CN100352002C - 氮化物单晶生长方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明披露了一种生长氮化物单晶层的方法、以及利用该方法制造发光装置的方法。生长氮化物单晶层的方法包括以下步骤：制备具有晶面(111)的上表面的硅基片；在硅基片的上表面形成具有化学式SixGe1-x的缓冲层(其中0＜x≤1)；以及在缓冲层上形成氮化物单晶。此外，本发明还披露了一种通过该方法制造的利用该方法的氮化物发光装置、以及制造该氮化物发光装置的方法。
Description
相关申请
本发明要求2004年4月28日提交的韩国申请第2004-29477号的优先权，将其全部内容结合于此作为参考。
技术领域
本发明涉及一种生长氮化物单晶的方法，更具体地，涉及一种在硅基片上生长高质量氮化物单晶的方法、利用该方法的氮化物半导体发光装置、以及制造该氮化物半导体发光装置的方法。
背景技术
氮化物半导体发光装置是高功率光学装置，其产生具有短波长的光，如蓝光或绿光，从而能够实现全色，并且在相关技术领域成为人们关注的中心。通常，氮化物半导体发光装置用氮化物单晶制成，其具有化学式AlxInyGa(1-x-y)N(其中0≤x≤1、0≤y≤1、0≤x+y≤1)。
为了制造这类氮化物半导体发光装置，则必需提供用于生长高质量氮化物单晶的技术。然而，存在下述问题：目前用于生长氮化物单晶的基片是不适合的，这是由于在基片和氮化物单晶之间在晶格参数和热膨胀系数上存在差异。
通常，氮化物单晶是生长在不同的基片上，如蓝宝石(Al2O3)基片或SiC基片，其是借助于MBE(分子束外延)方法或汽相生
通常，氮化物单晶是生长在不同的基片上，如蓝宝石(Al2O3)基片或SiC基片，其是借助于MBE(分子束外延)方法或汽相生长方法，如MOCVD(金属有机物化学汽相淀积)方法、HVPE(氢化物汽相外延)方法等等。
因为不同的基片，如蓝宝石(α-Al2O3)基片或SiC基片，不仅价格昂贵而且只限于2或3英寸的大小，所以它不适于大量生产。
因此，需要使用Si基片，其在半导体工业中被最广泛地用作基片，包括发光装置工业。然而，由于在Si基片和GaN单晶之间在晶格参数和热膨胀系数上存在差异，所以存在下述问题：在蓝宝石基片和GaN单晶之间的界面上可以产生裂缝，其达到这样的程度以致实际上不能使用GaN层。关于减小差异的方法，已提出在Si基片上设置缓冲层，但这种方法并不被认为是解决上述问题的适当方法。图1a和图1b表示利用传统的AlN缓冲层和缓冲结构生长的GaN单晶，其与AlN缓冲层和AlGaN中间层相结合。
首先，如图1a所示，传统的AlN缓冲层12是形成在Si基片11的面111上，而具有2μm厚度的GaN单晶15是生长在AlN缓冲层12上。图2a是光学显微照片，其显示图1a的GaN单晶15的表面。如图2a所示，可以看到，多个裂缝产生在GaN单晶15的表面上。这些裂缝的产生是由于在Si基片和GaN单晶之间在晶格参数和热膨胀系数上未解决的差异所致，从而不仅降低了装置的性能及其使用期限，而且使得实际上不可能使用GaN单晶。
作为替换方法，如图1b所示，其中AlN缓冲层12形成在Si基片11的面111上，具有0.87至0.07并且总厚度为300nm的Al成分(x)的AlxGa1-xN中间层13是形成在AlN缓冲层12上，而具有2μm厚度的GaN单晶15是生长在其上。图2b是光学显微照片，其显示图1b的GaN单晶15的表面。如图2b所示，可以看到，虽然与图2a的GaN单晶15相比较在图1b的GaN单晶15的表面上产生的裂缝数目减少了，但在图1b的单晶15的表面上仍产生许多裂缝。也就是说，可以认为，在图1b中提出的缓冲结构不能满足生长高质量单晶的要求。
因此，在现有技术的领域内，需要提供在Si基片上生长高质量氮化物单晶层的方法，其并不产生裂缝，以及使用该氮化物单晶层的氮化物半导体发光装置。
发明内容
本发明是用来解决上述问题，并且本发明的一个目的是提供一种生长氮化物单晶层的方法，其是利用包括Si和Ge的缓冲层以便使高质量的氮化物单晶层可以生长在硅基片上。
本发明的另一个目的是提供一种氮化物半导体发光装置，包括生长在硅基片上的氮化物单晶层，以及制造氮化物半导体发光装置的方法。
根据本发明的一个方面，上述和其它目的可以通过提供生长氮化物单晶层的方法来实现，该方法包括以下步骤：制备具有晶面111的上表面的硅基片；在硅基片的上表面形成具有化学式SixGe1-x的缓冲层(其中0＜x≤1)；以及在缓冲层上形成氮化物单晶。
该方法可以进一步包括在形成氮化物单晶前在缓冲层上形成中间层，其具有化学式AlyInzGa(1-y-z)N(其中0≤y≤1、0≤z≤1、0≤y+z≤1)。
缓冲层可以具有约0.1～0.2的Si成分(x)，并且优选约0.14。
为了有效地减小在硅基片和氮化物单晶之间在晶格参数和热膨胀系数上的差异，优选地，缓冲层具有Si成分梯度(x)，其从缓冲层接触硅基片的部分到缓冲层的最上部逐渐降低。更优选地，缓冲层具有Si成分梯度(x)，其分别从缓冲层接触硅基片的部分到缓冲层的最上部，从1至0.1逐渐降低。最优选地，缓冲层具有Si成分梯度(x)，其分别从缓冲层接触硅基片的部分到缓冲层的最上部，从1至0.14逐渐降低。
缓冲层可以具有至少20nm的厚度以便充分地保证缓冲作用。
根据本发明的另一个方面，提供了一种利用生长氮化物单晶层的方法的氮化物半导体发光装置，该氮化物半导体发光装置包括：具有晶面111的上表面的硅基片；在硅基片上的缓冲层，其具有化学式SixGe1-x(其中0＜x≤1)；在缓冲层上的第一导电氮化物半导体层；在第一导电氮化物半导体层上的激活层；以及在第一导电氮化物半导体层上的第二导电氮化物半导体层。
根据本发明的又一个方面，提供了一种利用生长氮化物单晶层的方法的制造氮化物半导体发光装置的方法，该方法包括以下步骤：制备具有晶面111的上表面的硅基片；在硅基片上形成缓冲层，其具有化学式SixGe1-x(其中0＜x≤1)；在缓冲层上形成第一导电氮化物半导体层；在第一导电氮化物半导体层上形成激活层(活化层，active layer)；以及在第一导电氮化物半导体层上形成第二导电氮化物半导体层。
根据本发明，用于在硅基片上生长氮化物单晶的缓冲层包括SixGe1-x层(其中0＜x≤1)。因为Si和Ge完全可溶于SixGe1-x层，所以具有以下优点：Si或Ge的成分可以连续地从0变化到1。
另外，在传统AlN缓冲层的情况下，在GaN层和AlN层之间以及在AlN层和Si基片之间，热膨胀系数的差异分别为24.8％和40.7％，这会引起由热膨胀系数的差异所导致的严重的裂缝问题。然而，根据本发明，因为Si0.14Ge0.86缓冲层具有与GaN层近似相同的热膨胀系数，所以可以有效地解决由热膨胀系数的差异所引起的问题。
附图说明
从以下参照附图的详细描述，可以更清楚地理解本发明的前述和其它目的和特点，其中：
图1a和图1b显示根据传统方法在硅基片上生长的氮化物单晶的结构；
图2a和图2b是光学显微照片，其显示图1a和图1b所示的氮化物单晶的表面；
图3a和图3b分别显示根据本发明的不同实施例的生长在硅基片上的氮化物单晶的结构；以及
图4是示出根据本发明的一个实施例的氮化物半导体发光装置的截面侧视图。
具体实施方式
现将参照附图详细描述优选实施例。
图3a和图3b显示根据本发明利用SiGe缓冲层生长的GaN单晶的结构。
根据示于图3a的本发明的具体实施例，将SixGe1-x层(其中0＜x≤1)作为缓冲层34设置在硅基片31上。此时，硅层31具有晶面111的上表面。利用公知的生长氮化物单晶的方法GaN单晶35生长在SixGe1-x层34上，如MOCVD方法。根据本发明，SixGe1-x层34优选具有约0.1～0.2的Si成分(x)，更优选地约为0.14。当SixGe1-x层34包括约0.14的Si成分(x)时，由于在GaN层和SixGe1-x层34之间的热膨胀系数的差异大约为0，因此可以显著地降低由其间的热膨胀系数差异所引起的应力。
可以设置作为SiGe单层或Si/SiGe多层的结构的SixGe1-x层34。优选地，由于在SixGe1-x层34中Si和Ge完全互溶，并且其中的Si成分可以加以控制以逐渐降低，因此SixGe1-x层34可以具有Si成分梯度(x)，其从SixGe1-x层34接触硅基片31的部分到SixGe1-x层34的最上部(也就是说，到GaN单晶35将形成的部分)逐渐降低。从SixGe1-x层34接触硅基片31的部分到SixGe1-x层34的最上部，Si成分优选地在1至0.1的范围内、更优选地在1至0.14的范围内增加。
另外，不同于传统的AlN缓冲层，SixGe1-x层34可以生长到一定厚度，其可以充分保证不同材料之间的缓冲效应。例如，在传统AlN缓冲层的情况下，很难将它生长到1μm或更大的厚度，因此，不能保证足够的缓冲区域。然而，由于SixGe1-x层34可以生长到几十纳米(nm)的厚度，因此最好是SixGe1-x层34生长到至少20nm的厚度以便保证足够的缓冲区域。
可替换地，本发明可以实现如图3b所示的实施例。正如图3a的情况一样，根据图3b所示的实施例，在硅基片31上形成SixGe1-x层34(其中0＜x≤1)后，其具有晶面111的上表面，具有化学式AlyInzGa(1-y-z)N(其中0≤y≤1、0≤z≤1、0≤y+z≤1)的中间层33可以形成在SixGe1-x层34上。正如图1b所示的AlGaN层13的情况一样，AlyInzGa(1-y-z)N中间层33起缓冲层作用。根据本发明的该实施例，随着由于层之间的热膨胀系数的差异所引起的应力借助于SixGe1-x层34被消除，因此利用AlyInzGa(1-y-z)N中间层33氮化物单层35的生长可以具有提高的质量。
图4是示出根据本发明的另一个实施例的氮化物半导体发光装置的截面侧视图。
参照图4，根据本发明的氮化物半导体发光装置40包括形成在硅基片41上的缓冲层44，其具有化学式SixGe1-x(其中0＜x≤1)。该氮化物半导体发光装置40进一步包括第一导电氮化物半导体层45、激活层46、以及第二导电氮化物半导体层47，其依次地形成在缓冲层44上。另外，该氮化物半导体发光装置40包括：n侧(n-side)电极49a，其在第一导电氮化物半导体层45的上表面，其中将第二导电氮化物半导体层47和激活层46的某些部分除去；透明电极48，其在用于增加接触电阻的第二导电氮化物半导体层47上；以及p侧(p-side)电极49b，其在透明电极48上。
第一导电氮化物半导体层45可以包括形成在SixGe1-x缓冲层44上的第一导电GaN层、以及在第一导电GaN层上的第一导电AlGaN层。第二导电氮化物半导体层47可以包括形成在激活层46上的第二导电GaN层、以及在第二导电GaN层上的第二导电AlGaN层。激活层46可以是具有多孔结构的GaN/InGaN激活层。
本发明的SixGe1-x层44优选地具有约0.1～0.2的Si成分(x)，更优选地约为0.14。当SixGe1-x层34具有约0.14的Si成分(x)时，由于在GaN层和SixGe1-x层34之间的热膨胀系数的差异大约为0，因此可以显著地降低由其间的热膨胀系数差异所引起的应力。
同时，应该注意的是，本发明并不限于上述实施例。例如，层之间热膨胀系数差异的效应并不限于典型的张力，即使将Si成分降低到0.14以下，本发明也可以用来产生压缩应力以便补充在其它层之间的区域产生的张力。
优选地，由于Si和Ge完全可溶于SixGe1-x层44，并且其中的Si成分可以加以控制以逐渐降低，因此SixGe1-x层44可以具有Si成分梯度(x)，其从SixGe1-x层44接触硅基片41的部分到SixGe1-x层44接触第一导电氮化物半导体层45的部分逐渐降低。从SixGe1-x层44接触硅基片41的部分到SixGe1-x层44的最上部，Si成分优选地在1至0.1的范围内、更优选地在1至0.14的范围内增加。由于SixGe1-x层44可以生长到几十纳米(nm)的厚度，因此最好是SixGe1-x层44生长到至少20nm的厚度以便保证足够的缓冲区域。
此外，在制造氮化物半导体发光装置的过程中，由于SixGe1-x缓冲层可以容易地进行蚀刻，因此在下述方面是有利的：如果必要的话，可以拆除Si基片。
同时，虽然图4所示的结构仅具有SiGe缓冲层，正如图3b所示的实施例的情况一样，在SixGe1-x层44(其中0＜x≤1)形成在硅基片41上后，其具有晶面111的上表面，具有化学式AlyInzGa(1-y-z)N(其中0≤y≤1、0≤z≤1、0≤y+z≤1)的中间层可以形成在SixGe1-x层44上。
如从以上描述显而易见，根据本发明，提供了在硅基片上利用包括Si和Ge的缓冲层生长高质量氮化物单晶的方法。本发明的缓冲层具有大致类似于GaN单晶的热膨胀系数，此充分保证了生长厚度，并可使其产生预期的压缩应力，用于补偿产生自其它区域的张力、使高质量的氮化物单晶可以生长在硅基片上。
因此，在制造氮化物半导体发光装置时，硅基片可以用作生长氮化物单晶的基片，以代替价格昂贵的蓝宝石基片或SiC基片。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (21)
1.一种生长氮化物单晶层的方法，包括以下步骤：
制备具有晶面(111)的上表面的硅基片；
在所述硅基片的所述上表面形成具有化学式SixGe1-x的缓冲层，其中0＜x≤1；以及
在所述缓冲层上形成氮化物单晶。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括以下步骤：
形成所述氮化物单晶之前，在所述缓冲层上形成中间层，所述中间层具有化学式AlyInzGa(1-y-z)N，其中0≤y≤1、0≤z≤1、0≤y+z≤1。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述缓冲层中Si的成分x为0.1～0.2。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述缓冲层具有Si成分梯度x，其从所述缓冲层接触所述硅基片的部分到所述缓冲层的最上部逐渐降低。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述缓冲层具有Si成分梯度x，其分别从所述缓冲层接触所述硅基片的部分到所述缓冲层的最上部，从1至0.1逐渐降低。
6.根据权利要求4所述的方法，其中所述缓冲层具有Si成分梯度x，其分别从所述缓冲层接触所述硅基片的部分到所述缓冲层的最上部，从1至0.14逐渐降低。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述缓冲层具有至少20nm的厚度。
8.一种氮化物半导体发光装置，包括：
硅基片，具有晶面(111)的上表面；
缓冲层，在所述硅基片的所述上表面上，其具有化学式SixGe1-x，其中0＜x≤1；
第一导电氮化物半导体层，位于所述缓冲层上；
激活层，位于所述第一导电氮化物半导体层上；以及
第二导电氮化物半导体层，位于所述第一导电氮化物半导体层上。
9.根据权利要求8所述的装置，进一步包括：
中间层，位于所述缓冲层上，其具有化学式AlyInzGa(1-y-z)N，其中0≤y≤1、0≤z≤1、0≤y+z≤1。
10.根据权利要求8所述的装置，其中所述缓冲层中Si的成分x为0.1～0.2。
11.根据权利要求8所述的装置，其中所述缓冲层具有Si成分梯度x，其从所述缓冲层接触所述硅基片的部分到所述缓冲层的最上部逐渐降低。
12.根据权利要求11所述的装置，其中所述缓冲层具有Si成分梯度x，其分别从所述缓冲层接触所述硅基片的部分到所述缓冲层的最上部，从1至0.1逐渐降低。
13.根据权利要求11所述的装置，其中所述缓冲层具有Si成分梯度x，其分别从所述缓冲层接触所述硅基片的部分到所述缓冲层的最上部，从1至0.14逐渐降低。
14.根据权利要求8所述的装置，其中所述缓冲层具有至少20nm的厚度。
15.一种制造氮化物半导体发光装置的方法，包括以下步骤：
制备具有晶面(111)的上表面的硅基片；
在所述硅基片的上表面形成缓冲层，所述缓冲层具有化学式SixGe1-x，其中0＜x≤1；
在所述缓冲层上形成第一导电氮化物半导体层；
在所述第一导电氮化物半导体层上形成激活层；以及
在所述第一导电氮化物半导体层上形成第二导电氮化物半导体层。
16.根据权利要求15所述的方法，进一步包括以下步骤：
形成所述第一氮化物半导体层之前，在所述缓冲层上形成中间层，所述中间层具有化学式AlyInzGa(1-y-z)N，其中0≤y≤1、0≤z≤1、0≤y+z≤1。
17.根据权利要求15所述的方法，其中所述缓冲层中Si的成分x为0.1～0.2。
18.根据权利要求15所述的方法，其中所述缓冲层具有Si成分梯度x，其从所述缓冲层接触所述硅基片的部分到所述缓冲层的最上部逐渐降低。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述缓冲层具有Si成分梯度x，其分别从所述缓冲层接触所述硅基片的部分到所述缓冲层的最上部，从1至0.1逐渐降低。
20.根据权利要求18所述的方法，其中所述缓冲层具有Si成分梯度x，其分别从所述缓冲层接触所述硅基片的部分到所述缓冲层的最上部，从1至0.14逐渐降低。
21.根据权利要求15所述的方法，其中所述缓冲层具有至少20nm的厚度。
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