CN102549778A - 倾斜基底上的高质量非极性/半极性半导体器件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种高质量非极性/半极性半导体器件及其制造方法。通过在能够生长非极性/半极性氮化物半导体层的蓝宝石晶面上形成氮化物半导体晶体来消除在极性氮化物半导体的活性层中产生的压电效应。模板层形成在沿预定方向倾斜的蓝宝石晶面的相应的轴外，从而降低了半导体器件的缺陷密度，并提高了其内部量子效率和光提取效率。在制造所述半导体器件的方法中，在具有用于生长非极性或半极性氮化物半导体层的晶面的蓝宝石基底上形成模板层和半导体器件结构。所述蓝宝石基底的所述晶面沿预定方向倾斜，并且模板层包括位于倾斜的蓝宝石基底上的氮化物半导体层和GaN层。

Description

倾斜基底上的高质量非极性/半极性半导体器件及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种半导体光学器件及其制造方法，更具体地说，涉及一种高质量非极性/半极性半导体器件及其制造方法。在所述高质量非极性/半极性半导体器件中，非极性/半极性氮化物半导体晶体形成在能够生长非极性/半极性氮化物半导体层的蓝宝石晶面上，从而在氮化物半导体层中不会发生在极性氮化物半导体层中产生的压电效应。另外，模板层形成在沿预定方向倾斜的蓝宝石晶面的相应的轴外(off-axis)，以减小半导体器件的缺陷密度，并提高其内部量子效率和光提取效率。
背景技术
因为诸如GaN的III-V族氮化物半导体(还简称为“氮化物半导体”)具有优异的物理和化学性能，所以近来已经将它们视为用于诸如发光二极管(LED)、激光二极管(LD)和太阳能电池的半导体光学器件的必要材料。通常，III-V族氮化物半导体由经验式为InxAlyGa1-x-yN(0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1)的半导体材料组成。这样的氮化物半导体光学器件应用为用于诸如移动电话键区、电子显示板和照明器件的各种产品的光源。
具体地说，随着使用LED或LD的数字产品已经发展起来，对具有更高亮度和更高可靠性的氮化物半导体光学器件的需求日益增加。例如，随着移动电话趋于更加纤薄，作为移动电话的背光的侧发光LED需要更亮和更薄。然而，如果使用C面(例如，(0001)面)作为蓝宝石晶面在蓝宝石基底上生长诸如极性GaN的氮化物半导体，则内部量子效率会由于极化场的形成所引起的压电效应而降低。
因此，需要在蓝宝石基底上形成非极性/半极性氮化物半导体。然而，适合于使用非极性/半极性GaN等形成模板层的蓝宝石和形成在蓝宝石上的非极性/半极性氮化物半导体模板层之间的晶格失配以及组成元件之间的热膨胀系数的差异会引起诸如线缺陷和面缺陷的晶体缺陷。这样的晶体缺陷对光学器件的可靠性(例如，抗静电放电性(ESD))具有不利影响，并且还是光学器件内的电流泄漏的原因。因此，会降低光学器件的量子效率，从而导致光学器件的性能劣化。
已经做了各种努力来减少氮化物半导体层的晶体缺陷。这些努力之一是使用选择性外延生长。然而，这些努力需要高成本和复杂的工艺，例如SiO2掩模沉积。另外，可以通过在蓝宝石基底上形成低温缓冲层然后在低温缓冲层上形成GaN来减少晶体缺陷。然而，这对于解决光学器件的晶体缺陷问题是不够的。因此，需要解决由于晶体缺陷而使光学器件的亮度和可靠性劣化的问题。
发明内容
本发明的一方面涉及一种高质量非极性/半极性半导体器件及其制造方法。在所述高质量非极性/半极性半导体器件中，氮化物半导体晶体形成在能够生长非极性/半极性氮化物半导体层的蓝宝石晶面上，从而消除在极性GaN氮化物半导体中产生的压电效应。另外，模板层形成在沿预定方向倾斜的蓝宝石晶面的相应的轴外。因此，可以改进表面轮廓，并可以减少模板层的缺陷，从而提高了晶体质量。
根据本发明的实施例，提供了一种用于制造半导体器件的方法，在所述半导体器件中，模板层和半导体器件结构形成在具有用于生长非极性或半极性氮化物半导体层的晶面的蓝宝石基底上，所述方法包括：准备所述蓝宝石基底，所述蓝宝石基底的所述晶面沿预定方向倾斜；以及在倾斜的所述蓝宝石基底上形成包括氮化物半导体层和GaN层的模板层。
一种半导体器件可以通过所述制造方法制造。所述蓝宝石基底的所述晶面可以包括A面、M面和R面。
所述蓝宝石基底的所述晶面可以为A面、M面或R面，并可以沿A方向、M方向、R方向或C方向倾斜。
所述蓝宝石基底的所述晶面可以相对于水平面在0度至10度的范围内倾斜。
所述氮化物半导体层可以包括InxAlyGa1-x-yN层(0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1)。
所述半导体器件可以包括发光二极管(LED)，所述发光二极管具有位于n型氮化物半导体层和p型氮化物半导体层之间的活性层。另外，所述半导体器件可以包括光学器件或者可以包括电子器件，所述光学器件包括发光二极管、激光二极管、光检测器或太阳能电池，所述电子器件包括晶体管。
根据上面阐述的半导体器件及其制造方法，模板层形成在能够生长非极性/半极性氮化物半导体层并沿预定方向倾斜的蓝宝石晶面的相应的轴外，并且氮化物半导体光学器件形成在模板层上。因此，氮化物半导体层可以具有低的晶体缺陷密度，从而提高了半导体器件的可靠性和性能(例如，亮度)。
附图说明
图1示出了用于说明蓝宝石基底的晶面的蓝宝石晶体结构。
图2示出了用于说明半极性氮化物半导体层的半极性GaN晶体结构。
图3示出了根据本发明实施例的蓝宝石基底的倾斜方向。
图4是用于说明根据本发明实施例的半导体光学器件的结构的剖视图。
图5是用于比较现有技术的半导体光学器件结构和本发明的半导体光学器件结构之间的未掺杂的GaN层的表面的晶体状态的光学显微镜(OM)图像照片。
图6是用于说明现有技术的结构中的未掺杂的GaN层的X射线衍射(XRD)峰的图。
图7是用于说明本发明的结构中的未掺杂的GaN层的XRD峰的图。
图8是用于比较现有技术的半导体光学器件结构和本发明的半导体光学器件结构之间的光致发光(PL)强度的曲线图。
具体实施方式
下面将参照附图详细地描述本发明的示例性实施例。提供这些实施例使本公开将是彻底的且完整的，并将把本发明的范围充分地传达给本领域的技术人员。然而，本发明可以以许多不同的形式来实施，而不应该被理解为局限于在此提出的实施例。在整个附图和说明书中，将使用相同的标号来指示相同的元件。
图1示出了用于说明蓝宝石基底的晶面的蓝宝石晶体结构。
通常，如果使用C面(例如(0001)面)作为蓝宝石晶面在蓝宝石基底上生长诸如极性GaN的氮化物半导体，如图1所示，则由极化场的形成引起的压电效应会降低内部量子效率。
在本发明的实施例中，在蓝宝石基底上形成诸如LED、LD或太阳能电池的氮化物半导体光学器件结构，并使用图1中的A面(例如，(11-20)面)、M面(例如，(10-10)面)或R面(例如，(1-102)面)作为蓝宝石基底的晶面，从而可以在该晶面上生长非极性或半极性氮化物半导体层。如果需要，则可以使用C面作为蓝宝石基底的晶面，并可以在该晶面上形成非极性或半极性氮化物半导体层。
具体地说，在本发明的实施例中使用的基底是蓝宝石(Al2O3)基底，其中，该蓝宝石基底的晶面沿预定方向倾斜，如图3所示。例如，在蓝宝石基底的晶面为R面的情况下，可以将蓝宝石基底制造为使蓝宝石基底的晶体生长成沿A方向、M方向或C方向倾斜。同样，在蓝宝石基底的晶面为A面的情况下，倾斜方向可以是R方向、M方向或C方向。在蓝宝石基底的晶面为M面的情况下，倾斜方向可以是R方向、A方向或C方向。另外，如果需要，则在蓝宝石基底的晶面为C面的情况下，倾斜方向可以是A方向、M方向或R方向。蓝宝石基底可以相对于水平面以范围为0度至10度的倾斜角θ倾斜。
因此，在选择M面作为蓝宝石基底的晶面并且蓝宝石基底如上倾斜的情况下，沿与(11-22)面垂直的方向生长的半极性氮化物半导体层可以形成在相应晶面的轴外，如图2所示。在选择A面作为蓝宝石基底的晶面的情况下，沿预定方向生长的半极性氮化物半导体层可以形成在相应晶面的轴外。在选择R面作为蓝宝石基底的晶面的情况下，沿与(11-20)面垂直的方向生长的非极性氮化物半导体层可以形成在相应晶面的轴外。如上所述，可以选择C面作为蓝宝石基底的晶面，并且可以在该晶面上生长预定的非极性或半极性氮化物半导体层。
将针对半导体光学器件及其制造方法给出下面的描述。为了形成非极性或半极性氮化物半导体层，半导体光学器件采用使用A面、M面或R面作为晶面并沿预定方向倾斜的蓝宝石基底，如图3所示。半导体光学器件是指诸如LED、LD、光检测器或太阳能电池的氮化物半导体光学器件。尽管将LED描述为半导体光学器件的示例，但本发明不限于此。本发明还可以通过在使用A面、M面、R面或C面作为晶面并沿预定方向倾斜的蓝宝石基底上形成非极性或半极性氮化物半导体层而类似地应用于用于制造诸如LD、光检测器或太阳能电池的其它氮化物半导体光学器件的方法。此外，根据本发明的用于制造半导体光学器件的方法还可以类似地应用于用于制造诸如普通二极管或晶体管的半导体电子器件的方法。
图4是用于说明根据本发明实施例的半导体光学器件100的结构的剖视图。
参照图4，根据本发明实施例的半导体光学器件100包括蓝宝石基底110、模板层120和LED层130。在蓝宝石基底110中，能够生长非极性或半极性氮化物半导体层的晶面(例如，A面、M面、R面或C面)在0度至10度的范围内倾斜。模板层120和LED层130形成在蓝宝石基底110上。
准备蓝宝石基底110，蓝宝石基底110的晶面(A面、M面或R面)在0度至10度的范围内倾斜。可以通过诸如金属有机化学气相沉积(MOCVD)的真空沉积工艺在蓝宝石基底110上生长由非极性或半极性氮化物半导体层形成的模板层120。可以在模板层120上生长LED层130。
模板层120包括氮化物半导体层和未掺杂的GaN层。例如，具有经验式InxAlyGa1-x-yN(0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1)的低温氮化物半导体层可以在400℃至700℃的温度范围内的特定温度下形成为
Figure BPA00001515484400051
至的厚度，并且高温未掺杂的GaN层可以形成在低温氮化物半导体层上。高温未掺杂的GaN层可以在高温下(例如，在800℃至1,100℃的温度范围内的特定温度下)生长，并可以形成为
Figure BPA00001515484400053
至的厚度。此外，为了在GaN层的表面上进一步减少诸如面缺陷和线缺陷的晶体缺陷，可以在构成模板层120的低温氮化物半导体层和高温未掺杂的GaN层之间进一步形成高温氮化物半导体层。高温氮化物半导体层可以具有经验式InxAlyGa1-x-yN(0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1)，并可以在700℃至1,100℃的温度范围内的特定温度下形成为
Figure BPA00001515484400055
至
Figure BPA00001515484400056
的厚度。
因此，如图5的标号510所指示的，当使用C面作为晶面在蓝宝石基底上形成极性GaN层时，在极性GaN层的表面上存在晶体缺陷，因此，表面粗糙度大。相比之下，如图5的标号520所指示的，可以看出，根据本发明实施例的未掺杂的GaN层的表面的晶体状态是优异的，这是因为减少了诸如面缺陷和线缺陷的许多晶体缺陷，并降低了表面粗糙度。
这样，晶体缺陷的减少使得晶体应变减小。从图6和图7还可以证实具有减少的晶体缺陷的均匀的非极性或半极性氮化物半导体层。
图6示出了相对于使用C面作为晶面形成在蓝宝石基底上的极性GaN层的表面的XRD强度，从图6可以看出，半峰全宽(FWHM)值沿与M方向垂直的方向(轴上的U-GaN 90°)为大约2,268弧秒，并且沿与M方向平行的方向(轴上的U-GaN 0°)为大约1,302弧秒。
另一方面，图7示出了相对于根据本发明实施例的未掺杂的GaN层的表面的XRD强度，从图7可以看出，FWHM值沿与M方向垂直的方向(轴外的U-GaN 90°)为大约1,173弧秒，并且沿与M方向平行的方向(轴外的U-GaN0°)为大约1,155弧秒。当R面用作蓝宝石晶面并沿M方向倾斜大约0.2°时，获得图7的结果。
如上所述，在本发明的结构中获得的FWHM值远小于在现有技术的结构中获得的FWHM值。这表示本发明的结构中的结晶度高于现有技术的结构中的结晶度。
在形成显著地减少了晶体缺陷并提高了结晶度的模板层120且随后在模板层120上形成诸如LED、LD、光检测器或太阳能电池的半导体光学器件结构的情况下，可以抑制包括在现有技术的结构中的极性氮化物半导体层中发生的压电效应。此外，可以提高光学器件的电子空穴复合速率，从而提高了其量子效率。因此，可以提高光学器件的亮度。
例如，在LED层130形成在模板层120上的情况下，LED层130可以具有这样的结构，即，活性层132和133设置在n型氮化物半导体层131和p型氮化物半导体层134之间，如图4所示。
可以通过使掺杂有杂质(例如，Si)的GaN层生长到大约2微米的厚度来形成n型氮化物半导体层131。
活性层132和133可以包括多量子阱(MQW)层132和电子阻挡层(EBL)133。具体地说，通过将GaN势垒层(大约7.5纳米)和In0.15Ga0.85N阱层(大约2.5纳米)交替地层叠若干次(例如，5次)来形成MQW层132。使用Al0.12Ga0.88N层(大约20纳米)来形成电子阻挡层133。
MQW层132的InGaN阱层和GaN势垒层可以以大约1×1019/cm3的Si掺杂浓度掺杂，电子阻挡层133可以以大约5×1019/cm3的Mg掺杂浓度掺杂。虽然已经将In0.15Ga0.85N阱层作为InGaN阱层的示例进行了描述，但是本发明不限于此。与InxGa1-xN(0＜x＜1)一样，In和Ga的比可以改变。另外，虽然已经将Al0.12Ga0.88N层作为电子阻挡层133的示例进行了描述，但是本发明不限于此。与AlxGa1-xN(0＜x＜1)一样，Al和Ga的比可以改变。此外，MQW层132的InGaN阱层和GaN势垒层可以掺杂有O、S、C、Ge、Zn、Cd和Mg中的至少一种以及Si。
可以通过使以大约5×1019/cm3的Mg掺杂浓度掺杂的GaN层生长到大约100纳米的厚度来形成p型氮化物半导体层134。
用于施加电压的电极141和142可以分别形成在n型氮化物半导体层131和p型氮化物半导体层134上。完成的LED可以安装在预定的封装基底上，并用作相应的光学器件。
从图8可以看出，在使用C面作为晶面在蓝宝石基底上形成极性GaN层之后形成LED的情况(轴上的U-GaN)下，PL强度为低。相反，如在本发明的实施例中，在R面用作蓝宝石晶面并沿M方向倾斜大约0.2°的情况(轴外的U-GaN)下，证实了相应的可见光波长处的PL强度为高。
如上所述，在模板层120上不仅可以形成LED层130，而且可以形成其它半导体电子器件或其它半导体光学器件结构，例如LD、光检测器或太阳能电池，如图4所示。可以在活性层132和133等处抑制压电效应。因此，可以提高电子空穴复合速率和量子效率，从而有助于器件的性能(例如，亮度)提高。
尽管已经参照具体的实施例描述了本发明的实施例，但是对于本领域技术人员来说将明显的是，在不脱离在权利要求中限定的本发明的精神和范围的情况下，可以做出各种改变和修改。

Claims (8)

1.一种用于制造半导体器件的方法，在所述半导体器件中，模板层和半导体器件结构形成在具有用于生长非极性或半极性氮化物半导体层的晶面的蓝宝石基底上，所述方法包括：
准备所述蓝宝石基底，所述蓝宝石基底的所述晶面沿预定方向倾斜；以及
在倾斜的所述蓝宝石基底上形成包括氮化物半导体层和GaN层的模板层。
2.一种半导体器件，所述半导体器件由根据权利要求1所述的制造方法制造。
3.根据权利要求2所述的半导体器件，其中，所述蓝宝石基底的所述晶面包括A面、M面或R面。
4.根据权利要求2所述的半导体器件，其中，所述蓝宝石基底的所述晶面为A面、M面或R面，并沿A方向、M方向、R方向或C方向倾斜。
5.根据权利要求2所述的半导体器件，其中，所述蓝宝石基底的所述晶面相对于水平面在0度至10度的范围内倾斜。
6.根据权利要求2所述的半导体器件，其中，所述氮化物半导体层包括InxAlyGa1-x-yN层，其中，0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1。
7.根据权利要求2所述的半导体器件，其中，所述半导体器件包括发光二极管，所述发光二极管包括位于n型氮化物半导体层和p型氮化物半导体层之间的活性层。
8.根据权利要求2所述的半导体器件，其中，所述半导体器件包括光学器件或者包括电子器件，所述光学器件包括发光二极管、激光二极管、光检测器或太阳能电池，所述电子器件包括晶体管。
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