CN102362018A - 蓝宝石衬底的制造方法及半导体装置 - Google Patents

蓝宝石衬底的制造方法及半导体装置 Download PDF

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Abstract

对使化合物半导体层生长在蓝宝石衬底上而制作的半导体装置，提供了一种能够制作光提取效率较高的半导体装置的蓝宝石衬底。在蓝宝石衬底(1)的面上通过随机布置形成多个凸起(2、2、…)，让GaN层(10)在该面上生长。再在其上形成多量子阱层(12)、p-AlGaN层(14)、p-GaN层(16)以及ITO层(18)，还形成两个电极(21、22)，制作出了半导体发光元件。

Description

蓝宝石衬底的制造方法及半导体装置
技术领域
本发明涉及一种蓝宝石衬底的制造方法及半导体装置。
背景技术
发光二极管(LED)因为其能量转换效率高、寿命长而被广泛地用于各种照明设备、灯饰(illumination)、电子设备等中。能够发出可见光的LED主要用AlGaInN(之后以GaN代表之)或由AlGaInP构成的III-V族化合物半导体材料制作。GaN在发绿光、蓝光以及紫外光的LED中使用；AlGaInP在发红光、橙光以及黄光的LED中使用。
现在，从成本、质量等角度考虑，让GaN晶体在蓝宝石(Al2O3)衬底上生长。但是，使之在蓝宝石衬底上生长的GaN层，因为蓝宝石晶格和GaN晶格之间的晶格不匹配，在GaN的结晶过程中会出现起高密度非发光再结合中心之作用的螺型穿透错位，结果便出现了光输出(外量子效率)减少，耐久寿命降低，漏电流增加等现象。
在蓝色域的波长下，GaN的折射率约为2.4，蓝宝石衬底的折射率约为1.8，GaN和蓝宝石衬底的折射率差大，从InGaN/GaN多量子阱层发出的光的大约70％受全反射的限制被关在包括多量子阱层的GaN层中，该大约70％的光在GaN层中进行传播的过程中被多量子阱层自己吸收或者被电极等吸收，最终被转换成热。也就是说，出现以下现象，即由于折射率差产生全反射，受该全反射的限制导致LED的光提取效率大幅度下降。
为减少这样的螺型穿透错位并为提高光提取效率，事先对蓝宝石衬底的让GaN层生长的面进行蚀刻，形成凹凸，制作所谓的已被图案化的蓝宝石衬底(PSS)，再利用该PSS让GaN层和AlGaN层生长。上述技术已有公开(例如专利文献1)。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特许公报第3595277号公报
发明内容
-发明要解决的技术问题-
然而，专利文献1中所公开的现有PSS，是在多条平行槽规则排列在蓝宝石衬底的一面上而成，或者由拱顶型、圆柱状、四棱柱或六角形等几何图形组成的图案设置在蓝宝石衬底的一面上而成。
为制作这样的规则图案，一般情况下，需要制作图案已被设计好不会导致内量子效率下降的光掩膜，使用高价的曝光装置进行很多工序，或者制作模具，使用纳米压印装置进行很多工序，这将成为LED元件制造成本升高的主要原因。
周期性图案会产生光提取效率对方向的依赖性，从LED元件发出的光的配光性具有各向异性。也就是说，在图案的周期排列与GaN层中的光的传播方向正交的情况下，从LED元件表面提取光的光提取效率提高；在周期排列与GaN层中的光的传播方向平行的情况下，光提取效率大致和普通的平表面蓝宝石衬底一样大。
这样一来，就现有技术下的具有规则图案的PSS而言，制造成本就有可能升高。而且，由于光提取效率的各向异性，从LED元件发出的光的配光性就各向异性，而有碍于将该LED元件用在需要高效率且均匀发光的照明、电子设备等中。
本发明正是为解决上述问题而完成的，其目的在于：提供一种简单且廉价地制造蓝宝石衬底的方法，用该蓝宝石衬底制作的半导体装置，LED元件的配光性的各向异性少、光提取效率高。
-用以解决技术问题的技术方案-
为解决上述问题，本发明中的蓝宝石衬底的制造方法包括以下工序，工序A，将金属蒸镀在蓝宝石薄板的一面上；工序B，在所述工序A之后，对所述蓝宝石薄板进行热处理以使所述金属成为微粒状态；以及工序C，以所述微粒状态的金属为掩膜对所述蓝宝石薄板的所述一面进行蚀刻。
在所述工序A中，能够使所述金属的厚度在1nm以上20nm以下。
在所述工序C中，能够在所述一面形成多个凸起，多个所述凸起设置在所述一面的随机位置上且各个所述凸起具有从底部朝向顶部越来越细的形状，能够使所述凸起的顶部的平面的面积在0μm2以上0.05μm2以下。
能够使所述凸起的底面的长径在100nm以上1μm以下，短径在50nm以上0.5μm以下，能够以1×106个/cm2以上5×1010个/cm2以下的密度布置所述凸起。
能够使所述凸起的侧面为曲面。
能够使所述凸起的高度在100nm以上1μm以下。
能够将多个凸形状随机地设置在所述蓝宝石薄板的所述一面上，能够使所述凸形状具有从底部朝向顶部越来越细的形状，以1×105个/cm2以上5×107个/cm2以下的密度布置，能够使所述凸形状的顶部的平面的面积大于0且小于等于10μm2，能够使所述凸形状的底面的长径在1μm以上50μm以下，短径在100nm以上10μm以下。
本发明中的半导体装置具备利用上述蓝宝石衬底的制造方法制造出的蓝宝石衬底，化合物半导体层设置在所述一面上。
-发明的效果-
用工序道数少、简单且廉价的方法，即能够在蓝宝石衬底上的随机位置设置多个顶端越来越细的凸起。而且，能够使用该衬底制作出光提取效率高的发光二极管。
附图说明
图1是实施方式所涉及的蓝宝石衬底的示意制造工序图。
图2是实施方式所涉及的载有金属微粒的蓝宝石薄板的SEM照片。
图3是实施方式所涉及的蓝宝石衬底的SEM照片。
图4是实施方式所涉及的蓝宝石衬底的示意俯视图。
图5是实施方式所涉及的蓝宝石衬底的示意放大剖视图。
图6是示出了实施方式所涉及的GaN层在生长初期的蓝宝石衬底的示意放大剖视图。
图7是示出了实施方式所涉及的蓝宝石衬底在GaN层将凸起掩埋后之状态的示意放大剖视图。
图8是将蓝宝石衬底上的凸起放大示出的示意剖视图。
图9是将蓝宝石衬底上的凸起放大示出的示意俯视图。
图10是实施方式所涉及的半导体发光元件的示意放大剖视图。
图11是其他实施方式所涉及的蓝宝石衬底的示意俯视图。
具体实施方式
下面，结合附图对本发明的实施方式进行详细的说明。在以下附图中，为简化说明，用同一个参考符号表示实质上具有相同功能的构成要素。
(第一实施方式)
根据图1所示的示意制造流程来说明第一实施方式所涉及的蓝宝石衬底1的制造方法。
<准备蓝宝石薄板>
准备了由Al2O3的刚玉结构的单晶体形成的圆盘状蓝宝石薄板100。蓝宝石薄板100的直径为50～300mm，厚度为0.3～3mm。与GaN薄板相比，蓝宝石薄板100的成本非常低；与Si薄板相比，将透光性考虑在内的元件性能非常优良。在此后形成化合物半导体之际，让GaN层生长的蓝宝石薄板100的一面(主面)可以是a面<{11-20}面>、c面<(0001)面>、m面<{1-100}面>以及r面<{1-102}面>中的任意一个面，或者还可以是其它晶向的晶面。
<蒸镀工序>
将金属蒸镀在蓝宝石薄板100的一面(主面)上，而在该主面上形成了金属薄膜102(工序S1)。金属只要考虑着该金属本身的成本以及工序的成本选择即可，能够列举出的金属例如有Ni、Pd等。虽然金属薄膜102的厚度会根据所需凸起的大小、此后之工序的条件等变化，但优选在1nm以上20nm以下。这里，作为金属使用的是Ni，且形成了厚度5nm的金属薄膜102。
<热处理工序>
在真空下或者氮气环境下对载有金属薄膜102的蓝宝石薄板100进行热处理(退火)(工序S2)。通过该热处理金属薄膜102成为微粒103状态。图2示出了在蓝宝石薄板100上载有微粒103的状态。
优选微粒103为球状或半球状。热处理条件根据金属种、金属薄膜102的厚度、想要形成的微粒103的形状、大小等调整。优选从蓝宝石薄板100之上看去时(从上方朝下方俯视时)，金属微粒103的大小为直径在50nm以上1μm以下。微粒103的大小存在偏差。这里，在850℃、22秒的条件进行退火，所制得的金属微粒103大小存在偏差，大的金属微粒103呈直径约为100nm的球状。
<蚀刻工序>
以金属微粒103作掩膜，利用感应耦合等离子型反应性离子蚀刻(Inductive Coupled Plasma Reactive Ion Etching：ICP-RIE)对蓝宝石薄板100的主面进行蚀刻(工序S3)。调节蚀刻的条件，进行能够将金属微粒103除去那么充分的蚀刻，制作出了图1最下部分所示的多个凸起2、2、…在主面上随机布置着的蓝宝石衬底1。图3是示出了该蓝宝石衬底1的立体状态的SEM照片。
图4是从主面的上方观看该蓝宝石衬底1所得到的俯视图，图5是蓝宝石衬底1的剖视图。图8是凸起2的示意放大剖视图。
如图8所示，形成在蓝宝石衬底1的主面上的凸起2近似圆锥状，由侧面稍微向外凸的曲面构成，从底部6到顶部4越来越细。底部6近似圆形。该近似圆形是由金属微粒103的形状而来，底部6的形状随着金属薄膜102的厚度、退火条件变化。顶部4通过充分的蚀刻而被削，成为几乎不存在面的尖形状。顶部4的平面部分的面积没有超过0.05μm2的，平均值也不到0.001μm2。此外，通常利用剖面SEM照片假定平面部分为圆形来计算顶部4的平面部分的面积，本实施方式就是按照上述方法计算出来的。
多个凸起2、2、…大小存在偏差，但优选其高度h的平均值在100nm以上1μm以下的范围内。这里，平均约为300nm。优选底部6的直径(长径)R的平均值在100nm以上1μm以下的范围内。这里，平均约为300nm。优选凸起2的分布密度在1×106个/cm2以上5×1010个/cm2以下的范围内。这里为5×108个/cm2。凸起2的侧面为曲面意味着在侧面，晶面在连续变化。
因为多个凸起2、2、…的位置与金属微粒103的位置相同，金属微粒103随机地分散在主面3上，所以多个凸起2、2、…就随机地布置在主面3上，凸起2、2、…之间的位置关系没有规则性。在规定范围内多个凸起2、2、…的大小也是随机的。因此，即使多个凸起2、2、…引起的光的反射、折射、衰减等相互作用(例如干涉)，其相互作用也没有方向性，光就会向所有的方向均匀地发出。因此，与使用没有多个凸起2、2、…的平蓝宝石衬底制作半导体发光元件的情况相比，光提取效率变大，光输出也因此而变大。为对此进行确认，如下所述用该蓝宝石衬底1制作了具有化合物半导体层的半导体发光元件。
<GaN层的制作>
利用有机金属汽相生长法(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy：MOPVE)让GaN层在具有多个凸起2、2、…的蓝宝石衬底1的主面3上进行了生长。应予说明，此时通过掺杂Si使GaN层成为n-GaN层。图6是示出了GaN层10生长初期的状态的示意剖视图，图7是示出了GaN层10生长到其厚度超过凸起2的高度的状态的示意剖视图。
如图6所示，GaN层10从不包括凸起2的蓝宝石衬底1的主面3上生长，不从凸起2的侧面和顶部4生长。因为凸起2的侧面并非是一个特定晶向的晶面露出的面，所以成为GaN生长起点的核难以生成。但因为蓝宝石衬底1的主面3是特定晶向的晶面全部露出的面，所以GaN的核易于生成，GaN层10不断地生长。也就是说，因为在凸起2的侧面晶面连续变化，所以抑制了GaN从凸起2侧面进行结晶生长。因为凸起2的顶部4几乎没有平坦部分，或者即使有也非常狭窄，所以GaN层10不生长。
如图7所示，随着GaN层10的厚度不断增厚，凸起2全部被向横向(水平方向)生长的GaN层10覆盖。到最终GaN层10的厚度达到凸起2的高度以上时，凸起2被GaN层10遮盖起来。从上往下看，所看到的仅仅是一个很平的GaN层10的表面。
在本实施方式中，让GaN层10生长，直到最终GaN层10的厚度为6μm。采用阴极发光(CL)对该GaN层10的错位密度进行了评价。通常由CL观察的暗点是出现在GaN层10表面的螺型穿透错位，因此暗点密度基本上是错位密度。本实施方式中所观测到的暗点密度，与在现有技术下的使之在条状蓝宝石衬底(衬底表面上形成了多个平行槽的PSS)上生长的GaN层中观察到的暗点密度大致相同。此外，在以下说明的制作半导体发光元件的情况下，让GaN层10生长后，不进行暗点观察，就继续让下一个化合物半导体层生长。
<半导体发光元件的制作>
在上述蓝宝石衬底1上的GaN层10上进一步形成多个化合物半导体层和电极，制作出了图10所示的半导体发光元件。下面说明是如何制作的。
首先，让InGaN层和GaN层在GaN层10上交替生长多次，形成了多量子阱层12。然后，再在多量子阱层12上让掺杂了Mg的p-AlGaN层14生长，再在其上让掺杂了Mg的p-GaN层16生长。最后，利用电子束蒸镀法在p-GaN层16上形成透明电极即ITO层18。
接下来，利用ICP-RIE对上述已层叠起来的化合物半导体层的一部分进行蚀刻加工，让GaN层10露出来。然后，利用电子束蒸镀法在已露出的GaN层10上形成由Ti/Al(叠层结构)形成的n型电极22，再在ITO层18上形成由Ti/Al形成的p型电极21，便制作出了半导体发光元件。
<半导体发光元件的特性>
用OPTO-SYSTEM公司制造的自动探针测试器(probe tester)“WPSR3100”对按以上所述制作出的本实施方式中的半导体发光元件(半导体装置)的光输出进行了测量。为进行比较，制作了比较用发光元件，同样地测量了比较用发光元件的光输出。制作该比较用发光元件时，衬底使用的不是本实施方式中的蓝宝石衬底，而是主面为平面(未形成凸起)的衬底，除此以外的结构、制法都和本实施方式中的半导体发光元件相同。
假定让20mA的电流输入时的比较用发光元件的光输出为100，本实施方式中的半导体发光元件的光输出则成为144，光输出提高了44％。本实施方式中的半导体发光元件在所有的面均匀发光。因此，在蓝宝石衬底1的主面3上随机地形成多个凸起2、2、…，再在该蓝宝石衬底1上形成化合物半导体层来制作半导体发光元件，便获得了发光效率提高且均匀发光的半导体发光元件。因为本实施方式中的蓝宝石衬底1未进行使用光掩膜的光刻工序即制作出来，所以能够降低制作成本，缩短制作时间。
(第二实施方式)
在第二实施方式中，蓝宝石薄板与第一实施方式不同，除此以外的结构都和第一实施方式相同。因此以下仅对与第一实施方式不同的部分进行说明。此外，本实施方式所涉及的蓝宝石衬底1’示于图11。
本实施方式中的蓝宝石薄板，事先在主面3上随机的位置上设置了多个凸形状2’，这些凸形状2’具有从底部朝向顶部越来越细的形状，且以1×105个/cm2以上5×107个/cm2以下的密度布置好，凸形状2’的顶部4’的平面的面积大于0且小于等于10μm2。凸形状2’的底面的长径在1μm以上50μm以下，短径在100nm以上10μm以下。用该蓝宝石薄板进行和第一实施方式一样的工序，得到了图11所示的蓝宝石衬底1’。
第二实施方式收到了和第一实施方式一样的效果。
(其它实施方式)
上述实施方式是本发明的示例。本发明并不限于上述示例。凸起2的形状并不限于近似圆锥形状，例如还可以是近似半球形状等。在上述第一或者第二实施方式中，可以用专利文献1所公开的具有多条平行槽的图案或者具有由拱顶型、圆柱状、四棱柱或六角形等几何图形组成的图案的PPS作蓝宝石薄板，并同时使用该PPS和凸起。例如，上述实施方式中的多个凸起可以设置在四棱柱形状的突起部顶上的平坦部分的整个面上。
优选凸起2的平均高度100nm以上1μm以下，更优选在800nm以下。
凸起2的底部6的形状并不限于圆形，还可以是椭圆形、由曲线围成的不定形状等。优选底部6的长径R在100nm以上1μm以下。
优选凸起2的分布密度在1×106个/cm2以上5×1010个/cm2以下。如果小于1×106个/cm2，则光提取效率的提高效果变小；若大于5×1010个/cm2，则凸起间的重叠增大，结晶生长出现不良的可能性大。
半导体发光元件的各构成层采用公知方法生长即可。
使之在蓝宝石衬底1的主面上3生长的半导体层并不限于GaN层10，还可以是AlN、InGaN等化合物半导体层。
随机布置的多个凸起所带来的光提取效率的提高效果与多个平行槽带来的PSS的效果相同。无凸起时，能够利用光散射效应将因全反射的限制关闭在GaN层中的光取出到GaN层外(甚至LED元件外部)。
-产业实用性-
综上所述，本发明所涉及的蓝宝石衬底成为均匀且效率良好地发光的半导体发光元件的衬底，在照明用途等上很有用。
符号说明
1、1’-蓝宝石衬底             2-凸起
2’-凸形状                    3-主面
4-凸起顶部                    6-凸起底部
100-蓝宝石薄板                102-金属薄膜
103-微粒

Claims (8)

1.一种蓝宝石衬底的制造方法，其特征在于：
包括以下工序：
工序A，将金属蒸镀在蓝宝石薄板的一面上；
工序B，在所述工序A之后，对所述蓝宝石薄板进行热处理以使所述金属成为微粒状态；以及
工序C，以所述微粒状态的金属为掩膜对所述蓝宝石薄板的所述一面进行蚀刻。
2.根据权利要求1所述的蓝宝石衬底的制造方法，其特征在于：
在所述工序A中，蒸镀所述金属，蒸镀厚度在1nm以上20nm以下。
3.根据权利要求1或2所述的蓝宝石衬底的制造方法，其特征在于：
在所述工序C中，在所述一面形成多个凸起；
多个所述凸起设置在所述一面的随机位置上且各个所述凸起具有从底部朝向顶部越来越细的形状；
所述凸起的顶部的平面的面积在0μm2以上0.05μm2以下。
4.根据权利要求3所述的蓝宝石衬底的制造方法，其特征在于：
所述凸起的底面的长径在100nm以上1μm以下，短径在50nm以上0.5μm以下；
所述凸起以1×106个/cm2以上5×1010个/cm2以下的密度布置。
5.根据权利要求3或4所述的蓝宝石衬底的制造方法，其特征在于：
所述凸起的侧面是曲面。
6.根据权利要求3到5中任一项权利要求所述的蓝宝石衬底的制造方法，其特征在于：
所述凸起的高度在100nm以上1μm以下。
7.根据权利要求1或2所述的蓝宝石衬底的制造方法，其特征在于：
所述蓝宝石薄板，在所述一面随机位置上设置多个凸形状；
所述凸形状具有从底部朝向顶部越来越细的形状，且以1×105个/cm2以上5×107个/cm2以下的密度布置；
所述凸形状的顶部的平面的面积大于0且小于等于10μm2；
所述凸形状的底面的长径在1μm以上50μm以下，短径在100nm以上10μm以下。
8.一种半导体装置，其包括利用权利要求1到7中任一项权利要求所述的蓝宝石衬底的制造方法制得的蓝宝石衬底，化合物半导体层设置在所述一面上。
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