CN101419912A - 制造第ⅲ族氮化物基化合物半导体的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及制造第III族氮化物基化合物半导体的方法。本发明的目的在于从GaN锭块切割的GaN衬底的表面上移除微划痕。本发明涉及一种用于实施GaN衬底的表面处理的方法，包括在含有三甲基镓、氨和氢的气氛中加热表面。优选地，三甲基镓的进料速率为150μmol/min以上，三甲基镓的进料速率与氨的进料速率之比(V/III)为1200～4000，加热温度为1000℃～1250℃。另外，表面处理的温度调节为高于后续形成的GaN生长温度，三甲基镓的进料速率小于生长时的进料速率。衬底上RMS粗糙度等于或小于1.3nm，可以获得台阶状况优异的衬底。

Description

制造第Ⅲ族氮化物基化合物半导体的方法

技术领域

本发明涉及在第III族氮化物基化合物半导体上制造第III族氮化物基化合物半导体产品的方法，更具体涉及包括在外延生长之前对第III族氮化物基化合物半导体进行表面处理的方法。半导体衬底用作在其上形成第III族氮化物基化合物半导体器件的衬底，或在其上形成第III族氮化物基化合物半导体作为厚膜或锭块的基板。

当用于本文中时，术语“第III族氮化物基化合物半导体”包含由式Al_xGa_yIn_1-x-yN(0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1)表示的半导体；这种半导体包含预定的元素以获得例如n型导电性/p型导电性；在这种半导体中，第III族元素中的一部分被B或T1替代，并且，第V族元素中的一部分被P、As、Sb或Bi替代。

背景技术

近年来，第III族氮化物基化合物半导体衬底已可用作在其上形成第III族氮化物基化合物半导体发光器件的衬底。例如，通过各种技术制造GaN锭块，并且将锭块切成所需厚度的片，由此提供市售产品。当这种锭块被切割时，切割面用作衬底的主面并因此经受机械抛光或化学机械抛光。

当前，由于第III族氮化物基化合物半导体本身对于通常实施的湿蚀刻具有非常强的抵抗，因此，还没有实现简单的技术用于以较高的精度使诸如GaN衬底的第III族氮化物基化合物半导体衬底的表面平坦化。因此，当使用诸如碱性水溶液的强蚀刻剂时，蚀刻表面具有不希望有的深坑。

为了解决该问题，已尝试实施热处理或热处理和其它处理的组合。日本专利申请公开公报(特开)No.2003-327497、No.2005-136311和No.2004-273484公开了这些技术。

在第一和第二专利文件中公开的技术分别包括在1000℃或更高的温度下在氨-氢气氛中加热GaN衬底的表面10分钟或更长的时间。第三专利文件公开了在GaN气相生长之前将衬底温度设为低于生长温度的温度并停止供给包含第3B族元素的材料气体的技术或通过将材料气体的进料速率降低到低于外延生长时进料速率的值来清洁GaN衬底表面的方法。

当本发明的发明人实际实施在第一和第二专利文件中公开的所述热处理时，在原子力显微镜(AFM)或金相显微镜下在GaN衬底的表面上观察到Ga小滴的固化产物(以下称为“固化Ga小滴”)。固化Ga小滴的形成意味着在衬底的表面部分中存在的GaN在加热过程中分解，从而导致氮的蒸发和剩余Ga原子的聚集。当使用在其表面上具有固化Ga小滴的GaN衬底作为外延生长衬底时，在衬底上生长的膜无法在整个晶片表面上均匀地具有较高的结晶度。换句话说，当通过在所述专利文件中公开的技术处理GaN衬底时，形成的外延膜无法具有较高的结晶度，并且，在外延膜上形成的半导体器件层无法表现出优异的特性。另外，在第三专利文件中公开的方法导致诸如在从清洁过程前进到外延生长时产生Ga粒子或GaN衬底的分解问题。

发明内容

鉴于以上的情况，本发明的目的是实现去除微划痕并防止固化的Ga小滴保留在衬底表面上以提高在衬底上生长的外延膜的结晶度的表面处理。除了这些效果，本发明的另一目的是实现使得能够获得良好的台阶状况(step condition)和粗糙度较小的平滑表面的衬底表面处理。

因此，在本发明的第一方面中，提供一种用于制造第III族氮化物基化合物半导体产品的方法，该方法包括：

在包含第III族元素有机化合物、氨和氢的气氛中，对于第III族氮化物基化合物半导体衬底的已被抛光并具有所得粗糙度的表面实施表面处理，同时加热该表面，以由此使得半导体衬底的表面平滑化，和

在处理的表面上外延生长第III族氮化物基化合物半导体。

当用于本文中时，概念“抛光”包含通过使用磨粒和微粉末等进行的机械抛光和通过使用其中分散有微粉末的液体进行的化学机械抛光。抛光之后在表面上具有微划痕(即，由抛光形成的划痕)的第III族氮化物基化合物半导体衬底的高度在表面的各部分之间具有变化，并且，表面的均方根粗糙度(RMS)一般为10nm或更小。

本发明的第二方面涉及上述制造方法的特定实施方案，其中，在实现第III族氮化物的生长速率和分解速率几乎相等的平衡状态的条件下实施表面处理。

本发明的第三方面涉及制造方法的特定实施方案，其中，表面处理时的第III族元素有机化合物的温度和进料速率设置为第III族氮化物的生长速率和分解速率处于几乎相等的平衡状态并且第III族氮化物基化合物半导体不生长。在本发明中，在第III族氮化物的生长速率和分解速率几乎相等的平衡状态下实施表面处理。优选地，在趋于分解而不是平衡的条件下实施表面处理。在设定的小时下保持防止第III族氮化物基化合物半导体生长的条件，以使得能够去除微划痕而没有固化的Ga小滴。这导致衬底表面具有小均方根粗糙度RMS。

本发明的第四方面涉及制造方法的特定实施方案，其中，在1000～1250℃的温度下加热衬底的表面。加热温度优选为1100～1200℃。

更优选地，加热温度为1100℃或更高，和等于或高于在表面处理之后生长第III族氮化物基化合物半导体的最佳生长温度。随着处理温度的升高，传质(mass transport)变得更大，并且微划痕被更有效地去除。

本发明的第五方面涉及制造方法的特定实施方案，其中，第III族氮化物基化合物半导体衬底是氮化镓(GaN)衬底，在表面处理之后的第III族氮化物的生长温度从该表面处理温度降低0～400℃的范围内的任意值。在该条件下，表面处理实现了第III族氮化物的生长速率和分解速率几乎相等的平衡状态。

本发明的第六方面涉及制造方法的特定实施方案，其中，第III族元素源前体是三甲基镓，在表面处理之后生长氮化镓的三甲基镓的进料速率增加至大于在表面处理时的三甲基镓的进料速率。该表面处理实现了第III族氮化物的生长速率和分解速率几乎相等的平衡状态。

本发明的第七方面涉及制造方法的特定实施方案，其中，以15微摩尔/分钟(μmol/min)～2毫摩尔/分钟(mmol/min)的进料速率供给用于表面处理的三甲基镓。进料速率优选为150～200μmol/min。

本发明的第八方面涉及制造方法的特定实施方案，其中，第III族氮化物基化合物半导体衬底是GaN衬底，第III族元素源前体是三甲基镓，并且三甲基镓的进料速率设置为基本上不生长氮化镓的范围内的任意值。优选的是，在少量GaN发生分解的近平衡条件下设定三甲基镓的进料速率。

更优选地，三甲基镓的进料速率设置为第III族氮化物的生长速率和分解速率处于几乎相等的平衡状态并且少量氮化镓化合物的出现分解。

本发明的第九方面涉及制造方法的特定实施方案，其中，氨进料速率与三甲基镓进料速率之比即以氨形式输入的氮原子与以三甲基镓形式输入的镓原子之比(V/III)为1200～4000。比值(V/III)优选为1800～3600、更优选为2000～3000。在该条件下，可以获得粗糙度小的衬底。

本发明的第十方面涉及制造方法的特定实施方案，其中，在等于或高于表面处理之后外延生长第III族氮化物基化合物半导体的温度的温度下实施衬底的表面处理。通过在等于或高于可以外延生长高质量的第III族氮化物基化合物半导体的温度的温度下处理半导体衬底表面，可以去除微划痕、并且可以更有效地防止表面的不均匀性和Ga小滴的形成。因此，可以提高后续通过外延生长形成的第III族氮化物基化合物半导体的结晶度。同时，优选在比外延生长第III族氮化物基化合物半导体的温度高0～400℃范围内的任何偏差值的温度下实施表面处理。在该条件下，表面处理实现了第III族氮化物的生长速率和分解速率几乎相等的平衡状态。

本发明的第十一方面涉及根据第十方面的制造方法的特定实施方案，其中，表面处理时的第III族元素有机化合物的进料速率小于后续外延生长第III族氮化物基化合物半导体时的进料速率。在该条件下，表面处理实现了第III族氮化物的生长速率和分解速率几乎相等的平衡状态。

本发明的第十二方面涉及制造方法的特定实施方案，其中，在受控的温度下实施衬底的表面处理，使得半导体衬底的表面具有最小的微划痕面积密度，并且以受控的进料速率供给第III族元素有机化合物，使得半导体衬底的表面具有最小的Ga小滴面积密度。

微划痕面积密度是指单位面积的划痕的数量和一个划痕占据的面积的乘积。一个划痕的面积是划痕的沟槽底表面和侧表面面积的和。另外，Ga小滴面积密度是单位面积的Ga小滴的数量和一个Ga小滴占据的面积的乘积。随着表面处理温度的升高，划痕面积密度降低，但Ga小滴面积密度增加。随着第III族元素有机化合物进料速率增加，Ga小滴面积密度降低。因此，通过将表面处理温度和第III族元素有机化合物进料速率控制为最佳水平，可以使得微划痕面积密度和Ga小滴面积密度最小化。

本发明的第十三方面涉及制造方法的特定实施方案，其中，在一定的温度、第III族元素有机化合物的进料速率和氨的进料速率下实施衬底的表面处理，使得半导体衬底的表面具有最小的微划痕面积密度和最小的Ga小滴面积密度以及最佳的台阶状况。

台阶状况是指原子位错的台阶的整洁度(neatness)，该整洁度是以晶体结构的原子量级生长的晶体的起始点。当衬底的台阶状况优异时，在衬底上生长的晶体的质量变高。随着氨进料速率增加，均方根粗糙度降低并且可获得优异的台阶状况。但是，当氨进料速率超过某一水平时，出现突出物，均方根粗糙度增加并且粗糙度变得更大。因此，通过将表面处理温度、第III族元素有机化合物进料速率和氨进料速率控制为最佳水平，可以更有效地使得微划痕面积密度和Ga小滴面积域密度最小化并且台阶状况变为最佳。

本发明的第十四方面涉及制造方法的特定实施方案，其中，在一定的温度、第III族元素有机化合物的进料速率和氨的进料速率下实施衬底的表面处理，使得半导体表面具有2.2nm或更小的均方根粗糙度。

优选地，半导体表面具有1.3nm或更小的均方根粗糙度。因此，通过将表面处理温度、第III族元素有机化合物的进料速率和氨的进料速率控制为最佳水平，可以将半导体衬底的均方根粗糙度调整为2.2nm或更小、优选1.3nm或更小。

在优选的情况下，在抛光赋予第III族氮化物基化合物半导体衬底的表面的划痕中，突起部分被优先分解，并且，通过分解释放的第III族元素供给到沟槽，在此形成第III族氮化物。根据发明人进行的研究，当在只包含氨的气氛中加热半导体衬底表面时，由分解释放的第III族原子聚集以形成小滴，但这些小滴不通过形成氮化物而掩埋沟槽。当冷却其上保留这种第III族原子小滴的半导体衬底表面时，小滴形成仍沉积在半导体衬底表面上的金属晶粒。因此，如果使用这种衬底作为外延生长衬底，那么外延生长始于保留金属晶粒的表面，并且形成的第III族氮化物基化合物半导体膜的结晶度受到损害。

基于发明人的以下给出的发现，可以通过在热处理中向第III族元素有机化合物供给氨防止第III族原子小滴的形成。在表面处理中，用作载气的氢气被认为参与第III族氮化物基化合物半导体衬底表面的突起部分的分解。

本发明的可想象的作用如下。

第一可想象的作用在于，在热处理中向第III族元素有机化合物供给氨提高了第III族元素原子或第III族元素化合物在气相中的分压，由此在衬底的表面部分上存在的第III族氮化物基化合物半导体的分解被抑制。基于第一作用，通过传质从突出物向沟槽移除第III族氮化物基化合物半导体而没有分解为氮和第III族元素。结果，半导体衬底被平坦化。

第二可想象的作用如下。

在通过高温下第III族氮化物基化合物半导体(例如，衬底表面的突起部分)的迅速分解和氮的释放(作为氮分子)来形成第III族原子小滴的情况下，仅通过在小滴表面上的氨和第III族原子之间的反应没有充分减少第III族原子小滴。换句话说，如果形成诸如第III族原子-氮原子-第III族原子的化学键，那么氮的离解速率(作为氮分子)(即分解)起主导作用。

在第III族元素有机化合物的共存情况下，在其分子中具有多个第III族原子的氮化物前体促进从小滴去除第III族原子。即，当在其分子中具有多个第III族原子的氮化物前体在高温下侵袭第III族原子小滴的表面时，氮化物前体活跃地吸收第III族原子，由此形成“具有更高的分子量的氮化物前体”，从而最终形成GaN晶体。在其分子中具有多个第III族原子的氮化物前体具有多个第III族原子-氮原子键，并且还具有与三个氮原子键合的第III族原子。因此，即使一部分的键被破坏，也只是形成“具有较低的分子量的氮化物前体”，并且，不是所有的氮原子被释放以形成氮分子。

加热温度优选为1000～1250℃。当温度低于1000℃时，突出物的分解速率过慢，而当温度高于1250℃时，突出物的分解速率过快。显然，在任一种情况下都不能获得本发明的效果。加热温度更优选为1100℃～1200℃。

表面处理温度特别优选为等于或高于在表面处理之后外延生长第III族氮化物基化合物半导体的温度的温度。换句话说，当表面处理温度调整为超过第III族氮化物基化合物半导体的最佳生长温度时，可容易地保持衬底的表面平坦化，直至后续外延生长过程。

通过使用作为当前可容易得到的第III族氮化物基化合物半导体产品的GaN衬底以及同样是可容易得到的来源的三甲基镓可以容易地实施本发明。当三甲基镓进料速率小于15μmol/min时，难于使得通过第III族氮化物的分解形成的Ga小滴的重新氮化(re-nitriding)。从充分分解GaN衬底的突出物和防止形成不必厚的外延膜的角度出发，三甲基镓进料速率的上限优选为2mmol/min或更小。更优选地，表面处理的三甲基镓进料速率为150～200μmol/min。通过原子力显微镜(AFM)的观察可以看到，当V/III比小于1200时，GaN表面的台阶变粗糙，而当V/III比为4000或更大时，趋于形成大面积(10μm×10μm或更大)的粗糙部分。根据原子力显微镜(AFM)的观察结果，V/III比优选为1800～3600、更优选为2000～3000。

另外，当三甲基镓进料速率供给不充分时，可容易地产生Ga小滴。另一方面，当三甲基镓进料速率供给太大时，在微划痕由于在衬底上生长第III族氮化物基化合物半导体而消失之前，氮化物膜形成为仍保持微划痕。如上所述，三甲基镓进料速率优选处于第III族氮化物的生长速率和分解速率在设定的表面处理温度下几乎相等的平衡状态以及少量分解第III族氮化物基化合物半导体的最佳水平。

附图说明

图1包含3个照片，每个照片表示实施本发明的表面处理之前的GaN衬底的表面；

图2包含12个照片，每个照片表示实施本发明的实验1～4中任一个的表面处理之后的GaN衬底的表面，每个实验一组3个照片；

图3包含6个照片，每个照片表示实施本发明的实验1、5和6中任一个的表面处理之后的GaN衬底的表面，每个实验一组2个照片；

图4包含6个照片，每个照片表示执行实验6～8中任一个的表面处理之后的GaN衬底的表面，每个实验一组2个照片；

图5是根据本发明一个实施方案的LED的横截面图；

图5是根据本发明另一个实施方案的LED的横截面图。

具体实施方式

载气优选为氢气，并且还可包含诸如氩气的稀有气体。不优选使用单纯由氮气构成的载气。但是，只要氮气以50％或更少的量被加入载气中，就认为不损害本发明的效果。

下面说明本发明的实施方案。在实施方案中，通过在包含三甲基镓和氨的气氛中加热，实施GaN衬底的抛光表面的表面处理。但是，本发明还包括通过在包含氨和所关注的第III族元素的有机化合物的气氛中加热来实施对具有任意的第三III族元素和组成比例的第III族氮化物基化合物半导体衬底的表面处理的情况。

实施方案

在本实施方案中，处理GaN衬底的Ga面。在表面处理之前，通过AFM图像分析，发现Ga面的表面具有在50μm×50μm区域中测量的3.0nm的均方根粗糙度(RMS)。还在金相显微镜下观察表面，并且观察到沿各方向延伸的大量的划痕线。即，在GaN衬底的表面上保留的大量的微划痕。结果在图1中可见。图1中的三个照片分别表示AMF图像(50μm×50μm)、AMF图像(2μm×2μm)、和金相显微照片(从左到右)。在2μm×2μm的区域中测量到0.58nm的RMS，但是没有发现台阶状况。因此，很难说衬底对于晶体生长来说是最佳的。

首先，在没有三甲基镓(以下简称为TMG)流的条件下在包含氢和氨的气氛中加热GaN衬底。具体地，各衬底在氢和氨分别以29SLM和7SLM的进料速率下供给的气氛中保持在以下规定的温度下7分钟，并冷却到室温。通过AFM分析，确定50μm×50μm区域中和2μm×2μm区域中的表面粗糙度(RMS)，并且观察Ga小滴的存在。结果如下。

实验1(温度：1160℃)：

RMS在50μm×50μm区域中为45.21nm，RMS在2μm×2μm区域中为0.21nm，并且，粗糙度一般归因于Ga小滴；

实验2(温度：1100℃)：

RMS在50μm×50μm区域中为9.25nm，RMS在2μm×2μm区域中为0.17nm，并且，粗糙度一般归因于Ga小滴，这些Ga小滴与在实验1中观察到的那些相比又少又小；

实验3(温度：1050℃)：

RMS在50μm×50μm区域中为7.43nm，RMS在2μm×2μm区域中为0.17nm，并且，粗糙度一般归因于Ga小滴，这些Ga小滴与在实验2中观察到的那些相比更小但更多；和

实验4(温度：1000℃)：

RMS在50μm×50μm区域中为2.45nm，RMS在2μm×2μm区域中为0.13nm，并且，观察到更小的Ga小滴。在实验2和3的情况下，观察到2μm×2μm区域中的RMS 0.17nm和原子级的台阶。特别地，实验3中的台阶状况是优异的。但是，在实验1和4的情况下，没有发现原子级台阶，否则台阶状况是差的。

在实验4(温度1000℃)中，如通过金相显微镜下的观察确认的那样，微划痕仍保留在表面上。如通过金相显微镜下的观察确认的那样，在实验1(温度：1160℃)中，观察到固化的Ga小滴，但微划痕被去除。在图2中示出结果。在12个照片中，上边一行中的四个分别表示AMF图像(50μm×50μm)，中间一行中的四个分别表示AMF图像(2μm×2μm)，而下边一行中的四个分别表示金相显微照片(从左到右与实验1～4对应)。

在实验1～4中，随着表面处理温度升高，微划痕面积密度减小，但Ga小滴面积密度增加。因此，在去除微划痕的温度范围内，温度优选较低。但是，在该温度条件下，不可能在没有TMG的流动的情况下去除微划痕并防止Ga小滴产生。

第二，加热温度调整为1160℃。各个未处理的GaN衬底在氢和氨分别以29SLM和7SLM的进料速率下供给的气氛中保持7分钟。TMG进料速率预定如下。

实验1(TMG进料速率：0)：

RMS在50μm×50μm区域中为45.21nm，RMS在2μm×2μm区域中为0.21nm，并且，粗糙度一般归因于Ga小滴(如上所述)；

实验5(TMG进料速率：120μmol/min)：

RMS在50μm×50μm区域中为6.00nm，RMS在2μm×2μm区域中为0.22nm，并且，观察到Ga小滴；和

实验6(TMG进料速率：173μmol/min)：

RMS在50μm×50μm区域中为2.24nm，RMS在2μm×2μm区域中为0.23nm，并且，没有观察到Ga小滴。

在实验5中，120μmol/min的TMG进料速率不足以防止Ga小滴的沉积。当TMG进料速率大于173μmol/min时，没有观察到Ga小滴。从上述温度变化和TMG进料速率的实验1～6可清楚地看出，表面处理温度和TMG进料速率调整到最佳水平，这导致有效去除微划痕并防止Ga小滴产生。因此，在通过施加趋于达到第III族氮化物的生长速率和分解速率几乎相等的平衡状态的热处理以防止Ga小滴产生的条件下，通过传质掩埋微划痕的沟槽而不生长GaN。

如通过AFM图像分析观察的那样，与实验5(TMG进料速率：120μmol/min)中没有沉积Ga小滴的GaN衬底的区域相比，在实验6(TMG进料速率：173μmol/min)中，表面处理的GaN衬底的台阶状况变差。结果如图3所示。在6个照片中，上边一行中的三个分别表示AMF图像(50μm×50μm)，而下边一行中的三个分别表示AMF图像(2μm×2μm)(从左到右与实验1、5和6对应)。

在实验1、5和6中，可以理解，随着第III族元素有机化合物进料速率的增加，Ga小滴面积密度减小，但台阶状况变差。

第三，加热温度调整到1160℃，并且TMG进料速率调整到173μmol/min。各个未处理的GaN衬底在氢和氨以36SLM的总进料速率下供给的气氛中保持7分钟。氨进料速率预定如下。

实验6(氨进料速率：7SLM，即，0.31mol/min)：

RMS在50μm×50μm区域中为2.24nm，RMS在2μm×2μm区域中为0.23nm，并且，台阶状况差(如上所述)；

实验7(氨进料速率：10.5SLM，即，0.47mol/min)：

RMS在50μm×50μm区域中为1.31nm，RMS在2μm×2μm区域中为0.24nm，并且，台阶状况是优异的；

实验8(氨进料速率：14SLM，即，0.63mol/min)：

RMS在50μm×50μm区域中为3.47nm，RMS在2μm×2μm区域中为0.21nm，并且，形成不均匀的区域(约10μm×10μm)。

如在使用7SLM的氨进料速率(V/III比：1806)的实验6中所发现，台阶状况较差。如在使用14SLM的氨进料速率(V/III比：3613)的实验8中所发现，形成不均匀的表面部分。相反，如在使用10.5SLM的氨进料速率(V/III比：2710)的实验7所发现，台阶状况是优异的，并且，没有形成不均匀的表面部分。结果如图4所示。在6个照片中，上边一行中的三个分别表示AMF图像(50μm×50μm)，而下边一行中的三个分别表示AMF图像(2μm×2μm)(从左到右与实验6、7和8对应)。

在实验6、7和8中，随着氨进料速率增加，RMS的不均匀性减小并且台阶状况变得更好。但是，当氨进料速率超过某一水平时，RMS的不均匀性增加并且台阶状况变差。因此，通过将表面处理温度、第III族元素有机化合物进料速率和氨进料速率控制为最佳水平，除了可以获得最佳的台阶状况以外，还可以更有效地去除微划痕并可使Ga小滴面积密度最小化。

然后，为了评价表面处理的GaN衬底，在两个表面处理的GaN衬底中的每一个的表面上形成LED，并且，测量光致发光和电致发光。制造图5中所示的LED 110。

一个GaN衬底是通过实验7的条件制造的表面处理的GaN衬底100。在GaN衬底100上，在生长温度为1160℃、TMG进料速率为360μmol/min、氨进料速率为6.9SLM即0.31mol/min、III/V比为861、氢进料速率为25.5SLM并且氢和氨进料速率的总和为36SLM的条件下生长n型GaN接触层101。然后，通过供给TMI在850℃下在接触层101上形成n型InGaN覆层102。随后，依次生长InGaN/GaN MQW发光层103、p型AlGaN覆层104和p型GaN接触层105。然后，蚀刻并去除从p型接触层105到n型接触层101的沉积层的一部分。然后，在p型接触层105上形成透明正电极106和反射正电极106的至少之一，并且在露出的n型接触层101的表面上形成负电极107。由此形成LED 110。

作为比较例，除了使用通过实验1的条件制造并在其表面上具有大量的Ga小滴的GaN衬底10之外，以类似于上述过程的方式制造LED 11。

测量LED 110和LED 11的光致发光(PL)。在经历本发明的表面处理的GaN衬底100上制造的LED 110的PL强度为在上面保留Ga小滴的GaN衬底10(比较例)上制造的LED 11的PL强度的1.5倍。

还测量两个LED的电致发光(EL)。在经历本发明的表面处理的GaN衬底100上制造的LED 110的EL强度为在上面保留Ga小滴的GaN衬底10(比较例)上制造的LED 11的EL强度的1.1倍。

由于表面处理的GaN衬底100具有平坦化的表面，因此实现了PL强度和EL强度的提高。即，与形成在通过实验1的条件制造并在其表面上具有大量Ga小滴的GaN衬底10上制造的LED 11的各层的结晶度相比，形成在表面处理的GaN衬底100上制造的LED 110的各层的结晶度得到提高。

在以上的实验中，n型GaN接触层的生长温度可从处理温度降低0～400℃范围内的任意值，而衬底的处理温度为1160℃。材料气体进料速率可在降低温度之前或之后增加。

可如下实施GaN衬底上的晶体生长。在图6中说明的LED中，在实验7的条件下实施n型GaN衬底120的热处理。然后，材料气体和载气分别从TMG变为TMG/TMI以及从H₂变为N₂，衬底温度从1160℃降低到850℃。这使得在n型GaN衬底120上生长n型InGaN覆层122。随后，依次生长InGaN/GaN MQW发光层123、p型AlGaN覆层124和p型GaN接触层125。然后，分别在p型接触层125和n型GaN衬底120的背侧上形成透明正电极126和反射负电极127。否则，可分别在p型接触层125和n型GaN衬底120的背侧上形成反射正电极126和透明负电极127。由此制造LED 200。由于n型InGaN覆层122的生长温度处于比n型GaN衬底120的1160℃的表面处理温度低300℃的范围中，因此在晶体生长开始之前不损害衬底表面的平滑性和台阶状况。另外，由于可通过本发明的表面处理获得极高质量的GaN表面，因此在不形成n型GaN接触层的条件下直接在GaN衬底上形成n型InGaN覆层对于结晶质量没有有害的影响。以这种方式获得的LED 200的EL强度大于或等于LED 110的EL强度。

如上所述，在本发明中，其特征在于，在使得实现第III族氮化物的生长速率和分解速率几乎相等的平衡的衬底温度和包含第III族元素的有机金属气体的进料速率的条件下实施衬底的表面处理。并且，其特征在于，衬底的表面划痕在以上的表面处理中被去除。

因此，用于在衬底表面处理之后生长第III族氮化物基化合物半导体的条件，即温度和包含第III族元素的有机金属气体的进料速率，设置为如下条件，即，气相生长的驱动力对于表面处理条件是积极的。为了完全去除微划痕，可参考的是，处理温度设置为较高的温度。为了在衬底表面处理之后生长第III族氮化物基化合物半导体，通过将温度维持在与处理温度相同的值或从处理温度降低温度，将衬底的表面状况维持在高质量的状态。

通过实施本发明的表面处理，可制造具有显著平坦表面的第III族氮化物基化合物半导体衬底，并且可以在衬底上生长高结晶度的第III族氮化物基化合物半导体晶体。由此表面处理的第III族氮化物基化合物半导体衬底是对于在上面制造诸如发光器件或FET的半导体器件非常有用的外延生长衬底。

Claims (20)

1.一种用于制造第III族氮化物基化合物半导体产品的方法，包括：

在包含第III族元素源前体、氨和氢的气氛中，在加热中对其表面已被抛光的第III族氮化物基化合物半导体衬底实施表面处理，以使得所述半导体衬底的表面平滑化，和

在经处理的表面上外延生长第III族氮化物基化合物半导体。

2.根据权利要求1的用于制造第III族氮化物基化合物半导体产品的方法，其中，在实现第III族氮化物的生长速率和分解速率几乎相等的近平衡状态的条件下实施所述表面处理。

3.根据权利要求1的用于制造第III族氮化物基化合物半导体产品的方法，其中，设置第III族元素源前体的表面处理温度和进料速率，以实现第III族氮化物的生长和分解之间的近平衡状态，并防止第III族氮化物基化合物半导体生长。

4.根据权利要求1的用于制造第III族氮化物基化合物半导体产品的方法，其中，在1000～1250℃的温度下加热所述衬底的所述表面。

5.根据权利要求3的用于制造第III族氮化物基化合物半导体产品的方法，其中，在1000～1250℃的温度下加热所述衬底的所述表面。

6.根据权利要求1的用于制造第III族氮化物基化合物半导体产品的方法，其中，所述第III族氮化物基化合物半导体衬底是GaN衬底，在所述表面处理之后氮化镓的生长温度从所述表面处理温度降低0～400℃范围内的任意值。

7.根据权利要求3的用于制造第III族氮化物基化合物半导体产品的方法，其中，所述第III族氮化物基化合物半导体衬底是GaN衬底，在所述表面处理之后第III族氮化物的生长温度从所述表面处理温度降低0～400℃范围内的任意值。

8.根据权利要求5的用于制造第III族氮化物基化合物半导体产品的方法，其中，所述第III族氮化物基化合物半导体衬底是GaN衬底，在所述表面处理之后第III族氮化物的生长温度从所述表面处理温度降低0～400℃的范围内的任意值。

9.根据权利要求6的用于制造第III族氮化物基化合物半导体产品的方法，其中，所述第III族元素源前体是三甲基镓，用于在所述表面处理之后生长氮化镓的三甲基镓的进料速率增加以大于在用于所述表面处理时的进料速率。

10.根据权利要求7的用于制造第III族氮化物基化合物半导体产品的方法，其中，所述第III族元素源前体是三甲基镓，用于在所述表面处理之后生长氮化镓的三甲基镓的进料速率增加以大于在用于所述表面处理时的进料速率。

11.根据权利要求8的用于制造第III族氮化物基化合物半导体产品的方法，其中，所述第III族元素源前体是三甲基镓，用于在所述表面处理之后生长氮化镓的三甲基镓的进料速率增加以大于在用于所述表面处理时的进料速率。

12.根据权利要求9的用于制造第III族氮化物基化合物半导体产品的方法，其中，以15μmol/min～2mmol/min的进料速率供给用于所述表面处理的三甲基镓。

13.根据权利要求1的用于制造第III族氮化物基化合物半导体产品的方法，其中，所述第III族氮化物基化合物半导体衬底是GaN衬底，三甲基镓的进料速率处于使得基本上不生长氮化镓的范围。

14.根据权利要求9的用于制造第III族氮化物基化合物半导体产品的方法，其中，由以氨形式输入的氮原子与以三甲基镓形式输入的镓原子之比(V/III)所表示的氨进料速率与三甲基镓进料速率之比为1200～4000。

15.根据权利要求11的用于制造第III族氮化物基化合物半导体产品的方法，其中，由以氨形式输入的氮原子与以三甲基镓形式输入的镓原子之比(V/III)所表示的氨进料速率与三甲基镓进料速率之比为1200～4000。

16.根据权利要求1的用于制造第III族氮化物基化合物半导体产品的方法，其中，所述衬底的所述表面处理在等于或高于后续第III族氮化物基化合物半导体外延生长的温度的温度下实施。

17.根据权利要求1的用于制造第III族氮化物基化合物半导体产品的方法，其中，所述衬底的所述表面处理在低于所述表面处理之后外延生长第III族氮化物基化合物半导体时第III族元素源前体的进料速率的第III族元素源前体的进料速率下实施。

18.根据权利要求1的用于制造第III族氮化物基化合物半导体产品的方法，其中，在受控的温度下实施所述衬底的所述表面处理，使得所述半导体衬底的表面具有最小的微划痕面积密度，和以受控的进料速率供给所述第III族元素源前体，使得所述半导体衬底的所述表面具有最小的Ga小滴面积密度。

19.根据权利要求1的用于制造第III族氮化物基化合物半导体产品的方法，其中，在使得所述半导体衬底的表面具有最小的微划痕面积密度和最小的Ga小滴面积密度以及优异的台阶状况的温度、第III族元素源前体的进料速率和氨的进料速率下实施所述衬底的所述表面处理。

20.根据权利要求1的用于制造第III族氮化物基化合物半导体产品的方法，其中，在使得所述半导体表面具有2.2nm或更小的均方根粗糙度的温度、第III族元素源前体的进料速率和氨的进料速率下实施所述衬底的所述表面处理。

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