CN100386845C - 有氮化物半导体薄膜的基底及该薄膜的生长方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种生长有氮化物半导体薄膜的基底及该氮化物半导体薄膜的生长方法。本发明的优点在于，通过部分蚀刻基底而在基底上形成多个凹槽，在该凹槽内形成防止氮化物半导体纵向生长的脚部，从而氮化物半导体薄膜侧向生长以覆盖脚部的顶部，因此确保了生长高质量的氮化物半导体薄膜。

Description

有氮化物半导体薄膜的基底及该薄膜的生长方法
技术领域
本发明涉及一种生长有氮化物半导体薄膜的基底及该氮化物半导体薄膜的生长方法。更具体地，本发明涉及一种生长有氮化物半导体薄膜的基底及该氮化物半导体薄膜的生长方法，其中通过部分蚀刻基底而在基底上形成多个凹槽，并在该凹槽内形成用于防止氮化物半导体纵向生长的脚部(leg portion)，从而侧向生长氮化物半导体薄膜，以覆盖脚部的顶部，因此确保高质量的氮化物半导体薄膜的生长。
背景技术
一般地，基于氮化物的半导体是直接跃迁型(direct transitiontype)半导体，并被应用于如光发射二极管(LEDs)和激光二极管(LDs)的光发射元件。此外，关于将半导体应用于高温、高频和高功率的电子设备的研究已积极展开。近来，由于光发射元件的需求的增加使这种半导体更受关注。
主要在高温稳定的蓝宝石基底上生长这种氮化物半导体薄膜。
然而，由于氮化物半导体薄膜和蓝宝石基底的晶格常数和热胀系数具有很大差别，因此存在着由于此巨大差别而产生了大量的如穿透位错(threading dislocation)的缺陷的缺点。
因此，这些缺陷导致了设备性能退化的问题。
近来，为了减少在蓝宝石基底和氮化物半导体薄膜上的缺陷，在蓝宝石基底的顶面上AlxGayIn1-x-yN(0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1)，SiN，或这些物质叠压的叠压膜形成为缓冲层，然后生长氮化物半导体薄膜。
这样，如果氮化物半导体薄膜在缓冲层的顶部上生长，则长出的氮化物半导体薄膜具有108～109cm-2的低穿透位错密度，从而降低了缺陷密度。
用于降低此穿透位错的方法包括以下方法：1)通过在蓝宝石基底上形成图案而控制纵向生长和侧向生长的方法；2)侧向外延增生方法(lateral epitaxial overgrowth method)(LEO)，其中在蓝宝石基底的顶面上生长氮化物半导体薄膜，在该氮化物半导体薄膜的顶部形成介电薄膜的特定图案，并再次生长氮化物半导体薄膜；及3)Pendeo生长方法，其中在蓝宝石基底的顶面上长氮化物半导体薄膜，蚀刻成一定的图案然后再次生长。
同时，为了制备蓝紫色的LDs，或制备高输出、高效率及高稳定性的LEDs，则需要进一步降低缺陷密度，并且研制一种用于生长具有极低缺陷密度的高质量氮化物半导体薄膜的方法。
发明内容
本发明致力于解决上述问题。因此，本发明的目的是提供一种生长有氮化物半导体薄膜的基底及该氮化物半导体薄膜的生长方法，其中通过部分蚀刻基底而在基底上形成多个凹槽，在该凹槽内形成防止氮化物半导体纵向生长的脚部，从而氮化物半导体薄膜侧向生长以覆盖脚部的顶部，因此确保了高质量的氮化物半导体薄膜的生长。
根据实现此目的的本发明的优选实施方案，提供了氮化物半导体薄膜的生长方法，该方法包括以下步骤：通过部分蚀刻基底而在基底的顶面上形成多个凹槽；在基底内形成的各凹槽中形成用于防止氮化物半导体纵向生长的脚部，其中，存在于在基底的上表面形成的各凹槽内的脚部的宽度为各凹槽的宽度的1～100％，从各凹槽的内底面至脚部的顶部的高度为从各凹槽的内底面至基底的顶面的高度的1～100％；在基底的顶面没有形成凹槽的区域形成缓冲层；及在缓冲层上侧向生长氮化物半导体薄膜，以覆盖脚部的顶部。
根据由于实现此目的的本发明的另一优选实施方案，本发明提供了一种生长有氮化物半导体薄膜的基底，包括：具有多个形成于其顶面的凹槽的基底；在各凹槽内形成的用于防止氮化物半导体纵向生长的脚部，其中，存在于在基底的上表面形成的各凹槽内的脚部的宽度为各凹槽的宽度的1～100％，从各凹槽的内底面至脚部的顶部的高度为从各凹槽的内底面至基底的顶面的高度的1～100％；在基底的顶面没有形成凹槽的区域上形成的缓冲层；及在缓冲层上侧向生长以覆盖脚部的顶部的氮化物半导体薄膜。
附图说明
通过以下结合附图来描述优选实施例使本发明的以上和其它目的、特征及优点更清楚。附图中：
图1a～1d为说明根据本发明的高质量氮化物半导体薄膜的生长方法的视图；
图2为说明本发明中所用的脚部和凹槽之间的关系的截面图；
图3为说明以根据本发明的高质量氮化物半导体薄膜制成的光发射元件的光发射路径的方案视图；
图4为说明在用于根据本发明的生长高质量氮化物半导体薄膜的基底上形成的凹槽、脚部和缓冲层之间的关系的平面图；及
图5为显示在根据本发明的基底上形成凹槽、脚部和缓冲层的状态的平面图。
具体实施方式
以下，根据附图详细描述本发明的优选实施例。
图1a～1d为说明根据本发明的高质量氮化物半导体薄膜的生长方法的视图。首先，通过部分蚀刻蓝宝石基底100而在蓝宝石基底的顶面形成多个凹槽110(图1a)。
此时，蓝宝石基底100的顶面具有波纹形状。
之后，在蓝宝石基底100内形成的各凹槽110内形成用于防止氮化物半导体纵向生长的脚部120(图1b)。
在此，脚部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层膜构成。
此外，脚部120由选自包括Ag、Al、Rh、Pt和Pd的组的一种制成的薄膜或其多层膜构成。
如果按照此方式以金属制成脚部120，且使用具有此脚部的氮化物半导体薄膜制备光发射元件，则由活化层发出的光的反射率可以被增加，从而提高了该元件的光学效率。
然后，在蓝宝石基底100的顶面上未形成凹槽110的区域上形成缓冲层130(图1c)。
此处，缓冲层由一种选自包括AlN、GaN和AlInN的组的物质制成。
最后，在缓冲层130上侧向生长氮化物半导体薄膜140，以覆盖脚部120的顶部(图1d)。
因此，根据本发明，凹槽和脚部阻断了在蓝宝石基底和生长的氮化物半导体薄膜之间的界面处产生的位错，从而确保了高质量氮化物半导体薄膜的生长。
其中，上述蓝宝石基底仅用于说明的目的，而其内形成有凹槽的基底指各种用于制备光发射元件的基底。尤其地，优选该基底为蓝宝石基底、GaN基底、碳化硅(SiC)基底和砷化镓(GaAs)基底中的一种。
图2为说明本发明中所用的脚部和凹槽之间的关系的截面图。优选在蓝宝石基底100的顶面形成的各凹槽110内存在的脚部120的宽度W1为各凹槽110的宽度W2的1～100％。此外，优选从各凹槽110的内底面至脚部120的顶面的高度H1为从各凹槽110的内底面至蓝宝石基底100的顶面的高度H2的1～100％。
图3为说明以根据本发明的高质量氮化物半导体薄膜制成的光发射元件的光发射路径的方案视图。首先，通过进行如图1a～1d所示上述方法而制备的氮化物半导体薄膜包括：具有形成于其顶面内的多个凹槽110的基底100；在各凹槽110内形成的用于防止氮化物半导体纵向生长的脚部120；在基底100的上表面中没有形成凹槽110的区域形成的缓冲层130；及在缓冲层130上侧向生长、以覆盖脚部的顶部的氮化物半导体薄膜140。
有可能制备一种光发射元件，其中N型半导体层150、活化层160和P型半导体层170被顺序叠压于此氮化物半导体薄膜上，从P型半导体层170向部分N型半导体层150进行台面蚀刻，在N型半导体层150的被台面蚀刻的部分的顶部上形成N电极190，并且在P型半导体层170的顶部上形成P电极180。
如果驱动该光发射元件，从活化层160发射的光线透射P型半导体层170，然后被发射到该元件的外面。
此处，由于从活化层160向各个方向发射光线，因此在常规基底中，具有朝向基底的表面的光线发射路径的光线在基底与N型半导体层之间的界面处被全反射，从而光线被限制在元件内部，使光输出降低。
然而，如果用根据本发明的氮化物半导体薄膜制备光发射元件，如图3所示在基底和N型半导体层之间的界面处形成波纹，从而被全反射的光的量可以被降低，从而提高了光输出。
此外，当在基底的凹槽内部形成的脚部120为金属时，则该脚部120可以反射向基底行进的光，从而提高了光输出。
图4为说明在用于生长根据本发明的高质量氮化物半导体薄膜的基底上形成的凹槽、脚部和缓冲层之间的关系的平面图。脚部120在基底内被形成的多个凹槽110的内部形成，而缓冲层130在基底的表面形成。
优选缓冲层130的总面积大于凹槽110的总面积。如果缓冲层130的总面积大于凹槽110的总面积，则生长在缓冲层130上的氮化物半导体薄膜侧向生长，因此有助于在脚部上方氮化物半导体薄膜的聚并。
图5为显示在根据本发明的基底上形成凹槽、脚部和缓冲层的状态的平面图。如果在基底内形成大量的凹槽110，则在这些凹槽110内存在脚部120。结果，在基底的顶面内形成许多波纹，从而使得用该基底制备的光发射元件可以进一步降低全反射，因此进一步提高光输出。
如上所述，本发明的优点在于，通过部分蚀刻基底而在蓝宝石基底上形成多个凹槽，在该凹槽内形成防止氮化物半导体纵向生长的脚部，从而侧向生长氮化物半导体薄膜以覆盖脚部的顶部，因此确保了高质量的氮化物半导体薄膜的生长。
尽管结合特定实施例描述了本发明，本领域熟练技术人员可以理解，在本发明的技术实质和范围内可以对本发明进行各种修饰和改变。这些修饰和改变也明显落入附加权利要求所限定的本发明的范围内。

Claims (11)

1.一种氮化物半导体薄膜的生长方法，包括以下步骤：
通过部分蚀刻基底而在基底的上表面上形成多个凹槽；
在形成在基底中的各凹槽内形成用于防止氮化物半导体纵向生长的脚部，其中，存在于在基底的上表面形成的各凹槽内的脚部的宽度为各凹槽的宽度的1～100％，从各凹槽的内底面至脚部的顶部的高度为从各凹槽的内底面至基底的顶面的高度的1～100％；
在没有形成凹槽的基底的上表面区域形成缓冲层；
在缓冲层上侧向生长氮化物半导体薄膜，以覆盖脚部的顶部。
2.如权利要求1所述的方法，其中由一种选自包括SiO2、Si3N4、TiOx和ZrOx的组的物质制成的薄膜或其叠压膜构成脚部。
3.如权利要求1所述的方法，其中由选自包括Ag、Al、Rh、Pt和Pd的组的一种金属制成的薄膜或其多层膜构成脚部。
4.如权利要求1所述的方法，其中缓冲层由AlN、GaN和AlInN中的任意一种物质制成。
5.如权利要求1所述的方法，其中基底为蓝宝石基底、GaN基底、碳化硅基底和砷化镓基底中的一种。
6.一种生长有氮化物半导体薄膜的基底，包括：
具有多个形成于其顶面的凹槽的基底；
在各凹槽内形成的用于防止氮化物半导体纵向生长的脚部，其中，存在于在基底的上表面形成的各凹槽内的脚部的宽度为各凹槽的宽度的1～100％，从各凹槽的内底面至脚部的顶部的高度为从各凹槽的内底面至基底的顶面的高度的1～100％；
在基底的没有形成凹槽的顶面区域内形成的缓冲层；
在缓冲层上侧向生长以覆盖脚部的顶部的氮化物半导体薄膜。
7.如权利要求6所述的生长有氮化物半导体薄膜的基底，其中脚部由一种选自包括SiO2、Si3N4、TiOx和ZrOx的组的物质制成的薄膜或其叠层膜构成。
8.如权利要求6所述的生长有氮化物半导体薄膜的基底，其中脚部由选自包括Ag、Al、Rh、Pt和Pd的组的一种金属制成的薄膜或其多层膜构成。
9.如权利要求6所述的生长有氮化物半导体薄膜的基底，其中缓冲层由AlN、GaN和AlInN中的任意一种制成。
10.如权利要求6所述的生长有氮化物半导体薄膜的基底，其中基底为蓝宝石基底、GaN基底、碳化硅基底和砷化镓基底中的一种。
11.如权利要求6所述的生长有氮化物半导体薄膜的基底，其中缓冲层的总面积大于凹槽的总面积。
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