置在基座18上的盤子20中。流體通道12中的壓力(爐內壓力)保持在101KPa，將NH3和H2氣體供應到流體通道12，基底14的溫度保持在攝氏1050度(℃)10分鐘以清潔表面60a。然后將基底溫度和爐壓力分別維持在攝氏1050度(℃)和101KPa，將TMA、TMG、NH3和SiH4的氣體供應到流體通道12以生長中間層24，例如厚度為50納米(nm)的n型Al0.07Ga0.93N層。此后，基底溫度和爐壓力維持不變，生長上層26作為厚度為2微米(μm)的n型GaN緩沖層50，由此得到GaN外延基底28。
然后，基底溫度降低到攝氏800度(℃)，15納米厚度的InGaN阻擋層和3納米厚度的InGaN阱層交替地生長三輪，這樣形成發光層66。此后，基底溫度再升高到攝氏1000度(℃)，將TMA、TMG、NH3和Cp2Mg的氣體供應到流體通道12以生長厚度為20納米(nm)的Al0.12Ga0.88N的p型包覆層。然后，供應TMG、NH3和Cp2Mg的氣體以生長厚度為50納米(nm)的GaN的p型接觸層。
圖10是表示按本例子制備的發光器件1A中的p型接觸層的表面的圖。這是用微分干擾顯微鏡取得的照片。從圖10看出，p型接觸層的表面是平整的，幾乎沒有不平整現象。最上層的p型接觸層表面反映了各下層，例如p型包覆層、發光層和上層，的界面(生長表面)的平整度這樣我們可以從圖10所示的照片預測到，p型包覆層68、發光層66和上層26的界面也是平整的。
此后，在GaN外延基底28的背表面上形成陰極電極58A，在p型接觸層上形成陽極電極58B。這樣，將GaN外延基底28分成多個半導體模子以得到發光器件，例如發光器件1A。當電流連續地應用到如上制備的發光器件的裸芯片(包裝前的器件)時，在20毫安(mA)時發射的波長為450納米(nm)，發射功率為3毫瓦(mW)。
而且發明人已經制備了中間層48的各種厚度和各種鋁組成比的象發光器件1A的發光器件作為例子。圖11A概要表示了對以13個水平的厚度值和鋁組成比制備的多個中間層48中的每一個有/無裂縫的研究結果。該概要也給出了中間層48的厚度值和從PL波長衍生出的鋁組成比x。
圖11B是表示圖11A列出的13種中間層48有/無裂縫時的厚度和Al組成比之間關系的圖。從圖11B明顯看出，中間層48有/無裂縫在線A(厚度＝-5x+1.2，0＜x＜0.24)的兩邊是明顯不同的。圖11B清晰地表示如果中間層48的厚度小于(-5x+1.2)微米(μm)和Al組成比x在范圍0＜x＜0.24內，中間層48可以在不發生裂縫的情況下合適地生長。
(第二個例子)制備藍光發光器件1B作為第二個例子。首先，將基底14放置在盤子20中，以與第一個例子相同的方式清潔其表面14a。然后，基底溫度和爐壓力分別保持在攝氏1050度(℃)和101KPa，將TMA、TMG、NH3和SiH4的氣體供應到流體通道12以交替地沉積10輪厚度為10納米(nm)的n型Al0.14Ga0.86N層和厚度為10納米(nm)的n型GaN層，由此生長中間層。此后，以與第一個例子相同的方式生長n型緩沖層、發光層、p型包覆層和p型接觸層。如上生長的p型接觸層的表面用微分干擾顯微鏡觀察，這個照片顯示p型接觸層的表面如第一個例子中那樣變得平整。
此后，在基底14的背表面上形成陰極電極58A，在p型接觸層上形成陽極電極58B。然后，將基底14分成半導體模子以完成發光器件，例如發光器件1B。當電流連續地施加到如上制備的發光器件的裸芯片(包裝前的器件)時，在20毫安(mA)時發射的波長為450納米(nm)，發射功率為5毫瓦(mW)。
(試驗例子)接著，介紹證明如上面的例子所示的技術效果的試驗例子。形成沒有中間層的發光器件作為例子。
首先，將GaN單晶基底放置在基座18上的盤子20中，以與第一個例子相同的方式清潔其表面。然后，當保持基底溫度在攝氏1050度(℃)和爐壓力在101KPa時，將TMG、NH3和SiH4供應到流體通道12以生長厚度為2微米(μm)的n型GaN層。此后，以與第一個例子相同的方式連續地生長發光層、p型包覆層和p型接觸層。
圖12是表示按試驗例子制備的發光器件中的p型接觸層的表面的圖。這是用微分干擾顯微鏡取得的照片。如圖12所示，這個例子中的p型接觸層的表面是相當不平整的，其平整度不好。因此，我們可以認為p型包覆層、發光層和n型緩沖層的界面的平整度也差。
此后，在基底的背表面上形成陰極電極，在p型接觸層上形成陽極電極。然后，將基底分成半導體模子以完成發光器件。電流連續地應用到如上制備的發光器件的裸芯片(包裝前的器件)時，在20毫安(mA)的電流時發射的波長為450納米(nm)，發射功率僅為1毫瓦(mW)。這證明配置在基底上的中間層對改進如上面每一個例子中的發光器件等的器件特性很有效。
本發明不局限于上面的方案和例子，但是可以以各種方式修改。例如，用于中間層的AlxGa1-xN(0＜x≤1)和AlyGa1-yN(0≤y≤1)的組成不局限于x＝0.08、x＝0.16和y＝0，但是它們可以根據需要變化。用于InGaN外延層的InzGa1-zN的組成不局限于z＝0.10，但是它們可以根據需要在范圍0＜z≤1內變化。
在第二種方案中，n型半導體區域形成在中間層上，p型半導體區域形成在活性層上，但是，p型半導體區域形成在中間層上和n型半導體區域形成在活性層上也是可以的。
第二種方案以發光器件作為本發明的氮化物半導體器件為例說明，但是本發明不局限于這點，也可以合適地應用到晶體管和其它由有n型區域和p型區域的GaN基材料制成的器件。
在其優選方案中已經描述和說明了本發明的原理，本領域技術人員可以認識到，可以在安排方式和細節上在不脫離本發明的原理的情況下修改本發明。因此我們要求保護在所附權利要求的精神和范圍內的所有修改和變化。
權利要求
1.一種GaN基底，包括包括一個低位錯區域和多個高位錯區域的GaN單晶基底，低位錯區域有穿透位錯的第一個密度，高位錯區域中的每一個都有穿透位錯的第二個密度，低位錯區域圍繞著每個高位錯區域，在高位錯區域中的穿透位錯的第二個密度高于低位錯區域中的穿透位錯的第一個密度，低位錯區域和高位錯區域出現在GaN單晶基底的表面；配置在表面上的第一AlxGa1-xN中間外延層(0＜x≤1)；和配置在第一AlxGa1-xN中間外延層的GaN外延層。
2.根據權利要求1的GaN基底，其中所述多個高位錯區域分布在低位錯區域中，表面上的高位錯區域的密度等于或大于100cm-2。
3.一種GaN基底，包括GaN單晶基底；生長在GaN單晶基底上的第一中間AlxGa1-xN外延層(0＜x≤1)；和生長在中間層上的GaN外延層。
4.根據權利要求1-3中任一項的GaN基底，其中第一中間AlxGa1-xN外延層包含碳，中間層中的碳濃度不大于1×1018cm-3。
5.根據權利要求1-4中任一項的GaN基底，其中第一中間AlxGa1-xN外延層用摻雜劑摻雜，摻雜的中間層具有n型導電性和p型導電性中的一種。
6.根據權利要求1-5中任一項的GaN基底，進一步包括第二AlyGa1-yN中間層(0≤y≤1，y≠x)和第三AlzGa1-zN中間層(0≤z≤1，z≠y)，第一AlxGa1-xN中間外延層和第三AlzGa1-zN中間外延層在組成上不同于第二AlyGa1-yN中間層，安排第一AlxGa1-xN中間層、第二AlyGa1-yN中間層和第三AlzGa1-zB中間層以形成超晶格結構。
7.根據權利要求1-6中任一項的GaN基底，進一步包括第四AluGa1-uN外延中間層(0＜u≤1)；和配置在第一中間AlxGa1-xN外延層和第四AluGa1-uN外延中間層之間的InvGa1-vN外延層(0＜v≤1)。
8.根據權利要求1-7中任一項的GaN基底，其中第一中間AlxGa1-xN層由厚度小于(-5x+1.2)微米的AlxGa1-xN(0＜x＜0.24)制成。
9.一種制備GaN基底的方法，包括如下步驟在GaN單晶基底表面上外延生長第一AlxGa1-xN中間層(0＜x≤1)，GaN單晶基底包括一個低位錯區域和多個高位錯區域，低位錯區域圍繞著每個高位錯區域，低位錯區域有穿透位錯的第一個密度，高位錯區域中的每一個都有穿透位錯的第二個密度，穿透位錯在高位錯區域中的第二個密度高于穿透位錯在低位錯區域中的第一個密度，低位錯區域和高位錯區域出現在GaN單晶基底的表面；和在中間層上外延生長GaN層。
10.根據權利要求9的方法，其中表面上的高位錯區域的密度等于或大于100cm-2。
11.一種制備GaN基底的方法，包括如下步驟在GaN單晶基底上外延生長第一中間AlxGa1-xN層(0＜x≤1)；和在中間層上外延生長GaN層。
12.根據權利要求9-11中任一項的方法，其中第一中間AlxGa1-xN層包含碳，第一中間AlxGa1-xN層中的碳濃度不大于1×1018cm-3。
13.根據權利要求9-12中任一項的方法，其中在生長第一AlxGa1-xN中間層步驟中，第一AlxGa1-xN中間層用摻雜劑摻雜，和其中第一中間AlxGa1-xN層具有n型導電性或p型導電性。
14.根據權利要求9-13中任一項的方法，進一步包括如下步驟形成第二AlyGa1-yN中間層(0≤y≤1，y≠x)，第二AlyGa1-yN中間層在組成上不同于第一AlxGa1-xN中間層；和形成第三AlzGa1-zN中間層(0≤z≤1，z≠y)，第三AlzGa1-zN中間層在組成上不同于第二中間AlyGa1-yN層，安排第一AlxGa1-xN中間層、第二AlyGa1-yN中間層和第三AlzGa1-zN中間層以形成超晶格結構。
15.根據權利要求9-14中任一項的方法，進一步包括如下步驟形成InuGa1-uN外延層(0＜u≤1)；和形成第四AlvGa1-vN中間層(0＜v≤1)，InuGa1-uN(0＜u≤1)外延層配置在第一AlxGa1-xN中間層和第四AlvGa1-vN中間層之間。
16.根據權利要求9-15中任一項的方法，其中第一AlxGa1-xN中間層(0＜x＜0.24)有小于(-5x+1.2)微米的厚度。
17.根據權利要求9-16中任一項的方法，其中第一AlxGa1-xN中間層和GaN層在不小于80kPa的壓力下生長。
18.一種氮化物半導體器件，包括包括一個低位錯區域和多個高位錯區域的GaN單晶基底，低位錯區域有穿透位錯的第一個密度，每一個高位錯區域都有穿透位錯的第二個密度，低位錯區域圍繞著每個高位錯區域，穿透位錯的第二個密度高于穿透位錯的第一個密度，低位錯區域有穿透位錯的第一個密度，高位錯區域每一個有穿透位錯的第二個密度，低位錯區域和高位錯區域出現在GaN單晶基底的表面；配置在表面上的第一AlxGa1-xN中間外延層(0＜x≤1)；都配置在中間層上的n型氮化物半導體區域和p型氮化物半導體區域。
19.根據權利要求18的氮化物半導體器件，其中表面上高位錯區域的密度等于或大于100cm-2。
20.根據權利要求18或19的氮化物半導體器件，其中n型氮化物半導體區域和p型氮化物半導體區域之一包括外延生長在AlxGa1-xN外延中間層上的GaN上層。
21.根據權利要求18-20中任一項的氮化物半導體器件，進一步包括配置在n型氮化物半導體區域和p型氮化物半導體區域之間的發光層，n型氮化物半導體區域和p型氮化物半導體區域的每一個都包括包覆層。
22.根據權利要求18-21中任一項的氮化物半導體器件，進一步包括陰極電極和陽極電極，GaN單晶基底配置在陰極電極和陽極電極之間，發光層包括用于產生光的區域，用于產生光的區域配置在一個或更多個高位錯區域上，和，用于產生光的區域配置在陰極電極和陽極電極之間。
23.根據權利要求18-22中任一項的氮化物半導體器件，其中第一AlxGa1-xN中間外延層包含碳，經摻雜的第一AlxGa1-xN中間外延層有不大于1×1018cm-3的碳濃度。
24.根據權利要求18-23中任一項的氮化物半導體器件，其中第一AlxGa1-xN中間外延層用摻雜劑摻雜，摻雜的第一AlxGa1-xN中間層有n型導電性和p型導電性中的一種。
25.根據權利要求18-24中任一項的氮化物半導體器件，進一步包括AlyGa1-yN第二中間外延層(0≤y≤1，y≠x)和第三AlzGa1-zN中間外延層(0≤z≤1，z≠y)，第一AlxGa1-xN中間外延層和第三AlzGa1-zN中間外延層在組成上不同于第二AlyGa1-yN中間層，安排第一AlxGa1-xN中間層、第二AlyGa1-yN中間外延層和第三AlzGa1-zN中間外延層以形成超晶格結構。
26.根據權利要求18-25中任一項的氮化物半導體器件，進一步包括第四AluGa1-uN外延中間層(0＜u≤1)；和配置在第一中間AlxGa1-xN外延層和第四AluGa1-uN外延中間層之間的InvGa1-vN外延層(0＜v≤1)。
27.根據權利要求18-26中任一項的氮化物半導體器件，其中第一AlxGa1-xN中間層(0＜x＜0.24)有小于(-5x+1.2)微米的厚度。
28.一種制備氮化物半導體器件的方法，包括如下步驟在不低于80kPa的壓力下在GaN單晶基底表面上外延生長中間AlxGa1-xN層(0＜x≤1)，GaN單晶基底包括低位錯區域和多個高位錯區域，低位錯區域圍繞著每個高位錯區域，每一個高位錯區域都有穿透位錯的第二個密度，低位錯區域有穿透位錯的第一個密度，穿透位錯在高位錯區域中的第二個密度高于穿透位錯在低位錯區域中的第一個密度，低位錯區域和高位錯區域出現在基底的表面；和在不低于80kPa的壓力下在中間層上外延生長n型氮化物半導體區域和p型氮化物半導體區域。
29.根據權利要求28的方法，其中表面上高位錯區域的密度等于或大于100cm-2。
30.根據權利要求28或29的方法，其中第一AlxGa1-xN中間層(0＜x＜0.24)有小于(-5x+1.2)微米的厚度。
全文摘要
GaN基底28包括GaN單晶基底14、在基底14上外延生長的Al
文檔編號C30B25/02GK1577743SQ20041006283
公開日2005年2月9日 申請日期2004年6月25日 優先權日2003年6月26日
發明者秋田勝史, 高須賀英良, 中山雅博, 上野昌紀, 三浦廣平, 京野孝史 申請人:住友電氣工業株式會社