CN101425484A - 氮化物半导体自支撑衬底及使用该衬底的器件 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种氮化物半导体自支撑衬底，该衬底包括与C面倾斜0.03°～1.0°表面，并且在C轴与整个衬底表面上的每个点处的切线之间所限定的角度最大时的偏离方向(off－orientation)在与六重对称M轴方向的特定M轴方向的角度为0.5°～16°范围内偏离。其中该衬底不包括衬底表面上的偏离方向与所述特定M轴方向的偏离角φ为－0.5°＜φ＜+0.5°的区域。

Description

氮化物半导体自支撑衬底及使用该衬底的器件

本发明申请基于2007年10月29日提出的申请号为2007-280595的日本专利申请，通过参考将其全部内容引入本申请。

发明背景

1.技术领域

本发明涉及一种氮化物半导体自支撑衬底以及使用该衬底的器件，特别是涉及一种具有与C面倾斜预定角度的表面的氮化物半导体自支撑衬底，以及使用该衬底所制造的器件。

2.现有技术

氮化物半导体作为蓝光、绿光和紫外光发光器件材料或高输出的电子器件材料已经吸引大家的关注。

对于已经报道器件应用的氮化物半导体，几乎所有的都是通过传统方式来实现的，例如，通过在例如蓝宝石、4H-SiC等异质衬底上借由低温GaN或AlN缓冲层或者高温AlN缓冲层来生长氮化物半导体。

这些衬底的表面通常与C-面((0001)面)倾斜大约0.1°～10°。因为通过将衬底表面与C-面倾斜使得分子台阶(在下文中称作为简单的“台阶”)在所述表面上规则排列，所以当在该衬底上生长氮化物半导体晶体时，供应到衬底表面上的原子可能被结合到所述台阶中，这导致所谓的台阶流动式生长(step-flow mode growth)，并且可以获得具有很少缺陷的高质量晶体。

作为这种衬底的偏离方向(off-orientation，OFF方向)，即其中C轴与表面上的切线之间的角度最大时的方向，通常选择M轴方向或A轴方向。这些方向可以为晶体提供高对称性(即原子均匀排列)，由此，选择它们以获得具有高线性度的台阶。

为了实现上述台阶流动式生长，已经建议使用具有如下表面的SiC衬底，该表面与SiC晶体的(0001)面倾斜0.02°～0.6°，并且具有与M轴方向倾斜7°以内的倾斜方向(参见例如JP-A-11-233391)。

此外，已经建议使用具有以下表面的GaN衬底，该表面与GaN晶体的(0001)面倾斜1°～20°，并且具有与M轴方向倾斜7°以内的倾斜方向(参见例如JP-A-2002-16000)。

然而，利用具有倾斜表面的传统衬底并且具有在该衬底上形成的氮化物半导体层的应用器件仍然具有如下的各种缺点，这些缺点将缩小氮化物半导体器件的应用范围。

例如，目前实际应用中的氮化物半导体发光二极管产生低的颜色纯度，即大的发射谱半值宽度。虽然这对于显示应用并不总是存在问题，但是对于例如液晶显示器背光中的应用却是非常大的问题。也就是说，在使用发光二极管的液晶显示器中，当由发光二极管发出的光通过滤光器时直射到其屏幕上，使得通过滤光器的阻塞而浪费了除滤光器的通带之外的光，当要为屏幕提供必要的亮度时，这将导致功耗增加。

同样，在氮化物半导体激光二极管的情况中，由于发光层的颜色色纯度劣化，必须增加激光振荡的阈值电流。

在氮化物半导体电子器件例如高电子迁移率晶体管(HEMT)中，发生被称作为“电流崩塌”的现象，其中在通电时增幅会变化。因此，实际上，已经进行了大量的努力以在晶体生长和器件制造方面抑制该现象。

另外，对于制造上述器件，衬底晶体生长的非均匀性是严重的问题。例如，即使当在衬底表面的平面上的特定区域为其上所制造的器件提供令人满意的特性时，在所述平面上的其它区域经常为其上所制造的器件提供令人不满意的特性。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种允许在其上生长均匀的氮化物半导体层的氮化物半导体自支撑衬底；以及提供通过使用该衬底所制造的具有优异性能的氮化物半导体发光器件和氮化物半导体电子器件。

(1)根据本发明的一个实施方式，氮化物半导体自支撑衬底包括：

与C面倾斜0.03°～1.0°的表面；并且

在C轴与所述衬底的整个表面上的每个点处的切线之间所限定的角度最大时的偏离方向(off-orientation)在与六重对称M轴方向的特定M轴方向的角度为0.5°～16°范围内偏离，

其中，所述衬底不包括所述衬底表面上的偏离方向与所述特定M轴方向的偏离角φ为-0.5°<φ<+0.5°的区域。

(2)根据本发明的另一个实施方式，氮化物半导体发光器件包括：

发光层，该发光层包括在根据上述实施方式(1)的氮化物半导体自支撑衬底器件上的氮化物半导体。

(3)根据本发明的另一个实施方式，氮化物半导体电子器件包括：

电子器件层，该电子器件层包括在根据上述实施方式(1)的氮化物半导体自支撑衬底器件上的氮化物半导体。

在上述实施方式(1)～(3)中，可以进行如下的改进和变化。

(i)所述偏离方向偏离所述特定M轴方向1°～13°。

(ii)所述偏离方向偏离所述特定M轴方向2°～8°。

附图说明

接下来，将结合附图来详细解释本发明，其中：

图1是用于解释根据本发明的优选实施方式中的氮化物半导体自支撑衬底的表面上的倾斜角和偏离方向的示意图；

图2A-2C是显示实施例中所制造的GaN自支撑衬底的制造步骤的图；

图3是显示在实施例中的GaN自支撑衬底的中心位置处衬底表面偏离方向的偏离角度(displacement)与光致发光(PL)的发射半值宽度之间关系的图；

图4是显示实施例中的衬底表面的偏离方向从M轴方向的偏离角度与激光二极管的振荡阈值电流之间关系的图；

图5是示例性显示实施例中的HEMT的电流-电压特性的图；

图6是显示实施例中HEMT的电压降速率和在其上形成HEMT结构的GaN自支撑衬底的偏离方向(即从M轴方向的偏离角度)之间关系的图。

具体实施方式

下面将描述在本发明的优选实施方式中的氮化物半导体自支撑衬底、氮化物半导体发光器件和氮化物半导体电子器件。

为了解决上述传统氮化物半导体器件的问题，发明人敏锐地进行了研究各种措施。其结果如图1所示，发现通过利用具有与M轴方向(即，<11-20>方向或与之等同的方向)偏离角度φ为0.5°～16°的偏离方向的氮化物半导体自支撑衬底(其中所述偏离方向不包括与所述衬底表面中的特定M轴方向的偏离角φ为-0.5°<φ<+0.5°的区域)，而不使用将其M轴或A轴方向设定为所述偏离方向(即其中C轴与所述衬底整个表面上的每个点处表面上的切线之间的角度最大时的偏离方向)的传统晶体衬底，可以解决传统氮化物半导体器件(其中使用具有与C面((0001)面)倾斜的角度θ为0.03°～1.0°(即微倾斜)的表面的氮化物半导体自支撑衬底)的问题。

图1示出了六重对称M轴的六个方向中的特定M轴方向，该特定M轴方向与所述偏离方向偏离0.5°～16°；以及六重对称A轴的六个方向中的A轴方向，该A轴垂直于所述的特定M轴方向。

发现偏离方向与所述M轴方向的偏离角度更优选在1°～13°的范围内，进一步优选在2°～8°的范围内。

虽然上述氮化物半导体自支撑衬底优选由GaN形成，当然也可以由AlGaN、AlN等材料形成。

通过利用上述氮化物半导体自支撑衬底，可能在衬底的平面上均匀地生长出高质量的氮化物半导体层，由此可以生产出具有优良性能的氮化物半导体发光器件和氮化物半导体电子器件，它们包含在所述氮化物半导体自支撑衬底上的氮化物半导体层。

在上述研究中，首先，发明人证实：当所述偏离方向实际指向A轴方向时，在衬底上所生长的晶体的表面上的台阶变得不规则的；并且当所述偏离方向实际指向M轴方向时，稍微改进了台阶的线性度(正如X.Q.Shen and H.Okumura，Journal of Crystal Growth，300(2007)75-78中所报道的)。

然而，即使当所述偏离方向正好指向M轴方向时改进了台阶的线性度，但是确切地发现：当在宽的视野范围(如在约100平方微米的区域)内观察台阶时，在数十微米的宽度内所述台阶明显地弯曲。在理想条件下，当所述偏离方向正好指向M轴方向时，将获得与M轴方向垂直的线性台阶。然而，实际的衬底表面具有各种缺陷，例如位错、杂质、衬底不完全平坦等，因此台阶的线性度被大大削弱。

通过上述研究，发明人发现：当偏离方向(off-orientation)偏离M轴方向0.5°～16°时，在宽的视野范围(如在约100平方微米的区域)内将显著提高台阶的线性度。当偏离方向偏离M轴方向0.5°～16°时，垂直于M轴方向的台阶和垂直于A轴方向的台阶混合，使得发现：两种台阶的比例是由偏离方向偏离M轴方向的偏离角度(displacement)来确定的。在这种情况下，虽然这些台阶在宽的视野范围内是线性的，但是从微观上看却不是线性的，而是锯齿形的。由此，即使在衬底表面上存在缺陷，仍可以相对容易地吸收所述缺陷，并且使这些台阶返回到正确的位置和方向。因此，可以在宽的视野范围内提高台阶的线性度。

虽然用于制造氮化物半导体自支撑衬底的一些方法是已知的，但是当详细地检查通过这些方法所制造的GaN衬底时，结果发现非但晶体本身非常不完美，而且许多情况下C面本身也是预先弯曲的。因此，当通过抛光等使衬底表面几何学地平坦化时，所述衬底表面的偏离方向将反复变化，或者甚至对于特定的M轴将导致偏离方向±几十度的角度分布。在衬底具有大的偏离方向分布的情况下，在衬底表面上存在偏离方向与M轴的角度φ为-0.5°<φ<+0.5°的位置/区域。当在这种衬底上形成器件时，在偏离方向与M轴的角度φ为-0.5°<φ<+0.5°的位置/区域上的器件的特性明显地恶化。因此，在这个实施方式中，控制该氮化物半导体自支撑衬底不包括衬底表面上的偏离方向与M轴的角度φ为-0.5°<φ<+0.5°的区域。

作为氮化物半导体自支撑衬底，通过利用由Oshima等人所报道的间隙形成剥离(VAS)方法(Yuichi Oshima et al.，Japanese Journal of Applied Physics，Vol.42(2003)pp.L1-L3)制造的GaN自支撑衬底是优选的。通过所述VAS法按照以下来制造GaN自支撑衬底，首先，在蓝宝石衬底上形成GaN膜和Ti膜，加热在其上形成有GaN膜和Ti膜的蓝宝石衬底，使得在GaN薄膜中形成许多间隙(气孔)，并且使Ti膜形成为具有网状结构的TiN膜中(即TiN纳米掩模)，在具有间隙的GaN膜上形成GaN厚膜，并从蓝宝石衬底上剥离GaN厚膜以产生GaN自支撑衬底。通过VAS法由此所制造的GaN自支撑衬底具有低的位错密度、高的平面均匀性和更少的翘曲。

虽然由各种方法所制造的氮化物半导体自支撑衬底可能经常在偏离方向上具有各种差别，但是通过适当地选择在衬底中心位置的偏离方向(即通过抛光等形成的倾斜方向)，可以制造出这样的衬底，使得其中C轴和贯穿所述衬底整个表面的平面上的切线之间的角度最大时的方向(即偏离方向)偏离M轴方向0.5°～16°，并且所述衬底表面不包括偏离方向与M轴的角度φ为-0.5°<φ<+0.5°的区域。

在使用上述氮化物半导体自支撑衬底的发光器件的制造中，通常利用InGaN用作发光器件的发光层。发光层的发射波长分布由InGaN层中的In组分的分布所支配。当在具有如上所述线性度改进的台阶的氮化物半导体上生长InGaN层时，铟原子均匀地结合到台阶中，使得InGaN层可以具有均匀的面内组成。其结果是，与传统的发光层相比，该发光层的发射波长分布变窄，由此可以改进例如发光二极管和激光二极管这种发光器件的特性。

同样，可以显著地抑制通过在上述氮化物半导体自支撑衬底上生长具有HEMT结构的氮化物半导体层而制造的HEMT的电流崩塌。虽然还不确定电流崩塌的原因，但是假设与包括作为载流子供给层的AlGaN层中的缺陷有关。类似于InGaN的情况，假设当在具有表面上波动台阶的传统氮化物半导体上生长AlGaN时，Al组分变得不均匀。其结果是，即使当为了减少AlGaN层中的缺陷而变化生长条件时，在具有Al组分的区域的AlGaN层中必定产生缺陷，而在具有另外Al组分的另外区域的AlGaN层中也产生缺陷。因此，看来无论如何都不可能从整个AlGaN层中消除缺陷。在利用所述实施方式的氮化物半导体自支撑衬底并且在具有高线性度表面台阶的氮化物半导体上生长AlGaN的情况中，与InGaN的情况类似，可以得到具有高均匀性Al组分的AlGaN层。由此，通过适当地选择AlGaN的生长条件，可以有效地减少在整个AlGaN层中的缺陷。

实施例

下面将描述本发明的实施例。

实施例1

在实施例中1，利用通过VAS法所形成的GaN自支撑衬底作为氮化物半导体自支撑衬底。将结合附图2来描述通过VAS法所制造GaN自支撑衬底的方法。

首先，通过气相淀积在GaN膜/蓝宝石衬底结构上形成作为金属膜的Ti膜，其中通过MOVPE(金属有机物气相外延法)在蓝宝石衬底1上形成GaN薄膜2，通过在电加热炉中进行后续的热处理，在Ti/GaN界面的邻近区域形成许多间隙4，以便在网状TiN膜(TiN纳米掩模)3中形成Ti膜(图2A)。

然后，通过HVPE(氢化物气相外延法)在具有多个间隙4的GaN薄膜2上生长300微米或更厚的GaN厚膜5(图2B)。

在生长之后，通过确定TiN膜3为边界，从衬底上机械地分离出GaN厚膜5，这样所分离的GaN厚膜5由此得到GaN自支撑衬底6(图2C)。

通过研磨和抛光由此所获得的GaN自支撑衬底的正面和背面，制造出多个具有不同方向的GaN自支撑衬底，所述方向在该衬底表面的中心位置处与C面倾斜0.3°，并且偏离方向与M轴方向偏离30°范围内(例如，偏离方向与M轴方向的偏离角度为0°、0.3°、0.5°、1°、2°、5°、8°、10°、11°、12°、13°、16°、18°、20°、25°和30°)(参见图3)。

通过MOVPE法在这些GaN自支撑衬底上生长InGaN/GaN多量子阱(MQW)。其生长过程如下。将GaN自支撑衬底放置在MOVPE装置中，在大约为101325Pa(760托)的氢气和氮气(40sml的氢气和40slm的氮气)的混和气氛中，使用20slm的氨气作为氮气源，衬底温度为1075℃，生长4微米的电子浓度为5×10¹⁸cm^-2的Si掺杂GaN层。然后，将衬底温度降低到750℃，并且形成6周期的InGaN/GaN多量子阱结构。调整铟(In)组分使得发射峰值波长为460nm。

图3显示了在GaN自支撑衬底的中心位置处偏离方向与光致发光谱(PL)的发射半值宽度之间关系。在室温下，利用He-Cd激光器来实施PL测量。激发光强度是5W/cm²。

如图3所示，当偏移方向为M轴晶向时(即偏离方向与M轴方向的偏离角为0°时)，发射半值宽度为35nm；当偏开方向为A轴方向时(即偏离方向与M轴方向的偏离角为30°时)，发射半值宽度为45nm。当偏离方向与M轴方向的偏离角不大于0.3°，或者不小于18°时，发射半值宽度为大约35nm或更大，这与偏离方向正好为M轴方向的情况相同，或确切地说，所述半值宽度变得更大。

在另一方面，当偏离方向偏离M轴方向的偏离角度在0.5°～16°范围内时，发射半值宽度窄至30nm或更小。此外，当偏离方向与M轴方向的偏离角在1°～13°范围内时，发射半值宽度很窄，为大约20nm或更小。而且，当偏离方向与M轴方向的偏离角在2°～8°范围内时，能够获得更明显的改进，发射半值宽度非常的窄，大约为10nm，由此可以获得具有非常高的色纯度的发射光谱。

为了分析半值宽度改进的原因，准备了如下样品，其中通过上述相同方法在衬底上只生长Si掺杂的GaN层，并且通过原子力显微镜观察表面上台阶的状态。当偏离方向与M轴方向的偏离角度不大于0.3°时，在数微米范围内观察到具有高线性度的台阶，然而，当在大约百分之几微米宽的范围内观察时，则观察到明显翘曲的台阶。当偏离方向与M轴方向的偏离角不小于18°时，即使在数微米的范围内观察，台阶也会具有大量的翘曲。

相比之下，当偏离方向与M轴方向的偏离角度在0.5°～16°范围内时，抑制了台阶弯曲的发生。发现当偏离方向与M轴方向的偏离角在2°～8°范围内时，对翘曲台阶的改善是最大的。

如上所述，证实了台阶的翘曲角度和发射半值宽度之间明显的相关性。由此，假设当在表面上生长作为发光层的InGaN晶体时，发射半值宽度变窄，因为当台阶线性度提高时铟原子被均匀结合到台阶中，使得可以获得均匀In组分的InGaN层。

此外，对所述衬底的整个表面实施与上述相同的发射半值宽度的测量。

虽然每个衬底在偏离方向具有各种各样的差别，但是通过适当地选择衬底中心位置处的偏离方向，可以制造如下衬底，其中C轴与贯穿整个衬底表面的表面上切线之间的角度最大时的方向(即偏离方向)与M轴方向的夹角在0.5°～16°范围内，并且所述衬底不包括偏离方向与M轴方向的角度φ为-0.5°<φ<+0.5°的区域。

例如，当所述衬底表面包括偏离方向与M轴方向的角度φ为-0.5°<φ<+0.5°的区域时，发射半值宽度具有大约10nm～35nm的宽度分布。然而，当衬底表面不包括偏离方向与M轴方向的角度φ为-0.5°<φ<+0.5°的区域时，可以改善发射半值宽度，以致使其大约为20nm或更小，或者在整个衬底表面上大约为10nm。

实施例2

制造如下的GaN自支撑衬底：与其表面的C平面的倾斜角度在0～2°范围内变化，实施与实施例1相同的实验。其结果是，在与衬底表面的C平面的倾斜角度为0.03°～1.0°范围内，获得与实施例1相同的结果。

相比之下，当与衬底表面的C平面的倾斜角度低于0.03°或者大于1.0°时，在发射半值宽度中并没有发现显著的偏离方向依赖性。当与衬底表面的C平面的倾斜角度小于0.03°时，假设由于表面的工艺精度问题而没有完全控制面内的偏离方向，因此不能控制有意的偏离方向。当与所述衬底表面的C平面的倾斜角度大于1.0°时，所述表面上的台阶不是单分子台阶而是多级台阶，并且不能仅通过偏离方向来控制其中台阶的数量。在这种情况下，假设台阶数量的波动是发射半值宽度的主导因素，由此，在发射半值宽度中没有发现明显的偏离方向依赖性。

实施例3

制造如实施例1中的GaN自支撑衬底，通过MOVPE法在衬底上形成具有蓝-紫激光二极管结构的氮化物半导体层。

首先，在GaN自支撑衬底上生长Si掺杂n-GaN层，并且在其上形成n-AlGaN/GaN短周期超晶格结构。借助于n-GaN层，在其上进一步形成3周期的InGaN/GaN多量子阱发光层。然后，再其上依次形成p-AlGaN/p-GaN层、p-AlGaN/GaN短周期超晶格结构和p-GaN接触层。

通过利用该外延衬底，制造具有5微米脊宽度和400微米谐振腔长度的激光器，并且测定该激光器的特性。图4显示了由此制造的激光器的振荡阈值电流的偏离M轴的偏离方向的角度的偏离依赖性。

在实施例3中，与前边实施例相类似，证实了如果在作为基底的GaN自支撑衬底的表面上台阶线性度提高，则其性能会得到改善，并且振荡阈值电流会降低。具体地，当偏离方向正好指向M轴时，振荡阈值电流为30mA。然而，当偏离方向与M轴方向的偏离角度在0.5°～16°范围内时，振荡阈值电流小于30mA。特别地，当偏离方向与M轴方向的偏离角度在2°～8°范围内时，振荡阈值电流最小且非常低，大约为21-22mA。

另外，当使用其表面不包括其中偏离方向与M轴方向的角度φ为-0.5°<φ<+0.5°的区域，在衬底的整个表面的振荡阈值电流可以为大约20mA。

实施例4

制造如实施例1中的GaN自支撑衬底，并且通过在其上依次生长非掺杂的GaN层和Si掺杂AlGaN层来形成HEMT结构。

在HEMT结构上形成源极、漏极和栅极以获得一种器件，并测定其特性。图5简要显示了源极和漏极之间的电流-电压特性。在源极和漏极之间施加大约50V的电压之后，观察到所谓的“电流崩塌”的现象，即流过器件的电流降低(例如，在施加50V电压之后，由图5中实线所表示的电流-电压特性被改变为由虚线所表示的电流-电压特性)。

图6显示了电流(I)的下降速率与在其上形成有HEMT结构的自支撑衬底的偏离方向(与M轴方向的偏离角度)的关系图，其中在图5中栅极电压V_G为5V，源极和漏极之间的电压为30V。

在实施例4中，与前面实施例相类似，证实了如果在作为基底的GaN自支撑衬底的表面上台阶线性度提高，其性能会得到改善，并且电流的减少也会被抑制。具体地，当偏离方向正好指向M轴时，电流下降速率为60％。然而，当偏离方向与M轴方向的偏离角在0.5°～16°范围内时，电流下降速率可以降低至大约30％。特别地，当偏离方向与M轴方向的偏离角在2°～8°范围内时，证实电流几乎不减少，因此电流崩塌几乎可以被完全抑制。

尽管通过参考特定实施例对本发明加以描述以便清楚完整地公开，然而附加的权利要求并不局限于此，而是应当解释为，对于本领域技术人员来说，可能实施的所有修改及变型结构应当完全落入这里所阐明的基本教导范围之内。

Claims (5)

1.一种氮化物半导体自支撑衬底，包括：

与C面倾斜0.03°～1.0°的表面，并且

在C轴与整个衬底表面上的每个点处的切线之间所限定的角度变为最大的偏离方向(off-orientation)在与六重对称M轴方向的特定M轴方向的角度为0.5°～16°范围内偏离，

其中该衬底不包括所述衬底表面上的偏离方向与所述特定M轴方向的偏离角φ为-0.5°<φ<+0.5°的区域。

2.根据权利要求1所述的氮化物半导体自支撑衬底，其中，所述偏离方向在1°～13°范围内偏离所述特定M轴方向。

3.根据权利要求1所述的氮化物半导体自支撑衬底，其中，所述偏离方向在2°～8°范围内偏离所述特定M轴方向。

4.一种氮化物半导体发光器件，包括：

发光层，其包括在根据权利要求1所述的氮化物半导体自支撑衬底器件上的氮化物半导体。

5.一种氮化物半导体电子器件，包括：

电子器件层，该电子器件层包括在根据权利要求1所述的氮化物半导体自支撑衬底器件上的氮化物半导体。

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